太陽系的起源和演化

它的起源和演化的內涵涉及太陽系在何時，由何種原因，由何物質構成，經過何種方式和何種演化過程，如何導致現有各個成員天體的各自特徵及成員天體之間的差異。此外，還包括闡述具有特殊意義的地球的起源和演化。20世紀50年代，恆星的起源和演化學説取得了輝煌的成就和進展。天文學家對於太陽的誕生和演化史有了明確的認識和了解，開始了實質性地推動太陽系的起源和演化的探索。到80年代，利用紅外天文方法發現了一批具有盤狀星際氣體塵埃雲的恆星，展示出可能是正在形成中的行星系。天文學家才初步擺脱我們的太陽系是研究太陽系的起源和演化的樣本的極度困難局面，開始有了可追溯起源和演化早期階段的參照物。1992年，由於成功地藉助最新的分光技術，提高了檢測恆星視向運動速度的精度，能夠確切地發現太陽系外的行星，經過10年努力，到21世紀初已發現的外星行星超過100個。限於探測精度的技術指標，迄今檢測出的還只是大質量的類木行星，但畢竟已揭示了可進行對比的類似太陽系的外星行星系，為科學地勾畫太陽系的過去和未來的圖像開創了新的前景。研究簡史　1644年，法國科學家R.笛卡兒提出太陽、行星和衞星在太初混沌中誕生的“渦流説”。百年之後，法國天文學家G.-L.L.de布豐於1745年闡述太陽因受到彗星撞擊而形成的“災變説”。這兩個假説雖然科學價值不大，但有啓蒙作用，開啓了後世的科學探索太陽起源和演化的新曆程。1755年德國科學家I.康德和1796年法國數學家和天文學家P.-S.拉普拉斯各自獨立地提出太陽系起源的“星雲説”。這兩個假説雖然枝節上有所不同，但最主要的內涵均認為太陽和太陽系天體都起源於同一個原始星雲。隨後的百年間，“星雲説”廣為流傳，影響極大，為近代的太陽系起源和演化研究奠定了基礎。隨着天文學的進展，開始認識到“星雲説”的致命缺陷是無法解釋太陽系天體之間的角動量分佈特徵，即佔太陽系總質量的99.8％以上的太陽的角動量卻不到太陽系總角動量的1％，而不到總質量0.2%的太陽系其他天體卻擁有總角動量的99％。這樣19世紀末到20世紀上半葉，先後出現了T.C.張伯倫的“星子説”、F.R.摩耳頓的“微星説”、C.F.von魏茨澤克的“旋渦説”、G.P.柯伊伯的“原行星説”、O.Yu.施米特的“隕星説”、H.阿爾文的“電磁説”。其中“星子説”、“微星説”、“潮汐説”和“撞擊説”都認為太陽系起源於災變事件。前三者論述的是某個恆星在原始太陽附近掠過，在起潮力作用下將太陽物質拉出，或是先形成星子而後演變成行星，或是先形成微星再聚合為行星，或是物質團塊凝縮成行星。後者則是恆星與太陽撞擊，擊出的太陽物質形成行星。恆星天文和銀河系天文的進展表明，恆星世界中的碰撞天象發生的概率極小，太陽系的起源不應建立在極其罕見的事件上。隨後，“旋渦説”、“原行星説”、“隕星説”、“電磁説”等學説又都回歸到“星雲説”的範疇。“旋渦説”認為原始太陽周圍的氣體塵埃雲團轉動而變成盤狀結構，盤內的湍流形成幾條同心旋渦，最終演化成行星；“原行星説”表明星雲盤因引力不穩定性而解體為原行星，最後分別演化為類地行星和類木行星；“隕星説”認為太陽系天體原是太陽在銀河系內運行進程中俘獲的星際物質，其後再又演化為行星；“電磁説”則認為原始太陽星雲中含有大量高度電離的氣體，原始太陽在形成之初即具有磁場，星雲盤中的中性星際物質聚合為原行星，在星雲內的磁耦合機制作用下，出現今日太陽系角動量的特殊分佈和行星自轉的週期規律。到20世紀60年代，綜合多家研究成果之長而形成了現代的“原始星雲理論”。眾多學説中有諸如H.C.尤里關於星雲盤物質中的中等質量（1028克）天體形成行星、衞星、小行星和其他小天體的化學演化的論述，W.H.麥克雷對原始太陽星雲的形成和演化過程的研究，以及E.沙茲曼、A.G.W.卡梅倫、V.S.薩夫龍諾夫、F.霍伊爾等人的研究成果。如今，已在太陽的誕生和早期演化、行星和衞星的形成、太陽系的穩定性、太陽系角動量的分佈、太陽系的化學演化等領域取得公認的進展。研究進展　①太陽於50億年前誕生在原始太陽星雲中，它是銀河系內第二代或第三代的恆星。最早是星際物質因自吸引力和吸積作用形成的原始太陽。它在星際氣體塵埃中先經過坍縮過程，進入歷時僅4 000萬～5 000萬年短暫的引力收縮階段。當核心區的温度增至1 500萬度時，氫聚變的核反應啓動，從而變成自主產能的主序星太陽。②太陽系天體於50億～46億年前起源於同一原始太陽星雲，主要成分是氣體，還有佔總質量1％～2％的塵埃，圍繞中心太陽的星雲扁化為旋轉星雲盤。在吸積作用下，星雲盤物質形成行星、衞星、小行星和其他小天體。③根據天體力學推斷，在最近20億年間，行星的軌道運動沒有明顯變化，為一動力學穩定性高的系統，但小行星和其他小天體的軌道則演化較大。④幾十億年間，類地行星已經歷巨大的地質演變，面目早已今非昔比。但小天體則保留較多的太陽系形成初期的信息，變化過程緩慢。⑤類木行星的化學組成與太陽的近似。類地行星與類木行星在成分和結構上的差異是演化過程中化學分餾的結果。⑥類地行星和月球的表面上的環形山結構主要是40億年前之後的小天體隕擊所致。⑦太陽系角動量的特殊分佈是太陽磁場在磁耦合機制作用下，轉移了太陽角動量的後果。⑧太陽系的起源和演化除動力學過程外，還有原子物理、化學、電磁學以及等離子體等的綜合作用。尚存的疑難問題　除已取得的共識外，尚有許多環節和疑難有待理順和解釋，如原始太陽和星雲盤的相互作用，星雲盤物質和角動量的轉化過程，星雲盤中不穩定性過程，行星形成的吸積過程，類地行星和類木行星的形成先後順序和所用時間，類木行星的氣體吸積進程等。 ^[1]