首页 > 科学 > 科学原理

科学家构建新模型 解释巨气态行星形成原理

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-09-15

据国外媒体报道,在天文学界,有两种关于太阳系内行星形成的理论:一种是被广泛接受的"核心吸积"(core accretion)理论,这种理论能很好解释"类地行星"的形成,但在解释像土星这样的巨大气态行星形成时却遇到了困难;

第二种被称为"吸积盘不稳定" (disk instability)理论,这种理论能够解释巨大气态行星的形成。

  核心吸积理论

  在大约46亿年前,整个太阳系还只是由气体和尘埃组成的云团,被称为太阳星云(solar nebula)。

这团气态星云在自身的引力作用下开始坍缩并加速旋转,在星云的中心逐渐形成了太阳。

"吸积盘不稳定" (disk instability)理论能够很好解释巨大气态行星的形成

  当太阳形成之后,剩余的物质也开始集聚到一起。

在引力的作用下,小颗粒聚集成大颗粒,大颗粒聚集成更大的颗粒。

太阳风把附近较轻的元素(如氢和氦等)吹散,只剩下较重的岩石物质等聚集成了类地行星。

在距离太阳较远的地方,太阳风对轻质元素的影响较小,允许在那里聚集形成巨气态行星,如土星。

小行星、彗星以及月球也以类似的方式逐渐形成。

  土星几乎完全由氢元素和氦元素组成,其它痕量元素也存在于它的大气层中。

根据该理论,在土星形成初期,为了捕获大量的气体星云,它必须要首先迅速形成一个大质量的核心,然后在太阳风吹散其周围的气体星云之前把它们吸引过来。

"吸积盘不稳定理论"形成行星的方式比"核心吸积理论"要快速,只需要几千年就可以完成,这样行星的胚胎就能够在很短的时间内捕获转瞬即逝的轻质气体(www.cha39.com)

  吸积盘不稳定理论

  核心吸积理论无法满足巨大气态行星快速形成的要求。

根据核心吸积理论,气态行星的形成需要几百万年的时间,这要比早期太阳系所能够提供气体原料的时间长得多。

与此同时,核心吸积理论还无法面对行星向太阳系内部快速迁移的问题,因为婴儿行星会在非常短的时间内朝太阳做螺旋靠近运动。

  根据相对较新的"吸积盘不稳定理论",在太阳系早期,吸积盘中的气体和尘埃云团由于不稳定性已经形成了许多团块,随着时间的推移,这些团块开始逐渐聚集成巨大的气态行星。

该理论解释的形成行星的方式比核心吸积理论要快速,只需要几千年就可以完成,这样行星的胚胎就能够在很短的时间内捕获转瞬即逝的轻质气体。

该理论也能够使巨气态行星的质量快速增长,达到能稳定绕太阳运行的程度,从而避免撞向太阳厄运的发生。

  随着科学家继续对太阳系内以及绕其它恒星运动的行星的研究,我们必将能更好地理解像土星这样的巨大气态行星是如何形成的

七言|幸福的第一性原理

“01 生命中有一个短暂的窗口期,那时你的父母健康,你的孩子们还小,所有人都快乐地在一起。

感觉它会永远持续下去,但它不会。

珍惜它的每一刻。

“02 天高云淡之时,心也跟着被放宽了一寸。

——丰子恺《秋》 “03 理解对方的脆弱,但不等于你要等着对方。

你可以带着这份理解离开,然后去遇见一个真正准备好接住你的人。

保重,现在该你理解自己了。

“04 做你自己,然后去承受你为个性付出的代价和收到的礼物。

“05 所有顶级玩家,最后追求的都是运动、自然、长期主义、稳定关系、低刺激生活。

生活幸福的第一性原理,是内在秩序。

“06 “想从别人那边要任何东西,都是烦恼的起源……能够自己给自己的,最好都自己给,虽然费力,但减少痛苦,这是自由。

” ——蔡康永 “07 走着相同道路的,只能是同行者。

走着不同道路却能相伴而行的,才是朋友。

监制:视觉志 编辑:七言君 视频号:视觉志

引力弹弓不用遵守能量守恒定律?为什么绕着行星转一下可以加速?

核废料是人类长期面临的一大难题,它数量庞大,其危险性会持续数万年之久,而人们至今仍未真正找到妥善处置的办法。

既然如此,为什么不干脆用火箭把核废料送上太空,直接扔进太阳里烧掉呢? 这个设想看似简单直接,但仔细分析就会发现问题重重。

首先,把核废料装上火箭本身就极其危险。

火箭在发射过程中偶尔会发生爆炸事故,一旦装载核废料的火箭在升空时爆炸,就会瞬间变成一枚威力巨大的"脏弹",把放射性物质散布到广阔区域,后果不堪设想。

不过,除了发射风险之外,还有一个更为根本的原因——想要真正把物体送进太阳,其实非常非常困难。

乍看上去,飞向太阳应当是件容易的事,毕竟太阳的引力一直在把万物往它那里拉。

然而事实并非如此。

地球以及地球上的一切物体,都在以极高的速度绕着太阳做侧向运动。

当我们朝太阳"下落"的同时,也在以惊人的横向速度从它旁边掠过,结果就是一次次与太阳擦肩而过。

要想真正撞进太阳,就必须把这种侧向速度降下来,让飞行器不再横着飞。

而且这种减速必须彻底——只要还残留哪怕一点点侧向速度,飞行器就会与太阳失之交臂,绕着它兜一圈甩出去,而不是一头栽进去。

那么,需要把速度降低多少呢? 地球连同地球上的一切,都在以大约每秒30公里的速度围绕太阳运行。

这意味着,要让飞行器停止绕日运动、直接坠入太阳,就必须让它相对于地球以每秒30公里的速度向后加速,才能抵消这份公转速度,实现"太阳跳水"。

而且必须减到几乎为零,一点都不能剩。

每秒30公里究竟有多快?做个对比就一目了然。

从地球轨道出发,只需要比地球再快约每秒11公里,就足以彻底摆脱太阳的引力束缚,飞出整个太阳系。

换言之,把飞行器送出太阳系,比让它撞进太阳还要容易得多。

这一点值得再重复一遍:从能量消耗的角度看,前往其他恒星所需要的加速度,竟然比抵达身边这颗太阳还要小。

听起来匪夷所思,但事实确实如此。

而事情还可以变得更加违反直觉。

由于天体引力的强弱与距离密切相关,物体离太阳越近,所在轨道就越小,绕太阳的公转速度也就越快。

以太阳系的行星为例,水星绕太阳一圈的速度大约是地球的一点五倍,而遥远的冥王星速度只有地球的六分之一。

这就带来一个有趣的推论:从水星出发反而比从地球出发更难撞进太阳,尽管水星离太阳近得多。

原因在于,要在水星轨道上停下来,飞行器需要以每秒48公里的速度向后加速,比在地球轨道上所需的每秒30公里还要大得多。

相反,从冥王星轨道出发反而轻松得多——只需要以每秒5公里的速度反向加速,就足以让飞行器摆脱缓慢的公转速度,径直坠入太阳。

正因为如此,如果单纯依靠火箭动力来完成撞日任务,最高效的做法反倒是先把飞行器送到外太阳系去。

因为在外太阳系公转速度大幅降低,随后再进行第二次点火,抵消掉那微弱的横向速度,飞行器就能沿着近乎笔直的路径直接落向太阳。

这也正是美国国家航空航天局早期在规划太阳探测任务时,之所以曾提出让探测器先飞往木星轨道的原因——绕道外太阳系反而更容易减速、更容易接近太阳。

不过,任务规划人员最终并未采用这一方案,而是选择让探测器多次借助金星的引力弹弓效应逐步减速,从而节省宝贵的燃料,一步步靠近太阳。

至于引力弹弓具体是如何运作的,那就是一个值得单独展开的话题。

它是人类发射太空探测器时经常会使用到的一种加速方式,简单来讲,这种方式能够利用行星的引力把探测器"甩"出去,从而为探测器提供额外的速度。

借助这一手段,探测任务所需要的燃料和飞行时间都能被大幅压缩,因此几乎成了深空探测的标配技术。

不过,如果对这个过程稍作推敲,就会发现它并不像"绕一圈就加速"那样简单。

在多数人的印象中,引力弹弓的画面大致是这样的:探测器首先朝着某颗行星飞近,然后被行星的引力抓住、绕着它转上一圈,等到被甩出来的时候,速度就比进入时更快了。

听起来顺理成章,可只要多想一步,就会隐隐觉得有点不对劲。

问题的关键在于能量守恒。

当探测器靠近行星时,行星的引力做正功,探测器会被加速;可当它绕过近拱点、再从行星旁边远离时,同一份引力又会做负功,把刚刚获得的动能重新拉回去。

一进一出、加加减减,探测器相对于行星的速度理应回到原点,怎么会平白多出一截呢? 真正让这个"魔术"成立的,是参考系的切换。

相对于行星本身,探测器的速率进出确实几乎不变,弹弓过程只改变了它的飞行方向;但相对于太阳来说,行星本身也在高速公转,探测器借用的其实是行星绕日运动的那份动能。

行星在把探测器"甩"出去的同时,自身的公转速度会被极其微弱地拖慢一点,只不过行星的质量远远大于探测器,这份损失小到根本无法察觉。

所以,引力弹弓从来没有违反能量守恒定律,它只是把行星公转的动能借了一小勺给探测器。

理解了这一点,再回头看撞日任务为何要反复利用金星减速,也就顺理成章了——同样是引力弹弓,一次次借用行星的动量,就能把公转速度这道最难迈过去的坎,一点点悄悄磨掉。

相关内容