太阳系

太陽系是由太陽和受到它引力束縛而圍繞著它公转的天体组成的行星系统。太阳系大約形成於46億年前,當時一個分子雲的密集區域坍塌,形成了太陽和原行星盤。太陽是一顆典型的主序恆星,通過在其核心處的氫融合成氦的核融合來保持流體靜力平衡,並從其外層的光球層釋放出這種能量。天文學家將其歸類為G型主序星。

太陽系
太陽,行星、衛星和矮行星
(真實色彩、大小按比例、距離尺度未照比例)
年齡45.68億年
位置
  • 本地星際雲
  • 本地泡
  • 獵戶–天鵝臂
  • 銀河系
最近的恆星
  • 毗鄰星
  •  (4.2465 光年)
  • 南門二
  • (4.36光年)
行星系統
最外緣半長軸 ;行星 (海王星)30.07 AU
至古柏斷涯的距離50–70 AU
數量
恆星太陽
行星
已知的矮行星
  • 穀神星
  • 亡神星
  • 冥王星
  • 妊神星
  • 創神星
  • 鳥神星
  • 共工星
  • 鬩神星
  • 賽德娜 (小行星)
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已知的天然衛星758
已知的小行星1,368,528
已知的彗星4,591
相對銀河中心的軌道
不變的-至-星系盤面 傾角~60°, to the ecliptic
至銀河中心的距離
24,000–28,000 ly
軌道速度
720,000 km/h (450,000 mi/h)
軌道週期~230 million years
恆星特征
光譜類型G2V
凍結線~5 AU
至日球層頂的距離detected at 120 AU
希爾球半徑1.1 pc (230,000 AU)– 0.865 pc (178,419 AU)

繞太陽運行的最大天體是八顆独占轨道的标准行星,由内向外分别是四顆岩石行星(水星、金星地球火星)、兩顆氣態巨行星(木星和土星)以及兩顆冰巨行星(天王星和海王星)。目前天文學界的共識是太陽系至少有九顆矮行星:穀神星、亡神星、冥王星、妊神星、 創神星、鳥神星、共工星、鬩神星、和 賽德娜。有大量的太陽系小天體,如小行星、彗星、半人馬小行星、流星體和行星際塵雲。其中一些天體位於小行星帶(火星和木星軌道之間)和古柏帶中(海王星軌道外)。六顆行星、七顆矮行星和其他天體都有天然衛星圍繞著運行。太陽系超過99.86%的質量在太陽中,其餘近90%的質量在木星和土星中。

太陽系不斷被太陽的帶電粒子——太陽風淹沒,形成太陽圈。距離太陽約75-90AU ,太陽風停止之處,稱為日球層頂。這是太陽系到星際空間的邊界。太陽系的最外層區域是理論上的歐特雲,是長週期彗星的來源,延伸到半徑2,000–200,000 AU。距離太陽系最近的恒星——毗鄰星位於 4.25光年(269,000天文單位)處,与太阳一起都屬於銀河系的猎户臂。

名詞解釋

軌道環繞太陽的天體被分為三類:行星、矮行星、和太陽系小天體。

行星是環繞太陽且質量夠大的天體。這類天體:

  1. 有足夠的質量使本身的形狀成為球體
  2. 有能力清空鄰近軌道的小天體。

能成為行星的天體有8個:水星、金星地球火星、木星、土星天王星和海王星。

在2006年8月24日,國際天文聯合會重新定義行星這個名詞,首次將冥王星排除在大行星外,並將冥王星、穀神星和鬩神星組成新的分類:矮行星。矮行星不需要將鄰近軌道附近的小天體清除掉,其他可能成為矮行星的天體還有塞德娜、厄耳枯斯、和創神星。從第一次發現的1930年直至2006年,冥王星被當成太陽系的第九顆行星。但是在20世紀末期和21世紀初,許多與冥王星大小相似的天體在太陽系內陸續被發現,特別是鬩神星更明確的被指出比冥王星大。

環繞太陽運轉的其他天體都屬於太陽系小天體。

衛星(如月球之類的天體),由於不是環繞太陽而是環繞行星、矮行星或太陽系小天體,所以不屬於太陽系小天體。

天文學家在太陽系內以天文單位(AU)來測量距離。1AU是地球到太陽的平均距離,大約是149,597,871公里(92,955,807英里)。冥王星與太陽的距離大約是39AU,木星則約是5.2AU。最常用在測量恆星距離的長度單位是光年,1光年大約相當於63,240天文單位。行星與太陽的距離以公轉週期為周期變化著,最靠近太陽的位置稱為近日點,距離最遠的位置稱為遠日點。

有時會将太陽系非正式地分成幾個不同的區域:“內太陽系”,包括四顆類地行星和主要的小行星帶;其餘的是“外太陽系”,包含小行星帶之外所有的天體。其它的定義還有海王星以外的區域,而將四顆大型行星稱為“中間帶”。

形成與演化

過去的

太陽系至少形成於45.68億年前,來自一個大分子雲中一個區域的引力坍縮。最初坍縮的雲可能有幾光年的寬度,並且可能誕生了幾顆恆星。正如典型的分子雲一樣,這個主要由氫、一些氦和少量較重的元素融合組成,這些元素是前幾代恆星的產物。

作為前太陽星雲坍塌,角動量守恆使它旋轉得更快。大部分物質聚集的中心,其溫度變得比周圍環境越來越熱。隨著收縮的星雲旋轉得更快,它開始變得扁平,在中心形成直徑約為200 AU和炙熱、緻密的原恆星,從這個圓盤中由吸積形成的行星。塵埃和氣體在重力作用下相互吸引,聚結形成更大的物體。早期太陽系中可能存在數百顆原行星,但它們要麼合併,要麼被摧毀或彈出,留下行星、矮行星和剩餘的小天體。

由於它們的沸點較高,只有金屬和矽酸鹽可以以固體形式存在於靠近太陽的溫暖內太陽系中(在霜線內)。它們最終形成了水星、金星、地球和火星的岩石行星。因為這些難熔物質英语Refractory (planetary science)只占太陽星雲的一小部分,所以類地行星不可能長得很大。

巨行星(木星、土星、天王星和海王星)形成於霜線之外,火星和木星軌道之間的區域,在那裡物質足够冷,可以使揮發性的冰化合物保持固態。形成這些行星的冰比形成類地行星的金屬和矽酸鹽更豐富,使它們能够長得足够大,並得以捕獲氫和氦的大氣層,這是最輕、最豐富的元素。從未成為行星的殘餘碎片聚集在小行星帶、古柏帶和歐特雲等地區。

在5000萬年內,原恆星中心的壓力和密度變得足够大,足以開始氫的核融合。隨著氦在其核心積累,太陽變得越來越亮,在其主序生命的早期,它的亮度是現在的70%。溫度、反應速率、壓力和密度增加,直到達到流體靜力平衡:熱壓力抵消重力。 此時,太陽變成了一顆 主序帶的恆星。來自太陽的太陽風創造了太陽圈,並將原行星盤中剩餘的氣體和塵埃捲入星際空間。

在原行星盤消散之後,尼斯模型提出行星體和氣態巨行星之間的引力相遇導致每顆行星體遷移進入不同的軌道。這導致了整個系統的動力學不穩定,從而分散了行星體,最終將氣態巨行星置於當前位置。在此期間,大遷徙假說表明,木星的最後一次向內遷移分散了大部分小行星帶,導致了內行星的後期重轟炸期。

現在和未來

太陽系的天體遵循孤立的引力束縛軌道繞太陽保持相對穩定、緩慢演變的狀態。 儘管太陽系在數十億年的時間里一直相當穩定,但從技術上講,它是混沌的,並且最終可能會被破壞。雖然,在接下來的幾十億年裡,另一顆恆星穿過太陽系的可能性很小。但此種事件可能會破壞系統的穩定性,最終會導致數百萬年後的行星逃逸、互相碰撞或撞擊太陽,但闖入者很可能會像今天一樣離開太陽系。

太陽的主序星階段,從開始到結束,將持續大約100億年,而太陽在前原恆星生命之前和主序階段之後加起來約為20億年。太陽系將大致保持今天所知的樣子,直到太陽核心的氫完全轉化為氦,這將發生於大約50億年後。這將標誌著太陽主序壽命的結束。屆時,太陽的核心將與沿著圍繞惰性氦的殼層發生的氫融合收縮,而輸出的能量將比現在更多。太陽的外層將膨脹到其當前直徑的大約260 倍,太陽將變成紅巨星。由於太陽的表面積增加,太陽的表面會更冷,最低溫可能比主序帶時低(2,600 K(4,220 °F))。

預估膨脹的太陽將蒸發水星和金星,並使地球和火星無法居住(也可能摧毀地球)。最終,核心將足夠熱以進行氦融合;太陽燃燒氦的時間只是它在核心中燃燒氫的時間的一小部分。太陽的質量不足以開始更重元素的融合,核心中的核反應將減少。它的外層將被噴射到太空中,留下一顆緻密的白矮星,質量仍有太陽原始質量的一半,但尺度只有現今地球的大小。噴出的外層可能會形成一個行星狀星雲,將一些形成太陽的物質,但現在富含較重的元素,例如碳,返回到星際物質。

一般性質

天文學家有時將太陽系結構劃分為不同的區域。內太陽系包括水星、金星、地球、火星和小行星帶中的天體。外太陽系包括木星、土星、天王星、海王星和古柏帶中的天體。自從古柏帶被發現以來,太陽系的最外層被認為是一個由海王星外天體組成的獨特區域。

組成

太陽系的主要組成部分是太陽,這是一顆G型主序星,含有該系統已知質量的99.86%,並在引力上占主導地位。太陽四個最大的軌道體,即巨行星,占剩餘質量的99%,木星和土星加起來占90%以上。太陽系的其餘天體(包括四顆類地行星、矮行星、衛星、小行星和彗星)加起來不到太陽系總質量的0.002%

太陽由大約98%的氫和氦組成,木星和土星也是如此。太陽系中存在一個成分梯度,由早期太陽的熱量和光壓產生;那些離太陽較近的天體,受熱和光壓的影響較大,由高熔點的元素組成。離太陽較遠的天體主要由熔點較低的材料組成。在太陽系中,這些揮發性物質可以聚集的邊界被稱為霜線,它大約是地球與太陽距離的五倍。

軌道

圍繞太陽的行星軌道和其它大型天體都位於地球的軌道平面附近,該平面稱為 黃道。較小的冰冷天體(如彗星)經常以明顯更大的傾斜角度繞該平面運行。太陽系中的大多數行星都有自己的次系統,由稱為衛星的天然衛星環繞。所有最大的天然衛星都處於同步旋轉狀態,即其中一個面永久地朝向它們的母行星。四顆巨行星都有行星環,即由微小粒子組成的薄圓盤,它們一致地圍繞它們運行。

由於太陽系的形成,行星和大多數其它天體都以和太陽旋轉方向一致的方向繞著太陽旋轉。也就是說,從地球北極上方鳥瞰,為逆時針方向。但也有例外,例如 哈雷彗星。大多數較大的衛星沿順行的方向繞著它們的行星運行,與行星旋轉的方向相匹配;但海王星最大的衛星海衛一是以相反的逆行方式運行。 大多數較大的天體都圍繞自己的軸相對於它們的軌道順行方向旋轉,然而金星的旋轉是逆行的。

一個很好的第一個近似值,克卜勒行星運動定律描述了物體圍繞太陽的軌道(pp. 433–437)。這些定律規定,每個物體都沿著橢圓軌道運動,太陽在橢圓的一個焦點上,這導致物體與太陽的距離在其一年中發生變化。一個物體離太陽最近的點稱為它的「近日點」,而它離太陽最遠的地方被稱為它的「遠日點」:{{{1}}}。除了水星之外,行星的軌道幾乎都接近圓形的,但許多彗星、小行星和古柏帶天體都遵循高度橢圓的軌道。克卜勒定律只考慮了太陽引力對軌道物體的影響,而不考慮不同物體相互之間的引力。在人類的時間尺度上,這些擾動可以用數值模型來解釋:{{{1}}},但行星系統可以在數十億年的時間里發生混亂的變化。

太陽系的角動量是其所有運動部件所擁有的軌道和旋轉動量總量的量度。儘管太陽在質量上主導著該系統,但它的角動量只占總角動量2%左右。以木星為主的這些行星,由於質量、軌道和與太陽的距離相結合,佔據了其餘大部分角動量,彗星可能也做出了重大貢獻。

距離和比例尺

太陽的半徑為0.0047 AU(700,000 km;400,000 mi)。因此,太陽佔據了半徑與地球軌道大小相當的球體體積的0.00001%(107的1份),而地球的體積大約是太陽的1百萬分之一 (10−6)。最大的行星,木星距離太陽5.2 AU,半徑是71,000 km(0.00047 AU;44,000 mi),而最遙遠的行星,海王星距離太陽30 AU

除了少數例外,行星或帶離太陽越遠,其軌道與離太陽最近的物體的軌道之間的距離就越大。例如,金星大約比水星離太陽更遠0.33 AU,而土星是比木星更遠4.3 AU,海王星位於離天王星10.5 AU之處。例如提丟斯-波德定律就曾經嘗試確定這些軌道距離之間的關係,和基於柏拉圖立體的約翰內斯·開普勒的模型,但持續的發現使這些假設無效。

一些太陽系模型試圖用人類的術語來傳達太陽系所涉及的相對尺度。有些規模較小(可能是機械的,稱為太陽系儀),而另一些則延伸到城市或區域。最大的此類比例模型是瑞典太陽系模型,代表太陽的是位於瑞典斯德哥爾摩的半球形建築物,110米(361英尺)的艾維奇體育館;而且,按照此比例尺,木星是一個 7.5 米(25 英尺)的球體,位於距離40公里(25英里)遠的斯德哥爾摩阿蘭達機場,而目前最遠的天體賽德娜是在距離912公里(567英里)遠的呂勒奧,直徑10公分(4英寸)的球體。在這個比例尺下,到毗鄰星的距離大約是月球與地球距離的8倍。

如果太陽與海王星的距離縮放到100米(330英尺),那麼太陽的直徑將大約為3 cm(1.2英寸)(大約是高爾夫球直徑的三分之二),巨行星將都小於大約3 mm(0.12英寸),而地球的直徑以及其他類地行星的直徑將小於跳蚤(0.3 mm或0.012英寸)規模。

將大小和距離以不同尺度顯示的太陽系模型。相對的距離未依比例呈現。

太阳系中所選擇的天體與太陽的距離。每個條形的左右邊緣分別對應於天體近日點和遠日點,長條表示高的軌道離心率。太陽的半徑約70萬公里,木星(最大的行星)約7萬公里,都太小,在這個圖像中顯示不出來。

更近的視角

將距離縮小到只有八大行星與哈雷彗星的範圍:

若將視野縮得更小,只限於內行星的範圍:


適居性

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