论太阳系峰值结构的形成过程和

论太阳系峰值结构的形成过程和行星运行轨道的分布规律[zht1][1]

本文阐述了恒星质旋转星云团的形成和分裂过程。不仅具有等于、大于有效引力约束所要求的临界质量和临界密度，而且具有足够大角动量和足够离散程度的弥散星云的旋转云团，在引力坍缩过程中自然分裂成为自转着的中心连续云团和在统计上沿公转轨道绕中心连续云团运行的离散云盘。中心连续云团通过引力吸积，坍缩聚集成为原绐太阳。在新生太阳强烈光辐射和强劲太阳风的加热、激活和驱动作用下，使离散云盘星云物质产生新的气化、凝聚和分异过程，形成具有初级峰值结构特征的行星质凝聚态星云盘。由于具有初级峰值结构的行星盘中，具有最大空间质量密度的初级峰值小行星体，吸积和捕集其内外侧小行星体的几率和比例，在统计上是随着与其平均轨道间距的增大而减小；而被其排除在外的小行星体的几率和比例，则是随着与其平均轨道间距离的增大而增大。这一过程持续进行下去，自然形成了行星盘的次级峰值结构。只有当次级峰值结构的空间质量密度和行星运行轨道的分布满足对称性要求时，次级峰值之间的相对位置才能达到稳定状态。自然而然地形成了大行星运行轨道按以2为公比的等比级数的规律性分布。由此推演出了揭示包括大行星系统、卫星系统、小行星系统在内的不同等级的行星系统中，行星运行轨道统计分布规律的一般公式。由此公式得出的具体计算结果与我们太阳系的有关天文观测数据相符合。提丢斯-波得定则经验公式作为本文推出的一般公式的一个特例，其物理涵义也得到了合理解释。

关键词 太阳系恒星质旋转云团凝聚态星云盘行星运行轨道的分布规律

自康德和拉普拉斯先后分别提出太阳系起源的星云假说以来，天文观测和天体探测技术的长足进步，特别是近几十年来航天事业的兴起和发展，在更深的物质层次上和更广阔的空间范围内为太阳系起源和演化规律的理论研究提供了丰富的天文实践资料。人们已在更深的物质层次上认识到现今太阳系的物质组成、结构形态和运动状态的主要特征。在各类天体和天体系统中，星云和星体的相互转化是天体宇观形态演变的基本过程。对于由不稳定星体的突发高能过程中，喷发、抛射出来的高能物质形成星云的物理过程和由此产生的物理现象已被广泛地观测到，也有迹象表明由星云聚集成为恒星的过程仍在进行之中。本文的研究结果表明，太阳系现今的主要特征，特别是行星到太阳的平均距离大致符合提丢斯-波得经验定则的分布规律，是太阳系星云起源和演化进程中由初级峰值结构分裂成为次级峰值结构所产生的必然结果。在此演化进程中推演出的揭示大行星运行轨道分布规律的一般公式，不仅适合于大行星系统，而且也适合于卫星系统和小行星系统（小行星带），显示出不同等级的行星系统形成过程所遵循的共同规律。在宇观领域中，表现出天体系统引力吸积过程和运动状态变化规律的统计性、波动性和量子性。

—中心连续云团和离散云盘的形成过程及星云盘的峰值结构特征

现代天文学和现代天体科学的研究成果表明，星体和星云的相互转化是天体和天体系统宇观形态演变进程中的一种基本聚散过程和转化形式。由于星云系统中各局部星云之间的相对运动（接近和分离，碰撞和错动等）是普遍存在的，由此也就导致了在其中形成的恒星质云团旋转运动的普遍性。一般情况下，无论是从星系质热云中分裂出来的，还是从弥漫冷云中分离出来的恒星质旋转云团，在统计上恒星质旋转云团单位质量所具有的角动量在径向上的分布是随着径向距离的增大而增大，而其空间质量密度是随着径向距离的增大而减小，这就是具有单一有效引力约束中心的恒星质旋转云团初级峰值结构的主要特征。在形成恒星质旋转云团的过程中，只要参与形成星云团的全部或绝大部分星云物质的总质量和空间质量密度足够大，足以使星云物质关于云团质心O的运动速度和角动量，小于在此后的引力坍缩过程中始终保持环绕轨道所要求达到的轨道速度和角动量，只能在引力坍缩过程中形成绕质心O旋转的连续云团，并通过进一步的引力坍缩形成自行旋转着的单个恒星。

形成恒星-行星系统的恒星质旋转云团的主要特征是在径向上存在一个过渡性的分界区域，在这一过渡区域以内是具有足够大空间质量密度和足够大质量的连续星云物质，这些连续星云的旋转速度和角动量小于在引力坍缩过程中始终保持环绕轨道所要求的旋转速度和角动量，成为形成中心连续云团的主要星云物质；而这一过渡区域以外是空间质量密度和总质量都较小的离散星云物质，这些离散星云的旋转速度和角动量等于、大于始终保持环绕轨道所要求的最小旋转速度和角动量（小于逃逸速度），这些具有足够大角动量的离散星云物质就成为形成离散云盘的主要星云物质。这就是此类恒星质旋转云团的初级峰值结构的主要特征。恒星质旋转星云团在由团状结构演变成为盘状结构的同时，也就率先在这一过渡区域为界开始了恒星质旋转云团的分裂过程。

2.2 恒星质旋转云团的分裂过程及其次级峰值结构的主要特征

处在连续星云团与离散星云过渡区域以内的绝大部分星云物质，由于在统计上的旋转运动所具有的角动量本来就较小，再加之直接相互相互星云物质在接近和碰撞过程中，正反向运动速度及正反向角动量的相互抵消，从而使其角动量明显变小，坍缩速度也相对较快，通过内部星云物质运动状态的调整，率先初步形成缓慢旋转着的中心连续云团。而在该过渡区域以外的离散星云物质中，到正在形成过程中的中心连续云团较近的离散星云物质，降落到中心连续云团的几率和比例也较大。未降落到正在形成过程中的中心连续云团的几率和比例，随着其到中心连续云团距离的增加而迅速增大。在离散星云物质中，随着具有较小角动量的离散星云物质的逐惭减少，处在引力坍缩过程中的中心连续云团与离散星云物质的界限也逐渐变得分明起来。而在离散星云物质中，具有相同和相近平均轨道半径的星云物质的空间质量密度和在横向上的积分质量，先是随着到中心连续云团距离的增加而增大，在达到极大值（峰值）之后，又随着距离的增加而减小。而且，离主轨道面越远，离散星云物质的空间质量密度也越小。由此也就初步形成了由缓慢自转着的中心连续云团和绕中心连续云团旋转着的离散星云盘组成的次级峰值结构。前者称为次级主峰值结构，后者称为次级次峰值结构。

由于云盘星云物质的摩擦生热等非引力摄动过程，使其部分轨道动能转化为星云的内能（热力学能），导致其机械能向减小的方向变化，从而使其轨道半长径和轨道偏心率也随之向变小的方向变化。因此，在中心连续云团进行引力坍缩的同时，云盘星云物质也在向内侧移动。当中心连续云团通过引力坍缩形成原始太阳时，旋转云盘的内边界也就随之向内移动到原始太阳的近天区。参与形成恒星质旋转云团的星云物质，无论是来源于热云，还是来源于冷云，到原始太阳形成时，离散云盘的星云物质虽然已冷却到低温，但其核丰度和元素组成与原始太阳并没有什么大的差别（由云团物质的同源性和污染程度所决定）。

3.1 太阳的新生和星云盘星云物质的分异过程，行星质凝聚态星云盘的初步形成

恒星质旋转云团通过引力坍缩聚集成为原始太阳（或称原太阳）的过程中，由引力势能转化来的热能以及在重核中不稳定核素（放射性元素）通过自然衰变和自发裂变及由高能粒子（如中子等）引起的诱发裂变释放出的能量使其温度较快地上升。当温度达到几百万度乃至近千万度的高温时，便在这些高能区域率先点燃了氢核热聚变反应。由此释放出的核聚变能使其温度迅速升高，聚变反应区域急剧扩大，直至达到自燃和自持的程度，通过辐射压和物质对流将巨额能量输运到太阳表层，形成强烈光辐射和高能带电粒子流（太阳风或太阳风暴），太阳因此而得到新生。

太阳的新生不仅改变了自身，同时也影响到了云盘物质。太阳新生之后，即使云盘物质已处于低温状态，在太阳光辐射和太阳风的加热、激活和驱动作用下，也必将使已处于低温状态的云盘星云物质又重新活跃起来。已失去化学活性的化学物质开始了新的分解和化合等化学反应，并开始了新的气化和凝聚过程。同时，也就开始了云盘星云物质在径向上的分异（自然分馏）过程。

由于太阳光辐射和太阳风的强度与到太阳距离的平方成反比，再加上云盘星云物质（特别是液滴、尘粒等凝聚态星云物质）对太阳光辐射和太阳风的阻挡和遮蔽作用，从而使太阳引力空间的环境温度随着到太阳距离的增加而较迅速的降低。在太阳近天区，只有那些具有高凝聚温度的化学物质（土物质）才能以凝聚态物质云的形式较稳定的存在下来。而包括部分氢化物在内的凝聚温度较低的化学物质（冰物质），只能在距太阳较远的天区以凝聚态物质云的形态存在。至于那些凝聚温度极低的气物质，除了那些通过化学反应形成凝聚温度相对较高的化合物在较低温度下仍可凝聚之外，在太阳有效引力空间范围内的环境温度条件下仍难以凝聚的气物质，只能主要以气态弥漫星云的形式存在。

同时，由于太阳光压和风压对云盘物质粒子的加速作用与被作用粒子的个体质量成反比，而气态原子和分子的个体质量明显小于凝聚态粒子(包括液滴、冰粒和尘埃等)的个体质量。因此，凝聚温度较低的气态原子和分子被驱赶到较远的天区，在到达其凝聚温度的环境条件下，凝聚成为液滴和固态颗粒，自然使云盘星云物质在统计上形成了以其凝聚温度由高到低、由近及远的统计分布规律。从太阳近空间驱赶出来的具有低凝聚温度的气态物质，其中的大部分在现今土星运行轨道所在天区凝聚下来。而那些在太阳系有效吸引空间范围内的低温环境中仍不能凝聚的气物质，其中的绝大部分即被太阳光压和风压驱赶到太阳系引力约束能力更弱的边远天区，形成了主要由氢气和氦气等气物质组成的氢云环带。使星云盘的凝聚态物质和气物质分离开来，由此也就形成了主要由凝聚态星云物质（液滴和固态颗粒）组成的星云盘，称为行星质凝聚态星云盘。由此也就完成了由恒星质气态云盘向行星质凝聚态云盘的转化。而处在太阳系边远天区的氢云环带，久而久之，便逃逸出太阳系的有效吸引空间范围，成为星际气体。

3.2 星云盘星云物质的轨道变化及行星质凝聚态星云盘的终态初级峰值结构

由于太阳光辐射产生的光压和太阳风风压的驱动作用是在径向上，因此这种驱动作用只增加被作用星云物质的动能，而不增加其角动量（由于太阳磁场的作用主要是在太阳近空间，对整个行星盘来说可忽略）。光辐射和太阳风的驱动作用使云盘物质的运行轨道向轨道偏心率和轨道半长径逐渐增加的方向变化。又由于太阳光辐射和太阳风对云盘物质粒子加速作用的大小与被作用粒子质量的大小有关。在作用强度相同的情况下，粒子个体质量越大，其获得的加速度就越小。因此，在由气态云盘向凝聚态云盘的转变过程中，随着凝聚态粒子（液滴、尘粒、冰粒等）个体质量和所占比例的增大，对云盘星云物质的驱动作用也会逐渐减弱下来。到行星质凝聚态云盘基本形成时，在统计上星云物质也就形成了具有或大或小椭圆度的椭圆运行轨道，又由于星云物质之间的非引力摄动作用，其运行轨道也只能是多变的复杂运动轨迹（或吻切轨道）。在行星质凝聚态星云的持续合并聚集过程中，逐渐形成了具有引力吸积能力的行星质凝聚态浓密云团。由此也就实现了行星质凝聚态星云由非引力的合并聚集过程向引力吸积聚集过程的转化。在行星质凝聚态云盘中，具有相同和相近轨道半长径的行星质凝聚态星云物质的空间质量密度和（径向单位间距上的）横向积分质量，先是随着到太阳距离的增加而增加，达到峰值（极大值）之后，又随着到太阳距离的增加而减小，在到达行星质凝聚态云盘外边界时，减小到零或接近于零，称之为行星质凝聚态星云盘的终态初级峰值结构。

3.3 行星质浓密云团向小行星胚的转化 行星盘的形成过程及行星盘的初级峰值结构

由于具有或大或小椭圆度的复杂（吻切）运行轨道比圆轨道在径向上掠过更大的空间区域，因此，这也就为行星质凝聚态云团的持续合并聚集提供了必要的轨道条件。随着行星质凝聚态星云物质的持续凝聚和合并聚集，凝聚态云团的个体质量和空间质量密度继续增加，液态微滴和固态微粒也相继长大，成长为个体质量较大的液滴和尘粒，有的甚至相互粘结成为个体质量更大的结块。当由此形成的凝聚态浓密云团的总体质量和空间质量密度达到自身引力吸积所要求的临界值时，即可在其自身万有引力的吸引作用下，坍缩、聚集成为小行星胚。小行星胚开始形成之后，随即也就开始了由小行星胚合并聚集并继续吸积捕集星云物质，进而形成个体质量更大的小行星的演变过程。行星质凝聚态云盘逐渐演变成为主要由小行星胚和小行星组成的行星盘。

当处在合并聚集进程中的两小行星体（包括小行星胚和小行星）相互充分接近时，若两小行星体的相对运动速度小于、等于环绕轨道所要求的运动速度，即可合并聚集成为个体质量更大的小行星体；若两小行星体的相对运动速度大于环绕轨道所要求的运动速度，两小行星体就不会合并聚集，但将因相互产生的引力摄动而不同程度地改变其原有的运行轨道，使其轨道偏心率也随之发生改变。在统计上，此因素将不同程度的导致处在合并聚集进程中的部分小行星体的轨道偏心率变大。随着小行星体个体质量的增大和个体质量差别的增大，大质量行星体对小质量行星体的引力摄动越来越明显，由此引起的小质量行星体的运行轨道的改变也越来越显著，引力摄动因素也就成为行星体的合并聚集过程得以持续进行下去的一个重要因素。在行星体的合并聚集过程中，由于非引力摄动因素的作用和影响，随着行星体个体质量的增大，行星运行轨道的半长径和偏心率在统计上的总变化趋势是随着行星个体质量的增大而变小。在统计上，随着行星体合并聚集过程的持续进行，此非引力摄动因素将导致其轨道半长径和轨道偏心率也随之逐渐变小。到大行星基本形成时，其运行轨道也就形成了基本稳定的近圆轨道。

在行星盘初级峰值的空间位置上，具有相同和相近平均轨道半径的小行星胚和小行星的空间质量密度和横向积分质量具有最大值。在行星盘初级峰值内外两侧，随着到初级峰值距离的增加，具有相同和相近平均轨道半径的小行星胚和小行星的空间质量密度和横向积分质量随之减小，在到达行星盘内外边界时，减小到等于零或接近于零，并且初级峰值到行星盘内边界的距离小于到行星盘外边界的距离（未完待续）。

[1] 本文为由一本专著压缩而成，要了解详细内容请参见：修树友著，太阳系的起源和演化规律，四川科学技术出版社，2002.3。