密度波理論揭示的地質(zhì)災(zāi)變事件與銀河系螺旋場之間的聯(lián)系

張維加, 鄒曉東, 俞杭杰, Daniel Connelly

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密度波理論揭示的地質(zhì)災(zāi)變事件與銀河系螺旋場之間的聯(lián)系

張維加1,4, 鄒曉東1, 俞杭杰2, Daniel Connelly3

(1. 北京大學(xué) 物理系, 北京, 100871；2. 中山大學(xué) 物理系, 廣東 珠海, 510275；3. MAPCIS研究所, 美國 新澤西州 米利威爾 第十大街1700N號, 08332;4. 北京大學(xué) 元培計劃委員會, 北京, 100871)

許多似乎是無法解釋的地質(zhì)災(zāi)變事件對我們的地球和生物圈有著重大的影響. 令人疑惑的是這些災(zāi)變事件往往同時發(fā)生. 通過現(xiàn)代銀河系天文學(xué)的計算，本文試圖運用密度波理論來對此加以解釋. 通過對旋臂引力場內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移計算，我們獲知了撞擊事件對于太陽，地球，月球的不同程度的影響. 其中，我們發(fā)現(xiàn)引力撞擊時地球能量存在凈損失，并且地球與小星體發(fā)生撞擊的概率會顯著升高. 巧合的是，每次太陽系繞過銀河系旋臂都對應(yīng)于一次撞擊事件. 由此，銀河系對日地系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響能為地質(zhì)災(zāi)變事件提供可能的解釋.

密度波理論；撞擊事件；地質(zhì)災(zāi)變

地質(zhì)災(zāi)變事件(似乎是無法解釋的)對地球和塑造我們的生物圈有著重大的影響. 一個更為困惑的問題是, 為什么這些災(zāi)變事件, 例如撞擊事件、火山噴發(fā)、海退、構(gòu)造運動等總是同時發(fā)生. 本文試圖運用密度波理論來對此加以解釋.

密度波理論是由C. C. Lin和Frank Shu[1-4]在20世紀(jì)60年代中期提出的, 當(dāng)時是以此來解釋螺旋星云的旋臂結(jié)構(gòu). 他們的理論介紹了長時期的準(zhǔn)靜態(tài)密度波, 這是銀盤有更大的質(zhì)量密度(約大10％~20％). 該理論也被成功地應(yīng)用到土星環(huán).

起初, 天文學(xué)家認(rèn)為銀河系的旋臂是物質(zhì)的. 但如果是這樣的話, 旋臂將會變得越來越緊密, 因為越靠近銀河系中央的物質(zhì)旋轉(zhuǎn)速率越是大于銀河系邊緣物質(zhì)的. 因此, 銀河系的旋臂就不能很好的與其他軌道相區(qū)別, 這就是所謂的纏繞問題. Lin和Shu在1964年提出[1], 旋臂是非物質(zhì)的, 而是由較大密度的區(qū)域所組成. 在銀河系中, 星、氣、塵等物質(zhì)穿越密度波時, 會被壓縮后穿出去.

他們的假說指出以下幾種觀點：

a. 旋臂是相當(dāng)年輕的, 并連續(xù)不斷地出現(xiàn)和消亡(無序的螺旋模式)；

b. 螺旋模式是一個臨時現(xiàn)象, 起因于最近的暴力擾動, 例如, 遭遇另一個星系(潮汐模式)；

密度波理論模型能夠解釋最多的螺旋星云的特點. 現(xiàn)在, 此假說被Zheng 等[5]的最新觀察證明是真實的. 他們測出了英仙座旋臂的距離是1.95 ± 0. 04 kpc(5.86×1 016 km), 這解決了長期存在的問題, 有一個不同的技術(shù)之間的二因素的差異來確定距離. 對于差異的原因是, 這次英仙座旋臂部分已經(jīng)異常的運動. 該運動的方向異常與螺旋密度波理論一致.

1 Lin-Shu假說(QSSS)

圖1是有關(guān)似穩(wěn)態(tài)螺旋結(jié)構(gòu)的簡要概括[1].

圖1 密度波的自組織模式[2]

作為第一步, 我們將分散的速度完全忽視. 則有以下一組方程：

解是一個螺旋形. 潛在的擾動：

2 對地球的影響

為了闡明地球歷史的這些現(xiàn)象, 必須牢記太陽系的以下重要環(huán)境.

圖2 從銀河系的北極觀察銀河系的俯視圖. 銀心，太陽和旋臂都被定位并且標(biāo)出. 由NASA's Spitzer Space Telesco- pe 提供, 2008. 版權(quán)所有: NASA/JPL-Caltech.

在圖2中, 太陽系的位置與軌道都已描繪出. 因為太陽系的速率是銀河系旋臂速率的1倍. 太陽系通過四大旋臂的時間是520 Ma. 因此, 如果我們把旋臂當(dāng)做1個參考系, 那么太陽系的520 Ma就可看作是1個周期. 基于近期的研究表明[6], 像其他星系一樣, 銀河系有2個主要的旋臂. 大多數(shù)螺旋星系都有2個旋臂且兩側(cè)對稱, 這也對銀河系有效. Benjamin[6]觀察提出, 銀河系有2個旋臂, 一個是英仙座旋臂; 一個是半人馬座旋臂. 其他的屬于次要或附屬旋臂. 根據(jù)當(dāng)前的位置, 我們可以推出6 500萬年, 太陽系很可能是在半人馬座旋臂. 2.5億年, 太陽系很可能是在英仙座旋臂. 太陽系的周期劃分見圖3.

圖3 太陽系自晚前寒武紀(jì)起在銀河系中的運動

3 旋臂對地-月-日系統(tǒng)的影響

3. 1 在旋臂引力場的能量轉(zhuǎn)移

螺旋潛力也引起了額外的引力場. 由于螺旋臂的質(zhì)量密度是空間的幾十倍, 額外的引力場將會對太陽系產(chǎn)生影響.

當(dāng)太陽系接近旋臂密度低的一部分, 后者的引力場工作, 加速了太陽系. 增加的能量等于由螺旋臂所做的功.

式中L為旋臂低密度部分質(zhì)量.

圖4 太陽系從旋臂一段經(jīng)過時的過渡過程

b. 對地球而言, 有地球的拉格朗日方程：

此影響是相當(dāng)可觀的. 根據(jù)太陽輻射和地球與太陽距離的因果關(guān)系, 這種變化會導(dǎo)致地球上的溫暖氣候. 這可能是對奧陶系和白堊紀(jì)時期溫暖氣候的合理解釋.

c. 在月球上的影響, 我們會發(fā)現(xiàn)月球軌道不會改變.

3. 2 撞擊-引起能量損耗

此外, 引力撞擊被視為彈性撞擊, 同時也伴隨著機(jī)械能的轉(zhuǎn)移. 地球能量的凈損失可能與一個真正撞擊事件所引起的相當(dāng).

4 結(jié)論

在本文中, 密度波理論用來試圖解釋地質(zhì)災(zāi)變事件和古生物記錄. 巧合的是每次太陽系繞過銀河系旋臂都對應(yīng)于一次撞擊事件. 此外, 地球在穿過旋臂時溫度升高, 溫度在地球穿出旋臂時達(dá)到極值. 這些事件似乎與地質(zhì)記錄相符.

計算表明, 銀河系的旋臂會對日地系統(tǒng)產(chǎn)生影響, 這種影響在天文學(xué)上往往可以被忽略, 而在古生物學(xué)中是很明顯的. 地球的能量轉(zhuǎn)移發(fā)生在旋臂的引力場, 從而最終降低地球的機(jī)械能, 減小了地球與太陽的距離, 從而對生物節(jié)律和潮汐韻律提供了一種可能的解釋. 為了彌補地球上可能被破壞的隕石坑記錄, 我們可以到月球上去尋找, 這些研究正在進(jìn)行之中.

致謝:北京大學(xué)物理系雷揚老師為本文提供了重要幫助，特此表示感謝.

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Discussion on the relationship between geological catastrophes and Milky Way spiral potential

ZHANG Wei-jia1,4, ZOU Xiaodong1, YU Hang-jie2, Daniel Connelly3

(1. Department of Physics, Peking University, Beijing 100871, China; 2. Department of Physics, Sun Yat-sen University, Zhuhai 510275, China; 3. MAPCIS Research Centre, 1700N Tenth Street, Millville, NJ 08332, U.S.A; 4. Committee of Yuanpei Honors Program, Peking University, Beijing 100871, China)

Geological catastrophes, which seem to be unexplainable, had influenced the Earth and shaped the biosphere greatly. It is the question that why those catastrophes always happened simultaneously. This manuscript mainly tried to explain this point by Density Wave theory. According to the calculation of energy transfer in the spiral arm’s gravitational field, the different Impact-caused influence was found out on the Sun, the Earth and the Moon, also, that the net loss of Earth’s energy can be as large as true impacts. Coincidentally, but still disputed, each time Solar System entered into the spiral arms corresponds to impact events, respectively. It may cast light on the explanations of geological catastrophes.

density wave theory; impact; geological catastrophes

P 31; P 156; P 13

A

1672-6146(2010)03-0020-05

10. 3969/j. issn. 1672-6146. 2010. 03. 008

2010-06-09

美國地質(zhì)學(xué)會（Geological Society of American）資助項目(20094815).

張維加(1986-)，男，博士研究生，研究方向為天體物理.