太阳系形成：碰撞说及其问题

1905年12月，芝加哥大学叶凯士天文台（Yerkes Observatory）台长埃德温·B.弗罗斯特（Edwin B.Frost）收到了一封同行的来信，信中写道：

敬请悉知，自明年1月1日起，天文学界将开始采用全新的太阳系假说。这是一个令人喜悦的改变，将行星的组成从气体纠正为星子（planetesimal）已是众望所归。一切都将顺利进行……在新的假说下，行星自转速度的快慢将与卫星的速度无关，也不会再因为正行、逆行而被质疑其合法地位。太阳自转轴的倾斜不再被认为是道德的倾斜，只能说明它曾经碰到一颗经过的恒星罢了。

这封言辞嚣张的信的作者不是别人，正是以直言不讳著称的地质学教授——托马斯·克劳德·钱伯林（Thomas Chrowder Chamberlin），不久前他刚出版了第二本地质学课本，他的新太阳系起源模型也被写入其中。

拉普拉斯的星云假说认为地球刚形成时一定呈高温熔融状态。钱伯林驳斥说这种观点并不可信，否则地球就不会有大气了。于是，他开始验证地球最初是否由低温固体颗粒物形成。该观点早在几十年前就已经有人提出，只不过支持者寥寥。为了进一步考证，他需要一个理论来解释这些颗粒物在一开始是如何产生的。

钱伯林在看了旋涡形的星云照片（见图3-2）后深受启发，他认为旋涡星云是由恒星相互靠近形成的。当恒星运行至彼此附近时，由于引力作用，它们彼此会从对方带走一些气体，形成恒星周围的旋臂。说不定，太阳也和某颗恒星有过类似的经历，而被拉出来的物质冷却后形成了行星。这个猜想没有涉及星云收缩，因此无须解释角动量这个让星云假说为人诟病的问题。

没有天文学背景的钱伯林求助了一位叫福里斯特·雷·莫尔顿（Forest Ray Moulton）的青年天文学家，当时，莫尔顿刚在芝加哥获得了博士学位。他们勤力同心，分工合作。这边，钱伯林潜心钻研恒星会在什么情况下相遇形成行星；那边，莫尔顿则尝试运用数学定理推翻拉普拉斯的学说，并且支撑钱伯林的假说。二人于1905年和1906年分别发表了研究成果，这个新诞生的假想被称为钱伯林-莫尔顿假说。

莫尔顿推算出，过去一定有一颗恒星曾经运行到离太阳很近的地方，就像今天木星所处的位置，然后与太阳碰撞，形成了很长的气态旋臂。旋臂中形成了密度很高的节点，这些节点不断地吸积更多物质，最后越变越大成为行星。这些气体可能以极快的速度冷却，形成微小的固体颗粒物并围绕太阳运动。钱伯林称这些颗粒物为“星子”。随着时间的推移，在相互之间的引力的帮助下，星子移动到附近的轨道，发生碰撞并融合，最终形成了行星。

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图3-2　1893年公布的某“旋涡星云”（仙女星系）的早期照片。这幅珂罗版影像出自艾萨克·罗伯特（Issac Robert）的《恒星、星团与星云影集》。罗伯特认为它是一个气态旋涡星云，它的中心为一颗恒星。在照片的注释中他写道：“它们为我们呈现了大恒星系统的演化过程，是对星云假说的有力佐证。仔细看后面的星云图，你还会发现其他类似的证据。”（图片来源：J.Mitton）

钱伯林和莫尔顿的假说包括两个部分，即太阳周围旋涡星云的形成和星云中心构成行星的固态颗粒物的吸积。钱伯林不赞同我们所看到的旋涡星云都是行星雏形的观点，他认为星云比太阳系还大得多。直到20世纪20年代，人们才认识到它们其实是银河系以外的整个星系。

1915年，钱伯林-莫尔顿假说空前流行，它的大部分支持者来自美国。德国天文学家弗里德里希·内尔克（Friedrich Nölke）是该假说早期最强烈的反对者之一，他在1908年批评了莫尔顿数学分析中的多个细节。但撇去它的诸多破绽不说，它起码打破了星云假说一枝独秀的局面。碰撞说的早期支持者中还包括英国知名科学家哈罗德·杰弗里斯（Harold Jeffreys）和詹姆斯·琼斯（James Jeans），两人在此基础上发展了各自的假说。虽然他们改良后的猜想解决了钱伯林-莫尔顿假说中的一些难点，但也暴露了许多问题。

后来，杰弗里斯也开始质疑钱伯林-莫尔顿假说，他指出，恒星相撞，进而产生旋涡星云，最后形成行星这种事件的发生概率非常低。美国天体物理学家亨利·诺里斯·拉塞尔（Henry Norris Russell）则表示，恒星碰撞产生的行星只会在太阳附近运行，这与我们今天所认识的行星系完全不同。还有很多科学家也对钱伯林的星子理论抱有严重质疑。

看来不管是星云假说还是钱伯林-莫尔顿假说都不是正解。拉塞尔在他1935年出版的《太阳系及其起源》一书中发出了这样的感慨：

我们像一群工程师，在峡谷口寻找通向高处的路。我们逆流而上，但不管我们走哪条路，最后都被困在了箱子一般的峡谷里，无法更进一步。站在一块高地上，凭着一些想象，我们找到了一些向下的沟道，走着走着却又转变了方向，通往不同的出口了。但是这个峡谷可能本来就不存在出口，而太阳系总得有个起源。

1939年，天体物理学家莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）论证了从太阳散发出来的物质由于温度太高，根本无法凝结成行星，只会快速消散到太空中，它成了压死恒星碰撞说的最后一根稻草。星云假说重返历史舞台，已指日可待。