简述太阳系的形成过程讲解

简述太阳系的形成过程

马培英

太阳系是由太阳、九大行星、卫星、小行星和彗星构成，其间还弥漫着稀薄的宇宙尘。关于太阳系的起源和演化人们已探索250多年，提出40多种假说，这些假说都是部分地解释了太阳系的某些特征，而不能全面地反映太阳系的真实面貌，故迄今为止还没有一个假说被人们所认可。研究太阳系的形成过程，必须从太阳系的基本特征入手，结合近些年来太阳系探测方面取得的成果，通过严密的数学计算，找到一条正确的解决途径。

一、太阳系的基本特征

1．各行星轨道具有共面性、同向性和近园性，大行星的规则卫星也具有此特性。各行星的轨道都在黄道面附近，除水星倾角7°和冥王星倾角17°，其余倾角都小于3°，基本上在同一个平面内，轨道方向都与太阳自转方向相同，且轨道的偏心率除水星为0.2和冥王星为0.25外其余都很小，表明轨道接近正园形。这一特点指出水星和冥王星必有和其它行星不同的形成过程。

2．各行星之间的距离遵守提丢斯—彼得定则，即a n=0.4+0.3×2n-2，n的取值为等于或大于2的正整数，表示水星时n=－∞，但是冥王星的实测值和计算值相差甚远，也说明水星和冥王星有特殊情况。人们还发现类地行星之间的距离仅相差0.3－0.5天文单位，而类木行星之间的距离都在4－10以上天文单位。

3．太阳系内各行星的自转非常有趣，一般的行星自转都与绕太阳公转的方向一致，但是金星却是逆向自转，也就是它的自转周期大于公转周期，而天王星又是躺在轨道上自转，即天王星的赤道面和公转轨道面成98°交角，表明金星和天王星必经历一次特殊的演化过程。

4．太阳系角动量的分布别具特色，太阳的质量占全系统质量的99.8%，但它的角动量仅占0.5%，而各行星和卫星总质量不到0.2%,而占全系统角动量的99.5%，这不是人们想象的分布规律，表明它有独特的形成方式。

5．太阳系的行星可分为两大类，即类木行星和类地行星，二者有着截然不同的特征，类木行星在小行星带外侧，质量大、密度小、体积大、自转快、有光环、卫星多，星体表面为液态，并有放热现象，金属物质成分少，以氢氦和挥发性物质为主，处于低温状态；类地行星在小行星带内侧，质量小、密度大、体积小、自转慢、无光环、卫星少或无，星体表面是固态，由硅酸盐和含铁物质构成，金属物质比

例大，温度比类木行星都高。两类行星的明显区别表明它们不可能是一次以同一模式形成的，而是各有不同的形成机制。

6．太阳系众多卫星明显地分为三大类，第一类是规则卫星，卫星总质量占本行星质量的万分之几或千分之几，卫星绕行星的轨道角动量总和只有行星自转角动量的百分之一，卫星距离分布也遵守提丢斯－彼得定则，卫星轨道也具有共面性和同向性。第二类是不规则卫星，其特点是卫星轨道倾角和偏心率都大，离行星距离分布不规则，还有的是逆行轨道。第三类是卫星占本行星质量比例较大，角动量也大，如月球质量是地球的1/81，而月球绕地球公转轨道的角动量是地球自转角动量的5倍多，三类不同卫星表明有三种不同模式的形成过程。

7．小行星带处在木星和火星轨道之间，约有10万余颗，总质量约为3×1024克，是地球质量的万分之五，平均密度为3.5克/厘米3，以岩石等金属元素构成，形状多不规则，一般直径在数百公里以下，小行星也有自转。它们是怎样形成的？

8．太阳系中还有一种奇特的天体－彗星，彗星和小行星截然不同，彗星的主要成分是甲烷、氨和水等挥发性物质结成冰，占80%，其余为硅酸盐和尘埃等，结构松散成脏雪球状，温度很低，在100K 以下，彗星轨道有三种，即扁长的椭圆轨道、抛物线和双曲线，当彗星走近太阳3－2天文单位开始生成彗发和彗尾，看去像个庞然大物，其实都是气体和尘埃，彗核很小，大者有十几公里，小的仅几十米。彗星分短周期彗星、长周期彗星和非周期彗星，长周期彗星和非周期彗星占已知彗星总数的五分之四，而短周期彗星仅占五分之一，短周期彗星根据轨道特点又分为木星族、土星族、天王星族和海王星族彗星。彗星都是短命的，在运行数百周或几千周就会自行解体。那么彗星究竟来自何处？

9．太阳基本概况，太阳位于太阳系的中心，质量为1.989×1033克，赤道半径69.6万公里，它的自转周期，在赤道处为25.4天，两极处为35天，太阳自转角动量为1.63×1048克·厘米2/秒，转动能为2.4×1042尔格，太阳物质构成：氢占71%，氦占27%，其它元素占2%，已发现太阳有百余种元素，和地球元素基本相同，太阳表面温度5770K，中心温度1.5×107K，太阳平均密度1.4克/厘米3，中心密度160克/厘米3，中心压力3.4×1017达因/厘米2，高温高压高密中心区是核反应区，正在进行氢燃烧，即发生质子－质子反应和碳氮循环反应，并释放大量能量，太阳辐射总功率为3.83×1026焦耳/秒，有电磁辐射和粒子辐射，高速高温的粒子辐射常称作太阳风，太阳活动有耀斑、黑子、冲浪、喷焰、爆发日珥、射电爆发和日冕中瞬变现象等，太阳活动大约11年为一个周期。

太阳系的上述特征，是每个太阳系演化学说所必须回答的，并给予合理的令人信服的解释。

二、太阳系的形成过程

太阳系的形成和太阳自身演化密不可分，太阳的形成要经历三个时期五个过程，即星云时期、变星时期和主序星时期，五个过程是冷凝收缩过程、快引力收缩过程、慢引力收缩过程、耀变过程和氢燃烧过程，而行星的形成仅仅是太阳演化过程中的副产品，也就是太阳演化到某个阶段才形成了行星和卫星等天体。这是个非常复杂的演化过程，既有规律性，又有特殊性，还有偶然性，本文只略述太阳系的形成过程，不作理论推导和复杂的数学计算，只给出计算的结果。

1．星云时期（包括冷凝收缩过程和快引力收缩过程）

太阳系是银河系的一部分，距银心2.5万光年，在猎户旋臂附近，太阳带领她的大家族以250公里/秒的速度绕银河中心旋转，周期约2亿年，50亿年之前若干亿年太阳系原始星云就在这个位置上。她是巨大的银河系原始气体云团（即星际云）冷缩断裂后分离出来的一小块星云，有初始速度和一定温度（不是高温），星云直径约3000天文单位，其实星云没有明显的边界，是个弥漫的氢气团，密度很低，约10_17克/厘米3，星云质量是太阳质量的1.5－2倍，温度在300K以下，有自转，但很慢，几乎和公转同步，星云主要成分是氢，占71%，其次是氦占27%，其它各种元素占2%，这里面包括从超新星爆发飞来的重元素和金属物质，还有挥发性物质和尘埃等。太阳系原始星云绕银河系中心运转，一开始就有角动量，在冷凝收缩过程中自转加快，就使自转不再与公转同步，又由于星云内侧和外侧到银心距离不等，在绕银心做开普勒运动时形成速度梯度，里快外慢，出现较差转动，星云在银心的潮汐力作用下发生湍动，并形成大大小小的涡流，各个涡流之间相互碰撞和兼并，又形成大的涡旋，最后形成一个更大的中心旋涡，由于星云继续缓慢的冷凝收缩，旋涡自转速度逐渐加快，大量物质开始向旋涡中心汇聚，致使中心区物质密度增大，引力增强，形成中心引力区，于是物质又在引力作用下加快向中心旋落，星云的冷凝收缩逐渐被引力收缩所代替，这时星云已由原来的3000天文单位缩至70天文单位，大约经过几十亿年的时间，其间星云体温度下降到几十K，物质损失较大，部分物质散逸到宇宙空间。

随着星云中心引力区的增强，加快了物质向中心旋落，形成了星云坍缩，进入快引力收缩过程。在星云内部物质从四面八方沿着涡旋方向迅速向中心下落，形成粗细不同的螺旋线式的物质流，星云也逐渐拉向扁平，形成阔边帽式的园盘，螺线状的物质流逐渐演变成四条旋臂，只要角动量不足就不会形成圆环，只能形成旋臂。从正面看犹如缩小的银河系，成旋涡结构，从侧面看类似NGC4594天体（M104），在平行总角动量轴的方向上收缩不受限制，坍缩迅速，增加的引力势能转变为物质的内能，而在赤道平面上收缩受到限制，这是因为受到离心加速度的作用削弱了引力，使收缩缓慢，才形成中央凸起四周扁