[小科普：随我看地球 – 三十六集]

星辰工地：一部46亿年的太阳系拼装史

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陈蓉编发

作者：章纪君

星辰大海的起点

仰望夜空，繁星点点。每一颗闪烁的星辰都在诉说着宇宙的奥秘，而我们所在的太阳系，正是这个宏大故事中最动人的篇章之一。大约46亿年前，在一片混沌的星际分子云中，一场惊人的宇宙演化大戏悄然拉开帷幕。从最初的气体尘埃到如今井然有序的行星系统，太阳系的形成与演化过程充满了令人惊叹的物理奇迹和偶然机遇。

这个直径约287.46亿公里的恒星系统，不仅孕育了地球这个生命摇篮，更以其精妙的运行机制向我们展示着宇宙的基本法则。八大行星各具特色，从炽热的水星到冰冷的海王星，从坚硬的岩质行星到庞大的气体巨星，它们共同构成了一个令人叹为观止的宇宙家园。本文将带您穿越时空，探索太阳系从诞生到未来的完整历程，揭示那些隐藏在行星轨道背后的宇宙奥秘。

混沌初开 - 太阳系的诞生

我们的故事要从一片巨大的分子云(Molecular Cloud，或称星际分子云(Interstellar Molecular Cloud)说起。分子云是太阳系的摇篮，是星际空间中由气体(主要是氢气-H₂和氦气-He)和尘埃(硅酸盐、碳质颗粒、冰等)组成的低温高密度区域(图1)。其温度一般为10-50 K(即卡尔文度，相当于摄氏-263°C ～ -223°C)，接近于绝对零度(0 K = -273.15°C)。这些云的典型尺度可达数十光年，质量相当于数千到数百万个太阳。分子云内部存在湍流和磁场，使其在引力和外部扰动影响下可能发生坍缩。有趣的是，这些重元素都来自更早世代的恒星，这意味着构成我们身体的每一个原子，都可能经历过超新星爆发的洗礼。

大约46亿年前，这片星云受到了某种扰动。可能是附近超新星爆发的冲击波，也可能是银河系旋臂的密度波影响，分子云开始失去平衡，在自身引力作用下发生坍缩，形成了一个旋转的原太阳星云(Protostellar Nebula)。随着坍缩的继续，由于角动量守恒，太阳星云开始越转越快，中心温度也越来越高，原太阳星云的中心区域逐渐形成原恒星(原太阳，Proto-Sun)。当核心温度达到约1000万开尔文时，触发氢原子核发生聚变反应，四个氢核融合成一个氦核，并释放出巨大能量，我们的太阳就这样被"点燃"了！与此同时，剩余的星云物质在引力作用下形成了一个扁平的旋转盘，这就是原行星盘(Protoplanetary Disk，图2)。这个盘的温度分布极不均匀：靠近太阳的区域温度高达2000K，而外围区域则接近绝对零度。这种温度梯度将决定未来行星的基本性质，为太阳系的格局埋下了伏笔。

图2，太阳系原行星盘艺术图。图片来源：https://www.newscientist.com/article/2395992-how-asteroids-can-help-us-understand-our-place-in-the-cosmos/

行星的诞生 - 从微尘到世界

在原行星盘中，微米级的尘埃颗粒开始通过静电作用相互吸附。这些微小的团块在碰撞中逐渐长大，形成毫米级、厘米级的颗粒。当这些颗粒达到一定大小后，它们开始通过引力相互吸引，形成更大的天体。这个过程就像宇宙版的"滚雪球"游戏：小颗粒碰撞合并成更大的颗粒，更大的颗粒又吸引更多物质。经过约10万年的积累，这些天体已经成长为直径1-10公里的"星子(Planetesimals)"，也就是形成"行星胚胎(Planet Embryos)"主要物质，它们将继续通过碰撞和吸积，最终形成真正的行星。

由于原行星盘的温度梯度，太阳系内不同区域形成了性质迥异的行星：

在内太阳系(Inner Solar System, <3.5 AU，太阳的天文单位，1 AU大约等于1.5亿公里，高温使得只有高熔点的金属和硅酸盐能够保持固态。这些物质聚集形成了密度较大的岩质行星：水星、金星、地球和火星。它们体积较小但密度较高，被称为类地行星(图3)。

图3，太阳系行星排序艺术图。水星=Mercury，金星=Venus，地球=Earth，木星=Jupiter，土星=Saturn，天王星=Uranus，海王星=Neptune，内太阳系=Inner Solar System，类地行星=Terrestrial Planet, 外太阳系=Outer Solar System，气和冰巨行星=Gas and Ice Giants, 小行星带=Asteroid Belt. 图片来源：https://sciencenotes.org/how-many-planets-are-there-in-the-solar-system/

内太阳系和外太阳系为一冻结线(Frost Line, 或雪线Snow Line, ~3.5-4.5 AU)所隔。在冻结线附近，水冰可以凝结，促进巨行星核心的形成。

在外太阳系(Outer Solar System, >4.5 AU, 从小行星带延伸至太阳系边缘，包括海王星轨道外的柯伊伯带(Kuiper Belt, 约30-55天文单位)和奥尔特云(Oort Cloud, 约5万-10万天文单位)，其低温环境让挥发性物质如水、氨、甲烷等能够凝结成冰。这些"冰"与气体混合，形成了巨大的行星胚胎(Planet embryos)。木星和土星吸积了大量的氢和氦，成长为气态巨行星(Gas Giants)；而天王星和海王星则因为形成较晚，只捕获了少量气体，成为冰巨星(Ice Giants)。

早期太阳系的动荡岁月

早期的太阳系远不像今天这样稳定。根据著名的"尼斯模型-Nice Model"，巨行星们曾经上演过一场惊心动魄的"引力舞蹈"：

木星最初形成于距离太阳约3.5天文单位处，在与其他天体的引力相互作用下，它开始缓慢地向内迁移。当木星迁移到约1.5天文单位时，它与土星形成了2:1的轨道共振。这种特殊的引力关系导致木星停止内迁，并开始反向移动。这场大迁移彻底改变了太阳系的格局。木星的外迁扰动了小行星带和柯伊伯带，导致大量小天体被抛射到内太阳系。这些流浪的天体有些撞击了类地行星，有些则被抛向太阳系外围。

约40亿年前，内太阳系经历了一场恐怖的"宇宙轰炸" – 晚期重轰炸期(Late Heavy Bombardment - LHB, 图4)。在这段持续约2亿年的时期里，无数小行星和彗星如雨点般撞击类地行星。在月球上，大轰炸在月球上留下密集的陨石坑，月球表面那些巨大的环形山，如直径2500公里的南极-艾特肯盆地，就是这场轰炸的见证。地球也没能幸免，但由于活跃的地质活动，这些古老的撞击坑大多已被抹去，但这一事件对地球的生命起源和早期演化有着重要影响。这场轰炸可能给地球带来了大量的水和有机分子，为生命的诞生创造了条件。可以说，我们体内的水分子，有些可能来自40亿年前的彗星！

图4，内太阳系晚期重轰炸期艺术图。图片来源：https://sites.uml.edu/ofer-cohen/research/the-space-environment-of-the-early-solar-system/

太阳系的现状

在内太阳系，岩质行星命运多舛，从水星到火星，天地各异，冰火二重天：

水星(Mercury)：太阳最近的伙伴，表面温差极大(白天430°C，夜晚-180°C)。它有一个巨大的铁核，占其体积的85%，可能是早期剧烈碰撞剥离了大部分地幔的结果。

金星(Venus)：地球的"邪恶双胞胎"，表面温度高达470°C，大气压是地球的92倍。失控的温室效应使其成为太阳系最热的行星，连铅都会在其表面熔化。

地球(Earth)：生命绿洲，拥有独特的板块构造和大量液态水。月球的存在稳定了地球的自转轴，为生命的长期演化创造了稳定环境。

火星(Mars)：曾经的"水世界"，现在寒冷干燥。但地下可能仍存在液态水湖，使其成为寻找地外生命的热门目标。

外太阳系，从木星到海王星展现着一个奇妙世界

木星(Jupiter)：太阳系最大的行星，强大的引力场保护内太阳系免受许多彗星撞击。它那著名的大红斑风暴已经持续了至少400年。

土星(Saturn)：以其壮丽的光环系统闻名，这些环主要由冰粒和岩石碎片组成，厚度仅约10米，却绵延28万公里。土星的密度只有0.687克/立方厘米，比密度为1的水还低。如果把土星扔进一个超级太平洋，她无疑就是一个浮在水面上的硕大无朋的UFO。

天王星(Uranus)：独特的"躺着"自转，自转轴倾斜98度，可能是远古时期一次巨大撞击造成的。

海王星(Neptune)：太阳系最狂暴的风暴世界，风速可达2100公里/小时，是音速的1.7倍！

太阳系的终结命运

和人类一样，太阳系也会衰老，其寿命为100亿年左右。太阳的演化过程可分为四个主要阶段：1，原始星云阶段、2，主序星阶段、3，红巨星阶段、4，白矮星阶段‌。这一演化过程贯穿太阳从诞生到消亡的完整生命周期，目前太阳正处于主序星阶段中期。约50亿年后，太阳核心的氢将耗尽，开始燃烧氦。外层大气会急剧膨胀，成为一颗红巨星。它的半径可能扩大到现在的200倍，吞噬水星和金星，地球也将被烤成焦土。当太阳成为红巨星时，木星的卫星欧罗巴可能会变得适宜生命居住，因为冰层下的海洋将融化。也许未来的人类(如果人类还存在)会移民到那里！最终，太阳会抛掉外层物质，形成美丽的行星状星云。核心则坍缩成一颗致密的白矮星，体积与地球相当，但质量仍有太阳的一半。这颗白矮星将缓慢冷却，经过数万亿年，最终成为一块冰冷的宇宙"煤炭"。

宇宙中的奇迹家园

太阳系的演化史是一部跨越46亿年的壮丽史诗。从混沌的星云到有序的行星系统，从剧烈的碰撞到稳定的运行，每一步都充满了宇宙的智慧与偶然。我们何其幸运，能够寄宿在一个恰到好处的行星上。

随着2021年以来詹姆斯·韦伯太空望远镜等新一代观测设备的启用，以及越来越多的深空探测任务，我们正在揭开更多太阳系的秘密。每一次新的发现，都在提醒我们：这个恒星系统不仅是我们的家园，更是一本记录宇宙演化的大书，等待我们继续阅读和探索。

抬头仰望星空时，不妨想想，我们脚下的地球，不过是宇宙尘埃凝聚的奇迹，而太阳系的故事，仍在继续书写……（完）

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