前奏

1.序:搖籃和睡房

有一個前蘇聯太空先驅說過:「地球是人類的搖籃,但一個人總不能永遠留在搖籃裡。」若然在太空探險中,地球是搖籃,那麼,太陽系就是我們的睡房

在這科學報告比賽裡,我們在眾多題目中選了〝太陽系〞(現名「太陽系概論1995」─譯註)這題目,這是因為,在我們所知的事物中,星星是最浪漫的。自古以來,很多人為星宿作詩、寫故事......

我們會嘗試寫一些「離題」的東西如宇宙學。我們不知道這是有用與否,但我們樂意這樣做。若然您願意讀一讀這報告,我們將會很感激您的支持!

2.宇宙學簡介

2.1宇宙的誕生和成長

在宇宙學中,有一樣「東西」叫〝量子宇宙〞(Quantum Universe)。這世界非常少,只有10-33厘米大,這亦叫〝普郎克尺度〞(Planck scale)(普郎克是量子物理的開山鼻祖)。只有一種叫〝夸克〞(Quark)的東西能在這尺度裡存在,其他的粒子都太大了。

在量子物理中,一件東西在其「容器」外的機率未必是零(〝東西〞如果是阿爾發粒子(Alpha particle)的話,則「容器」可以是原子核。這是量子物理中的著名例子)。即是,宇宙可自量子宇宙之中誕生於〝無〞(如中國大陸天體物理科學家方勵之先生所想),穿越量子宇宙的能量屏障而誕生。

在宇宙誕生之前,沒有空間和時間,這是很難解釋的。宇宙的誕生是同樣難解釋的,較簡單地說:

宇宙誕生時,是個非常高溫(1032K,開氏度、絕對溫度)和高壓的世界,充滿著能量。但沒有粒子能產生和存在。10-44秒後,重力(gravity,四種基本力之一,凡有質量之物皆有重力)自其他基本力的統一狀態中解放。

「10-34秒後,強核力(strong nuclear force,以p 介子(pion)把質子中子束縛在原子核中之力)從其他基本力中解放。夸克輕子(lepton,不受強核力影響之粒子,如電子)誕生。宇宙開始擴張。

「10-11秒後,電磁力(electromagnetism force,質子和電子間之力)和弱核力(weak nuclear force,造成貝他衰變(beta decay)之力)分離,四種基本力已完全分離了。

「自宇宙誕生的10-5-100秒後,質子、中子、電子、氫核和氦核產生。及後,氫原子和氦原子產生,宇宙溫度已降至3000-4000K。宇宙開始放晴,光線可以直線行進。重力開始作用。

「100 000至十億年後,宇宙溫度降至3K(與現時相近),分子和星星已產生。當然,宇宙的大小已增加了很多倍。」

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2.2太陽系的誕生和成長

我們的銀河系(Galaxy, the milky way)誕生於125億年前。科學家認為宇宙乃誕生於150億年前,亦即是,銀河系誕生於宇宙誕生25億年後。

我們的太陽系誕生於46億年前,即是,誕生於宇宙誕生79億年後。地球在「不久」後誕生,這當然是從宇宙的時間角度觀之,以億計的年數是人類難以想像的(一億=100 000 000!)

當宇宙擴張時,物質亦隨著擴散。但物質的擴散並非完全平均,所以,宇宙中的不同的地帶就會有不同的物質濃度。由於較多物質之處會產生較大重力,去吸引附近的物質,越變越大。當其質量、壓力和溫度足夠讓核聚變(nuclear fusion)發生,星星便誕生了,並開始發光。

因為物質會匯集成「巨雲」,很多星星能夠在那裡誕生,他們會發展自己的重力系統,便成了一個星系。我們的太陽同樣處於一個星系中,即銀河系。

當太陽誕生,就會因重力而變小,並變得更亮和更高溫。現在,太陽正處於最穩定的時期,然後(約45億年後),便會脹大、變得更亮,但溫度變得不穩定。及後,就變成白矮星,它很小,但表面卻很熱(其中心沒有燃料,已無反應)。最後,太陽會死亡(停止反應),變作黑矮星

因為太陽會被一些「塵埃」包圍著,它們互相碰撞而成長(長至大於100米時叫微行星,planetesimal)而成為行星、衛星、彗星和小行星等。由於重力的關係,較重的粒子會聚集在太陽周邊。但由於較重粒子的數量較少,太陽附近的行星體積便較細小。

3.太陽系概論

3.1太陽系的邊界:廣義與狹義

理所當然地,太陽位於太陽系的中心,被眾多行星、小行星及彗星環繞著。現時可見之最遠行星是冥王星(這並非完全正確,因為冥王星和海王星的軌道交疊,詳情見13.c篇)。彗星可走得更遠,約50 000-100 000 AU(Astronomical Unit,天文單位,1 AU = 地日平均距離 = 1.496*108 公里)。這是狹義的太陽系邊界

廣義來說,太陽系的邊界是〝日界〞(solar boundary)。由於太陽會釋放〝太陽風〞(solar wind),這包含一些高能量離子,能吹至冥王星軌道以外。這做成了一個叫〝日圈〞(solar circle)的磁力圈包圍著太陽系

〝日圈〞保護著太陽系,免因太陽在銀河系裡運動時受〝星際風〞(stars wind)的吹襲。日圈和星際風的接觸面就是日界。這能被人造衛星(如先鋒10及11號(Pioneer),航行者1及2號(Voyager))以無線電波探測。科學家相信,日界離太陽90-120 AU

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3.2太陽系的位置:宇宙宏觀架構

宇宙的宏觀架構可分作下列幾層:

第一層是太陽系。可劃作每邊長0.000 05光年(light year,天文用的距離單位,一光年= 9.4608*1012公里,是光線在一年裡可走之最大距離)的空間。

第二層是銀河系。可劃作每邊長100 000光年的空間。我們的太陽系在獵戶座臂(Orion arm)中,一起在銀河系裡公轉,但公轉周期是2億年。

第三層是〝本星系團〞(Local Group)。可劃作每邊長600 000光年的空間。包括我們的銀河系、仙后座星系團(Cassiopeia galaxy)、NGC 205星系團、M32星系團等。

第四層是〝本超星系團〞(Local Cluster)。可劃作每邊長3億光年的空間。包括本星系團、室女座1、2、3星系團(Virgo group)、獵犬座星系團(Canis Venatici group)、巨爵座星系團(Crater group,乃〝杯〞之意)等。

第五層是〝聯超星系團〞(Local Supercluster)。可劃作每邊長5億光年的空間。除了本超星系團外,還包括雙魚─英仙座超星系團(Pisces-Perseus Cluster)、水蛇座超星系團(Hydra Cluster)、N1000超星系團等。本超星系團被一個叫〝大吸引者〞(great attractor)的大引力源吸引著。

第六層是〝巨牆〞(The Great Wall,又解作長城)。是宇宙中最大的已知架構。聯超星系團呈肥皂泡狀分佈,稱〝泡沫架構〞(the bubble structure)。最近的巨牆離地球3億光年遠。巨牆之間平均距離4億光年,其間沒有星系,稱〝空洞〞(void)。

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3.3太陽系的成員及其分類

太陽系有以下成員:太陽、行星、衛星、彗星及小行星;環、流星體及人造物體。

太陽:太陽系之中心。

行星:環繞太陽的物體,有渾圓表面。

小行星:如行星,但只有幾公里直徑,且形狀不規則。

彗星:同樣繞太陽而行,但軌道呈長橢圓,不同於行星之近以圓軌道,且體積非常小。

衛星:繞行星而行,大多細小。

環:環繞行星的小石和冰塊,但連成環狀。

流星體:石塊跌落地球或其他行星上者,稱流星。他們會因和行星大氣層磨擦而燃燒發亮。如流星未能燃燒迨盡,落在地上,則稱隕石。

人造物體:乃人類製造之。多有特別用途,如人造衛星,亦有些是廢物。