太陽系的形成與演化

太陽系的形成和演化始於46億年前一片巨大分子云中一小塊的引力坍縮。大多坍縮的質量集中在中心，形成了太陽，其餘部分攤平並形成了一個原行星盤，繼而形成了行星、衛星、隕星和其他小型的太陽系天體系統。這被稱為星雲假說的廣泛接受模型，最早是由18世紀的伊曼紐·斯威登堡、伊曼努爾·康德和拉普拉斯侯爵皮耶-西蒙提出。其隨後的發展與天文學、物理學、地質學和行星學等多種科學領域相互交織。自1950年代太空時代降臨，以及1990年代太陽系外行星的發現，此模型在解釋新發現的過程中受到挑戰又被進一步完善化。從形成開始至今，太陽系經歷了相當大的變化。有很多衛星由環繞其母星氣體與塵埃組成的星盤中形成，其他的衛星據信是俘獲而來，或者來自於巨大的碰撞，拋去它的外層成為行星狀星雲，並留下被稱為白矮星的恆星殘骸。在遙遠的未來，太陽的環繞行星會逐漸被經過的恆星的重力捲走。它們中的一些會被毀掉，另一些則會被拋向星際間的太空。最終，數萬億年之後，太陽終將會獨自一個，不再有其它天體在太陽系軌道上。歷史.有關世界起源和命運的思想可以追溯到已知最早的文字記載；然而，在那大部分的時代裡沒有人試圖把這樣的理論與“太陽系”的存在聯絡起來，原因很簡單，因為當時時人一般不相信我們現在瞭解的太陽系是存在的。邁向太陽系演化形成理論的第一步是對日心說的廣泛認同，該模型把太陽放在系統的中心，把地球放在環繞其的軌道上。這一理論孕育了數千年，但直到17世紀末才廣泛被接受。第一次有記載的“太陽系”術語的使用是在1704年。現今太陽系形成的標準理論：星雲假說，從其在18世紀被伊曼紐·斯威登堡、伊曼努爾·康德、和皮埃爾-西蒙·拉普拉斯提出之日起就屢經採納和摒棄。對該假說重大的批評是它很明顯無法解釋太陽相對其行星而言缺少角動量。然而，自從1980年代早期對新恆星的研究顯示，正如星雲假想預測的那樣，它們被冷的氣體和灰塵的盤環繞著，才導致這一假想的重新被接受。要了解太陽將如何繼續演化需要對它的能量之源有所認知。亞瑟·愛丁頓對愛因斯坦的相對論的確認導致他認識到太陽的能量來自於它核心的核聚變。1935年，愛丁頓進一步提議其他元素也有可能是在恆星中形成。 弗雷德·霍伊爾 進一步詳盡闡釋這一假設，認為演化成為的紅巨星的恆星會在其核心產生很多比氫和氦重的元素。當紅巨星最終拋掉它的外層時，這些元素將被回收以形成其它恆星。形成.前太陽星雲.星雲假說主張太陽系從一巨大的有幾光年跨度的分子云的碎片重力塌陷的過程中形成。幾十年前，傳統觀點還是認為太陽是在相對孤立中形成的，但對古隕石的研究發現短暫的同位素的蹤跡，該元素只能在爆炸及壽命較短的恆星中形成。這顯示在太陽形成的過程中附近發生了若干次超新星爆發。其中一顆超新星的衝擊波可能在分子云中造成了超密度區域，導致了這個區域塌陷，從而觸發了太陽的形成。因為只有大質量、短壽恆星才會產生超新星爆發，太陽一定是在一個產生了大質量恆星的一個大恆星誕生區域裡（可能類似於獵戶座大星雲)形成。這些被稱為“前太陽星雲”的塌陷氣體區域中的一部分將形成太陽系。這一區域直徑在7000到20,000天文單位其質量剛好超過太陽。它的組成跟今天的太陽差不多。由太初核合成產生的元素氫、氦、和少量的鋰組成了塌陷星雲質量的98%。剩下的2%質量由在前代恆星核合成中產生的金屬重元素組成。在這些恆星的晚年它們把這些重元素拋射成為星際物質。因為角動量守恆，星雲塌陷時轉動加快。隨著星雲濃縮，其中的原子相互碰撞頻率增高，把它們的動能轉化成熱能。其質量集中的中心越來越比周邊環繞的盤熱。大約經過100,000年，在引力、氣體壓力、磁場力和轉動慣量的相互競爭下，收縮的星雲扁平化成了一個直徑約200AU的原行星盤，並在中心形成一個熱緻密的原恆星。太陽發展到了這一演化點時，已被認為是一顆金牛T星型別的恆星。對金牛T星的研究表明它們常伴以0.001－0.1太陽質量的前行星物質組成的盤。這些盤伸展達幾百AU——哈勃太空望遠鏡已經觀察過在恆星形成區直徑達1000AU的原星盤——並且相當冷，最熱只能達到一千開爾文。在五千萬年內，太陽核心的溫度和壓力變得如此巨大，它的氫開始聚變，產生內部能源抗拒重力收縮的力直到達至靜力平衡。這意味著太陽成為了主序星，這是它生命中的一個主要階段。主序星從它們核心的氫聚變為氦的過程中產生能量。太陽至今還是一顆主序星。行星的形成.太陽系裡諸多行星均被認為成形於“太陽星雲”，而太陽星雲是太陽形成中剩下的氣體和塵埃形成的圓盤狀雲。目前被接受的行星形成假說稱為吸積，在這裡行星從繞原恆星的軌道上的塵埃顆粒開始形成。透過直接收縮，這些顆粒形成一到十公里直徑的塊狀物, 然後它們互相碰撞形成更大的尺寸約5公里的天體。透過進一步相撞逐漸加大它們的尺寸, 在接下來的幾百萬年中大約每年增加幾釐米。內太陽系。類地行星的成分是太陽核心成分的重要參考。類木行星形成於更遠的凍結線之外，在介於火星和木星軌道之間的物質冷到足以使易揮發的冰狀化合物保持固態。類木行星上的冰比類地行星上的金屬和矽酸鹽更豐富，使得類木行星的質量長得足夠大到可以俘獲氫和氦這些最輕和最豐富的元素。凍結線以外的微行星在3百萬年間聚集了4倍地球的質量。今天，這四個類木行星在所有環繞太陽的天體質量中所佔的比例可達99%。理論學者認為木星處於剛好在凍結線之外的地方並不是偶然的。因為凍結線聚集了大量由向內降落的冰狀物質蒸發而來的水，其形成了一個低壓區，加速了軌道上環繞的塵埃顆粒的速度阻止了它們向太陽落去的運動。在效果上，凍結線起到了一個壁壘的作用，導致物質在距離太陽約5天文單位處迅速聚集。這些過多的物質聚整合一個大約有10個地球質量的胚胎，然後開始透過吞噬周圍星盤的氫而迅速增長，只用了1000年就達到150倍地球質量並最終達到318倍地球質量。土星質量顯著地小可能是因為它比木星晚了幾百萬年形成，當時所能使用的氣體少了。像年輕的太陽這樣的金牛T星擁有遠比老恆星更穩定、更強烈的星風。天王星和海王星據信是在木星和土星之後，在太陽風把星盤物質大部分吹走之後形成。結果導致這兩個行星上聚集的氫和氦很少，各自不超過一倍地球質量。天王星和海王星有時被引述為失敗的核。對這些行星來說形成理論的主要問題是它們的形成時間。在它們目前的位置，它們的核需要數億年的時間聚集。這意味著天王星和海王星可能是在更靠近太陽的地方形成的——位於接近甚至介於木星和土星之間——後來才向外遷移。。在微行星的時代，行星運動並不全是向內朝向太陽；從維爾特二號上取回的星塵樣本表明太陽系早期形成的物質從溫暖的太陽系內部向柯伊伯帶區域遷移。太陽的引力會持續吸收不能保持軌道的流星和氣體，所以太陽在吹出太陽風的同時，也在持續的吸收宇宙中漂浮的各種元素。有些元素會墜入太陽的核心，較輕的元素會被太陽風吹出，這些較輕元素有機會被小行星或者行星接收。有理論認為過了三百萬到一千萬年，年輕太陽的太陽風會清淨原星盤內所有的氣體和塵埃，把它們吹向星際空間，從而結束行星的生長，但是目前不能證明前方宇宙是空無一物的，合理的認為在太陽系繞銀河系運作的軌道前方，有許多物質等待太陽系接收，而太陽系快速繞行銀河系的同時也同時向宇宙逸散一些物質，構成星系與星系之間物質的傳播。後續的演化.行星原先被認為是在我們今天看到的它們的軌道內或附近形成的。但這一觀點在20世紀晚期和21世紀初期發生了鉅變。現在認為太陽系在最初形成之後看上去跟現在很不一樣：在內太陽系有幾個至少跟金星一樣大的天體，外太陽系也比現在緊密，柯伊伯帶離太陽要近得多。類地行星.類地行星的成分被學者認為與太陽核心的成分存在高度相關性，行星形成時代結束後內太陽系有50－100個月球到火星大小的行星胚胎。進一步的生長可能只是由於這些天體的相互碰撞和合並，這一過程持續了大約1億年。這些天體互相產生重力作用，互相拖動對方的軌道直到它們相撞，長得更大，直到最後我們今天所知的4個類地行星初具雛形。其中的一個這樣的巨大碰撞據信導致了月球的形成, 另外一次剝去了早期水星的外殼。此模型未解決的問題是它不能解釋這些原類地行星的初始軌道——得要相當的偏心圓形才能相撞——是如何形成今天這樣相當穩定且接近圓形的軌道的。此“偏圓去除”的假說之一認為在氣體盤中形成的類地行星尚未被太陽驅離。這些殘餘氣體的“重力拖拉”終將降低行星的能量，平滑化它們的軌道。不過，如果存在這樣的氣體，一開始它就會防止類地行星的軌道變得如此偏圓。另一個假說認為重力拖拉不是發生在行星和氣體之間，而是發生在行星和餘留的小天體之間。當大的天體行經小天體群時，小天體受到大天體的引力吸引，在大天體的路徑形成了一個高密度區，一個“引力喚醒”，由此降低了大天體使其進入一個更正規的軌道。小行星帶.小行星帶位於類地行星區外圍邊緣，離太陽2到4個AU。小行星帶開始有多於足以形成超過2到3個地球一樣的行星的物質，並且實際上，有很多微行星在那裡形成。如同類地行星，這一區域的微行星後來合併形成20到30個月亮到火星大小的行星胚胎；但是因為在木星附近，意味著太陽形成3百萬年後這一區域的歷史發生了巨大變化。木星和土星的軌道共振對小行星帶特;zh-hans:太陽系沿著一個距離銀河系銀心大約3萬光年的圓形軌道獨自執行。它的速度大約是每秒鐘220公里。太陽系繞銀心完成一週公轉，即一銀河年大約在2.2~2.5億年的範圍。自從太陽系的形成以來，它已經至少這樣轉了20周。有些科學家推測太陽系在銀河系中的路徑是在地球上化石記錄中觀測到的週期性生物叢集滅絕的一個因素。一個假說建議當太陽繞銀心公轉帶來的豎向震盪使它規律性地經過銀道面。當太陽軌道把它帶出銀道面，銀河潮汐的影響就弱一些，當它每隔2千萬到2千5百萬年進入銀河盤，它就會受到遠為強烈的“盤潮汐”的影響，根據數學模型，奧爾特彗星的流量會增大4倍，導致毀滅性的撞擊的可能性大大增加。但是，有其它的論說認為太陽目前靠近銀道面，然而最後一次大滅絕發生在1千5百萬年前。因此太陽的豎向位置不能獨自說明這樣的週期性滅絕，而這樣的滅絕是發生在太陽經過銀河系的螺旋臂的時候。螺旋臂不但是為數眾多的，其重力可干擾奧爾特雲的分子云的所在，也是明亮的藍巨星的高度密集區所在，藍巨星存在時間短暫，劇烈爆發成超新星。星系碰撞和行星干擾.儘管宇宙中絕大多數星系在遠離銀河系，我們本星系群中最大的星系仙女座星系卻在以每秒120公里的速度撞向銀河系。在20億年後，仙女座星系和銀河系將相撞，潮汐力扭曲它們的外周臂成巨大的潮汐尾而導致二者都產生變形。當這樣的初始階段的干擾發生的時候，天文學家計算出太陽系有12%的機會被從銀河系拉向外圍，有3%的機會它會被仙女座星系重力俘獲成為它的一部分。經過進一步的一系列的側擊，太陽系被丟擲的機會達到30%，兩個星系的超大質量黑洞將合併。最終，大約在70億年的時間，銀河系和仙女座星系將完成合並形成一個巨大的橢圓星系。在合併中，如果有足夠的氣體，增加了的重力將把氣體吸引到形成中的橢圓星系的中心。這將導致一個短期的密集的恆星生成時期叫星暴。此外，向內墜落的氣體將填塞新形成的黑洞，把它變成一個活動星系核。這些相互作用將有可能把太陽系推向新星系的外周光暈中，使它免受這些碰撞的輻射。通常的誤解認為這樣的碰撞會-{幹}-擾太陽系的行星軌道。雖然經過的恆星有可能會把行星剝離太陽系送入星系空間，但恆星間的距離如此之巨以至於銀河系和仙女座星系的相撞對單個的恆星系統的干擾是可以忽略不計的。雖然太陽系作為一個整體可能會被這些事件影響，太陽和行星本身預計不會受到干擾。但是，隨著時間的流逝，遭遇另一顆恆星的累計機率增加，對行星的干擾無可避免。假設宇宙末日的大擠壓或大撕裂不會發生，有計算認為途經的恆星在會1千萬億年內完全剝去死亡的太陽的所有行星。這標誌著太陽系的終結。雖然太陽和行星可能會存在下去，但太陽系，無論是在任何意義上都將不復存在。年代.太陽系的形成的時間框架是用放射性同位素測定方法測定的。科學家估計太陽系大約46億歲。地球上最老的已知的礦物顆粒大約44億歲。因為地球表面經常性地被侵蝕作用、火山活動和板塊運動改造，這樣老的岩石比較稀少。科學家用在太陽星雲早期凝縮中形成的隕石來估計太陽系的年齡。幾乎所有的隕石 都被發現有46億歲，顯示太陽系大約至少也是這樣老。對其它恆星的星盤研究對太陽系形成的時間表的建立也有頗多貢獻。1百萬到3百萬歲的恆星多富含氣體，而超過1千萬年的恆星星盤含很少到幾乎沒有氣體，顯示它內部的巨大氣體行星已經停止生成。太陽系演化時序表.注: 此年表中所有時間和年代都應只被視作數量級指標。