《人類源流史》太陽系1∶太陽系的形成和演化

太陽系1

一、太陽系的概念

太陽系（Solar System）是以太陽為中心，和所有受到太陽引力約束的天體的集合體：8顆行星、至少165顆已知的衛星、3顆已經辨認出來的矮行星，和數以億計的太陽系小天體。

這些小天體包括小行星、柯伊伯帶的天體、彗星和星際塵埃。

廣義上，太陽系的領域包括太陽、4顆像地球的內行星、由許多小岩石組成的小行星帶、4顆充滿氣體的巨大外行星、充滿冰凍小岩石、被稱為柯伊伯帶的第二個小天體區。

在柯伊伯帶之外還有黃道離散盤面、太陽圈和依然屬於假設的奧爾特雲。

依照至太陽的距離，行星序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，8 顆中的6顆有天然的衛星環繞著，這些星習慣上因為地球的衛星被稱為月球而都被視為月球。

在外側的行星都有由塵埃和許多小顆粒構成的行星環環繞著，而除了地球之外，肉眼可見的行星以五行為名，在西方則全都以希臘和羅馬神話故事中的神仙為名。

3顆矮行星是：冥王星，柯伊伯帶內最大的天體之一；穀神星，小行星帶內最大的天體；和屬於黃道離散天體的鬩神星。

太陽系的行星和矮行星。

軌道環繞太陽的天體被分為三類：行星、矮行星、和太陽系小天體。

行星是環繞太陽且質量夠大的天體。

這類天體：有足夠的質量使本身的形狀成為球體；有能力清空鄰近軌道的小天體。

能成為行星的天體有8個：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。

在2006年8月24日，國際天文聯合會重新定義行星這個名詞，首次將冥王星排除在行星外，並將冥王星與穀神星和鬩神星組成新的分類：矮行星。

矮行星不需要將鄰近軌道附近的小天體清除掉，其它可能成為矮行星的天體還有塞德娜、歐夸爾、和創神星。

從第一次發現的1930年直至2006年，冥王星被當成太陽系的第九顆行星。

但是在20世紀末期和21世紀初，許多與冥王星大小相似的天體在太陽系內陸續被發現，特別是鬩神星更明確的被指出比冥王星大。

環繞太陽運轉的其它天體都屬於太陽系小天體（SSSBs）。

衛星（如月球之類的天體），由於不是環繞太陽而是環繞行星、矮行星或太陽系小天體，所以不屬於太陽系小天體。

天文學家在太陽系內以天文單位（AU）來測量距離。

1AU是地球到太陽的平均距離，大約是149,598,000公里（93,000,000英里）。

冥王星與太陽的距離大約是39AU，木星則約是5.2AU。

最常用在測量恆星距離的長度單位是光年，1光年大約相當於63,240天文單位。

行星與太陽的距離以公轉周期為周期變化著，最靠近太陽的位置稱為近日點，距離最遠的位置稱為遠日點。

有時會將太陽系非正式地分成幾個不同的區域：內太陽系，包括四顆類地行星和主要的小行星帶；其餘的是外太陽系，包含小行星帶之外所有的天體。

其它的定義還有海王星以外的區域，而將四顆大型行星稱為「中間帶」。

二、太陽系的結構

太陽系的主角是位居中心的太陽，它是一顆光譜分類為G2V的主序星，擁有太陽系內已知質量的99.86%，並以引力主宰著太陽系。

木星和土星，是太陽系內最大的兩顆行星，又占了剩餘質量的90%以上，目前仍屬於假說的奧爾特雲，還不知道會占有多少百分比的質量。

太陽系的八顆大行星中，水星、金星、地球和火星也被稱為類地行星，木星和土星也被稱為巨行星，天王星、海王星也被稱為遠日行星。

除了水星和金星外，其它的行星都有衛星。

在火星和木星之間還存在著數十萬個大小不等，形態各異的小行星，天文學家將這個區域稱為小行星帶。

此外，太陽系中還有超過1000顆的彗星，以及不計其數的塵埃、冰團、碎塊等小天體。

太陽系中的各個天體主要由氫、氦、氖等氣體，冰（水、氨、甲烷）以及含有鐵、矽、鎂等元素的岩石構成。

類地行星、地球、月球、火星、木星的部分衛星、小行星主要由岩石組成；木星和土星主要由氫和氦組成，其核可能是岩石或冰。

太陽系內主要天體的軌道，都在地球繞太陽公轉的軌道平面（黃道）的附近。

行星都非常靠近黃道，而彗星和柯伊伯帶天體，通常都有比較明顯的傾斜角度。

由北方向下鳥瞰太陽系，所有的行星和絕大部分的其它天體，都以逆時針（右旋）方向繞著太陽公轉。

有些例外的，像是哈雷彗星。

環繞著太陽運動的天體都遵守開普勒行星運動定律，軌道都以太陽為橢圓的一個焦點，並且越靠近太陽時的速度越快。

行星的軌道接近圓型，但許多彗星、小行星和柯伊伯帶天體的軌道則是高度橢圓的。

在這麼遼闊的空間中，有許多方法可以表示出太陽系中每個軌道的距離。

在實際上，距離太陽越遠的行星或環帶，與前一個的距離就會更遠，而只有少數的例外。

例如，金星在水星之外約0.33天文單位的距離上，而土星與木星的距離是4.3天文單位，海王星又在天王星之外10.5天文單位。

曾有些關係式企圖解釋這些軌道距離變化間的交互作用，但這樣的理論從未獲得證實。

三、太陽系的形成和演化

太陽系的形成所依據星雲假說，最早是在1755年由康德和1796年由拉普拉斯各自獨立提出的。

這個理論認為太陽系是在46億年前從一個巨大的分子雲的塌縮中形成的。

這個星雲原本有數光年的大小，並且同時誕生了數顆恆星。

研究古老的隕石追溯到的元素顯示，只有超新星爆炸的心臟部分才能產生這些元素，所以包含太陽的星團必然在超新星殘骸的附近。

可能是來自超新星爆炸的震波使鄰近太陽附近的星雲密度增高，使得重力得以克服內部氣體的膨脹壓力造成塌縮，因而觸發了太陽的誕生。

被認定為原太陽星雲的地區就是日後將形成太陽系的地區，直徑估計在7,000至20,000天文單位，而質量僅比太陽多一點（多0.1至0.001太陽質量）。

當星雲開始塌縮時，角動量守恆定律使它的轉速加快，內部原子相互碰撞的頻率增加。

其中心區域集中了大部分的質量，溫度也比周圍的圓盤更熱。

當重力、氣體壓力、磁場和自轉作用在收縮的星雲上時，它開始變得扁平成為旋轉的原行星盤，而直徑大約200天文單位，並且在中心有一個熱且稠密的原恆星。

對年輕的金牛T星的研究，相信質量與預融合階段發展的太陽非常相似，顯示在形成階段經常都會有原行星物質的圓盤伴隨著。

這些圓盤可以延伸至數百天文單位，並且最熱的部分可以達到數千K的高溫。

一億年後，在塌縮的星雲中心，壓力和密度將大到足以使原始太陽的氫開始熱融合，這會一直增加直到流體靜力平衡，使熱能足以抵抗重力的收縮能。

這時太陽才成為一顆真正的恆星。

相信經由吸積的作用，各種各樣的行星將從雲氣（太陽星雲）中剩餘的氣體和塵埃中誕生：當塵粒的顆粒還在環繞中心的原恆星時，行星就已經開始成長；然後經由直接的接觸，聚集成1至10公里直徑的叢集；接著經由碰撞形成更大的個體，成為直徑大約5公里的星子；在未來的數百萬年中，經由進一步的碰撞以每年15厘米的的速度繼續成長。

在太陽系的內側，因為過度的溫暖使水和甲烷這種易揮發的分子不能凝聚，因此形成的星子相對的就比較小（僅占有圓盤質量的0.6%），並且主要的成分是熔點較高的矽酸鹽和金屬等化合物。

這些石質的天體最後就成為類地行星。

再遠一點的星子，受到木星引力的影響，不能凝聚在一起成為原行星，而成為現在所見到的小行星帶。

在更遠的距離上，在凍結線之外，易揮發的物質也能凍結成固體，就形成了木星和土星這些巨大的氣體巨星。

天王星和海王星獲得的材料較少，並且因為核心被認為主要是冰（氫化物），因此被稱為冰巨星。

一旦年輕的太陽開始產生能量，太陽風會將原行星盤中的物質吹入行星際空間，從而結束行星的成長。

年輕的金牛座T星的恆星風就比處於穩定階段的較老的恆星強得多。

根據天文學家的推測，目前的太陽系會維持直到太陽離開主序。

由於太陽是利用其內部的氫作為燃料，為了能夠利用剩餘的燃料，太陽會變得越來越熱，於是燃燒的速度也越來越快。

這就導致太陽不斷變亮，變亮速度大約為每11億年增亮10％。

從現在起再過大約76億年，太陽的內核將會熱得足以使外層氫發生融合，這會導致太陽膨脹到現在半徑的260倍，變為一顆紅巨星。

此時，由於體積與表面積的擴大，太陽的總光度增加，但表面溫度下降，單位面積的光度變暗。

隨後，太陽的外層被逐漸拋離，最後裸露出核心成為一顆白矮星，一個極為緻密的天體，只有地球的大小卻有著原來太陽一半的質量。

四、太陽

太陽是太陽系的母星，也是最主要和最重要的成員。

它有足夠的質量讓內部的壓力與密度足以抑制和承受核融合產生的巨大能量，並以輻射的型式，例如可見光，讓能量穩定的進入太空。

太陽在分類上是一顆中等大小的黃矮星，不過這樣的名稱很容易讓人誤會，其實在我們的星系中，太陽是相當大與明亮的。

恆星是依據赫羅圖的表面溫度與亮度對應關係來分類的。

通常，溫度高的恆星也會比較明亮，而遵循此一規律的恆星都會位在所謂的主序帶上，太陽就在這個帶子的中央。

但是，比太陽大且亮的星並不多，而比較暗淡和低溫的恆星則很多。

太陽在恆星演化的階段正處於壯年期，尚未用盡在核心進行核融合的氫。

太陽的亮度仍會與日俱增，早期的亮度只是現在的75%。

計算太陽內部氫與氦的比例，認為太陽已經完成生命周期的一半，在大約50億年後，太陽將離開主序帶，並變得更大與更加明亮，但表面溫度卻降低的紅巨星，屆時它的亮度將是目前的數千倍。

太陽是在宇宙演化後期才誕生的第一星族恆星，它比第二星族的恆星擁有更多比氫和氦重的金屬（這是天文學的說法：原子序數大於氦的都是金屬。

比氫和氦重的元素是在恆星的核心形成的，必須經由超新星爆炸才能釋入宇宙的空間內。

換言之，第一代恆星死亡之後宇宙中才有這些重元素。

最老的恆星只有少量的金屬，後來誕生的才有較多的金屬。

高金屬含量被認為是太陽能發展出行星系統的關鍵，因為行星是由累積的金屬物質形成的。

五、行星際物質

除了光，太陽也不斷的放射出電子流（等離子），也就是所謂的太陽風。

這股微粒子流的速度為每小時150萬公里，在太陽系內創造出稀薄的大氣層（太陽圈），範圍至少達到100天文單位（日球層頂），也就是我們所認知的行星際物質。

太陽的黑子周期（11年）和頻繁的閃焰、日冕物質拋射在太陽圈內造成的干擾，產生了太空氣候。

伴隨太陽自轉而轉動的磁場在行星際物質中所產生的太陽圈電流片，是太陽系內最大的結構。

地球的磁場從與太陽風的互動中保護著地球大氣層。

水星和金星因為沒有磁場，太陽風使它們的大氣層逐漸流失至太空中。

太陽風和地球磁場交互作用產生的極光，可以在接近地球的磁極（如南極與北極）的附近看見。

宇宙線是來自太陽系外的，太陽圈屏障著太陽系，行星的磁場也為行星自身提供了一些保護。

宇宙線在行星際物質內的密度和太陽磁場周期的強度變動有關，但是宇宙線在太陽系內的變動幅度究竟是多少，仍然是未知的。

行星際物質至少在在兩個盤狀區域內聚集成宇宙塵。

第一個區域是黃道塵雲，位於內太陽系，並且是黃道光的起因。

它們可能是小行星帶內的天體和行星相互撞擊所產生的。

第二個區域大約伸展在10－40天文單位的範圍內，可能是柯伊伯帶內的天體在相似的互相撞擊下產生的。

六、內太陽系

內太陽系在傳統上是類地行星和小行星帶區域的名稱，主要是由矽酸鹽和金屬組成的。

這個區域擠在靠近太陽的範圍內，半徑比木星與土星之間的距離還短。

1.內行星。

四顆內行星或是類地行星的特點是高密度、由岩石構成、只有少量或沒有衛星，也沒有環系統。

它們由高熔點的礦物，像是矽酸鹽類的礦物組成表面固體的地殼和半流質的地函，以及由鐵、鎳構成的金屬組成核心。

四顆中的三顆（金星、地球、和火星）有實質的大氣層，全部都有撞擊坑和地質構造的表面特徵（地塹和火山等）。

內行星容易和比地球更接近太陽的內側行星（水星和金星）混淆。

水星（0.4 天文單位）是最靠近太陽，也是最小的行星（0.055地球質量）。

它沒有天然的衛星，僅知的地質特徵除了撞擊坑外，只有大概是在早期歷史與收縮期間產生的皺摺山脊。

水星，包括被太陽風轟擊出的氣體原子，只有微不足道的大氣。

目前尚無法解釋相對來說相當巨大的鐵質核心和薄薄的地函。

假說包括巨大的衝擊剝離了它的外殼，還有年輕時期的太陽能抑制了外殼的增長。

金星（0.7 天文單位）的體積尺寸與地球相似（0.86地球質量），也和地球一樣有厚厚的矽酸鹽地函包圍著核心，還有濃厚的大氣層和內部地質活動的證據。

但是，它的大氣密度比地球高90倍而且非常乾燥，也沒有天然的衛星。

它是顆炙熱的行星，表面的溫度超過400°C，很可能是大氣層中有大量的溫室氣體造成的。

沒有明確的證據顯示金星的地質活動仍在進行中，但是沒有磁場保護的大氣應該會被耗盡，因此認為金星的大氣是經由火山的爆發獲得補充。

地球（1 天文單位）是內行星中最大且密度最高的，也是唯一地質活動仍在持續進行中並被人類承認擁有生命的行星。

它也擁有類地行星中獨一無二的水圈和被觀察到的板塊結構。

地球的大氣也與其它的行星完全不同，被存活在這兒的生物改造成含有21%的自由氧氣。

它只有一顆衛星，即月球；月球也是類地行星中唯一的大衛星。

火星（1.5 天文單位）比地球和金星小（0.17地球質量），只有以二氧化碳為主的稀薄大氣，它的表面，有密集與巨大的火山，例如奧林帕斯山，水手號峽谷有深邃的地塹，顯示不久前仍有劇烈的地質活動。

火星有兩顆天然的小衛星，戴摩斯和福伯斯，可能是被捕獲的小行星。

2.小行星帶。

小行星是太陽系小天體中最主要的成員，主要由岩石與不易揮發的物質組成。

主要的小行星帶位於火星和木星軌道之間，距離太陽2.3至3.3 天文單位，它們被認為是在太陽系形成的過程中，受到木星引力擾動而未能聚合的殘餘物質。

小行星的尺度從大至數百公里、小至微米的都有。

除了最大的穀神星之外，所有的小行星都被歸類為太陽系小天體，但是有幾顆小行星，像是灶神星、健神星，如果能被證實已經達到流體靜力平衡的狀態，可能會被重分類為矮行星。

小行星帶擁有數萬顆，可能多達數百萬顆，直徑在一公里以上的小天體。

儘管如此，小行星帶的總質量仍然不可能達到地球質量的千分之一。

小行星主帶的成員依然是稀稀落落的，所以至今還沒有宇宙飛船在穿越時發生意外。

直徑在10至10-4 米的小天體稱為流星體。

穀神星（2.77 天文單位）。

是主帶中最大的天體，也是主帶中唯一的矮行星。

它的直徑接近1000公里，因此自身的重力已足以使它成為球體。

它在19世紀初被發現時，被認為是一顆行星，在1850年代因為有更多的小天體被發現才重新分類為小行星；在2006年，又再度重分類為矮行星。

小行星族。

在主帶中的小行星可以依據軌道元素劃分成幾個小行星群和小行星族。

小行星衛星是圍繞著較大的小行星運轉的小天體，它們的認定不如繞著行星的衛星那樣明確，因為有些衛星幾乎和被繞的母體一樣大。

在主帶中也有彗星，它們可能是地球上水的主要來源。

特洛依小行星的位置在木星的 L4或L5點（在行星軌道前方和後方的不穩定引力平衡點），不過"特洛依"這個名稱也被用在其它行星或衛星軌道上位於拉格朗日點上的小天體。

希耳達族是軌道周期與木星有著2:3共振的小行星族，當木星繞太陽公轉二圈時，這群小行星會繞太陽公轉三圈。

內太陽系也包含許多「淘氣」的小行星與塵粒，其中有許多都會穿越內行星的軌道。