太阳系的起源和演化

伤我心太深

系外行星的发现挑战既有理论，演化过程仍然是谜

太阳系的诞生，几十亿年前，在由数千亿颗恒星组成的浩瀚银河系的一个角落里，一颗新的恒星诞生了—它就是我们赖以生存的太阳。之后，在太阳周围形成了几颗行星，其中的一颗孕育了不计其数的生命，这就是地球。
地球生命在漫长的演化过程中，最终演化出了智慧生命—人类。人类在地球上繁衍生息几百万年，建立了高度发达的文明，并推动了科学技术的迅猛发展，从而解开了自然界中的很多难解之谜。但是，人类一直在不懈地探索一个问题：我们生活的家园太阳系，是如何诞生又是如何演化的呢？令人遗憾的是，直到今天，我们依然无法很好地回答这个问题。虽然我们对太阳系的诞生和演化历史有了一个大概的了解，但是仍然有许多未解之谜有待破解。
大约20年前，科学家在太阳及其他恒星的周围发现了系外行星后，有关太阳系形成的理论陷入了一片混乱的局面，并引发了激烈争论。系外行星这一新“样本”的发现，使得科学家意识到，有必要重新修改和完善行星形成理论。
下面，就让我们一边追寻太阳系的诞生故事，一边亲身体验和思考一下令科学家倍感困惑的难解之谜。

太阳系有八大行星，它们都按照接近圆形的轨道绕着太阳公转。其中，水星、金星、地球和火星位于太阳系内侧（靠近太阳），主要由岩石构成，属于较小的“岩质行星”。位于外侧的木星和土星则主要由氢气构成，属于“气态巨行星”。天王星与海王星距离太阳更远，是主要由冰构成的“冰态巨行星”。

太阳系的诞生

太阳系哈雷彗星

文/科学世界/翻译/魏俊霞


不断发现“奇异”的系外行星  


太阳系的诞生，1995年，科学家首次确认了系外行星（太阳系以外的行星）的存在，从而开启了行星研究的新纪元。此后，科学家陆续发现了数百颗太阳系外行星，它们拥有令人难以想象的神秘特征，存在着许多奇异之处。例如，热木星型（Hot Jupiter，参照右页下图）天体。热木星是类似木星的气态巨行星，它的公转轨道非常靠近中心恒星，甚至比太阳系最内侧的水星还要靠近恒星。还有偏心轨道行星（Eccentric planet），它的公转轨道离心率极大，呈很扁的椭圆形。
多姿多彩的系外行星让科学家意识到，以太阳系为“母本”所构建的行星形成理论，不应该仅仅适用于太阳系，还迫切需要“扩展”到太阳系之外的行星系，“升级”到能够统一解释行星形成的高度。
同时，随着计算机技术和计算能力的提高，科学家可以更加精准地进行模拟计算。结果发现，本以为已经非常完善的太阳系形成理论，竟然存在着许多矛盾之处和未解之谜。如今，有关太阳系形成理论的研究处于一片混乱的局面和纷争之中。
不过，话说回来，这种混乱和争执，或许正是激发科学家的灵感和热情，推动科学发展的巨大动力呢。



行星不一定一直绕着同一轨道公转！






太阳系的诞生，首先，让我们了解一下太阳系的基本信息。太阳系八大行星都位于差不多同一平面的近圆轨道上运行，朝同一方向绕太阳公转。
其次，让我们来看看各行星到太阳的距离。在天文学上，把太阳到地球的平均距离（大约1.496亿公里）定义为1天文单位（AU，astronomical unit）。水星与太阳的距离大约是0.39AU（太阳到地球距离的大约0.39倍)，金星大约是0.72AU，地球是1.0AU，火星约为1.5AU，木星约为5.2AU，土星约为9.6AU，天王星约为19AU，最外侧的海王星大约为30AU。
此外，水星、金星和火星是岩质行星，它们的质量都比地球小。木星、土星、天王星及海王星的质量分别是地球的大约320倍、95倍、15倍、17倍。
不得不认为“行星迁移了”
如前文所述，系外行星的发现使得科学家意识到，有必要重新修改太阳系的形成理论。下图描绘了迄今为止所发现的，轨道和质量都已确定的系外行星离中心恒星的距离及其质量。
仔细观察蓝色椭圆内的区域，我们就会清晰地发现：在非常靠近中心恒星的地方分布着数量众多的行星。与太阳系相比，这些行星的位置更靠近中心恒星。研究认为，这种中心恒星的附近并没有足够的形成行星所需的材料物质。然而，这里却实际存在着大量的行星，这一矛盾令科学家感到无比困惑。
为了解释这一矛盾，科学家不得不假设在外侧形成的行星出于什么原因向内侧迁移了，也不得不假设系外行星所带来的最大影响就是“行星的迁移”。







太阳系的构成

太阳系的中心是太阳，虽然它只是一颗中小型的恆星，但其质量已占据整个太阳系总质量的99.85%；余下质量中包括行星与它们的卫星、行星环，还有小行星、彗星、柯伊伯带天体、外海王星天体、理论中的奥尔特云、行星间的尘埃、气体和粒子等行星际物质。整个太阳系所有天体的总表面面积约为17亿平方千米。太阳以自己强大的引力将太阳系中所有的天体紧紧地控制在他自己周围，使它们井然有序地围绕自己旋转。同时，太阳又带着太阳系的全体成员围绕银河系的中心运动。

太阳系内的行星現被定義為八顆，依距太陽由近至遠依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，後四顆行星還各自有環系統。而相對於月球較小的被定義為矮行星，如冥王星。參見2006年行星重定義。另外還有各種「太陽系內的小天體」，包括各行星、小行星與矮行星的衛星、於火星與木星之間公轉的眾多小行星、彗星、海王星外天體（TNOs，如齊娜）與流星體等其他零碎天體。

太阳系中的各个天体主要由氢、氦、氖等气体，冰（水、氨、甲烷）以及含有铁、硅、镁等元素的岩石构成。类地行星、地球、月球、火星、木星的部分卫星、小行星主要由岩石组成；木星和土星主要由氢和氦组成，其核可能是岩石或冰。

太阳系的起源和演化

另请参看太阳系起源、太阳系形成年龄

一般以为行星系统是恒星形成过程的一部分，但是也有学者认为这是两颗恒星差一点撞击而成。最普遍的理论是说太阳系是从星云形成。

恒星形成的基本过程为此：

星云中较密的核心部分变得太重，重心不稳定，开始分裂和崩溃坠落。一部分的重心能量变为放射的红外线，剩下的增加核心的温度。核心部分开始成为圆盘形状。

当密度和温度道足够高， 氘融合燃烧开始发生，辐射的向外压力减慢(但不中止)临近其他核心崩溃。

其他的原料继续下落到这一颗原恒星，它们的角动量的作用可能导致双极流程。

最后，氢开始熔化在星的核心，外面剩余的包围材料被清除。

太阳星云这个假说，是1755年由伊曼努尔·康德提议。他说，太阳星云慢慢地转动，由于重力逐渐凝聚并且铺平，最终形成恒星和行星。一个相似的模型在1796年由拉普拉斯提出。

太阳星云开始直径大约100AU，质量是现在太阳的两三倍。在这个星云中，比较重的物质往中间落，积聚成块，是成为以后的行星。而星云外部越来越冷，因此靠里的行星有很多重的矿物质，而靠外的行星是气体或冰体。原太阳大约在46亿年前形成，以后八亿年中各个行星形成。

太阳系的运动

太阳系是银河系的一部分。银河系是一个螺旋形星系，直径十万光年，包括两千多亿颗星。太阳是银河系较典型的恒星，离星系中心大约两万五千到两万八千光年。太阳系移动速度约每秒220公里，两亿两千六百万年在星系转一圈。

太阳系中的八大行星都位于差不多同一平面的近圆轨道上运行，朝同一方向绕太阳公转。除金星以外，其他行星的自转方向和公转方向相同。

彗星的绕日公转方向大都相同，多数为椭圆形轨道，一般公转周期比较长。

对太阳系的探索与研究

人类出于对自身生存环境了解的渴望以及日益紧张的地球资源，从1959年开始不断的通过空间探测器等进行空间探测，研究太阳系。目前主要集中在月球和火星的探测以及小行星和彗星的探测。

对太阳系的长期研究，分化出了这样几门学科：

太阳系化学：空间化学的一个重要分科，研究太阳系诸天体的化学组成（包括物质来源、元素与同位素丰度）和物理－化学性质以及年代学和化学演化问题。太阳系化学与太阳系起源有密切关系。

太阳系物理学：研究太阳系的行星、卫星、小行星、彗星、流星以及行星际物质的物理特性、化学组成和宇宙环境的学科。

太阳系内的引力定律：太阳系内各天体之间引力相互作用所遵循的规律。

太阳系稳定性问题：天体演化学和天体力学的基本问题之一

太阳系和其他行星系

虽然学者同意另外还有其他和太阳系相似的天体系统，但直到1992年才发现别的行星系。至今已发现几十个行星系，但是详细材料还是很少。这些行星系的发现是依靠多普勒效应，通过观测恒星光谱的周期性变化，分析恒星运动速度的变化情况，并据此推断是否有行星存在，并且可以计算行星的质量和轨道。应用这项技术只能发现木星级的大行星，像地球大小的行星就找不到了。

此外，关于类似太阳系的天体系统的研究的另一个目的是探索其他星球上是否也存在着生命。

太阳、八大行星、三个矮行星的一些对比

太阳与八大行星及三个矮行星数据表（順序以距離太陽由近而遠排列），赤道直徑以地球直徑12756公里為1單位，衛星數截至2006年5月，距離與軌道半徑以1天文單位（AU）為單位。 种类 天体 赤道直径（地球=1） 质量（地球=1） 轨道半径（AU） 轨道倾角（度） 公转周期（地球年） 自转周期（地球天） 已发现卫星数

恒星 太阳 109 333,400 -- -- -- 27.275 --

类地行星 水星 0.382 0.05528 0.38710 7.0050 0.240852 58.6 0

金星 0.949 0.82 0.72 3.4 0.615 243.0185（逆向自轉） 0

地球 1.00 1.00 1.00 0 1.00 0.9973 1

火星 0.53 0.11 1.52 1.9 1.88 1.0260 2

矮行星 穀神星 0.15

2.5-2.9 10.6 4.6

0

类木行星 木星 11.2 318 5.20 1.3 11.86 0.4135 63

土星 9.41 95 9.54 2.5 29.46 0.444 56 (有34颗已命名)

天王星 3.98 14.6 19.22 0.8 84.01 0.7183 27

海王星 3.81 17.2 30.06 1.8 164.79 0.6713 13

矮行星 冥王星 0.18 0.0021 29.6-49.3 17.1449 248.6452 6.3872 3

厄裡斯 0.19

37.8-97.6 44.187 557

1

“水内行星”

天文学家曾发现离太阳最近的水星有一些牛顿力学无法解释的微小运动，天文学家怀疑可能有一个比水星更靠近太阳的行星的引力引起的，并用一个火神的名字给这个行星起名为“祝融星”（中文常译为“火神星”），但天文学家们观测了五十多年仍然未找到这颗行星。

这个牛顿力学无法解释的微小运动，已被科学家爱因斯坦的广义相对论解释。广义相对论的引力理论解释了水星的特殊运动（稱「水星近日點進動」），但某些天文学家仍未放弃对“水内行星”的探寻。

其他資料

太陽系內眾多包含固態表面，而其直徑超過1公里的天體，它們的總表面積達17億平方公里。

有人認為太陽其實是一個

雙星系統

的主星，在遙遠的地方存在著一個伴星，名為「

涅米西斯」（

Nemesis，有譯作復仇女神）。該假設是用作解釋地球出現生物大滅絕的一些規則性，認為其伴星會攝動系內奧爾特雲中的小行星和彗星，使其改變軌道衝進太陽系，增加撞擊地球的機會並出現定期生物滅絕。

太阳系的诞生（下）

超新星爆发


成功登陆火星并展开探测任务的“好奇号”探测车


环绕土星的美丽光环

太阳系的分子云核是怎样形成的？

    让我们了解一下“孕育”了整个太阳系的分子云核。在大约46亿年前，太阳系的“源头”——分子云核是怎样形成的，如今依然没有一个令人信服的结论。一种观点认为，也许分子云中本来就有密度较高的地方，在自身引力的作用下又将周围的物质“据为己有”，最终形成了分子云核；或者在分子云内，密度较高的区域相互碰撞，从而形成了分子云核。
    另外一种观点则认为，约46亿年前的超新星爆发“触发”了太阳系分子云核的形成。超新星爆发所产生的冲击波将分子云压缩，使得部分区域的密度变大，最终形成了分子云核。科学家通过分析坠落到地球的陨石（微行星的残骸）发现，陨石中“封存”了太阳系里形成最早的固体物质——大约46亿年（也就是太阳系诞生的时期）前超新星爆发所产生的尘埃（粒子）。这也意味着，在大约46亿年前太阳诞生的时候，很可能邻近恰巧有一颗超新星发生了爆炸。不过，科学家并不确定这次的超新星爆发到底是不是形成“孕育”了太阳系的分子云核的直接原因。
    超新星爆发是指质量超过太阳8倍左右的巨大恒星在生命最后时刻的大爆炸（见上期）。恒星的寿命与其质量密切相关，质量越大寿命越短。诞生于某个分子云的巨大恒星在几百万年后发生超新星爆发，并对邻近分子云造成巨大影响的事件还是很有可能发生的。


通过超新星爆发来推断分子云的规模？

    一般来说，形成足以引发超新星爆发的巨大恒星（大质量的恒星）的几率并不太高。研究认为，恒星的物质材料——分子云的总质量越大，才有更多的机会形成大量的恒星，并最终诞生大质量的恒星。这有助于准确推断整个分子云的质量。在孕育了太阳系的分子云核附近发生了超新星爆发这一事件也意味着，它所属的分子云形成足以引发超新星爆发的大质量恒星的几率非常高，即，它很可能是一块质量较大的分子云。这也成为“太阳有许多兄弟”（将在第78～79页介绍）的间接证据。陨石分析的结果还表明，在太阳系附近发生的超新星爆发并非只是一颗，而是两颗以上。随着陨石分析技术的进步，科学家从珍稀的样本中不断“捕捉”到更多的“远古信息”，我们期待着今后有令人欣喜的新发现。

太阳有1000个诞生于同一分子云的“兄弟”! ？

    太阳距离邻近的恒星足足有好几光年之遥。在广袤无垠的宇宙空间里，太阳是如此孤单吗？
    众所周知，夜空中分布着各种各样的星团。此外，科学家还通过观测银河系内各式各样的分子云发现，一个分子云中诞生了多个恒星。也就是说，一个分子云（母亲）“孕育”多个“兄弟星”的情况是非常普遍的，因此，太阳也应该有很多的“兄弟星”。
    研究认为，诞生于同一分子云的“兄弟星”数量甚至可以高达1000个。在诞生之初，这些“兄弟星”相互离得很近。可是随着时间的推移，它们离得越来越远。天文学上把这种成员星之间的距离原本很近，却不断离去的星团称为“疏散星团”。昂星团是最具代表性的疏散星团。随着时间的流逝，兄弟星之间相距过于遥远，分布过于稀疏零散，几乎称不上星团了。

太阳的“兄弟们”全部下落不明

    现在，太阳的“兄弟星”都在哪里呢？人们熟知的北斗七星所在的星座——大熊座是离太阳最近的星团，距离太阳大约80光年。需要说明的是，太阳并不是大熊座的成员。大熊座恒星们的年龄大约为5亿岁，太阳则诞生于大约46亿年前，因此，它们与太阳毫无关系，只不过现在偶尔“路过”太阳系罢了。
    令人遗憾的是，没有人知道太阳的那些“兄弟们”现在到底在哪里。不过，或许我们在不久的将来能找到它们的踪迹。2013年，欧洲空间局发射了“盖亚”号观测卫星，以前所未有的规模和精度对恒星的位置和运动方向等进行测量，并绘制迄今最精确的银河系三维地图。科学家将对盖亚号传来的数据进行分析，并根据这些数据让“时光倒流”，从而寻找过去与太阳几乎位于同一位置的“兄弟们”到底去了哪里。如果能够获得太阳“兄弟们”的信息的话，这些信息也许会成为推断太阳的“摇篮”——分子云状态的有力线索，从而解开太阳系的诞生之谜。