太阳系的形成与演化

2025-08-20 13:28:50 拉莫斯世界杯

天文学家预测，我们今天所知道的太阳系在它内核所有的氢聚变成氦，也就是在恒星演化的赫罗图上从主序星过渡到红巨星前不会发生剧烈变化。即便如此，到那时太阳系仍然会继续演化。

长期稳定性

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隨着行星軌道長期不確定因子[67]，太阳系是混沌的。这种混沌的一个显著的例子就是海王星-冥王星系统，它们处于3:2的轨道共振。尽管轨道共振是稳定的，预测冥王星未来1到2千万年（李亚普诺夫时间）的位置却无法取得任何的精确度[68]。另一个例子是地球的转轴倾角，受地幔与月球潮汐作用而来的摩擦力影响（见下），在今后的15到45亿年间将表现为混沌状态[69]。

行星的轨道在經過較长的时间度後將处于混沌状态，例如整个太阳系的李亚普诺夫时间范围为2百万-2.3亿年[70]。

在所有的情形下，这意味着一个行星在它轨道上的位置终将变得无法以任何确定性预测（因此，比如說，冬夏的时间变得不确定），但有些情形下轨道本身可能会剧烈变动。这样的混沌在轨道的偏心率改变中表现得最明显，有些行星的轨道变得显著地更加或更加不椭圆[71]。

最终，太阳系会在接下的几十亿年后稳定下来，行星不会再互相碰撞，也不会被抛出太阳系[70]。这之后，大概50亿年左右，火星的偏心率会达到0.2，以至于它会处在一个跟地球交会的轨道上，会导致潜在的碰撞。在同样的时间區段裡，水星的偏心率会更加加大，与金星的近距遭遇在理论上可能会把它完全抛出太阳系[67]或把它送上与金星或地球相撞的道路[72]。

卫-环系统

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卫星演化是由潮汐力所驱动的。由于沿着主体行星直径的重力差异，绕行的卫星会在其上面引起潮汐突起。如果卫星是沿着行星的自转相同方向绕行的，且行星自转快于卫星的绕行周期，突起将经常性地被牵拉而领先于卫星。在这种情况下，角动量被从主体行星的自转传送到卫星的公转，卫星获得能量，逐渐螺旋状外移，主体行星随着时间推移自转会更慢。

地球和月亮就是这种情况的一个例子。今天，月球潮汐锁定于地球；它的绕地球公转等于它绕自己轴线的自转，意味着它始终以同一面面向地球。月球将持续远离地球，地球的转动将持续缓慢下来。大约500亿年，如果这两个世界都能在太阳的扩张中存活下来，它们将彼此潮汐锁定；每一方将只能在一个半球内看到对方[73]。另一个例子是木星的伽利略衛星（和木星的很多小卫星）[74][75]和土星的许多较大卫星[76]。

海王星和它的卫星海卫一，“旅行者2号”拍摄。海卫一的轨道最终将把它带入海王星的洛希极限，把它撕碎且可能形成一个新的环系统。

如果卫星公转比主体行星自转快或者它的公转方向异于其主体行星的自转方向，不同的情况会发生。在这兩種情况下，潮汐突起落后于轨道上的卫星。在前一种情况下，角动量的传送逆转，主体行星的自转加快，卫星的轨道缩小。后一种情况，自转和公转的角动量的符号相反，所以传送导致削减彼此的强度[註 3]。在這两种情况下，潮汐减速导致卫星螺旋切近主体行星直至其被潮汐压力撕裂並可能生成行星环系统，或者坠毁到行星的表面或者其大氣層中。这样的命运在等着火星的卫星火卫一（在3000到5000万年間）[77]，海王星的海卫一（在36亿年間）、海衛三、海衛四[78][79]，木星的木衛十五和木卫十六[80]和天王星至少16个小卫星。天王星的天卫十甚至可能会与它相邻的卫星相撞[81]。海王星的海卫四也可能會進入鄰近的海衛五的軌道。

第三种可能是主体行星和卫星彼此潮汐锁定。这种情况下，潮汐突起将停留在卫星之下，没有角动量的传递，轨道周期不会变。冥王星和卡戎就是这种情形的一个例子[82][83]。

在2004年卡西尼-惠更斯号太空飞行器到临之前，土星环曾被认为比太阳系年轻很多，並且不会再存在3亿年。与土卫的重力作用预计将逐渐把环的外周扫向行星，流星的摩擦和土星的重力会清除其余的成分，留下没有环饰的土星本體[84]。但是，“卡西尼”之旅的数据使科学家们修正了这个早期的观点。观察显示10公里宽的冰块状物质持续破碎和重新生成，保持环的更新。土星的环要比其它巨大气体行星的环大得多。这样庞大的质量据信从45亿年前土星的形成之初就保持了它的环，并将在今后的几十亿年内继续保持[85]。

太阳和行星环境

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参见：恒星演化

比较当前作为主序星的太阳和将来成为红巨星的太阳。

长远來說，太阳系最大的改变将来自于太阳自身因衰老而带来的改变。随着太阳烧掉它的氢供给，它会变得更热且更快地烧掉余下的燃料。其結果就是，太阳每11亿年就会更亮10%[86]。在10亿年的时间，随着太阳的辐射输出增强，它的适居带就会外移，地球的表面会热到液态的水无法在地球表面继续存在，造成大部分复杂生命灭亡。20亿年后，太阳亮度将继而增加20%，地面上所有的生命都将绝迹[87]。从海平面而来的水蒸气，一种强温室气体，可以加速温度升高，潜在地更早地结束地球上的所有生命[88]。这时候可能火星的表面温度逐渐升高，冻结在表面土壤下的水和二氧化碳会被释放到大气里，产生温室效应暖化这颗行星直到它达到今天地球一样的条件，提供一个未来的生命的居住场所[89]。35億年後，地球的表面環境就会变得跟今天的金星类似[86]。

约54亿年之后，太阳核心的所有的氢都会聚变成氦。核心将不再支撑得住重力塌陷，将会开始收缩，加热核周围的一个外壳直到里面的氦开始聚变[87]。这将使其外层急剧扩张，这颗恒星将进入它生命中的红巨星阶段[90][91]。在76亿年内，太阳会膨胀到半径为1.2AU——256倍于它现在的大小。在其紅巨星分支的顶峰，因为巨量增大的表面积，太阳的表面会比现在冷却很多（大约2600K）， 它的光度会增高很多，会达到现在太阳光度的2700倍。在太陽成為红巨星的阶段，它会产生很强的星风，這将带走它自身33%的质量[87][92][93]。

當太陽膨胀后，水星和金星将无法逃避被吞噬掉的厄运。地球的命運還不是很清楚。尽管太阳会吞噬地球现在所处的轨道，但这颗恒星的质量损失（既而更弱的重力）会导致行星的轨道向外移动。如果僅僅如此，地球可能会逃离火海[92]，但2008年的研究认为地球还是会因为与太阳附着不紧密的外层潮汐作用而被吞噬掉[87][92]。在這個時候，柯伊伯带的冥王星和凱倫，有可能達到可維持生命的表面溫度[94][95]。

漸漸地，太阳核心周围壳里燃烧的氦将增大核的质量直到达到现今太阳质量的45%。此时太阳的密度和温度如此之高以至于氦开始聚变成碳，导致氦闪；太阳的半径将从約250倍缩至11倍于现在（主序星）的半径。因此，它的光度会从3000倍跌至54倍于今天的水平，而其的表面温度则会升至约4770K[96]。太阳将成为一颗水平分支星，平稳地燃烧它内核的氦，大概就像它今天烧氢一样。氦聚变阶段将只持续1亿年。最终，它还是得求诸它外层的氢和氦贮备，并且第二次膨胀，变成漸近巨星分支星。太阳的光度会再次升高，达到今天光度的2090倍，并且它会冷却到大约3500K[87]。这一阶段将持续3千万年，之后，再接下来的10万年中，太阳将彻底丧失残留的外层，抛射出巨大的物质洪流形成一个光晕（误导性地）叫行星状星云。抛射出来的物质将包含太阳的核反应生成的氦和碳，继续为未来世代的恒星而富华星际物质以重元素[97]。

环状星云，一个近似太阳将成为的行星状星云

这是个相对平和的結局，跟超新星绝无相似，我们的太阳太小以至于不能进行这样的演化。若有可能任何现场目睹此事的观察者都会看到太阳风的风速巨幅增加，但不足以完全摧毁一颗行星。但是，这颗行星的物质丢失可将幸存下来的行星轨道送入混乱：有一部份会相撞，有一部分会从太阳系抛出去，剩下的则会被潮汐作用撕裂[98]。之后，太阳所剩的就是一颗白矮星，一个非常致密的天体，有它最初质量的54%，但只有地球大小。最初，这颗白矮星的光度大约有现在太阳光度的100倍。它将完全由簡併態的碳和氧组成, 但将永远也不会达到可以聚变这些元素的温度。因此白矮星太阳将逐渐冷却，越来越黯淡[96]。

随着太阳的死亡，它作用于如行星、彗星和小行星这些天体的引力会随着它的质量丢失而减弱[92][99]。如果地球和火星在這時候還生存，它的軌道會大約位于1.85和2.8AU。它們和其它剩餘的行星將成為昏暗、寒冷的外壳，完全没有任何形式的生命。它們將繼續圍繞太阳公转，其速度因为距离太阳的距离增大和太阳引力的降低而减慢。二十億年后，当太阳冷却到6000到8000K的范围，太阳核心的碳和氧将冷却，它所剩的90%的质量将形成结晶结构。最終，再过数十亿年，太阳将完全停止闪耀，成為黑矮星[100]。