2.3 太阳系的起源

太阳系的构成

太阳系拥有1颗恒星、8颗行星、最少165颗卫星和一些矮行星、小行星、彗星、陨星、星际物质等。太阳系位于银河系的旋臂上，以大约两亿年的周期绕银河系的中心旋转。目前学界以“日球层”来定义太阳系的边界，其半径约合90个天文单位（一个天文单位为日地距离，约1.5×108km）。

太阳系的中心是太阳，一颗炽热的恒星。太阳的内部温度达到10～15× 106K，其能源来自内部的热核反应。组成太阳的物质主要是氢（约70%）和氦（27%），其他元素只占2.5%左右。太阳的最外部是由日冕组成的太阳大气，从日冕中升起的粒子流构成了太阳风向宇宙空间辐射，并带走了太阳热核反应的部分能量（图2-8）。太阳质量大约是太阳系全部质量的99.866%，行星的质量在太阳系中可以说是微不足道的。不可思议的是，太阳的动量和它所具有的质量却很不相称，只占太阳系总转动惯量的2%。

太阳系的行星可以分为两大类：类地行星和类木行星。靠近太阳的4颗行星（水星、金星、地球和火星）与地球的大小、物质组成和内部结构等方面都很相似，故称为类地行星亦称内行星；太阳系靠外侧的四颗行星（木星、土星、天王星和海王星），由于与木星的性质相近，称为类木行星，又成为外行星。

水星是离太阳最近的一颗行星，其直径仅为地球的2/5，表面温度为-173℃～143℃。水星的表面和月球非常相似，布满了大大小小的陨石坑（图2-9）。水星的自转速度很慢，自转周期相当于地球的59昼夜，约为公转周期的2/3。水星的密度为5.43g/cm3，与地球极为相似。

金星不仅是地球的近邻，而且各种物理参数和地球也极为相似，是地球的“姐妹”，也是行星比较地质学的主要研究对象，对研究地球的形成和演化具有重要的意义。金星的外层是浓密的大气，表面有90个大气压。大气的主要成分是CO2，温室效应使金星的表面温度高达467℃。金星的自转速度极为缓慢（周期为117地球昼夜），与其他行星不一样的是金星的自转方向与公转方向不同。从探测器获得的照片看，金星的表层由薄层的岩石（可能是玄武岩）组成。

地球稍大于金星，与其他类地行星所不同的是地球拥有液态外核和较快的自转速度，形成了很强的磁场。地球活动的外圈使外动力地质作用强烈地改造地壳的面貌，使地球的表面形态变得丰富多彩。

火星的直径相当于地球的1/2，质量相当于地球的11%，自转速度与地球接近（24小时37分），其表面温度为-28℃～-139℃。火星表面的高差可达27km，比地球的19km、金星的15.5km还大。由于表面温度很低，火星上可能广泛发育永久的冻土，但有些地方发育了典型的干涸河床（图2-11）和巨大的环形山。

木星直径约为1.43×105km，是地球直径的11.25倍，体积为地球的1316倍，质量是所有其他行星总数的2.5倍。木星的平均密度相当低，仅1.33g/cm3。木星的公转周期为12年，自转周期仅有10小时。木星没有固态外壳，它是一颗由液态氢组成的星球（图2-12）。内部可能是由铁和硅组成的固体核。1979年3月4日“旅行者1号”空间探测器飞过木星附近时发现木星像土星一样有光环，其宽度有6500km，厚30km，是由很多黑色石块组成的。

土星桔黄色的表面，漂浮着明暗相间的彩云，配以赤道面上那发出柔和光辉的光环，显得非常妩媚（图2-13）。土星自转一周为10小时14分。土星长期被当做太阳系的边界，直到1781年发现天王星以后，太阳系才得以扩大。土星大小仅次于木星，与木星有许多相似之处。其直径约为1.2×105km，是地球的9.5倍，体积是地球的730倍。但它的平均密度却比水还要小，仅有0.7g/cm3。假如将土星放入水中，它会浮在水面上。土星最引人注目的是它的光环，其厚度只有15～20km，宽度却达200000km，主要物质是石块和冰块。

天王星在太阳系中的位置排行第七，距太阳约2.9×109km。它的体积也很大，是地球的65倍，仅次于木星和土星，在太阳系中位居第三；直径约为5×104km，是地球的4倍，质量约为地球的14.5倍，其特点是自转轴与公转轨道平面平行，被称为“躺着的行星”。天王星表面温度在-200℃以下，有9条光环（图2-14）。

按距行星与太阳的平均距离由近而远排列，海王星排行第八。它的亮度为7.85等，只有在望远镜里才能看到，是一颗淡蓝色的行星（图2-15）。海王星是在19世纪经过计算发现的，半径约为地球的4倍，表面温度在-200℃以下。特点是两颗卫星以不同的方向运行。

除了八大行星以外，太阳系还有一些像冥王星、谷神星、阋神星一类的矮行星。阋神星比冥王星大约15%，从而引发了什么是行星的争议，并最终导致冥王星被“开除”出行星家族。

太阳系起源问题的假说

太阳系的起源问题同样存在着很多的未知数，从18世纪起，先后出现的各种太阳系起源的假说至少有几十种，随着近30年来科学技术的飞速发展，关于太阳系起源的问题才得到比较一致的认识。

灾变假说 法国科学家布丰（G.Buffon）于18世纪中期提出一个假说，认为行星的形成是由于太阳遭到了另一个大天体强烈的撞击，他认为这个天体可能是彗星。这是第一个关于太阳系形成的灾变假说，其后这类假说还多次被提出过，直到21世纪初还有人提出，但每次都以不成功而告终。不成功是由两个方法学的缺欠所造成的：一是把太阳的起源和行星的起源割裂开了，而所有的特征（化学组成、更主要的是同位素组成、年龄、行星只占整个太阳系质量的0.02%等事实）都表明它们有共同的起源；二是给行星的形成以偶然性，而不认为是一个有规律的过程。

康德-拉普拉斯假说 德国学者康德（I.Kant）于1755年提出的假说更具有科学意义。康德坚决与以往的宗教说法决裂，他勇敢地声明：“请给我物质，我给你们看宇宙是如何从物质组成的”。康德假说的前提是，充满宇宙的物质最初以元素质点的形式均匀分布于空间之中，然后，在万有引力的作用下开始形成物质凝聚的中心之一就是太阳；同时物质开始了旋转运动。继而，环绕太阳运动的尘埃云组成了行星（图2-16）。恩格斯在《自然辩证法》中高度评价了康德的科学贡献。

完善并给康德假说以数学基础的功绩属于法国的数学家拉普拉斯（P.S.Laplace）。因此，这个假说在后来被称为康德-拉普拉斯假说。按拉普拉斯的说法，最初存在着处于万有引力作用下旋转着的和收缩着的气状星云（在此以前不久，赫歇耳（W.Herschel）发现了这种星云），星云中有一个凝聚的中心，后来演化成太阳。随着旋转和收缩的加强，星云团成了扁的形状，并分出了环，环进一步形成凝聚中心——未来行星的胚胎（图2-17）。卫星以类似的方式在行星周围形成。最初，行星和卫星都应该是炽热的气球，只是由于后来的冷却，才有了壳和成了固体。因此拉普拉斯的宇宙假说（注意不是康德的）属于“热”宇宙假说。

摩耳顿-张伯伦假说 太阳系的一个特征参数是其转动惯量的分配，惯量由产生它的物体距太阳的远近和该物体公转的速率所决定。从太阳和行星具有共同起源出发，占整个太阳系全部质量90%以上的太阳也应有最大的转动惯量。但实际上由于太阳自转很慢，它只占有总转动惯量的2%，而行星，特别是那些巨行星，首先是木星却占有总转动惯量的98%。经典形式的康德-拉普拉斯假说不能解释这个矛盾现象。在20世纪初人们开始寻找代替的假说，英国天文学家琼斯（J.H.Jeans）的假说就是其中之一。他回到了布丰的观点，但认为组成行星的太阳物质不是彗星撞击，而是另一个行经太阳附近的星球从太阳中吸引出的结果。美国天文学家摩耳顿（F.Multon）和地质学家张伯伦（T.Chemberlen）共同提出了一个类似的假说，按这个假说，从太阳分出气体是由行经太阳附近的一颗星的强大引力作用造成的，然后在凝聚中形成微星，进一步形成小行星、行星。星子的概念在科学中站稳了脚跟，然而假说本身后来被摒弃了。

太阳俘获气-尘埃-流星云的假说 苏联学者施密特（О.Ю.Шмидт）为了走出运动惯量分布问题的死胡同，建议了一个有特色的太阳俘获气-尘埃-流星云的假说，这种云在后来凝聚成了行星。施氏的学生们继续发展了施密特假说中重要的肯定成分，他们提出了原始行星云凝聚过程的模型，原始行星云的进一步凝聚就成了后来的行星及其卫星（图2-18）。他们认为星云物质初始是冷的，所以施密特的宇宙假说与康德假说一样属于“冷”的，而不像拉普拉斯的学说那样属于“热”的宇宙假说。

在过去对太阳系起源的认识中，有三个问题困扰着科学家：其一是动量和质量的分布，为什么太阳具有太阳系全部质量的99.866%，其动量却不到2%，康德-拉普拉斯的假说正是由于不能合理地解释这个问题而困扰；其二是重元素的来源，由于太阳系比许多其他恒星包含有更多的重元素，可以推知太阳是第二代恒星，即形成太阳的气体云中包含着其他恒星经过核燃烧后散发到空间中的余烬；其三是太阳系的行星既有许多共同的特征，又有各自的特点，使得太阳系起源假说的建立更加困难。

近30年来，随着天文学的巨大进步，许多太阳系起源的问题已基本清除。人们惊讶地发现，现代太阳系起源假说似乎又回到了康德最初的思想上。天文学家成功地观测到星际之间的等离子体的成星过程，恒星的诞生主要是由于磁场和气尘云以及射线压力的反作用。这个过程发生在河外星系的悬臂的外边界，银河系也是如此。超新星的爆发可能是附近星云开始收缩的推动力，太阳系的重元素和短周期的放射性同位素可能是超新星爆发过程中强烈的核反应所形成的。现代太阳系起源假说基本包括以下四个阶段（图2-19）：

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。

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、放射性同位素等物质。

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，在太阳系的外围形成环绕太阳的环。

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，但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式向行星转移惯量。

太阳系的其他天体

小行星 位于火星和木星之间，编号命名的已有3000多颗，最大一颗谷神星的直径约1003千米。按照太阳系行星轨道与太阳的距离规律，小行星带的位置应该有一颗行星，因此一般认为小行星带的形成是太阳系形成时由于某种原因，未能积聚成大行星。小行星可能蕴涵着太阳系形成的信息（图2-20）。

彗星 彗星通常是由岩石、冰块和气体组成的，密度很小，目前已经发现的彗星有1600多颗（图2-21）。著名的哈雷彗星每76年光顾地球一次，其质量是地球的六亿分之一。彗星的轨道有椭圆、抛物线、双曲线三种，椭圆轨道的彗星又叫周期彗星。一般彗星由彗头和彗尾組成。彗头包括彗核和彗发两部分，有的还有彗云。并不是所有的彗星都有彗核、彗发、彗尾等结构。彗星的体形庞大，但其质量却很小，就连大彗星的质量也不到地球的万分之一，彗尾的密度极小，仅为10 -17g/cm3左右。由于彗星是由冰冻着的各种杂质、尘埃组成的，在远离太阳时，它只是个云雾状小斑点；而在靠近太阳时，因凝固体的蒸发、汽化、膨胀、喷发产生了彗尾。

流星和陨星 流星是行星际空间的尘粒和固体块闯入地球大气圈同大气摩擦燃烧产生的光迹。若它们在大气中未燃烧尽，落到地面后就称为“陨星”或“陨石”。流星原是围绕太阳运动的，在经过地球附近时，受地球引力的作用，改变轨道，从而进入地球的大气圈。流星有单个流星、火流星、流星雨几种。单个流星的出现时间和方向没有什么规律，又叫偶发流星。火流星也属于偶发流星，只是它出现时非常明亮，像条火龙且可能伴有爆炸声，有的甚至白天都可以看到。许多流星从星空中某一点向外辐射散开称为流星雨，著名的狮子座流星雨的辐射点就在狮子座（图2-22）。陨石是太阳系中较大的流星体闯入地球大气层后未完全燃烧尽的剩余部分，通常会给我们带来丰富的太阳系形成和演化的信息（图2-23）。