本文基于回答網(wǎng)友問(wèn)題:宇宙中大部分行星都是石頭,那么問(wèn)題來(lái)了,這些石頭是從哪里來(lái)的?
這個(gè)問(wèn)題本身的立論就是錯(cuò)誤的,因此所謂“那么問(wèn)題來(lái)了”,就與前面的立論無(wú)關(guān)了。
這里的“那么問(wèn)題來(lái)了”的問(wèn)題,是建立在“大部分行星都是石頭”的認(rèn)知上,只是一種無(wú)憑無(wú)據(jù)亂下的結(jié)論,因此后面的“問(wèn)題”就來(lái)路不明了。
為了澄清此類(lèi)錯(cuò)誤認(rèn)知,這里還是來(lái)說(shuō)說(shuō)一些基本常識(shí)。
首先,大部分行星并不是石頭
就拿太陽(yáng)系來(lái)說(shuō),有8大行星,其中有4顆類(lèi)地行星,也就是所謂有一層巖石固體外殼的行星,它們從太陽(yáng)由近及遠(yuǎn)的排列是水星、金星、地球、火星;除了這些具有石頭外殼的行星外,還有4顆類(lèi)木行星,也就是主要由氣體組成的行星,它們都在火星軌道以外,由近及遠(yuǎn)排列分別是木星、土星、天王星、海王星。
這樣我們就看出,即便在太陽(yáng)系,也不全是石頭行星,按數(shù)量來(lái)看,也是4:4打了個(gè)平手。但如果按質(zhì)量呢?石頭行星就是小巫見(jiàn)大巫了,4顆類(lèi)地行星的質(zhì)量總和,也沒(méi)有這些氣態(tài)行星中的最小一個(gè)大。
最小的一顆類(lèi)木行星是天王星,其質(zhì)量為8.681*10^25 kg;4顆類(lèi)地行星質(zhì)量分別為:水星質(zhì)量約3.3011*10^23 kg,金星質(zhì)量約4.8675*10^24 kg,地球質(zhì)量約5.97237*10^24 kg,火星質(zhì)量約6.4171*10^23 kg。這樣以地球?yàn)槔洗蟮?顆類(lèi)地行星加起來(lái),總質(zhì)量才約為1.18*10^25kg,只有天王星質(zhì)量約13.6%。
而4顆類(lèi)木行星加起來(lái)的質(zhì)量約2.65576*10^27kg,是4顆類(lèi)地行星加起來(lái)總質(zhì)量的225倍。其中木星是太陽(yáng)系最大的行星,其質(zhì)量是地球的318倍,是所有行星加起來(lái)質(zhì)量的2.5倍。在太陽(yáng)系中,太陽(yáng)這個(gè)等離子體氣態(tài)星球就占了總質(zhì)量的99.86%,木星占太陽(yáng)系總質(zhì)量的0.1%,地球只占有整個(gè)太陽(yáng)系質(zhì)量的0.0003%。
類(lèi)木行星中也有石頭嗎?
當(dāng)然有,但不多。
類(lèi)木行星或者說(shuō)氣態(tài)行星,是指沒(méi)有一個(gè)固體表面的行星,其核心處也會(huì)有一個(gè)巖石內(nèi)核。但這個(gè)內(nèi)核比較小,一般在地球直徑的1~3倍左右,只是占?xì)鈶B(tài)行星質(zhì)量很小一部分。而氣態(tài)行星從大氣層到內(nèi)核,也并非完全是氣體狀態(tài)的,因?yàn)檫@些行星質(zhì)量和體積都巨大,隨著大氣層往核心的不斷深入,壓力會(huì)越來(lái)越大,溫度也越來(lái)越高,在這種高溫高壓下,氣體也會(huì)相變成液態(tài)或者金屬態(tài)。
木星半徑約7萬(wàn)公里,木星核心上面,就有數(shù)萬(wàn)公里厚的金屬氫,再上面是數(shù)萬(wàn)公里厚的液態(tài)氫。其核心溫度高達(dá)3萬(wàn)℃;土星內(nèi)部也和木星類(lèi)似;天王星、海王星大氣層深處,會(huì)有甲烷水冰海洋和鉆石海洋存在,這些物質(zhì)在高壓下,即便呈現(xiàn)液態(tài),也是密度極高溫度極高的。
所以,在宇宙中,石頭行星只占極少數(shù)。
在類(lèi)木行星的衛(wèi)星中,以及距離太陽(yáng)遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶,由于溫度極低,許多星球更多的是冰態(tài),如木衛(wèi)二、土衛(wèi)三、冥王星等,都是一個(gè)冰球,被厚厚的冰層覆蓋。但這些冰并不一定就全部是水冰,如冥王星表面平原就是由98%以上的氮冰、微量的甲烷和一氧化碳覆蓋。
因此,不但行星,就是衛(wèi)星和小行星,石頭組成的也是極少的。這與宇宙中元素豐度有關(guān),整個(gè)宇宙,氫和氦占據(jù)了98%以上,其他重元素只有1%多點(diǎn),這就決定了宇宙天體組成中,由重元素組成的極少。
恒星是制造物質(zhì)元素之母
一切物質(zhì)都是由元素組成,這就不得不說(shuō)說(shuō)宇宙中的元素從何而來(lái)。現(xiàn)在已知,我們宇宙中存在118種元素,這些元素都是恒星演化過(guò)程生成的。
在宇宙大爆炸開(kāi)始那一刻,只有能量,沒(méi)有元素,現(xiàn)在的所有元素都是從能量中轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的,嚴(yán)格符合愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程的描述和計(jì)算。大爆炸一開(kāi)始,物質(zhì)就開(kāi)始生成,但由于處于極高溫度極高密度狀態(tài),只能逐步生成一些基本粒子,無(wú)法形成原子。
一直到大爆炸38萬(wàn)年后,宇宙經(jīng)過(guò)膨脹和冷卻,溫度降到3000K以下,電磁波(或者說(shuō)“光”)才從高溫高密的宇宙中脫耦而出,宇宙開(kāi)始變得透明并可觀測(cè),現(xiàn)在觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射就是那個(gè)時(shí)候發(fā)出的。
這時(shí),所有物質(zhì)的基礎(chǔ)~中性原子終于開(kāi)始生成了。但那時(shí),還只能生成最輕最簡(jiǎn)單的元素,也就是在元素周期表里序號(hào)為1、2的元素氫和氦,還有極微量的3號(hào)元素鋰。這些元素組成的粒子在宇宙中飄蕩,在萬(wàn)有引力作用下相互靠攏,漸漸形成了原始星云。
這些星云在引力作用下不斷收縮,第一顆恒星就在星云中誕生了。隨后宇宙恒星不斷涌現(xiàn),宇宙中就充滿了恒星,恒星聚集成為星系(有人稱之為宇宙島),漸漸宇宙就形成了我們今天看到的樣子。
恒星是發(fā)光發(fā)熱的等離子球體,由于其巨大的質(zhì)量形成巨大的向心收縮壓力,導(dǎo)致核心壓力和溫度很高,這樣就激發(fā)了氫核聚變,恒星通過(guò)核聚變不斷形成更重的元素,如從氫到氦,再依次到鈹、硼、碳等,中小質(zhì)量恒星溫度和壓力,只能到此就結(jié)束了。
大質(zhì)量恒星核心溫度和壓力極高,還會(huì)一路激發(fā)更重元素核聚變,按順序生成氮、氧、氟、氖、鈉、鎂、硅、磷、硫、鈣等更重元素,一直到26序號(hào)的鐵元素。
再大的恒星核心核聚變也只能制造出最重到鐵元素了,至于為什么,說(shuō)來(lái)話長(zhǎng),過(guò)去已有過(guò)多次解釋,這里就不扯了。
比鐵更重的元素哪里來(lái)?
如果宇宙中沒(méi)有更厲害的事件發(fā)生,我們世界就只有26種元素,雖然這時(shí)候已經(jīng)有了制造石塊的元素鈣和硅了,但地球生物都是由幾十上百種元素組成的,沒(méi)有后續(xù)重元素生成,就不可能有生命出現(xiàn),也就沒(méi)有我們這些觀測(cè)宇宙并評(píng)頭論足的人類(lèi)了。
幸好,宇宙中還有超新星大爆發(fā)和大質(zhì)量致密天體相撞等事件,這些事件會(huì)導(dǎo)致更厲害的壓力和溫度,這樣,鐵以上還有的92種元素就在這些極端宇宙事件中誕生了。
這些極端事件生成的這些元素,在宇宙中相互吸引碰撞凝聚在一起,就形成了各種宇宙天體,包括石塊、冰塊、鐵塊、金塊等等,當(dāng)然許多時(shí)候這些物質(zhì)都不是純凈的單一物質(zhì),而是一些混合物或者化合物。
這就是宇宙中石頭的來(lái)歷,也是地球的來(lái)歷。
太陽(yáng)系不是在純潔的原始星云中誕生
從前面介紹,我們知道了宇宙原始星云中的元素只有氫和氦,還有極微量的鋰。而太陽(yáng)系成分復(fù)雜,有著宇宙全部118種元素,因此就不可能是從這種原始純潔的星云中誕生的。
星云是恒星之母,所有的恒星系統(tǒng)都是在光年級(jí)的巨大星云團(tuán)中凝聚而成。從宇宙元素的生成和來(lái)歷,我們就可以推斷出太陽(yáng)系不是從只有氫和氦的原始星云中誕生的。如果只有氫和氦元素,就不會(huì)有地球,更不會(huì)有生命的出現(xiàn)。
所以,科學(xué)推斷認(rèn)為,太陽(yáng)系是超新星大爆發(fā)或者大質(zhì)量天體撞擊等極端事件,飄散到太空的基本粒子,重新凝聚成的再生星云中誕生。而且,這種爆發(fā)事件很可能發(fā)生過(guò)多次,才誕生了太陽(yáng)系。
任何恒星系統(tǒng)形成之初,在恒星形成時(shí)都會(huì)產(chǎn)生巨大的輻射壓,或者稱之為恒星風(fēng),這些強(qiáng)大的恒星風(fēng)會(huì)把靠近的星際物質(zhì)吹遠(yuǎn),越輕的物質(zhì)就吹得更遠(yuǎn),而較重的物質(zhì)就吹得不夠遠(yuǎn)。
因此太陽(yáng)系幾顆靠近太陽(yáng)的行星,又叫內(nèi)行星,是由太陽(yáng)風(fēng)沒(méi)有吹遠(yuǎn)的更重物質(zhì)組成,呈現(xiàn)為巖石星球;較遠(yuǎn)的外行星則主要是由被太陽(yáng)風(fēng)吹遠(yuǎn)的更輕元素組成,呈現(xiàn)為氣態(tài)星球。