太阳系形成与演化假说的历史

有关世界起源和命运的假说可以追溯至已知最早的文字记载；然而，几乎在所有的时代里都没有人尝试将之与“太阳系”的起源理论联系在一起，原因只是单纯的因为几乎没有人知道或是相信太阳系的存在，如同我们现在所理解与认知的太阳系。太阳系形成理论的第一步是一般所接受的日心说，这种模型将太阳放在系统的中心，和将地球放在轨道上绕着太阳转。这个理论在数千年前就已经酝酿了（阿里斯塔克斯在公元前250年就已经提出），但到了17世纪末期才被广泛地接受。“太阳系”这个术语在1704年才正式有使用的纪录。

## 目前认可的假说

最广为接受的行星形成理论称为星云假说，主张太阳系形成于46亿年前一个跨度数光年巨分子云的重力坍缩。几颗恒星，包括太阳在这个坍缩的云气内形成。形成太阳系的气体质量比太阳本身略大些，而大多数的质量坍缩后集中在中心，形成太阳；剩余的质量形成大规模扁平的原行星盘，在其中形成太阳系的行星和其它天体。

就像太阳和行星会诞生，所以它们最终也会死亡。当太阳步入死亡时，它会变冷和向外膨胀至现今直径的数百倍，在摆脱它的外层前（外层会形成被错误称为行星状星云的天体），会成为一颗 红巨星，然后成为毫无生气的白矮星。行星将伴随着太阳的生涯一起步入末路，有些会被摧毁，有些会被抛入星际空间。但最终，只要有足够的时间，所有太阳的随从都将消失。

然而，这也是反对这个假说的论据。

## 假说的形成

法国的哲学家兼数学家勒奈·笛卡尔是第一个提出这个太阳系起源模型的人，他于1662年和1663年撰写在他的出版品Le Monde（ou Traité de lumière）上要发表的文章，因为宗教裁判所的耽误，在他于1664年过世后才出版。以他的观点，宇宙充满了漩涡状粒子的涡流，因某种原因太阳和行星从某个巨大的涡流中收缩和冷凝。但是，这是在牛顿的引力理论发现之前，我们现在知道物质不是以这种方式呈现的。

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1944年，德国物理学家卡尔·冯·魏茨泽克制定了涡流模型，这听起来好像回到了笛卡尔的模型，但他所涉及的湍流模式是拉普拉斯的星云盘涡漩。在适当的组合下，在整个系统内，逆时针旋转和顺时针旋转的涡流可以导致个别元素在开普勒轨道上的中央肿块周围移动，因此小的湍流运动会一点一滴地消耗整体运动的能量，但是物质会在涡流内侧的边界以高速度碰撞，而在这些区域，一些小的、似轴承般转动的漩涡将结合凝聚成环状结构。它为人诟病的障碍是相关的现象并不会自发性的发生，并且假说要求高度有序的结构。以及，它不能提供解决角动量问题的方案，也不能解释月球的形成，还有太阳系许多其它非常基本的特征

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(Graduate Series in Astronomy). Taylor and Francis.</ref>。
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稍后，伊曼努尔·康德在1755年阐述并扩大其内容。皮耶-西蒙·拉普拉斯在1796年也独自发展出相似的理论。

在1749年，乔治-路易·勒克莱尔，布丰伯爵想像当一颗彗星撞击太阳后，喷发出的物质形成行星。然而，拉普拉斯在1796年驳斥了这种想法，显示在这种方法下形成的行星，最终仍会撞上太阳。拉普拉斯认为，行星接近圆形的轨道是其形成的必然结果。今天，彗星已被公认为太小，无法以这种方式创造出太阳系。

在1755年，伊曼努尔·康德推测观察所见到的星云在事实上可能是恒星和行星形成的区域。在1796年，拉普拉斯认真的论证了星云坍缩形成一颗恒星，剩余的物质逐渐形成向外延伸的扁平圆盘，然后形成行星。

### 另类的理论

虽然乍看之下相当合理，星云假说依然面临的障碍是角动量；如果太阳确实是从这样一个塌缩的云气中形成，行星的旋转应该更为缓慢。太阳虽然拥有系统的99%质量，但却只含有1%的角动量。这意味着太阳应该要旋转得更快速。

#### 潮汐理论

试图解决角动量的问题，导致星云假说暂时被放弃，又回头寻求二体问题的理论支援。数十年来，许多天文学家以潮汐或附近碰撞的假说，詹姆士·金斯在1917年率先提出行星的形成是因为其它天体接近太阳造成的。这接近太阳的天体会因为和其他恒星共同的潮汐力吸引出太阳的大量物质，然后凝结成行星。然而，天文学家哈罗德·杰弗里斯在1929年反驳这种近距离碰撞是非常不可能的。美国天文学家亨利·诺利斯·罗素也表明这个理论遇在角动量也遇到了麻烦，外层行星得要竭力避免被太阳吸收回去。

#### 张伯伦莫顿假说

在1900年，莫顿还表示星云假说在角动量上是矛盾的，莫顿和张伯伦就在1904年一起提出微行星假说。在当时，许多天文学家都认同利克天文台拍摄到的"螺旋星云"影像是太阳系形成的直接证据。但是，在16年后的沙普利-柯蒂斯之争，这些螺旋星云都变成了星系，解决了天文学史上最根本问题之一：星云和星系之间的区别。

莫顿和张伯伦建议一颗过度接近早期太阳的恒星，使它在生命过程中产生潮汐隆起，这种延续导致内部过程形成日珥，造成两颗恒星之间的丝状物质。虽然大部分的物质会落回太阳，但仍有一部分留在轨道上。这些残留的丝状物质冷却形成无数微小的固体碎片，称为微行星（星子），还有几颗较大的原行星。这个假说盛行了大约30年，但在1930年代末期失宠，在1940年代因为需要如同木星般角动量的矛盾而被摒弃，但微行星吸积的这一部分被保留下来。

#### 利特尔顿的方案

在1937和1940年，雷·利特尔顿假设太阳的伴星与经过的恒星相撞。这种方案在1935年就有人提出，并且被亨利·罗素否决了。利特尔顿认为类地行星太小而不能自行凝聚，因此建议有一颗非常大的原行星由于自转的不稳定，而断成两截，形成木星和土星，分裂过程中的一些碎片就形成其它的行星。后来的模型，在1940和1941年，涉及三星系统，一对联星加上太阳。联星先合并，然后因为旋转的不稳定又分裂，并且从这个系统逃逸，留下它们之间被太阳捕获的一些丝状体。莱曼．史匹哲的反对意见也适用于这个模型。

#### 带结构模型

瑞典天文物理学家艾耳芬，在1954、1975和1978年就包括电磁效应的粒子运动方程、角动量分布和成分的差别进行了解。在1954年，他率先提出区分为A云，主要包含的是氦气，但是有一些固体粒子的杂质（"流星雨"），B云主要是氢，C云主要是碳和D云，主要是硅和铁的能量带结构。A云中的杂质形成火星和月球（稍后被地球捕获），B云凝聚成水星、金星和地球，C云凝聚成外行星，而冥王星和海卫一可能是由D云形成。

#### 星际云理论

在1943年，苏联天文学家奥托·施密特提出太阳通过密集的星际云，暴露在一片气体和尘埃的云中，最终行星在其中形成，发展成目前的形式。靠着假设太阳缓慢自转是它特有的，和行星不是和太阳同时形成的，解决了角动量的问题。在俄罗斯的学校，包括Gurevich 和Lebedinsky（在1950年）、Safronov（在1967、1969年）、Safronov和Vityazeff（在1985年）、Safronov和Ruskol（在1994年）、和Ruskol（在1981年）以及其他的学者，都在发展此一理论。然而，这个假说被维克托·萨夫罗诺夫严厉的抨击，他表明从弥漫的云气中形成行星所需要的时间将远远超过太阳系的年龄。

雷利特尔顿改良这个理论，显示不需要第三个天体，并且邦迪和霍伊尔在1944年提出线性吸积的机制让恒星能从云气中捕获物质（威廉姆斯和雷明，1968 年，引文）

### 再度出现的星云假说

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在1978年，天文学家A. J. R. Prentice复活了拉普拉斯的星云模型，在他现代的拉普拉斯理论建议，角动量的问题可以借由拖动创造原始盘面的尘埃颗粒，减缓在中心的转动来解决。Prentice还建议，年轻的太阳通过在金牛T星所理解的超音速喷射方式，将一些角动量转移给原行星盘和微行星。然而，他的论点，这种形成会发生在环面或环的阶段已经受到质疑，任何这类环能在坍缩成为行星之前就已经消散。

现在广泛被接受的行星形成理论诞生 －太阳星云盘模型（Solar Nebular Disk Model，SNDM）－ 可以追溯到苏联天文学家维克托·萨夫罗诺夫的作品。他的著作Evolution of the protoplanetary cloud and formation of the Earth and the planets（原行星云的演化可以形成地球和行星），在1972年被翻译成英文，长期以来对研究行星形成的科学家都有所影响。在这本书中，几乎对所有行星形成过程的主要问题和形式都制定了一些解决的方法。萨夫罗诺夫书中的想法在乔治·威瑟工作的吸积失控中，得到进一步的发展。在1980年代的初期，以SNDM形式回复的星云假说复活并得到关切，并获得天文学上两项重要的发现。首先，发现许多显然是很年轻的恒星，像是绘架座β，如同星云假说所预测的被低温的尘埃盘包围着。其次，在1983年发射的红外线天文卫星发现到许多红外线过剩的恒星，可以用它们被低温物质盘围绕着来解释。

### 未解决的论点

虽然星云假说与图片被广泛地接受，但许多细节还是不太清楚，并须继续加以完善。

精炼的星云模型完全建立在对太阳系观测的基础上，因为它是在20世纪90年代中期之后唯一留存的。虽然科学家们急于通过原行星盘或在其它恒星周围发现的行星来测试寻模型，但它并没有很自信的假定能广泛适用于其它行星系统。当2013年8月23日，发现的系外行星已经有941颗时，带来了许多惊喜，并且为这些新发现的行星系统修订星云模型，或考虑新的模型。

到目前为止，新发现的太阳系外行星，无论是比木星大或小，都是以很短的轨道，只要几个小时就绕行恒星一周。这些行星都非常靠近它们绕行的恒星，它们的大气层都会被恒星的辐射逐渐的剥离。如何解释这些所谓的热木星，目前尚无共识。但其中一种观念就是行星迁移，类似的过程也就是也就是前考虑的天王星和海王星移动到了遥远的距离。可能造成迁移过程的包括原行星盘仍然充满了氢气和氦气所导致的轨道摩擦，和巨行星和与原行星盘中粒子之间的角动量交换。

行星特性的细节是另一个问题。太阳星云假说预测所有的行星都将形成于黄道面。相反的，古典行星的轨道相对于黄道都有不同（但微小）的倾斜。此外，预测气态巨行星和它们的卫星系统相对于黄道面也不该有倾斜。然而，多数的气态巨行星都有大角度的倾斜，天王星的倾斜更高达98°。月球相对于地球是比较大，而其它的卫星处于不规则的轨道上，又是另一个问题。现在认为这些都是在太阳系初步形成之后，发生了一些意外事件造成的，藉以解释这些现象。

## 太阳演化假说

分离出太阳能量的物理来源，并因而确定何时以及最终如何耗尽的企图，始于19世纪。在当时，科学上普遍的看法是太阳的热量来源是来自引力的收缩。在1840年代，天文学家J.R.迈耶和J.J.沃特森首先提出太阳巨大的质量使它自身塌缩，产生热量；赫尔曼·冯·亥姆霍兹和凯尔文勋爵两人在1845年进一步阐述这种想法，建议这些热也会来自撞击在太阳表面的流星。然而，太阳重力位能的机制仅能够维持太阳的威力3,000多万年 －远小于地球的年龄（这个崩溃的时间称为开尔文-亥姆霍兹时间尺度。）。

阿尔伯特·爱因斯坦在1905年发表相对论，导出核反应可以从较小的前辈元素，释放出能量，创建新的元素。亚瑟·爱丁顿在它的论文恒星和原子建议，恒星内部的压力和温度足以让氢原子融合成氦原子，这个过程可以产生太阳所需要的大量能量。在1935年，爱丁顿更进一步建议，恒星内部也可以产生其他的元素。在1945年以后搜集的光谱证据表明，最常见的化学元素，碳、氢、氧、氮、氖、铁等，相当明确的散布在整个银河系内。这显示这些元素有一个共同的起源。不规则的分布比例案是创造原素有着一定的机制。有较高原子量的铅比黄金更为常见。氢和氦（元素1和2）几乎无所不在，而锂和铍 （元素3和4）却极为罕见。

### 红巨星

19世纪以来，早就知道红巨星有着不寻常的光谱，在1940年代，乔治·伽莫夫首先了解它们是已经耗尽核心的氢，和诉诸燃烧在其外壳的氢，且质量大致与太阳相当的恒星。这让马丁·史瓦西得以将红巨星和恒星生命有限连结在一起。现在了解，红巨星是恒星在生命周期的最后阶段。

弗雷德·霍伊尔指出，即使当元素的分布相当均匀，不同的恒星仍有不同数量的各种元素。霍伊尔表示，这些元素必然是来自恒星自己的内部。只可能在高温和高压下形成的原子，在原子序数排列下的元素丰度在铁达到峰值。霍伊尔得出必须在巨星的内部才能形成铁。从这一点，霍伊尔在1945和1946年勾勒出一颗恒星的生命周期最后阶段。当一颗恒星死亡，它会根据自身的重量坍缩，导致一连串阶层式的核融合反应：碳-12与氦燃烧形成氧-16；氧-16与氦燃烧生成氖-20，直到生成铁为止。然而，当时还不知道可以生成碳-12的方法。通过融合铍的同位素生成的碳并不稳定，三个氦原子形成碳-12得超过宇宙的年龄而被认为不可能。最终，在1952年，物理学家Ed Salpeter指出，铍的同位素从激发态衰变回到基态的时间虽然很短，但已经足以让它与氦融合生成碳，不过它们的结合只有很小的机会使质量或能量等于碳-12。霍伊尔引用人择原理指出，它必须如此；因为他自己已经制造出碳，并且存在着。当碳-12的质量/能量水准最后被确定时，它被发现与霍伊尔的预测只差了一些百分比。

### 白矮星

第一颗被发现的白矮星是三合星系统的波江座40，它包括再进进离环绕明亮的主序星波江座40A的联星，白矮星的波江座40B和也是主序星的红矮星波江座40C。这一对联星波江座40B/C是威廉·赫歇尔在1783年1月31日发现的, p. 73；它被瓦西里·雅可夫列维奇·斯特鲁维在1825年和奥托·威廉·冯·斯特鲁维在1851年再次观测。在1910年，亨利·诺利斯·罗素、爱德华·皮克林 和威廉敏娜·弗莱明发现波江座40尽管非常黯淡，但光谱类型却是A型或是白色。

很快的，他们就发现这是一颗密度极高的白色矮星。如果一颗恒星是在联星系统内，就像天狼星B和波江座40B，就可以从观测到的轨道估计恒星的质量。在1910年，就是这样得到天狼星B的质量，得到的估计质量是（最近的估计是。）。因为热的机构的辐射比冷的机构多，因此从恒星表面的有效温度估计它的亮度，还有它的频谱。如果恒星的距离已知，它的整体光度也可以估计出来。这两个数值的对比，就可以得出恒星的半径。推理导致的结果令当时的天文学家非常困惑，因为天狼星B和波江座B必须有很高的密度。例如，当恩斯特·厄皮克在1916年估计可见伴星的密度时，他发现波江座40B的密度超过太阳25,000倍以上，他认为这是"不可能"的。

因为白矮星的物质是由不受化学键限制而不能再压缩的原子组成，而只是由不受约束的原子核和电子组成的电浆。因此电子是不受阻碍的以通常能被允许最接近原子核的电子轨道 －电子被限制占据在原子核外的区域－ 运转。但是，爱丁顿并不知道当电将冷却后会发生什么状况，原子是否依然保持现在的电离状态。在1926年，这一悖论被拉尔夫·福勒应用新发展的量子力学解决了。由于电子遵循包立不相容原理，没有两个电子可以占用相同的状态，和它们必须遵从在1926年以确定满足包立不相容原理的粒子分布的费米-狄拉克统计。因此，在温度零度时，电子可能并不是全部都占据着最低能量，或基态的状态；其中有一些可能占据着较高能量的状态，形成一个拥有最低能量可用的能量状态：费米海。这种状态的电子被称为简并，意味着一颗白矮星即使冷却到零度仍然拥有高能量。

### 行星状星云

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行星状星云通常都是黯淡的天体，裸眼通常无法看见。第一个被发现的行星状星云是在狐狸座的哑铃星云，它是梅西尔在1764年发现的，并被列入非星天体目录中，编号为M27。早期的观测者使用的望远镜分辨率不佳，因此外观上和后来威廉·赫歇尔发现的天王星相似，因此创造了这个名词。然而，正如我们现在所知的，它们与行星完全毫无相同之处。

行星状星云的中心是炙热的。它们的亮度显然很低，这意味着它们必然很小。一旦恒星耗尽了核心的燃料，就会坍缩成较小的尺度，所以行星状星云被理解为恒星演化的最后阶段。光谱的观测表明，所有的行星状星云都还在扩大，所以兴起行星状星云是在恒星生命的最后阶段被抛进太空的外层。

## 月球起源假说

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数百年来，许多关于地球的卫星起源的科学假说被提出来。最早的之一就是所谓的孪生假说，包括月球是在地球诞生后吸积残留在环绕地球轨道上的物质形成。另一个是乔治·达尔文（查理斯·达尔文的儿子）发展出的分裂假说，他注意到月球以每年约4公分的距离远离地球，所以在遥远的过去他必须是地球的一部分，但是因为那时地球的旋转比现在快速而被地球的动量抛离出去。这一假设也被依些事实支持着：月球的密度比地球小，约等于地球岩石的地函。这表明月球与地球不同，缺乏一个高密度的铁质核心。第三个假说，是所谓的捕获假说，表明月球原本是独立天体，陷入地球引力场而成为环绕地球的卫星。

### 阿波罗任务

然而，这些假说在1960年代末和1970年代初期的阿波罗探月任务，介绍了关于月球的组成、年龄和历史的一连串新科学证据之后，都被驳斥了。这一串证据反驳这些早期的模型所做的与多预测。从月球带回来的岩石，其水含量相对于太阳系其它的地方明显偏低，并且显示在它的早期历史，它必然经过产生巨大能量形成岩浆海洋的证据。同时，在月球岩石中的氧同位素显示出与地球上岩石的相似性，暗示它们在太阳星云内相似的地方形成。捕获模型不能解释同位素的相似性（如果月球起源于太阳系的其他地区，这些同位素会有所不同），而共同的吸积模型不能充分解释水的损失（如果月球的形成于类似地球，被困在其矿物结构的水量也会大致相同）。相对的，裂变模型虽然可以说明在化学成分上的相似性和铁的缺乏，但不能充分解释其轨道的高倾斜，特别是地月系统的角动量，超过太阳系中其他的任何行星卫星系统。

### 大碰撞说

For many years after 阿波罗之后许多年，联星吸积模型即使依然有缺陷，但已被认定为解释月球起源最好的假说。然后，1984年在夏威夷柯纳的会议上，由所有乖查到的差异提出了一个折衷的方案：大碰撞模型。在1976年，两个独立的研究小组各自提出了大碰撞说，这个模型假设一个大质量的天体，大小与火星相似，在早期历史上的地球相撞。这个撞击融化掉地球的地壳，而另一颗天体的核心沉陷入地球内，与地球的核心合并。撞击产生的过热蒸气进入原始地球的周围，凝聚成在轨道上的月球。这解释了水的缺乏（蒸气云是过热的水凝结）与在组成上的相似（因为是地球的一部分）和低密度（由地球的地壳和地函形成，而不是核心形成月球），以及月球不寻常的轨道（因为是斜向撞击，所以从地月系统获得了大量的角动量）。

### 未解决的论点

然而，大碰撞模型被批评有太多的假设条件；它可以继续扩展以解释任何未来的发现，而不能被证明为不正确。此外，许多人声称，来自撞击的布部分材料在月球都有耗尽的可能，这意味着同位素的比例将会不同，但它们并非如此。同样的，在一些挥发性的化合物，如月球的地壳缺水，还有许多其他的，例如锰等等。

### 其它的天然卫星

虽然共同吸积和捕获模式，目前不被接受为有效解释月球存在的理论，但已经被用来解释太阳系中其他天然卫星的形成。木星的伽利略卫星已经被认为是经由共同吸积形成，太阳系的不规则卫星，像是崔顿，都被认为是经由捕获形成的。