7.4: 太阳系的起源

Last updated
Save as PDF

Page ID: 202592

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

学习目标

在本节结束时，您将能够：

描述用于创建太阳系形成模型的行星的特征
描述太阳系外系统的特性如何帮助我们模拟自己的太阳系
解释碰撞在太阳系形成中的重要性

天文学的大部分动机是渴望了解事物的起源：至少为宇宙、太阳、地球和我们自己来自何处的古老问题找到部分答案。每颗行星和月亮都是一个迷人的地方，当我们尝试想象它会是什么样子时，它可能会激发我们的想象力。总而言之，太阳系的成员保留了可以告诉我们整个太阳系形成的图案。当我们开始探索行星时，我们想介绍一下我们关于太阳系如何形成的现代画面。

最近在围绕其他恒星运行的数百颗行星的发现向天文学家表明，许多系外行星系统可能与我们自己的太阳系大不相同。例如，这些系统通常包括大小介于我们的地球行星和巨型行星之间的行星。它们通常被称为超级地球。一些系外行星系统甚至在恒星附近有巨型行星，这与我们在系统中看到的顺序相反。在《恒星的诞生和太阳系外行星的发现》中，我们将研究这些系外行星系统。但现在，让我们关注一下关于我们自己的特定系统是如何形成和演变的理论。

寻找图案

解决我们的起源问题的一种方法是寻找行星之间的规律性。例如，我们发现所有行星都位于几乎相同的平面上，围绕太阳朝相同的方向旋转。太阳也围绕自己的轴向相同的方向旋转。天文学家将这种模式解释为太阳和行星由旋转的气体和尘埃云共同形成的证据，我们称之为太阳星云（图\(\PageIndex{1}\)）。

alt — 图：\(\PageIndex{1}\)太阳星云。这位艺术家对太阳星云的构想展示了我们的行星系由扁平的气体和尘埃云构成。在前景中可以看到冰冷而岩石的小行星（行星的前身）。明亮的中心是太阳形成的地方。（来源：威廉 ·K· 哈特曼，行星科学研究所）

行星的构成为起源提供了另一条线索。光谱分析使我们能够确定太阳和行星中存在哪些元素。太阳的氢气占主导地位的成分与木星和土星相同，因此似乎是由同一个物质库形成的。相比之下，地球行星和我们的月球相对缺乏由氧气、碳和氮气等常见元素形成的轻气和各种冰。相反，在地球及其邻国中，我们看到的大多数是稀有的重元素，例如铁和硅。这种模式表明，导致太阳系内部行星形成的过程一定以某种方式排除了其他地方常见的许多较轻的材料。这些较轻的材料一定已经逃脱了，留下了沉重的东西残留物。

考虑到太阳的热量，其原因不难猜测。内行星和大多数小行星是由岩石和金属组成的，它们可以在高温下存活，但它们所含的冰或气体很少，它们在温度高时会蒸发。（要明白我们的意思，只需比较一下岩石和冰块在阳光下放置时能存活多长时间即可。）在一直比较凉爽的外太阳系中，行星及其卫星，以及冰冷的矮行星和彗星主要由冰和气体组成。

来自遥远的证据

了解太阳系起源的第二种方法是向外寻找其他行星系统正在其他地方形成的证据。我们无法回顾我们自己系统的形成，但是太空中的许多恒星比太阳年轻得多。在这些系统中，可能仍然可以直接观测行星的形成过程。我们观察到还有许多其他 “太阳星云” 或环星盘——围绕年轻恒星的扁平、旋转的气体和尘埃云。这些圆盘类似于数十亿年前我们自己的太阳系初始形成阶段（图\(\PageIndex{2}\)）。

alt — 图《行星苗圃\(\PageIndex{2}\)地图集》。这些哈勃太空望远镜照片显示了猎户座星云的各个部分，猎户座星云是一个相对较近的区域，目前正在形成恒星。每张图像都显示了一个围绕着一颗非常年轻的恒星运行的嵌入式环星盘。从不同的角度看，有些被附近恒星的光线所激发的能量发光，而另一些则是黑暗的，在猎户座星云的明亮发光气体下可以看到轮廓。每一个都是我们自己的太阳星云的当代模拟，太阳星云是当今行星可能正在形成的地方。（来源：美国航空航天局/欧空局对作品的修改，L. Ricci（ESO））

建造行星

环星盘在非常年轻的恒星周围很常见，这表明圆盘和恒星共同形成。天文学家可以使用理论计算来观察这些圆盘中的气体和尘埃在冷却时如何形成固体。这些模型表明，物质首先通过形成较小的物体开始聚合，这些物体是行星的前身，我们称之为 planetesimals。

当今的快速计算机可以模拟数百万个直径可能不超过100千米的小行星在它们的相互重力下聚集在一起形成我们今天看到的行星的方式。我们开始明白，这个过程是一个剧烈的过程，小行星相互碰撞，有时甚至会破坏不断增长的行星本身。由于这些猛烈撞击（以及其中放射性元素产生的热量），所有行星都被加热直到变成液体和气体，因此分化了，这有助于解释它们目前的内部结构。

早期太阳系中的撞击和碰撞过程很复杂，而且显然往往是随机的。太阳星云模型可以解释我们在太阳系中发现的许多规律，但是大量小行星的随机碰撞可能是太阳系行为 “规则” 出现一些例外的原因。例如，为什么天王星和冥王星在两侧旋转？为什么金星在与其他行星相反的方向上缓慢旋转？为什么月球的构成在许多方面与地球相似，却表现出实质性的差异？这些问题的答案可能在于地球生命开始之前很久太阳系中发生的巨大碰撞。

今天，在太阳系诞生大约45亿年后，谢天谢地，暴力程度要低得多。但是，正如我们将看到的那样，一些小行星继续相互作用和碰撞，它们的碎片作为巡回的 “瞬变” 在太阳系中移动，这可能会给太阳家族的既定成员（例如我们自己的地球）带来麻烦。（我们在《彗星与小行星：太阳系的碎片》中讨论了这个 “麻烦制造问题”。）

space.com 上有各种各样的信息图表，让你探索生活在太阳系各个世界中的感觉。

关键概念和摘要

行星之间的规律性使天文学家假设太阳和行星共同形成在一个叫做太阳星云的巨大旋转气体和尘埃云中。天文观测显示，其他恒星周围的环星盘极其相似。在太阳星云中，物质首先聚集成小行星；其中许多聚集在一起形成行星和卫星。其余的仍然可以看作是彗星和小行星。可能所有行星系统都以相似的方式形成，但是许多系外行星系统是沿着完全不同的路径演变的，正如我们将在《宇宙样本》和《太阳系起源》中看到的那样。

词汇表

planetesimals: 直径从数十到数百公里不等的物体，它们在太阳星云中形成，是微小颗粒和我们今天看到的大行星物体之间的中间步骤；彗星和一些小行星可能是剩余的小行星

太阳星云: 形成太阳系的气体和尘埃云