浩瀚的宇宙：由太陽系的起源談起

陳文屏  中央大學天文研究所及物理系 副教授

載於「科學知識」(Science Knowledge) (1994), 39, 1
台灣省立台中圖書館編印）六月卅日
 

浩瀚的宇宙

人類實在很渺小。如果面對遠接天際的海洋或深隧的山林你曾有類似的感想， 那面對浩瀚的宇宙，甚至終日天上耀眼的太陽，我們則顯得極其微不足道。

讓我們舉個例子，如果我們把地球比喻成桌面上的一顆鹽（大約不到一毫米）， 那麼月球就有如一指（一公分）外的一粒胡椒，而太陽就如門口（4 公尺）的一顆蕃茄。 同樣的尺度下，太陽系中最大的木星便像是巷子口（20 公尺外）的一粒瓜子， 而冥王星，這顆太陽系最渺小而遙遠的行星，便如隔壁街（150 公尺外）的一粒沙子。 太陽系的行星繞著太陽轉，衛星繞著行星轉，在它們之間還有成千上萬的冰塊、石頭碎渣 在太空遊走，這一切就構成我們所謂的「太陽系」。

在太陽系中只有太陽是會自行發光 的「恆星」，其他的天體都只是圍在周遭，靠著不同程度太陽的光和熱取暖。 放眼望向星空，滿天亮點之中離太陽最近的一顆星是在半人馬座中的比鄰星 (Alpha 星)， 距我們有 多遠呢?在我們前面的例子中，整個行星系統不過如一條街而已，同樣的尺度來說，比鄰星 則有如在菲律賓馬尼拉的另一顆蕃茄！

讓我們換一個方法來描述這個問題，光在真空中行走的速度是每秒 30 萬公里， 也就是在一眨眼 的一秒鐘之內，光可以繞行地球七圈半，而以這麼快的速度從地球走到對我們來說很 遙遠的月球需費時約一秒多，到太陽則需約 500 秒（這個距離也就是一億五千萬公里， 叫一個天文單位，天文學家用它來度量行星間的距離）。光走到半人馬的比鄰星需 4 年 多，而它是離我們最近的星。由我們所在的本銀河星系（包含了約一千億顆星）的一端走到 另一端需時約十萬光年，而到本銀河鄰近的星系（也都包含了數千億顆星） 則需費時數百萬光年。而我們目前已知有數百萬至數千萬個星系 •••。 人類是真的渺小。我們只看到了數千萬個星系，因為我們的望遠鏡只有這麼大，只能收到 這麼微弱的光，更遠的星系因為光線更暗我們仍看不到它們，除非有更大的望遠鏡。 我們只看到了宇宙的一個小角落罷了。

我們的太陽系

雖然太陽極其伴隨的行星系統是如此微不足道，但因我們身在其中它便很重要了。 我們想知道包括地球在內的各個天體長什麼樣子、當初怎樣來的、以後會變成什麼樣子？ 若說不起眼的太陽周圍孕育了行星及類似我們的生命， 繁空之中別 的星星旁邊是否也圍繞了其他文明呢？起碼我們想知道別的星星周遭是否有行星系統 的存在呢？

天文學是一門很多人好奇的學問，廣大空間中幾乎什麼東西都可能有， 什麼也可都可能發生。天文學家在嘗試解釋解釋種種問題時，面對的最困難 的是無垠的空間以及遙不可及的時間。天體與我們之間的距離使得天文學家無法像其 他科學家一作實驗，也就是無法設計實驗、控制變因、觀察結果而歸納出現象的成因。 天文學家只能隔著遙遠的距離，就天體發出的光（或其他訊號）進行分析。 但是天文學家有一項優勢，就是在廣大的時空中有眾多的天體，各自受著周遭 環境的影響活著 --- 星球、星系等天體也有生、老、病、死的 --- 而當我們一眼 看向星空時，看到的是不同遠近的星，不同大小的星，不同年齡的星。

要瞭解地球及太陽以前是如何來的，我們當然沒法回到過去察看，但幸運的是我們看不到自己 的過去，卻可以看現在的別人。假如我們相信有一些星將來會成為現在的太陽， 而它們現在正剛剛形成且旁邊的行星系統也正在成形，那我們研究它們不 正如看到過去的我們嗎？同樣的道理，研究已步入晚年的星球，不也就讓我們透視了目前 正是中年的太陽的未來了嗎？

太陽系的起源

太陽系的起源是什麼呢？眾學說中目前為較多科學家所接受的是「雲氣學說」。 在還沒解釋以前，我們先要有一個觀念：萬物以某種法則存在因而運作且交互作用， 人類因研究的方便將累積的經驗分類成各式學問，但宇宙並沒有把自己分成物理、化學、 生物、數學等等。科學家在面對問題時，得提醒自己追求的是真理，而不只是自己專長學問裡的某一項原理。同樣的，當我們用一項學說或模型去解釋一個現象時，要記得沒有我們的模型大自然仍舊運行，大自然不需照著我們知道的科學定律去運行！ 科學家提出了解釋問題的學說，必須經過不斷地觀察或實驗去修正。 有的時候短暫或片面的學說經不起進一步的考驗就得全然的放棄，科學家於是必須提 出一個新的學說。因此，以下說的太陽係起源學說只是一種目前知道較為合理的 學說而已。姑且聽之吧！

「太陽雲氣學說」（solar nebula）主張太陽與其為伴的行星系統，來自一大團收縮的雲氣。人類對天上閃亮的星星有了幾個世紀的研究，但直到本世紀初才知道星球 與星球之間的廣大太空並不是空的，而事實上不斷的有星球自這些包括了雲氣、灰塵的星際物質中脫胎誕生的。星際中的雲氣原本是很稀薄的，每一 cc 中約含一個粒子（原子）；相較之下我們周遭的大氣同樣的1 cc 中有 1019個粒子。這些物質 彼此的萬有引力作用會互相吸引、靠近、終成一團團密度較大的分子雲。其內部 由於免於外來如宇宙射線的侵擾，溫度很低一般只有攝氏零下二百五、六十度 （絕對溫度10--20K）。

星際中的物質分佈不是均勻的， 有的地方濃（密度大）有的地方淡（密度低），密度大的部份會吸引周遭的物質而逐漸變 成更濃密的雲核 (cores)。這時如果受到了外來的推壓（譬如感受到鄰近超新星爆炸後 向外傳遞的震波）雲核便有可能繼續向內收縮，而造成中央的溫度不斷升高。溫度升高 表示壓力也變大，若雲核質量不大，亦即向內的萬有引力不夠大，便會為向外的氣體壓 力所平衡，收縮的 過程也就終止了。然而若雲核夠大，收縮便一直進行而中央溫度也就不斷升高， 當溫度達到一千萬度時， 氫氣便有足夠的能量足以彼此融合發生核反應形成氦而釋放出能量，我們便有了一顆 會自行發光的恆星。

剛形成的星球四周仍為濃厚的塵氣所包圍密不透光，我們用可見光是看不到它們的， 而需在紅外線或更長的波段才能觀測它們。 而在初生星球的四周由於旋轉的關係會形成一個扁盤。星球形成後仍與環境有劇烈 的交互作用，其輻射及星球風風源源地衝擊著四周的雲氣。 我們因此在初生星球四周，常見到塵埃反射的星光（藍色）的反射星雲， 及受激發乃自行發光（主要是紅色）的發射星雲。 衝擊的結果是緊鄰星球的區域只剩下 金屬 及氧化物等不易揮發的物質，而其他如冰塊等物質則被融化，只在較遠（較冷）的地方 才能存在。同時剩餘的殘渣也很快地被向外推，使得當初初生星四周的一團塵氣 只留下扁平的盤面。盤面中的物質因受了良好的屏蔽仍存有大量塵氣，這些 盤面中的冰塊、碎石仍有機會相互碰撞、黏合而形成大的顆粒，甚至終而成 為大小約數公里到數十公里的「微行星」 (planetestimals)。若此過程持續下去，大的 行星子在有利的條件下便可以藉著萬有引力吸聚更多的物質而成了行星。

由以上的討論中，我們得到了一個結論，便是行星系統是星球形成的副產品，換 句話說，行星和太陽幾乎是同時在同一團雲氣 中形成的。一個更深一層的推論便是行星系統的存在不是一個偶然的隨機過程（ 譬如說，太陽形成後，因萬有引力而一個一個攫獲住四周過往的行星）。換句話說， 除了我們目前僅知的一個行星系統外，其他的星球四周也很有可能有行星系統! 

觀察到的結果

我們怎麼知道以上的學說起碼有部分是對的呢？讓我們看一下太陽系 的一些觀察到的特性：

所有的行星繞日公轉軌道都幾乎在同一平面上，軌道都近乎圓形，且公轉 由北向南看都一致的沿逆時針方向運動。表一列出了各行星的軌道特性，我們可看 出除了水星及冥王星以外，軌道的離心率都很小，也就是幾乎都是圓形。同時在最 後一欄也看得出除了冥王星外，其它的行星軌道面都和黃道面（地球繞日的軌道面） 相去不遠。這個事實符合 了行星是在一個盤面中形成的說法，因為若行星來自於隨機的攫獲過程，其公轉面視行星入射的方向不同而不會在一平面上。

最遠的冥王星的軌道面與其他行星的面呈 17 度， 但冥生星在很多方面都顯示它無法與其他八大行星並論。 例如行星可分為兩大類，四個距太陽近的內行星（水星、金星、地球、火星） 都有質量小、體積小、密度高（有固體表面）、衛星少的特性， 而四個外行星（土星、木星、天王星、海王星）則都 質量大、體積大、密度低（多是氣體）且衛星數目多。

各行星的物理特性可參考表二。 冥王星雖距日遠 但卻無法歸入外行星的一族，因為其質量只有地球的千分之二。 其軌道除了傾斜，也呈明顯的橢圓狀，其離日最遠時是太陽系最遠的一顆行星，但一部分 的軌道卻比海王星靠近太陽（1979 至 1999 年冥王星就比海王星靠近我們）。 因此冥王星的來源多半不能用以上的說法解釋，而需另外的原因，譬如說它可能原來是 海王星的衛星，因某種原因（如碰撞）而脫離海王星轉而繞日而行。 值得一提的是在太陽系中來來往往的彗星，大多數經過太陽後就一去不復返， 一部份被太陽的引力捉住的都具有軌道傾斜而呈現明顯橢圓形的特性。 彗星就是外來的天體。 

表一：行星的軌道特性

  1. 　 與太陽平均距離 公轉
    周期     		 離心率 軌道與黃道面夾角
    　 天文
    單位    		 106公里 （年） 　 (度) 
    水星 0.39 58 0.24 0.206 7.0 
    金星 0.72 108 0.62 0.007 3.4
    地球 1.0 150 1.00 0.017 0.0
    火星 1.52 228 1.88 0.093 1.8
    木星 5.2 778 11.86 0.048 1.3
    土星 9.54 1427 29.46 0.056 2.5
    天王星 19.19 2871 84.01 0.046 0.8
    海王星 30.06 4497 164.79 0.010 1.8
    冥王星 39.53 5914 248.54 0.248 17.1

　

表二：各行星的物理性質

  1. 　 直徑 質量 平均密度
    　 公里  地球=1 公斤 地球=1 公斤/立方米
    水星 4,878 0.38 3.3 E23 0.06 5430
    金星 12,102 0.95 4.9 E24 0.81 5250
    地球 12,756 1.00 6.0 E24 1.00 5520
    火星 6,786 0.53 6.4 E23 0.11 3950
    木星 142,984 11.21 1.9 E27 317.94 1330
    土星 120,536 9.45 5.7 E26 95.18 690
    天王星 51,118 4.01 8.7 E25 14.53 1290
    海王星 49,528 3.88 1.0 E26 17.14 1640
    冥王星 2,300 0.18 1.3 E22 0.002 2030

行星（及衛星）的自轉軸多垂直於軌道面，即多是「站著轉」，且自轉方向多 與公轉相同，也就是北往南看逆時鐘轉。只有極少數的例外，譬如說金星的自轉方向相反， 而天王星則是「躺著轉」，也就是自轉軸在公轉面上。 

太陽系中不同天體有差不多的年紀，即約是 46 億年。 像地球、月球、隕石等我們能夠採取樣本以同位素衰變的方法定出年齡。 當然月球早期的火山活動使得形成之初的岩樣以不復尋，而地球地層更活躍因此能發掘出 來的岩樣更為年輕。月球上找到最古老的岩石年齡為 43 億年，而地球上則只有 38 億年。 相對的是隕石，因為未經過變化仍保持最初形成時的狀況，我們得以 取到了年紀約 45 億年的隕石。有意思的是，我們雖然不能由太陽取樣，但天文學家 依據理論計算出來的太陽年紀也差不多是這個數字。 

依照距日遠近有系統、有組織的行星內部結構與化學成分。由內到外， 行星逐漸由含有高比例金屬核心（水星、金星）成為小金屬核心包圍矽化物外表 （地球）再進一步為液態球體外包厚重氫、氦大氣（木星、土星）， 是一個有秩序的系統。 

結論

總而言之，人類乃至地球，甚至整個太陽系不過是銀河中的一個極其渺小的角色； 而我們的銀河又不過是無法想像地廣大時空中微不足道的一員。人類「以有涯思無涯」 的企圖似乎有些不自量力，但絕對令人敬佩；一方面我們向外探尋讓心中有涯的宇宙 越來越大，另一方面向內探索進一步地瞭解自己。天文學家過去幾十年所推敲出有關於 星球形成、演化、及死寂的知識，實在是了不起的成就。我們確信 行星系統不是雜亂無章、隨機形成的，其中央星與四周的行星乃是循著有 規律的過程形成的。

令人振奮的是人類已經稍能窺視這些規律之端倪。