如题所述
原始星云是由一块星际云塌缩并瓦解而成的。首先要考虑星际云的塌缩,这里要用到研究物质团收缩和膨胀的一个重要物理定理——维里定理。
维里定理所要分析的是,使其膨胀的能量(如分子热运动热能)和使其收缩的能量(如引力位势)是否平衡。如果把弥漫物质球团当成理想气体,则可使用流体静力平衡方程:
固体地球物理学概论
式中:p、ρ分别为压力和密度;Mr为距离中心r范围以内的物质质量。上式两式各乘以4πr3,并从0到R(球团半径)积分,得
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上式左边进行分部积分,利用r=R时ρ=0的条件(外边界稀薄),并考虑气体压力p=(KρT)/μmH(式中K为玻尔兹曼常数,T为温度,μ为平均分子量,mH为氢原子质量),可变成反映热能(即内能)的式子。而上式右边可直接变成反映引力势能的式子。最后写成
2U+Ω=0 (2-1)
式中:
固体地球物理学概论
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式(2-1)第一项为两倍热能,第二项为引力势能。两项之和为零,表示总能量为零,该物质球团处于既不膨胀也不收缩的平衡状态。根据U、Ω的物理意义,不难得出
当膨胀时 2U+Ω>0 (2-2)
当收缩时 2U+Ω<0 (2-3)
对于一个天体系统,同样要考虑维里定理。根据维里定理,当忽略自转、磁场及湍流,只考虑引力势能和热能时,星际云聚集的条件如式(2-3)所示。
若星云取半径为R、质量为M、温度为T、主要成分为氢的球体,则式中
固体地球物理学概论
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并令ρ=3M/(4πR3),将式中R由M和ρ代替。取ρ=10—22g/cm3,T=50K,μ=2.4,N=0(星云内均匀),并取M0=1.99×1033g(太阳现质量),则可得出如下的星际云自吸引塌缩条件:
M>2.44×103M0 (2-6)
该式表明,星际云质量比太阳现质量大三个数量级,它才会塌缩。当星际云塌缩到密度为10—15g/cm3时,内部会发生不稳定情况,即出现扰动物时,会造成涡流,将星际云瓦解为上千个小云,其中之一则是太阳系前身——原始星云。原始星云其质量为βM0,β=1~1.3。原始星云的角动量约为今日太阳系角动量的158~200倍。