太阳系如何形成？科学家给出了多种回答，其中星云假说被广泛接受

故事 07-11 来源：天文在线

自远古以来，人类一直在探索宇宙形成的奥秘。然而，尽管在过去几个世纪里已经开始了科学革命，对太阳系形成的解释仍由经验主义理论主导。在16世纪到18世纪这段时间，天文学家和物理学家开始用实际证据来对的太阳、行星和宇宙的形成进行解释。

关于太阳系的形成，最为广泛接受的观点被称为星云假说。从本质上讲，这一理论认为太阳、行星和太阳系中的所有其他物体都是在数十亿年前由雾状物质形成的。最初这一理论被用来解释太阳系的起源，而后来逐渐成为解释所有恒星系统起源的为人所广泛接受的观点。

星云假说

这一理论提出，最初太阳和太阳系中的所有行星都是由气体分子和尘埃组成的巨大云团。然后，大约在45.7亿年前发生的一些事导致了云团的塌缩。可能是恒星或超新星的冲击波最终导致了云团中心的引力崩塌。

由塌缩开始，大量灰尘和气体开始聚集到更密集的区域。当更密集的区域吸入越来越多的物质时，由于动量守恒定律它开始旋转，而压力的增强也使它升温。大部分物质最终在中心形成一个球体，而其他的物质被压扁成圆盘，围绕着球体旋转。当中心的球体形成恒星时，其余的物质将组成原行星盘。

行星中的尘埃和气体会被吸引从而形成更大的天体。金属和硅酸盐的沸点较高，所以它们能以固体形式存在于靠近太阳的地方，最终形成水星、金星、地球和火星等类地行星。而金属元素只占太阳星云很小的一部分，所以类地行星不会很大。

相反，那些巨行星(木星、土星、天王星和海王星)形成于火星和木星轨道之间的点之外，那里温度够低，挥发性的冰冷化合物能保持固态(即霜线)。冰比金属和硅酸盐更丰富，所以巨行星能变得很大，从而能够捕获氢和氦的大气层。而那些没能形成行星的残骸则聚集在小行星带、柯伊伯带和奥尔特云等区域。

图解：艺术家对早期太阳系的印象：太阳系吸积盘中粒子之间的碰撞导致了行星小行星的形成，并最终形成了行星。来源：NASA/JPL-Caltech。

5000万年间，原恒星中心氢的气压和密度变得很大，足以开始热核聚变。直到达到流体静力平衡，温度、反应速率、压力和密度都在增加。所以，太阳成了主序星。来自太阳的太阳风创造了日光层，并将原行星盘上剩余的气体和尘埃扫到星际空间，结束了行星的形成进程。

星云假说的历史

太阳系起源于星云的观点最早是由瑞典科学家和神学家Emanuan Swedenborg在1734年提出的。熟悉他工作的Immanuel Kant进一步发展了这一理论，并在他的Universal Natural History and Theory of the Heavens (1755年)中发表了这一理论。在这篇论文中，他认为气态云(星云)缓慢旋转，由于重力逐渐塌缩和扁平，形成恒星和行星。

Pierre-Simon Laplace在他的论文Exposition du system du monde中提出了一个与之类似但更小更细致的模型，并于1796年发布了该模型。他提出，最初太阳在整个太阳系中有高温大气，而这个“原恒星云”冷却和收缩。随着云旋转得越来越快，它抛出了最终凝聚成行星的物质。

图解：Sh 2-106星云(简称S106)，天鹅座中的致密星形成区域。来源：NASA/ESA

拉普拉斯星云模型在19世纪被广泛接受，但它有一些相当明显的问题。主要问题是太阳和行星之间的角动量分布，星云模型无法解释这一点。此外，苏格兰科学家James Clerk Maxwell（1831-1879）断言，环内部和外部之间的不同转速不允许物质凝结。天文学家David Brewster（1781-1868）也反对这一说法，他说：

“那些相信星云理论的人认为，地球从太阳大气中抛出的环中获得了固体物质和大气，这个环后来收缩成了一个固体的水陆球体，月球也同样被甩出…[在这种观点下]月球一定从地球带走了水和空气，并且必须有大气层。”

到20世纪初，拉普拉斯模型已经失宠，科学家们开始探索新的理论。然而，直到20世纪70年代才出现了现代为人所广泛接受的星云假说变体——太阳星云盘模型（SNDM）。这归功于苏联天文学家维克托·萨弗罗诺夫和他的书《Evolution of the protoplanetary cloud and formation of the Earth and the planets》（1972）。这本书几乎阐述并解决了所有行星形成过程中的主要问题。

例如，SNDM模型成功地解释了年轻恒星物体周围吸积盘的出现。各种模拟也表明，这些圆盘中物质的积累导致了一些地球大小的星体的形成。因此，地球行星的起源现在被认为是差不多解决了的问题。

虽然最初只适用于太阳系，但后来理论学家认为SNDM适用于整个宇宙，它被用来解释许多系外行星的形成。