宇宙大爆炸后90亿～92亿年（太阳系的形成）

Posted 2022-11-07 行星

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围绕着原始太阳，剩余物质形成扁平旋转的圆盘。物质变成扁平形状的事实解释了为什么行星的轨道倾角如此地接近。相对于地球轨道，水星的倾角仅为7度，而所有其他大行星的倾角均小于4度。这也解释了为什么行星在轨道上以和地球相同的方向运转。如果从太阳极区的上面看去，所有行星在以同一方向绕转。

　　甚至小行星以及柯伊伯带成员（新近发现的位于太阳系外侧深处的小天体群）也遵循大部分规则。没有小行星或者柯伊伯带天体在“错误”的方向上绕行。而最早发现的100颗小行星中仅有4颗的轨道倾角大于20度。彗星则不同，它们质量很低，易受行星摄动的影响，所以其轨道偏心率和倾角的变化范围很大。而包括哈雷彗星在内的长周期彗星是逆行的，即它们的绕行方向与行星相反，就像在交通环路上逆行的一辆汽车。

　　研究人员已经建立了复杂的模型，来说明观测到的围绕年轻恒星的圆盘是如何形成太阳系的。在离主星较近的地方，氢和其他较轻的气体被恒星风吹走，形成较小、岩质的行星。在太阳系，这类行星包括水星、金星、地球和火星，以及稍远一点的位于火星和木星轨道之间的小行星带。这里由于木星引力牵引的破坏作用，无法形成大的行星。

　　再远一点的情况则有所不同。较轻的气体没有被驱逐开，一旦有一个行星核形成，它就会收集这些气体成为巨大的大气层，从而变成一颗巨型的气态行星。在我们太阳系中木星和土星无疑是最好的例子。这些巨行星的视表面实际上就是它们大气层的顶端。这也适用于小些的大行星天王星和海王星。

　　再向外，我们来到了被小得多的天体占据的区域，这里物质较为稀少，因此此处形成的天体的大小无法达到能够吸住明显大气的临界质量。在太阳系的边缘有柯伊伯带，冥王星是其中最有名的成员，尽管它的直径2320千米比月球还小。除冥王星之外的第一个柯伊伯带天体是在1992年发现的，目前已经知道有数百个。现在冥王星被认为是这类天体中最大的一个，而非真正的大行星。离太阳更远的地方也有零星的环绕太阳的天体。在这片昏暗的地方，至少有两个天体——Quaoar和Sedna的大小与冥王星相当。

　　以上这些概况基本正确，但故事并未到此为止。当气体巨行星在圆盘中部（就像木星在太阳系中的位置）形成后，物质会被行星所扫清，从而在圆盘中形成空隙。我们可以观察到正在进行的这种过程。在围绕一些年轻恒星的圆盘中已经探测到了空隙。在这种情况下，行星和圆盘之间产生一种竞争，行星的引力将物质从圆盘中吸出，累积到行星身上；而圆盘则把物质向回拉。净效应是行星受到阻尼力进而损失能量，并向内侧朝着中心星盘旋过去。

　　一旦一颗巨行星开始向内侧移动就很难停止。要创造一种理论既允许这些行星移动到正在形成的太阳系的内侧，又防止它们落入到太阳之中的残酷结局，是一个巨大的挑战。有人提出在某些情况下这正是曾经发生的事情，而我们只是看到了在已经形成并向内侧运动直至毁灭的一长串行星中的最近的几个。但有希望的是，最近的研究已经表明巨行星最终有可能战胜圆盘，捕获周围所有的物质而避免进一步的拖曳。这时转移就会停止，巨行星找到了永久的归宿。

　　我们的太阳系似乎已经逃离了被一颗大行星犁过圆盘内侧造成的混乱时期，但这并不意味着所有东西从一开始就都是稳定的。也许一个后继的木星大小的行星会形成并向内侧运动，掉入太阳之中并毁灭。不论这些行星是否存在，最终都会形成两个大的物质团块，它们大到其引力足以捕获氢气，而两个团块将迅速增大质量形成木星和土星（土星最明显的特征：土星环，只可能在最近100万年前后生成，可能是因为一颗卫星在一次猛烈的撞击中破碎。因为固有的不稳定，它们只能再维持100万年。我们能够欣赏到这样的美景的确十分幸运）。

　　在原土星附近，同时还会有另两个团块从圆盘中凝结出来。它们小很多，所以虽然能够捕获气体，但速度要慢得多。天王星和海王星两颗大行星将从这些团块中形成。它们刚好在区分岩质行星和气态行星的临界质量之上，最初这些行星距离太阳要比现在近得多。但在木星引力以及与圆盘的相互作用的共同影响下它们逐渐向外移动到现在的位置上。这产生了戏剧般的效果。圆盘外所剩余的大部分物质过于寒冷又不足以聚集成行星大小的团块，又因为过于靠近天王星或海王星而被抛出了它稳定的轨道。它们大部分终老在太阳系最为遥远的地方，现在我们称之为奥尔特云。这是离最近的恒星都相当远的储存有巨量物质的地方，而且远离行星破坏性的引力效应的影响。

　　偶尔地，奥尔特云内的物质会被奥尔特云天体自己的相互作用或一颗经过的恒星所扰动，被投入了内太阳系。于是我们看到了流浪者般的彗星，在太阳的照耀下挥发出它们的冰态物质。这类事情现在比较少见，但在我们的故事正在讲述的这个时代，由于天王星和海王星对物质向内的牵引，这种现象经常发生。从月球上环形山的记录可以发现这个“大轰炸”的踪迹，显示出内太阳系曾经被大量小天体撞击。它们亦曾撞击过地球，但其痕迹早已被掩盖住了。