太阳系形成的过程

20 世纪以来，对太阳系形成问题的认识过程，本质上是灾变说与星云说交替进行的曲折过程。在天文观测基础上，世纪之初的布丰“灾变说”的迅猛复兴取代了古老的康德—拉普拉斯“星云说”，而在世纪之中的“星云说” 重新复兴。我们将基于“星云说”所得到的图像，并且以数学严密性最令人满意的密度波理论所达到的认识为基础，综合天文学的观测结果加以叙说。

密度波理论用于太阳系形成的研究，所得到的结果大至如下所述。太阳系的原始星云是从银河系星云盘一个旅臂上分离出来的。它也像银河气体星云盘一样是个旋转着的星云气体盘，有稳定的边界。这个太阳系星云盘的单臂和诸环带叠加结构，使得在它们的文汇点上，由于引力势阱而发生星云物质的聚集，而最后形成环绕太阳中心的行星系统。对于太阳系形成这一问题来说，这还不是全过程，必须增加星云盘如何形成和星体如何在引力势阱处形成的内容。这就是本节的梗概。

太阳系星云盘的形成

太阳系的星云是从银河系的一个旋臂上分裂出来的。虽然银河星云是扁盘状的，但分裂出来的太阳星云却不一定一开始就是扁盘状。因为银河旋臂的厚度远大于现今太阳系的直径。最简单的假定认为，最初的太阳星云是球形分布的。这就有一个如何从球形变成圆盘形的过程。

天文界多认为，形成太阳系的原始星云是 1000 个太阳质量以上的大星际云的一小部分，在大星际云收缩到密度ρ＝10-15 克/厘米 3 时，瓦解为上千个小星云，其中之一就是太阳的原始星云。太阳系原始星云的物质，起初应当是均匀的。太阳系星云物质成分依其凝聚温度分为三类：凝聚温度力 1600～ 1400 开尔文的铁、硅、镁、镍及其氧化物、硅酸盐等土物质，凝聚温度为 200～

60 开尔文的氧、氮、碳、硫及其与氢的化合物等冰物质，凝聚温度为 20 开尔文以下的氢、氦、氖等气物质。这三类物质按质量的百分比计，上物质占0.4％，冰物质占 1.4％，气物质占 98.2％。

由这样的组分组成的旋转着的球形星云团，因自引力而发生的收缩是“似落体”式的，内部收缩得快，外部收缩得慢。所以星云外部物质赶不上内部物质收缩而掉队，并且因为自转惯性离心力在极区不存在或很小而物质下落最快，因而趋向形成中间厚一些的扁平气盘。又因为在开始收缩时密度很小， 收缩释放的引力能以辐射的形式发射出去，使得星云收缩近似等温过程。当密度增加到足以吸收自己发射出去的红外辐射时，才开始升温。到星云盘形成时，中心温度约为 2000 开尔文，而边缘温度则只为几十开尔文。这种沿半径方向有梯度差的温度分布，使星云盘物质的分布变得不均匀。在高温区， 除了绝大部分土物质被保存下来外，冰物质的绝大部分被蒸发，气物质全部被蒸发：在中温区，不仅全部土物质和冰物质得以保留，而且也保留了绝大部分气物质；在低温区，虽然温度低，但因引力弱，大部分气物质得以逃逸， 而留下土物质和冰物质。

这样的太阳系星云盘中，主要是气体形态的物质，也有少量的固体尘埃微粒，但只占星云总质量的 1％。根据对星际云的观察，尘粒的最初半径为

10-5 厘米的量级。由于温度的径向梯度，在内部（包括类地行星区），硅酸盐和铁、镍物质熔成球粒状液滴；在外部（巨行星区），因温度低，气物质和冰物质凝成液滴和冰粒而土物质则不能成球而仍以固体尘粒形态存在。这些尘粒和液滴悬浮在气压变化的星云盘大气中向赤道面沉降的过程中，由于密度不同，在内部区铁物质比石物质先到达星云盘赤道面，而在外部区冰、气物质比土物质先到达赤道面，因而形成夹心饼干式的尘层结构。

密度波理论的太阳系结构形成图像

密度波指物质分布的密度波动。无论是分立的还是连续的物质体系，无论是这物质系的组元或部分的运动是规则的还是不规则的，其疏密不均的空间分布随时间而变化的特征，可以用密度波理论来描述。

密度波理论的基本方法是，把研究对象作流体处理，建立流体力学方程， 并根据边条件求出波动解。林家翘将此方法发展为银河系结构理论（1964 年），李启斌又将其推广于太阳结构研究（1977 年），其结果均可与主要观测事实比较。

密度波理论用于银河系和太阳系，其对象当然是作为一个非常薄的气体盘处理，不仅应遵守流体定律，而且因为气体盘的质量较大，引力作用是不可忽略的。出于这些考虑建立起来的方程所导出的波动解和色散关系，为分析银河系和太阳系结构的特征提供了图像。

在密度波理论中，由恒星和星际尘埃组成的圆盘，其密度变化是以角速度ΩP 绕银心旋转的密度波，形成多臂的螺旋图样，旋臂延伸范围随旋臂数的增多而减小。而距银心γ处的银河物质绕银心的角速度Ω＝Ω（γ），与ΩP 有一个差值。当银河物质的径向振荡频率与密度波的频率相同时发生共振， 形成内外两个共振区。而当银河物质绕转的角速度与密度图样的角速度相等时又形成共转区。

银河系是以双臂为主的，在银心距的一定范围上表现为多臂结构。太阳系目前正处于银河系多臂范围内，位于内共转区和外共转区之间。

对于太阳系，其密度变化图样则是由一族环带和单旋臂及靠近共振圈的多臂叠加而成的。单臂与诸环带的交点形成一系列势阱，环带上星云物质向这些势阱聚集就形成行星（图 9），由于这共转圈两边的速度差还形成一个推动行星自转的力。靠近共振圈的次级势阱使星云物质形成小行星和替星。

星云凝聚成星体的过程

密度波理论只指出了环带和单臂交点所产生的势阱是星云凝聚形成天体的条件，并没有说明引力位阱在吸积星云物质的过程中以何种方式形成星体。关于星云凝聚成星体的过程已有数十种假说被提出。

按照戴文赛的学说，夹心结构星云盘中的尘粒先形成星子，然后由星子聚集成行星。在碰撞吸积过程中，相同成分的液滴相遇时即合并长大，而不同成分的液滴则不能聚合，犹如油珠和水珠不相合并一样。尘层的夹心饼干式的结构使得大星子形成的概率，在密度高的中心层远大于密度低的上下层。随着液滴的长大而成为“星子”。星子的长大，起初主要是碰撞吸积， 以后由于碰撞合并而使星子总数变少，单个星子的质量也越来越大，终将变到引力吸积成为主导地位的地步。当星子长大到其表面的逃逸速度等于气体

分子的平均热速度时，固态星子（核）就开始吸积气体。