太阳系的起源

太阳系的起源

太阳系的起源

我们对太阳和行星系起源的认识来自两个方面：太阳系本身的研究和附近巨大分子云中恒星形成的研究。这两个来源完全不同。以太阳系为例，我们有很多关于行星、它们的卫星和许多小天体的详细信息。但是我们今天所看到的太阳系是高度进化的，并且自它以来经历了巨大的变化。第一次是从诞生的星际云中凝结而成。我们必须学会认识到哪些品质是经常剧烈进化的，哪些品质是真实记录太阳时的状况

我们对太阳和行星系起源的认识来自两个方面：太阳系本身的研究和附近巨大分子云中恒星形成的研究。这两个来源完全不同。以太阳系为例，我们有很多关于行星、它们的卫星和许多小天体的详细信息。但是我们今天所看到的太阳系是高度进化的，并且自它以来经历了巨大的变化。第一次是从诞生的星际云中凝结而成。我们必须学会认识到哪些品质是经常剧烈进化的，哪些品质是在太阳系形成时真实记录的。

相比之下，当我们研究离太阳最近的恒星形成区域（离太阳大约140公分）时，由于缺乏足够的分辨率和细节，我们受到了限制。此外，我们被迫对许多处于不同形成阶段的年轻恒星进行“快照”观测，并从中尝试生成这些不同阶段和过程的时间顺序。当我们观察其他恒星的形成时，我们还需要认识到，一些观察到的过程或事件可能不适用于我们太阳和行星系的形成。

尽管如此，太阳系形成过程中的主要事件和过程仍呈现出一幅连贯的画面。这张照片假设太阳是一颗典型的恒星，它的形成方式与我们今天看到的许多低质量原恒星相似。

恒星的诞生地是银河系中巨大的分子云。这些巨大的氢分子云的质量为105-106米。。在这些云中有更密集的区域或核心，恒星形成实际上

1

太阳系的起源

发生在那里。一些过程，也许是来自附近超新星的冲击波，触发了云核的引力坍缩。物质在自身重力作用下向核心中心下落，一个巨大的物体开始在云的中心生长。这个物体被正在形成的物质的引力势能加热，变成自发光，然后被描述为一颗原恒星。尽管中心压力和温度还不足以点燃核聚变，但原恒星开始加热周围不断增长的星云。太阳质量云的云物质进入的时间尺度约为106年。

正在形成的云物质由气体和尘埃组成。气体主要是氢（质量分数为75%）和氦（质量分数为22%）。尘埃（2%）是星际颗粒的混合物，包括硅酸盐、有机物和浓缩冰。一个流行的模型表明硅酸盐颗粒上覆盖着冰状的有机外壳。当尘埃颗粒向内下落时，它们从不断增加的气体密度中向星云中心释放压力。这会减慢甚至停止它们运动的向心径向分量。然而，尘埃颗粒仍然可以相对于星云的中心平面垂直移动，这是由原始云核的旋转角动量矢量决定的。结果，颗粒向中心面沉降。

当颗粒沉降时，它们开始相互碰撞。这些颗粒粘在一起，很快从微观物体成长为宏观物体，尺寸可能有几米（颗粒的初始聚集体可能看起来非常像图9中的疑似彗星IDP）。这一过程会继续，甚至会随着粒子到达星云中心平面的更密集环境而增加。米体长到千米体，千米体长到100千米体。这些天体被称为行星。当一个星体开始获得重要的质量时，它的吸积截面就超出了它的物理截面，因为它现在能够用重力将较小的星体向它分离。这些较大的星象然后“逃离”其他星象，以不断增长的速度增长。

实际的过程比这里描述的要复杂得多，这个场景的许多细节还需要解决。例如，湍流在星云中的作用并没有得到很好的量化，湍流往往会减缓甚至阻止颗粒向更大物体的吸积。另外，星云中的静电和磁效应的作用还不清楚。

然而，似乎太阳星云中心平面的吸积可以解释行星从星际颗粒中生

2

太阳系的起源

长的原因。一位艺术家对太阳星云吸积盘的概念如图12所示。在太阳星云的内部区域，靠近形成太阳的地方，较高的温度会使冰和有机颗粒蒸发，只留下硅酸盐颗粒形成小行星，最终合并形成类地行星。在距离较远的地方，当星云温度较低时，有机和冰粒会凝结，并与硅酸盐结合形成巨大行星的核心。由于冰和有机物的总质量可能是硅酸盐质量的几倍，因此巨行星的核心实际上可能比其内部的类地行星增长得更快。

在某个时刻，巨大行星不断增长的核心会达到足够大的质量，从而开始直接从星云气体中捕获氢和氦。由于外行星带的温度较低，巨行星得以保留气体并继续增大。靠近太阳的类地行星可能获得了一些星云气体，但很可能它们在更高的温度下无法保持这种气体。

对附近分子云中的原恒星的观测发现了这些恒星周围存在吸积盘和气体星云的大量证据。这些原恒星的相对年龄可以通过比较它们的光度和颜色，以及在赫兹-拉塞尔图中对它们位置的理论预测来估计。其中一个更有趣的观测结果是，太阳质量原恒星周围的星云尘埃和气体似乎在大约107年后消散。看来星云和尘埃可能会被来自原恒星的大质量太阳风吹走。如果太阳的形成与我们今天看到的原恒星相似，那么这些观测结果对木星和土星可能的形成时间设置了严格的限制。

一个有趣的过程，一定发生在行星吸积的后期阶段是“巨大的撞击”（即非常大的原行星物体之间的碰撞）。如第2.3节所述，火星大小的原行星与原地球之间的巨大撞击，现在已被公认为地球月球起源的前夷平面。尽管以前人们认为这种巨大的撞击是低概率事件，但现在人们认识到它们是行星增生的自然结果。

行星吸积后期的另一个有趣的过程是从行星带中清除碎片。在行星生长的某一点上，它们的引力圈变得非常大，与一个星体的相遇更可能导致星体被分散到另一个轨道，而不是实际的碰撞。这对于巨大的木星行星来说尤其如此，因为它们的引力场更强，而且它们与太阳的距离更

3

太阳系的起源

大。

因为行星向外和向内散布物体的可能性是一样的，行星带的清除导致了行星在整个太阳系中都处于不稳定状态，并对所有行星进行了大规模的轰击卫星。许多星子也离开了行星系统进入星际空间或奥尔特云中的遥远轨道。尽管类地行星一般都太小，无法将物体从太阳系中弹出，但它们可以将物体散布到木星的轨道上，木星将在轨道上迅速处理它们。

行星带的清理有几个有趣的结果。行星和剩余的星子之间的动力相互作用导致角动量的前变化。基于计算机的动力学模拟表明，这导致行星的半长轴移动。一般来说，土星、天王星和海王星会先向内移动，然后随着物质喷射的进展向外移动。木星由于其巨大的质量而喷出的物质最多，它向内移动，但只有天文单位的十分之几。

这一巨大行星的迁移对行星计划区的小天体种群具有重要的控制序列。当行星移动时，它们的平均运动和长期共振的位置也会随之移动。这将导致一些小天体被捕捉到共振中，而另一些则被扔进混沌轨道，导致它们最终从系统中喷射出来，或可能对行星和太阳产生影响。巨型行星的径向移动被援引这一巨大行星的迁移对行星计划区的小天体种群具有重要的控制序列。当行星移动时，它们的平均运动和长期共振的位置也会随之移动。这将导致一些小天体被捕捉到共振中，而另一些则被扔进混沌轨道，导致它们最终从系统中喷射出来，或可能对行星和太阳产生影响。巨大行星的径向移动被认为是清理主要小行星带外部区域和柯伊伯带内部区域的原因。

银河系是通过图像可见的明亮的水平带，银河系凸起在图像的中心。星际尘埃带遮住了银河系中心的景色。麦哲伦星云是银河系的两个不规则的小伴星系，在银河系中心的下方和右侧都可以看到。

行星带清理的另一个结果是，在类地行星带中形成的岩石星体将散布在整个木星平面区域，而在外行星带中形成的冰星体则相反。冰星团

4

太阳系的起源

对类地行星的轰击是一个特别有趣的现象，它既是对晚期猛烈轰击的解释，也是输送类地行星不稳定储层的一种手段。同位素研究表明，地球海洋中的部分水可能来自彗星和/或富含挥发性物质的小行星，尽管并非全部。此外，在一个长周期彗星轨道上发现了一个小行星出现的天体，1996年的PW，这一发现提供了证据，表明可能确实被喷射到奥尔特云中，在奥尔特云中，它们可能占那里人口的1-3%。

5