22.12. 行星系统的起源¶
关于宇宙学的这门“速成课程”结束时，简要考虑了我们太阳系的起源，以及一些最新的、挑衅的、特别是令人兴奋的关于宇宙的理论（或轻率的推测），这些理论可能是“存在的”。
总结太阳及其行星形成过程的范例可能适用于一般的其他行星系统。截至本文撰写之时（1999年年中），至少有25个恒星系统（太阳系）发现了行星体。对这样一个系统的分析表明它至少有三颗大行星。到目前为止，还没有一颗行星被观测到，因为它太小，无法用现代技术进行光学探测，但是这种低亮度天体的存在是从对母星的影响中推断出来的。他们的存在被推断为恒星摆动的一种解释，由于恒星和一个或多个绕轨道运行的行星之间的引力相互作用，这种摆动可以表示为光输出的微小系统变化。目前对它们的搜索仅限于离地球足够近的星系，这样单个恒星就可以被分解到可以测量其运动变化的程度。从统计学上讲，这类系统的数量应该扩大到数十亿个；似乎在一颗正常性质的中心恒星（在赫茨普拉格-罗素图的主序列上）周围，非发光体或弱发光体是正常性质的中心恒星在其发展阶段的正常值。
这颗行星（可能只有几万年的历史）在图像的左下角显示为一个亮点（因此可能非常热——可能是被炽热气体包围的熔融岩石——注意薄的环形外壳）。在我们的系统中，球体比木星大几倍。它位于一股约1300亿英里长的炽热气体和尘埃的末端，另一端进入两颗恒星周围炽热物质的厚厚外壳（叠加在这张图上）。一种解释是，被称为TMR-1C的天体已从中央系统中弹出；如果是这样，这与太阳系行星形成的标准（如下所述）是不同的起源模式。另一种可能性是，羽流代表着物质被从假定的行星上剥离出来（有些人不同意这是“真实的”），并被引力带向双星。然而，早期大多数人认为这是 诚意 行星体和有广泛共识，其他将被确定在未来十年左右的恒星附近。
18世纪，皮埃尔·拉普拉斯提出了行星是如何形成的第一个现实概念。在它的现代版本中，恒星及其行星都被认为是从单个凝块或更大的星云（云状）浓度中演化而来的，主要是氢分子与一些硅酸盐尘粒混合，这些尘粒散布在整个原星系中，甚至在这些星系成熟时也持续存在。在年轻的恒星中，大部分的氢和重元素来自新星/超新星爆炸，这些爆炸将它们分散成星际物质，然后可能引发云或与早期的云混合。这种星云在整个宇宙中相当普遍，哈勃太空望远镜的新观测不断证实了这一点。下面是星云物质的两个视图：顶部=猎户座星系团；底部=M16（鹰）星云的一部分，显示了尘埃和气体柱，恒星和行星可能最终从中进化出来（一些恒星已经很明显了）：
在这一观点中，虽然大多数星系主要由在星系历史早期形成的恒星组成，但恒星继续从剩余的星云物质形成到更年轻的时代甚至今天。目前尚不清楚的是，星系中恒星的百分比实际上有行星系统。到目前为止所发现的低数值并不一定代表稀疏性的迹象，因为相对于其母恒星，行星是如此的小和低亮度（主要来自反射光），直接观测将产生极低的数值，因此我们目前的结论是行星 可能是罕见的 有误导性的偏见。一些从气态星云形成恒星的模型表明，一部分气体、尘埃和自由分子被困在轨道上，而不会进入中心恒星，并且可以以类似于太阳系的方式在不同大小、距离和组成的行星中组织。如果这是一个有效的论点，那就是行星体在整个宇宙中是司空见惯的。
1998年4月报道的一项新的望远镜观测记录了（通过夏威夷莫纳凯亚山上的凯克二号望远镜）在HR 4796（大约220光年远）恒星周围被解释为另一个“太阳”系统的观测情况。这张图片（分辨率为单个像素突出），拍摄于红外波段，显示了这颗中心恒星（黄白色），周围是透镜状（斜视），扁平的气体和固体物质（炽热）。 [reds] 在红外线中）：
|凯克二号红外图像显示了一个可能的恒星周围的太阳系HR4796。|
透镜的直径约为200 A.U.没有证据表明有单个行星存在，但发现者认为这一特征引起了相当大的兴趣，它是一个处于“年轻成人”发展阶段的新兴行星系统。它肯定是更详细的高铁观测的目标。
理论表明，在行星形成的早期阶段，一些宽环应该围绕中心恒星在不同的距离上形成。其中一个或多个看起来像环面，像是尘埃和气体的发光集合。至少有两颗具有这一特征的恒星被HST成像并于1999年1月报告。这是一个星环系统：
可见光是一个明亮的环，距离微小的母星（白点）有相当远的距离，并且有一个更弥散、更暗的质量延伸到另一个地方，这两个特征都占据着一个扁平的圆盘。在这种情况下，没有靠近的环（类似于太阳系内行星所占据的区域）。天文学家在图中加上了一个白圈来标记一个边界；宽黑十字（X）是一个光学伪影。这颗恒星距地球约350光年。
以下是建立行星系统的一个普遍接受的模型：星云受到重力不规则和其他引起自由落体坍塌的扰动，形成许多凝块，周围的气体和微粒通常采用盘状形式。在某些情况下，来自超新星的冲击波会导致这个物质崩溃并压缩成原恒星。物质也通过磁流体作用沿磁力线重新分布。行星形成的主要阶段延伸到大约10-20 x 106 但可能需要10年8 从最初恒星的早期进入到T型金牛座的晚期还有数年的时间。当一个特定的凝块形成时，物质倾向于重新分布，这样氢和许多较轻的元素就流向一个不断增长的中心，聚集在一个引力平衡的球体——恒星中。在一组条件下，不稳定性导致双（二进制）星对。当原恒星形成时，旋转的气体和尘埃粒子聚集在围绕每个中心旋转的圆盘中，最终通过吸积形成行星。同样的过程，有变种，也适用于单星。
与其他恒星一样，太阳（直径为1392000千米） [870000英里] ）是由重力驱动的氢/氦气体和伴生物质（固体和气体）的冷凝和崩塌的最终产物，由其他元素和化合物组成，这些元素和化合物曾构成一个弥散（密度约1000个原子/cc）星云。可能许多恒星是在几亿年的时间内从这个特殊的“云”中产生的。原太阳是由向心引力引起的星云物质向星云的一个浓缩中心堆积而成的。大部分的气体和其他物质一起进入恒星本身，留下了富含Si、C、O（和H）、N、Ca、Mg、Fe、Ti、Al、Na、K和S（大多数被组织成化合物，特别是硅酸盐，可以通过回收铁和石陨石来取样，这代表了ETS和被扫到地球上的破碎的原行星）。这种物质受太阳引力的约束，但在环绕的轨道上可以自由地无惯性地运动，仍然分布在组成太阳系的空间中。这个粒子系统相当迅速地组织成圆盘状，其当前半径约为100 a.u.（天文单位，定义为平均距离 [149.6 x 106 km, or about 93 million miles] 在地球和太阳的中心之间；太阳光需要大约8.5分钟才能到达这个距离；冥王星离太阳39.5英里，太阳的引力影响远远超过冥王星）。盘缓慢旋转（相对于北天极上方的视点逆时针旋转 [穿过北极星，北极星] 它的运动受附近恒星的外部引力影响。
随着旋转的进行，以及此后，恒星（太阳）磁场搅动了尘埃和气体（与薄面糊中的“打蛋器”的作用相比，这是一种描述性的搅动），使它们聚集成比经历了不同程度凝结的太阳小得多的凝块。这个场也将这些物质排出并引导到喷射中，这些喷射将物质带到很远的地方，正如哈勃太空望远镜从我们星系的另一颗恒星喷射出的喷射图所示：
太阳冲击波和强烈的辐射作用在尘埃上，使尘埃中的一些熔化成微小的水滴，然后冷却成 陨石球粒 . 然后，这些球形天体被残留的尘埃所捕获，形成了原始的小固体（毛绒的“石球”），它们占据了太阳周围的大部分日光层。我们今天看到这些尸体的样本 陨石 . 最不受欢迎的陨石是普通的球粒陨石，在薄的部分，似乎很像这个样本从铁什基茨陨石：
最原始的陨石，称为碳质球粒陨石，富含碳和水。其他陨石富含铁（有些含有90%以上的金属铁），而且可能曾经是行星体的内部结构，自从被破坏。球粒本身的尺寸范围通常非常有限，这意味着比它们大的球粒通过引力落回太阳，而较小的球粒则通过冲击波和太阳风的喷射而被冲进星际空间。
气体/尘埃云中的磁驱动涡流有助于将额外的角动量传递给球形太阳以外的更大的凝结旋转物体（它仅拥有该动量的0.55%，即使它包含系统总质量的99.87%）。由于角动量的离心力和太阳向内的引力之间的平衡，这些物体现在保持在围绕太阳运行的轨道上的稳定位置。
摘自J.Silk，《大爆炸》，第2版，1989年。经纽约W.H.Freeman公司许可转载
进一步聚集成从米到米的物体 行星小的 尺寸（数十到几百公里，典型 [也许是巧合] 以小行星的比例）。在这个生长阶段，较小的星体往往会反复地从相互碰撞中分离出来，而较大的星体则是通过引力吸引大部分较小的星体而存活下来的，它们的生长速度是 堆积 当新的物质撞击到它们的表面。一旦开始，“失控”的增长就接踵而来，以至于许多星体结合在一起，最终扩大为完全爆炸的行星。太阳以外的大部分物质被扫入行星和它们的卫星，尽管其中一些仍留在彗星和宇宙尘埃中。水星和一些外行星卫星在行星生长的后期被保存下来，这表明它们的表面被严重的坑化，而这些坑化的表面从未被腐蚀等后续过程破坏过。相比之下，月球似乎是在我们的星球形成后不久，由于对地球的巨大撞击而喷射到太空中的碎片重新聚集而形成的；一旦收集到一个球体（可能会融化），月球表面就会继续被它自己的残余物以及小行星和其他空间碎片轰击。它最古老的陨石坑比碎片重新组合、熔化和形成月球球的时间要年轻数亿年；它的一些较大的盆地至少有些更古老。
在我们的太阳系中，四颗内行星 陆地群 ）主要是岩石（硅酸盐、氧化物和一些游离铁；三种含大气）和外部四种（ 巨群 ）主要是含有可能的岩心的气体。这些巨行星发展出足够大的核心来吸引和捕获分散在吸积盘中的大部分星云气体。第九颗行星冥王星，最小，有时也最远（它的椭圆轨道周期性地将它带到海王星的轨道内），似乎由岩石和冰组成，可能是海王星被捕获的卫星。
理论家们对行星在凝结和行星初相后的聚集的精确方法和顺序有不同。时间是形成历史的一个重要方面。一个版本-The 平衡冷凝 模型-考虑到在几百万年内凝结会很早很快发生，观测到的高温矿物向阳分带和岩石内行星密度更大，这都是太阳星云内部温度分布增加的结果。大约一亿年前，吸积物被拉长了。这个 非均质吸积 该模型将星子的凝聚和聚集保持在几千万年的时间内同时进行。这两个模型都不能充分解释这样一个事实，即高温和低温矿物都聚集在内行星中，提供能够产生这些行星释放的大气气体的物质。这些模型也不能完全解释铁和其他嗜铁元素在地球内部的强优先浓度。一种解决办法是（通过撞击）向从小行星和巨型行星区域沿偏心轨道运行的不断增长的原行星添加低温物质。然后，在每个内部行星在其演化早期假设的总熔化过程中，这种物质被均质化（这种熔化是由吸积撞击、重力收缩和放射性衰变过程中释放的热量沉积而成）。随着冷却的进行，材料在一般分化过程中被重新分配，这种分化将重金属和化合物带向中心，并允许轻材料向表面“漂浮”。
现在，作为一个大结局，让我们来看看这一具有挑战性、令人难以置信的论断，即我们的宇宙可能不是唯一的宇宙（这里提供的信息摘自1998年7月20日杂志封面故事）。 美国新闻与世界报道 ）在这篇综述中，关键词是“多元宇宙”，它隐含了一个令人震惊的概念，即理论上量子宇宙学允许许多宇宙实际上存在的可能性。我们已经提到了这样一个事实，即我们受光速的限制，只能探测我们自己宇宙的边界，探测到包含星系的膨胀空间中的距离，等等。在大爆炸的时间范围内，这些辐射已经传送给我们，也就是说，不早于宇宙的表观年龄（最佳估计）。E，15 B.Y）。自相矛盾的是，这个宇宙的某些部分目前已经超出了这个时间范围，直到后来才被发现（例如，在十亿年后，天文学家将看到宇宙中涉及这个额外时间间隔的那部分）。
在我们的宇宙中运行的条件——物理定律和基本参数的特定值，如光速、重力常数、其他基本力（如核动力）的大小、最终质量、膨胀速度和持续时间，以及其他关键常数——都是“很好的”。“调谐”。没有一个能与它们狭窄的、临界的具体值相差太大，或者宇宙膨胀得太快或太慢，或者可能从来没有组织成现在的物质组合。事实上，它确实是值得注意的，但如果事情发生了很大的变化，那么有利于生命的条件就不会出现了——可能是在巨大的规模上，不仅在地球上，而且在无数星系中的无数行星上。这种情况——人类原理的核心——表明宇宙要成功必须存在特殊的因素。
如果宇宙像现在所认为的那样开始——从一个在所谓的“假真空”中的量子态的突然的、极其有利的和积极的波动中，在这个“假真空”中，一个虚拟粒子瞬间地出现，在它里面包含了产生物质所需的所有势能和构成宇宙的辐射——那么一个真实的理论上的可能性，这个过程可以一次又一次重复，很多次（可能是无限的）。因此，宇宙可以从无限（空间和时间都是无限的）真空中涌现出来，尽管真空中包含着波动的“量子能力”，使单个宇宙（多元宇宙）得以存在。每个人都建立了自己的空间，在自己的时间时钟启动后，空间就会扩大。宇宙中没有一个与其他宇宙有联系。它们都是独立存在的。我们不知道与其他宇宙的交流方式（就这一点而言，我们在自己的宇宙中的交流非常有限），而且，除非未来在理论和实践上发生了一些促进这种交流的“突破”，否则我们将永远不会超越那些暗示多个宇宙是规范的合理模型。
这些思想的一个变种就是从黑洞中产生宇宙。然后问题就变成了这些洞本身的起源之一。要想成为一个黑洞，几乎无限量的物质必须以某种方式集中在一个空间中，这个空间的范围可以是几十公里，对于那些残余到恒星毁灭过程（在中子星阶段之外）的洞，到基本上由其他原因导致的点（无量纲）大小。我们自己的宇宙中有无数大小不一的黑洞。在正确的情况下，一个洞可能会爆炸，引发新的大爆炸。
另一个概念是通货膨胀过程的产物。随着这一早期阶段的进行，含有假真空的部分将形成一个气泡状凸起，由一个叫做“虫洞”的颈部状延伸连接。这可以从母体的扩张中解脱出来，成为一个经历自身发展的“子”宇宙，包括自身的膨胀和扩张。甚至可能有一个单一的母宇宙（可能不是我们的）从中孕育出无数的宇宙。这个“超级宇宙”一直是并充当导致多元宇宙的永久量子涨落系列的主控。每一个都与其他宇宙“脱离接触”，从未在超宇宙中相互连接或物理接触，在超宇宙中，空间仅对每个子宇宙的居民有意义（对有限的、有限的人类心灵）。原则上，任何这样的分支宇宙中的时间都将从其爆炸性的概念中测量出来，但整个超级系统中的时间可能是无限的。
当然，没有一个宇宙能超越它的早期。通货膨胀可能会失败，基本常数可能会“关闭”，因此膨胀是不正常的，或其他条件阻止宇宙经历适当的发展。有些宇宙可能是短暂的；另一些宇宙的扩张速度太慢，以至于促进星系和恒星发展的因素抑制了对生命有利的情况的实现。但现在许多天文学家和宇宙学家认为，宇宙有一种自然倾向——从某种意义上说，这是一种目的——即宇宙“尝试”以某种方式发展，将生命的发生视为一个“目标”。李斯莫林所著的《宇宙形成的目的论控制》，是一个很好的主张。 宇宙的生命 ，牛津出版社，1997年。斯莫林博士提出了宇宙是进化的理论——“宇宙尺度上的自然选择”（美国新闻）。为了一次心灵的冒险，请读这本书。
最后，对宇宙学及其天文学基础的思考，对一个人的大脑来说，是一种真正令人谦卑的经历。奇怪的是：在一个巨大的宇宙中，有一个微小的点上存在着被称为“有意识”的东西，并且人类（例如你的）能够构想并开始理解这个宇宙的属性和历史的真相，这些真相不断被发现和提炼。最后，认识到所有的生命——无论是人、动物/植物还是无生命的物质——在本质上都是显著的宇宙论，这既令人惊讶又令人安心：我们身体中的所有原子都曾被包含在恒星或星际空间中；我们的部分在某种意义上有着几十亿年的历史，甚至在之后，它们的原子成分也各不相同。多重的分散和重组，将至少持续到目前宇宙的时间——估计会持续50年或更久。从某种意义上说，鉴于在我们目前的原子排列之前的许多化身，我们的本质将达到某种可能的不朽，而且还没有发生。但是，从谦逊的角度来看，也许“我们并不孤单”，当然我们也不是已知宇宙的中心；我们的重要性是 自发性 我们在宇宙人口中的排名可能只是平均水平。
注：在上述评论中，没有对大爆炸本身的起源提供任何形而上学的解释，也没有对大爆炸之前可能是什么进行假设。既有看似合理的宗教和哲学理性，也有纯粹的科学论据。出于好奇，保罗·戴维斯的这些平装书提供了宝贵的见解： 上帝与新物理学 ； 宇宙蓝图 ；和 Mind of God [尤其是第二章] 《试金石书》，西蒙和舒斯特公司，一本将宇宙学发现与基督教上帝相关的教义联系起来的书是 超越宇宙 作者：Hugh Ross，牛津出版社，1996年。Dean Overman和Wolfhart Pannenber于1997年出版的书中对与本小节所述的纯自然和自发宇宙相反的论点作了更为全面的概述， A Case against Accident and Self-Organization 罗曼和利特尔菲尔德。
一个信息丰富的网站，回顾了宇宙学的一些基本原理： http://map.gsfc.nasa.gov/html/web_site.html