简述太阳系的形成过程
马培英
太阳系是由太阳、九大行星、卫星、小行星和彗星构成，其间还弥漫着稀薄的宇宙尘。关于太阳系的起源和演化人们已探索250多年，提出40多种假说，这些假说都是部分地解释了太阳系的某些特征，而不能全面地反映太阳系的真实面貌，故迄今为止还没有一个假说被人们所认可。研究太阳系的形成过程，必须从太阳系的基本特征入手，结合近些年来太阳系探测方面取得的成果，通过严密的数学计算，找到一条正确的解决途径。
一、太阳系的基本特征
1．各行星轨道具有共面性、同向性和近园性，大行星的规则卫星也具有此特性。各行星的轨道都在黄道面附近，除水星倾角7°和冥王星倾角17°，其余倾角都小于3°，基本上在同一个平面，轨道方向都与太阳自转方向相同，且轨道的偏心率除水星为0.2和冥王星为0.25外其余都很小，表明轨道接近正园形。这一特点指出水星和冥王星必有和其它行星不同的形成过程。
2．各行星之间的距离遵守提丢斯—彼得定则，即a n=0.4+0.3×2n-2，n的取值为等于或大于2的正整数，表示水星时n=－∞，但是冥王星的实测值和计算值相差甚远，也说明水星和冥王星有特殊情况。人们还发现类地行星之间的距离仅相差0.3－0.5天文单位，而类木行星之间的距离都在4－10以上天文单位。
3．太阳系各行星的自转非常有趣，一般的行星自转都与绕太阳公转的方向一致，但是金星却是逆向自转，也就是它的自转周期大于公转周期，而天王星又是躺在轨道上自转，即天王星的赤道面和公转轨道面成98°交角，表明金星和天王星必经历一次特殊的演化过程。
4．太阳系角动量的分布别具特色，太阳的质量占全系统质量的99.8%，但它的角动量仅占0.5%，而各行星和卫星总质量不到0.2%,而占全系统角动量的99.5%，这不是人们想象的分布规律，表明它有独特的形成方式。
5．太阳系的行星可分为两大类，即类木行星和类地行星，二者有着截然不同的特征，类木行星在小行星带外侧，质量大、密度小、体积大、自转快、有光环、卫星多，星体表面为液态，并有放热现象，金属物质成分少，以氢氦和挥发性物质为主，处于低温状态；类地行星在小行星带侧，质量小、密度大、体积小、自转慢、无光环、卫星少或无，星体表面是固态，由硅酸盐和含铁物质构成，金属物质比例大，温度比类木行星都高。两类行星的明显区别表明它们不可能是一次以同一模式形成的，而是各有不同的
形成机制。
6．太阳系众多卫星明显地分为三大类，第一类是规则卫星，卫星总质量占本行星质量的万分之几或千分之几，卫星绕行星的轨道角动量总和只有行星自转角动量的百分之一，卫星距离分布也遵守提丢斯－彼得定则，卫星轨道也具有共面性和同向性。第二类是不规则卫星，其特点是卫星轨道倾角和偏心率都大，离行星距离分布不规则，还有的是逆行轨道。第三类是卫星占本行星质量比例较大，角动量也大，如月球质量是地球的1/81，而月球绕地球公转轨道的角动量是地球自转角动量的5倍多，三类不同卫星表明有三种不同模式的形成过程。
7．小行星带处在木星和火星轨道之间，约有10万余颗，总质量约为3×1024克，是地球质量的万分之五，平均密度为3.5克/厘米3，以岩石等金属元素构成，形状多不规则，一般直径在数百公里以下，小行星也有自转。它们是怎样形成的？
8．太阳系中还有一种奇特的天体－彗星，彗星和小行星截然不同，彗星的主要成分是甲烷、氨和水等挥发性物质结成冰，占80%，其余为硅酸盐和尘埃等，结构松散成脏雪球状，温度很低，在100K以下，彗星轨道有三种，即扁长的椭圆轨道、抛物线和双曲线，当彗星走近太阳3－2天文单位开始生成彗发和彗尾，看去像个庞然大物，其实都是气体和尘埃，彗核很小，大者有十几公里，小的仅几十米。彗星分短周期彗星、长周期彗星和非周期彗星，长周期彗星和非周期彗星占已知彗星总数的五分之四，而短周期彗星仅占五分之一，短周期彗星根据轨道特点又分为木星族、土星族、天王星族和海王星族彗星。彗星都是短命的，在运行数百周或几千周就会自行解体。那么彗星究竟来自何处？
9．太阳基本概况，太阳位于太阳系的中心，质量为1.989×1033克，赤道半径69.6万公里，它的自转周期，在赤道处为25.4天，两极处为35天，太阳自转角动量为1.63×1048克·厘米2/秒，转动能为2.4×1042尔格，太阳物质构成：氢占71%，氦占27%，其它元素占2%，已发现太阳有百余种元素，和地球元素基本相同，太阳表面温度5770K，中心温度1.5×107K，太阳平均密度 1.4克/厘米3，中心密度160克/厘米3，中心压力3.4×1017达因/厘米2，高温高压高密中心区是核反应区，正在进行氢燃烧，即发生质子－质子反应和碳氮循环反应，并释放大量能量，太阳辐射总功率为3.83×1026焦耳/秒，有电磁辐射和粒子辐射，高速高温的粒子辐射常称作太阳风，太阳活动有耀斑、黑子、冲浪、喷焰、爆发日珥、射电爆发和日冕中瞬变现象等，太阳活动大约11年为一个周期。
太阳系的上述特征，是每个太阳系演化学说所必须回答的，并给予合理的令人信服的解释。
二、太阳系的形成过程
太阳系的形成和太阳自身演化密不可分，太阳的形成要经历三个时期五个过程，即星云时期、变星时期和主序星时期，五个过程是冷凝收缩过程、快引力收缩过程、慢引力收缩过程、耀变过程和氢燃烧过程，而行星的形成仅仅是太阳演化过程中的副产品，也就是太阳演化到某个阶段才形成了行星和卫星等天体。这是个非常复杂的演化过程，既有规律性，又有特殊性，还有偶然性，本文只略述太阳系的形成过程，不作理论推导和复杂的数学计算，只给出计算的结果。
1．星云时期（包括冷凝收缩过程和快引力收缩过程）
太阳系是银河系的一部分，距银心2.5万光年，在猎户旋臂附近，太阳带领她的大家族以250公里/秒的速度绕银河中心旋转，周期约2亿年，50亿年之前若干亿年太阳系原始星云就在这个位置上。她是巨大的银河系原始气体云团（即星际云）冷缩断裂后分离出来的一小块星云，有初始速度和一定温度（不是高温），星云直径约3000天文单位，其实星云没有明显的边界，是个弥漫的氢气团，密度很低，约10_17克/厘米3，星云质量是太阳质量的1.5－2倍，温度在300K以下，有自转，但很慢，几乎和公转同步，星云主要成分是氢，占71%，其次是氦占27%，其它各种元素占2%，这里面包括从超新星爆发飞来的重元素和金属物质，还有挥发性物质和尘埃等。太阳系原始星云绕银河系中心运转，一开始就有角动量，在冷凝收缩过程中自转加快，就使自转不再与公转同步，又由于星云侧和外侧到银心距离不等，在绕银心做开普勒运动时形成速度梯度，里快外慢，出现较差转动，星云在银心的潮汐力作用下发生湍动，并形成大大小小的涡流，各个涡流之间相互碰撞和兼并，又形成大的涡旋，最后形成一个更大的中心旋涡，由于星云继续缓慢的冷凝收缩，旋涡自转速度逐渐加快，大量物质开始向旋涡中心汇聚，致使中心区物质密度增大，引力增强，形成中心引力区，于是物质又在引力作用下加快向中心旋落，星云的冷凝收缩逐渐被引力收缩所代替，这时星云已由原来的3000天文单位缩至70天文单位，大约经过几十亿年的时间，其间星云体温度下降到几十K，物质损失较大，部分物质散逸到宇宙空间。
随着星云中心引力区的增强，加快了物质向中心旋落，形成了星云坍缩，进入快引力收缩过程。在星云部物质从四面八方沿着涡旋方向迅速向中心下落，形成粗细不同的螺旋线式的物质流，星云也逐渐拉向扁平，形成阔边帽式的园盘，螺线状的物质流逐渐演变成四条旋臂，只要角动量不足就不会形成圆环，只能形成旋臂。从正面看犹如缩小的银河系，成旋涡结构，从侧面看类似NGC4594天体（M104），在平行总角动量轴的方向上收缩不受限制，坍缩迅速，增加的引力势能转变为物质的能，而在赤道平面上收缩受到限制，这是因为受到离心加速度的作用削弱了引力，使收缩缓慢，才形成中央凸起四周扁平的带有旋臂的园盘，从总体看星云仍在继续收缩，角动量仍然向旋臂和中心区转移，当旋臂收缩到距中心5.2天文单位时，转速逐渐达到13.1公里/秒，自转产生的离心力和中心区的引力相平衡，旋臂就停
留在这一位置而不再收缩，但中心区的物质继续快速收缩，中心区与旋臂发生断裂，中心区继续收缩形成原太阳，占星云总质量的99.8%，而四条旋臂的质量还不到0.2%，此时原太阳对旋臂仍有很强的引力作用，同样旋臂也对原太阳有牵制作用，原太阳的自转受到滞后作用，转速渐渐减慢下来，把原太阳的角动量又转移到旋臂上，这时旋臂上物质只要角动量不足还会继续向中心旋落，但到达旋臂处就不能再落下去了，因此旋臂物质积累越来越多，而外旋臂物质相对减少了。当四条旋臂逐个达到开普勒轨道速度就演变成四道园环，园环位置按提丢斯—彼得定则分布，分别在木、土、天、海轨道位置上，它们的角动量占星云总角动量的99.5%，这就是太阳系角动量分布奇特的原因。以此种方式形成的拉普拉斯环不存在所需角动量不足的困难。
中心区坍缩成原太阳，物质密度增大，分子间相互碰撞频繁，产生的部压强逐渐增大，使核心处物质挤压在一起形成星核，并释放大量能量，中心温度升高，增加的热能通过对流方式向外传播，星体呈现微微放热状态，整个星云体类似猎户座KL红外源区一样的天体。星云时期的快引力收缩过程历时很短，大约几千年，我们常说太阳有50亿年的历史，大概就从这时算起吧。
2．变星时期（包括慢引力收缩过程和耀变过程）
星云形成四道园环后，绝大部分质量都集中在中心区百分之一天文单位围，物质密度大增，分子间相互碰撞更加频繁，温度升高，压强增大。当部辐射压和自吸引力接近相等时出现准流体平衡，星体不再收缩或者仅有微小脉动收缩，太阳的雏型基本形成，中心是快速旋转的坚实星核，核外是辐射区，再往外到表面是对流层，原太阳逐渐转入慢引力收缩过程。
原太阳部物质运动非常复杂，因物质是气态流体，与刚体大不一样，在自转中出现了许多复杂的运动状态，因惯性离心力的作用赤道物质有拉向扁平的趋势，两极处物质必向赤道方向流动，极处物质减少了，但引力的作用是维持球形水准面，所以也必有物质向两极处流去，以补充那里的物质不足，于是在赤道两侧形成旋转方向不同的涡流，并随物质流动渐渐靠近赤道，这就是有名的蝴蝶图，这种状态直保持到现在，如太阳黑子运动。随物质对流和自转相互作用，角动量向赤道转移，从而形成星体的较差自转。核心处高密高压和高温不断增加，扰乱了热平衡梯度，通过混合长把动能和热量向外传输，温度较低的物质向下沉，形成对流，并发展为从到外的湍流。当中心温度上升到2000K时，氢不能保持分子状态，而变成原子，并吸收大量热能，促使压力骤降，抵不住引力，中心区崩陷为体积更小密度更大的核，并产生强烈的射电辐射，这些能量辐射可从星体稀薄处穿过而到达星体表面，因而可形成一些亮条，这就是H－H式天体。
星体部不仅有高速运动分子产生的热能，还有原子级释放的电磁能，核心温度更高，星体自转虽然减慢下来，但星核还是快速自旋，核区附近的等离子体也随之快速旋转，星体磁场产生了，磁力线从两极附近穿出，星体这时产生了射电辐射，而部热能不断传送到表面，表面温度可达1000K，并放射红光，这种能量传递时起时伏，表面温度也就忽高忽低，表现的星等就是忽大忽小的变化。有时能量积累到一定程度还会发生猛烈地喷发，抛出物质，在几天之星等可上升5、6个等级，这个时期相当于金牛T 型变星期或者类似鲸鱼座UV型耀星期，即为耀变过程。
原太阳中心区的温度逐渐升高，当达到80万K时，氢被点燃发生核聚变，首先是氢和氘聚变为一个氦核，产生光子并释放大量核能，突然猛增千百倍能量，必将产生猛烈地喷发，星体亮度也就突然增亮好多倍，这就是耀星或新星爆发，原太阳进入耀变过程，在这期间发生过多次猛烈地喷发，释放大量能量和抛射物质，并带走一部分角动量，比较大的喷发有四次。因太阳质量不算太大，就没有更大的全面爆发，仅仅是局部喷发而已。
喷发是从星体部核反应区开始的，那里的星核自转非常快，可达每秒数百公里。物质具有极高的能量，因此喷出物高温高速，第一次喷出物的质量约是太阳质量的百万分之三，温度一万多度，喷出速度高达每秒616.5公里，呈熔融半流体状态，高速自旋，在飞离原太阳过程中边降温边减速，当它到达目前金星轨道处速度刚好与开普勒轨道速度同步，便留在轨道上绕原太阳运转。仅过几十年，原太阳又发生第二次喷发，喷出物比前次略多些，仍是高温熔融状态，高速自旋，初速度比前次略大，当它进入到现今的地球轨道处便绕原太阳运行。又过数百年，原太阳又发生第三次喷发，这时的星核温度进一步增高，达300万度，发生氘、锂、铍、硼等核反应，释放能量更大，喷出物质没有前两次多，但初速度却大些，其中最大的一个团块进入到现今的火星轨道上，更多的碎块遍布在木星和火星轨道之间，经过三次喷发，原太阳处于暂时休顿状态，持续几千年，但星体中心温度仍在继续升高，当达到700万度时发生四氢聚变氦的质子－质子反应，释放大量光子和能量，原太阳发生第四次猛烈喷发，这次喷发物是太阳质量的千万分之二，初速度比前三次都大，因此飞出更远，其中一块较大的喷出物撞击在天王星边缘，溅起的物质碎块抵达海王星轨道处，更多的碎块遍布太阳系空间，有的飞出海王星的外侧。这时原太阳表面温度上升到数千度，放热发光。一个光芒四射的恒星即将诞生。原太阳在变星时期大约有4亿年。
3．主序星时期（包括氢燃烧过程和未发生的氦燃烧过程）
原太阳经过几次耀变逐渐趋于稳定状态，进入氢燃烧过程，释放核能，星核中心核反应区温度可达1500万度，核反应出现碳氮循环反应，但大量的还是质子－质子反应，核中心密度达160克/厘米3，
中心压力3.4×1016帕,抵住星体的引力收缩,达到新的热平衡梯度,不再发生喷发现象,进入相对稳定期。这时星体表面温度达5770 K，成为G型星，太阳辐射主要是电磁辐射和带电粒子流，外层大气不断发射的稳定粒子流－即太阳风，驱散星周物质，使太阳更加明朗了，成为一颗年轻的主序星。太阳在主序星期已有46亿年了。太阳活动仍在继续中，表现为11年一个周期，说明太阳还在继续演化中。当太阳中心温度达到1亿度，氦核聚变为碳核和氧核反应，进入氦燃烧过程。
4．类木行星和规则卫星的形成
原始星云在快引力收缩过程形成的四道园环，恰在海、天、土、木四颗类木行星的轨道上，环物质受中心天体的引力作用有向运动的趋势，还受惯性离心力作用有向外运动的趋势，同时还有开普勒较差转动的影响，必造成环物质形成大大小小的涡流，并相互碰撞和兼并，由小涡流变成大漩涡，最后形成一个带有若干条旋臂（至少有四条大旋臂）的大旋涡和孤立的小漩涡，物质向漩涡中心汇聚，形成中心引力区，加快了引力收缩，自转速度更快了，惯性离心力也就更大了，当离心力和中心体引力平衡时，星体就不再收缩，旋臂的旋转速度达到开普勒轨道速度时就演变成卫星园环，形成阔边帽式的天体，又经过引力吸积，清除行星轨道环上的物质，逐渐演变成原行星。
原始星云密度是梯度分布，越往里密度越大，外部密度小，还因部分物质向转移，所以外侧两道环形成的两颗行星质量就小，这就是海王星和天王星，侧两道环形成的两颗行星质量就大，这就是土星和木星，各行星部都有坚实的星核，温度高达数千度，最高可达3万度，中心压力为1012帕以上，但还不够点燃氢的条件，没有发生核聚变反应，产能机制仍然是引力势能转变而来的热能和释放原子级的电磁能，星核的高速旋转形成磁场，部热能通过对流传送到星体表面，因此类木行星都有放热现象和强度不同的射电辐射。木星的大红斑便是部热能向外传输过程中形成的涡流，类木行星表面温度都很低，呈液态状，因星体是在收缩过程中形成的，为保持角动量守恒，自转就快一些。
中心体形成行星之后，周围的卫星园环在远离洛希极限处只要达到洛希密度都可以形成卫星，孤立的小漩涡也能形成小卫星，这样的卫星都是规则卫星，但在洛希极限附近及侧受本星体的潮汐作用，不会形成卫星，只能以环的形式存在，因此四颗类木行星最初都有一个庞大壮观的光环。
5．类地行星、月球和冥王星等的形成
原太阳在耀变过程有四次猛烈地喷发，高温熔融半流体状的喷出物在进入金星、地球和火星轨道处绕原太阳旋转，成为原行星。在金星轨道的原行星质量约为5.2×1027克,半径6165公里，自转周期2.72小时,自转线速度为3.95公里/秒，由于原星体是从高温熔融状态凝固而成，所以星体成粘稠状，