行星起源与演化新说汇总

行星起源与演化新说

——滚雪球渐变说

张国文

1 引言

人类对行星起源问题的探索，可以追溯到17世纪。1644年，法国哲学家笛卡尔[1]在其《哲学原理》中提出了行星起源的涡流说，认为在太初的混沌中，物质微粒获得涡流运动，在涡流中形成了太阳、行星和卫星。1745年，法国博物学家布丰在他的《自然史》中提出了灾变说，认为行星是由巨大的彗星与恒星撞击后形成的。1755年和1796年，德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯分别提出了相似的星云说[2]，认为我们的太阳系是由一团旋转的星云形成的。目前，关于行星起源的假说不下40种[3]，绝大多数都与布丰的灾变说和康德—拉普拉斯的星云说大同小异，它们实际上只是一些加入了新的科学研究成果的灾变说或星云说。然而，不论人们对灾变说或星云说的"矫正"速度有多快，却永远跟不上科学发展的速度，新的灾变说或星云说总是在不断发现的新的科学事实面前显得苍白而幼稚。所以，时至今日，有关行星起源的理论还只处在假说阶段，没有一个理论被人们所普遍接受。

一个符合实际的行星起源理论必须能够较好地解释太阳系各行星的现状和历史，同时还能够预言目前没有被人发现或注意到的现象。本文结合中微子地球演化说[4]提出了一种行星起源新假说——滚雪球渐变说[4]，认为行星的形成是一个与行星历史一样长的缓慢过程，在这个过程中，先形成无大气层的固体行星，然后形成行星大气，并发生一系列内部演化。直到今天行星还在形成和发展之中。该假说不仅较好地解释了太阳系行星的现状，而且还预言行星内部在发生热聚合反应。

2 固体行星的形成

整个宇宙充斥着大量的气体、尘埃以及其它漂浮物，它们漫无目的地在太空漂游着。在某些时候，一些气体、尘埃以及其它漂浮物或与其它物质发生碰撞，或被高能光子和宇宙线轰击，从而带上一定的电荷。这些带电气体和尘埃，在电磁力和万有引力的作用下，相互吸

引、聚积，形成一些固体球状或不规则的块状物体，它们是行星形成的种子，称之为星子。开始所形成的星子的运动是杂乱无章的，它们在不断地聚积气体、尘埃和其他宇宙漂泊物的同时，彼此也频繁地碰撞、火并，结果有的星子被其他星子吞并而消失，有的星子则由于吃掉其他星子以及聚积其他物质而越长越大。

如果这些星子不是集结在恒星周围，而是远离恒星，那么星子通过聚积气体、宇宙尘埃等物质后，就会形成松散的集聚体，当它们靠近某一恒星时，就会被其俘获，成为该恒星的彗星。

如果这些星子正好在某一恒星周围，并围绕该恒星运动，那么，这些星子就会受到恒星的影响。由于恒星都会像太阳一样，刮恒星风（太阳风）[5]，它们实际上是高速运动的带电粒子，具有较大的压力。恒星风的方向大都与恒星的自转方向一致，即按逆时针方向吹拂。这样，作顺时针运动的星子，就会在强劲的恒星风作用下减速，当其运动速度下降到一定程度时，它们就会坠向恒星或被其它星子吞并。所以，在恒星周围形成的行星都朝一个方向自转。同时，恒星风多集中在恒星的黄道面内，因此黄道面内的星子，一方面受到带电粒子的冲击最大最多，另一方面所带电荷也最多，因而它们的结构也最牢固，吸引力也最大，聚积物质的速度也最快。于是，集结在黄道面的星子便最容易长大成结构紧密、牢固的天体，这就是初始行星。而黄道面以外的星子，由于没有遭到恒星风的袭击，带电也较少，吸引力也小，聚积的物质也不会被恒星风吹走，因而由它们长成的天体结构松散，最终它们或被恒星和初始行星吞并，或发展成为彗星。

初始行星形成后，就随恒星一起在广袤的宇宙中运动，同时，吸引并聚积它们所扫过的空间的气体、宇宙尘埃和其它一切宇宙漂泊物[6]。这样，经过一段时间后，初始行星就成长为成熟的行星。研究表明，行星及其卫星的起源就是一个吸积和碰撞的过程[7]。行星形成后，仍然会一如既往地聚积其扫过的空间的气体、宇宙尘埃和其它一切宇宙漂泊物，同时还会发生其它一系列的演化。

3 行星的演化

行星不断地吸收和聚积气体、宇宙尘埃和其它一切宇宙漂泊物，就逐渐长大。当行星的直径在100—3000千米时，其表面会形成一些零星的松散的环形山（圆坑），当行星发展到直径为3000千米后，行星就会发生“冶炼”式地演化，其内部的物质会熔融和重组，行星的性质也将发生变化。引起这一系列变化的根源就是太阳中微子。

中微子地球演化理论[8]认为，中微子有如中子相似的特性,即高频率（或快）中微子很难

与物质作用,但低频率的（或慢）中微子则能被物质大幅度吸收。这样,来自太阳的快中微子进入天体后,就被天体物质散射、减速而消耗能量,慢慢地就变成频率或速度与原子核中的中微子相近的慢（热）中微子，最后被天体物质吸收，并释放能量，引起天体物质熔融。

中微子被天体物质大幅度吸收必须满足一定的条件，那就是天体中必须有足够的原子和电子散射中微子，使中微子减速变成易于被物质吸收的慢中微子。要保证有足够多的原子和电子，天体的直径（或体积）必须大于某一定值（这里忽略了密度，但不影响我们的讨论）。根据对地球的考察，这个值大约在3000—6000千米之间。也就是说，太阳中微子在天体内部的射程只有约3000—6000千米。如果天体的直径小于3000千米，那么当中微子穿过天体时，与中微子作用的原子和电子的数量就不够多，中微子的能量消耗就不足以使其变成易于被吸收的慢中微子。这时，中微子就会畅通无阻地穿过天体而不被吸收。当天体的直径大于3000千米而小于6000千米时，中微子从一侧进入天体，就会在天体另一侧的表面与物质发生作用，引起天体表面物质熔融。水星、火星和月球等，就处在这一阶段，它们表面的环形山就是物质被熔融留下的痕迹。当天体的直径大于6000千米时，中微子就会在天体内部与其物质发生作用，释放热量。如金星、地球等就处在这一阶段。

由此可见，当行星长大到直径达3000千米时，太阳中微子就开始对行星进行“熔炼”，起初是熔炼其表面，随着行星的不断长大，熔炼便向行星内部延展，当行星的直径达到6000—12000千米时，熔炼就达到了行星的中心。当行星继续长大，其直径超过了12000千米时，熔炼就从行星的中心向另一边撤退，行星中心开始凝固，在行星内部形成一个围绕固态中心的液态外核（如地球外核）[4]。因此，中微子引起的行星物质熔融过程，就像电子扫描一样，从行星表面开始，一直扫到行星的中心，然后又从行星中心扫到行星外层。在这个过程中，行星内部的重物质不断地随着熔融物质下沉，而轻物质则上浮，于是就形成了一些固体行星的金属内核。当然，上述的述说没有考虑行星的密度和中微子的通量（通量大小与太阳的距离远近密切相关），是近似的。实际中，由于有的行星密度大，离太阳近，熔融的直径要短一些，而密度小，离太阳远的行星熔融的直径则要长一些。

太阳中微子与行星物质的作用释放出大量的热量，不仅“冶炼”了行星，而且还在行星内部引起了一些合成新元素的核反应。美国科学家戴维斯[9]用全氯乙烯做靶子探测太阳中微子的实验，就是一个新元素的合成过程。在这个过程中，氯3元素俘获一个中微子放出一个电子，形成新的元素氩。由于入射行星的中微子通量极大，所以行星内部中微子的俘获现象应该十分普遍。