14.3: 太阳系的形成
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述任何太阳系形成理论都必须满足的运动、化学和年龄限制
- 总结太阳系形成的太阳星云阶段的物理和化学变化
- 解释陆地和巨型行星的形成过程
- 描述太阳系进一步演变的主要事件
正如我们所看到的，彗星、小行星和陨石是太阳系形成过程中幸存下来的残余物。 当然，行星、卫星和太阳也是形成过程的产物，尽管其中的物质已经发生了广泛的变化。 我们现在准备汇总来自所有这些天体的信息，讨论有关太阳系起源的已知信息。
观测约束
行星系统的某些基本特性是任何关于其形成理论都必须解释的。 这些限制可以概括为三类：运动限制、化学约束和年龄限制。 我们之所以称之为约束，是因为它们限制了我们的理论；除非一种理论能够解释观察到的事实，否则它在作为科学事业特征的竞争激烈的思想市场中将无法生存。 让我们一一看这些限制。
太阳系中的运动有许多规律性。 我们看到，所有行星都以相同的方向围绕太阳旋转，大致沿着太阳自身旋转的平面旋转。 此外，大多数行星的旋转方向与旋转的方向相同，而且大多数卫星也沿逆时针轨道移动（从北方看）。 除了彗星和其他跨海王星物体外，系统成员的运动定义了圆盘或飞盘的形状。 尽管如此，还必须准备好完整的理论来应对这些趋势的例外情况，例如金星的逆行旋转（不是旋转）。
在化学领域，我们看到木星和土星的组成大致相同，以氢气和氦为主。 它们是最大的两颗行星，有足够的重力来保持它们形成的时间和地点存在的任何气体；因此，我们可以预期它们能够代表太阳系形成的原始物质。 在某种程度上，行星系统的其他每个成员都缺乏轻元素。 仔细研究固体太阳系天体的组成后发现，从富含金属的内行星到主要由岩石材料构成的行星，再到外太阳系中以冰为主成分的天体，取得了惊人的进展。 奥尔特云中的彗星和柯伊伯带中的跨海王星天体也是冰冷的物体，而小行星则代表过渡性的岩石构成，含有丰富的深色、富含碳的物质。
正如我们在《其他世界：太阳系简介》中看到的那样，这种一般的化学模式可以解释为温度序列：太阳附近很热，向外移动时更冷。 系统的内部部分通常缺少那些在太阳附近发现的高温下无法凝结（形成固体）的材料。 但是，一般模式有（再次）重要的例外情况。 例如，如果这些行星是在温度太高而冰无法凝结的区域形成的，那么很难解释地球和火星上有水的存在，除非冰或水是稍后从较冷的地区引入的。 极端的例子是观察到水星和月球上都有极地冰层；几乎可以肯定，这些沉积物是由偶尔的彗星撞击形成和维持的。
就年龄而言，我们讨论了放射性测年表明，地球表面的一些岩石已经存在了至少38亿年，而某些月球样本已有44亿年的历史。 原始陨石的放射年龄都接近45亿年。 这些未改变的积木的时代被认为是行星系统的时代。 测得年龄的相似性告诉我们，在太阳系开始后的几千万年（最多）内，行星形成了行星并冷却了地壳。 此外，对原始陨石的详细检查表明，它们主要由从热气中凝结或凝结的物质制成；在45亿年前的这个热蒸气阶段之前，似乎很少有可识别的碎片能够存活下来。
太阳星云
上述所有限制都与《其他世界：太阳系简介》中引入的总体思想一致，即太阳系是在45亿年前由旋转的蒸气和尘埃云——我们称之为太阳星云——形成的，其初始成分与太阳相似今天。 当太阳星云在自身重力下崩溃时，物质向中心掉落，那里的东西变得越来越集中和炎热。 不断缩小的星云中温度的升高蒸发了最初存在的大部分固体物质。
同时，通过保持角动量，崩溃的星云开始更快地旋转（参见 Orbits and Gravity 和 Earth、Moon 和 Sky 章节）。 就像花样滑冰运动员拉手臂加快旋转速度一样，随着时间的推移，不断缩小的云层旋转得更快。 现在，想想圆形物体是如何旋转的。 靠近极点，旋转速度很慢，当你靠近赤道时，旋转速度会更快。 同样，在轨道缓慢的星云两极附近，星云物质直接落入中心。 另一方面，移动速度更快的材料会折叠成一个围绕中心物体旋转的扁平圆盘（图\(\PageIndex{1}\)）。 这个圆盘形旋转星云的存在解释了我们在上一节中讨论的太阳系中的主要运动。 而且由于它们是由旋转的圆盘形成的，因此所有行星都以相同的方式运行。
想象一下崩溃阶段结束时的太阳星云，当时它正处于最热的状态。 由于不再有引力（来自落入的物质）来加热它，大部分星云开始冷却。 然而，中心最热、最拥挤的物质形成了一颗恒星，它通过产生自己的能量来维持附近的高温。 圆盘内的湍流运动和磁场会消耗角动量，使圆盘材料失去部分自旋。 这使得一些物质能够继续落入成长中的恒星中，而圆盘的其余部分逐渐稳定下来。
圆盘内的温度随着与太阳距离的增加而降低，就像当今行星的温度因位置而异一样。 当圆盘冷却时，气体通过化学相互作用产生化合物；最终这些化合物凝结成液滴或固体颗粒。 这类似于地球上的雨滴从山上升起时从潮湿空气中凝结的过程。
让我们更详细地看一下材料在成熟盘中的不同位置是如何凝结的（图\(\PageIndex{2}\)）。 最早形成固体晶粒的材料是金属和各种形成岩石的硅酸盐。 随着温度的下降，硫化合物和富含碳和水的硅酸盐将它们连接在太阳星云的大部分地方，例如现在在小行星中大量发现的硅酸盐。 但是，在圆盘的内部，温度从未降到足以让冰或碳质有机化合物等物质凝结得足够低，因此最内层的行星上缺少它们。
远离太阳，较低的温度使氧气与氢气结合并以水（H 2 O）冰的形式凝结。 在土星轨道之外，碳和氮与氢气结合形成了甲烷（CH 4）和氨（NH 3）等冰。 这一系列事件解释了太阳系各个区域之间的基本化学成分差异。
示例\(\PageIndex{1}\)：太阳星云的旋转
我们可以使用角动量的概念来追踪崩溃的太阳星云的演变。 物体的角动量与其大小（直径）的平方除以其旋转周期（\(D^2/P\)）成正比。 如果角动量是守恒的，那么星云大小的任何变化都必须通过周期的比例变化来补偿，以保持\(D^2/P\)恒定。 假设太阳星云最初的直径为 10,000 AU，旋转周期为 100 万年。 当它缩小到冥王星轨道的大小时，它的旋转周期是多少，附录F告诉我们，冥王星的轨道半径约为40 AU？
解决方案
我们得出太阳星云的最终直径约为 80 AU。 注意崩溃前的初始状态和冥王星轨道上的最终状态，然后
\[\frac{P_{\text{final}}}{P_{\text{initial}}}= \left( \frac{D_{\text{final}}}{D_{\text{initial}}} \right)^2= \left( \frac{80}{10,000} \right)^2=(0.008)^2=0.000064 \nonumber\]
\(P_{\text{initial}}\)等于 100 万年\(P_{\text{final}}\)，新的轮换期为 64 年。 这比冥王星绕太阳的实际时间短很多，但它让你感觉到加速角动量守恒可以产生什么样的效果。 正如我们之前指出的那样，其他机制帮助圆盘中的物质在行星完全形成之前失去了角动量。
练习\(\PageIndex{1}\)
在我们的例子中，当星云缩小到木星轨道的大小时，它的旋转周期会是多少？
- 回答
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旋转星云的周期与之成反比\(D^2\)。 正如我们刚才所看到的，\(\frac{P_{\text{final}}}{P_{\text{initial}}} = \left( \frac{D_{\text{final}}}{D_{\text{initial}}} \right)^2\)。 最初，我们有\(P_{\text{initial}} = 106 yr and \(D_{\text{initial}}\) = 104 AU。 那么，\(D_{\text{final}}\)如果在非盟，\(P_{\text{final}}\)（以年为单位）由给出\(P_{\text{final}}=0.01D^2_{\text{final}}\)。 如果木星的轨道半径为 5.2 AU，则直径为 10.4 AU。 当时的期限为1.08年。
陆地行星的形成
凝结在太阳星云中的颗粒很快就结成越来越大的块，直到大多数固体物质呈小行星的形式，直径为几千米到几十千米。 如今，一些小行星仍然像彗星和小行星一样存活。 其他人则在我们在前面章节中研究过的许多世界的火山口表面上留下了自己的印记。 但是，要从 planetesimal 变为行星，需要大幅扩大规模。
一些 planetesimals 足够大，足以通过引力吸引邻居，因此可以通过称为吸积的过程生长。 尽管中间步骤尚不为人所知，但最终太阳系内部似乎已经形成了数十个吸积中心。 它们中的每一个都吸引了周围的 planetesimals，直到它获得了与水星或火星相似的质量。 在这个阶段，我们可能会将这些天体视为原行星 —— “还没有为黄金时段做好准备” 的行星。
随着 planetesimals 的积聚，这些原行星中的每颗都在继续生长。 每颗传入的小行星都受到原行星的重力加速，其击中能量足以融化弹丸和部分撞击区域。 不久，整个原行星被加热到超过岩石的融化温度。 结果是行星分化，较重的金属向核心沉没，较轻的硅酸盐向地表上升。 当它们被加热时，内部原行星会失去一些挥发性更强的成分（较轻的气体），留下了更多较重的元素和化合物。
巨型行星的形成
在外太阳系中，可用的原材料包括冰和岩石，原行星变得更大，质量是地球的十倍。 这些外太阳系的原行星非常大，以至于它们能够吸引和容纳周围的气体。 随着氢气和氦气迅速崩溃到它们的核心上，巨型行星被收缩的能量加热。 但是，尽管这些巨型行星比它们的地球兄弟更热，但它们太小了，无法将中心温度和压力提高到可以开始核反应的程度（正是这样的反应使我们对恒星有了定义）。 在发出暗红色几千年后，巨型行星逐渐冷却到现在的状态（图\(\PageIndex{3}\)）。
气体从星云崩溃到巨型行星的核心解释了这些天体是如何获得与太阳几乎相同的富氢成分的。 这个过程对木星和土星来说效率最高；因此，它们的组成几乎是 “宇宙的”。 天王星和海王星捕获的气体要少得多，这就是为什么这两颗行星的成分主要由构成其大核心的冰冷和岩石积木而不是氢气和氦气为主的原因。 最初的形成期结束时，大部分可用原材料被耗尽，来自年轻太阳的太阳风（原子粒子流）吹走了剩余的较轻气体供应。
系统的进一步演变
我们刚才描述的所有过程，从太阳星云的崩溃到原行星的形成，都是在几百万年内发生的。 但是，太阳系形成的故事在现阶段尚未完成；有许多 planetesimals 和其他碎片最初并不是积聚起来形成行星的。 他们的命运如何？
我们今天可见的彗星只是宇宙冰山一角（如果你能原谅双关语的话）。 据信大多数彗星都在奥尔特云中，远离行星的区域。 柯伊伯带中还有其他彗星和冰冷的矮行星，该带延伸到海王星轨道之外。 这些冰冷的碎片可能在目前的天王星和海王星轨道附近形成，但由于巨型行星的引力影响，它们被从最初的轨道上弹出。
在系统的内部，残余的 planetesimals 以及可能还有几十颗原行星继续飞来飞去。 在我们讨论的很长一段时间内，这些物体之间的碰撞是不可避免的。 现阶段的巨型撞击可能剥夺了水星的一部分地幔和地壳，扭转了金星的自转，并切断了地球的一部分以创造月球（我们在其他章节中讨论的所有事件）。
小规模的撞击还增加了内部原行星的质量。 由于巨型行星的重力可能 “激起” 小行星的轨道，因此撞击内部原行星的物质可能来自太阳系中的几乎任何地方。 因此，与之前的吸积阶段形成鲜明对比的是，这种新材料不仅代表了狭窄的成分范围。
因此，撞击内行星的大部分碎片都是富含冰的物质，这些物质已经凝结在太阳星云的外部。 随着这种类似彗星的轰炸的进行，地球积聚了水和各种有机化合物，这些化合物后来对生命的形成至关重要。 火星和金星可能还从同一来源获得了大量的水和有机物质，就像水星和月球仍在努力形成冰冷的极地帽一样。
渐渐地，当行星横扫或喷出剩余的碎片时，大多数 planetesimals 消失了。 但是，在两个区域，稳定的轨道是可能的，剩余的 planetesimals 可以避免撞击行星或被弹出系统。 这些区域是火星和木星之间的小行星带和海王星以外的柯伊伯带。 存活在这些特殊地点的小行星（及其碎片）就是我们现在所说的小行星、彗星和跨海王星天体。
天文学家曾经认为，从早期演变中产生的太阳系与我们今天看到的相似。 但是，最近对行星和小行星轨道的详细研究表明，不久之后发生了更多的暴力事件，可能涉及木星和土星轨道的重大变化。 这两个巨型行星通过其重力控制小行星的分布。 从我们现在的太阳系向后看，轨道变化似乎发生在最初的几亿年中。 后果之一可能是小行星散射到太阳系内部，导致了最古老的月球陨石坑中记录的 “猛烈轰炸” 时期。
关键概念和摘要
可行的太阳系形成理论必须考虑运动约束、化学约束和年龄限制。 陨石、彗星和小行星是太阳系由此形成的太阳星云的幸存者。 这个星云是星际气体和尘埃云崩溃的结果，该云收缩（保持角动量）形成了我们的恒星太阳，周围环绕着一盘薄而旋转的尘埃和蒸气。 圆盘中的凝结导致了 planetesimals 的形成，这成为了行星的基石。 坠落物质的积聚加热了行星，导致了它们的分化。 巨型行星还能够吸引和容纳来自太阳星云的气体。 经过几百万年的猛烈撞击，大部分碎片被冲走或弹出，只剩下小行星和彗星残余物存活到现在。
词汇表
- 渐增
- 质量的逐渐积累，比如由太阳星云中的粒子碰撞形成的行星