第三章 太阳系的暗物质分布情况

第三章  太阳系的暗物质分布情况

 

3.1天体系统的进化

 

银河系已经呈现铁饼形状了，银河系与周围的星系构成了星系群，这个星系群还处于团状状态，并没有形成更大的铁饼形状的星系群。原因是时间还短，星系的运动速度相对这个空间尺度比较小，还没有得到足够的进化。如果再给予足够长的时间，也许就会形成庞大的铁饼状态的绕中心运动的星系群。

天体系统的进化速度与天体运行周期成反比，天体系统运行周期与天体系统运行速度和其所存在空间的尺度的比值成正比。即在空间尺度一定时，天体系统运行速度越快，运行周期就越短，反之运行周期就越长。在天体速度一定时，空间尺度越小，运行周期就越短，反之运行周期就越长。

太阳系内侧区域的进化就成熟多了，地球绕行一圈，只需一年，天王星绕行时间长一些，总体上看，太阳系自转一圈，平均需要时间不多。自转一圈就是一次进化机会，太阳系的进化机会很多，以至于到现在，已经很成熟了，较稳定了。

太阳虽然以更大速率绕银核转圈，但由于周长太大，绕转一圈需要两亿多年时间。这个转圈周期明显比太阳系循环周期大多了，大约大了7个数量级。几亿年周期，对于100多亿年的宇宙时间来说，有几十次的进化机会，但对于形成过程晚一些的银河系来说，银河系曾经的运行周期次数就更少了，也许不足二十次。但这已经淘汰了足够多的违规者，促使银河系变得有序起来。

虽然银河系总体运动速度与太阳绕银河中心转圈速率差不多，但是这个速率相对银河系本身的体积，相对星系之间的距离，显得太渺小了。银河系与附近的星系共同构成本星系群，绕着中心星系转圈，其旋转周期估计上百亿年时间，从宇宙诞生到现在，估计也只是转了一圈。这个转圈次数太少，不足以进化出铁饼状态的星系群，只是处于团状。本星系群与同级别的星系群构成超本星系群，共同绕转中心转圈，其转圈周期上千亿年，其形状就更加不规则了。

太阳系的共面性、同向性是长期进化的结果，这是一种高度稳定性的结构。银河系之所以还处于铁饼状态，而不是扁平到平面状态，这来源于进化的次数太少，毕竟太阳系内部在100亿年内，大约完成了一亿次的转圈（周期）运动，而银河系内部平均转圈次数大约只是几十次。二者悬殊实在太大，因此可以推测，银河系的不规则程度应该比我们感觉得大。银河系内部应该还存在很多分散环绕银核的恒星或其他天体，比如，应该存在大量远离银河系悬臂的天体，这些天体环绕银核的面，可以与太阳环绕银核的面垂直相交。也就是在银河系铁饼状主体外面还有很多不规则环绕银核的天体，甚至还有一部分相对太阳的环绕方向逆向运行的天体。

图29 美国科学家想象绘制的银河系旋臂与银河系中的球状星团轨道运行图

银河系内确实存在大量的远离银盘的天体或天体系统，比如，各种流浪的远离银盘的不容易被发现的恒星，还有一些拥有几十万颗恒星的稠密星团。

天体系统越大，其运动速度往往会增大一些，但是，其运动速度增大的程度与本身尺度的增大程度是不成正比的。这导致天体系统越大，需要完成周期运动的时间就越长，同样时间内，完成的周期运动次数就越少，进化的机会就越少，进化成熟程度就越弱。

 

3.2天体系统共面性进化的原理

 

图30 欧美科学艺术家按照位于土星轨道之外看太阳系八大行星的视觉图。我们太阳系的行星系统具有共面性，估计木星或土星的卫星系统也具有共面性。

图31 美国卡内基科学研究所（Carnegie Institution for Science）的科学家发现并绘制的12颗木星卫星的轨道运行图，可以看到这些木星卫星确实具有共面性。

 

图32  NASA的卡西尼号拍摄的土星卫星中的5颗，我们也可以感觉到，土星与其卫星构成的天体系统也是共面的。

看来，天体系统确实是共面的，这是什么道理呢？首先，这来源于长期的天体系统进化。如果不共面，就容易产生轨道运行冲突，自然是无法长期存在，结果是，天体系统趋向共面性。也就是天体系统在经过大量碰撞以后，趋向了共面性。

其次，这是一个常常不为我们注意的因素，天体运行轨道共面可以让天体的引力势能趋向最小化。也就是说，天体共面后，可以实现最小的引力势能存在。也就是所有天体的运行轨道都有趋向于共面性的引力动力，这是加速天体系统趋向共面性方向进化的重要原因。

天体引力势能趋向最小化这个因素，也许对于太阳系来说意义不大，毕竟太阳系还比较小，内部天体轨道运行周期并不大，几十亿年内有着足够次数的轨道碰撞进化，进化出了几乎完美的共面性。当然，我们可以推测，太阳系边缘区域天体轨道运行周期很大，轨道进化次数明显减少许多，这导致太阳系边缘区域天体的轨道平面较为混杂，不那么趋向共面性了。

 

图33 “银河系棒和旋臂结构巡天观测”科学项目绘制的银河系全景图。涡旋星系是我们所观测到的星系中的大部分情况，还有比较特殊形状的星系，甚至有奇特的环状星系，不过，绝大部分星系都是倾向于共面性的。

天体引力势能趋向最小化这个因素，对于银河系这样的天体系统相对影响就大多了。银河系内部的恒星虽然可以以更高的速度环绕银核转圈，比如线速度提高了一个数量级。但是周长却提高了几个数量级，轨道绕转周期提高了很多倍，这大大减少了银河系天体运行轨道的进化速度。最终结果我们已经知道，银河系内部天体系统的共面性不明显，呈铁饼状，不过，这已经体现了一定程度的共面性。

按照银河系内部的恒星轨道周期，银河系的共面性进化会是很弱的，实际上共面性表现还是不错的。这就得助恒星之间的引力势能趋向于最小化的进化动力。恒星之间相互拉近，最终形成环绕关系，这就是银河系内部的恒星团体系。就是恒星团与恒星团也有拉近环绕趋势或拉近趋势，这是银河系旋臂形成的核心动力。天体引力势能趋向最小化这个因素，极大加速了银河系天体轨道的趋向有序化。

 

图34 我国科学工作者翻译的欧美科学家绘制的星系团或星系群景观图，这是若干星系构成一个相互环绕的体系，这个体系的进化还很不完善，处于团状形态，几乎不呈现平面化的结构，虽然有趋向这个方向进化的趋势。

同理，河外星系之间的引力拉近环绕行为，即引力势能趋向最小化，是宇宙内部星系趋向有序化的几乎唯一动力。星系之间的碰撞效应对星系轨道有序化的影响几乎为零，因为，星系之间的相对速度相对星系之间的空间距离，太微不足道，自宇宙诞生以来，星系轨道的周期还没有完成几个，甚至没有完成一个周期，只是邻近星系之间也许完成了几次轨道运行周期。这自然形成了宇宙局部的星系有序化进化趋势，而宇宙整体天体系统几乎是没有任何进化的。宇宙内部物质分布整体呈纤维状，大尺度下各向同性，物质分布均匀。局部的有序化进化趋势形成了宇宙纤维状结构的纤维，也就是说，宇宙局部的物质分布是不均匀的，是集中的，也就是趋向有序化的。

 

图35 欧美科学家绘制的宇宙纤维网状图局部景观，这体现了局部宇宙物质分布的不均衡，整体宇宙物质分布的均衡性。有众多星系组成的星系团构成了图中明亮的纤维网状的纤维部分的一小段或一小节。

 

图36 欧美科学家绘制的宇宙局部纤维网状物质分布及放大图景观设想，这明亮的纤维的一部分其实就是巨大的星系群或星系团。

若干星系相互环绕，甚至是星系群相互环绕，构成了宇宙物质纤维状结构的纤维的一小段。也就是说，每个纤维部分都是星系环绕或星系群的环绕，在纤维状结构之间是广袤的宇宙物质空洞，其尺度可以达到几光年。这些宇宙空洞并不是空空如也，只是物质分布密度格外低而已。宇宙空洞内部应该有数不清的星系或星系群，甚至还有大量的游离于星系之外的恒星系统。宇宙空洞的物质分布密度要比宇宙纤维部分的物质分布密度低两个以上的数量级。

 

图37  NASA科学家设想的用椭球表达的宇宙全景图，椭球状的，大尺度下物质分布均匀。大尺度的宇宙，虽然相互之间也有引力作用，但是效果就差多了，几乎没有引力作用效果。物质分布没有明显的规则形状，或物质分布较均匀。只是在局部的小尺度下，物质分布不均匀，或物质分布趋向集中化。

 

 

图38  NASA科学家设想的用圆柱体表达的宇宙全景图，可观测宇宙是我们可以观测到的宇宙部分，只是我们宇宙的一部分，其直径可以达到七百亿光年。总体物质分布是均匀的，物质分布不存在侧重于哪个区域或哪个部分。由于宇宙的加速膨胀，以及距离的遥远，可观测宇宙之外的天体对我们银河系，不仅没有光线的影响，连引力作用也无法影响了。因此，我们的可观测宇宙就是对我们银河系有影响的宇宙部分，宇宙的其他部分，不仅看不到，对银河系来说，也没有什么意义。

 

图39  NASA科学家设想的用正方体表达的宇宙全景图，这是宇宙纤维网结构物质分布立体设想图景观，各种星系或星系群就分布在白色的纤维状结构的纤维上，在纤维的交接枢纽区域，分布着巨大的星系团。白色纤维之间的空隙就是宇宙物质空洞，这里也应该会有少数星系分布。也就是宇宙物质分布特征就是局部集中，整体均匀。纤维状区域越明亮的地方，意味着周围的物质空洞就越巨大。

我们需要知道的是，天体系统是同时进化的，或者说在同一时间，不同级别的天体系统都在进化着，几乎是互不影响的进化着。比如太阳系内部物质在引力作用下自我进化的同时，也以整体参与着银河系的进化，银河系参与着本星系团的进化。

所有天体系统在引力作用下的进化水平与组成天体系统的内部天体运行周期成反比，这几乎是天体系统进化水平或状态的唯一标志。

 

3.3天体系统物质的集中性

 

 

图40  NASA科学家绘制的宇宙纤维图的局部，图中的红点就是我们银河系，附近就是本星系群或超本星系群，以及更大一级天体系统。这些不同级别的天体系统，都体现了宇宙中另一个普遍趋势，物质的集中性。虽然宇宙整体是物质均衡分布的，但是局部却是倾向于集中的，因此，宇宙的局部地区形成了一系列不同的天体系统。所以，天体系统的另一大趋势是物质的集中性，与天体系统趋向共面性是同样明显的。

天体系统物质的集中程度与天体系统的共面性具有类似的趋势，即天体系统级别越低，也就是天体系统空间范围越小，其物质的相对集中性就越强，也就是集中于核心天体的比例就越大。比如，木星和其卫星构成的体系，质量主要集中于木星这个核心天体。太阳系这个更大的天体系统，物质也集中于核心。

银河系这样的天体系统，物质集中于核心的程度就比较弱了，虽然有400万倍太阳质量的中心黑洞，但这占银河系质量的比例是微不足道的。就是扩大到整个银核区域，质量占比也不大。比银河系级别更高的天体系统，中心天体系统质量占比也不大。如果不是中心天体系统，而是中心天体，似乎更大级别的系统，就不存在所谓的中心天体，而是只存在中心天体系统。可见，从这个角度看，更大的天体系统似乎不算是真正的常规天体系统。

现在的问题是，我们是不是会感觉到太阳系的中心天体占比太高了，与银河系的过渡有些大。似乎也比低一级的木星系统或土星系统的中心天体占比大，当然比我们地月系统的中心天体地球的占比大。这似乎有些不正常，问题出在哪里呢？

实际上，太阳系的半径范围如果只算到60天文单位，确实是质量高度集中于中心天体，但是，太阳系的半径范围远比60天文单位大，可以达到半径一光年。在这如此广阔的空间，分布的物质就多了，太阳仅多占据太阳系质量的一半。

 

图41 超新星爆炸后形成的星云，蟹状星云。钱德拉X射线天文台拍摄的星云图，这是后期加工后的彩色图。

超新星通过大爆炸可以向四周辐射自己的大部分或全部物质，这些超新星的质量往往是太阳的几倍甚至几十倍。超新星爆炸以后形成的尘埃星云，总质量是太阳的多倍。如果其中的一部分，比如三分之一汇集形成新的恒星系统，其总质量也许会是太阳质量的两三倍。这个恒星系统虽然质量集中于中心天体，但也不会太过分吧！怎么可能会99%集中于中心天体呢？这样的物质集中程度，得需要多长时间的天体系统进化啊！区区几十亿或上百亿年，可能吗！

因此，我们如果知道形成太阳的是一团星云，可能就可以感觉到，星云物质绝大部分汇入中心天体，这种可能性是极低的，几乎是不可能的。在广阔的太阳系势力范围内，一定分布着质量可观的原来的星云物质。

我们似乎可以根据太阳近几十年平均每年被太阳吞噬的物质，来感受太阳的成长速度。在太阳系雏形时期，那时的太阳系物质运动相当无序，各种天体碰撞频繁，还有大量的自投罗网者，太阳处于快速成长时期。现在太阳系物质已经处于高度有序化，对于这些有序化的物质分布，太阳是难以吞噬的。估计太阳现在吞噬物质的速度，还没有自己核聚变损耗的物质多，要知道太阳可是每秒400万吨的物质损耗。

天体系统级别越高，物质的集中程度就越小，中心天体占比就越小。最高级的宇宙自然是有着最小的物质集中程度，质量占比最小的中心天体（没有或接近于零）。也就是说，大尺度下，宇宙物质分布是均匀的，不集中的。

 

3.4天体的势力范围与什么有关？

 

天体的势力范围就是天体引力作用的影响范围，虽然万有引力作用是可以无限远的，但由于宇宙中几乎有无数天体，在距离天体较远的地方，引力作用就不大了，就不如附近的天体的引力影响了，可以说，这个较远的地方就不再是这个天体的势力范围了。所以，天体存在势力范围，其势力范围由引力大小决定。而引力由质量决定，因此，天体势力范围与质量有关。

根据向心力公式和万有引力公式，可以得到环绕速度公式，V环=√（GM/R）。根据引力势能公式GMm/R，以及根据动能公式E=0.5mv^2，GMm/R=0.5mV^2，m去掉，为GM/R=0.5v^2，变形得到V=√（2GM/R），这是天体逃逸速度公式。

环绕天体速度公式V环=√（GM/R）与天体逃逸公式V=√（2GM/R）对比，可以看到公式很类似，速度数值相差√2倍，也就是相差约1.414倍。天体无限远的逃逸速度是环绕速度的√2倍。

天体都有一定的运动速度，想捕获某个位置的某个天体，需要让这个位置的环绕速度等于或大于这个（被捕获天体）天体自身的运动速度。如果这个位置的环绕速度小于这个天体自身的运动速度的话，这个天体就会扬长而去，逐渐远离中心天体。如果这待捕获天体的运动速度小于逃逸速度的话，这个待捕获天体虽然可以暂时扬长而去，理论上也无法逃逸出去，只是可以跑得更远。但是更远的地方如果有其他天体的话，也许会被其他天体捕获，而成为其他天体系统的一部分。

根据环绕天体速度公式V环=√（GM/R），我们可以感觉到，天体的势力范围（捕获同样速度的天体的能力）与自身质量成正比，即中心天体势力范围的半径与中心天体质量成正比。

环绕天体速度公式V环=√（GM/R），周长公式H=2ΠR，V环T=2ΠR，T=2ΠR/V环=2ΠR/√（GM/R）=2ΠR√R/√（GM）。T是环绕天体的环绕周期，天体的环绕周期决定天体的自然进化水平或进化程度，天体在引力作用下的进化水平与环绕周期成反比。天体进行一次完整的环绕运动，就是一次进化机会。

1/T=√（GM）/2ΠR√R，1/T是度量天体进化水平或进化程度的数据或标志。可见，区域天体的进化水平与中心天体质量M的平方根成正比，与这个天体区域距离中心天体的距离R的三次方的平方根成反比，也就是与R呈明显的反比关系。

 

图42 欧美科学艺术家按照尺度比例设想的八大行星与小行星带和柯依伯带彩色景观图。

对于太阳系来说，八大行星距离太阳不算太远，这个区域的天体在引力作用下的进化较为完善，呈现较为明显的共面性，甚至较为明显的共圆性，以及共向性。在八大行星之外的柯依伯带，距离太阳就远多了，柯依伯带的天体进化就没有那么完善了。这种不完善表现在多方面，没有那么好的共面性，没有那么好的共圆性，没有那么好的共向性，更为主要的还没有进化出轨道区域核心天体，轨道区域天体质量较为分散。这意味着柯依伯带需要更长时间才可以进化出相对核心的天体，天体质量才会趋向于较为集中。

柯依伯带是相当一部分彗星的发源地，因为这里可以诞生彗星，是这里的天体进化不完善的结果之一。柯依伯带天体数量众多，运行秩序不太好，天体之间常常会产生冲突，即碰撞。天体之间碰撞的结果很严重，天体的环绕速度被改变了。结果是速度因碰撞而减慢的天体，会向太阳方向坠落。如果减慢的程度不是太严重，这个减慢天体环绕太阳的轨道会向太阳靠近，从而轨道周长减少，即轨道向海王星轨道方向靠近，也就是向内靠近。这无所谓的，靠近一些不算什么。但是如果因碰撞而减慢的幅度较大，问题就很严重了，其运行轨道就会严重变形，向太阳方向加速坠落，被太阳捕获的可能性很小，虽然概率上也是有的，大概率会成为一个可以靠近太阳的彗星，一个新的彗星就这样通过碰撞而诞生了。多次环绕太阳以后，也许会与某个大（巨）行星相碰撞，被大行星捕获，成为大行星的一部分。

比如，1994年坠入木星的苏梅克－列维9号彗星。地球也会捕获彗星，不过，每次捕获彗星都是一次灾难，比如6500万年前可能造成恐龙灭绝的那个彗星。势力范围比地球大上百倍的木星，捕获彗星的概率会比地球大十万倍以上（如果地球是上亿年捕获一颗彗星，那么木星每千年就可以捕获一颗彗星）。这客观上极大减少了地球轨道附近的不规则运行天体数量，对保护地球生命太有意义了。

比柯依伯带还要遥远的是奥尔特云，奥尔特云内侧距离太阳的平均距离又远了一个数量级（奥尔特云外侧就更远了），1/T这个天体运行进化水平值也同样至少小了一个数量级，这意味着这里更加蛮荒，更加接近太阳系产生的初始阶段，或者说，这里相对太阳系产生的初始阶段变化较小。这里的天体自然是很无序的，什么共面性、共圆性、共向性，什么核心天体，都是统统不存在，这里更加杂乱无章。这里相当于八大行星区域天体系统的早期进化阶段，天体数量极大，没有核心天体，运行的有序性不强。这里几乎都是小型天体，天体无序运动，碰撞概率较大，碰撞后，其运行轨道自然会缩小，自然是向柯依伯带靠近，成为柯依伯带物质的来源地。也冲击着柯依伯带，自然会成为柯依伯带彗星产生的原因之一，也就是会诱发柯依伯带彗星的形成。

奥尔特云区域几乎没有共面性，以球体形状存在于太阳系的外围区域。奥尔特云的外围自然是太阳系的边缘区域，不过奥尔特云的范围太广了，占据了整个太阳系的大部分空间。由于体积巨大，虽然物质分布密度很低，但是物质总量应该还是很可观的，究竟大致有多少呢？似乎不好估计！但我感觉其质量要远比木星质量多，也就是说，这个区域的物质质量比八大行星的质量加到一起还要多。奥尔特云区域的物质质量要比柯依伯带质量多许多，柯依伯带物质质量甚至就比八大行星质量多。

万有引力常数G等于6.67×10^-11方，光年距离为9.46×10^15米，太阳质量约为2.0×10^30 千克，环绕速度V环=√（GM/R），逃逸速度V=√（2GM/R）。因此，距离太阳一光年的区域的天体，需要具备119米每秒的环绕速度，才可不向太阳方向靠近。这个速度其实还是很可观的，比飞机的飞行速度还要快。可见，距离太阳一光年的地方，确实可以受到太阳的引力作用，这里确实依然属于太阳的势力范围。这里的天体依然被太阳束缚着，而整体以220千米每秒的速度环绕银河中心运动。奥尔特云区域外延一光年也是可能的，正常的。看来，像太阳这样的恒星质量，周围如果没有更大质量的恒星，或距离更近的恒星，其势力范围达到半径一光年也是很正常的。两倍太阳质量的恒星的势力范围可以达到两光年。

3.5太阳系不同区域的进化水平情况

距离太阳一光年的区域的天体逃逸太阳系的速度是168米每秒，而环绕速度是119米每秒，这意味着这个区域的天体的相对太阳的运动速度很难超过168米每秒，一旦超过，就会逐渐逃逸太阳系了。因此，这个区域的天体在整体跟随太阳系以220千米每秒的速度公转银河系中心的同时，还以环绕太阳速度119米每秒运动。这个区域的天体环绕太阳的线速度都是很接近119米每秒的，不会有多少偏差的。其环绕太阳的周期很漫长，1584万年能环绕太阳一周。

距离太阳半个光年区域的天体的环绕速度是168米每秒，逃逸速度是238米每秒。这里依然属于奥尔特云区域，可见，在这半个光年的广大范围内，天体的环绕速度相差很小。虽然环绕速度相差不大，但还是有着难以逾越的鸿沟。半光年内的引力势能差异还是不小的，可以让一光年区域零速度的天体，加速到半光年区域168米每秒的线速度。也就是仅靠引力势能，就可以让一光年区域零速度的天体，获得半光年区域所需要的环绕速度。这个规律具有普适性，也就是说，某个区域的天体碰撞后，环绕速度如果降为零，则意味着会向中心天体方向靠拢，逐渐被加速。一直可以加速到距离中心天体相对之前一半的距离的位置，就可以通过引力势能减少，而获得足够环绕中心天体的线速度。

如法炮制，下一次碰撞到线速度为零，又会靠近一半距离。几次碰撞以后，这个多次碰撞天体就会距离中心天体很近了。最终也许会被中心天体吞噬，成为中心天体的一部分。可见，中心天体的长大是如此麻烦，如此困难。这也意味着纵使宇宙已经诞生一百多亿年，依然会有数量相当可观的天体或物质游离于中心天体之外。比如，我们诞生上百亿年的银河系的情况也是如此。

似乎，可以通过彗星的诞生数量，推测奥尔特云和柯依伯带质量密度。以及由观测柯依伯带内部的矮行星数量与质量推测柯依伯带和奥尔特云区域的质量。

天体受到太阳引力的加速度ɑ=GM/R²，这可以根据万有引力公式和牛顿第二定律公式得出。距离太阳一光年区域的天体，受到的太阳引力加速度是1.49×10^-12米每秒。这个加速度是极小的，如果这个区域有个环绕太阳线速度为零的天体，也就是相对静止，一年后的，也就是加速3.15×10^7秒的时间，速度才达到4.7×10^-5米每秒，一万年后，指向太阳的径向速度才可以提高到0.47米每秒。一亿年后径向速度提高到4700米每秒，这个速度在太空依然是不大的。10亿年可以加速到47千米每秒，这个速度在太阳系内部已经比较壮观了，这个速度已经比地球环绕太阳的速度大了。

不过，对于诞生近百亿年的太阳系来说，这个时间占比太大，这显示一光年是个巨大距离，太阳的势力范围虽然可以达到那里，但也是强弩之末了。那里发生的几乎所有事情，在很大的时间范围内，似乎对八大行星区域的空间毫无影响。也就是说，距离太阳一光年区域发生的事情，影响到八大行星的空间区域，需要极其漫长的时间。我们可以认为这里几乎对太阳系八大行星空间区域没有影响，可以认为这里是太阳系的边缘了。

一光年区域，在太阳引力作用下，某天体零速度开始向太阳靠近，运动半光年的距离后，可以获得168米每秒的线速度，如果角度合适，这个速度可以让这个天体在半光年区域长期环绕太阳，而不再继续靠拢太阳。这个过程中，这个天体加速度是逐渐提高的，虽然不是匀加速运动，但也比较接近吧。这有利于我们简便计算这个天体这个过程耗费的时间。如果取其平均速度为最终速度的一半，实际上其平均速度应该小于其最终速度的一半，但也差异不大吧？168米每秒的最终速度的一半就是84米每秒。

一光年是9.46×10^15米，半光年是4.73×10^15米，84米每秒的速度，需要走多长时间呢？357万年。从速度为零开始，在距离太阳一光年的区域，依靠太阳引力作用加速，来到半光年的区域，需要357万年。这确实很漫长。84米每秒的平均速度偏高了一点，如果详细计算平均速度，也许只是不到80米每秒，甚至再低一点。

距离太阳一光年的区域，太阳对这里的影响很小，几乎可以忽略影响。同理，这里对太阳以及八大行星空间的影响也很小，几乎同样可以忽略影响。但是这个空间区域是极大的，要比太阳系的核心区域，即八大行星空间区域大得多。如此大的空间，受到太阳或其他恒星干扰的影响很小，这意味着这里的天体进化是极其不完善的，也就是这里的天体是极其原始的，这自然意味着这里有着巨大数量的物质，我们至少严重低估了这里的物质存量，这里几乎有着比肩太阳的物质质量。也就是这里储存了巨大数量的以环绕太阳线速度每秒百米左右的天体。考虑到这个区域天体的巨大质量，这个区域的天体环绕太阳的线速度应该会平均比119米每秒大一些，也许会达到一百五六十米每秒的线速度。

在距离太阳一光年的区域，如果真有数量巨大的天体，这对未来人类飞出太阳系是个巨大障碍，意想不到的碰撞是大概率的。这也许要比小行星带的颗粒尘埃密度大，如果真的如此，确实是大问题。我们难道真的走不出太阳系了吗？我们本来想象恒星际空间应该会更空荡一些，或更干净一些，但是，实际上这里很有可能与我们想象的情况相反，这里应该远没有我们太阳系内部的行星际空间干净或空荡。

 

图43 欧美科学家想象绘制的太阳系立体图，包括了广阔的奥尔特云区域。

前面我们只是定性地分析天体进化程度或水平，现在我们具体计算一下天体进化的水平或程度。万有引力常数G等于6.67×10^-11方，光年距离为9.46×10^15米，太阳质量约为2.0×10^30 千克。1/T是度量天体进化水平或进化程度的数据或标志，1/T=√（GM）/2ΠR√R。当R为一光年时，1/T=2×10^-15。当R为0.5光年时，1/T=5.66×10^-15。当R为0.1光年时，1/T=63.2×10^-15。地球轨道的天体进化水平是1/T=3.16×10^-8，这个数值明显比0.5光年区域的数值大多了，大了近千万倍。50个天文单位（一个天文单位是地球到太阳的距离）的柯依伯带天体的进化水平是1/T=8.9×10^-11，是地球轨道附近进化水平的三百多分之一。柯依伯带是很广阔的区域，100个天文单位的区域也属于柯依伯带，其进化水平就明显降低许多了，是地球轨道进化水平的千分之一。

 

图44 欧美科学家绘制的太阳系范围图，包括了奥尔特云。

1000个天文单位之外的地方，应该就不属于柯依伯带了，已经属于奥尔特云的内部边缘了，这个区域的天体的进化水平为1/T=1×10^-12。10000个天文单位的地方，天体运行轨道的进化水平为1/T=3.16×10^-14，其现在的天体轨道进化水平大致相当于太阳系形成一万年时的地球轨道区域的进化水平。

我们太阳系如此的结构，其他的恒星系的结构也应该大致如此！也就是恒星的天体系统尺度是很大的，这几乎适合于银河系悬臂上的绝大部分恒星。在银河系中心区域，恒星稠密，且有黑洞分布，这里的恒星系空间范围应该就比较小了，不会有奥尔特云结构了，甚至不会有柯依伯带结构，但可能会有行星体系结构。

天体系统总是向共面性的方向发展，以及向天体数量减少化，即核心天体首位度增大化方向前进，这是天体系统进化的两个普遍趋势。其他次要一些的趋势是共向性、共圆性等。因此，天体系统进化水平或进化程度的标志是共面性程度和核心天体首位度及天体数量的精简化程度。

我们基本可以得出一个重要结论，我们低估了太阳系的质量，究竟低估多少，不太清楚。同理，我们根据太阳质量推测的其他恒星质量的数据是偏低的，特别是银河系悬臂上的恒星的质量。我们想象推测的暗物质，应该有眉目了。这些暗物质不是别的，就是大部分恒星系统对应的奥尔特云区域所分布的物质。恒星系统的奥尔特云区域的物质总量很有可能会超过恒星本身的质量，这应该是银河系暗物质的重要构成部分。

银河系悬臂上的恒星系统的奥尔特云区域就可以分布巨量物质，其实在银河系悬臂之间的相对空荡区域，也会分布巨量的天体，以及巨量的天体物质质量，这自然也是暗物质的重要构成部分。其实在银晕部分，这类似太阳系的柯依伯带，这里虽然不明亮，但是这里也会分布大量的天体，由于这个区域的空间体积巨大，天体总质量会很可观，自然会是暗物质的重要构成部分。在银晕之外，位置类似于太阳系的奥尔特云区域，应该也会分布着大量较小的天体，物质总量也会是很大的，是暗物质的主要构成部分。

暗物质并不是非常规物质，也是我们常见的物质，只是由于相对分散，没有集聚起来，难以实现较高的自身温度，自然是不明亮的，难以被观测到。我们太阳系周围的不明亮物质，我们还难以察觉到，银河系外围的不明亮物质就更难以察觉了。其他星系就更不用说了，这些不明亮物质，只能通过引力作用效果，让我们感受到这些物质的存在。也就是我们通过引力作用效果感受推测的所谓的暗物质，其实就是这些不明亮的物质。

我们太阳系是一个发育非常完善的恒星系，因为我们太阳系与其他恒星相距比较遥远，这为太阳系的完美发育提供了条件。银河系的发育可能就不具备太阳系的条件了，按照银河系发光明亮区域的自身尺度，银河系距离其他星系太近了，这让银晕之外，很难形成一个类似太阳系奥尔特云区域的相对庞大尺度空间。如果银河系与其他星系是相距上百万光年，银河系也会有一个尺度可观的奥尔特云区域。但银河系距离最近的星系只有小几十万光年，这太近了，银河系自然不能完美发育。

我们知道相当于太阳质量10倍的恒星，其表面温度是很高的，核聚变时间只是太阳的三百分之一，这意味着其核聚变寿命很低，几千万年就走完自己的发光生命历程了。然后是超新星爆发，把大部分物质抛入周围空间。这为太阳等新一代恒星的形成提供了丰富的物质基础。

形成太阳系的物质来源于超新星爆发所剩下的残余物质，太阳系外围的奥尔特云区域的物质也是超新星爆发残余的物质，与太阳系八大行星区域的物质来源是一致的。那么，银河系的银晕区域的物质是来源于什么呢？银晕外围的物质会是来源于什么呢？

 

3.6银河系天体运动或物质分布状况

 

 

图45 银河系中心区域的银核呈棒状结构，类似于中间略鼓的圆柱体，像一个中间略鼓的棒子。这种结构的形成自然是由于中心区域天体运动（运行）状况决定的，而天体运行状况由天体分布状况决定。

 

图46 这是银河系不同位置天体环绕银心的线速度，我们只看实际测量的线速度。可以看到银河系中心区域，天体环绕中心的线速度与距离中心的半径R接近正比关系，由于天体环绕银河系中心的周长与距离中心的距离成正比，这让银河系中心区域的天体具有几乎相同的角速度，这为银河系中心区域主体部分天体分布呈棒状结构提供条件。

 

图47 顺时针旋转的银河系天体

物质的分布总是趋向于集中的，银河系中心区域的物质分布也具有同样趋势，这是银河系中心区域天体向棒状结构进化的原因。棒状结构可以满足天体趋向集中的进化发展趋势。

为了维持中心区域天体的棒状结构，中心区域的天体还需要进行另一个相对运动。即在以银河系中心为环绕中心以几乎相同的角速度环绕的同时，还要以棒状结构的中心线为对称轴，进行适度的环绕运动，这个运动所需的向心力是平衡棒状区域天体之间相互的引力作用。也就是类似棒子以中心轴为中心做圆周运动。

 

图48 如果银河系中心的棒状结构用这个圆柱体表示的话，银核区域的天体整体环绕银河系中心运动的同时，还环绕这个红色的对称轴运动。现在的问题是，环绕对称轴的运动，暂时还没有理由根据某些道理确定是怎样环绕的，比如，究竟应该是顺时针还是逆时针，二者从道理上看应该是平等的，机会是均等的。当然，银河系的核心部分确实只有一个绕轴环绕方向，并且整体都是同样方向绕轴转圈。根据实际观测可以确定这个方向。

在引力作用下，天体的环绕速度V环=√（GM/R），鉴于银河系中心区域天体的环绕速度与半径几乎成正比关系，我们可以据此判断银河系中心区域天体质量与空间的关系。因此，我们可以判断，银河系中心区域天体分布质量与半径R的平方成正比。我们知道体积与半径R的三次方成正比，可见这种质量的分布情况不算过分，银河系中心天体质量分布与我们的感觉类似，确实是从中心向四周，物质分布密度逐渐递减。物质分布密度大致是与半径R成反比，这就是银河系中心区域物质分布状况。

 

图49 欧美科学家绘制的银河系北极上空的俯视图，图中的极坐标中心就是我们的太阳系位置，用Sun表示。中心区域并不是我们想象的椭球体，而是一个对称的棒子，所以，银河系属于宇宙中最常见（我们发现的星系中60%都是类银河系的结构模式）的棒旋星系，即有中心棒子和周围的旋臂结构。

银河系旋臂的形成自然是恒星围绕银心转圈的结果，在银河系的中部和边缘区域，恒星竟然以类似的线速度围绕银心转圈，所处位置距离银心的半径越大，环绕的周长就同比例增加。所处位置半径小的恒星，角速度快（也就是恒星的角速度与半径成反比），结果是里面的恒星比较靠前，逐渐拉开了与外围恒星的距离，导致旋臂越拉越长。虽然悬臂上的恒星最终会重新组合，这个重组时间相对较短，在绝大部分时间内，银河系景观呈旋臂结构。这应该是我们看到，大部分星系类似银河系具有旋臂结构的原因。那些没有旋臂结构的星系，相当一部分应该是处于旋臂恒星重组阶段。

因此，我们可以判断，银河系中心区域的棒状结构区域的天体，依然是顺时针环绕银河系中心转圈，与旋臂区域的天体的环绕方向是一致的。由于银河系中心区域的角速度是类似的，因此，银河系中心区域的棒状结构是非常稳定的，持久的，几乎是永恒的，这与会变化的银河系旋臂区域的结构是不同的。

 

3.7银河系物质分布密度及暗物质分布情况

 

 

图50 我们继续分析银河系天体环绕银心的线速度图，通过这个图所隐含的数据，我们可以得到很多东西，比如，可以知道银河系物质分布密度趋势。

银河系中心区域天体的环绕运动速度分布曲线接近直线，环绕速度与距离银心的半径R接近正比，即角速度接近。因此，我们上一节内容已经说过，根据天体的环绕速度V环=√（GM/R），和体积与半径的三次方成正比的公式，可以得到银核区域的物质分布密度与距离中心的R接近反比关系，即距离银心越远，环绕速度越小，成反比例关系。

从银核之外开始，暗物质露面了。此时的物质分布密度是包括暗物质在内的总物质分布密度。

从银核之外，大约是距离银心一万光年的地方开始，到距离银心两万光年的地方，环绕速度增加比例明显慢了。这显示质量的增长没有跟上半径R的增加，也就是总物质分布密度与半径R的关系，比反比例关系大了一些。

从距离银心两万光年的地方开始，天体的环绕速度基本稳定了，变化不大了，大致以略超两百千米每秒的速度环绕银心运动。根据天体的环绕速度V环=√（GM/R），可以知道半径R与环绕轨道之内的总质量（包括暗物质）的比值基本稳定，这样才可以有比较稳定的环绕速度。

空间体积与半径R的三次方成正比，而物质分布总量大致与半径R成正比，这意味着物质分布密度ρ与半径R的平方成反比。这是较为强烈的反比关系，距离银心越远，物质分布密度越小。虽然有着如此强烈的反比关系，即有着二次方的反比关系，但由于半径R与体积有着三次方的正比关系，这导致银河系外围的质量分布几乎可以与半径R成正比。这意味着银河系外围分布的物质总量巨大。比如，从半径5万光年到半径10万光年的环球型区域，分布了相当于从银河系中心到5万光年区域的物质总量。

从5万光年到10万光年的区域，几乎没有可见物质，这里属于银晕区域，甚至部分属于银冕区域，几乎都是所谓的暗物质。

在距离银心10万光年的地方，如果没有暗物质的话，天体环绕银心的线速度应该接近100千米每秒，有了暗物质，天体环绕速度倍增。根据天体的环绕速度V环=√（GM/R），可以知道，半径不变，环绕速度倍增，需要质量增加4倍。这意味着半径10万光年之内，暗物质就已经大致占据银河系总物质的75%了。人们估测的宇宙暗物质占宇宙总物质的比例大致是六分之五。

我们现在需要得出我们需要的明确结论，银河系物质分布密度随着远离银心而急剧下降。这符合我们的感觉，这体现了引力中心或大引力源的价值，确实可以聚拢物质。距离引力源越近，物质分布越稠密，距离引力源越远，物质分布越稀疏。让人捉摸不定的暗物质同样遵循这个规则，暗物质分布密度随着远离引力源的距离而降低，虽然引力源核心区域并没有暗物质分布。

暗物质竟然与可见物质具有一样的分布密度趋势，这显示暗物质同样受到引力作用的强大影响或摆布。如果暗物质之间再有引力之外的作用力，比如暗物质之间会有碰撞效应，那么暗物质也会形成类似可见物质那样的天体系统。针对银河系来说，银河系中暗物质形成的天体系统会与可见物质的天体系统大概率重合。似乎我们感觉不到这样的情况。应该是银河系中的暗物质没有形成自己的天体系统，不过，这确实是不正常的。只能说暗物质之间除了引力作用，没有其他的作用力，比如，没有碰撞效应。

暗物质之间就是没有碰撞效应，在引力的扰动下，暗物质环绕速度会发生变化，一部分暗物质也会坠入银核。银河系如此漫长的存在时间，坠入银核的暗物质应该数量巨大。但是，我们似乎感觉不到银核区域的暗物质。这说明哪里出了问题？

距离引力源越远，物质分布越稀疏，这种趋势不会戛然而止。比如，到银河系旋臂的外部边缘，可见物质为何会急速下降，而不是同比例（比如分布密度与半径的平方成反比）下降呢？比如，凭啥说，在旋臂之外的银晕中或银冕中，就不能分布密度同比例减小的可见物质呢？因此，我们大致可以推测，银晕或银冕中所谓的暗物质，应该就是可见物质。只是由于这里的可见物质分布密度较低，且区域天体进化缓慢或进化程度较低，而没有形成大量的可以发光的恒星，因此，我们在地球上看不到这些实际上可见的普通物质（比如，以分子或小颗粒存在，小型天体，甚至行星或不太明亮的恒星）。

 

3.8太阳系暗物质分布情况

 

我们通过前面的文章分析已经知道，银河系范围内的物质分布密度大致与距离银心的半径R的平方成反比。但由于体积与半径R的三次方成正比，因此，银河系物质（包括暗物质）总量大致与半径R成正比。

距离银心越近，物质分布密度确实越大，这符合我们的直觉。这体现了引力源的巨大作用，确实可以汇集物质。距离引力源越远，受到引力源的引力作用越小，应该更多地保持原生态。比如，尽量接近原来的固有的物质分布密度，即尽量接近继承的星系形成之前的空间物质分布密度。但是，并不是这样的，这又不太符合我们的感觉了。应该可以解释的原因是，银河系与太阳系这样的天体系统不一样。

太阳系物质分布高度集中于核心区域，而银河系物质分布中心区域物质密度虽然较大，但是总量占比并不明显，这导致距离银河系中心区域很远的地方，竟然可以保持类似的环绕银河系中心的线速度，这是与太阳系明显不同的地方。这导致远离银河系中心的区域依然可以受到银河系内部的较大引力作用，进而导致远离银心的地方的物质或天体具有较大的被坠入银心的趋势，因此，形成了银河系物质分布密度明显的与半径R成反向关系的现象。也就是说，银河系物质如果也像太阳系那样集中到核心区域，远离银河系中心的区域，就应该不会损失那么多物质了。其物质分布密度就会比现在大一些，甚至会出现距离银心越远而密度越大的趋势。

虽然物质在引力作用下，可以形成自己的天体系统，但是，把物质汇集到一起是非常漫长和困难的过程。把物质汇集到中心一部分是普遍情况，虽然需要漫长时间，但是，是普遍可以完成的事情。把物质通过引力作用全部汇集到中心几乎是不可能的，宇宙中似乎也没有这样的大型天体系统。其实从逻辑上看，把大部分物质汇集到中心区域也是很困难的，所需时间是漫长的，由于宇宙本身很漫长，这样的天体系统在现在的宇宙中是常见的。但是，把绝大部分物质汇集到中心区域是极其困难的，需要极其漫长的时间。在宇宙中，这样的天体系统应该占少数。

我们想一想我们的太阳系吧！我们竟然就生活在绝大部分物质汇集中心的天体系统中，这也太巧合了吧？你相信吗？我们的太阳系绝不会这么纯真，我们的太阳系应该比我们认识的复杂。作为一个位于旋臂边缘，恒星分布相对稀疏区域的太阳系来说，其天体系统发育应该很完善，也就是受到其他恒星的干扰较小，其一定会形成空间极为壮观的奥尔特云区域。奥尔特云里面分布着物质密度略小于太阳系形成之前所继承的空间物质分布密度，在奥尔特云的外部边缘区域，这里几乎不受太阳系引力的作用了，这里几乎与恒星际之间的物质分布密度类似了，这里几乎有着接近太阳系形成之前的那团星云的物质分布密度。

太阳系的物质净来源区域（流失物质小于流入物质的区域），应该就是太阳系势力范围，即太阳系本身区域。太阳系之外对太阳系物质贡献应该也有，同理，太阳系内部应该也有逃逸出去的物质或天体，总体看，应该是流失物质与接纳物质接近平衡。太阳系空间的内部物质汇集成了太阳，太阳系空间的中部或外部区域分布的物质对太阳的物质贡献应该不大，这里的物质现在应该依然分散着或流浪着。

太阳系奥尔特云区域流浪的物质总量大概率的会比太阳本身的质量大，大两倍的可能性也是有的，估计再大，可能性就不大了。

图51 钱德拉X射线天文台拍摄的开普勒超新星

我们现在应该可以基本建立清晰概念了，奥尔特云区域里面分布着大量物质或天体，只是由于单个天体质量不大，天体自身的温度很低，很少热辐射或不发光，我们在地球上观测不到这些天体或物质。这就是我们所谓的太阳系暗物质，其本质上与八大行星区域的物质是一样的，都是曾经的超新星爆发遗留的残渣。

分布在星系与星系之间的暗物质，应该是宇宙早期的物质残留，也就是与形成星系之前的宇宙物质构成是一样的。星系中恒星天体系统范围内的暗物质应该主要是超新星爆发留下的残渣，这些残渣形成了星系外围的恒星，太阳系就是这样形成的。

太阳系的物质分布密度变化趋势应该不会与银河系物质分布密度变化趋势类似，银河系物质分布密度与半径R的平方成反比，太阳系的物质分布密度应该不会递减这么明显，因为太阳系是中心质量占重要比例的天体系统。甚至从另一个角度看，太阳系物质分布密度应该会与半径成弱弱的反向关系的。但这样太可怕了，这会导致太阳系外围物质太多，似乎也是不行的。因此，我们搞一个折中，太阳系物质分布密度与半径R的平方依然成反比关系吧。就是这样，太阳系范围内，质量总量会与半径R成正比的，此时需要把太阳这个中心天体的质量除外。

 

图52 欧美科学家绘制的包括奥尔特云的太阳系球状立体图

我们常说的太阳占太阳系99.865%的质量，剩余的主要是八大行星及其他的一些天体，分布在距离太阳40天文单位内。如果扣除太阳质量后，太阳系剩余质量与半径R成正比，这个假设与银河系的质量变化趋势类似，不算过分，质量数据低估的可能性较大。

400天文单位内，不包括太阳的质量，总质量应该是40天文单位内质量的10倍，即应该是0.135%的十倍，1.35%的太阳质量。4000天文单位的质量应该相当于太阳质量的13.5%，40000天文单位范围内应该相当于太阳质量的135%。一光年约是65700天文单位，40000天文单位大致是大半光年的范围。太阳系的势力范围可达一光年，甚至多一些，比如达到10万天文单位。按照8万天文单位，其范围内已经可以拥有相当于2.7倍太阳质量的质量了。与我们前面感觉的，太阳系太阳之外的质量总量可能达到太阳质量的两倍较为接近。看来，太阳系质量密度分布趋势真的与银河系质量密度分布趋势类似，即与半径R的平方成反比。这应该是最低估值了，不可能再低了。

也许我们代入的数值太大，不应该从八大行星算起，而应该从八大行星之外算起。问题是，为什么要从八大行星之外算起呢？有什么道理吗？关键的是我们不知道八大行星之外的质量分布啊！

我们也许无法测量太阳系势力范围内，远离太阳的天体的环绕速度，但是我们可以观测太阳系附近恒星与太阳的相对速度，感受太阳系的实际质量。因为我们太阳系附近的恒星都有较多的暗物质，恒星系统质量都会明显大于中心天体质量，相互之间的运行速度会比我们根据中心天体质量估测的数值大。

太阳系大概率的会与附近天体进化成固定的团体关系，也就是不会轻易分开的，不是临时聚到一起的，而几乎是永恒地汇集一起。因此，太阳系附近天体的运动速度大概率的不会让这个天体轻松远离太阳系。也就是说，太阳系与附近天体组成的引力作用系统，让各个成员几乎都无法逃逸出这个群体。按照这个思路，可以根据附近多数天体的相对运动速度，推测这个天体群体的总质量，大概率会符合实际的。自然是，我们就可以感受太阳系的总质量了。

我们前面的文章中已经分析出太阳系轨道区域的所谓暗物质占据总质量的一半，也就是太阳系轨道区域一半是发光物质，一半是所谓的暗物质。太阳系轨道区域的旋臂中心区域，恒星比较稠密，相互之间距离较近，不可能有两光年以上的间距。恒星发育自然是不完善的，不可能拥有广阔的奥尔特云区域，应该只是有范围较窄的奥尔特云区域。这意味着这些恒星隐含的所谓暗物质是不多的。因此，像太阳系这样的位于旋臂边缘的恒星稀疏区域的恒星就需要多分布一些暗物质了。

平均每颗恒星分配相当于自己质量的暗物质，旋臂主流区域的恒星实际上只分布了很少的暗物质，处于非主流的旋臂边缘恒星自然会分布较多的暗物质，也许会是特别多的暗物质。当然，在银盘之外的空间上，比如银盘的上面或下面的广阔空间，也会分布暗物质。只是凭感觉，也许同样遵循物质密度递减规律，比如，物质密度与远离银盘的距离的平方成反比。如果物质密度分布真的这样，银盘之外的物质总量也是很大的，毕竟其空间范围巨大。估计银盘之外的暗物质总量会相当于银盘区域的暗物质总量。

总体上看，太阳系内的暗物质相当于太阳质量的两倍，也不算过分，算是正常的吧！稠密恒星区域的暗物质只占恒星质量的几分之一，甚至更少也是正常的。可见，暗物质在银河系内部的分布是极不均匀的，银河系旋臂边缘是暗物质的主要集聚区域，远离银盘的空间也有暗物质。当然，在银盘的外部边缘区域，即远离银心的银盘外部区域，暗物质会特别多。当然，其分布密度也许不比旋臂边缘区域的暗物质分布密度大，只是由于空间体积特别大，暗物质总量是极为壮观的，分布着远超银河系可见物质的暗物质。

 

小结

太阳系物质不可能绝大部分集中于中心天体，这是本章的核心观点。太阳系中心天体物质集中程度要明显比木星或土星这样的低一级的天体系统的中心天体物质集中程度低，但也明显会比银河系这样的高一级的天体系统中心天体的物质集中程度高，太阳系中心天体物质集中程度会介于二者之间。太阳系中心天体的物质总量大概率的会不到太阳系物质总量的一半。