太陽系的形成與演化

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一個原行星盤的藝術想像圖

太陽系的形成和演化始於46億年前一片巨大分子雲中一小塊的重力坍縮。大多坍縮的質量集中在中心，形成了太陽，其餘部分攤平並形成了一個原行星盤，繼而形成了行星、衛星、隕星和其他小型的太陽系天體系統。這被稱為星雲假說的廣泛接受模型，最早是由18世紀的伊曼紐·斯威登堡、伊曼努爾·康德和拉普拉斯侯爵皮耶-西蒙提出。其隨後的發展與天文學、物理學、地質學和行星學等多種科學領域相互交織。自1950年代太空時代降臨，以及1990年代太陽系外行星的發現，此模型在解釋新發現的過程中受到挑戰又被進一步完善化。從形成開始至今，太陽系經歷了相當大的變化。有很多衛星由環繞其母星氣體與塵埃組成的星盤中形成，其他的衛星據信是俘獲而來，或者來自於巨大的碰撞（地球的衛星月球屬此情況）。天體間的碰撞至今都持續發生，並為太陽系演化的中心。行星的位置經常遷移，某些行星間已經彼此易位[1]。這種行星遷移現在被認為對太陽系早期演化起負擔起絕大部分的作用。就如同太陽和行星的出生一樣，它們最終將滅亡。大約50億年後，太陽會冷卻並向外膨脹超過現在的直徑很多倍（成為一個紅巨星），拋去它的外層成為行星狀星雲，並留下被稱為白矮星的恆星殘骸。在遙遠的未來，太陽的環繞行星會逐漸被經過的恆星的重力捲走。它們中的一些會被毀掉，另一些則會被拋向星際間的太空。最終，數兆年之後，太陽終將會獨自一個，不再有其它天體在太陽系軌道上[2]。

歷史[編輯]

主條目：太陽系形成與演化假說的歷史
皮埃爾-西蒙·拉普拉斯，星雲假說的發起者之一

有關世界起源和命運的思想可以追溯到已知最早的文字記載；然而，在那大部分的時代裡沒有人試圖把這樣的理論與「太陽系」的存在聯繫起來，原因很簡單，因為當時時人一般不相信我們現在了解的太陽系是存在的。邁向太陽系演化形成理論的第一步是對日心說的廣泛認同，該模型把太陽放在系統的中心，把地球放在環繞其的軌道上。這一理論孕育了數千年，但直到17世紀末才廣泛被接受。第一次有記載的「太陽系」術語的使用是在1704年[3]。

現今太陽系形成的標準理論：星雲假說，從其在18世紀被伊曼紐·斯威登堡、伊曼努爾·康德、和皮埃爾-西蒙·拉普拉斯提出之日起就屢經採納和摒棄。對該假說重大的批評是它很明顯無法解釋太陽相對其行星而言缺少角動量。[4]然而，自從1980年代早期對新恆星的研究顯示，正如星雲假想預測的那樣，它們被冷的氣體和灰塵的盤環繞著，才導致這一假想的重新被接受[5]。

要了解太陽將如何繼續演化需要對它的能量之源有所認知。亞瑟·愛丁頓對愛因斯坦的相對論的確認導致他認識到太陽的能量來自於它核心的核融合[6]。1935年，愛丁頓進一步提議其他元素也有可能是在恆星中形成。 弗雷德·霍伊爾 進一步詳盡闡釋這一假設，認為演化成為的紅巨星的恆星會在其核心產生很多比氫和氦重的元素。當紅巨星最終拋掉它的外層時，這些元素將被回收以形成其它恆星[7]。

形成[編輯]

參見：太陽星雲

前太陽星雲[編輯]

星雲假說主張太陽系從一巨大的有幾光年跨度的分子雲的碎片重力塌陷的過程中形成[8]。幾十年前，傳統觀點還是認為太陽是在相對孤立中形成的，但對古隕石的研究發現短暫的同位素（如鐵-60）的蹤跡，該元素只能在爆炸及壽命較短的恆星中形成。這顯示在太陽形成的過程中附近發生了若干次超新星爆發。其中一顆超新星的衝擊波可能在分子雲中造成了超密度區域，導致了這個區域塌陷，從而觸發了太陽的形成。因為只有大質量、短壽恆星才會產生超新星爆發，太陽一定是在一個產生了大質量恆星的一個大恆星誕生區域裡（可能類似於獵戶座大星雲)形成[9][10]。

哈勃太空望遠鏡拍攝的獵戶座大星雲，一個寬約20光年的「恆星搖籃」，可能近似於太陽形成之前的前太陽星雲

這些被稱為「前太陽星雲」[11]的塌陷氣體區域中的一部分將形成太陽系。這一區域直徑在7000到20,000天文單位（AU[註 1]）[8][12]其質量剛好超過太陽。它的組成跟今天的太陽差不多。由太初核合成產生的元素氫、氦、和少量的鋰組成了塌陷星雲質量的98%。剩下的2%質量由在前代恆星核合成中產生的金屬重元素組成[13]。在這些恆星的晚年它們把這些重元素拋射成為星際物質[14]。

因為角動量守恆，星雲塌陷時轉動加快。隨著星雲濃縮，其中的原子相互碰撞頻率增高，把它們的動能轉化成熱能。其質量集中的中心越來越比周邊環繞的盤熱[8]。大約經過100,000年[15]，在重力、氣體壓力、磁場力和轉動慣量的相互競爭下，收縮的星雲扁平化成了一個直徑約200AU[8]的原行星盤，並在中心形成一個熱緻密的原恆星（內部氫聚變尚未開始的恆星）[16]。

太陽發展到了這一演化點時，已被認為是一顆金牛T星類型的恆星。對金牛T星的研究表明它們常伴以0.001－0.1太陽質量[17]的前行星物質組成的盤。這些盤伸展達幾百AU——哈勃太空望遠鏡已經觀察過在恆星形成區（如獵戶座大星雲[18]）直徑達1000AU的原星盤——並且相當冷，最熱只能達到一千開爾文[19]。

在五千萬年內，太陽核心的溫度和壓力變得如此巨大，它的氫開始聚變，產生內部能源抗拒重力收縮的力直到達至靜力平衡[20]。這意味著太陽成為了主序星，這是它生命中的一個主要階段。主序星從它們核心的氫聚變為氦的過程中產生能量。太陽至今還是一顆主序星[21]。

行星的形成[編輯]

參見：原行星盤

太陽系裡諸多行星均被認為成形於「太陽星雲」，而太陽星雲是太陽形成中剩下的氣體和塵埃形成的圓盤狀雲[22]。目前被接受的行星形成假說稱為吸積，在這裡行星從繞原恆星的軌道上的塵埃顆粒開始形成。通過直接收縮，這些顆粒形成一到十公里直徑的塊狀物, 然後它們互相碰撞形成更大的尺寸約5公里的天體（微行星）。透過進一步相撞逐漸加大它們的尺寸, 在接下來的幾百萬年中大約每年增加幾厘米[23]。

內太陽系（距中心直徑4天文單位以內的區域）過於溫暖以至於易揮發的如水和甲烷分子難以聚集，所以那裡形成的微行星只能由高熔點的物質形成，如鐵、鎳、鋁和石狀矽酸鹽。這些石質天體會成為類地行星（水星、金星和火星）。這些物質在宇宙中很稀少，大約只占星雲質量的0.6%，所以類地行星不會長得太大[8]。類地行星胚胎在太陽形成100,000年後長到0.05地球質量，然後就停止聚集質量；隨後的這些行星大小的天體間的相互撞擊與合併使它們這些類地行星長到它們今天的大小（見下面的類地行星）[24]。類地行星的成分是太陽核心成分的重要參考。

類木行星（木星、土星、天王星和海王星）形成於更遠的凍結線之外，在介於火星和木星軌道之間的物質冷到足以使易揮發的冰狀化合物保持固態。類木行星上的冰比類地行星上的金屬和矽酸鹽更豐富，使得類木行星的質量長得足夠大到可以俘獲氫和氦這些最輕和最豐富的元素[8]。凍結線以外的微行星在3百萬年間聚集了4倍地球的質量[24]。今天，這四個類木行星在所有環繞太陽的天體質量中所占的比例可達99%[註 2]。理論學者認為木星處於剛好在凍結線之外的地方並不是偶然的。因為凍結線聚集了大量由向內降落的冰狀物質蒸發而來的水，其形成了一個低壓區，加速了軌道上環繞的塵埃顆粒的速度阻止了它們向太陽落去的運動。在效果上，凍結線起到了一個壁壘的作用，導致物質在距離太陽約5天文單位處迅速聚集。這些過多的物質聚集成一個大約有10個地球質量的胚胎，然後開始通過吞噬周圍星盤的氫而迅速增長，只用了1000年就達到150倍地球質量並最終達到318倍地球質量。土星質量顯著地小可能是因為它比木星晚了幾百萬年形成，當時所能使用的氣體少了[24]。

像年輕的太陽這樣的金牛T星擁有遠比老恆星更穩定、更強烈的星風。天王星和海王星據信是在木星和土星之後，在太陽風把星盤物質大部分吹走之後形成。結果導致這兩個行星上聚集的氫和氦很少，各自不超過一倍地球質量。天王星和海王星有時被引述為失敗的核[25]。對這些行星來說形成理論的主要問題是它們的形成時間。在它們目前的位置，它們的核需要數億年的時間聚集。這意味著天王星和海王星可能是在更靠近太陽的地方形成的——位於接近甚至介於木星和土星之間——後來才向外遷移。（見下面的行星遷移）[26]。在微行星的時代，行星運動並不全是向內朝向太陽；從維爾特二號上取回的星塵樣本表明太陽系早期形成的物質從溫暖的太陽系內部向柯伊伯帶區域遷移[27]。

太陽的重力會持續吸收不能保持軌道的流星和氣體，所以太陽在吹出太陽風的同時，也在持續的吸收宇宙中漂浮的各種元素。有些元素會墜入太陽的核心，較輕的元素會被太陽風吹出，這些較輕元素有機會被小行星或者行星接收。

有理論認為過了三百萬到一千萬年[24]，年輕太陽的太陽風會清淨原星盤內所有的氣體和塵埃，把它們吹向星際空間，從而結束行星的生長，但是目前不能證明前方宇宙是空無一物的，合理的認為在太陽系繞銀河系運作的軌道前方，有許多物質等待太陽系接收，而太陽系快速繞行銀河系的同時也同時向宇宙逸散一些物質，構成星系與星系之間物質的傳播[28][29]。

後續的演化[編輯]

行星原先被認為是在我們今天看到的它們的軌道內或附近形成的。但這一觀點在20世紀晚期和21世紀初期發生了巨變。現在認為太陽系在最初形成之後看上去跟現在很不一樣：在內太陽系有幾個至少跟金星一樣大的天體，外太陽系也比現在緊密，柯伊伯帶離太陽要近得多。[30]

類地行星[編輯]

類地行星的成分被學者認為與太陽核心的成分存在高度相關性，行星形成時代結束後內太陽系有50－100個月球到火星大小的行星胚胎[31][32]。進一步的生長可能只是由於這些天體的相互碰撞和合併，這一過程持續了大約1億年。這些天體互相產生重力作用，互相拖動對方的軌道直到它們相撞，長得更大，直到最後我們今天所知的4個類地行星初具雛形[24]。其中的一個這樣的巨大碰撞據信導致了月球的形成（見下文衛星）, 另外一次剝去了早期水星的外殼[33]。

此模型未解決的問題是它不能解釋這些原類地行星的初始軌道——得要相當的偏心圓形才能相撞——是如何形成今天這樣相當穩定且接近圓形的軌道的[31]。此「偏圓去除」的假說之一認為在氣體盤中形成的類地行星尚未被太陽驅離。這些殘餘氣體的「重力拖拉」終將降低行星的能量，平滑化它們的軌道[32]。不過，如果存在這樣的氣體，一開始它就會防止類地行星的軌道變得如此偏圓[24]。另一個假說認為重力拖拉不是發生在行星和氣體之間，而是發生在行星和餘留的小天體之間。當大的天體行經小天體群時，小天體受到大天體的重力吸引，在大天體的路徑形成了一個高密度區，一個「重力喚醒」，由此降低了大天體使其進入一個更正規的軌道[34]。

小行星帶[編輯]

小行星帶位於類地行星區外圍邊緣，離太陽2到4個AU。小行星帶開始有多於足以形成超過2到3個地球一樣的行星的物質，並且實際上，有很多微行星在那裡形成。如同類地行星，這一區域的微行星後來合併形成20到30個月亮到火星大小的行星胚胎[35]；但是因為在木星附近，意味著太陽形成3百萬年後這一區域的歷史發生了巨大變化[31]。木星和土星的軌道共振對小行星帶特别強烈，並且與更多的大質量的行星胚胎的重力交互作用使更多的微行星散布到這些共振中，造成它們在與其他天體碰撞後被撕碎，而不是凝結聚合下去[36]。隨著木星在形成後的向內遷移（見下文行星遷移），共振將橫掃整個小行星帶，動態地激發這一區域的天體數量，並加大它們之間的相對速度[37]。共振和行星胚胎的累加作用要麼使微行星脫離小行星帶，要麼激發它們的軌道傾角和偏心率變化。[35][38]某些大質量的行星胚胎也被木星拋出，而其它的可能遷移到了內太陽系裡，並在類地行星的最終聚集中發揮了作用[35][39][40]。 在這個初始消竭時期，大行星和行星胚胎的作用下在小行星帶剩下的主要由微行星組成的總質量不到地球的1%。這仍是目前在主帶的質量的10到20倍，約1/2000地球質量。[38]第二消竭階段據信是當木星和土星進入臨時2:1軌道共振時發生，使小行星帶的質量下降接近至目前規模（見下文） 。

內太陽系的巨大撞擊期可能對地球從小行星帶獲取其目前的水成分（ ~6×1021 公斤）起到了一定的作用。水太易揮發，不會在地球的形成時期就存在，一定是其後從太陽系外部較冷的地方送來的[41]。水可能是由被木星甩離小行星帶的行星胚胎和小的微行星帶過來的[39]。2006年發現的一些主帶彗星也被認為可能是地球的水的來源之一[41][42]。 在相比之下，從柯伊伯帶或更遠的區域的彗星帶來的不過約6%地球的水[1][43]。 胚種論假說認為，生命本身可能是通過這種方式播撒到地球上，雖然這種想法不被廣泛接受[44]。

行星遷移[編輯]

主條目：行星遷移

根據星雲假說，外層的兩個行星處於「錯誤位置」（關於天王星 和海王星錯誤位置可參見尼斯模型），至於木星 土星 小行星可看木星大航向模型（Grand Tack） 。天王星和海王星所處的區域的太陽星雲的低密度和它們的更長的軌道周期時間使它們的形成看似非常不合理。這兩個行星被認為形成於有更多物質的木星和土星的軌道附近，但後來歷經幾億年遷移到了它們今天所處的位置[25]。

模擬顯示外層行星和柯伊伯帶：
a) 在木星/土星2:1共振前
b)海王星軌道變動後柯伊伯帶天體散布到內太陽系
c)木星拋射柯伊伯帶天體之後[1]

外層行星的遷移對於解釋太陽系最外圍區域的存在和特性也是必要的[26]。

海王星之外，太陽系延伸到柯伊伯帶、黃道離散天體和奧爾特雲，這三個稀疏的小冰狀天體群落被認為是絕大多數被觀測到的彗星的起源地。以它們離太陽的距離，在太陽星雲散離前聚集的速度太慢以至於不足以形成行星，所以最開始的星盤缺乏足夠的物質密度來形成行星。柯伊伯帶處於距離太陽30到55AU的地方，更遠的黃道離散天體延展到100AU[26]，而遙遠的奧爾特雲起始於大約50,000AU的地方[45]。但起初，柯伊伯帶離太陽近得多也緻密得多，外圍邊緣離太陽大約30AU。它的內部邊緣剛好在天王星和海王星的軌道外，天王星和海王星的軌道在形成的時候離太陽要近得多（可能15-20AU），並且位置相反，天王星離太陽要比海王星更遠[1][26]。

太陽系形成之後，巨大行星的軌道持續緩慢變化，主要是受到它們與剩下的大量的微行星之間的相互作用的影響。過了5億到6億年（大約40億年前）木星和土星進入2：1共振；土星每當木星環繞太陽兩周才環繞太陽一周[26]。這一共振對外圍行星造成了重力推力，從而讓海王星越過天王星的軌道，「耕」入古柯伊伯帶。這些行星群把大部分小冰狀天體向內部散播，同時它們自己卻向外移動。這些微行星繼而以類似的方式驅散它們遇到的下一顆行星，把行星的軌道向外移動，它們自己向內移動[46]。這一過程持續到微行星與木星相互作用，木星的強大重力使它們軌道變得高度橢圓，甚至把它們徑直拋出太陽系。這使得木星略微向內移動。這些被木星驅散進入高度橢圓軌道的天體形成了奧爾特雲；那些被遷移中的海王星驅散程度較輕的天體形成了現在的柯伊伯帶和黃道離散天體[26]。此情形可解釋現今柯伊伯帶和黃道離散天體的低密度。這些被驅散的天體，包括冥王星，開始被海王星重力束縛，被拉入軌道共振[47]。最終，在微行星盤裡的摩擦力使得天王星和海王星的軌道又變圓了[26][48][49]。

與外圍行星比，內部行星在太陽系的歷史中並未發生顯著的遷移，因為它們的軌道在大撞擊期保持了穩定[24]。

後期重轟炸和其後[編輯]

主條目：後期重轟炸期

外圍行星的遷移帶來的重力干擾會把大量小行星送到內太陽系，嚴重地耗竭原地帶，直到它降到今天的特別低的質量水平[38]。該事件可能觸發了大約40億年前、太陽系形成5到6億年後的後期重轟炸[1][50]。這一時期的重轟炸持續了幾億年，太陽系內的地質殘體如水星和月球上明顯存在的隕坑就是證明[1][51]。地球生命最早的證據可以早到38億年前，幾乎是緊接著後期重創的結束[52]。

亞利桑那州的巴林傑隕石坑。5萬年前一個直徑只有50米的隕星撞擊而成，是太陽系聚集仍未結束的突出醒證。

天文學家們相信隕石撞擊是太陽系演化的常規部分（如果說現在不是很頻繁的話）。隕石撞擊持續發生的證明有1994年的蘇梅克-列維9號彗星撞擊木星以及亞利桑那州的巴林傑隕石坑。因此，行星聚合的過程還沒有結束，還可能會對地球上的生命造成威脅[53][54]。

外太陽系的演化可能曾受附近超新星和途經的星際雲影響。太陽系外圍天體的表面可能經歷過由太陽風、微隕星和星際物質的中性成分帶來的太空風化[55]。

後期重轟炸後，小行星帶的演化主要依靠碰撞進行。大質量的天體有足夠的重力留住任何強烈撞擊濺出的物質，但小行星帶卻通常不是這樣。其結果就是，許多較大的天體在碰撞中會分裂，而不太激烈的碰撞產生的殘餘物有時又會合併形成新的天體[56]。有些小行星現在周圍的衛星的形成，只能以物質從母天體飛出但沒有足夠能量完全逃脫它的重力因而聚集而成來解釋[57]。

衛星[編輯]

參見：大碰撞說

衛星存在於多數行星和其他太陽系天體周圍。這些天然衛星有三個可能的來源機制：

  • 從繞行星的星盤（只在大型氣體行星的情況下）同時生成
  • 從撞擊的殘骸形成（如果有淺角度下足夠大的撞擊）
  • 捕獲經過的天體

木星和土星有幾個大型衛星，如木衛一伊俄、木衛二歐羅巴、木衛三蓋尼米德和土衛六泰坦，它們來源於環繞這兩個行星的星盤，形成的方式大概與這兩個行星從環繞太陽的星盤中形成的方式相同[58][59]。這些衛星的巨大尺寸和它們位於行星的切近揭示了它們的來源，俘獲方式是不可能具有這些特性的，而其氣態特性又意味著它們不可能從撞擊殘骸中形成。大型氣體行星的外圍衛星一般偏小偏心且有任意傾角的軌道，這些都是俘獲天體預期會有的特性[60][61]。大部分這樣的衛星沿其主星自轉的相反方向繞行。最大的不規則衛星是海王星的衛星海衛一特里頓，它被認為是俘獲來的柯伊伯帶天體[54]。

太陽系固態天體的衛星來自碰撞和俘獲。火星的兩個小衛星火衛一佛波斯和火衛二戴摩斯被認為是俘獲來的小行星[62]，而月球被認為是形成於一次單獨的巨大的斜撞[63][64]。進行撞擊的天體估計可能有接近火星一樣的質量，碰撞大約發生在大撞擊結束的時期。碰撞把撞擊天體的一些幔層撞到了軌道上，聚成了月球[63]。該次撞擊可能是形成地球的一系列合併的最後一次。過去曾進一步地推測約火星大小的天體曾形成於地球-太陽拉格朗日點中穩定的一處（L4或L5），而後漂離了它所處的位置[65]。冥王星的衛星卡戎可能也是通過大撞擊形成的；冥王星-卡戎和地-月系統是太陽系裡僅有「衛星至少佔較大天體質量的1%」中的兩例[66]。

未來[編輯]

天文學家預測，我們今天所知道的太陽系在它內核所有的氫聚變成氦，也就是在恆星演化的赫羅圖上從主序星過渡到紅巨星前不會發生劇烈變化。即便如此，到那時太陽系仍然會繼續演化。

長期穩定性[編輯]

隨著行星軌道長期不確定因子[67]，太陽系是混沌的。這種混沌的一個顯著的例子就是海王星-冥王星系統，它們處於3:2的軌道共振。儘管軌道共振是穩定的，預測冥王星未來1到2千萬年（李亞普諾夫時間）的位置卻無法取得任何的精確度[68]。另一個例子是地球的轉軸傾角，受地函與月球潮汐作用而來的摩擦力影響（見下），在今後的15到45億年間將表現為混沌狀態[69]。

行星的軌道在經過較長的時間度後將處於混沌狀態，例如整個太陽系的李亞普諾夫時間範圍為2百萬-2.3億年[70]。

在所有的情形下，這意味著一個行星在它軌道上的位置終將變得無法以任何確定性預測（因此，比如說，冬夏的時間變得不確定），但有些情形下軌道本身可能會劇烈變動。這樣的混沌在軌道的偏心率改變中表現得最明顯，有些行星的軌道變得顯著地更加或更加不橢圓[71]。

最終，太陽系會在接下的幾十億年後穩定下來，行星不會再互相碰撞，也不會被拋出太陽系[70]。這之後，大概50億年左右，火星的偏心率會達到0.2，以至於它會處在一個跟地球交會的軌道上，會導致潛在的碰撞。在同樣的時間區段裡，水星的偏心率會更加加大，與金星的近距遭遇在理論上可能會把它完全拋出太陽系[67]或把它送上與金星或地球相撞的道路[72]。

衛-環系統[編輯]

衛星演化是由潮汐力所驅動的。由於沿著主體行星直徑的重力差異，繞行的衛星會在其上面引起潮汐突起。如果衛星是沿著行星的自轉相同方向繞行的，且行星自轉快於衛星的繞行周期，突起將經常性地被牽拉而領先於衛星。在這種情況下，角動量被從主體行星的自轉傳送到衛星的公轉，衛星獲得能量，逐漸螺旋狀外移，主體行星隨著時間推移自轉會更慢。

地球和月亮就是這種情況的一個例子。今天，月球潮汐鎖定於地球；它的繞地球公轉等於它繞自己軸線的自轉，意味著它始終以同一面面向地球。月球將持續遠離地球，地球的轉動將持續緩慢下來。大約500億年，如果這兩個世界都能在太陽的擴張中存活下來，它們將彼此潮汐鎖定；每一方將只能在一個半球內看到對方[73]。另一個例子是木星的伽利略衛星（和木星的很多小衛星）[74][75]和土星的許多較大衛星[76]。

海王星和它的衛星海衛一，「旅行者2號」拍攝。海衛一的軌道最終將把它帶入海王星的洛希極限，把它撕碎且可能形成一個新的環系統。

如果衛星公轉比主體行星自轉快或者它的公轉方向異於其主體行星的自轉方向，不同的情況會發生。在這兩種情況下，潮汐突起落後於軌道上的衛星。在前一種情況下，角動量的傳送逆轉，主體行星的自轉加快，衛星的軌道縮小。後一種情況，自轉和公轉的角動量的符號相反，所以傳送導致削減彼此的強度[註 3]。在這兩種情況下，潮汐減速導致衛星螺旋切近主體行星直至其被潮汐壓力撕裂並可能生成行星環系統，或者墜毀到行星的表面或者其大氣層中。這樣的命運在等著火星的衛星火衛一（在3000到5000萬年間）[77]，海王星的海衛一（在36億年間）、海衛三、海衛四[78][79]，木星的木衛十五和木衛十六[80]和天王星至少16個小衛星。天王星的天衛十甚至可能會與它相鄰的衛星相撞[81]。海王星的海衛四也可能會進入鄰近的海衛五的軌道。

第三種可能是主體行星和衛星彼此潮汐鎖定。這種情況下，潮汐突起將停留在衛星之下，沒有角動量的傳遞，軌道周期不會變。冥王星和卡戎就是這種情形的一個例子[82][83]。

在2004年卡西尼-惠更斯號太空飛行器到臨之前，土星環曾被認為比太陽系年輕很多，並且不會再存在3億年。與土衛的重力作用預計將逐漸把環的外周掃向行星，流星的摩擦和土星的重力會清除其餘的成分，留下沒有環飾的土星本體[84]。但是，「卡西尼」之旅的數據使科學家們修正了這個早期的觀點。觀察顯示10公里寬的冰塊狀物質持續破碎和重新生成，保持環的更新。土星的環要比其它巨大氣體行星的環大得多。這樣龐大的質量據信從45億年前土星的形成之初就保持了它的環，並將在今後的幾十億年內繼續保持[85]。

太陽和行星環境[編輯]

參見：恆星演化
比較當前作為主序星的太陽和將來成為紅巨星的太陽。

長遠來說，太陽系最大的改變將來自於太陽自身因衰老而帶來的改變。隨著太陽燒掉它的氫供給，它會變得更熱且更快地燒掉餘下的燃料。其結果就是，太陽每11億年就會更亮10%[86]。在10億年的時間，隨著太陽的輻射輸出增強，它的適居帶就會外移，地球的表面會熱到液態的水無法在地球表面繼續存在。此時地面上所有的生命都將絕跡[87]。從海平面而來的水蒸氣，一種強溫室氣體，可以加速溫度升高，可以潛在地更早地結束地球上的所有生命[88]。這時候可能火星的表面溫度逐漸升高，凍結在表面土壤下的水和二氧化碳會被釋放到大氣里，產生溫室效應暖化這顆行星直到它達到今天地球一樣的條件，提供一個未來的生命的居住場所[89]。35億年後，地球的表面環境就會變得跟今天的金星類似[86]。

約54億年之後，太陽核心的所有的氫都會聚變成氦。核心將不再支撐得住重力塌陷，將會開始收縮，加熱核周圍的一個外殼直到裡面的氦開始聚變[87]。這將使其外層急劇擴張，這顆恆星將進入它生命中的紅巨星階段[90][91]。在76億年內，太陽會膨脹到半徑為1.2AU——256倍於它現在的大小。在其紅巨星分支的頂峰，因為巨量增大的表面積，太陽的表面會比現在冷卻很多（大約2600K）， 它的光度會增高很多，會達到現在太陽光度的2700倍。在太陽成為紅巨星的階段，它會產生很強的星風，這將帶走它自身33%的質量[87][92][93]。

當太陽膨脹後，水星和金星將無法逃避被吞噬掉的厄運。地球的命運還不是很清楚。儘管太陽會吞噬地球現在所處的軌道，但這顆恆星的質量損失（既而更弱的重力）會導致行星的軌道向外移動。如果僅僅如此，地球可能會逃離火海[92]，但2008年的研究認為地球還是會因為與太陽附著不緊密的外層潮汐作用而被吞噬掉[87][92]。在這個時候，柯伊伯帶的冥王星和凱倫，有可能達到可維持生命的表面溫度[94][95]。

漸漸地，太陽核心周圍殼裡燃燒的氦將增大核的質量直到達到現今太陽質量的45%。此時太陽的密度和溫度如此之高以至於氦開始聚變成碳，導致氦閃；太陽的半徑將從約250倍縮至11倍於現在（主序星）的半徑。因此，它的光度會從3000倍跌至54倍於今天的水平，而其的表面溫度則會升至約4770K[96]。太陽將成為一顆水平分支星，平穩地燃燒它內核的氦，大概就像它今天燒氫一樣。氦聚變階段將只持續1億年。最終，它還是得求諸它外層的氫和氦貯備，並且第二次膨脹，變成漸近巨星分支星。太陽的光度會再次升高，達到今天光度的2090倍，並且它會冷卻到大約3500K[87]。這一階段將持續3千萬年，之後，再接下來的10萬年中，太陽將徹底喪失殘留的外層，拋射出巨大的物質洪流形成一個光暈（誤導性地）叫行星狀星雲。拋射出來的物質將包含太陽的核反應生成的氦和碳，繼續為未來世代的恆星而富華星際物質以重元素[97]。

環狀星雲，一個近似太陽將成為的行星狀星雲

這是個相對平和的結局，跟超新星絕無相似，我們的太陽太小以至於不能進行這樣的演化。若有可能任何現場目睹此事的觀察者都會看到太陽風的風速巨幅增加，但不足以完全摧毀一顆行星。但是，這顆行星的物質丟失可將倖存下來的行星軌道送入混亂：有一部份會相撞，有一部分會從太陽系拋出去，剩下的則會被潮汐作用撕裂[98]。之後，太陽所剩的就是一顆白矮星，一個非常緻密的天體，有它最初質量的54%，但只有地球大小。最初，這顆白矮星的光度大約有現在太陽光度的100倍。它將完全由簡併態的碳和氧組成, 但將永遠也不會達到可以聚變這些元素的溫度。因此白矮星太陽將逐漸冷卻，越來越黯淡[96]。

隨著太陽的死亡，它作用於如行星、彗星和小行星這些天體的重力會隨著它的質量丟失而減弱[92][99]。如果地球和火星在這時候還生存，它的軌道會大約位於1.85和2.8AU。它們和其它剩餘的行星將成為昏暗、寒冷的外殼，完全沒有任何形式的生命。它們將繼續圍繞太陽公轉，其速度因為距離太陽的距離增大和太陽重力的降低而減慢。二十億年後，當太陽冷卻到6000到8000K的範圍，太陽核心的碳和氧將冷卻，它所剩的90%的質量將形成結晶結構。最終，再過數十億年，太陽將完全停止閃耀，成為黑矮星[100]。

星系相互作用[編輯]

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我們的星系中太陽系的位置

太陽系沿著一個距離銀河系銀心大約3萬光年的圓形軌道獨自運行。它的速度大約是每秒鐘220公里。太陽系繞銀心完成一周公轉，即一銀河年大約在2.2~2.5億年的範圍。自從太陽系的形成以來，它已經至少這樣轉了20周[101]。

有些科學家推測太陽系在銀河系中的路徑是在地球上化石記錄中觀測到的周期性生物集群滅絕的一個因素。一個假說建議當太陽繞銀心公轉帶來的豎向震盪使它規律性地經過銀道面。當太陽軌道把它帶出銀道面，銀河潮汐的影響就弱一些，當它每隔2千萬到2千5百萬年進入銀河盤，它就會受到遠為強烈的「盤潮汐」的影響，根據數學模型，奧爾特彗星的流量會增大4倍，導致毀滅性的撞擊的可能性大大增加[102]。

但是，有其它的論說認為太陽目前靠近銀道面，然而最後一次大滅絕發生在1千5百萬年前。因此太陽的豎向位置不能獨自說明這樣的周期性滅絕，而這樣的滅絕是發生在太陽經過銀河系的螺旋臂的時候。螺旋臂不但是為數眾多的，其重力可干擾奧爾特雲的分子雲的所在，也是明亮的藍巨星的高度密集區所在，藍巨星存在時間短暫，劇烈爆發成超新星[103]。

星系碰撞和行星干擾[編輯]

主條目：仙女座星系-銀河系的碰撞

儘管宇宙中絕大多數星系在遠離銀河系，我們本星系群中最大的星系仙女座星系卻在以每秒120公里的速度撞向銀河系。在20億年後，仙女座星系和銀河系將相撞，潮汐力扭曲它們的外周臂成巨大的潮汐尾而導致二者都產生變形。當這樣的初始階段的干擾發生的時候，天文學家計算出太陽系有12%的機會被從銀河系拉向外圍，有3%的機會它會被仙女座星系重力俘獲成為它的一部分。經過進一步的一系列的側擊，太陽系被拋出的機會達到30%，兩個星系的超大質量黑洞將合併。最終，大約在70億年的時間，銀河系和仙女座星系將完成合併形成一個巨大的橢圓星系。在合併中，如果有足夠的氣體，增加了的重力將把氣體吸引到形成中的橢圓星系的中心。這將導致一個短期的密集的恆星生成時期叫星暴。此外，向內墜落的氣體將填塞新形成的黑洞，把它變成一個活動星系核。這些相互作用將有可能把太陽系推向新星系的外周光暈中，使它免受這些碰撞的輻射[104][105]。

通常的誤解認為這樣的碰撞會干擾太陽系的行星軌道。雖然經過的恆星有可能會把行星剝離太陽系送入星系空間，但恆星間的距離如此之巨以至於銀河系和仙女座星系的相撞對單個的恆星系統的干擾是可以忽略不計的。雖然太陽系作為一個整體可能會被這些事件影響，太陽和行星本身預計不會受到干擾[106]。

但是，隨著時間的流逝，遭遇另一顆恆星的累計概率增加，對行星的干擾無可避免。假設宇宙末日的大擠壓或大撕裂不會發生，有計算認為途經的恆星在會1千兆年內完全剝去死亡的太陽的所有行星。這標誌著太陽系的終結。雖然太陽和行星可能會存在下去，但太陽系，無論是在任何意義上都將不復存在[2]。

年代[編輯]

太陽系的形成的時間框架是用放射性同位素測定方法測定的。科學家估計太陽系大約46億歲。地球上最老的已知的礦物顆粒大約44億歲[107]。因為地球表面經常性地被侵蝕作用、火山活動和板塊運動改造，這樣老的岩石比較稀少。科學家用在太陽星雲早期凝縮中形成的隕石來估計太陽系的年齡。幾乎所有的隕石 （見 魔谷隕石）都被發現有46億歲，顯示太陽系大約至少也是這樣老[108]。

對其它恆星的星盤研究對太陽系形成的時間表的建立也有頗多貢獻。1百萬到3百萬歲的恆星多富含氣體，而超過1千萬年的恆星星盤含很少到幾乎沒有氣體，顯示它內部的巨大氣體行星已經停止生成[24]。

太陽系演化時序表[編輯]

注: 此年表中所有時間和年代都應只被視作數量級指標。

階段 距離太陽形成的時間 事件
前太陽系 太陽系形成前數十億年 前代的恆星生存和死亡，把重元素拋出成為星際物質，太陽系從中形成。[14]
太陽系形成前~5×107年 如果採用假說，太陽系在一個獵戶座大星雲一樣的恆星形成區形成：質量很大的恆星會形成、過其一生、死亡、並且會爆發成超新星，有一顆超新星觸發了太陽系的形成。[9][10]
太陽系的形成 0–1×105 年 前太陽星雲形成並且開始坍縮。太陽開始形成。[24]
1×105–5×107 年 太陽是一顆金牛T星類型的原恆星。[15]
1×105–7 年 外圍行星形成。107 年，原恆星盤中的氣體被吹走，外圍行星形成可能完成。[24]
1×107–8 年 類地行星和衛星形成。大碰撞開始，地球上被送來水。[1]
主序星 5×107 年 太陽成為一顆主序星。[20]
2×108 年 地球上最古老的岩石形成。[107]
5–6×108 年 木星和土星的軌道共振把海王星移到了柯伊伯帶。後期重轟炸期在內太陽系開始。[1]
8×108 年 地球上出現已知最早的生命。[52]
4.6×109 年 今天，太陽仍是一顆主序星，每109年變暖變熱約10% 。[86]
6×109 年 太陽適居帶挪出地球的軌道，可能移向火星軌道。[89]
7×109 年 銀河系和仙女座星系開始仙女-銀河碰撞。在兩個星系完全合併前太陽系有微小的可能被仙女座俘獲。[104]
後主序星 10–12×109 年 太陽耗盡其核里的氫，結束主序階段生命。太陽開始在赫羅圖上升至紅巨星支，急劇變得更亮（至2700倍）、更大（半徑至250倍）、更冷（降至2600K）：太陽成為紅巨星。水星、金星和地球可能被吞沒。[92][87]
~12×109 年 太陽經過氦燃燒的水平分支和漸近巨星分支階段，在後主序期丟失質量的30%。漸近巨星分支期以噴射行星狀星雲結束，留下太陽的核心成為一顆白矮星。[87][97]
太陽殘骸 >12×109 年 白矮星太陽不再產生能量，開始持續冷卻和暗淡下來，最終走向黑矮星階段。[96][100]
1015 年 太陽冷卻到5K。[109]經過的恆星重力把行星從軌道上剝離，太陽系不復存在。[2]

注釋[編輯]

  1. ^ 一個天文單位AU，是地球到太陽之間的平均距離，或大約1.5億公里。其為測量星際距離的標準單位。
  2. ^ 加總木星、土星、天王星、海王星=445.6倍地球質量。剩餘物質質量=約5.26倍地球質量，或者1.1%環繞太陽天體的質量（參見太陽系#太陽與八大行星數據表 與太陽系天體質量列表）
  3. ^ 在所有這些角動量與能量傳遞實例裡，雙星系統的角動量是守衡的。相對地，衛星公轉與主星自轉能量總合並不守衡，它會隨時間減少，因為透過主星潮汐突起移動產生的摩擦熱會開銷能量。如果主星是無摩擦力的理想流體，潮汐突起會位於衛星的中央，並且能量傳遞不會發生。透過摩擦力造成動能損失使得角動量傳遞可能辦到。

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參見[編輯]

歷史
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