宇宙沙盤之太陽系的未來（宇宙風雲太陽系的誕生）

2023-08-01 06:13:12 1

自遠古以來，人類一直在探索宇宙形成的奧秘。然而，儘管在過去幾個世紀裡已經開始了科學革命，對太陽系形成的解釋仍由經驗主義理論主導。在16世紀到18世紀這段時間，天文學家和物理學家開始用實際證據來對的太陽、行星和宇宙的形成進行解釋。

關於太陽系的形成，最為廣泛接受的觀點被稱為星雲假說。從本質上講，這一理論認為太陽、行星和太陽系中的所有其他物體都是在數十億年前由霧狀物質形成的。最初這一理論被用來解釋太陽系的起源，而後來逐漸成為解釋所有恆星系統起源的為人所廣泛接受的觀點。

星雲假說

這一理論提出，最初太陽和太陽系中的所有行星都是由氣體分子和塵埃組成的巨大雲團。然後，大約在45.7億年前發生的一些事導致了雲團的塌縮。可能是恆星或超新星的衝擊波最終導致了雲團中心的引力崩塌。

由塌縮開始，大量灰塵和氣體開始聚集到更密集的區域。當更密集的區域吸入越來越多的物質時，由於動量守恆定律它開始旋轉，而壓力的增強也使它升溫。大部分物質最終在中心形成一個球體，而其他的物質被壓扁成圓盤，圍繞著球體旋轉。當中心的球體形成恆星時，其餘的物質將組成原行星盤。

行星中的塵埃和氣體會被吸引從而形成更大的天體。金屬和矽酸鹽的沸點較高，所以它們能以固體形式存在於靠近太陽的地方，最終形成水星、金星、地球和火星等類地行星。而金屬元素只佔太陽星雲很小的一部分，所以類地行星不會很大。

相反，那些巨行星(木星、土星、天王星和海王星)形成於火星和木星軌道之間的點之外，那裡溫度夠低，揮發性的冰冷化合物能保持固態(即霜線)。冰比金屬和矽酸鹽更豐富，所以巨行星能變得很大，從而能夠捕獲氫和氦的大氣層。而那些沒能形成行星的殘骸則聚集在小行星帶、柯伊伯帶和奧爾特雲等區域。

圖解：藝術家對早期太陽系的印象：太陽系吸積盤中粒子之間的碰撞導致了行星小行星的形成，並最終形成了行星。來源：NASA/JPL-Caltech。

5000萬年間，原恆星中心氫的氣壓和密度變得很大，足以開始熱核聚變。直到達到流體靜力平衡，溫度、反應速率、壓力和密度都在增加。所以，太陽成了主序星。來自太陽的太陽風創造了日光層，並將原行星盤上剩餘的氣體和塵埃掃到星際空間，結束了行星的形成進程。

星雲假說的歷史

太陽系起源於星雲的觀點最早是由瑞典科學家和神學家Emanuan Swedenborg在1734年提出的。熟悉他工作的Immanuel Kant進一步發展了這一理論，並在他的Universal Natural History and Theory of the Heavens (1755年)中發表了這一理論。在這篇論文中，他認為氣態雲(星雲)緩慢旋轉，由於重力逐漸塌縮和扁平，形成恆星和行星。

Pierre-Simon Laplace在他的論文Exposition du system du monde中提出了一個與之類似但更小更細緻的模型，並於1796年發布了該模型。他提出，最初太陽在整個太陽系中有高溫大氣，而這個「原恆星雲」冷卻和收縮。隨著雲旋轉得越來越快，它拋出了最終凝聚成行星的物質。

圖解：Sh 2-106星雲(簡稱S106)，天鵝座中的緻密星形成區域。來源：NASA/ESA

拉普拉斯星雲模型在19世紀被廣泛接受，但它有一些相當明顯的問題。主要問題是太陽和行星之間的角動量分布，星雲模型無法解釋這一點。此外，蘇格蘭科學家James Clerk Maxwell（1831-1879）斷言，環內部和外部之間的不同轉速不允許物質凝結。天文學家David Brewster（1781-1868）也反對這一說法，他說：

「那些相信星雲理論的人認為，地球從太陽大氣中拋出的環中獲得了固體物質和大氣，這個環後來收縮成了一個固體的水陸球體，月球也同樣被甩出…[在這種觀點下]月球一定從地球帶走了水和空氣，並且必須有大氣層。」

到20世紀初，拉普拉斯模型已經失寵，科學家們開始探索新的理論。然而，直到20世紀70年代才出現了現代為人所廣泛接受的星雲假說變體——太陽星雲盤模型（SNDM）。這歸功於蘇聯天文學家維克託·薩弗羅諾夫和他的書《Evolution of the protoplanetary cloud and formation of the Earth and the planets》（1972）。這本書幾乎闡述並解決了所有行星形成過程中的主要問題。

例如，SNDM模型成功地解釋了年輕恆星物體周圍吸積盤的出現。各種模擬也表明，這些圓盤中物質的積累導致了一些地球大小的星體的形成。因此，地球行星的起源現在被認為是差不多解決了的問題。

雖然最初只適用於太陽系，但後來理論學家認為SNDM適用於整個宇宙，它被用來解釋許多系外行星的形成。

問題

雖然星雲理論被廣泛接受，但它仍然存在一些問題，天文學家們一直未能解決。例如傾斜軸的問題。根據星雲理論，恆星周圍的所有行星都應該以與黃道相同的方式傾斜。但是，正如我們所了解的，內行星和外行星的軸向傾斜是完全不同的。

內行星的傾斜度幾乎為0，而其他行星(如地球和火星)的傾斜度很大(分別為23.4°和25°)，而外行星的傾斜度範圍從木星的小傾斜3.13°，到土星和海王星更明顯的傾斜(26.73°和28.32°)，再到天王星的極端傾斜97.77°，它的兩極始終朝向太陽。