กำเนิดและวิวัฒนาการของระบบสุริยะ

กำเนิดและวิวัฒนาการของระบบสุริยะดำเนินมาตั้งแต่ประมาณ 4,600 ล้านปีก่อน โดยเริ่มจากการแตกสลายด้วยแรงโน้มถ่วงภายในของเมฆโมเลกุลขนาดยักษ์ มวลส่วนมากในการแตกสลายครั้งนั้นได้กระจุกรวมกันอยู่บริเวณศูนย์กลาง และกลายมาเป็นดวงอาทิตย์ มวลส่วนที่เหลือวนเวียนโดยรอบมีรูปร่างแบนลง กลายเป็นจานดาวเคราะห์ก่อนเกิด ซึ่งเป็นต้นกำเนิดของดาวเคราะห์ ดาวบริวาร ดาวเคราะห์น้อย และวัตถุขนาดเล็กอื่นๆ ในระบบสุริยะ

แบบจำลองดังกล่าวมานี้ถือเป็นแบบที่ได้รับการยอมรับทั่วไป เรียกชื่อว่า สมมติฐานเนบิวลา มีการพัฒนาแบบจำลองนี้ขึ้นครั้งแรกในคริสต์ศตวรรษที่ 18 โดยเอมมานูเอล สวีเดนบอร์ก อิมมานูเอล คานท์ และปีแยร์-ซีมง ลาปลัส การวิวัฒนาการในลำดับถัดมาเกี่ยวข้องกับศาสตร์หลายแขนง เช่น ดาราศาสตร์ ฟิสิกส์ ธรณีวิทยา วิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ นับแต่ยุคเริ่มต้นของการสำรวจอวกาศในคริสต์ทศวรรษ 1950 และการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบในคริสต์ทศวรรษ 1990 แบบจำลองนี้ได้ถูกท้าทายและผ่านการปรับแต่งมาอีกหลายครั้งเพื่อให้สอดคล้องกับการค้นพบใหม่ๆ

ระบบสุริยะได้เริ่มวิวัฒนาการอย่างมากนับตั้งแต่มันเริ่มกำเนิดขึ้น ดาวบริวารหลายดวงกำเนิดขึ้นจากจานของแก๊สและฝุ่นรอบๆดาวเคราะห์แม่ของมัน ขณะที่มีดาวบริวารบางดวงที่เกิดในบริเวณอื่น แล้วถูกดึงดูดให้กลายเป็นดาวบริวารในภายหลัง นอกจากนั้น เช่น ดวงจันทร์ ซึ่งอาจจะกำเนิดหลังจากการปะทะครั้งใหญ่ การปะทะระหว่างวัตถุสองวัตถุ เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องจนถึงปัจจุบัน และเคยเป็นหัวใจสำคัญของการวิวัฒนาการของระบบสุริยะ ตำแหน่งของดาวเคราะห์มักจะเลื่อนจากตำแหน่งเดิม เนื่องด้วยแรงโน้มถ่วง การย้ายตำแหน่งของดาวเคราะห์นี้คาดว่าจะเกิดขึ้นมากขณะในช่วงต้นของการวิวัฒนาการ

ในช่วงประมาณ 5 พันล้านปีข้างหน้า ดวงอาทิตย์จะเย็นลง และผิวนอกจะขยายตัวออกไปหลายเท่าจากเส้นผ่านศูนย์กลางเดิม (กลายเป็นดาวยักษ์แดง) หลังจากนั้นดาวยักษ์แดงก็จะสลายผิวนอกกลายเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์ และเหลือแกนกลางไว้ ซึ่งรู้จักกันว่าเป็น ดาวแคระขาว ในอนาคตอันไกลโพ้น ความโน้มถ่วงระหว่างดาวฤกษ์จะลดลง ดาวเคราะห์บางดวงอาจจะถูกทำลาย บางส่วนอาจจะหลุดออกไปสู่อวกาศระหว่างดวงดาว ยิ่งไปกว่านั้น ในช่วงประมาณหมื่นล้านปีข้างหน้า ดวงอาทิตย์จะกลายเป็นดาวฤกษ์ที่ไม่มีวัตถุใดโคจรรอบๆเลย

ความคิดเกี่ยวกับกำเนิดและชะตาของโลกเกิดขึ้นตั้งแต่เริ่มมีงานเขียนในยุคแรก ๆ ถึงอย่างนั้น ตลอดเวลาในขณะนั้น ยังไม่มีการเชื่อมโยงทฤษฎีเหล่านี้เข้ากับ "ระบบสุริยะ" เพราะขณะนั้นยังไม่มีความคิดว่าระบบสุริยะอย่างที่เราเข้าใจกันทุกวันนี้มีอยู่จริง ก้าวแรกเกี่ยวกับทฤษฎีกำเนิดและวิวัฒนาการระบบสุริยะคือการยอมรับโดยทั่วไปว่าดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะ เชื่อกันว่าดวงอาทิตย์ตั้งอยู่ ณ ใจกลางของระบบสุริยะและมีโลกโคจรรอบมัน มีการพัฒนาแนวคิดนี้มาหลายพันปี (อริตาคัสแห่งซามอสเคยเสนอความคิดนี้ในช่วงต้น 250 ปีก่อนคริสตกาล) แต่ไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางจนถึงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 17 มีการบันทึกว่ามีการใช้คำว่า "ระบบสุริยะ" ครั้งแรกเมื่อ พ.ศ. 2247

ทฤษฎีปัจจุบันของการกำเนิดของระบบสุริยะ คือ สมมติฐานเนบิวลา ซึ่งมักจะถูกกล่าวถึงนับตั้งแต่ตั้งสมมติฐานนี้ขึ้น โดยเอมมานูเอล สวีเดนบอร์ก อิมมานูเอล คานท์ และปีแยร์-ซีมง ลาปลัส ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 18 ใจความสำคัญของสมมติฐานนี้คือการอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างดวงอาทิตย์กับดาวเคราะห์ผ่านทางความคลาดเคลื่อนของโมเมนตัมเชิงมุม ถึงอย่างนั้นตั้งแต่ต้นคริสต์ทศวรรษที่ 1980 การศึกษาเกี่ยวกับดาวฤกษ์ที่อายุน้อยแสดงให้เห็นว่าพวกมันถูกล้อมไปด้วยจานฝุ่นและแก๊สเย็น ตรงตามสิ่งที่สมมติฐานเนบิวลาได้คาดการณ์ไว้ ซึ่งทำให้สมมติฐานนี้ได้รับการยอมรับในเวลาต่อมา

การทำความเข้าใจว่าดวงอาทิตย์จะสามารถวิวัฒนาการต่อไปได้อย่างไรนั้น จะต้องอาศัยความเข้าใจเกี่ยวกับแหล่งพลังงานต้นกำเนิด การที่อาร์เธอร์ เอดดิงตัน ยืนยันเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ทำให้เขาตระหนักว่าแหล่งพลังงานบนดวงอาทิตย์เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ที่แกนของดวงอาทิตย์ ซึ่งหลอมรวมไฮโดรเจนเข้ากับฮีเลียม ในปี พ.ศ. 2478 เอดดิงตันได้ศึกษาและเสนอว่าอาจมีธาตุอื่น ๆ ก่อตัวขึ้นในดาวฤกษ์ เฟรด ฮอยล์ อธิบายเพิ่มเติมเกี่ยวกับหลักฐานนี้โดยแย้งว่าดาวยักษ์แดงได้สร้างธาตุเป็นจำนวนมากที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียมที่แกนกลางของมัน เมื่อดาวยักษ์แดงระเบิดเอาผิวชั้นนอกออกมา ธาตุเหล่านั้นก็จะกลับมาก่อตัวเป็นระบบดาวฤกษ์อื่น ๆ ต่อไป

สมมุติฐานเนบิวลาระบุไว้ว่าระบบสุริยะก่อตัวขึ้นจากการแตกสลายของแรงโน้มถ่วงภายในของพื้นที่ส่วนหนึ่งในเมฆโมเลกุลยักษ์ เมฆนี้มีขนาดประมาณ 20 พาร์เซก (65 ปีแสง) ขณะที่พื้นที่ส่วนหนึ่งมีขนาดแค่ 1 พาร์เซก (3.25 ปีแสง) การแตกสลายหลังจากนั้นได้นำไปสู่การสร้างแกนกลาง ซึ่งมีขนาด 0.01–0.1 พาร์เซก (2,000–20,000 หน่วยดาราศาสตร์) ส่วนหนึ่งของชิ้นส่วนจากการแตกสลาย (หรือเรียกกันว่า เนบิวลาก่อนสุริยะ) ได้ก่อตัวกันเป็นระบบสุริยะ มวลในบริเวณนั้นมีค่าใกล้เคียงกับมวลของดวงอาทิตย์ในปัจจุบัน และในบริเวณนั้นประกอบไปด้วย ไฮโดรเจน ฮีเลียม และลิเทียมจำนวนเล็กน้อย ผลผลิตจากบิกแบงนิวคลีโอซินทีสิส เป็นมวลรวมกัน 98% ของมวลโดยรวมทั้งหมด มวลที่เหลืออีก 2% เป็นมวลของธาตุที่หนักกว่าที่ถูกสร้างขึ้นจากการสังเคราะห์นิวเคลียส ในช่วงแรกๆของการวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ เมื่อเวลาผ่านไป ดาวฤกษ์นั้นจะปล่อยธาตุหนักเหล่านั้นออกมาสู่อวกาศระหว่างดวงดาว
อุกกาบาตที่เก่าแก่ที่สุดได้พาไปสู่หลักฐานที่ชี้ถึงการเกิดของวัตถุของแข็งในช่วงเนบิวลาก่อนสุริยะ ซึ่งมีอายุ 4568.2 ล้านปี โดยอายุนี้ยังเป็นนิยามหนึ่งของอายุระบบสุริยะ การศึกษาอุกกาบาตเก่าแก่ได้บ่งชี้ถึงร่องรอยไอโซโทปอายุสั้นเช่น เหล็ก-60 ซึ่งจะเกิดขึ้นได้จากการระเบิดของดาวฤกษ์อายุน้อยเท่านั้น หลักฐานนี้จึงบ่งชี้ว่าเคยมีซูเปอร์โนวาเกิดขึ้นใกล้ดวงอาทิตย์ขณะที่มันกำลังก่อตัว คลื่นกระแทกจากซูเปอร์โนวาเหล่านี้อาจช่วยจุดชนวนการก่อตัวของดวงอาทิตย์ขึ้นโดยทำให้เกิดย่านความหนาแน่นสูงภายในเมฆโมเลกุล และทำให้ย่านนั้นแตกสลายลง และเนื่องจากซูเปอร์โนวาจะเกิดขึ้นได้จากดาวฤกษ์อายุน้อยที่มีมวลมาก ดังนั้นดวงอาทิตย์จะต้องก่อตัวจากย่านกำเนิดดาวขนาดใหญ่ซึ่งสามารถสร้างดาวฤกษ์มวลมากได้ บางทีย่านนั้นอาจจะมีหน้าตาคล้ายคลึงกับเนบิวลานายพรานก็ได้ การศึกษาโครงสร้างของแถบไคเปอร์ และวัตถุอื่นๆที่บ่งบอกว่าดวงอาทิตย์เกิดในกระจุกดาวขนาด 1,000 และ 10,000 ดวงด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 6.5 และ 19.5 ปีแสง และมวลรวมทั้งหมด 3,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ กระจุกนี้เริ่มแตกตัวเมื่อผ่านไปในช่วงเวลาระหว่าง 135 ล้าน ถึง 535 ล้านปีหลังจากการก่อตัว แบบจำลองบางแบบของดวงอาทิตย์เยาว์ มีความเกี่ยวข้องกับดาวที่ผ่านมาในระยะใกล้ในช่วง 100 ล้านปีแรกของช่วงชีวิตดวงอาทิตย์ ซึ่งก่อวัตถุที่มีวงโคจรไม่เสถียรบริเวณนอกระบบสุริยะ เช่น วัตถุที่ไกลออกไป