本文基于回答網(wǎng)友問題:宇宙中大部分行星都是石頭,那么問題來了,這些石頭是從哪里來的?
這個問題本身的立論就是錯誤的,因此所謂“那么問題來了”,就與前面的立論無關了。
這里的“那么問題來了”的問題,是建立在“大部分行星都是石頭”的認知上,只是一種無憑無據(jù)亂下的結論,因此后面的“問題”就來路不明了。
為了澄清此類錯誤認知,這里還是來說說一些基本常識。
首先,大部分行星并不是石頭
就拿太陽系來說,有8大行星,其中有4顆類地行星,也就是所謂有一層巖石固體外殼的行星,它們從太陽由近及遠的排列是水星、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,即便在太陽系,也不全是石頭行星,按數(shù)量來看,也是4:4打了個平手。但如果按質量呢?石頭行星就是小巫見大巫了,4顆類地行星的質量總和,也沒有這些氣態(tài)行星中的最小一個大。
最小的一顆類木行星是天王星,其質量為8.681*10^25 kg;4顆類地行星質量分別為:水星質量約3.3011*10^23 kg,金星質量約4.8675*10^24 kg,地球質量約5.97237*10^24 kg,火星質量約6.4171*10^23 kg。這樣以地球為老大的4顆類地行星加起來,總質量才約為1.18*10^25kg,只有天王星質量約13.6%。
而4顆類木行星加起來的質量約2.65576*10^27kg,是4顆類地行星加起來總質量的225倍。其中木星是太陽系最大的行星,其質量是地球的318倍,是所有行星加起來質量的2.5倍。在太陽系中,太陽這個等離子體氣態(tài)星球就占了總質量的99.86%,木星占太陽系總質量的0.1%,地球只占有整個太陽系質量的0.0003%。
類木行星中也有石頭嗎?
當然有,但不多。
類木行星或者說氣態(tài)行星,是指沒有一個固體表面的行星,其核心處也會有一個巖石內核。但這個內核比較小,一般在地球直徑的1~3倍左右,只是占氣態(tài)行星質量很小一部分。而氣態(tài)行星從大氣層到內核,也并非完全是氣體狀態(tài)的,因為這些行星質量和體積都巨大,隨著大氣層往核心的不斷深入,壓力會越來越大,溫度也越來越高,在這種高溫高壓下,氣體也會相變成液態(tài)或者金屬態(tài)。
木星半徑約7萬公里,木星核心上面,就有數(shù)萬公里厚的金屬氫,再上面是數(shù)萬公里厚的液態(tài)氫。其核心溫度高達3萬℃;土星內部也和木星類似;天王星、海王星大氣層深處,會有甲烷水冰海洋和鉆石海洋存在,這些物質在高壓下,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)。
在類木行星的衛(wèi)星中,以及距離太陽遙遠的柯伊伯帶,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,整個宇宙,氫和氦占據(jù)了98%以上,其他重元素只有1%多點,這就決定了宇宙天體組成中,由重元素組成的極少。
恒星是制造物質元素之母
一切物質都是由元素組成,這就不得不說說宇宙中的元素從何而來。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程生成的。
在宇宙大爆炸開始那一刻,只有能量,沒有元素,現(xiàn)在的所有元素都是從能量中轉化過來的,嚴格符合愛因斯坦質能方程的描述和計算。大爆炸一開始,物質就開始生成,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,無法形成原子。
一直到大爆炸38萬年后,宇宙經(jīng)過膨脹和冷卻,溫度降到3000K以下,電磁波(或者說“光”)才從高溫高密的宇宙中脫耦而出,宇宙開始變得透明并可觀測,現(xiàn)在觀測到的宇宙微波背景輻射就是那個時候發(fā)出的。
這時,所有物質的基礎~中性原子終于開始生成了。但那時,還只能生成最輕最簡單的元素,也就是在元素周期表里序號為1、2的元素氫和氦,還有極微量的3號元素鋰。這些元素組成的粒子在宇宙中飄蕩,在萬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,由于其巨大的質量形成巨大的向心收縮壓力,導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,中小質量恒星溫度和壓力,只能到此就結束了。
大質量恒星核心溫度和壓力極高,還會一路激發(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,說來話長,過去已有過多次解釋,這里就不扯了。
比鐵更重的元素哪里來?
如果宇宙中沒有更厲害的事件發(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,沒有后續(xù)重元素生成,就不可能有生命出現(xiàn),也就沒有我們這些觀測宇宙并評頭論足的人類了。
幸好,宇宙中還有超新星大爆發(fā)和大質量致密天體相撞等事件,這些事件會導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,當然許多時候這些物質都不是純凈的單一物質,而是一些混合物或者化合物。
這就是宇宙中石頭的來歷,也是地球的來歷。
太陽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。而太陽系成分復雜,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)都是在光年級的巨大星云團中凝聚而成。從宇宙元素的生成和來歷,我們就可以推斷出太陽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,就不會有地球,更不會有生命的出現(xiàn)。
所以,科學推斷認為,太陽系是超新星大爆發(fā)或者大質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)生過多次,才誕生了太陽系。
任何恒星系統(tǒng)形成之初,在恒星形成時都會產(chǎn)生巨大的輻射壓,或者稱之為恒星風,這些強大的恒星風會把靠近的星際物質吹遠,越輕的物質就吹得更遠,而較重的物質就吹得不夠遠。
因此太陽系幾顆靠近太陽的行星,又叫內行星,是由太陽風沒有吹遠的更重物質組成,呈現(xiàn)為巖石星球;較遠的外行星則主要是由被太陽風吹遠的更輕元素組成,呈現(xiàn)為氣態(tài)星球。