§3.2 太阳系的演化

有很多太阳系的形成学说，比如有两串糖葫芦形成的假说。假设有两个火球太阳在空间上相遇后远离而去。在开始远离的时刻，它们之间的引力拉出了两串火球，即每个太阳的后部都有一串大小不等的火球。一个太阳带着一串火球远离我们而去了。留下现在的这个太阳，它外面的火球经过长期的冷却，即形成了太阳系中的9大行星、小行星和它们的卫星等。它们在太阳一个赤道平面上。这一假说不足的是不能够解释相邻行星自转方向相反的事实，也不能解释行星与卫星的关系，以及行星为什么与它的卫星有相同的自转方向等问题。两个太阳相遇，实际上是偶然的灾变说。天文和地质上有很多的灾变说，它们在科学史上所起的作用，一方面平衡人们的心理，另一方面引导一些科学家寻求新的发现。

天文学说中，后来发展起来的太阳系星云演化说能够被人们所接受。我们可以提出一个反的假定，即把现在分区在太阳系周围的这些行星和它们的卫星都粉碎了，并铺满整个太阳赤道外的平面上。这种分布如图3.2.1所示，中心是太阳，周围依次有类地行星和类木行星围成的区域。这些绕转物质好比是星云，有与现在行星相同的绕太阳运动的线速度。

图3.2.1 太阳及其周围旋转平面上的设想，粉碎分布的行星物质

假定太阳系是一个旋转的星云物质组成的球形体。由于太阳中心部分的强大引力，大量的旋转物质被太阳中心体所吸引。太阳中心体的体积和质量不断扩大，自转速度不断加快。有一个时刻，太阳系的形态如图3.2.2所示，是一个像铁饼一样的构成。这与现代银河系的形态一样。太阳中心体的周围形成了若干条星云螺旋云臂。在太阳中心体引力场的作用下，这些云臂上的物质一边旋转，一边有向中心体辐合的趋势。

图3.2.2 太阳系发展初期的形态分布

在太阳系的引力场下，这些旋转物质能够被太阳捕获的都被捕获了。这时候太阳旋转速度最快，质量最大，也最扁平，即太阳赤道半径大于极半径。如图3.2.3所示，太阳就形成了。在刚刚形成的太阳周围还存在一些物质，它们具有绕转太阳的线速度，而不再会被太阳所捕获。到此，太阳系经历了目前银河系这样的发展阶段，进入到了土星与土星光环的阶段。

图3.2.3 太阳刚刚形成时的太阳及其周围绕转星云分布（钱维宏，1994）

太阳刚形成时，外围这些星云物质绕转太阳的线速度如图3.2.4所示。在离太阳很近的地方，由于太阳巨大的引力，物质是稀少的。在太阳引力场下，轻重物质发生了分离。轻的物质远离太阳，而重的物质靠近太阳。它们的线速度随与太阳的距离按一定的规则下降，如图3.2.4中的虚线。这里，x=3 ln（10R）为自然对数下质点相对太阳的距离，R为天文单位，R=1是地球到太阳的距离，即1个天文单位。在这样的线速度分布下，重的离太阳近的星云绕转太阳的周期短，而远离太阳的那些轻的星云，绕转太阳的周期较长。这些星云在太阳引力场下，它们在不断地运动，其组成也是不均匀的。我们可以称这些星云为连续介质，即一种流体。流体内有速度差异的情况下会出现切变。图3.2.4中给出了实线所示的切变。这种切变的分布显然是不均匀的，是沿虚线速度减小趋势上的涨落。第一个涨落的峰值出现在x=5的位置上。这个增加速度的切变带是水星所在的位置。第一个峰值后的速度减小切变带，是对应金星的位置。再一个速度增加的切变带对应着地球形成的位置。以下的切变分别对应火星、小行星带、木星、土星、天王星、海王星和冥王星的位置。按理，冥王星以外还应存在不同的切变分布，即还可能存在旋转周期比冥王星更长的行星。水星处的切变与金星的切变是相反的，正好可以解释这两个行星自转方向相反的特征。地球所处的切变与金星处的切变相反，也能说明这两颗行星自转方向相反的情形。我们推测，星云的切变形成了同一切变带上相同自转方向的若干行星胚胎。大胚胎通过引力和碰撞吸收了这条切变带上的几乎所有的胚胎。这一大胚胎最终发展成为行星，只有几个小胚胎形成为大胚胎的卫星。图3.2.4中圆圈的位置纵坐标就是对应行星绕太阳的公转速度。水星公转速度最快，冥王星在9大行星中速度最慢，距离最远，公转周期最长。这里很好地解释了太阳系中一些行星自转方向分布的特征。当然，我们也可以取相反的切变分布，但这时不好解释相邻行星的自转方向相反的分布特征。

图3.2.4 行星形成初期（胚胎时）太阳赤道平面上的连续介质线速度分布（钱维宏，1994）

小行星带的存在是切变较小的原因。我们注意到，在地球与火星之间还应该有一个与前后不同方向的切变。对应这个切变应该有一个与地球相反自转方向的行星存在。但在太阳系中目前还没有看到这样一颗行星。问题是，这样的行星形成假说可以解释目前9大行星的自转及其分布，为什么就出现了一个缺失的东西？

1997年11月8日北京晚报转载了新华社的专电称：哈萨克斯坦科学家康拜杜拉·马胡托夫提出在太阳系存在着一个大小、质量与地球一样的星球的假设，这一假设引起一些天文学家的关注。马胡托夫认为，人在地球上永远不会发现这颗星球，这是因为相对地球而言，它始终处在太阳的另一面，即与地球在太阳系相反的一面。此外，它围绕太阳运行的周期接近或等同地球绕太阳的周期。因此，在地球上，即使借助最强大的光学望远镜也窥视不到该星球。他还认为，向金星或火星发射载有天文望远镜的卫星，可令其传回有关这颗神秘星球构成的有关信息。

马胡托夫这段对这颗星球的描述与1994年气象出版社出版的《行星地球动力学引论》中的描述是完全一样的。这本书对太阳系和地球的演化的描述，就是本章的大体内容。如果马胡托夫得到上述假设的思路或依据与这本书不同，则这颗星球存在的可能性就增大了。如果相同，则这颗星球的存在性就大大降低了。这本书给这颗星球的命名叫镜地行星，意思是说太阳好比一面镜子，这颗行星和地球位于太阳的对立的两侧。质量与地球相同，密度比地球小，体积比地球大，公转速度与地球相同，但自转方向与地球的相反。太阳位于镜地行星和地球轨道的不同椭圆焦点上，两颗行星并非同一轨道。