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太陽(yáng)系的形成與演化

 宇宙天問 2018-12-05

折疊 編輯本段 歷史

有關(guān)世界起源和命運(yùn)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(shí)代里沒有人試圖把這樣的理論與"太陽(yáng)系"的存在聯(lián)系起來,原因很簡(jiǎn)單,因?yàn)楫?dāng)時(shí)時(shí)人一般不相信我們現(xiàn)在了解的太陽(yáng)系是存在的。邁向太陽(yáng)系演化形成理論的第一步是對(duì)日心說的廣泛認(rèn)同,該模型把太陽(yáng)放在系統(tǒng)的中心,把地球放在環(huán)繞其皮埃爾-西蒙·拉普拉斯 星云假說發(fā)起者之一皮埃爾-西蒙·拉普拉斯 星云假說發(fā)起者之一的軌道上。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(yáng)系"術(shù)語(yǔ)的使用是在1704年。

現(xiàn)今太陽(yáng)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·拉普拉斯提出之日起就屢經(jīng)采納和摒棄。對(duì)該假說重大的批評(píng)是它很明顯無法解釋太陽(yáng)相對(duì)其行星而言缺少角動(dòng)量。 然而,自從1980年代早期對(duì)新恒星的研究顯示,正如星云假想預(yù)測(cè)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(yáng)將如何繼續(xù)演化需要對(duì)它的能量之源有所認(rèn)知。亞瑟·愛丁頓對(duì)愛因斯坦的相對(duì)論的確認(rèn)導(dǎo)致他認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)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(huì)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(shí),這些元素將被回收以形成其它恒星 。

折疊 編輯本段 形成

折疊 前太陽(yáng)星云

星云假說主張?zhí)?yáng)系從一巨大的有幾光年跨度的分子云的碎片引力塌陷的過程中形成。幾十年前,傳統(tǒng)觀點(diǎn)還是認(rèn)為太陽(yáng)是在相對(duì)孤立中形成的,但對(duì)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(yáng)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(gè)區(qū)域塌陷,從而觸發(fā)了太陽(yáng)的形成。因?yàn)橹挥写筚|(zhì)量、短壽恒星才會(huì)產(chǎn)生超新星爆發(fā),太陽(yáng)一定是在一個(gè)產(chǎn)生了大質(zhì)量恒星的一個(gè)大恒星誕生區(qū)域里(可能類似于獵戶座星云)形成。

這些被稱為"前太陽(yáng)星云"的塌陷氣體區(qū)域中的一部分將形成太陽(yáng)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(yáng)。它的組成跟今天的太陽(yáng)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)。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的獵戶座星云哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的獵戶座星云

因?yàn)榻莿?dòng)量守恒,星云塌陷時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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,在引力、氣體壓力、磁場(chǎng)力和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的相互競(jìng)爭(zhēng)下,收縮的星云扁平化成了一個(gè)直徑約200AU的原行星盤,并在中心形成一個(gè)熱致密的原恒星(內(nèi)部氫聚變尚未開始的恒星)。

太陽(yáng)發(fā)展到了這一演化點(diǎn)時(shí),已被認(rèn)為是一顆金牛T星類型的恒星。對(duì)金牛T星的研究表明它們常伴以0.001-0.1太陽(yáng)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--并且相當(dāng)冷,最熱只能達(dá)到一千開爾文。

在五千萬(wàn)年內(nèi),太陽(yáng)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(yáng)成為了主序星,這是它生命中的一個(gè)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(yáng)至今還是一顆主序星 。

折疊 行星的形成

太陽(yáng)系里諸多行星均被認(rèn)為成形于"太陽(yáng)星云",而太陽(yáng)星云是太陽(yáng)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(wàn)年中大約每年增加幾厘米。

內(nèi)太陽(yáng)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能由高熔點(diǎn)的物質(zhì)形成,如鐵、、鋁和石狀硅酸鹽。這些石質(zhì)天體會(huì)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(huì)長(zhǎng)得太大。類地行星胚胎在太陽(yáng)形成100,000年后長(zhǎng)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(zhǎng)到它們今天的大小(見下面的類地行星)。藝術(shù)家想像中的太陽(yáng)星云藝術(shù)家想像中的太陽(yáng)星云

類木行星(木星、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(zhǎng)得足夠大到可以俘獲氫和氦這些最輕和最豐富的元素。凍結(jié)線以外的微行星在3百萬(wàn)年間聚集了4倍地球的質(zhì)量。今天,這四個(gè)類木行星在所有環(huán)繞太陽(yáng)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(gè)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(yáng)落去的運(yùn)動(dòng)。在效果上,凍結(jié)線起到了一個(gè)壁壘的作用,導(dǎo)致物質(zhì)在距離太陽(yáng)約5天文單位處迅速聚集。這些過多的物質(zhì)聚集成一個(gè)大約有10個(gè)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(zhǎng),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)量顯著地小可能是因?yàn)樗饶拘峭砹藥装偃f(wàn)年形成,當(dāng)時(shí)所能使用的氣體少了。

像年輕的太陽(yáng)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(yáng)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(gè)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(shí)被引述為失敗的核。對(duì)這些行星來說形成理論的主要問題是它們的形成時(shí)間。在它們目前的位置,它們的核需要數(shù)億年的時(shí)間聚集。這意味著天王星和海王星可能是在更靠近太陽(yáng)的地方形成的--位于接近甚至介于木星和土星之間--后來才向外遷移。(見下面的行星遷移)。在微行星的時(shí)代,行星運(yùn)動(dòng)并不全是向內(nèi)朝向太陽(yáng);從維爾特二號(hào)上取回的星塵樣本表明太陽(yáng)系早期形成的物質(zhì)從溫暖的太陽(yáng)系內(nèi)部向柯伊伯帶區(qū)域遷移。

過了三百萬(wàn)到一千萬(wàn)年,年輕太陽(yáng)的太陽(yáng)風(fēng)會(huì)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(zhǎng) 。

折疊 編輯本段 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?,F(xiàn)在認(rèn)為太陽(yáng)系在最初形成之后看上去跟現(xiàn)在很不一樣:在內(nèi)太陽(yáng)系有幾個(gè)至少跟金星一樣大的天體,外太陽(yáng)系也比現(xiàn)在緊密,柯伊伯帶離太陽(yáng)要近得多。

折疊 類地行星

行星形成時(shí)代結(jié)束后內(nèi)太陽(yáng)系有50-100個(gè)月球到火星大小的行星胚胎。進(jìn)一步的生長(zhǎng)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)了大約1億年。這些天體互相產(chǎn)生引力作用,互相拖動(dòng)對(duì)方的軌道直到它們相撞,長(zhǎng)得更大,直到最后我們今天所知的4個(gè)類地行星初具雛形。其中的一個(gè)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堑耐鈿ぁ?/p>

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(dāng)?shù)钠膱A形才能相撞--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(yáng)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(huì)防止類地行星的軌道變得如此偏圓。另一個(gè)假說認(rèn)為引力拖拉不是發(fā)生在行星和氣體之間,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(shí),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(gè)高密度區(qū),一個(gè)"引力喚醒",由此降低了大天體使其進(jìn)入一個(gè)更正規(guī)的軌道。

折疊 小行星帶

小行星帶位于類地行星區(qū)外圍邊緣,離太陽(yáng)2到4個(gè)AU。小行星帶開始有多于足以形成超過2到3個(gè)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(gè)月亮到火星大小的行星胚胎; 但是因?yàn)樵谀拘歉浇馕吨?yáng)形成3百萬(wàn)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(duì)小行星帶特別強(qiáng)烈,并且與更多的大質(zhì)量的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?cè)谂c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(gè)小行星帶,動(dòng)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(duì)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(yáng)系里,并在類地行星的最終聚集中發(fā)揮了作用。 在這個(gè)初始消竭時(shí)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。第二消竭階段據(jù)信是當(dāng)木星和土星進(jìn)入臨時(shí)2:1軌道共振時(shí)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(yáng)系的巨大撞擊期可能對(duì)地球從小行星帶獲取其目前的水成分( ~6×10 公斤)起到了一定的作用。水太易揮發(fā),不會(huì)在地球的形成時(shí)期就存在,一定是其后從太陽(yáng)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。2006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 。

折疊 行星遷移

根據(jù)星云假說,外層的兩個(gè)行星處于"錯(cuò)誤位置" 關(guān)于天王星 和海王星錯(cuò)誤位置可參見尼斯模型 , 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(yáng)星云的低密度和它們的更長(zhǎng)的軌道周期時(shí)間使它們的形成看似非常不合理。這兩個(gè)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模擬顯示外層行星和柯伊伯帶

外層行星的遷移對(duì)于解釋太陽(yáng)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(yáng)系延伸到柯伊伯帶、黃道離散天體奧爾特云,這三個(gè)稀疏的小冰狀天體群落被認(rèn)為是絕大多數(shù)被觀測(cè)到的彗星的起源地。以它們離太陽(yáng)的距離,在太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)近得多也致密得多,外圍邊緣離太陽(yáng)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(shí)候離太陽(yáng)要近得多(可能15-20AU),并且位置相反,天王星離太陽(yáng)要比海王星更遠(yuǎn)。

太陽(yáng)系形成之后,巨大行星的軌道持續(xù)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(jìn)入2:1共振;土星每當(dāng)木星環(huán)繞太陽(yáng)兩周才環(huán)繞太陽(yáng)一周。這一共振對(duì)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(shí)它們自己卻向外移動(dòng)。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(dòng),它們自己向內(nèi)移動(dòng)。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(yáng)系。這使得木星略微向內(nèi)移動(dòng)。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(yáng)系的歷史中并未發(fā)生顯著的遷移,因?yàn)樗鼈兊能壍涝诖笞矒羝诒3至朔€(wěn)定。

折疊 后期重轟炸和其后

外圍行星的遷移帶來的引力干擾會(huì)把大量小行星送到內(nèi)太陽(yáng)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(yáng)系形成5到6億年后的后期重轟炸。這一時(shí)期的重轟炸持續(xù)了幾億年,太陽(yáng)系內(nèi)的地質(zhì)殘?bào)w如水星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亞利桑那州的隕星坑

天文學(xué)家們相信隕石撞擊是太陽(yáng)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(hào)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(huì)對(duì)地球上的生命造成威脅。

外太陽(yáng)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(yáng)系外圍天體的表面可能經(jīng)歷過由太陽(yáng)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)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(huì)分裂,而不太激烈的碰撞產(chǎn)生的殘余物有時(shí)又會(huì)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。

折疊 編輯本段 衛(wèi)星

衛(wèi)星存在于多數(shù)行星和其他太陽(yáng)系天體周圍。這些天然衛(wèi)星有三個(gè)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(shí)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(gè)大型衛(wèi)星,如木衛(wèi)一、木衛(wèi)二木衛(wèi)三土衛(wèi)六,它們來源于環(huán)繞這兩個(gè)行星的星盤,形成的方式大概與這兩個(gè)行星從環(huán)繞太陽(yáng)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(huì)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(yáng)系固態(tài)天體的衛(wèi)星來自碰撞和俘獲?;鹦堑膬蓚€(gè)小衛(wèi)星火衛(wèi)二火衛(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)量,碰撞大約發(fā)生在大撞擊結(jié)束的時(shí)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(cè)約火星大小的天體曾形成于地球-太陽(yáng)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(yáng)系里僅有"衛(wèi)星至少占較大天體質(zhì)量的1%"中的兩例。

折疊 編輯本段 未來

天文學(xué)家預(yù)測(cè),我們今天所知道的太陽(yáng)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(huì)發(fā)生劇烈變化。即便如此,到那時(shí)太陽(yáng)系仍然會(huì)繼續(xù)演化。

折疊 長(zhǎng)期穩(wěn)定性

隨著行星軌道長(zhǎng)期不確定因子,太陽(yáng)系是混沌的。這種混沌的一個(gè)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(cè)冥王星未來1到2千萬(wàn)年(李亞普諾夫時(shí)間)的位置卻無法取得任何的精確度。另一個(gè)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(zhǎng)的時(shí)間度后將處于混沌狀態(tài),例如整個(gè)太陽(yáng)系的李亞普諾夫時(shí)間范圍為2百萬(wàn)-2.3億年。

在所有的情形下,這意味著一個(gè)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(cè)(因此,比如說,冬夏的時(shí)間變得不確定),但有些情形下軌道本身可能會(huì)劇烈變動(dòng)。這樣的混沌在軌道的偏心率改變中表現(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(yáng)系會(huì)在接下的幾十億年后穩(wěn)定下來,行星不會(huì)再互相碰撞,也不會(huì)被拋出太陽(yáng)系。這之后,大概50億年左右,火星的偏心率會(huì)達(dá)到0.2,以至于它會(huì)處在一個(gè)跟地球交會(huì)的軌道上,會(huì)導(dǎo)致潛在的碰撞。在同樣的時(shí)間區(qū)段里,水星的偏心率會(huì)更加加大,與金星的近距遭遇在理論上可能會(huì)把它完全拋出太陽(yáng)系或把它送上與金星或地球相撞的道路。

折疊 衛(wèi)-環(huán)系統(tǒng)

衛(wèi)星演化是由潮汐力所驅(qū)動(dòng)的。由于沿著主體行星直徑的引力差異,繞行的衛(wèi)星會(huì)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)常性地被牽拉而領(lǐng)先于衛(wèi)星。在這種情況下,角動(dòng)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(shí)間推移自轉(zhuǎn)會(huì)更慢。

地球和月亮就是這種情況的一個(gè)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(dòng)將持續(xù)緩慢下來。大約500億年,如果這兩個(gè)世界都能在太陽(yáng)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(gè)半球內(nèi)看到對(duì)方。另一個(gè)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)一海王星和它的衛(wèi)星海衛(wèi)一

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(huì)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(dòng)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(dòng)量的符號(hào)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(wàn)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)十五木衛(wèi)十六,和天王星至少16個(gè)小衛(wèi)星。天王星的天衛(wèi)十甚至可能會(huì)與它相鄰的衛(wèi)星相撞。海王星的海衛(wèi)四也可能會(huì)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(dòng)量的傳遞,軌道周期不會(huì)變。冥王星和卡戎就是這種情形的一個(gè)例子。

在2004年卡西尼-惠更斯號(hào)太空飛行器到臨之前,土星環(huán)曾被認(rèn)為比太陽(yáng)系年輕很多,并且不會(huì)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(huì)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(gè)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。

折疊 太陽(yáng)和行星環(huán)境

長(zhǎng)遠(yuǎn)來說,太陽(yáng)系最大的改變將來自于太陽(yáng)自身因衰老而帶來的改變。隨著太陽(yáng)燒掉它的氫供給,它會(huì)變得更熱且更快地?zé)粲嘞碌娜剂?。其結(jié)果就是,太陽(yáng)每11億年就會(huì)更亮10%。在10億年的時(shí)間,隨著太陽(yáng)的輻射輸出增強(qiáng),它的適居帶就會(huì)外移,地球的表面會(huì)熱到液態(tài)的水無法在地球表面繼續(xù)存在。此時(shí)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(shí)候可能火星的表面溫度逐漸升高,現(xiàn)在凍結(jié)在表面土壤下的水和二氧化碳會(huì)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(gè)未來的生命的居住場(chǎng)所。35億年后,地球的表面環(huán)境就會(huì)變得跟今天的金星類似。

約54億年之后,太陽(yáng)核心的所有的氫都會(huì)聚變成氦。核心將不再支撐得住引力塌陷,將會(huì)開始收縮,加熱核周圍的一個(gè)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76億年內(nèi),太陽(yáng)會(huì)膨脹到半徑為1.2AU--256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(yáng)的表面會(huì)比現(xiàn)在冷卻很多(大約2600K), 它的光度會(huì)增高很多,會(huì)達(dá)到現(xiàn)在太陽(yáng)光度的2700倍。在太陽(yáng)成為紅巨星的階段,它會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的星風(fēng),這將帶走它自身33%的質(zhì)量。

當(dāng)太陽(yáng)膨脹后,水星和金星差不多一定會(huì)被吞噬掉。地球的命運(yùn)還不是很清楚。盡管太陽(yáng)會(huì)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(huì)導(dǎo)致行星的軌道向外移動(dòng)。如果僅僅如此,地球可能會(huì)逃離火海,但2008年的研究認(rèn)為地球還是會(huì)因?yàn)榕c太陽(yáng)附著不緊密的外層潮汐作用而被吞噬掉。 在這個(gè)時(shí)候,柯伊伯帶的冥王星和凱倫,有可能達(dá)到可維持生命的表面溫度。環(huán)狀星云,一個(gè)近似太陽(yáng)將成為的行星狀星云環(huán)狀星云,一個(gè)近似太陽(yáng)將成為的行星狀星云

漸漸地,太陽(yáng)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(yáng)質(zhì)量的45%。此時(shí)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(yáng)的半徑將從約250倍縮至11倍于現(xiàn)在(主序星)的半徑。因此,它的光度會(huì)從3000倍跌至54倍于今天的水平,而其的表面溫度則會(huì)升至約4770K。太陽(yáng)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(yáng)的光度會(huì)再次升高,達(dá)到今天光度的2090倍,并且它會(huì)冷卻到大約3500K。這一階段將持續(xù)3千萬(wàn)年,之后,再過10萬(wàn)年的過程中,太陽(yáng)的殘留外層將失去,拋射出巨大的物質(zhì)洪流形成一個(gè)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(yáng)的核反應(yīng)生成的氦和碳,繼續(xù)為未來世代的作為主序星的太陽(yáng)和將來成為紅巨星的太陽(yáng)作為主序星的太陽(yáng)和將來成為紅巨星的太陽(yáng)恒星而富華星際物質(zhì)以重元素。

這是個(gè)相對(duì)平和的結(jié)局,跟超新星絕無相似,我們的太陽(yáng)太小以至于不能進(jìn)行這樣的演化。若有可能任何現(xiàn)場(chǎng)目睹此事的觀察者都會(huì)看到太陽(yáng)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(huì)相撞,有一部分會(huì)從太陽(yáng)系拋出去,剩下的則會(huì)被潮汐作用撕裂。之后,太陽(yáng)所剩的就是一顆白矮星,一個(gè)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(yáng)光度的100倍。它將完全由簡(jiǎn)并態(tài)的碳和氧組成, 但將永遠(yuǎn)也不會(huì)達(dá)到可以聚變這些元素的溫度。因此白矮星太陽(yáng)將逐漸冷卻,越來越黯淡。

隨著太陽(yáng)的死亡,它作用于如行星、彗星和小行星這些天體的引力會(huì)隨著它的質(zhì)量丟失而減弱。 如果地球和火星在這時(shí)候還生存,它的軌道會(huì)大約位于1.85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(yáng)的距離增大和太陽(yáng)引力的降低而減慢。二十億年后,當(dāng)太陽(yáng)冷卻到6000到8000K的范圍,太陽(yáng)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(yáng)將完全停止閃耀,成為黑矮星。

折疊 編輯本段 星系相互作用

太陽(yáng)系沿著一個(gè)距離銀河系銀心大約3萬(wàn)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(yáng)系繞銀心完成一周公轉(zhuǎn),即一銀河年大約在2.2~2.5億年的范圍。自從太陽(yáng)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(cè)太陽(yáng)系在銀河系中的路徑是在地球上化石記錄中觀測(cè)到的周期性生物集群滅絕的一個(gè)因素。一個(gè)假說建議當(dāng)太陽(yáng)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(yáng)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(wàn)到2千5百萬(wàn)年進(jìn)入銀河盤,它就會(huì)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(huì)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(yáng)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(wàn)年前。因此太陽(yáng)的豎向位置不能獨(dú)自說明這樣的周期性滅絕,而這樣的滅絕是發(fā)生在太陽(yáng)經(jīng)過銀河系的螺旋臂的時(shí)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(shí)間短暫,劇烈爆發(fā)成超新星。

星系碰撞和行星干擾

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(shí)候,天文學(xué)家計(jì)算出太陽(yáng)系有12%的機(jī)會(huì)被從銀河系拉向外圍,有3%的機(jī)會(huì)它會(huì)被仙女座星系引力俘獲成為它的一部分。 經(jīng)過進(jìn)一步的一系列的側(cè)擊,太陽(yáng)系被拋出的機(jī)會(huì)達(dá)到30%,兩個(gè)星系的超重黑洞將合并。最終,大約在70億年的時(shí)間,銀河系和仙女座星系將完成合并形成一個(gè)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(gè)短期的密集的恒星生成時(shí)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(gè)活動(dòng)星系核。這些相互作用將有可能把太陽(yáng)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(huì)干擾太陽(yáng)系的行星軌道。雖然經(jīng)過的恒星有可能會(huì)把行星剝離太陽(yáng)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(duì)單個(gè)的恒星系統(tǒng)的干擾是可以忽略不計(jì)的。雖然太陽(yáng)系作為一個(gè)整體可能會(huì)被這些事件影響,太陽(yáng)和行星本身預(yù)計(jì)不會(huì)受到干擾。

但是,隨著時(shí)間的流逝,遭遇另一顆恒星的累計(jì)概率增加,對(duì)行星的干擾無可避免。假設(shè)宇宙末日的大擠壓大撕裂不會(huì)發(fā)生,有計(jì)算認(rèn)為途經(jīng)的恒星在會(huì)1千萬(wàn)億年內(nèi)完全剝?nèi)ニ劳龅奶?yáng)的所有行星。這標(biāo)志著太陽(yáng)系的終結(jié)。雖然太陽(yáng)和行星可能會(huì)存在下去,但太陽(yáng)系,無論是在任何意義上都將不復(fù)存在。

折疊 編輯本段 年代

太陽(yáng)系的形成的時(shí)間框架是用放射性同位素測(cè)定方法測(cè)定的??茖W(xué)家估計(jì)太陽(yáng)系大約46億歲。地球上最老的已知的礦物顆粒大約44億歲。 因?yàn)榈厍虮砻娼?jīng)常性地被侵蝕作用、火山活動(dòng)和板塊運(yùn)動(dòng)改造,這樣老的巖石比較稀少。科學(xué)家用在太陽(yáng)星云早期凝縮中形成的隕石來估計(jì)太陽(yáng)系的年齡。幾乎所有的隕石 (見 魔谷隕石)都被發(fā)現(xiàn)有46億歲,顯示太陽(yáng)系大約至少也是這樣老。

對(duì)其它恒星的星盤研究對(duì)太陽(yáng)系形成的時(shí)間表的建立也有頗多貢獻(xiàn)。1百萬(wàn)到3百萬(wàn)歲的恒星多富含氣體,而超過1千萬(wàn)年的恒星星盤含很少到幾乎沒有氣體,顯示它內(nèi)部的巨大氣體行星已經(jīng)停止生成。

折疊 編輯本段 太陽(yáng)系演化時(shí)序表

注: 此年表中所有時(shí)間和年代都應(yīng)只被視作數(shù)量級(jí)指標(biāo)。

階段

距離太陽(yáng)形成的時(shí)間

事件

前太陽(yáng)系

太陽(yáng)系形成前數(shù)十億年前代的恒星生存和死亡,把重元素拋出成為星際物質(zhì),太陽(yáng)系從中形成。

太陽(yáng)系形成前~5×10年

如果太陽(yáng)系在一個(gè)獵戶座大星云一樣的恒星形成區(qū)形成,質(zhì)量大的恒星經(jīng)歷形成、過其一生、死亡、并且爆發(fā)成超新星。其中一顆超新星觸發(fā)了太陽(yáng)系的形成。

太陽(yáng)系的形成0–1×10年前太陽(yáng)星云形成并且開始坍縮。太陽(yáng)開始形成。
1×10–5×10年太陽(yáng)是一顆金牛T星類型的原恒星。
1×10年外圍行星形成。10年,原恒星盤中的氣體被吹走,外圍行星形成可能完成。

1×10年

類地行星和衛(wèi)星形成。大碰撞開始,地球上被送來水。

主序星5×10年太陽(yáng)成為一顆主序星。
2×10 年地球上最古老的巖石形成。
5–6×10年木星和土星的軌道共振把海王星移到了柯伊伯帶。后期重轟炸期在內(nèi)太陽(yáng)系開始。
8×10 年地球上出現(xiàn)已知最早的生命。
4.6×10 年今天,太陽(yáng)仍是一顆主序星,每10年變暖變熱約10% 。
6×10 年太陽(yáng)適居帶挪出地球的軌道,可能移向火星軌道。

7×10 年

銀河系和仙女座星系開始仙女-銀河碰撞。在兩個(gè)星系完全合并前太陽(yáng)系有微小的可能被仙女座俘獲。

后主序星10–12×10年太陽(yáng)耗盡其核里的氫,結(jié)束主序階段生命。太陽(yáng)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(yáng)成為紅巨星。水星、金星和地球可能被吞沒。

~12×10 年

太陽(yáng)經(jīng)過氦燃燒的水平分支和漸近巨星分支階段,在后主序期丟失質(zhì)量的30%。漸近巨星分支期以噴射行星狀星云結(jié)束,留下太陽(yáng)的核心成為一顆白矮星。

太陽(yáng)殘骸>12×10 年白矮星太陽(yáng)不再產(chǎn)生能量,開始持續(xù)冷卻和暗淡下來,最終走向黑矮星階段。

10年

太陽(yáng)冷卻到5K。經(jīng)過的恒星引力把行星從軌道上剝離,太陽(yáng)系不復(fù)存在。

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