因《恋爱小行星》而起的天文学杂谈
因《恋爱小行星》而起的天文学杂谈
因《恋爱小行星》而起的天文学杂谈
---作者：Timerewash
本文中如有漏洞，欢迎各位指出！
序
银河系，宇宙数以万计的星系之一；太阳系，数以亿计的引力系统中的一个；太阳，普通到不能再普通的恒星；我，平平无奇的一个人。
人类初次观测宇宙，根据太阳系建立了一套模型——离恒星近的是类地行星，由岩石构成，离恒星远的是类木行星，由气体构成。这是一套理论上很正确的模型，但可惜的是，人们发现的第一颗系外行星，就不满足。随着观测到的行星越来越多，人类不得不承认，或许太阳系的存在，是个例外，是个奇迹。
我是个平平无奇的人，但就因为我此时此刻存在着，我愿意相信，活在奇迹之下的我，所遇到的，所做的一切都是奇迹。《恋爱小行星》是我的奇迹，我想继续下去这个属于我的奇迹，故写下本文。
引用米拉的话开始我们的文章：“每个人都用自己的爱好和特长，构成了自己的世界。独自一个人，就只有一个世界。可若能彼此相连，就能迅速扩展出无限的可能性，广阔而充满未知，就如宇宙一样。”
天体的分类及介绍
如果你是一位对天文学没有任何基础的观众，想必《恋爱小行星》中许多的专业名词让你云里雾里。什么是小行星？小行星和行星是一个东西吗？流星真的像动画里一样常见吗？在进行更深层次的研究前，弄清楚这当中出现的名词是很重要的，这就好比学习数学前，要先学好各种数学符号一样。
说到天文学最先想到的就是各种天体的分类。人类在很早之前就开始对天上的星星分类。早在公元前300年，亚里士多德就将恒星和行星区分开。在那之后2000年，也就是公元1600年之后，在经过了几千年的沉淀，人类在天文学上的成就井喷式爆发，对浩瀚的宇宙中的各种天体了解日趋完善，现在人们将它们分成许多种类，如：恒星、行星、小行星、中子星、星云、星系等等。不过在详细讨论这些之前，我们先要将眼光拉向更加遥远的过去，去讨论宇宙起源以及天体的形成。
宇宙的起源
在讨论天体的分类之前，我们先要回到整个宇宙的起源，这将会让我们更加方便的理解天体是如何进行分类的。
以大爆炸开始那一刻为起点，一直到 $10^{-43}$ 秒，被称作普朗克时代。此时的宇宙如同一个点一样，其温度达到了$10^{32}$ 开尔文。在如此高的温度下，四大力，也就是重力、强核力、弱核力和电磁力处于统一的状态。这段时期结束之后，重力从四大力中分离。
普朗克时代之后，相继经过了大统一时代（$10^{-43}$ 秒到 $10^{-36}$ 秒，这之后强核力从四大力中分离出来）、电弱时代（$10^{-36}$ 秒到 $10^{-32}$ 秒，暴胀学说认为电弱时代以宇宙暴胀的结束为起点）、一串目前仍不明确的时期（$10^{-32}$ 秒到 $10^{-12}$ 秒，以最后的两大力即弱核力和电磁力分离标准结束）。这一段时间被统称为极早期宇宙。由于实验条件的原因，人们对这段时间的想法还全部局限于理论。
和极早期宇宙不同，人们对早期宇宙的了解更加丰富严谨。在四大力全部分离后便是夸克时代（$10^{-12}$ 秒到 $10^{-6}$ 秒）。宇宙中存在大量夸克，但因为过高的温度而单独存在。之后宇宙温度逐渐降低，夸克、胶子被束缚在一起形成了强子，这段时期就是强子时代（$10^{-6}$ 秒到 $1$ 秒）。大量强子和负强子湮灭，由于物质和反物质的微弱的非对称性留下了少量的强子，而这些强子和大量的轻子相比不再足以主导宇宙的质量，宇宙进入了轻子时代（$1$ 秒到 $10$ 秒）。$10$ 秒后，宇宙的温度降低到轻子不能再形成，而轻子也大部分和反轻子湮灭，能量开始由光子主导。
光子时代的长度远超之前的所有，从 $10$ 秒持续到了 $38$ 万年。在大爆炸的第 $3$ 分钟到第 $20$ 分钟这 $17$ 分钟里，一切条件都足够适宜，质子和中子之间发生聚变形成了氢核、氦核和其他轻原子核，因此这十多分钟也得名“核合成”。之后一直到 $37.7$ 万年，根据爱因斯坦提出的广义相对论，大质量的物质扭曲了时空，有质量的物质互相吸引，物质密集的地方更加密集，空白的地方更加空疏。宇宙温度也在这段时间里终于从一个夸张的数值降到了 $4000$ 开尔文，原子核终于可以和电子结合，放出大量光子。而宇宙也因为被称为“退耦”的事件使光子可以传播，宇宙变得透明。
虽然光子可以在宇宙中自由的传播了，但因为光子和质子、中子的相互作用，宇宙处在透明或者大雾的状态中，虽有光但无法被看见，我们称这段时间为黑暗时代。黑暗时代一直持续到大约 $1.5$ 亿年，宇宙温度降到了 $60$ 开尔文，很符合我们现在对宇宙的认识。尽管目前宇宙中的物质大多都是微小粒子，但是它们也逐渐汇聚到一起成了密集的氢云或者氦云。至此一切准备工作结束，各式各样的天体就要形成了。
接下来，我们将紧接着黑暗时代，讲述恒星的形成。
恒星
恒星/星团的形成
在宇宙大爆炸之后的 $1.5$亿年到 $10$ 亿年里，正如化学里学的一样，氢云和氦云具有向外扩散的趋势，但同时也受到万有引力的束缚。如果一团“云”达到了平衡，便是我们熟悉的星云。但很可惜，并不是所有“云”都那么幸运。不少的“云”质量达到了太阳的 $1000$ 倍甚至更多，万有引力轻松的克服了扩散，引发了引力坍缩，整团“云”被离心力拉成了一个圆盘，质量绝大多数聚集到了中心区域，中心温度开始升高，原子电离出了电荷，这团“云”勉强达到了静平衡，被称作原恒星。但是不要忘记了，原恒星仍在吸引新的气体，引力势能仍然在增加，中心继续坍缩，直到中心温度过高引发了核聚变，核聚变产生的能量抵消了引力势能，系统又一次达到平衡，这就标志着一颗恒星，诞生了。
有一些琐碎的东西和大家分享一下，在上文中我们不难发现恒星的形成和物质的密集分布有关，那么我们也能理解一个事实：早期的恒星大部分都聚集在一起。所以恒星的产生也意味着星团——即恒星系统的产生。
恒星的生命历程
首先为了严谨，我们引入维恩位移定律，即对于一个黑体辐射的电磁波谱，设其中能量最高的波长为 $\lambda$ ，黑体温度为 $T$ ，有
$$T \lambda=\text{Constant}$$
有了这个定律，我们直接将恒星根据它的温度和大小分类，温度从高到低分成 $7$ 个级别：O、B、A、F、G、K、M（Oh,Be A Fine Girl/Guy,Kiss Me），温度越高，辐射出的能量绝大多数以波长短的电磁波存在，颜色偏蓝，反之偏红。
人们根据观测到的恒星绘制出下面这张图：
可以看到绝大多数的恒星都处在一条直线上，我们将这些恒星叫做主序星。另外两类为红巨星和白矮星。
变星
变星是恒星的一种特殊现象，即恒星在地球上被观测到的亮度会周期性或者任意的变化。导致这类现象的原因有很多种：
- 脉冲星：脉冲星会进行周期性的收缩或膨胀，由于光的多普勒效应，光也会跟着红移或者蓝移。关于脉冲星值得一提的地方有许多，比如上世纪热木星被发现后，人们尝试用各种方式去解释其产生的原因，其中一套假说便是脉冲星假说，不过这套假说当然是错了，这个我们在讲到系外行星观测时再细说。另外更重要的一点，《恋爱小行星》中提到的，和女主同名“米拉”变星便是脉冲星下的一种更细致的分类名称。
- 激变变星：主要为超新星等因恒星爆炸引起的亮度变化，我们在恒星的生命历程中会更详细的介绍。
- 自转变星：恒星上有亮区或者星斑，当自传到地球观测视角时便会导致亮度变化。
- 喷发变星：恒星吸收或者丢失质量引起的灾难性变星。
- 食双星：两颗恒星的系统中，一颗恒星挡住另一个恒星导致亮度变化。
- 行星凌：行星从地球和恒星之间经过挡住部分光。
恒星的生命历程
恒星的生命历程和质量有关，我们先从小质量的恒星开始
小质量的恒星，也就是主序星中偏红色和黄色的那些，大约为 $13$ 个木星的质量到 $1$ 个太阳质量之间，在内部发生大量氢聚变，当氢核快要全部转化为氦核后，事情开始变化了。恒星的核心将会收缩，氢聚变也将加快，而和引力势能抵消剩下的能量将会向外辐射，使恒星外层退离核心。而外层膨胀后温度也会变低，看上去也会更加红，这就是上图中不在主序星那条直线上的红巨星。这种状态又会持续 $10$ 亿年，直到氢真的快完全消耗完了，就进入了氦闪阶段，氦核聚变成碳核或者氧核供能，恒星这一生积攒的氦核在最终时刻终于发挥了作用。这颗恒星通过这些能量脉动，变得更小更热更蓝。最后，当氦核大部分融合成了更大的原子核，外层只剩下一层氦核和一层氢核包裹时，恒星终于没有物质可以燃烧了。核心坍缩，外层膨胀，然后嘣的一下子，外层被喷射出去，只留下一个大约地球大小的、聚集在一起的碳核和氧核。然而温度却又不足以碳核和氧核聚变，只能继续坍缩，直到万有引力和化学扩散相平衡为止，变成一颗白矮星。而喷射出去的外层被叫做行星状星云，然而其不是行星也不来自于行星，这个名字只是为了纪念第一次发现时的误判。
大质量行星和小质量行星大体相同，但又有不同。在氦闪阶段，由于大质量行星的核心温度会更高，因此碳核和氧核也会发生聚变，比如融合出氖核、硅核，一直到铁核（铁核的比结合能最小，最稳定）等原子核。因此之后的部分一直一样，直到白矮星那一步，我们需要分类讨论一下了。
白矮星我们可以类似的看成一个金属，内部原子核周围的电子云互相推挤以防止原子核的融合。它的密度十分大，但是质量却有一个极限。白矮星的质量要小于 $1.4$ 倍的太阳质量，否则会进一步的坍缩。这也就是钱德拉塞卡极限，那如果大质量行星留下的核心质量超过了这个极限呢？
如果剩下的核心质量小于 $3.2$ 倍的太阳质量，即奥本海默-沃尔科夫极限，则电子会和质子因为引力而融合，白矮星便坍缩成了一颗中子星，伴随着坍缩的冲击波，那些较大的原子核如碳、氧、铁等扩散出去，同时还有可能形成很多原子序数大于铁的原子核。这个爆炸可以说是寂静的宇宙中最让人敬畏、最充满活力的事了，被称为“超新星”。
但是如果剩下核心的质量连奥本海默-沃尔科夫极限都超过了呢？一旦超过这个极限，不是因为原始恒星质量很大，就是残骸积累了额外的质量，中子也不足以阻止坍缩，中子星会不断地缩小不断的缩小，成为一个奇点，也就是大家熟知的黑洞。
行星
行星的形成
行星的形成由于许多问题我们需要将讨论的内容全部限定在太阳系内，超过太阳系以下内容可能不再适用。
太阳系中的行星被认为形成于太阳星云，即太阳形成后周围圆盘状的气体和尘埃。原恒星轨道上的尘埃通过布朗运动开始不断吸积、收缩形成尺寸约五公里的天体（微行星），之后不再通过布朗运动，而是进一步的相撞结合扩大尺寸。
内太阳系的行星因为过于温暖以至于易挥发的水和甲烷分子难以聚集，行星只能由熔点高的物质组成，如铁、铝、硅酸盐等等，这些行星最后会形成类地行星，也就是水星、金星、地球、火星。结合行星的生命历程我们知道，铁等熔点高的物质在宇宙中并不常见，所以类地行星通常都不是很大。
类木行星，也就是木星、土星、天王星、海王星，形成于更远的地方。在火星和木星的轨道之间，温度已经低到可以使水、甲烷等易挥发的物质以固体形式存在。因此类木行星的质量比类地行星大得多。并且，由于质量的增加，类木行星甚至还可以吸引氢、氦等质量小的物质，使质量更大。
行星迁移
根据行星迁移理论，最开始的太阳系是这样的：现在距离太阳 $30$ 到 $55$ $AU$ 的柯伊伯带离太阳很近且很密，内部的边缘正好在天王星海王星的轨道外、天王星和海王星的位置关系应该颠倒且离太阳更近。而这古太阳系在一系列的作用下形成了现在的太阳系。
太阳系形成后，各天体轨道的微小改变更多来自行星和微行星之间的相互作用。在某一时间，土星和木星形成了 $1:2$ 的共振，即土星公转一周木星已经公转了两周。这个共振对外围的行星产生了推力，将海王星朝太阳系边缘推去，让海王星迁移到了古柯伊伯带，可这又连锁导致了柯伊伯带中大部分小冰状天体向内散播，而剩下的微行星向外移动。那些向内散播的微行星又以同样的方式将其他行星向外移动，自己向内移动。直到木星，木星用强大的引力吸住了它们甚至将它们甩出了太阳系，但这也使木星稍微内移。那些被吸住以高度椭圆轨道运动的微行星形成了奥尔特云，那些在向内传播中“舍生取义”向外散播的天体形成了柯伊伯带和黄道离散天体。
行星迁移理论还能解释一些其他现象。比如土木之间的小行星带，开始时质量之和足够形成好几个地球，并且实际上形成了二十多个大小在月亮到火星之间的行星胚胎。但因为土星和木星的强烈共振、行星胚胎之间的累加作用导致很多微行星在相撞后并没有结合而是被撕成了碎片。随着木星的内移，共振横扫整个小行星带，使天体之间相对速度加大，要么使微行星脱离，要么改变它们的轨道。很多大质量的微卫星被抛出，但大部分应该是内迁到了内太阳系，参与了类地行星的形成，地球上的水也来于此。
小行星、矮行星、卫星
小行星和行星一样绕着太阳运动，但是体积和质量比行星小了许多，大小在流星体和矮行星之间。小行星目前被认为由微行星演变而来。太阳系内目前已经发现了 $100$ 多个小行星，并且每月仍有几千个被发现。发现者可为小行星建议一个名字，批准后可正式采纳。这也是《恋爱小行星》中米拉和苍两人的约定，找到一颗小行星并命名为“苍”。
矮行星是指具有行星质量，但是其轨道内有其他的物质和小天体的天体。目前官方承认的矮行星只有：谷神星、冥王星、妊神星、鸟神星、阋王星。不过存在着不小的争议。
卫星是指绕着行星做闭合周期性运动的天体，但如果卫星质量和行星接近，则称为双行星系统。
彗星
首先，彗星不是一次性的，它是有轨道，做周期性运动的。
太阳系内目前被发现的彗星共有 $6000$ 多颗，不过，潜在的彗星数量估计会达到一兆。大部分的彗星暗淡不引人注意，只有少部分的彗星裸眼可见，每年大约都会有一颗可见彗星。这些彗星中短周期的主要来源于柯伊伯带，而长周期的主要来自于奥尔特云。
彗星和小行星唯一的区别在于，它的大气层并没有被引力拘束着而是扩散的状态。彗星主要由冰构成，在接近太阳时会被加热释气，展现出它的大气层，也就是彗发，有时候也会有彗尾（因各种作用使彗发脱落的尘埃、带电粒子呈线状分布）。而彗核主要由冰、尘埃、岩石组成。当地球经过彗尾的碎片时会引发另一个天文学现象，即流星雨。彗星在消耗完挥发性物质后会变成类似小行星的天体，这也导致现在彗星和小行星之间的界限越来越模糊。
下期预告
内容太多一次写完真是太累了，下期继续！
第二期内容：天文学中的观测
资料来源：B站、知乎、维基、百度百科
