太陽系的形成和演化始于46億年前一片巨大分子云中一小塊的引力

1、太陽系的形成和演化始于46億年前一片巨大分子云中一小塊的引力坍縮。大多坍縮的質(zhì)量 集中在中心，形成了太陽，其余部分?jǐn)偲讲⑿纬闪艘粋€原行星盤，繼而形成了行星、衛(wèi)星 隕星和其他小型的太陽系天體系統(tǒng)。這被稱為星云假說的廣泛接受模型，最早是由18世紀(jì)的伊曼紐斯威登堡、伊曼努爾康 德和皮埃爾-西蒙拉普拉斯提出。其隨后的發(fā)展與天文學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)和行星學(xué)等多種科學(xué)領(lǐng)域相互交織。一個原行星盤的藝術(shù)想象圖自1950年代太空時代降臨，以及1990年代太陽系外行星的發(fā)現(xiàn)，此模型在解釋新發(fā)現(xiàn) 的過程中受到挑戰(zhàn)又被進(jìn)一步完善化。從形成開始至今，太陽系經(jīng)歷了相當(dāng)大的變化。有很多衛(wèi)星由環(huán)繞其母星氣體與塵埃組 成的星盤中

2、形成，其他的衛(wèi)星據(jù)信是俘獲而來，或者來自于巨大的碰撞（地球的衛(wèi)星月球?qū)?此情況）。天體間的碰撞至今都持續(xù)發(fā)生，并為太陽系演化的中心。行星的位置經(jīng)常遷移， 某些行星間已經(jīng)彼此易位。這種行星遷移現(xiàn)在被認(rèn)為對太陽系早期演化起負(fù)擔(dān)起絕大部分的 作用。俄亡:：白矮星-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖1圖冊就如同太陽和行星的出生一樣，它們最終將滅亡。大約50億年后，太陽會冷卻并向外 膨脹超過現(xiàn)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云，并留下被 稱為白矮星的恒星尸骸。在遙遠(yuǎn)的未來，太陽的環(huán)繞行星會逐漸被經(jīng)過的恒星的引力卷走。 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(shù)萬億年之后，太陽終將

3、 會獨(dú)自一個，不再有其它天體在太陽系軌道上。太陽系起源及演化-歷史太陽系形成和演化史假說有關(guān)世界起源和命運(yùn)的思想可以追朔到已知最早的文字記載；然而，在那大部分的時代 里沒有人試圖把這樣的理論與“太陽系”的存在聯(lián)系起來，原因很簡單，因?yàn)楫?dāng)時時人一般 不相信我們現(xiàn)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(rèn)同，該模型把太陽放在系統(tǒng)的中心，把地球放在環(huán)繞其的軌道上。這一理論孕育了數(shù)千 年，但直到17世紀(jì)末才廣泛被接受。第一次有記載的“太陽系”術(shù)語的使用是在1704年?，F(xiàn)今太陽系形成的標(biāo)準(zhǔn)理論：星云假說，從其在18世紀(jì)被伊曼紐斯威登堡、伊曼努 爾康德、和皮埃爾-西蒙拉普拉

4、斯提出之日起就屢經(jīng)采納和摒棄。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。然而，自從1980年代早期對新恒星的研究顯示，正如星云假想預(yù)測的那樣，它們被冷的氣體和灰塵的盤環(huán)繞著，才導(dǎo)致這一假 想的重新被接受。要了解太陽將如何繼續(xù)演化需要對它的能量之源有所認(rèn)知。亞瑟愛丁頓對愛因斯坦的相對 論的確認(rèn)導(dǎo)致他認(rèn)識到太陽的能量來自于它核心的核聚變。1935年，愛丁頓進(jìn)一步提議其 他元素也有可能是在恒星中形成。弗雷德霍伊爾 進(jìn)一步詳盡闡釋這一假設(shè)，認(rèn)為演化成 為的紅巨星的恒星會在其核心產(chǎn)生很多比氫和氦重的元素。當(dāng)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恒星。形成皮埃爾-

5、西蒙拉普拉斯，星云假說的發(fā)起者之一參見：太陽星云太陽系起源及演化-前太陽星云星云假說主張?zhí)栂祻囊痪薮蟮挠袔坠饽昕缍鹊姆肿釉频乃槠λ莸倪^程中形成。 幾十年前，傳統(tǒng)觀點(diǎn)還是認(rèn)為太陽是在相對孤立中形成的，但對古隕石的研究發(fā)現(xiàn)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恒星中形成。這顯示在太陽形成 的過程中附近發(fā)生了若干次超新星爆發(fā)。其中一顆超新星的沖擊波可能在分子云中造成了超 密度區(qū)域，導(dǎo)致了這個區(qū)域塌陷，從而觸發(fā)了太陽的形成。因?yàn)橹挥写筚|(zhì)量、短壽恒星才會 產(chǎn)生超新星爆發(fā)，太陽一定是在一個產(chǎn)生了大質(zhì)量恒星的一個大恒星誕生區(qū)域里（可能類似 于獵戶座星云）形成。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡

6、拍攝的獵戶座星云，一個寬約20光年的“恒星搖籃”，可能近似于太陽形 成之前的前太陽星云這些被稱為“前太陽星云”的塌陷氣體區(qū)域中的一部分將形成太陽系。這一區(qū)域直徑在 7000到20,000天文單位（AU）其質(zhì)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(chǎn)生的元素氫、氦、和少量的鋰組成了塌陷星云質(zhì)量的98%。剩下的2%質(zhì)量由在前 代恒星核合成中產(chǎn)生的金屬重元素組成。在這些恒星的晚年它們把這些重元素拋射成為星際 物質(zhì)。因?yàn)榻莿恿渴睾?，星云塌陷時轉(zhuǎn)動加快。隨著星云濃縮，其中的原子相互碰撞頻率增高， 把它們的動能轉(zhuǎn)化成熱能。其質(zhì)量集中的中心越來越比周邊環(huán)繞的盤熱。大約經(jīng)過100,000 年

7、，在引力、氣體壓力、磁場力和轉(zhuǎn)動慣量的相互競爭下，收縮的星云扁平化成了一個直徑 約200AU的原行星盤，并在中心形成一個熱致密的原恒星（內(nèi)部氫聚變尚未開始的恒星）。太陽發(fā)展到了這一演化點(diǎn)時，已被認(rèn)為是一顆金牛T星類型的恒星。對金牛T星的研究 表明它們常伴以0.001-0.1太陽質(zhì)量的前行星物質(zhì)組成的盤。這些盤伸展達(dá)幾百AU哈 勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)觀察過在恒星形成區(qū)（如獵戶座星云）直徑達(dá)1000AU的原星盤一一并且 相當(dāng)冷，最熱只能達(dá)到一千開爾文。在五千萬年內(nèi)，太陽核心的溫度和壓力變得如此巨大，它的氫開始聚變，產(chǎn)生內(nèi)部能源 抗拒引力收縮的力直到達(dá)至靜力平衡。這意味著太陽成為了主序星，這是它生命中的一

8、個主 要階段。主序星從它們核心的氫聚變?yōu)楹さ倪^程中產(chǎn)生能量。太陽至今還是一顆主序星。參見：原行星盤藝術(shù)家想像中的太陽星云太陽系里諸多行星均被認(rèn)為成形于“太陽星云”，而太陽星云是太陽形成中剩下的氣體 和塵埃形成的圓盤狀云。目前被接受的行星形成假說稱為吸積，在這里行星從繞原恒星的軌 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，然后它 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(jìn)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。內(nèi)太陽系（距中心直徑4天文單位以內(nèi)的區(qū)域）過于溫暖以至于易揮發(fā)的如水和甲烷分子難 以聚集，所以那里形成的微行星只

9、能由高熔點(diǎn)的物質(zhì)形成，如鐵、鎳、鋁和石狀硅酸鹽。這 些石質(zhì)天體會成為類地行星（水星、金星和火星）。這些物質(zhì)在宇宙中很稀少，大約只占星 云質(zhì)量的0.6%，所以類地行星不會長得太大。類地行星胚胎在太陽形成100,000年后長到 0.05地球質(zhì)量，然后就停止聚集質(zhì)量；隨后的這些行星大小的天體間的相互撞擊與合并使 它們這些類地行星長到它們今天的大?。ㄒ娤旅娴念惖匦行牵ｎ惸拘行牵拘?、土星、天王星和海王星）形成于更遠(yuǎn)的凍結(jié)線之外，在介于火星和木 星軌道之間的物質(zhì)冷到足以使易揮發(fā)的冰狀化合物保持固態(tài)。類木行星上的冰比類地行星上 的金屬和硅酸鹽更豐富，使得類木行星的質(zhì)量長得足夠大到可以俘獲氫和氦這些最輕和

10、最豐 富的元素。凍結(jié)線以外的微行星在3百萬年間聚集了4倍地球的質(zhì)量。今天，這四個類木行 星在所有環(huán)繞太陽的天體質(zhì)量中所占的比例可達(dá)99%。理論學(xué)者認(rèn)為木星處于剛好在凍結(jié)線 之外的地方并不是偶然的。因?yàn)閮鼋Y(jié)線聚集了大量由向內(nèi)降落的冰狀物質(zhì)蒸發(fā)而來的水，其 形成了一個低壓區(qū)，加速了軌道上環(huán)繞的塵埃顆粒的速度阻止了它們向太陽落去的運(yùn)動。在 效果上，凍結(jié)線起到了一個壁壘的作用，導(dǎo)致物質(zhì)在距離太陽約5天文單位處迅速聚集。這 些過多的物質(zhì)聚集成一個大約有10個地球質(zhì)量的胚胎，然后開始通過吞噬周圍星盤的氫而 迅速增長，只用了 1000年就達(dá)到150倍地球質(zhì)量并最終達(dá)到318倍地球質(zhì)量。土星質(zhì)量顯 著地小可能

11、是因?yàn)樗饶拘峭砹藥装偃f年形成，當(dāng)時所能使用的氣體少了。像年輕的太陽這 樣的金牛T星擁有遠(yuǎn)比老恒星更穩(wěn)定、更強(qiáng)烈的星風(fēng)。天王星和海王星據(jù)信是在木星和土星 之后，在太陽風(fēng)把星盤物質(zhì)大部分吹走之后形成。結(jié)果導(dǎo)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(zhì)量。天王星和海王星有時被引述為失敗的核。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(shù)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一一位于接近甚至介于木星和土 星之間一一后來才向外遷移。（見下面的行星遷移）。在微行星的時代，行星運(yùn)動并不全是 向內(nèi)朝向太陽；從維爾特二號上取回的星

12、塵樣本表明太陽系早期形成的物質(zhì)從溫暖的太陽系 內(nèi)部向柯伊伯帶區(qū)域遷移。過了三百萬到一千萬年，年輕太陽的太陽風(fēng)會清凈原星盤內(nèi)所有 的氣體和塵埃，把它們吹向星際空間，從而結(jié)束行星的生長。后續(xù)的演化行星原先被認(rèn)為是在我們今天看到的它們的軌道內(nèi)或附近形成的。但這一 觀點(diǎn)在20世紀(jì)晚期和21世紀(jì)初期發(fā)生了巨變。現(xiàn)在認(rèn)為太陽系在最初形成之后看上去跟現(xiàn) 在很不一樣：在內(nèi)太陽系有幾個至少跟金星一樣大的天體，外太陽系也比現(xiàn)在緊密，柯伊伯 帶離太陽要近得多。太陽系起源及演化-類地行星行星形成時代結(jié)束后內(nèi)太陽系有50-100個月球到火星大小的行星胚胎。進(jìn)一步的生長 可能只是由于這些天體的相互碰撞和合并，這一過程持續(xù)

13、了大約1億年。這些天體互相產(chǎn)生 引力作用，互相拖動對方的軌道直到它們相撞，長得更大，直到最后我們今天所知的4個類 地行星初具雛形。其中的一個這樣的巨大碰撞據(jù)信導(dǎo)致了月球的形成（見下文衛(wèi)星），另外 一次剝?nèi)チ嗽缙谒堑耐鈿?。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一一得要相當(dāng)?shù)钠膱A 形才能相撞一一是如何形成今天這樣相當(dāng)穩(wěn)定且接近圓形的軌道的。此“偏圓去除”的假說 之一認(rèn)為在氣體盤中形成的類地行星尚未被太陽驅(qū)離。這些殘余氣體的“引力拖拉”終將降 低行星的能量，平滑化它們的軌道。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。另一個假說認(rèn)為引力拖拉不是發(fā)生在行

14、星和氣體之間，而是發(fā)生在 行星和余留的小天體之間。當(dāng)大的天體行經(jīng)小天體群時，小天體手受到大天體的引力吸引， 在大天體的路徑形成了一個高密度區(qū)，一個“引力喚醒”，由此降低了大天體使其進(jìn)入一個 更正規(guī)的軌道。太陽系起源及演化-小行星帶小行星帶位于類地行星區(qū)外圍邊緣，離太陽2到4個AU。小行星帶開始有多于足以形 成超過2到3個地球一樣的行星的物質(zhì)，并且實(shí)際上，有很多微行星在那里形成。如同類地 行星，這一區(qū)域的微行星后來合并形成20到30個月亮到火星大小的行星胚胎；但是因?yàn)樵?木星附近，意味著太陽形成3百萬年后這一區(qū)域的歷史發(fā)生了巨大變化。木星和土星的軌 道共振對小行星帶特別強(qiáng)烈，并且與更多的大質(zhì)量的

15、行星胚胎的的引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后被撕碎，而不是凝結(jié)聚合下去。隨 著木星在形成后的向內(nèi)遷移（見下文行星遷移），共振將橫掃整個小行星帶，動態(tài)地激發(fā)這 一區(qū)域的天體數(shù)量，并加大它們之間的相對速度。共振和行星胚胎的累加作用要么使微行星 脫離小行星帶，要么激發(fā)它們的軌道傾角和偏心率變化。某些大質(zhì)量的行星胚胎也被木星拋 出，而其它的可能遷移到了內(nèi)太陽系里，并在類地行星的最終聚集中發(fā)揮了作用。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(zhì)量不到 地球的1%。這仍是目前在主帶的質(zhì)量的10到20倍，約1/2000地球質(zhì)量。

16、第二消竭階段據(jù) 信是當(dāng)木星和土星進(jìn)入臨時2:1軌道共振時發(fā)生，使小行星帶的質(zhì)量下降接近至目前規(guī)模 （見下文）。內(nèi)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（6X1021公斤） 起到了一定的作用。水太易揮發(fā)，不會在地球的形成時期就存在，一定是其后從太陽系外部 較冷的地方送來的。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。2 006年發(fā)現(xiàn)的一些主帶彗星也被認(rèn)為可能是地球的水的來源之一。在相比之下，從柯伊伯 帶或更遠(yuǎn)的區(qū)域的彗星帶來的不過約6%地球的水。胚種論假說認(rèn)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。太陽系起源及演化-行星遷移根據(jù)星云

17、假說，外層的兩個行星處于“錯誤位置”關(guān)于天王星和海王星錯誤位置可參 見Nice模型,至于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(qū)域的太陽星云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(rèn)為形成于有更多物質(zhì)的木星和土星的軌道附近，但后來歷經(jīng)幾億年 遷移到了它們今天所處的位置。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）海王星軌道變動后柯伊伯帶天體散布到內(nèi)太陽系c）木星拋射柯伊伯帶天體之后外層行星的遷移對于解釋太陽系最外圍區(qū)域的存在和特性也是必要的。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云，這

18、三個稀疏的小冰狀 天體群落被認(rèn)為是絕大多數(shù)被觀測到的彗星的起源地。以它們離太陽的距離，在太陽星云散 離前聚集的速度太慢以至于不足以形成行星，所以最開始的星盤缺乏足夠的物質(zhì)密度來形成 行星?？乱敛畮幱诰嚯x太陽30到55AU的地方，更遠(yuǎn)的黃道離散天體延展到100AU，而遙 遠(yuǎn)的奧爾特云起始于大約50,000AU的地方。但起初，柯伊伯帶離太陽近得多也致密得多， 外圍邊緣離太陽大約30AU。它的內(nèi)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），并且位置相反，天王星離太陽要 比海王星更遠(yuǎn)。太陽系形成之后，巨大行星的軌道持續(xù)緩慢變化，主要是受到

19、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(jìn)入2： 1共振； 土星每當(dāng)木星環(huán)繞太陽兩周才環(huán)繞太陽一周。這一共振對外圍行星造成了引力推力，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(nèi)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(qū)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(nèi)移動。這一過程持續(xù)到微行星與木星相互作用，木星 的強(qiáng)大引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(nèi)移 動。這些被木星驅(qū)散進(jìn)入高度橢圓軌道的天體形成了奧爾特云；那些被遷移中的海王星

20、驅(qū)散 程度較輕的天體形成了現(xiàn)在的柯伊伯帶和黃道離散天體。此情形可解釋現(xiàn)今柯伊伯帶和黃道 離散天體的低密度。這些被驅(qū)散的天體，包括冥王星，開始被海王星引力束縛，被拉入軌道 共振。最終，在微行星盤里的摩擦力使得天王星和海王星的軌道又變圓了。與外圍行星比，內(nèi)部行星在太陽系的歷史中并未發(fā)生顯著的遷移，因?yàn)樗鼈兊能壍涝诖?撞擊期保持了穩(wěn)定。太陽系起源及演化-后期重轟炸和其后外圍行星的遷移帶來的引力干擾會把大量小行星送到內(nèi)太陽系，嚴(yán)重地耗竭原地帶，直 到它降到今天的特別低的質(zhì)量水平。該事件可能觸發(fā)了大約40億年前、太陽系形成5到6 億年后的后期重轟炸。這一時期的重轟炸持續(xù)了幾億年，太陽系內(nèi)的地質(zhì)殘體如水星

21、和月球 上明顯存在的隕坑就是證明。地球生命最早的證據(jù)可以早到38億年前，幾乎是緊接著后期 重創(chuàng)的結(jié)束。亞利桑那州的隕星坑。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(jié)束的突出醒證。天文學(xué)家們相信隕石撞擊是太陽系演化的常規(guī)部分（如果說現(xiàn)在不是很頻繁的話）。隕 石撞擊持續(xù)發(fā)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隕石坑。因 此，行星聚合的過程還沒有結(jié)束，還可能會對地球上的生命造成威脅。外太陽系的演化可能曾受附近超新星和途經(jīng)的星際云影響。太陽系外圍天體的表面可能 經(jīng)歷過由太陽風(fēng)、微隕星和星際物質(zhì)的中性成分帶來的太空風(fēng)化后期重轟炸后，小行星帶的演化主要依靠碰撞進(jìn)

22、行。大質(zhì)量的天體有足夠的引力留住任 何強(qiáng)烈撞擊濺出的物質(zhì)，但小行星帶卻通常不是這樣。其結(jié)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(chǎn)生的殘余物有時又會合并形成新的天體。有些小行星現(xiàn)在周 圍的衛(wèi)星的形成，只能以物質(zhì)從母天體飛出但沒有足夠能量完全逃脫它的引力因而聚集而成 來解釋。太陽系起源及演化-衛(wèi)星參見：大碰撞說衛(wèi)星存在于多數(shù)行星和其他太陽系天體周圍。這些天然衛(wèi)星有三個可能的來源機(jī)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），和捕獲經(jīng)過的天體。木星和土星有幾個大型衛(wèi)星，如木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和土衛(wèi)六，它們來源于環(huán)繞這 兩

23、個行星的星盤，形成的方式大概與這兩個行星從環(huán)繞太陽的星盤中形成的方式相同。這些 衛(wèi)星的巨大尺寸和它們位于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(tài)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(wèi)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(yù)期會有的特性。大部分這樣的衛(wèi)星沿其主 星自轉(zhuǎn)的相反方向繞行。最大的不規(guī)則衛(wèi)星是海王星的衛(wèi)星海衛(wèi)一，它被認(rèn)為是俘獲來的柯 伊伯帶天體。太陽系固態(tài)天體的衛(wèi)星來自碰撞和俘獲?；鹦堑膬蓚€小衛(wèi)星火衛(wèi)二和火衛(wèi)一被認(rèn)為是俘 獲來的小行星。地球的月亮被認(rèn)為是形成于一次單獨(dú)的巨大的斜撞。進(jìn)行撞擊的天體估計(jì)可 能有接近火星一樣的質(zhì)

24、量，碰撞大約發(fā)生在大撞擊結(jié)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。該次撞擊可能是形成地球的一系列合并的最后一次。過去曾進(jìn) 一步地推測約火星大小的天體曾形成于地球-太陽拉格朗日點(diǎn)中穩(wěn)定的一處（L4或L5），而 后漂離了它所處的位置。冥王星的衛(wèi)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(tǒng)是太陽系里僅有“衛(wèi)星至少占較大天體質(zhì)量的1%”中的兩例。太陽系起源及演化-未來天文學(xué)家預(yù)測，我們今天所知道的太陽系在它內(nèi)核所有的氫聚變成氦，也就是在恒星演 化的赫羅圖上從主序星過渡到紅巨星前不會發(fā)生劇烈變化。即便如此，到那時太陽系仍然會 繼續(xù)演化。長期穩(wěn)定性隨著行星軌道長期不確定

25、因子，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(tǒng)，它們處于3:2的軌道共振。盡管軌道共振是穩(wěn)定的，預(yù)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。另一個例子是地球的轉(zhuǎn)軸傾 角，受地幔與月球潮汐作用而來的摩擦力影響（見下），在今后的15到45億年間將表現(xiàn)為 混沌狀態(tài)。行星的軌道在經(jīng)過較長的時間度后將處于混沌狀態(tài)，例如整個太陽系的李亞普諾夫時間 范圍為2百萬-2.3億年。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(yù)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

26、改變中表現(xiàn)得最明顯，有些行星的軌道變得顯著地更加或更加不橢 圓。最終，太陽系會在接下的幾十億年后穩(wěn)定下來，行星不會再互相碰撞，也不會被拋出太 陽系。這之后，大概50億年左右，火星的偏心率會達(dá)到0.2，以至于它會處在一個跟地球 交會的軌道上，會導(dǎo)致潛在的碰撞。在同樣的時間區(qū)段里，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或把它送上與金星或地球相撞的道路。太陽系起源及演化-衛(wèi)-環(huán)系統(tǒng)衛(wèi)星演化是由潮汐力所驅(qū)動的。由于沿著主體行星直徑的引力差異，繞行的衛(wèi)星會在其 上面引起潮汐突起。如果衛(wèi)星是沿著行星的自轉(zhuǎn)相同方向繞行的，且行星自轉(zhuǎn)快于衛(wèi)星的繞 行周期，突起將經(jīng)常性地被牽

27、拉而領(lǐng)先于衛(wèi)星。在這種情況下，角動量被從主體行星的自轉(zhuǎn) 傳送到衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)，衛(wèi)星獲得能量，逐漸螺旋狀外移，主體行星隨著時間推移自轉(zhuǎn)會更慢。地球和月亮就是這種情況的一個例子。今天，月球潮汐鎖定于地球；它的繞地球公轉(zhuǎn)等 于它繞自己軸線的自轉(zhuǎn)，意味著它始終以同一面面向地球。月球?qū)⒊掷m(xù)遠(yuǎn)離地球，地球的轉(zhuǎn) 動將持續(xù)緩慢下來。大約500億年，如果這兩個世界都能在太陽的擴(kuò)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(nèi)看到對方。另一個例子是木星的伽利略衛(wèi)星（和 木星的很多小衛(wèi)星）和土星的許多較大衛(wèi)星。海王星和它的衛(wèi)星海衛(wèi)一，“旅行者2號”拍攝。海衛(wèi)一的軌道最終將把它帶入海王星 的洛希極限，把它撕碎

28、且可能形成一個新的環(huán)系統(tǒng)。如果衛(wèi)星公轉(zhuǎn)比主體行星自轉(zhuǎn)快或者它的公轉(zhuǎn)方向異于其主體行星的自轉(zhuǎn)方向，不同的 情況會發(fā)生。在這兩種情況下，潮汐突起落后于軌道上的衛(wèi)星。在前一種情況下，角動量的 傳送逆轉(zhuǎn)，主體行星的自轉(zhuǎn)加快，衛(wèi)星的軌道縮小。后一種情況，自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的角動量的符 號相反，所以傳送導(dǎo)致削減彼此的強(qiáng)度。在這兩種情況下，潮汐減速導(dǎo)致衛(wèi)星螺旋切近主體 行星直至其被潮汐壓力撕裂并可能生成行星環(huán)系統(tǒng)，或者墜毀到行星的表面或者其大氣層 中。這樣的命運(yùn)在等著火星的衛(wèi)星火衛(wèi)一（在3000到5000萬年間），海王星的海衛(wèi)一（在 36億年間）、海衛(wèi)三、海衛(wèi)四，木星的木衛(wèi)十五和木衛(wèi)十六，和天王星至少16個小衛(wèi)星。

29、 天王星的天衛(wèi)十甚至可能會與它相鄰的衛(wèi)星相撞。海王星的海衛(wèi)四也可能會進(jìn)入鄰近的海衛(wèi) 五的軌道。第三種可能是主體行星和衛(wèi)星彼此潮汐鎖定。這種情況下，潮汐突起將停留在衛(wèi)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。在2004年卡西尼-惠更斯號太空飛行器到臨之前，土星環(huán)曾被認(rèn)為比太陽系年輕很多， 并且不會再存在3億年。與土衛(wèi)的引力作用預(yù)計(jì)將逐漸把環(huán)的外周掃向行星，流星的摩擦和 土星的引力會清除其余的成分，留下沒有環(huán)飾的土星本體。但是“卡西尼”之旅的數(shù)據(jù)使科 學(xué)家們修正了這個早期的觀點(diǎn)。觀察顯示10公里寬的冰塊狀物質(zhì)持續(xù)破碎和重新生成，保 持環(huán)的更新。土星的環(huán)要比其它

30、巨大氣體行星的環(huán)大得多。這樣龐大的質(zhì)量據(jù)信從45億年 前土星的形成之初就保持了它的環(huán)，并將在今后的幾十億年內(nèi)繼續(xù)保持。太陽和行星環(huán)境參見：恒星演化長遠(yuǎn)來說，太陽系最大的改變將來自于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?zé)粲嘞碌娜剂?。其結(jié)果就是，太陽每11億年就會更亮 10%。在10億年的時間，隨著太陽的輻射輸出增強(qiáng)，它的適居帶就會外移，地球的表面會熱 到液態(tài)的水無法在地球表面繼續(xù)存在。此時地面上所有的生命都將絕跡。從海平面而來的水 蒸氣，一種強(qiáng)溫室氣體，可以加速溫度升高，可以潛在地更早地結(jié)束地球上的所有生命。這 時候可能火星的表面溫度逐漸升高，現(xiàn)在凍結(jié)在表

31、面土壤下的水和二氧化碳會被釋放到大氣 里，產(chǎn)生溫室效應(yīng)暖化這顆行星直到它達(dá)到今天地球一樣的條件，提供一個未來的生命的居 住場所。35億年后，地球的表面環(huán)境就會變得跟今天的金星類似。約54億年之后，太陽核心的所有的氫都會聚變成氦。核心將不再支撐得住引力塌陷，將會 開始收縮，加熱核周圍的一個外殼直到里面的氫開始聚變。這將使其外層急劇擴(kuò)張，這顆恒 星將進(jìn)入它生命中的紅巨星階段。在75億年內(nèi)，太陽會膨脹到半徑為1.2AU256倍于它 現(xiàn)在的大小。在其紅巨星分支的頂峰，因?yàn)榫蘖吭龃蟮谋砻娣e，太陽的表面會比現(xiàn)在冷卻很 多（大約2600K），它的光度會增高很多，會達(dá)到現(xiàn)在太陽光度的2700倍。在太陽成為紅

32、巨星的階段，它會產(chǎn)生很強(qiáng)的星風(fēng)，這將帶走它自身33%的質(zhì)量。在這個時候，土星的衛(wèi)星 泰坦，有可能達(dá)到可維持生命的表面溫度。當(dāng)太陽膨脹后，它會吞掉水星，而且金星很可能一并吞掉。地球的命運(yùn)還不是很清楚。 盡管太陽會吞噬地球的現(xiàn)在的軌道，這顆恒星的質(zhì)量損失（既而更弱的引力）會導(dǎo)致行星的 軌道向外移動。如果僅僅如此，金星和地球可能會逃離火海，但2008年的研究認(rèn)為地球還 是會因?yàn)榕c太陽附著不緊密的外層潮汐作用而被吞噬掉。漸漸地，太陽核心周圍殼里燃燒的氫將增大核的質(zhì)量直到達(dá)到現(xiàn)今太陽質(zhì)量的45%。此 時密度和溫度如此高以至于氦開始聚變成碳，導(dǎo)致氦閃；太陽的半徑將從約250倍縮至11 倍于現(xiàn)在（主序星）的

33、半徑。因此，它的光度會從3000倍跌至54倍于今天的水平，而其的 表面溫度則會升至約4770K。太陽將成為一顆水平分支星，平穩(wěn)地燃燒它內(nèi)核的氦，大概就 像它今天燒氫一樣。氦聚變階段將只持續(xù)1億年。最終，它還是得求諸它外層的氫和氦貯備， 并且第二次膨脹，變成漸近巨星分支星。太陽的光度會再次升高，達(dá)到今天光度的2090倍， 并且它會冷卻到大約3500K。這一階段將持續(xù)3千萬年，之后，再過10萬年的過程中，太 陽的殘留外層將失去，拋射出巨大的物質(zhì)洪流形成一個光暈（誤導(dǎo)性地）叫行星狀星云。拋 射出來的物質(zhì)將包含太陽的核反應(yīng)生成的氦和碳，繼續(xù)為未來世代的恒星而富華星際物質(zhì)以 重元素環(huán)狀星云，一個近似太陽

34、將成為的行星狀星云這是個相對平和的結(jié)局，跟超新星絕無相似，我們的太陽太小以至于不能進(jìn)行這樣的演 化。若有可能任何現(xiàn)場目睹此事的觀察者都會看到太陽風(fēng)的風(fēng)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(zhì)丟失可將幸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。之后，太陽所剩的就是一顆 白矮星，一個非常致密的天體，有它最初質(zhì)量的54%，但只有地球大小。最初，這顆白矮星 的光度大約有現(xiàn)在太陽光度的100倍。它將完全由簡并態(tài)的碳和氧組成，但將永遠(yuǎn)也不會達(dá) 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。隨著太陽的死亡，它作用于如

35、行星、彗星和小行星這些天體的引力會隨著它的質(zhì)量丟失 而減弱。如果金星、地球、和火星在這時候還生存，它的軌道會大約位于1.4、1.9和2.8AU。 它們和其它剩余的行星將成為昏暗、寒冷的外殼，完全沒有任何形式的生命。它們將繼續(xù)圍 繞他們的恒星，其速度因?yàn)榫嚯x太陽的距離增大和太陽引力的降低而減慢。二十億年后，當(dāng) 太陽冷卻到6000到8000K的范圍，太陽核心的碳和氧將冷卻，它所剩的90%的質(zhì)量將形成 結(jié)晶結(jié)構(gòu)。最終，再過數(shù)十億年，太陽將完全停止閃耀，成為黑矮星星系相互作用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(dú)自運(yùn)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(zhuǎn)，即一銀河

36、年大約在2.22.5億年 的范圍。自從太陽系的形成以來，它已經(jīng)至少這樣轉(zhuǎn)了 20周。有些科學(xué)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(dāng)太陽繞銀心公轉(zhuǎn)帶來的豎向震蕩使它規(guī)律性地經(jīng)過銀道 面。當(dāng)太陽軌道把它帶出銀道面，銀河潮汐的影響就弱一些，當(dāng)它每隔2千萬到2千5百萬 年進(jìn)入銀河盤，它就會受到遠(yuǎn)為強(qiáng)烈的“盤潮汐”的影響，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，奧爾特彗星的流 量會增大4倍，導(dǎo)致毀滅性的撞擊的可能性大大增加。但是，有其它的論說認(rèn)為太陽目前靠近銀道面，然而最后一次大滅絕發(fā)生在1千5百萬 年前。因此太陽的豎向位置不能獨(dú)自說明這樣的周期性滅絕，而這樣的滅絕是

37、發(fā)生在太陽經(jīng) 過銀河系的螺旋臂的時候。螺旋臂不但是為數(shù)眾多的，其引力可干擾奧爾特云的分子云的所 在，也是明亮的藍(lán)巨星的高度密集區(qū)所在，藍(lán)巨星存在時間短暫，劇烈爆發(fā)成超新星。星系 碰撞和行星干擾。太陽系起源及演化-仙女座星系-銀河系的碰撞盡管宇宙中絕大多數(shù)星系在遠(yuǎn)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20億年后，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(dǎo)致二者都產(chǎn)生變形。當(dāng)這樣的初始階段的干擾發(fā)生的時 候，天文學(xué)家計(jì)算出太陽系有12%的機(jī)會被從銀河系拉向外圍，有3%的機(jī)會它會被仙女座星 系引力俘獲成為它的一部分。經(jīng)過進(jìn)一步

38、的一系列的側(cè)擊，太陽系被拋出的機(jī)會達(dá)到30%， 兩個星系的超重黑洞將合并。最終，大約在70億年的時間，銀河系和仙女座星系將完成合 并形成一個巨大的橢圓星系。在合并中，如果有足夠的氣體，增加了的引力將把氣體吸引到 形成中的橢圓星系的中心。這將導(dǎo)致一個短期的密集的恒星生成時期叫星爆。此外，向內(nèi) 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。通常的誤解認(rèn)為這樣的碰撞會干擾太陽系的行星軌道。雖然經(jīng)過的恒星有可能會把行星 剝離太陽系送入星系空間，但恒星間的距離如此之巨以至于銀河系和仙女座星系的相撞對單 個的恒星系統(tǒng)的干擾是可以忽略不計(jì)的。雖然