1.5 太阳系的起源与演化

太阳系的起源与演化

 

太阳系

太阳系是以太阳为中心，和所有受到太阳的重力约束天体的集合体：8颗行星、至少165颗已知的卫星、5颗已经辨认出来的矮行星和数以亿计的太阳系小天体。这些小天体包括小行星、柯伊伯带的天体、彗星和星际尘埃。

广义上，太阳系的领域包括太阳，4颗类地的内行星，由许多小岩石组成的小行星带，4颗充满气体的巨大外行星，充满冰冻小岩石，在海王星轨道外，包括冥王星在内的被称为柯伊伯带的第二个小天体区。在柯伊伯带之外还有黄道离散盘面和太阳圈，和依然属于假设的奥尔特云。

依照至太阳的距离，太阳系内的行星依序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。8颗行星中的6颗有天然的卫星环绕，在太阳系外侧的行星还被由尘埃和许多小颗粒构成的行星环环绕着。

太阳系的形成与演化

星云假说

太阳系的形成据信应该是依据星云假说，最早是在1755年由康德和1796年由拉普拉斯各自独立提出的。这个理论认为太阳系是在46亿年前在一个巨大的分子云的塌缩中形成的。这个星云原本有数光年的大小，并且同时诞生了数颗恒星。研究古老的陨石追溯到的元素显示，只有超新星爆炸后的心脏部分才能产生这些元素，所以包含太阳的星团必然在超新星残骸的附近。可能是来自超新星爆炸的震波使邻近太阳附近的星云密度增高，使得重力得以克服内部气体的膨胀压力造成塌缩，因而触发了太阳的诞生。

相信经由吸积的作用，各种各样的行星将从云气（太阳星云）中剩余的气体和尘埃中诞生：

一旦年轻的太阳开始产生能量，太阳风会将原行星盘中的物质吹入行星际空间，从而结束行星的成长。年轻的金牛座T星的恒星风就比处于稳定阶段的较老的恒星强得多。

根据天文学家的推测，太阳系会维持直到太阳离开主序。由于太阳是利用其内部的氢作为燃料，为了能够利用剩余的燃料，太阳会变得越来越热，于是燃烧的速度也越来越快。这就导致太阳不断变亮，变亮速度大约为每11亿年增亮10%。

再过大约76亿年，太阳的内核将会热得足以使外层氢发生融合，这会导致太阳膨胀到半径的260倍，变为一个红巨星。此时，由于体积与表面积的扩大，太阳的总光度增加，但表面温度下降，单位面积的光度变暗。

随后，太阳的外层被逐渐抛离，最后裸露出核心成为一颗白矮星，一个极为致密的天体，只有地球的大小却有着原来太阳一半的质量。最后形成暗矮星。

在遥远的未来，太阳的环绕行星会逐渐被经过的恒星的引力卷走。它们中的一些会被毁掉，另一些则会被抛向星际间的太空。最终，数万亿年之后，太阳终将会独自一个，不再有其它天体在太阳系轨道上。

原始太阳星云

20世纪70年代，人们根据空间探测所获得的有关行星和陨石所有特征，建立“原始太阳星云凝聚论”。

原始太阳呈一团中央呈隆起的圆盘状星云，它不停自转。星云团由炽热气体组成，其化学成分大致接近今天的太阳。

圆盘状星云的中心到边缘有一很大热梯度。星云由于发光而损失能量冷却，达到冷凝程度则形成固体颗粒，进一步聚集形成星子。温度下降，一系列固体顺序相继产生。

行星的形成

太阳系里诸多行星均被认为成形于“太阳星云”，而太阳星云是太阳形成中剩下的气体和尘埃形成的圆盘状云。目前被接受的行星形成假说称为吸积，在这里行星从绕原恒星的轨道上的尘埃颗粒开始形成。通过直接收缩，这些颗粒形成一到十公里直径的块状物, 然后它们互相碰撞形成更大的尺寸约5公里的天体（微行星）。透过进一步相撞逐渐加大它们的尺寸, 在接下来的几百万年中大约每年增加几厘米。

 

内太阳系（距中心直径4天文单位以内的区域）过于温暖以至于易挥发的如水和甲烷分子难以聚集，所以那里形成的微行星只能由高熔点的物质形成，如铁、镍、铝和石状硅酸盐。这些石质天体会成为类地行星（水星、金星和火星）。这些物质在宇宙中很稀少，大约只占星云质量的0.6%，所以类地行星不会长得太大。类地行星胚胎在太阳形成100,000年后长到0.05地球质量，然后就停止聚集质量；随后的这些行星大小的天体间的相互撞击与合并使它们这些类地行星长到它们今天的大小。

类木行星（木星、土星、天王星和海王星）形成于更远的冻结线之外，在介于火星和木星轨道之间的物质冷到足以使易挥发的冰状化合物保持固态。类木行星上的冰比类地行星上的金属和硅酸盐更丰富，使得类木行星的质量长得足够大到可以俘获氢和氦这些最轻和最丰富的元素。冻结线以外的微行星在3百万年间聚集了4倍地球的质量。今天，这四个类木行星在所有环绕太阳的天体质量中所占的比例可达99%。理论学者认为木星处于刚好在冻结线之外的地方并不是偶然的。因为冻结线聚集了大量由向内降落的冰状物质蒸发而来的水，其形成了一个低压区，加速了轨道上环绕的尘埃颗粒的速度阻止了它们向太阳落去的运动。在效果上，冻结线起到了一个壁垒的作用，导致物质在距离太阳约5天文单位处迅速聚集。这些过多的物质聚集成一个大约有10个地球质量的胚胎，然后开始通过吞噬周围星盘的氢而迅速增长，只用了1000年就达到150倍地球质量并最终达到318倍地球质量。土星质量显著地小可能是因为它比木星晚了几百万年形成，当时所能使用的气体少了。

像年轻的太阳这样的金牛T星拥有远比老恒星更稳定、更强烈的星风。天王星和海王星据信是在木星和土星之后，在太阳风把星盘物质大部分吹走之后形成。结果导致这两个行星上聚集的氢和氦很少，各自不超过一倍地球质量。天王星和海王星有时被引述为失败的核。对这些行星来说形成理论的主要问题是它们的形成时间。在它们目前的位置，它们的核需要数亿年的时间聚集。这意味着天王星和海王星可能是在更靠近太阳的地方形成的——位于接近甚至介于木星和土星之间——后来才向外迁移。在微行星的时代，行星运动并不全是向内朝向太阳；从维尔特二号上取回的星尘样本表明太阳系早期形成的物质从温暖的太阳系内部向柯伊伯带区域迁移。

过了三百万到一千万年，年轻太阳的太阳风会清净原星盘内所有的气体和尘埃，把它们吹向星际空间，从而结束行星的生长。

太阳

太阳是太阳系的母星，也是太阳系里唯一自身会发光的天体，也是最主要和最重要的成员。它有足够的质量（约为地球的33万倍）让内部的压力与密度足以抑制和承受核聚变产生的巨大能量，并以辐射的型式，例如可见光，让能量稳定地进入太空。 太阳在分类上是一颗中等大小的黄矮星，不过这样的名称很容易让人误会，其实在我们的星系中，太阳是相当大与明亮的。恒星是依据赫罗图的表面温度与亮度对应关系来分类的。通常，温度高的恒星也会比较明亮，而遵循此一规律的恒星都会位在所谓的主序带上，太阳就在这个带子的中央。但是，比太阳大且亮的星并不多，而比较暗淡和低温的恒星则很多。

太阳在恒星演化的阶段正处于壮年期，尚未用尽在核心进行核聚变的氢。太阳的亮度仍会与日俱增，早期的亮度只是当代的75%。

计算太阳内部氢与氦的比例，认为太阳已经完成生命周期的一半，在大约50亿年后耗尽进行核聚变的氢，太阳将离开主序星阶段，并变成更大与更加明亮，但表面温度却降低的红巨星，届时它的亮度将是目前的数千倍。

太阳是在宇宙演化后期才诞生的第一星族恒星，它比第二星族的恒星拥有更多的比氢和氦重的金属（这是天文学的说法：原子序数大于氦的都是金属。）。比氢和氦重的元素是在恒星的核心形成的，必须经由超新星爆炸才能释入宇宙的空间内。换言之，第一代恒星死亡之后宇宙中才有这些重元素。最老的恒星只有少量的金属，后来诞生的才有较多的金属。高金属含量被认为是太阳能发展出行星系统的关键，因为行星是由累积的金属物质形成的。

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