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太阳系是怎样诞生的?

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星球研究所,一群国家地理控,专注于探索极致世界
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实在想不出人类停止探索未知的理由,

长图预警!

太阳系编年史

银河系旋臂上一个不起眼的位置

前代恒星已经死去

只留下一团气体和尘埃

没有公转、没有自转

没有源源不断的核聚变

一切都乱糟糟的

这团气体和尘埃名为

太阳星云

将是太阳的孕育之地

(本文理论主要为星云假说,其它太阳系起源假说不做讨论;下图为一处类似太阳星云的星际物质,由气体和尘埃构成的圆柱体中正孕育着新的恒星,因此得名「创生之柱」;哈勃望远镜拍摄,图片源自@NASA)

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突然

附近一颗恒星点燃了死亡的烟火

超新星爆发

炙热的气体从恒星四周喷薄而出

以每小时超过 15 万公里的速度射向太空

(WR124 恒星的爆发,哈勃望远镜拍摄,图片源自@NASA)

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超新星巨大的冲击波

引发了太阳星云的收缩

气体、尘埃间的距离越来越近

收缩开始无可避免地加速

星云的中心最终凝聚成了一个致密的天体

原恒星(太阳雏形)

混乱的星云也一下子变得秩序井然

围绕着原恒星形成一个圆盘

太阳系诞生了

时间正值

太阳纪元 1 年

(此处的年仍为地球公转一周的时间单位;下图为现在已知的一个原恒星,金牛 T 星,由智利阿塔卡马阵列观测到,图片源自@NASA)

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圆盘中的尘埃颗粒也在逐渐聚集

形成许多直径 1 到 10 公里的块状物

(行星形成过程示意图,图片源自@佐治亚大学)

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它们之间互相碰撞

又形成更大尺寸的微行星

在数万年中

就像滚雪球一样越滚越大

(行星形成过程示意图,图片源自@NASA)

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太阳纪元 1000 万年

木星、土星、天王星和海王星

四颗类木行星(外行星)的胚胎形成了

它们的轨道距离太阳较远、更加寒冷

水和甲烷等不易挥发,而以固态存在

类木行星得以捕捉到更多质量

其中最能「闹腾」的木星

胚胎状态的质量就达到了 10 个地球

1000 年后又迅速「增肥」到了 150 个地球质量

大质量意味着更大的引力

马太效应之下连氢和氦这些最轻的元素

也被它牢牢抓住

最终木星就像吹气球一样

将体积膨胀到相当于地球的 1300 多倍

相比之下

天王星、海王星就惨了

仅仅因为晚生了几百万年

「原料」中的大部分就被木星抢掠殆尽

它们的胚胎只能长到 1 倍地球质量

直到现在也比木星、土星小许多

所谓有人的地方就有江湖

看来太阳系也一样

(下图为现在的类木行星;从上至下依次为木星、土星、天王星、海王星,图片源自@Lunar and Planetary Institute)

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与此同时

原恒星内部的巨大压力

开始引发热核聚变

太阳纪元 5000 万年

原恒星的核聚变

进入绵延不绝的稳定状态

我们将这个阶段称为

主序星

(直到今天太阳依然是正值壮年的主序星;下图为 2010 年太阳动力学天文台拍摄到的太阳照片,图片源自@NASA)

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与类木行星相比

类地行星(内行星)间的竞争更加激烈

当时太阳系内的行星胚胎多达 50 到 100 个

大小从今天的月球到火星不等

然而太阳系显然没有为它们留够生存空间

碰撞、吞并、挤压势所难免

最著名的碰撞就发生在地球身上

太阳纪元 6700 万年

一颗与火星差不多大小的行星

正面撞击原始地球

(撞击想像图,图片源自@NASA)

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撞击相当惨烈

两个行星瞬间粉碎

经过很长时间才又重新聚合

形成了今天的地球和月球

这也正是今天地球、月球上的岩石成分非常接近的原因

(今天的地月实际比例与距离关系图;本图细长,不用奇怪;图中每个像素约等于 500 公里,图片源自@Melikamp)

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太阳纪元 1 亿年

惨烈的竞争终于进入尾声

四个类地行星的胚胎全部发育完成

它们距离太阳更近

水和甲烷被太阳的热量挥发、难以聚集

只有那些高熔点的物质

如铁、镍、铝等构成了它们最初的「原料」

然而这些物质只占太阳星云质量的 0.6%

所以它们都很难长得太大

(本图为现在的类地行星;从上至下依次为水星、金星、地球、火星,图片源自@Lunar and Planetary Institute)

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下面这张图可以更清楚地

揭示了类地行星、类木行星之间的大小关系

(下方最小的四个为类地行星,包括地球,图片源自@Lsmpascal)

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在激烈竞争中被「淘汰」的碎片

则在火星和木星之间形成了一个

小行星带

拥有各种天体多达 50 万颗

如果它们聚合起来

可以形成一个相当于 2-3 倍地球质量的天体

(小行星带位置示意图,其密度其实远没有图中所示那么高;图片源自@Patrick Rowe)

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至此

太阳系的行星家族已经基本形成

不过这些家族成员的相处仍然不太融洽

一直在为位次排列吵吵闹闹

直至「大打出手」

太阳纪元 5 亿年

木星和土星合作

两颗行星的巨大引力将原本离太阳更近的海王星

流放到了天王星轨道之外

正式形成了今天我们所看到的太阳系位次格局

(请将手机横屏观看,图片源自@NASA)

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外行星之间的「打闹」

对包括地球在内的内行星也产生了重大影响

尤其是行星位置移动带来的引力干扰

将大量的小行星送到内太阳系

触发了一场持续数亿年的

小行星大轰炸

今天月球上密密麻麻的陨坑就是明证

(月球背面照,由阿波罗 16 号拍摄,图片源自@NASA)

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在小行星的大轰炸中

地球也未能幸免

但也许是机缘巧合

此时的地球上居然出现了一种全新的物质形式

生命

(有理论认为地球生命源自外太空)

它彻底改变了原始地球的粗陋样貌

而显得生机勃勃

这是一个值得铭记的伟大时刻

太阳纪元 6 亿年

(2014 年的地球靓照,图片源自@NASA)

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生命诞生 40 亿年后

太阳纪元 46 亿年

也就是地球人类纪元的今天

太阳依然处于稳定、旺盛的主序星阶段

各大行星按部就班、秩序井然

除了被人类占领的地球

一切看起来都还不错

(下图为太阳系星体拼合照片,每个星球都由飞行器真实拍摄,包括旅行者号在内,图片源自@NASA)

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不过变化也在缓慢进行

随着太阳年龄的增大

它的燃烧将持续加快

大约每过 11 亿年就会提亮 10%

太阳纪元 60 亿年

地球上的大洋大海

会被灼热的太阳烤到完全干涸

生命从此绝迹

不过此消彼长

火星的表面温度也会逐渐升高

冻结在土壤下的水和二氧化碳被释放出来

暖化这颗行星

直到成为生命的乐土

(哈勃望远镜拍摄于 2003 年的火星,图片源自@NASA)

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更大尺度的事件也在悄然发生

太阳纪元 70 亿年

本星系群中两个最大的成员

银河系仙女座星系之间开始碰撞

整个过程将持续 40 亿年

最终合并为一个椭圆星系

(银河系和仙女座星系碰撞想像图,图片源自@NASA)

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太阳纪元 84 亿年

如果太阳系没有被这次星系合并摧毁

我们将在太阳系的行星上看到

你从未见过的震撼星空

(银河系和仙女座星系合并中的星空想像图,图片源自@NASA/Yvette Smith)

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太阳纪元 96 亿年

一直试图摆脱地球控制的月球

现在距离地球更远了

甚至可能一去不复返

而水星更是可能被老冤家金星的引力彻底赶出太阳系

(信使号探测器于 2013 年拍摄的水星,图片源自@NASA/Yvette Smith)

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太阳纪元 100 亿年

太阳核心里的氢都已经聚变成氦

巨大的引力导致它先是急剧塌陷

然后又迅速反弹扩张

亮度将提升到现在的 2700 倍

半径将扩大到现在的 250 倍

包括地球在内的内行星都将被它吞没

太阳的主序星阶段结束

红巨星阶段开始

与惨烈的超新星爆发相比

成为红巨星已经是太阳系的福音了

至少木星等外行星还可以继续存在一段时间

(哈勃望远镜拍摄到的红巨星爆发,图片源自@NASA)

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太阳纪元 120 亿年

经过红巨星的充分燃烧之后

太阳的一部分已经变成了星云

里面十分稀薄地分布着气体和尘埃

核心则成为一颗

白矮星

一个非常致密的天体

质量相当于最初的 54%

体积却只有地球大小

光度可以达到现在的 100 倍

(著名的天狼星联星,是地球夜空中最亮的恒星,其中位于照片左下方一颗即为白矮星,哈勃望远镜拍摄,图片源自@NASA)

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太阳纪元 150 亿年

逐渐冷却的白矮星越来越黯淡

直至完全停止闪耀

变成了一颗黑矮星

它原来施加于行星、彗星和小行星之上的引力

大部分都将消失

所有的太阳系天体一片黑暗

只剩下冰冷的外壳

太阳就此终结

行星就此终结

太阳系的一切就此终结

(黑矮星想像图,图片源自@NASA)

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不过太阳系残留的那一团气体和尘埃

已经在孕育新的「太阳」

这该死的轮回

怎么又来了

(注意图片中星云的形状,该星云绰号「上帝的中指」,哈勃望远镜拍摄,图片源自@NASA)

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