现代天文学中的几个科普知识（三）

——关于地球、月球和银河系

华中科技大学，徐长发，2016.9.12

本文续接现代天文学中的几个科普知识（二）

四．地球是怎么形成的

科学家们都认为地球和太阳系是同时起源的。但是，地球的形成过程也有不少假说，如碰撞说、潮汐说、大爆炸宇宙说等等。自本世纪50年代以来，这些假说受到越来越多人的质疑，“星云说”跃居了统治地位。

1.地球起源的星云说

科学家们对地球和太阳系的起源不仅进行了理论上的定性分析，还定量地、较详细论述了行星的形成过程，他们普遍都认为地球和太阳系的起源是原始星云演化的结果。

据天文学家推算,大约在66亿年前,银河系里发生过一次大爆炸,碎片散漫物质经过长时间的凝结聚合,到距离现在约50亿年前,一团巨大，黑暗，无定形，冷而稀薄的气体( 包括氧，氖，一氧化碳，甲烷，二氧化碳，氨，等，但当时的气体中并不含有氧气)与尘埃星云(石墨，磁铁矿，硅酸盐，等)在今天太阳系位置按逆时针方向旋转，收缩。原始星云在万有引力作用下继续收缩，同时旋转加快，形状变得越来越扁，逐渐在赤道面上形成一个“星云盘”。又不断收缩和聚集，形成许多“星子”。星子又不断吸积、吞并，中心部分形成原始太阳，在原始太阳周围形成了“行星胎”。原始太阳和行星胎进一步演化，而形成太阳和八大行星，进而形成整个太阳系。我们居住的地球，就是太阳系中的一颗行星。这就是现代星云说。

今天，通过天文观测以及星际宇宙航行，特别是射电天文望远镜的日趋完善，科学家们对地球和太阳系起源的认识已经达到了相当深刻的程度，但是仍然存在着一些疑点和问题，有待进一步去探测和研究。

天文学家认为，47亿年前，最初的地球很小，但不断有宇宙中的尘埃及小的星体撞击合并，不仅体积越来越大，温度也越来越高，而且所含有的元素成分越来越复杂。那时的地球是个火球，但不是恒星。

后来由于星体撞击地球的次数减少，地球由外向内冷却，逐渐形成地壳。在地壳形成之前称为地球的天文时期，地壳形成之后称为地球的地质时期。

由于多次遭受星体的撞击,地球的含铁量猛增,形成铁地核,铁地核又造就了地球的磁场.

由于地球内部的镭、铀等放射性物质的裂变作用,内部的能量涌动，冲破地壳，地壳漂移，到处都是火山爆发与强烈地震,这就是地球的造山时期。同时，地球内部释放出大量的二氧化碳、甲烷、氮气、水蒸汽等。这些气体上升到地球外部,形成大气层。水蒸汽在高空遇到冷气流后,便形成降雨，大量雨水形成海洋。

2.地球上的水是从哪儿来的

这个问题一直是科学家们所关心的问题。现在公认的观点是这样的：在星子云聚合成初始的地球时，是没有水的；在地球壮大过程中，地球处于水适合存在的环境；宇宙中的氢原子和氧原子在宇宙射线的作用下会形成一部分地球上的水；还有，地球不断受到小行星的撞击，其中有一些多冰的小行星和彗星；于是，地球有了水，而且有了现在这么多水。

3.地球上的氧气是从哪儿来的

这个问题也是科学家们所关心的问题。现在公认的观点是这样的：在开始有了水的时候地球上已有原始的大气层，含有二氧化碳气体，甲烷气体，氨气，氮气，水蒸气等，但缺少氧气；太阳辐射使水分解，于是地球上就有了少量的氧气;绿色植物的光合作用增加了大气中的氧气；最早期的生命体是厌氧细菌，它们消耗甲烷并排出氧气，于是大气中的含氧量越来越高；后来各种生命体的大量出现又消耗了大量的氧气；岩石证据表明，在过去的30亿年间，氧气水平如过山车似的急速增加和减少，直到5.41亿年前的寒武纪时期，地球大气成分才逐渐稳定下来。

4.地球起初有几块古大陆

一些神话传说和宗教故事都说地球原只有一块古大陆。地壳可看着一个整体，所谓古大陆就是远古时期地壳高于洋面的部分。地质学家经过大量考察发现,虽然现在各大洲被海洋分割成一块块独立的陆地，但是在这些独立大洲上发现的植物和动物化石都存在明显的相似性，这表明在这些物种活着的时候，各个大洲是连在一起的。还有,现在各大洲的海岸线有着惊人的相似性。所以，地质学家和地球物理学家认为地球早期只有一块古大陆，后由于地核地幔不够稳定，再加上外来星体的撞击,地壳破裂成板块，板块不断漂移才形成现在多个大陆板块的样子。科学家们把现在各大板块按照漂移的方向反推回去，居然拼接出了一块完整的古大陆。参见图2。

图2，古大陆板块示意图

5.地球板块为什么会漂移

现在的地球，其地壳平均厚度17千米，地幔厚度约3473千米，占地球体积的83.4％，地幔温度为1000～3000摄氏度。地核厚度约3473千米，占地球体积的16.3％，地核物质处于液体状态，地核温度高达6000摄氏度以上，与太阳表面温度差不多。

地壳不是一个整体吗，怎么会破裂漂移呢？事实上，地壳上层是岩石，虽然坚硬但相对很薄；地壳下面的地幔厚且不结实，是高温的软流层；地核像是翻滚着的液体。于是，地壳地幔就像是漂浮于汤锅面上的的面包皮。岩漿涌动和外来星体的撞击当然会把地壳分割成板块。在地球自转作用下，板块就会发生漂移。漂移的结果，板块可能互相分离，板块可能相互碰撞，也可能会俯冲切入到相邻板块之下，其岩石会重新“回炉”到地球内层。

6.地球的自转速度为什么越来越慢

地球的自转速度是越来越慢的。大约在16亿年前地球每昼夜只有9个小时，比现在自转快得多，每年约有800多天；到了6亿年前，每昼夜延长到了20个小时；这2000年来累计慢了2个多小时。这个事实在天文观测计算和古生物化石的研究中都得到了印证。例如在很多门类的化石的表壁上，有类似树木“年轮”的痕迹，被称为古生物钟，可以用来当作计时器，它们是地质时代的见证物；又例如珊瑚骨骼中有标志每天的生长线，研究古珊瑚化石就可以知道古时候一年有多少天。

引起地球自转长期减慢的原因主要是潮汐摩擦，因为月球围绕地球的方向就是潮汐运动的方向，这个方向与地球的自转方向正好相反，于是潮汐和地球之间的摩擦消耗了地球自转的动能，使得地球的自转速度越来越慢。   五．月球是怎么形成的

1.月球的一般知识

1）月亮比地球小，直径是3476公里，大约是地球直径的3/11。月球的体积是地球的1／49。

2）月球的质量约7350亿吨，是地球的1／81。

3）月球物质的平均密度为每立方厘米3.34克，只相当于地球密度的3／5。

4）月球上的引力只有地球1／6。

5）月球上没有大气。

6）月球赤道附近表面温度，注意不是气温，这里指的是地表辐射热，白天超过120摄氏度晚上降到负180摄氏度。

7）月球绕地球转一圈的时间和月球自转一圈的时间相同，准确地说，现在是27.32天。

8）月球绕地球的轨道面称为“白道面”，地球绕太阳的轨道面称为“黄道面”，这两个平面存在5.145 396°的夹角。

9）月球也有壳、幔、核的分层结构。最外层的月壳平均厚度约为60-65公里。月壳下面到1000公里深度是月幔，它占了月球的大部分体积。月幔下面是月核，不过月核很小,月核的温度约为1000度，也是熔融状态的。

10）月球朝向地球的“正面”，观测起来有阴暗的部分和明亮的区域。早期的天文学家在观察月球时，以为发暗的地区是海水覆盖，因此把它们称为“月海”，“月海”实际上是月球上的平原或盆地等低陷地带。而明亮的部分称为“月陆”，实际上是高地和山脉。月球正面到处都是星罗棋布的环形山，即“月坑”，直径大于1千米的环形山多达33000多个。至于环形山的成因，科学家认为绝大多数环形山或月坑是由流星体、小行星和彗星撞击而成；个别的环形山则是月球早期的火山爆发而形成的。

月球“背面”几乎没有什么月海，到处都是被撞击的坑和环形山。背面的月壳比正面厚，最厚处达150公里，而正面月壳厚度只有60公里左右。因此月球不是球形的而是蛋形的。当我们仰望星空，对着我们的只是月亮的两个尖端之一。月球的质心也不在其几何中心，它偏离中心且是靠近正面一侧大约2千米。

11）月球轨道为椭圆形的，月球的近日点是轨道距离地球最远的地方，月球远日点是月球轨道距离地球最近的地方。

12）月壳组成的主要元素有，铀、钍、钾、氧、硅、镁、铁、钛、钙、铝及氢等。当受到宇宙射线轰击时，每种元素会发射特定的伽玛辐射。有些元素，例如：铀、钍和钾，本身已具放射性，因此能自行发射伽玛射线。但无论原因如何，每种元素发出的伽玛射线均不相同，每种均有独特的谱线特征，一定可以可用光谱仪测量。不过直至现在，人类仍未对月球元素的丰度作出全面性的测量，现时太空船的测量只限于月正面。

2.月球的公转周期和自转周期为什么会一样

月球也有自转，因为我们只能看到月球的正面，看不到月球的背面，也就是说月球自转的角速度和地球自转的角速度相同，月球自转一圈所需要的时间和月球围绕地球转一圈的时间是相同的，即月球的自转周期与月球的公转周期相同。我们不妨做个试验，让苹果的某一点总对着足球，并且让苹果绕着足球运行一圈后回到原处,此时你会发现，苹果自身也刚好自转了一圈。

月正面总是面对地球，这表明在月球绕地球的一圈中，月正面有一半时间是一直见到太阳的，另一半时间是一直见不到太阳的。

为什么月球的公转周期和自转周期是一样的呢？我们现在仅考虑月-地系统,月球和地球之间存在着引力，宏观分析，是月球质心对地球质心的万有引力。但仔细分析，由于月球不仅公转，而且月球和地球都在自转，月球的近地部分和地球的近月部分存在着不对称的引力，所以，无论月球的自转速度比公转速度快还是慢，这种不对称引力会改变月球的自转速度，直到自转速度是公转速度的整数倍为止，直到月球的自转和公转协调为止。

现在月球的自转速度与公转速度一致了，那种不对称引力变为对称引力了，没有什么力再去改变月球的自转速度了。在月-地系统中，这种对称引力的形象表现是潮汐。潮汐力不再改变月球的自转速度，而会改变地球的自转速度，使地球自转越来越慢。

在太阳系的各大行星中，只有水星和金星没有卫星，其它几个行星都有卫星，相对小的地球拥有一颗大的卫星，其它主星都比地球大，但他们的卫星却很小。这些卫星的公转周期和自转周期都相等，其原因和月-地系统是一样的。

3.月球为什么会远离地球

经测量，月球以每年约38毫米的速度远离地球，同时地球的自转越来越慢，100年后地球每天要增加1.8毫秒。这就是说，地球上一天的时间会越来越长。

这是什么原因？因为潮汐。月球对地球的引力在地球上产生潮汐，潮汐的摩擦力使地球自转速度变慢。月球上也是有潮汐力的，只不过固体的潮汐反应没有液体那样明显罢了。这种潮汐的能量施加在月球上会使月球的公转速度越来越快，由于月球公转线速度加快，月-地距离就会变远，这是高中物理中关于圆周运动的知识。

当然，随着月球离地球变远，月球自转，月球公转，地球自转这三者是同步协调变化的。

4.月球对地球有什么影响

月球对地球的影响是很大的，都是引力造成的。这种引力改变了地球的自转速度，改变了地-月距离。这种引力一直影响着地球的方方面面，一直影响着人类的繁衍与进化。

月球的引潮力能使地球自转轴的倾斜角保持稳定，从而使地球的气候相对稳定。人们可以设想一下，如果地球的自转轴方向既不稳定又变化太大,地球的气候会变成什么样子，气候乱套了。

在现在稳定的气候条件下，地球上的冷暖洋流，季风，飓风，龙卷风都会有一定的规律。

月球引力及地球自转，使地心的岩浆出现旋转式滚动，从而产生了磁场，这个“超巨”的磁场，对地球形成了一个“保护盾”，减少了来自太空的宇宙射线的侵袭，地球上生物得以生存滋长，如果没有这个保护盾，外来的辐射会将最初出现在地球上的生命幼苗全部杀死。

月球引力对人体也有着很大的影响。人体约有80%是液体，月球引力也像引起海洋潮汐那样对人体中的液体起作用，造成人体情绪的“生物高潮”和“生物低潮”。满月的时候，生物潮处于高峰，月亮对人的行为影响比较强烈，这时人的头部和胸部的电势差比较大，人容易激动，情绪最不稳定，最易出事。比如精神不太正常的人病情发作，还有抑郁和心脏病情等与月亮的盈亏也有一定关系，等等。

5.探测月球有什么好处

月球是距离我们最近的星体，人类对它充满了好奇，曾不断地发送卫星探月，载人登月，发送月球车探月，把月球上的岩石及土壤样本带回地球研究。

现在人们已探知月球正面有很多重金属集中区域，人们在将来可以开采并利用这些资源。

现已探知,月球上存在非常丰富的氦同位素氦-3。氦-3可以和氢的同位素氘发生核聚变反应，但是与一般的核聚变反应不同，氦-3和氘在聚变程中不产生中子，所以放射性小，而且反应过程易于控制，既环保又安全。虽然地球上氦-3的储量极少,但是地球上的氘储量丰富，如果在月球上取回氦-3，那么地球上的新能源问题就解决了。

随着科学技术的发展，人类将可能建立沿月球轨道飞行的实验室，可以将巨大的天文望远镜安装在月球上，这样观测太空就没有什么阻挡，就会观测得更远；人类也可能在月球上建立基地，

把月球作为探测太空的中转站。

探测太空的过程，也就是科技发展的过程，各种科学技术对人类都是有用的。

6.月球是怎么形成的

关于月球起源有四种学说：1）地球分裂说，2）地球俘获说，3）共同形成说，4）星体撞击说。

1）地球分裂说认为,在地球形成早期，地球还处在熔融状态，自转快。由于太阳对地球强大潮汐力作用，在地球赤道面附近形成一串细长的膨胀体，由于地球转速太快，把地球上一部分物质抛了出去，这些物质脱离地球后形成了月球，而遗留在地球上的大坑，就是现在的太平洋。这一观点很快就遭受普遍反对。反对者认为，以地球的自转速度是无法将那样大的一块东西抛出去的；再说，如果月球是地球抛出去的，那么二者的物质成分就应该是一致的，可是通过从月球上带回来的岩石样本进行化验分析，发现二者相差非常远。现在没有什么人再坚持这个观点了.

 2）地球俘获说认为，月球本来只是太阳系中的一颗小行星，因为运行到地球附近，被地球的引力所俘获，成为地球的卫星，它不断地吸积轨道附近的物质，久而久之，最终形成了月球。他们认为，月球的公转轨道显著地偏离地球赤道面，就可能说明月球是被地球俘获的。但更多的人质疑，像月球这样大的星球，地球恐怕没有那么大的力量能将它俘获。因此,现在也没有什么人再坚持这个观点了。

3）地月同时形成说认为，地球和月球都是太阳系中浮动的星云，经过旋转和吸积，同时形成星体。在吸积过程中，地球比月球相应要快一点，从而月球变为地球的卫星。这个假设的主要依据是月球的土壤成分几乎和地球的一样。这一假设也受到了客观存在的挑战。通过从月球上带回来的几块岩石样本的化验分析，它们的年龄分别是36亿年，43亿年、46亿年，45 亿年和53亿年，而地球上最古老的岩石是37 亿年。好像月球比地球形成的要早。虽然几块石头的寿命不能全部说明月球的年龄，但还是令人质疑。另一个令人质疑的事实是，月球的公转面与地球的公转面存在5度的夹角，这不符合地球和月球是同时形成的道理。

4）星体碰撞说认为，太阳系演化早期，在星际空间曾形成大量的小的子星，子星通过互相碰撞、吸积和合并，形成一个原始地球。还有另外一个小天体相距地球不远，因此相遇的机会就很大。一次偶然的机会，那个小的天体以每秒5千米左右的速度斜着撞向地球。剧烈的碰撞不仅改变了地球的运动状态，使地轴倾斜，而且还使那个小的天体被撞击破裂，膨胀的气体以极大的速度携带大量的碎块尘埃飞离地球。这些飞离地球的物质，主要由地幔物质组成，另一部分是碰撞体的幔，比例大致为0.85：0.15。在撞击体破裂时，其幔与金属核分离，幔的一部分被吸积到地球上，一部分飞离地球，但没有完全脱离地球的引力控制，都围绕着地球运动，通过相互碰撞和吸积而聚合起来，形成几乎熔融的月球；后经冷却，月球至今保持有较小的月核；后经吸积，月球至今已覆盖有大量的宇宙粉尘。

现在最有说服力的是星体大碰撞假说。

大碰撞假说能对地球的一些特征做出逻辑性的解释。星子云的聚集和小行星的碰撞诞生了原始地球，碰撞的能量使地球处于熔化岩浆状态。不久，铁镍等重金属沉到地球中心，于是地核便形成了。较轻的硅酸盐形成了地壳和地幔。地幔的密度为每立方厘米3．3克，地球的平均密度是每立方厘米5.5克。小行星猛烈撞击地球，使地球改变了自转轴。

大碰撞说能对月球的一些特征做出逻辑性的解释。从月球物质组成方面来看，月球上的土壤成分和密度类似于地球的地幔，月球上百分之八十五的物质成分都类似于地球，这可以解释大碰撞后，地球的地幔和岩浆脱离地球引力而构成了月球的主要部分，月球的其它小部分物质来自于撞击星体和其它宇宙物质。大碰撞还使月球公转面与地球公转面产生夹角。

六．银河系是什么样子

现在观测到的银河系，宏观地看就像一个体育锻炼用的大铁饼，银河系里大多数的恒星集中在一个铁饼状的空间范围内，这个范围称为“银盘”。铁饼中间较突出较厚的部分叫“核球”，这是黑洞的可视范围，半径约为7千光年。核球的中部叫“银核”，这是黑洞，有极高的物质密度。在银盘外面有一个更大的范围，那里星少，密度小，称为“银晕”，银晕的直径有10万光年。

银河系呈旋涡状，有4条螺旋状的旋臂从银河系中心均匀对称地延伸出来，它们分别是，人马臂，猎户臂，英仙臂，天鹅臂。旋臂上共集中了一、二千亿颗恒星。

太阳是银河系中的一颗不大的恒星。太阳以其引力组织了太阳系, 按照距离太阳的远近，太阳系的八颗行星依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星(见图3)。

图3，太阳系示意图

在太阳系里,除水星和金星外,其它行星都有天然卫星。

在银河系中，太阳位于一条叫做猎户臂的旋臂上，距离银河系中心约2.5万光年(见图4)。太阳系以每秒250公里速度围绕银河中心旋转，旋转一周约2.2亿年。

银河系中其他恒星也有它自己的星系。

银河系有两个伴星系：大麦哲伦星系和小麦哲伦星系。 

 

图4，银河系全貌以及太阳在银河系中的位置

七．什么是黑洞

1. 定义

一个时空区域，其中的引力场非常强大，使得附近的任何物质和辐射都被吸进其中而不能逃逸出来,这个区域就称为黑洞。

2. 黑洞的质量和大小

在宇宙观测中，大多数实际存在的黑洞是由大质量的恒星死亡后产生的，所以我们可以认为那些黑洞和那些大质量的恒星一样重，宇宙观测到的大多数黑洞质量差不多是太阳的十倍，也就是是10^(31)千克（太阳的质量是2*10^（30））。当然，宇宙中也有大黑洞。大黑洞的大引力会牵引着周围的物质和星体，所以许多大星系的中心都可能有着质量巨大的黑洞。它们的质量大约是太阳的一百万倍以上，也就是10^(36)—10^（40）千克。参见图5。

图5，观测到的黑洞及其喷发表现

黑洞的质量越大，它占据的空间就越大。实际上，黑洞的视界半径和其质量直接成正比；也就是说，如果一个黑洞的质量是另一个黑洞的十倍，它的视界半径也是那个的十倍。在宇宙中，通常观测到的大多数黑洞的质量是太阳的十倍，它们的半径是三十公里。而在星系中心的超级黑洞的质量是太阳的一百万倍，它们的半径将是三百万公里。三百万公里听起来好象是很长的距离，但在天文学的标准下其实并不很长。

黑洞的质量是可以测量的,只要测量出光线在黑洞附近的弯曲程度,就可以利用引力公式来计算出黑洞的质量。也可以测量出围绕黑洞的星系的总质量和角速度，再据引力公式计算出黑洞的质量。

理论上，黑洞的质量没有多大或多小的限制。任何大或小的质量如果被压缩到足够高的密度，在理论上都有可能形成黑洞。目前所知最大的黑洞位于许多的星系中心，有大约一百万个太阳的质量，它的半径大约有我们太阳系这么大。最小黑洞能有多小？理论研究估计它的半径不能小于1033cm～1038cm。。

3.黑洞里面是由什么东西组成的

宇宙中黑洞的密度非常大，引力也非常大，以至于光线都无法从中逃脱，以至于黑洞周围的时空被弯曲为一个几乎闭合的曲面。一切物质落入黑洞之后就丧失了原有的信息。对于黑洞，人们现在仅能观测其面积、质量、温度、自转等少数几个量。黑洞有温度也有辐射，物质被吸入黑洞过程中被加速和加热，黑洞有时也会从转轴方向喷射出高能辐射喷流，产生可观测的伽玛射线。宇宙黑洞里面是些极高温度、极高密度、极高能量的辐射物质，有点儿像宇宙大爆炸前的初始状态。

4.黑洞的毁灭

霍金认为，每个黑洞都有一定的温度，而且温度的高低与黑洞的质量成反比例。也就是说，大黑洞温度低，喷发也微弱；小黑洞的温度高喷发也强烈，类似较剧烈的爆发。相当于一个太阳质量的黑洞，大约要1x10^66年才能蒸发殆尽；相当于一颗小行星质量的黑洞会在1x10^-21秒内蒸发得干干净净。

霍金认为，当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高，相应地向外喷发的能力也越来越强，其质量损失也更快。大黑洞演变为小黑洞，小黑洞会以极高的速度向外界辐射能量，直到黑洞爆炸消失。当然,小黑洞的质量小,其爆炸强度也不会很大。

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