太阳系的起源和演化

关于太阳系的起源问题，核心是回答太阳系的行星及其卫星、小行星、彗星等天体是怎么起源的，而不是回答太阳的起源问题。

因为作为恒星的太阳，它的起源与一般恒星的起源大同小异。

太阳系运动特征和结构特征总结
1、在太阳系中，太阳质量占太阳系总质量的绝大部分（99.8%），其他天体的质量总和只有太阳的约0.2%。

太阳引力控制着整个太阳系，其他天体都在绕太阳公转。

除太阳外，太阳系的主要成员是大行星，在这个意义上，太阳系是一个“行星系”。

大行星根据其性质不同可分为三类：类地行星、巨行星、远日行星。

2、大行星在接近同一平面的近圆形轨道上，朝同一方向绕太阳公转，这就是行星运动的共面性、近圆性、同向性。

大质量行星的共面性、近圆性的特征更明显，而小质量行星的共面性、近圆性特征略差一点。

3、三类行星的平均密度分布特点是，类地行星最大，远日行星次之，巨行星最小。

行星质量、体积大小的分布是，巨行星最大，远日行星次之，类地行星最小。

4、大行星与太阳的距离具有规律性，可由提丢斯-波得定则表达。

5、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星的自转周期为几小时、一天左右，水星、金星的自转周期很长，分别为58.65天和243天。

多数行星自转方向与公转方向一致，但金星是逆向自转的，天王星是侧向自转的。

6、太阳系中，质量占99.8%以上的太阳的角动量只占太阳系总角动量的1%左右，而质量不到0.2%的其他天体的角动量却占99%左右。

7、除了水星和金星，其他行星都由卫星绕转，构成卫星系统。

巨行星卫星最多，远日行星次之，类地行星最少。

土星、木星、天王星有环。

8、在火星和木星轨道之间，有许多小行星，其质量约等于地球质量的万分之四，而且质量越小，小行星数目越多。

小行星的轨道倾角和偏心率彼此相差较大，自转周期多为2小时至16小时。

在地球轨道附近、木星轨道附近，甚至土星与天王星轨道之间也发现有小行星。

有几颗小行星有自己的卫星。

9、已发现约2000颗彗星，它们的轨道倾角、偏心率彼此相差很大，有些彗星轨道是抛物线，有些是双曲线。

有些彗星是逆向绕太阳运动。

10、太阳系中还有数量众多的流星体，有些流星体是成群的。

已经证实有些流星群是彗星瓦解的产物。

落到地面的流星体（陨星）的成分有差异，可分为石质陨星、铁质陨星、石铁质陨星。

行星际空间还分布有稀疏的微尘粒和气体，集中于黄道面附近，黄道光与此有关。

太阳系起源学说分类
对行星的物质来源和行星的形成方式的看法不同，有三类不同的太阳系起源学说：
1、灾变说——行星物质是因某一偶然的巨变事件从太阳中分离出来的，如当银河系中的一颗恒星走进（或碰撞）太阳时，从太阳中分离出的物质形成了行星。

2、俘获说——太阳从恒星际空间俘获的物质形成了原始行星云，行星云后来形成了行星。

3、共同形成说——整个太阳系所有天体都是由同一个原始星云形成的，星云的中心部分物质形成太阳，外围物质形成行星等天体。

俘获说和共同形成说的共同点是，行星是由星云集聚而成，因此这两种学说合称为星云说。

关于行星的形成方式，大致有四种看法：
①先形成环体，然后由环体再形成行星；
②先形成很大的原行星，原行星演化成行星；
③先凝聚成大大小小的固体块——星子，星子再集聚形成行星；
④先形成湍涡流的规则排列，在次级涡流中形成行星。

康德-拉普拉斯星云说
最早科学地提出太阳系起源学说的是德国哲学家、天文学家康德。

1755年，康德发表《自然通史和天体论》一书，首先提出太阳系起源星云说。

康德在书中指出：太阳系是由一团星云演变来的。

这团星云由大小不等的固体微粒组成，“天体在吸引力最强的地方开始形成”，引力使微粒相互接近，大微粒吸引小微粒形成较大的团块，团块越来越大，引力最强的中心部分吸引的微粒最多，首先形成太阳。

外面的微粒在太阳吸引下向中心体下落时，与其他微粒碰撞而改变方向，成为绕太阳的圆周运动，这些绕太阳运转的微粒逐渐形成几个引力中心，最后凝聚成绕太阳运转的行星。

卫星的形成过程与行星相似。

康德认为，彗星是在原始星云的外围形成，太阳对它们的引力较弱，所以彗星轨道的倾角多种多样。

行星自转是由于落在其上的质点撞击所产生的。

康德还用行星区范围的大小解释行星的质量分布。

由于当时形而上学自然观的排斥，康德的理论并没有引起人们的注意，长期被埋没。

直到1796年，法国著名数学家和天文学家拉普拉斯（P. S. Laplace）在他的《宇宙体系论》一书中，独立地提出了另一种太阳系起源的星云假说，人们才想起41年前康德已提出此理论，因而后人把此学说称为康德-拉普拉斯学说，也就是人们常说的康德--拉普拉斯星云假说。

整个十九世纪，这种学说在天文学中一直占有统治的地位。

拉普拉斯的星云说认为，形成太阳系的云是一团巨大的、灼热的、转动着的气体，大致呈球形。

由于冷却，星云逐渐收缩。

因为角动量守恒，收缩使转动速度加快，在中心引力和离心力的共同作用下，星云逐渐变为扁平的盘状。

在星云收缩中，每当离心力与引力相等时，就有部分物质留下来，演化为一个绕中心转动的环，以后又陆续形成好几个环。

最终，星云中心部分凝聚形成太阳，各个环则凝聚成各个行星。

较大的行星在凝聚过程中同样能分出一些气体物质环来形成卫星系统。

康德的星云学说主要是从哲学角度提出的，而拉普拉斯则从数学、力学角度充实了星云学说。

由于拉普拉斯在学术界的威望，以及他对星云学说的严谨论述，使得星云说在十九世纪被人们普遍接受。

当然，由于科学发展水平的限制，康德-拉普拉斯的星云学说存在不少缺点和错误。

但就总体而言，这个学说的基本思想应该说是正确的。

其他太阳系起源学说
十九世纪末到二十世纪四十年代初，由于星云说无法解释太阳系的角动量分布问题，各种灾变说一度盛行起来。

关于太阳系起源的第一个灾变说是由法国动物学家布丰于1745年提出的。

布丰受1680年大彗星接近太阳一事的启发，设想曾有一巨大的彗星掠碰到固态太阳的边缘，使太阳自传，同时碰出一些物质绕太阳旋转，这些物质最后形成行星。

这个学说否认上帝创世，一度影响很大，但在科学上它有明显的错误。

如，彗星的质量比地球要小很多，即使碰到太阳，也不可能碰出多少物质；太阳也不是固态表面；等等。

1900年，美国地质学家张伯伦提出了“星子说”。

后来他和美国天文学家摩尔顿合作，修改和完善了这个学说。

他们设想，以前有一颗恒星运行到离太阳只有几百万公里的地方，在太阳的正面和反面掀起两股巨大的潮。

从太阳喷出的物质逐渐汇合形成一个围绕太阳的气盘，然后凝聚成许多
固态质点，再聚集成被称为“星子”的固态块，最后星子聚合成行星和卫星。

1916年，英国天文学家金斯提出了著名的“潮汐说”。

他假定有一个巨大的恒星接近太阳，在这个恒星的作用下，太阳表面产生潮汐隆起物；正面的隆起物相当大，逐渐脱离太阳，形成一雪茄烟形的长条绕太阳旋转，长条内气体凝聚，进而集结成各个行星。

（这个学说后来被之后的理论计算所否定）
金斯以后的灾变说主要有：①杰佛里斯的“碰撞说”，认为另一颗恒星与太阳擦边相碰，碰出的物质形成了行星；②里特顿等人的“双星说”，认为太阳是双星的一个子星，这对双星因受第三颗恒星作用，分出物质，形成行星系；③霍伊尔等人的“超新星说”，认为太阳的伴星是超新星，它爆发出的一部分物质被太阳俘获。

为了解释太阳系的现状特点，绝大多数灾变说都要假设很多偶然因素，这恰恰是灾变说的弱点所在。

另外，这些灾变说也不能解释太阳系角动量的特殊分布问题，事实上，从太阳分离出来的炽热物质容易扩散而不是凝聚成行星。

因此，随着时间推移，这些灾变说也随之被人们否定了。

包括一些原来提倡灾变说的天文学家，后来也主张星云说了。

1944年，前苏联地球物理学家施密特提出了关于太阳系起源的一种俘获说——陨星说。

后来，爱尔兰的埃奇沃思、英国的彭德雷和威廉斯、印度的米特拉各自提出了不同的俘获说。

这些学说的共同点都是认为太阳从邻近空间或银河系中俘获物质，最后形成行星系。

1944年，德国物理学家魏茨泽克提出“漩涡说”，认为太阳形成后，被一团气体尘埃云环绕着，云因转动而变为扁盘，盘中出现湍流，形成漩涡的规则排列。

他取每个同心环内有5个漩涡，在相邻两个环之间出现的次级漩涡里形成行星。

现已证明，星云中没有足够能量来维持湍流，漩涡会很快扩散而消失，因此这种学说难于成立。

1949年，美国天文学家柯伊伯提出了“原行星说”，认为星云盘中发生引力不稳定性，瓦解为一些大的气体球——“原行星”，例如，原地球质量为现在地球质量的500倍，原木星质量为现在木星质量的20倍。

原行星中心部分的气体凝集成固体。

离太阳较近的类地原行星的外部气体被太阳辐射蒸发掉，只留下固体部分。

离太阳较远的类木原行星因质量大、温度低，能保留一部分气体，这样就解释了行星的物态。

这个学说还认为，卫星是由原行星俘获周围物质团块形成的。

太阳系起源的有关研究成果
行星际航行开始以后，太阳系起源的资料大量增加，太阳系起源研究进入了从一般的定性假说到定量分析，从探讨个别问题到对大量资料作全面、系统的综合分析研究的新时期。

虽然各种学说之间有许多差异，但在很多方面已经形成共同的认识：
①太阳系的年龄。

根据对恒星形成和演化的研究可推断出，太阳大约是50亿年前由星际云（气体尘埃云）瓦解后的一团小云（原始星云）塌缩形成的，它经历了约4000万年的引力收缩阶段，其中包括几百万年的金牛座T型变星阶段。

从地球和月球的古老岩石和陨石的同位素年代分析得知，地球和月球约在46亿年前形成。

因此，太阳系应在距今46～50亿年前形成。

②太阳系的稳定性。

这个问题虽然没有解决，但根据天体力学研究结果的推断，大行星轨道在20亿年前和现在没有很大差别；相反，小天体（小行星、彗星、流星体）的轨道则发生了较大的变化。

③大行星发生过地球史所经历的那样的地质变化，因此大行星现在的状况与形成时的状况是不同的。

小天体形成以来变质过程很少，保留了较多形成时的信息。

因此，近年来特别注意对太阳系小天体的研究。

④碳质球粒陨石的难挥发元素丰度与太阳大气相近似，一般认为木星的化学组成与太阳
大致相同，原始星云的化学组成最初是较为均一的，后来才发生化学分馏，导致各行星化学组成的差异。

⑤月球、水星和火星上的大多数凹坑，是39亿年前陨星撞击形成的。

一般认为，星云盘内的固体颗粒（尘粒和冰粒）先沉降到赤道面，形成尘层。

随着密度增加，便在尘层内形成星子。

⑥一般认为，行星系统的起源与太阳早期演化有关，太阳磁场通过磁耦合机制和沙兹曼机制使太阳角动量转移，造成太阳系角动量的特殊分布。

⑦一般认为，对太阳系起源的研究不仅要考虑动力学过程，而且应考虑原子过程、化学过程及电磁和等离子体过程，应当综合大量有关资料，并和有关学科结合，才能得到太阳系起源问题的答案。