太陽系
Planets2008 hant.jpg
太陽太陽系的行星
(距離未依照比例尺)
年齡 45.68 億年
位置
系統質量 1.0014 太陽質量
最近的恆星
已知最近的 行星系 南門二系統  (4.37 ly)
最外緣半長軸 ;已知的行星 (海王星) 30.10 AU  (45.03億公里)
古柏斷涯的距離 50 AU
數量
恆星 1  (太陽)
已知的行星
已知的矮行星
可能有數百顆[1]
目前國際天文學聯合會認可的有5顆:
已知的天然衛星
470
已知的小行星 707,664  (as of 2016-03-07)[4]
已知的彗星 3,406  (as of 2016-03-07)[4]
確認是圓的衛星 19
不變的-至-星系盤面 傾角 60.19°  (黃道)
至銀河中心的距離 27,000 ± 1,000 ly
軌道速度 220 km/s
軌道週期 225–250 Myr
光譜類型 G2V
凍結線 ≈5 AU[5]
日球層頂的距離 ≈120 AU
希爾球半徑 ≈1–3 ly

太陽系[a]是一个受太阳引力约束在一起的行星系统,包括太阳以及直接或间接围绕太阳运动的天体[b]。在直接围绕太阳运动的天体中,最大的八颗被称为行星[c],其余的天体要比行星小很多,比如矮行星、太阳系小行星彗星。軌道間接围绕太陽运动的天體是衛星,其中有兩顆比最小的行星水星還要大[d]

太阳系的形成大约始于46亿年前一个巨型星际分子云引力坍缩。太阳系内大部分的质量都集中于太阳,余下的天体中,质量最大的是木星。位于太阳系内侧的是四颗较小的行星,分别是水星金星地球火星,它们被称为类地行星,主要由岩石和金属构成。外侧的四颗行星被称为巨行星,其质量比类地行星要大得多。其中最大的两颗是木星土星,它们都是气态巨行星,主要成分是。最外侧的两颗行星是天王星海王星,它们是冰巨星,主要由一些熔点比氢和氦更高的挥发成分组成,比如水、甲烷。几乎所有的行星都在靠近黄道平面的圆轨道上运行。

太陽系也包含一些較小的天體[e]位於火星和木星軌道之間的主小行星帶,其中的大部分天体都是像类地行星那样由岩石和金属组成。在海王星轨道之外是柯伊伯带离散盘,包含了有大量的海王星外天体,主要由冰组成,再往外还有新发现的类塞德娜天体(sednoid)。在这些天体中,有几十甚至上万颗足够大的天体,能靠自身的重力形成球体,[10],這些天體被称为為矮行星。已經被確認是矮行星的包括小行星帶的穀神星,和海王星外天體的冥王星鬩神星[e]除了這兩個區域,还有大量的小型天体自由的运动在两个区域之间,包括彗星,還有半人馬小行星行星際塵雲。有6顆行星、4顆以上的矮行星和一些小天體都有天然的衛星環繞著。[f]通常都依據月球被稱為衛星。太阳系外侧的每颗行星都被由尘埃和小天体构成的行星环环绕着。

太陽風是向太阳外流出的帶電粒子流,在星際物質中形成了一個氣泡狀區域,被称为太阳圈(或日球层)。日球層頂是太陽風和星際物質的壓力達到平衡的位置,它延伸到離散盤的邊緣。歐特雲,被認為是長週期彗星的來源地,其位置可能比日球层顶还要远1000多倍。太阳系位于银河系猎户臂上,与银河系中心的距离约26,000光年。

名詞解釋

太陽系的行星和矮行星。圖中仅大小按比例绘制,距離不依比例。

軌道環繞太陽的天體被分為三類:行星矮行星、和太陽系小天體

行星是環繞太陽且質量夠大的天體。這類天體:

  1. 有足夠的質量使本身的形狀成為球體
  2. 有能力清空鄰近軌道的小天體。

能成為行星的天體有8個:水星金星地球火星木星土星天王星海王星

在2006年8月24日,國際天文聯合會重新定義行星這個名詞,首次將冥王星排除在大行星外,並將冥王星穀神星鬩神星組成新的分類:矮行星[11]。矮行星不需要將鄰近軌道附近的小天體清除掉,其他可能成為矮行星的天體還有塞德娜厄耳枯斯、和創神星。從第一次發現的1930年直至2006年,冥王星被當成太陽系的第九顆行星。但是在20世紀末期和21世紀初,許多與冥王星大小相似的天體在太陽系內陸續被發現,特別是鬩神星更明確的被指出比冥王星大。

環繞太陽運轉的其他天體都屬於太陽系小天體[6]

衛星(如月球之類的天體),由於不是環繞太陽而是環繞行星、矮行星或太陽系小天體,所以不屬於太陽系小天體。

天文學家在太陽系內以天文單位(AU)來測量距離。1AU是地球到太陽的平均距離,大約是149,597,871公里(92,955,807英里)。冥王星與太陽的距離大約是39AU,木星則約是5.2AU。最常用在測量恆星距離的長度單位是光年,1光年大約相當於63,240天文單位。行星與太陽的距離以公轉週期為周期變化著,最靠近太陽的位置稱為近日點,距離最遠的位置稱為遠日點

有時會将太陽系非正式地分成幾個不同的區域:“內太陽系”,包括四顆類地行星和主要的小行星帶;其餘的是“外太陽系”,包含小行星帶之外所有的天體[12]。其它的定義還有海王星以外的區域,而將四顆大型行星稱為“中間帶”[13]

發現和探測

安德烈亞斯·塞拉里烏斯的插圖:哥白尼體系,出自Harmonia Macrocosmica(1660年)。

在历史上的很长一段时期,人类都没有认识或理解到太阳系的概念。直到中世纪晚期文艺复兴时代,大多数人仍认为地球是静止不动的,处于宇宙的中心,与那些穿过天空的物体是截然不同的。古希腊的哲学家阿里斯塔克斯曾经推测了日心说体系,但是,直到尼古拉·哥白尼才提出了第一个日心说宇宙的数学模型[14][15]。到了17世纪,伽利略·伽利莱约翰内斯·开普勒艾萨克·牛顿拓展了人们对物理学的理解,人们开始普遍接受地球围绕太阳运动的观念,认为地球和其他行星遵循同样的物理规律。望远镜的发明,使人们发现了更多的行星和卫星。望远镜改进和无人航天器的应用,使人们得以对其他行星的地质现象进行研究,比如坑穴等,另外还可以气象现象进行观察,比如沙尘暴冰帽等。

望遠鏡的觀測

艾薩克·牛頓的望遠鏡複製品

太陽系的第一次探測是由望遠鏡開啟的,始於天文學家首度開始繪製這些因光度暗淡而肉眼看不見的天體之際。

伽利略是第一位發現太陽系天體細節的天文學家。他發現月球的火山口,太陽的表面有黑子,木星有4顆衛星環繞著[16]惠更斯追隨著伽利略的發現,發現土星的衛星泰坦土星環的形狀[17]。後繼的乔凡尼·多美尼科·卡西尼發現了4顆土星的衛星,還有土星環的卡西尼縫、木星的大紅斑[18]

愛德蒙·哈雷认识到在1705年出現的彗星,實際上是每隔75-76年就會重複出現的一顆彗星,現在稱為哈雷彗星。這是除了行星之外的天體會圍繞太陽公轉的第一個證據[19]

1781年,威廉·赫歇耳在觀察一顆它認為的新彗星時,戒慎恐懼的宣布在金牛座發現了彗星。事實上,它的軌道顯示是一顆行星,天王星,這是第一顆被發現的行星[20]

1801年,朱塞普·皮亞齊發現穀神星,這是位於火星和木星軌道之間的一個小世界,而一開始他被當成一顆行星。然而,接踵而來的發現使在這個區域內的小天體多達數以萬計,導致他們被重新歸類為小行星[21]

到了1846年,天王星軌道的誤差導致許多人懷疑是不是有另一顆大行星在遠處對它施力。埃班·勒维耶的計算最終導致了海王星的發現[22]。在1859年,因為水星軌道的近日點有一些牛顿力学无法解释的微小运动(「水星近日點進動」),因而有人假設有一顆水內行星祝融星(中文常译为“火神星”)存在;但这一运动最终被证明可以用广义相对论来解释,但某些天文学家仍未放弃对“水内行星”的探寻。

為解釋外行星軌道明顯的偏差,帕西瓦尔·罗威尔認為在其外必然還有一顆行星存在,並稱之為X行星。在他過世後,他的羅威爾天文台繼續搜尋的工作,終於在1930年由汤博發現了冥王星。但是,冥王星是如此的小,實在不足以影響行星的軌道,因此它的發現純屬巧合。就像穀神星,他最初也被當作行星,但是在鄰近的區域內發現了許多大小相近的天體,因此在2006年冥王星被國際天文學聯合會重新分類為矮行星[22]

在1992年,夏威夷大學的天文學家大衛·朱維特麻省理工學院珍妮·劉發現1992 QB1,被證明是一個冰冷的、類似小行星帶的新族群,也就是現在所知的柯伊伯带,冥王星和凱倫都只是其中的成員[23][24]

米高·布朗乍德·特魯希略大衛·拉比諾維茨在2005年宣布發現的鬩神星是比冥王星大的離散盤上天體,是在海王星之後繞行太陽的最大天體[25]

太空船的觀測

藝術家筆下的先鋒10號,它在1983年飛越冥王星的軌道,最後的訊息是在2003年傳送回來的,當時的距離大約是82天文單位。這艘35歲高齡的太空船目前正以每小時27,000公里的速度遠離太陽[26]

自從进入太空時代,許多的探測都是各國的太空機構所組織和執行的無人太空船探測任務。

太陽系內所有的行星都已經被由地球發射的太空船探訪,進行了不同程度的各種研究。雖然都是無人的任務,人類還是能觀看到所有行星表面近距離的照片,在有登陸艇的情況下,還進行了對土壤和大氣的一些實驗。

第一個進入太空的人造天體是前蘇聯在1957年發射的史潑尼克一號,成功的環繞地球一年之久。美國在1959年發射的探險家6號,是第一個從太空中送回影像的人造衛星。

第一個成功的飛越過太陽系內其他天體的是月球1號,在1959年飛越了月球。最初是打算撞擊月球的,但卻錯過了目標成為第一個環繞太陽的人造物體。水手2號是第一個環繞其他行星的人造物體,在1962年繞行金星。第一顆成功環繞火星的是1964年的水手4號。直到1974年才有水手10號前往水星。

暗淡藍點航海家1號從60億公里外拍攝的地球影像(圓圈中的點)。條狀的光紋是來自太陽的繞射光芒(延伸到框架的左邊)。

探測外行星的第一艘太空船是先鋒10號,在1973年飛越木星。在1979年,先驱者11号成為第一艘拜訪土星的太空船。航海家計畫在1977年先後發射了兩艘太空船進行外行星的大巡航,在1979年探訪了木星,1980和1981年先後訪視了土星。航海家2號繼續在1986年接近天王星和在1989年接近海王星。航海家太空船已經遠離海王星軌道外,在發現和研究終端震波日鞘日球層頂的路徑上繼續前進。依據NASA的資料,兩艘航海家太空船已經在距離太陽大約93天文單位處接觸到終端震波[27][28]

還沒有太空船曾經造訪過柯伊伯带天體。而在2006年1月19日發射的新視野號將成為第一艘探測這個區域的人造太空船。這艘無人太空船預計在2015年飛越冥王星。如果这被證明是可行的,任務將會擴大以繼續觀察一些柯伊伯带的其他天體[29]

在1966年,月球成為除了地球之外第一個有人造衛星繞行的太陽系天體(月球10號),然後是火星在1971年(水手9號),金星在1975年(金星9號),木星在1995年(伽利略號,也在1991年首先飛掠過小Gaspra),愛神星在2000年(會合-舒梅克號),和土星在2004年(卡西尼號惠更斯號)。信使號太空船在2011年3月18日開始第一次繞行水星的軌道;同一時間,黎明號太空船將設定軌道在2011年環繞灶神星,並在2015年探索穀神星

第一個在太陽系其它天體登陸的计划是前蘇聯在1959年登陸月球的月球2號。從此以後,抵達越來越遙遠的行星,在1966年計畫登陸或撞擊金星(金星3號),1971年到火星(火星3號),但直到1976年才有維京1號成功登陸火星,2001年登陸愛神星會合-舒梅克號),和2005年登陸土星的衛星泰坦惠更斯)。伽利略太空船也在1995年拋下一個探測器進入木星的大氣層;由於木星沒有固體的表面,這個探測器在下降的過程中被逐漸增高的溫度和壓力摧毀掉。

載人探測

載人的探測目前仍被限制在鄰近地球的環境內。第一個進入太空(以超過100公里的高度來定義)的人是前蘇聯的太空人尤里·加加林,於1961年4月12日搭乘東方一號升空。第一個在地球之外的天體上漫步的是美國宇航員尼爾·阿姆斯特朗,它是在1969年7月21日的阿波羅11號任務中,於月球上完成的。美國的太空梭是能夠重覆使用的太空船,前蘇聯也曾經開發太空梭並已完成一次的無人太空梭升空任務,蘇聯瓦解後,俄羅斯無力繼續維護任其荒廢。第一個空間站是前蘇聯的禮炮1號。在2004年,太空船1號成為在私人的基金資助下第一個進入次軌道的太空船。同年,美国總統乔治·沃克·布什宣布太空探測的远景规划:替換老舊的太空梭、重返月球、甚至載人前往火星,但這計畫在幾年後遭到終止。

構造和成分

太阳系中最主要的成员是太阳,它是一颗G2主序星,占据了太阳系所有已知质量的99.86%,太阳系内的天体在太阳引力的约束下运动[30]。剩余的质量中,有99%的质量由太阳系的4颗大天体,即巨行星组成,而木星和土星又合占了其中的90%以上。太阳系中其余的天体(包括4颗类地行星矮行星卫星小行星彗星),总质量还不到太阳系的0.002%[g]

環繞太陽運轉的大天體都躺在地球軌道平面,稱為黃道附近的平面。行星都非常靠近黃道,而彗星案古柏帶天體通常都有明顯的傾斜角度[34][35]。所有的行星和大多數的太陽系其它天體都以相同的方向繞著太陽轉動(從地球的北極鳥瞰是逆時針方向)[36],但也有逆向的,像是哈雷彗星

太阳系内已探测到的区域总体上分为:太阳、小行星带以内的四颗较小的行星和柯伊伯带环绕的四颗巨行星。天文学家有时会非正式的将这些结构分成不同的区域。内太阳系包括四颗类地行星和小行星带。外太阳系在小行星带以外的区域,包括了四颗巨行星[37]。自从柯伊伯带被发现以后,人们认为太阳系的最外层空间和海王星外侧附近的区域显著不同[38]

太陽系的8顆行星(依降冪排列大小)依序是木星土星天王星海王星地球金星火星、和水星

在太陽系的天體多數都有它們自己的次系統,環繞行星的天體稱為衛星(其中有兩顆比水星大),並且4顆巨行星都有由極小的微粒構成極薄的行星環一起圍繞著。多數天然的大衛星是同步轉動,永遠以同一面朝向它的母體。

太陽系所有的行星都躺得非常靠近黃道。越接近太陽的,它們運行的速度越快內行星在左邊,除了海王星,右圖有除了海王星之外的所有行星)

克卜勒定律描述天體公轉太陽的軌道。根據克卜勒定律,天體沿著各自的橢圓軌道公轉太陽,而太陽位在其中的一個焦點上。越靠近太陽的天體(半長軸越短),因為受到較大的太陽引力,運行的軌道速度也就越快。在一個橢圓軌道上,天體與太陽的距離會隨著公轉的年(週期)不斷的變化。它在軌道上最接近太陽的位置稱為它的近日點,距離太陽最遠的位置稱為遠日點。行星的軌道接近圓形,但許多彗星、小行星和古柏帶天體運行在極度橢圓的軌道。這些天體的位置可以使用數值模擬來預測。

雖然太陽主宰著太陽系的質量,但它只佔有2%的角動量[39][40]。行星,以木星為主,以它們的質量佔有其餘絕大部分的角動量,還有距離太陽遙遠的彗星,對角動量可能也有重大的貢獻[39]

太陽,幾乎囊括太陽系中所有的物質,大約98%是由氫和氦組成[41]木星土星,幾乎擁有其餘的全部質量,主要的組成成分也是氫和氦[42][43]。太陽系組成的其他成分,受到熱和光壓的影響,成梯度的存在太陽系,越靠近太陽的是熔點越高的元素,離太陽越遠的距離,組成物質的熔點也越低[44]。揮發性物質能夠在外太陽系凝聚的邊界稱為凍結線,大約在距離太陽5AU之處[5]

內太陽系的天體大多數的成分是岩石[45],高熔點的化合物,如矽酸鹽、鐵或鎳,幾乎都是在原行星雲的條件下就凝聚成固體的物質[46]。木星和土星的主要成分是氣體,具有極低的熔點和高蒸氣壓,像是,它們在星雲階段都是氣體的狀態[46]。冰,像是甲烷二氧化碳[45],熔點都在數百K[46],它們可以以冰、液體或氣體存在太陽系不同的位置,而在星雲階段它們既可以是固體,也可以是氣體狀態[46]。巨行星的衛星和天王星與海王星(所謂的冰巨星)以及海王星軌道外眾多的小天體,主要的成分是冰冷的物質[45][47];這些氣體和冰統稱為揮發物[48]

精確縮小太陽系天體大小和距離的太陽系模型。將太陽至海王星的距離縮小至一個足球場,太陽的直徑大約是高爾夫球的三分之二,4顆類地行星的大小有如尖細的鉛筆尖點出的小點大小,4顆巨行星的大小有如BB彈。(在右下角的插圖顯示,典型的有關距離的描述如何嚴重的被扭曲了好幾個數量級。)

距離和尺度

從地球到太陽的距離被定義為 1天文單位(150,000,000公里),也就是1單位。作為對比,太陽的半徑是0.0047 AU(700,000 km)。因此,太陽的體積只佔地球軌道半徑這個球體積的0.00001%(10−5 %),而地球的體積又大約只是太陽的百萬分一(10−6)。木星,太陽系最大的行星,與太陽的距離是5.2天文單位(780,000,000公里),半徑是71,000 km(0.00047 AU),而距離最遠的行星,海王星與太陽的距離是30 AU(4.5×109 km)。

有少數的例外,距離太陽越遠的行星或環帶,軌道與軌道之間的距離,也就是從一個軌道到下一個軌道間的間隔,就越大。例如,金星到太陽的距離比水星遠0.33AU,而土星到太陽的距離比木星遠4.3AU,海王星又比天王星要遠10.5AU。有些方程(例如提丢斯-波得定则)企圖建立與確定這些軌道之間的關聯性[49],但沒有可以被接受的理論。在這一章節開頭的影像顯示了在不同尺度上的太陽系各種組成的軌道。

一些太陽系模型試圖傳達涉及人類關係的相對尺度。有些規模很小(可能是機械的 -稱為太陽系儀)-而有些會擴展而跨越城市或區域[50]。尺度最大的模型,瑞典太陽系模型,使用位於斯德哥爾摩110米(361英尺)的愛立信球形體育館作為太陽的替代物,接下來的規模是距離40公里(25英里)的阿蘭達國際機場一個 7.5米(25英尺)的球;目前已知最遠的天體塞德娜,是在912公里(567英里)遠的一個10公分(4英吋)的小球[51][52]

如果,太陽至海王星的距離是100米的尺度,那麼太陽只是一個直徑大約3公分的小球(大約高爾夫球直徑的三分之二),所有巨行星的尺度都將小於3毫米,而地球和其他類地行星的直徑在這種規模下會比一隻跳蚤(0.3毫米)還要小得多[53]

將大小和距離以不同尺度顯示的太陽系模型。相對的距離未依比例呈現。
天文單位天文單位天文單位天文單位天文單位天文單位天文單位天文單位天文單位天文單位哈雷彗星太陽鬩神星鳥神星妊神星冥王星穀神星海王星天王星土星木星火星地球金星水星天文單位天文單位矮行星矮行星彗星行星

太陽系中所選擇的天體與太陽的距離。每個條形的左右邊緣分別對應於天體近日點遠日點,長條表示高的軌道離心率。太陽的半徑約70萬公里,木星(最大的行星)約7萬公里,都太小,在這個圖像中顯示不出來。

更近的視角

將距離縮小到只有八大行星與哈雷彗星的範圍:

天文單位天文單位天文單位天文單位天文單位哈雷彗星太陽穀神星海王星天王星土星木星火星地球金星水星天文單位天文單位主小行星帶彗星行星

若將視野縮得更小,只限於內行星的範圍:

主小行星帶主小行星帶天文單位天文單位天文單位太陽穀神星木星火星地球金星水星Astronomical unitAstronomical unit主小行星帶行星


形成和演化

太陽系形成於45億6,800萬年前的大型分子雲的引力坍塌區域中[h]。這個初始的元氣可能有數光年大,並且誕生好幾顆恆星[54]。由於是典型的分子雲,其成分主要是氫與一些氦,還有前幾代恆星融合的少量重元素。當這個區域將形成太陽系前,被稱為前太陽星雲[55],坍縮時因為角動量守恆,使它轉動得越來越快。中心,集中了大部分的質量,成為比周圍環繞的盤面越來越熱的區域[54]。收縮的星雲越轉越快,它開始變得扁平,成為原行星盤,直徑大約200AU[54],在中心是高溫、高密度的原恆星[56][57]。行星經由盤中的吸積形成[58],在塵埃和氣體的引力相互吸引下,逐漸凝聚形成越來越大的天體。在太陽系的早期可能有數以百計的原行星,但因合併或摧毀,留下行星、矮行星和殘餘物構成的小天體。 硅酸盐和金属的熔点很高,只有它们能在内太阳系的温度下保持固体形态,这些物质最终组成了岩态行星,分别是水星、金星、地球和火星。由于金属成分在原始太阳星云中只占据了一小部分,类地行星都没有发展得很大。冻结线在火星与木星之间的位置,巨行星(木星、土星、天王星和海王星)形成于冻结线的外侧,这里的温度很低,挥发物质能以固态形式存在。这一区域的冰比组成类地行星的金属和硅酸盐更多,所以该区域的行星发育得很大,可以捕获大量的氢和氦,它们是太阳系中含量最丰富的元素。太阳系中余下的那些不可能组成行星的物质聚集在小行星带柯伊伯带奥尔特云区域。尼斯模型解释了这些区域的形成原理,以及外侧的行星可能在形成后又受到各种复杂引力的作用才到了它们今天的位置。

最初的五千万年内,在原恒星中心处,的密度和压力都大得足以发生热核反应[59]。在反应过程中,氢的温度、反应速率、压力和密度都一直在增加,直到流体的热压力与引力相抵消,达到静力平衡状态。到此,太阳就成了一颗主序星[60]。太阳的主序星阶段从开始到结束约有100亿年,而其他的所有阶段,包括残骸生命期等总共只有20亿年[61]。从太阳出发的太阳风形成了日球层,并将残余的气体和尘埃从原行星盘吹入星际空间,阻碍了行星的发育。此后,太阳越来越亮,主序星早期的亮度只有现在的70%[62]

太阳将基本保持现在的状态,直到五十亿年后,位于太阳中心的氢完全转化为了氦。这也标志着太阳主序星阶段结束了。这时,太阳的核心开始崩塌,其输出的能量比现在更大。太阳最外层的直径将扩张到目前的260倍左右,太阳成了一颗红巨星。由于表面积的急剧扩张,太阳表面的温度将比主序星阶段低很多(最低大约为2,600K)[61]。不断扩大的太阳将会使水星蒸发掉,并且使得地球的环境不再适合居住。最终,太阳核心的温度高得足以使氦发生聚变,太阳在燃烧氢的时候会有小部分的时间来燃烧氦。太阳的质量还不足以使得比氢氦更重的元素发生聚变反应,太阳核心的反应将会变弱。太阳外层物质会散逸到太空,剩下的部分形成了白矮星,它的密度特别大,质量约为太阳的一半,但体积和地球差不多[63]。散逸出去的外层物质形成了所谓的行星状星云,将一些组成太阳的物质返还给星际空间,但这时其中会包含像碳之类的重元素

太陽

太陽行星大小的比較。

太陽是太陽系內的恆星,和系統中目前質量最大(332,900地球質量)的原件[64]。在核心產生足夠高的溫度和壓力,以維持合成 核融合反應,使它成為一顆主序[65]。這會釋放出大量的能量,主要是輻射空間的電磁波,輻射的峰值在可見光的波段[66]

太陽是一顆G2型主序星。越熱的主序星越明亮,太陽的溫度介於炙手可熱的恆星和最冷的恆星之間。比太陽更熱和更亮的恆星很罕見,在銀河系中85%的恆星都是比太陽暗淡且低溫的紅矮星[67][68]

太陽是第一族恆星;比第二族恆星擁有更高豐度比氦重的元素(在天文用語是金屬[69]。比氫和氦重的元素是在恆星核心的核融合過程中形成的,經由古老的恆星爆炸才釋放進宇宙中。最老的恆星只有少量的金屬,越晚誕生的恆星金屬的含量就越多。這高金屬量是太陽能發展出行星系統極為重要的關鍵,因為行星是由「金屬」的吸積形成[70]

行星際物質

太陽系絕大部分的區域都接近真空,已知的只有行星際物質。隨著,太陽持續的輻射出帶電粒子(電漿),也就是所謂的太陽風。這股粒子流以大約每小時150萬公里的速度向外傳播[71],創造出擴散至100AU範圍的稀薄大氣層,瀰漫著行星際物質(參見 § 太陽圈[27]。太陽表面的活動,像是閃焰日冕大量拋射,擾動著太陽圈,創造太空天氣和造成地磁風暴[72]。太陽圈內最大的結構是太陽圈電流片,是由太陽自轉活動帶動的磁場,在行星際物質間轉動產生的螺旋[73][74]

地球磁場阻止地球大氣層被太陽風剝奪[75]。金星和火星沒有磁場,因此太陽風造成它們的大氣層逐漸流失進入太空[76]日冕大量拋射和相似的事件,從太陽表面吹出大量的物質和磁場。這種磁場和物質與地球磁場的交互作用,使帶電粒子像從過漏斗般地進入地球大氣層,在靠近磁極的附近創造出可見的極光

太陽和行星的磁場(對於那些有它們的行星)屏蔽掉了部分從星際空間進入太陽系,被稱為宇宙射線的高能粒子。在非常長時間的尺度,宇宙射線在星際物質的密度和太陽磁場的強度各不相同,所以宇宙射線滲入太陽系的普及程度也不進相同,有許多仍是未知的力量[77]

行星際物質中至少有兩個圓盤狀的區域像是宇宙塵的家。第一個在內太陽系,是形成黃道光黃道塵雲。它可能是小行星帶內的小行星受到行星引力擾動,造成小行星互相碰撞形成的[78]。第二個塵埃雲從大約10AU延伸至40AU,並且可能是古柏帶內的類似碰撞形成的[79][80]

內太陽系

內太陽系是包括類地行星小行星帶的區域[81]。主要成分是矽酸鹽和金屬,相對而言是太陽系內較靠近太陽的區域,而整個區域的半徑小於木星軌道和土星軌道之間的距離。這個區域也在凍結線,距離太陽略小於5AU(大約7億公里)的範圍內[82]

內行星

內行星。從左至右依序為地球火星金星水星(大小合乎比例)。

4顆類地行星或內行星有緻密的岩石成分,有少許或沒有衛星,也沒有環系統。它們很大程度上是由耐熔質的礦物,如矽酸鹽組成地殼地函;和金屬,例如構成它們的核心。4顆行星中有3顆(金星、地球和火星)有大氣層,會產生實質的天氣變化;所有的行星表面都有撞擊坑地質構造的特徵,像是裂谷火山。不要將內行星內側行星這兩個名詞混淆了,後者是指比地球更靠近太陽的行星(也就是水星和金星)。

水星

火星木星軌道之間的小行星帶,小行星散佈在其中,整體有如甜甜圈的形狀。
      太陽
      特洛伊小行星
      行星軌道
      小行星帶
      希爾達小行星
      近地天體(選定區域)

除了最大的穀神星之外,所有的小行星都屬於太陽系小天體[e],並且主要成分都是耐熔質的岩石和金屬的礦物,與些許的冰[94][95]。它們的大小從幾米到幾百公里都有。小於一米的小行星通常稱為流星體微流星體(榖粒的尺寸),只是依據大小的不同,是有點過於武斷的定義。

小行星帶分布在火星軌道和木星軌道間,距離太陽2.3AU至3.3AU的範圍內。它被認為是受到木星的引力干擾而不能凝聚成型的失敗行星,是太陽系形成時遺留下的物質[96]。小行星帶包含成千上萬,甚至數百萬顆直徑過一公里的小天體[97]。儘管這樣,估計小行星帶的總質量不會超過地球的千分之一[33]。小行星帶是非常空曠的,太空船經常飛越這個區域,都未曾發生任何事件。

穀神星

穀神星

穀神星(距離太陽2.77AU)是最大的小行星、原行星和矮行星[e]。它的直徑僅略低於1,000公里,但質量夠大,可以用其自身的重力將表面拉平成為球體。穀神星在1801年發現之後被當作行星,到1850年代因為觀測發現有眾多的小天體,才重新分類為小行星[98]。它在2006年被國際天文學聯合會行星定義再歸類為新創建的矮行星。
智神星

智神星

智神星是第二大的小行星,僅次於穀神星,體積介於穀神星和灶神星之間的過渡性,但是其質量是值得注意的。若不計算外海王星天體,智神星是太陽系內仍未被直接觀測(以望遠鏡或探測器)其表面的天體中最大的。它也有可能是太陽系內最大的不規則物體,即自身的重力不足以將天體聚成球形。另一個候選天體是外海王星天體2003 EL61。智神星體積雖然甚大,但作為小行星帶中間的天體,它的軌道卻相當傾斜,而且偏心率較大。
灶神星

灶神星

灶神星(4 Vesta)是第四顆被人類發現的
在小行星帶的小行星依據其軌道特徵可以分為小行星群小行星族小行星衛星是環繞較大的小行星公轉的小行星。它們被稱為衛星有時並不適當,因為它們有時與為主的夥伴幾乎一樣大。小行星帶中也有彗星,稱為主帶彗星,它們可能是地球上的水的來源[99]
木星特洛伊是位置在木星的L4或L5(在行星軌道前方和後方的引力穩定地區)前導或尾隨的小行星。「特洛伊」這個術語也用於其它位於其它行星或天體拉格朗日點上的小天體。
希爾達小行星是與木2:3軌道共振的小行星。那就是木星每繞太陽公轉2圈,它們就繞會太陽公轉3圈[100]
內太陽系也有近地小行星,它們是軌道會穿越過內行星軌道的小行星[101]。它們之中有一些是會威脅到地球安危的潛在威脅天體

外太陽系

外太陽系區域是巨行星和它們的大衛星的家,半人馬小行星和許多短週期彗星的軌道也在這一區。由於它們離太陽更遠,外太陽系包含的固體物質比內太陽系含有更多的揮發性物質,像是水、氨和甲烷的比例都較高,而因為溫度低,使得這些化合物都成為固態。

外行星

由上而下:海王星天王星土星木星(蒙太奇的近似顏色和相對大小)。

外面的4顆行星,或是巨行星(過去常稱為類木行星),它們囊括已知軌道環繞太陽天體的99%質量[g]。木星和土星合起來的質量超過地球的400倍,而且絕大部分是氫和氦;天王星和海王星的規模也遠較地球大(每顆都超過10地球質量),而主要由冰組成。出於這個原因,有些天文學家建議它們應屬於自己的別:「冰巨星」[102]。雖然只有土星環可以很容易地觀測到,但所有這4顆巨行星都有地外行星superior planet)這個詞是指地球外側的行星,因此包括4顆外行星和火星。

木星

半人馬小行星是類似冰彗星的天體,軌道半長軸介於木星(大於5.5AU)和 海王星(小於30AU)之間。已知最大的半人馬小行星是(10199 女凱龍星,直徑約250公里[109]。第一顆被發現的半人馬小行星是(2060) 凱龍,但因為在接近太陽時表現出彗星的特質,已經被重新分類為彗星(95P)[110]

彗星

出現在1997年的海爾-波普彗星

彗星是太陽系小天體[e],通常只有幾公里的直徑,成分大部分是揮發性冰。它們的軌道有很高的離心率,近日點在內行星的區域內,而遠日點遠在冥王星軌道之外。當一顆彗星進入內太陽系,會導致它冰冷的表面昇華電離,創造出彗髮,和經常可以用肉眼看見,由氣體和塵埃構成的長長彗尾。

短週期彗星是軌道週期短於200年的彗星,長週期彗星的軌道週期可以長達數千年。短週期彗星被認為起源於古柏帶,長週期彗星,像是海爾-波普彗星,被認為起源於歐特雲。許多彗星群體,像是克魯茲族彗星,是從單一母彗星的解體[111]。有些有著雙曲線軌道的彗星,可能是來自太陽系外,但是很難精確的測量出它們的軌道[112]。揮發性物質被太陽熱耗盡的老彗星通常會被歸類為小行星[113]

海王星外的區域

在海王星軌道之外,還存在著海王星外天體、甜甜圈形狀的古柏帶、冥王星和一些其它的矮行星,和部分和古柏帶重疊,但向盤面傾斜到達更遠處的離散盤天體。整個地區仍是大量未探索的空間。它似乎是壓到性的全部由數以千計的小天體組成 --最大的直徑不到地球的五分之一,且質量遠小於月球,主要由冰和岩石組成。這個地區有時被描述為「太陽系第三區」,包圍著內太陽系和外太陽系[114]

古柏帶

已知的古柏帶天體
      太陽
      木星特洛伊
      巨行星
      古柏帶
      離散盤
      海王星特洛伊

古柏帶是由大量碎屑組成,類似於小行星帶,但是組成物體的主要成分是冰[115]。它延伸在距離太陽30AU至50AU的空間之間,雖然估計其間包含直徑數百米到數千米的矮行星,但主要還是由太陽系小天體組成。許多大的古柏帶天體,像是創神星伐羅那亡神星,當有近一步的資料後,可能會是矮行星。估計古柏帶有100,000顆直徑大於50公里的小天體,但古柏帶的總質量只有地球的十分之一或甚至只有百分之一[32]。許多古柏帶天體都有多顆衛星[116],和大多數的軌道都在黃道平面之外[117]

古柏帶可以粗略的分成傳統帶共振帶[115]。共振的是軌道週期和海王星的軌道週期偶簡單的整數比(例如,海王星公轉太陽三週,它公轉兩週;海王星公轉兩週,它公轉一週)。其實海王星本身也是共振帶中的一員;傳統帶的成員則是不與海王星共振,是散布在39.4至47.7天文單位範圍內的天體[118]。傳統的古柏帶天體以被發現的第一顆這種天體,(15760) 1992 QB1,被分類為QB1。它們都在基本的位置附近,並且離心率都較低[119]

冥王星和卡戎

曾被视为第九大行星的冥王星
矮行星
鬩神星和衛星鬩衛一

離散盤,在黃道部分與古柏帶重疊,並進一步向外延伸,被認為是短週期彗星的來源。離散盤的天體被認為是在太陽系形成時,海王星早期向外遷移時受到引力影響,被噴出進入不穩定軌道。多數離散盤天體(SDOs)的近日點在古柏帶內,但遠日點又遠遠超過(有些距離太陽 遠達150AU)。離散盤天體的軌道對黃道面有著高度的傾斜,甚至於垂直黃道面。有些天文學家認為離散盤天體只是古柏帶的另一個區域,因此描述離散盤天體為「離散古柏帶天體」[124]。也有些天文學家將半人馬小行星歸類為向內離散古柏帶天體,而一併將離散盤天體歸類為向外離散古柏帶天體[125]

鬩神星

] 天体 英文名 编号 半径
(公里) 质量
(1021千克) 平均轨道半径
(天文单位) 分类
柯伊伯带包括冥族小天体、
QB1天体、其它共振天体
谷神星 Ceres 1 475±2 0.94 2.77 小行星带 冥王星 Pluto 134340 1,185±10 13.05 39.26 冥族小天体 阋神星 Eris 136199 1,163±6 16.7 67.67 离散盘 鸟神星 Makemake 136472 715±7 3 45.79 QB1天体 妊神星 Haumea 136108 620±30[127] 4.01 43.13 其它共振天体 2007 OR10 225088 640±105[128] 2 67.21 离散盘 冥卫一 Charon Pluto I 604±2 1.52 39.26 冥族小天体卫星 创神星 Quaoar 50000 555±3 1.4 43.58 QB1天体 赛德娜 Sedna 90377 498±40[129] 0.8 518.57 离散盘或内奥尔特云 2002 MS4 307261 470±30 0.7 41.93 QB1天体离散盘 亡神星 Orcus 90482 460±10 0.64 39.17 冥族小天体 潫神星 Salacia 120347 430±20 0.45 42.19 QB1天体离散盘

最遙遠的區域

從太陽至最近的恆星:太陽系的距離是天文單位的對數指數。

太陽系和星際空間的分界點並不明確,因為在邊界上有兩股獨立的力量:太陽風和太陽引力。太陽風影響的範圍大約是太陽至冥王星距離的4倍,這是日鞘的位置,日球層的外側邊緣,也被認為是星際物質開始的位置[27]。太陽的希爾球,引力能有效主導的範圍,被認為還要向外延伸1,000倍,抵達理論上的歐特雲所在之處[130]

日球層

氣泡狀的日球與它的各種過渡區在星際物質內移動。

日球是一個星風泡,是太空中由太陽主導的區域,它輻射出的太陽風是帶電的電粒子流,速度大約每秒400公里,直到隨著太陽風碰撞到星際物質才會停止。

與星際物質碰撞處會產生終端震波,迎風面的距離大約在80-100AU,順風面則大約在200AU處[131]。在這兒的風速會急遽放緩、凝結,並變得更為動盪[131],形成被稱為日鞘的巨大橢圓形結構。這種結構被認為外觀和行為非常像彗星的彗尾,在迎風面可以向外延伸到40AU的距離,而在順風面可以延伸數倍於此的距離;來自卡西尼號星際邊界探測器的證據,建議是受到星際磁場的約束作用,因而被迫形成氣泡的形狀[132]

日球層的外邊界,日球層頂,是太陽風終止的最後位置,並且是星際空間的起點[27]航海家1號航海家2號已經分別報告距離太陽在94AU和84AU之處進入日鞘[133][134],航海家1號報告是在2012年8月進入日鞘[135]

太陽圈外緣的形狀和形式很可能受到與星際物質相互作用的流體動力學的影響,同时也受到在南端佔優勢的太陽磁場的影響;例如,它的形狀在北半球比南半球多擴展了9個天文單位(大約15億公里)[131]。超越日球層頂,大約在230AU,存在著弓形激波,它是太陽在銀河系中穿越時留下的電漿[136]

縮小的太陽系:
  • 內太陽系和木星
  • 外太陽系和冥王星
  • 塞德娜的軌道(獨立天體)
  • 歐特雲的內層部分

由於資料的缺乏,對本地星際空間的條件缺乏了解,預期當NASA的航海家太空船穿越日球層頂時,將傳送回有關輻射和太陽風的寶貴資料[137]。由於日球層的遮蔽,能進入太陽系的宇宙線甚為稀少。一個NASA資助的團隊已經著手開發將探測器送到日球層的「願景任務」[138][139]

獨立天體

塞德娜(與太陽平均距離520 AU)是一顆巨大、淡紅色的天體,有著龐大且高度橢圓的軌道,近日點約在76AU,而遠日點在940AU,繞行太陽一圈須時11,400年。米高·布朗在2003年發現這個天體,斷言它不是離散盤古柏帶的一部分,因為它的近日點離太陽太遠了,不會受到海王星遷移的影響。他和其他的天文學家認為它是一個全新的族群,可以稱為「遠距獨立天體」(distant detached objects,DDOs),包括近日點45AU,遠日點415AU,公轉週期為3,420年的2000 CR105[140]。布朗的團隊認為這個族群是來自內歐特雲,因為它可能也是經歷了類似的過程,使它們遠離了太陽[141]。雖然它的形狀還沒有測定,但塞德娜非常像一顆矮行星。第二顆確認的獨立天體是在2012年發現的2012 VP113,它的近日點是81AU,但遠日點只有塞德娜的一半,大約在400-500AU[142][143]

歐特雲

奧爾特雲示意圖:球形的外雲與圓盤形的內雲。

歐特雲是假設的球體雲,大約從距離太陽50,000AU(約1光年)並延展至100,000AU(1.87光年),擁有高達1兆的冰天體,被認為是所有長週期彗星的來源。它被認為是被外層行星的引力作用從內太陽系逐出的彗星組成的。歐特雲的天體運動的得非常緩慢,並且可能由罕見的事件攝動,例如碰撞、經過的恆星或星系潮汐的引力效應,施加於銀河系等方式[144][145]

疆界

大部分的太陽系仍然是未知的領域。估計太陽的引力場可以超越周圍恆星占主導地位的引力作用範圍大約是2光年(125,000AU)。較低估的歐特雲半徑則不會超過50,000AU[146]。儘管已經在古柏帶和歐特雲之間的空間範圍內發現塞德娜,半徑為數千AU的空間範圍仍然是未經探測的區域;在水星和太陽之間的區域也仍然在研究中[147]。在太陽系未知的區域內還可能發現新的天體。

目前,已知最遙遠的天體是威斯特彗星,遠日點大約距離太陽70,000AU。當我們對歐特雲更瞭解時,這可能會有所改變。

銀河的範圍

Position of the Solar System within the Milky Way
太陽系在銀河系內的位置,以黃色的箭頭標示。

太陽系位於直徑約100,000光年,包含2000億顆恆星的棒旋星系,銀河系內[148],太陽的位置在銀河系外側,稱為獵戶-天鵝臂局部之一的螺旋臂[149]。太陽距離銀河中心約25,000至28,000光年[150],並且以大約220Km/s的速度在銀河系中運動,大約2億2500萬年至2億5000萬年可以轉銀河一圈。這個轉動週期稱為太陽系的銀河年[151]太陽向點,太陽通過星際空間的路徑,目前是指向武仙座,靠近明亮的織女星的方向[152]。黃道平面與銀河平面的交角大約是60°[i]

太陽在銀河系中內的位置是地球生命演化历程的一個因素。它的軌道接近圓形,並與鄰近太陽的螺旋臂有著大致相同的速度[154][155],這給了地球生命很長一段穩定進化的時間因為。因為太陽幾乎不會穿越螺旋臂,而螺旋臂聚集大量超新星、重力不穩定性和可能擾亂太陽系的輻射[154]。太陽系也在銀河的周邊地區,遠離銀河系中心擁擠的區域。在中心附近,來自鄰近恆星的引力拖曳,可以擾動歐特雲並發送許多彗星進入內太陽系,產生碰撞與危害地球上生命的潛在性災難與影響;銀河中心的強烈輻射也會干擾複雜生命的發展[154]。即使在當前太陽系所在的位置,一些科學家的推測,在最近的35,000年,最接近的超新星可能造成一些不利生命發展的因素,從恆星的核心驅散出來的放射性輻射、塵埃顆粒和較大的彗星狀結構,可能被扔向太陽[156]

鄰近地區

Fluff 太陽系是在本地星際雲或本地絨毛(Local Fluff)中,並且在G雲的附近,但不確定太陽系是否嵌入本地星際雲,或是在本地星際雲和G雲交互作用的區域內[157][158]。本地星際雲是在較為疏鬆,稱為本地泡內一個雲氣密度較高的區域。本地泡是星際物質中一個約300光年的沙漏型腔,其中充滿了電漿,表明它是最近的一些超新星爆炸產物[159]

距太陽10光年的範圍內,恆星的數量相對較少。最接近的是三合星的南門二系統,距離太陽大約4.2光年。南門二A和B是一對像太陽的緊密相關恆星,而小的紅矮星比鄰星在0.2光年的距離外環繞著這一對恆星。其它接近太陽的恆星依序是紅矮星的巴納德星(5.9光年)、沃夫359(7.8光年)、和拉蘭德21185(8.3光年)。

天狼星是鄰近太陽最大的恆星,質量大約是太陽2倍的明亮主序星,距離太陽8.6光年。他有一顆伴星,天狼星B,是一顆白矮星。最靠近太陽的棕矮星是距離6.6光年的盧曼16聯星系,在10光年內的還有紅矮星的聯星系魯坦726-8,和單獨的羅斯 154 (9.7光年)[160]。最靠近太陽的類太陽恆星是距離11.9 年的鯨魚座天倉五,質量大約是太陽的80%,但是光度只有60%[161]。最近證實距離太陽15光年的紅矮星格利澤674系外行星,它有顆質量類似天王星但軌道週期僅有5天的行星[162]。已知最靠近太陽的自由漂浮的行星質量天體WISE 0855–0714[163],距離7光年遠,質量小於10木星質量。

研究太陽系

对太阳系的长期研究,分化出了这样几门学科:

Original: Original:

https://zh.wikipedia.org/wiki/太阳系