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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，只能形成旋臂来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-776.html。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平的带有旋臂的园盘，从总体看星云仍在继续收缩，角动量仍然向旋臂和中心区转移，当内旋臂收缩到距中心5.2天文单位时，转速逐渐达到13.1公里/秒，自转产生的离心力和中心区的引力相平衡，旋臂就停留在这一位置而不再收缩，但中心区的物质继续快速收缩，中心区与旋臂发生断裂，中心区继续收缩形成原太阳，占星云总质量的99.8%，而四条旋臂的质量还不到0.2%，此时原太阳对旋臂仍有很强的引力作用，同样旋臂也对原太阳有牵制作用，原太阳的自转受到滞后作用，转速渐渐减慢下来，把原太阳的角动量又转移到旋臂上，这时旋臂上物质只要角动量不足还会继续向中心旋落，但到达内旋臂处就不能再落下去了，因此内旋臂物质积累越来越多，而外旋臂物质相对减少了。当四条旋臂逐个达到开普勒轨道速度就演变成四道园环，园环位置按提丢斯—彼得定则分布，分别在木、土、天、海轨道位置上，它们的角动量占星云总角动量的99.5%，这就是太阳系角动量分布奇特的原因。以此种方式形成的拉普拉斯环不存在所需角动量不足的困难。

中心区坍缩成原太阳，物质密度增大，分子间相互碰撞频繁，产生的内部压强逐渐增大，使核心处物质挤压在一起形成星核，并释放大量能量，中心温度升高，增加的热能通过对流方式向外传播，星体呈现微微放热状态，整个星云体类似猎户座KL红外源区一样的天体。星云时期的快引力收缩过程历时很短，大约几千年，我们常说太阳有50亿年的历史，大概就从这时算起吧。

2．变星时期（包括慢引力收缩过程和耀变过程） 来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-373.html

星云形成四道园环后，绝大部分质量都集中在中心区百分之一天文单位范围内，物质密度大增，分子间相互碰撞更加频繁，温度升高，压强增大来源:https://www.faithandyoung.com/cshi/202501-4989.html。当内部辐射压和自吸引力接近相等时出现准流体平衡，星体不再收缩或者仅有微小脉动收缩，太阳的雏型基本形成，中心是快速旋转的坚实星核，核外是辐射区，再往外到表面是对流层，原太阳逐渐转入慢引力收缩过程。

原太阳内部物质运动非常复杂，因物质是气态流体，与刚体大不一样，在自转中出现了许多复杂的运动状态，因惯性离心力的作用赤道物质有拉向扁平的趋势，两极处物质必向赤道方向流动，极处物质减少了，但引力的作用是维持球形水准面，所以也必有物质向两极处流去，以补充那里的物质不足，于是在赤道两侧形成旋转方向不同的涡流，并随物质流动渐渐靠近赤道，这就是有名的蝴蝶图，这种状态直保持到现在，如太阳黑子运动。随物质对流和自转相互作用，角动量向赤道转移，从而形成星体的较差自转。核心处高密高压和高温不断增加，扰乱了热平衡梯度，通过混合长把动能和热量向外传输，温度较低的物质向下沉，形成对流，并发展为从内到外的湍流。当中心温度上升到2000K时，氢不能保持分子状态，而变成原子，并吸收大量热能，促使压力骤降，抵不住引力，中心区崩陷为体积更小密度更大的内核，并产生强烈的射电辐射，这些能量辐射可从星体稀薄处穿过而到达星体表面，因而可形成一些亮条，这就是H－H式天体。

星体内部不仅有高速运动分子产生的热能，还有原子级释放的电磁能，核心温度更高，星体自转虽然减慢下来，但星核还是快速自旋，核区附近的等离子体也随之快速旋转，星体磁场产生了，磁力线从两极附近穿出，星体这时产生了射电辐射，而内部热能不断传送到表面，表面温度可达1000K，并放射红光，这种能量传递时起时伏，表面温度也就忽高忽低，表现的星等就是忽大忽小的变化。有时能量积累到一定程度还会发生猛烈地喷发，抛出物质，在几天之内星等可上升5、6个等级，这个时期相当于金牛T型变星期或者类似鲸鱼座UV型耀星期，即为耀变过程。

原太阳中心区的温度逐渐升高，当达到80万K时，氢被点燃发生核聚变，首先是氢和氘聚变为一个氦核，产生光子并释放大量核能，突然猛增千百倍能量，必将产生猛烈地喷发，星体亮度也就突然增亮好多倍，这就是耀星或新星爆发，原太阳进入耀变过程，在这期间内发生过多次猛烈地喷发，释放大量能量和抛射物质，并带走一部分角动量，比较大的喷发有四次。因太阳质量不算太大，就没有更大的全面爆发，仅仅是局部喷发而已。

喷发是从星体内部核反应区开始的，那里的星核自转非常快，可达每秒数百公里。物质具有极高的能量，因此喷出物高温高速，第一次喷出物的质量约是太阳质量的百万分之三，温度一万多度，喷出速度高达每秒616.5公里，呈熔融半流体状态，高速自旋，在飞离原太阳过程中边降温边减速，当它到达目前金星轨道处速度刚好与开普勒轨道速度同步，便留在轨道上绕原太阳运转。仅过几十年，原太阳又发生第二次喷发，喷出物比前次略多些，仍是高温熔融状态，高速自旋，初速度比前次略大，当它进入到现今的地球轨道处便绕原太阳运行。又过数百年，原太阳又发生第三次喷发，这时的星核温度进一步增高，达300万度，发生氘、锂、铍、硼等核反应，释放能量更大，喷出物质没有前两次多，但初速度却大些，其中最大的一个团块进入到现今的火星轨道上，更多的碎块遍布在木星和火星轨道之间，经过三次喷发，原太阳处于暂时休顿状态，持续几千年，但星体中心温度仍在继续升高，当达到700万度时发生四氢聚变氦的质子－质子反应，释放大量光子和能量，原太阳发生第四次猛烈喷发，这次喷发物是太阳质量的千万分之二，初速度比前三次都大，因此飞出更远，其中一块较大的喷出物撞击在天王星边缘，溅起的物质碎块抵达海王星轨道处，更多的碎块遍布太阳系空间，有的飞出海王星的外侧。这时原太阳表面温度上升到数千度，放热发光。一个光芒四射的恒星即将诞生。原太阳在变星时期大约有4亿年来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-660.html。

3．主序星时期（包括氢燃烧过程和未发生的氦燃烧过程）

原太阳经过几次耀变逐渐趋于稳定状态，进入氢燃烧过程，释放核能，星核中心核反应区温度可达1500万度，核反应出现碳氮循环反应，但大量的还是质子－质子反应，核中心密度达160克/厘米3，中心压力3.4×1016帕,抵住星体的引力收缩,达到新的热平衡梯度,不再发生喷发现象,进入相对稳定期。这时星体表面温度达5770 K，成为G型星，太阳辐射主要是电磁辐射和带电粒子流，外层大气不断发射的稳定粒子流－即太阳风，驱散星周物质，使太阳更加明朗了，成为一颗年轻的主序星。太阳在主序星期已有46亿年了。太阳活动仍在继续中，表现为11年一个周期，说明太阳还在继续演化中。当太阳中心温度达到1亿度，氦核聚变为碳核和氧核反应，进入氦燃烧过程。

4．类木行星和规则卫星的形成

宇宙、银河系、太阳系概述

往小了说，地球是我们人类的家园，而往大了说，太阳系则是我们的故乡，如果再将目光放远，我们甚至可以说宇宙就是我们的家。

的确，正是因为有了宇宙，才能够出现太阳系，而有了太阳系才能够为人类以及所有的地球生命营造出一个宜居的环境。那么这个承载了一切的宇宙是怎么诞生的？孕育了生命的太阳系又是如何形成的呢？

关于宇宙的诞生，一直以来都有很多不同的假说，但以现有的证据而言，还不能把任何一种假说作为定论，不过我们也必须承认，在所有关于宇宙形成的假说之中，宇宙大爆炸理论是证据最为充分的，也被最多人所认可的理论。当然，也有很多人对于宇宙大爆炸不以为然，那么我们不做无谓的争论，让我们从已经掌握的证据入手说说为什么宇宙诞生于大爆炸。

宇宙大爆炸理论的基本观点认为，宇宙大约诞生于138亿年以前，在此之前，时间、空间以及宇宙间的一切物质都并不存在，有的只是一个密度无限大体积无限小的奇点。

在138亿年前的某一时刻，由于某种未知的原因，奇点爆炸了，时间、空间以及物质喷涌而出，宇宙诞生并开始膨胀。与宇宙大爆炸不同，宇宙膨胀是确实观测到的结果，是已经获得充分证据的确实理论。而宇宙大爆炸假说之所以能够成为最主流的宇宙起源学说也是因为其有着较为充分的证据支持，目前能够证明宇宙大爆炸理论的证据有两个，第一个就是天体红移。何为天体红移呢？这还要从宇宙膨胀说起。宇宙从诞生以来就一直处于膨胀的过程之中，而由于空间的膨胀，所有的天体都在相互远离。

宇宙间天体的相互远离速度并不是相等的，距离越远的天体，相互远离的速度就越快。来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-432.html

相互远离的天体并不是悄无声息的，它们会在光谱上留下痕迹，而这个痕迹就被我们称之为红移现象。距离越远的天体，因膨胀而远离的速度就越快，所以红移现象也就越严重。通过天体红移现象，我们能够确认宇宙在大爆炸发生之后一直处于膨胀之中，而且是因爆炸而产生的加速膨胀。

支持宇宙大爆炸的另一个证据来自于宇宙空间背景上的微波辐射。根据宇宙大爆炸假说，宇宙爆炸之初的温度是极高的，随后开始慢慢降温，大约在宇宙诞生后三十万年左右的时间，宇宙微波背景辐射出现了，根据计算，宇宙间残存的热辐射应该在3开尔文左右，而实际测量的宇宙温度与计算相当接近，这是宇宙大爆炸理论的有力证据。

在宇宙诞生之后，整个宇宙空间不断膨胀、不断冷却，慢慢地物质开始凝聚坍缩，宇宙天体逐渐形成。

不过，我们的太阳系并不是宇宙中最早一批诞生的，现在认为宇宙的年龄大约为138亿岁，而太阳的年龄则在50亿岁左右，也就是说在宇宙诞生了80多亿年以后，太阳系才逐渐形成。

最初的太阳系实际上只不过是一片原始星云，随着时间的流逝，星云物质在相互的引力作用下来时凝聚，而星云中心物质最为密集的区域则最终凝聚成为一颗恒星，也就是我们的太阳，而外围物质稀疏的区域则形成了一系列体型较小的天体，一般认为太阳系早期，太阳系中天体的数量是非常多的，仅行星就有上百颗，后来随着不断吞并融合才最终精简到了现在的八大行星。

说太阳系并不是宇宙中最早一批诞生的星系有何证据呢？证据就在太阳系的物质构成上。

太阳系有着众多的岩质行星以及小行星，而太阳本身也是一颗金属丰度较高的恒星，而这就说明了太阳系不可能在宇宙诞生的早期出现，因为在宇宙诞生之初，宇宙之中只有氢和氦这样较轻的元素，而后随着恒星的形成，更重的元素在恒星的聚变过程中形成了，而后随着超新星爆发等更加剧烈的天体活动的出现，元素周期表上铁以上的元素也随之诞生。来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-295.html

如果太阳是宇宙诞生之后的第一代恒星，那么太阳的金属丰度绝不会如此之高，太阳系中也不会有这么多由大量较重的元素所组成的天体，所以可见，在太阳系诞生的时候，宇宙中早已经存在着大量较重的元素了。

在茫茫宇宙中，有我们肉眼看得见的群星闪烁，既有恒星、行星、卫星、流星、彗星等星体，也有我们肉眼看不见的尘埃、气体、类星体、黑洞及各种射线源等，所有这些物质通称为天体。各种天体之间既相互吸引又相互排斥，按一定的规律组合在一起不停地运动着。这些不断变化的天体组成了浩瀚的宇宙。

包含了大量恒星和无数星际物质的天体系统称为星系。太阳所在的星系叫银河系，银河系以外的其他星系统称为河外星系。

银河系是由1500亿～2000亿颗恒星和无数星际物质组成的。在晴朗的夜空，常可以看到一条群星闪烁的银灰色光带，这就是银河。其实它是一个巨大的中间厚、四周薄的旋涡状“银盘”，众多的恒星围绕着银河系的质心——银核旋转(图1-1)。银盘中央是恒星高度密集区域，近球形称为核球；银盘外围恒星稀疏呈扁球状，称为银晕。从垂直银河系平面的方向看，银盘内恒星和星际物质在磁场和密度波影响下分布并不均匀，而是由核球向外伸出的四条旋臂组成旋涡结构(图1-1B)。旋臂是银河系中恒星和星际物质的密集部位。银河系的直径约为10万光年，中心厚度约1万光年(1光年等于光在1年中所走过的路程，约为1013km)。

图1-1 银河系结构示意图

(据刘本培，2000)

太阳是银河系众多恒星中的普通一员，位于银盘中心平面(银道面)附近和一条旋臂(猎户座旋臂)的内缘，距银核约3万光年。太阳本身是一个炽热的球体，它的表面温度大约为5500℃，中心温度高达1.55×107℃，其质量约为1.989×1033g，直径可达1.39×106km；太阳的平均密度为 1.41g/cm3，中心密度为 160g/cm3，中心压力可达3.44×1015Pa。在太阳上最丰富的元素是氢，约占其总量的71%，其次为氦，约占27%。这些元素在超高温、超高压的环境下，产生热核反应，氢聚变为氦，同时释放出巨大的能量。

以太阳为中心的天体系统，称太阳系。太阳占太阳系总质量的99.87%。它以极大的引力控制着整个太阳系，使其他天体都围绕着它进行公转。在太阳系中共有八颗大的行星，按其与太阳距离的远近，依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星(图1-2)。在太阳系中还有数以万计的小行星，从1801年发现第一颗小行星以来，已经确定轨道的小行星约4000个，未能确定轨道的就更多，可能在1万个以上，小行星主要集中分布在火星与木星轨道之间来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-452.html。除此之外，在太阳系中还有彗星及行星的卫星(如月亮)等。

图1-2 太阳系八大行星轨道位置示意图

太阳系八大行星按其物理性质可分为两类：一类以地球为代表，称为类地行星，因为它们离太阳近，又叫内行星，内行星有水星、金星、地球和火星，它们的共同特点是质量和体积小，密度大，以固体物质为主，自转速度较慢；另一类以木星为代表，称类木行星，因其离太阳较远，又叫外行星，外行星有木星、土星、天王星、海王星，其共同特点是质量和体积大，密度小，以流体为主，自转速度较快(表1-1)。

地球、太阳系、银河系、宇宙的起源历来是人们关注的问题。人类最初对宇宙的认识始于美丽的神话和传说。随着人类的进步，对宇宙的认识逐渐由近而远、由表及里不断深入。特别是在牛顿力学体系下对宇宙有了一个全新的认识，形成了很多种宇宙起源假设理论。

表1-1 八大行星基本数据来源:https://yz66.net/cshi/202501-1912.html

注：-表示逆时针转。来源:https://yz66.net/cshi/202501-2136.html

当代宇宙起源假设中，大爆炸宇宙学说是最有影响的一种学说。1946年俄裔美国天文学家伽莫夫根据宇宙膨胀的现象提出了大爆炸学说，即宇宙起源于150亿年前的一次大爆炸。大爆炸发生后的大约10-43s，宇宙进入了“普朗克时代”，这个时代的物质密度、空间尺度、时间经历都处于极限状态，温度可达1032K；当温度下降到1013K时，宇宙进入了“强子时代”，这时的宇宙有大量的质子、中子和其他粒子发生强相互作用；大爆炸之后大约1s，宇宙进入“轻子时代”，以电子、中微子和其他粒子发生弱相互作用为特征，并辐射出光子；大约1min后，宇宙进入“辐射时代”，此时的温度仍高达1010K，光辐射能量达到极大值，并逐渐开始简单的核合成；核合成时期结束之后，宇宙经历了“物质时代”，当温度下降到4000～3000K时，电子和质子几乎全部结合成氢原子。至10亿年前后星系开始形成，50亿年前后出现首批恒星，太阳系的形成则在100亿年前后。

关于太阳系的起源，到目前为止已有50余种假说，可以归纳为三大类：一类为星云说，这种假说认为太阳系所有天体是由同一个星云物质形成的，其附近有超新星爆发提供核能量；另一类假说为灾变说，认为先有一个原始的太阳，在后来在另一个天体的吸引或撞击下分离出大量的物质，形成行星和卫星等天体；还有一类假说为俘获说，即先有一个原始太阳，以后太阳俘获了银河系中的其他物质，形成了行星和卫星等天体。来源:https://yz66.net/xwzx/202501-1619.html

近30年来，随着天文学的巨大进步，科学家们建立了关于现代太阳系起源的假说，基本包括以下四个阶段(图1-3)。来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-825.html

图1-3 太阳系起源四阶段图示来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-644.html

(据吴泰然等，2003)

Ⅰ.第一阶段：原始太阳气尘云与邻近的一颗即将成为超新星的星。

Ⅱ.第二阶段：超新星爆发，原始太阳气尘云在超新星影响的范围之内，并从超新星的爆发中获得能量和重元素、放射性同位素等。

Ⅲ.第三阶段：在超新星能量的推动下，太阳气尘云开始旋转并逐步形成中心的太阳。当太阳达到一定大的时候，内部开始发生热核反应，年轻的恒星，尤其是质量大的恒星开始向外抛射物质，在太阳系外围形成环绕太阳的环。

Ⅳ.第四阶段：太阳系的中间部分形成太阳，环绕太阳的环逐渐凝聚成星子，并以星子为中心逐渐形成行星，行星的卫星也有着相似的过程。

太阳系形成初期，太阳周围的原始行星云和太阳都快速地旋转着，渐渐地被磁流体动力所减缓，使太阳系中的惯量重新分配，在太阳系星云的演化中，太阳可能以电磁力或湍流对流的形成向行星转移惯量。

对太阳系起源的各种假说，都有其不完善的地方，随着科学技术的发展，人们对宇宙的认识会逐渐加深，对地球和太阳系起源的认识也一定能更切合实际。来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-791.html

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