太阳系的诞生

地球是太阳系中的一颗行星，围绕太阳运行，至今已有约 46 亿年的历史 ¹ The age of the Earth in the twentieth century
Dalrymple, G. B. (2001)
Geological Society of London Special Publications
DOI: 10.1144/GSL.SP.2001.190.01.14 . 其形成时间几乎与太阳本身同步。 因此，地球并非一个孤立诞生的天体，而是太阳系整体演化过程中的产物。 太阳的形成、原行星盘的建立以及行星的逐步孕育，共同塑造了地球的最初状态。 在物理意义上，太阳系的形成与地球的形成，实为同一演化过程在不同尺度上的展开。 本文将从引发太阳系诞生的源头出发，追溯上一代恒星的终结与超新星爆发， 并沿着物质聚集与结构形成的过程，描述太阳系从星云坍缩到行星形成的整体脉络， 在这一过程中，地球的出现将自然地浮现出来。

可追溯的源头: 上一代巨星

在大约46亿年前，在银河系某个不起眼的悬臂区域中, 曾经存在过一代质量极为巨大的恒星. 其中的一些恒星,其初始质量至少达到后来太阳的8倍以上 ² The evolution and explosion of massive stars
Woosley, S. E., Heger, A., Weaver, T. A. (2002)
Reviews of Modern Physics
DOI: 10.1103/RevModPhys.74.1015 , 相当于地球质量的260万倍。 由于如此巨大的质量,使它们从诞生之初便注定走上一条与太阳截然不同的演化路径. 在恒星生命的大部分阶段, 其内部处于一种近似的静水平衡状态 (Hydrostatic equilibrium) ¹² Stellar Structure and Evolution
Kippenhahn, R., Weigert, A., Weiss, A. (2012)
Springer-Verlag
DOI: 10.1007/978-3-642-30304-3 , 见图1.

向内的引力与向外的压强梯度保持平衡。这种向外的支撑并非直接来自核聚变产生的力, 而是源于核聚变所释放的能量维持了恒星内部的高温状态，从而在气体中建立起足够大的热压与辐射压，使其形成向外的压强梯度，并在各个半径处抵消引力。

随着恒星内部核燃料的逐级耗尽，核聚变反应依次经历氢、氦及更高阶燃烧阶段，逐步合成碳、氧、硅等元素， 并最终在硅燃烧阶段形成以铁峰元素为主的核心, 见图2。

这一过程属于 恒星核合成 (stellar nucleosynthesis) 的晚期阶段。 由于铁核无法通过聚变释放能量，向外的能量供给随之终止。 此时，电子简并压成为抵抗引力的最后屏障, 当其无法支撑核心质量时, 核心坍缩便不可避免地发生 ² The evolution and explosion of massive stars
Woosley, S. E., Heger, A., Weaver, T. A. (2002)
Reviews of Modern Physics
DOI: 10.1103/RevModPhys.74.1015 。

这一坍缩过程发生在极短的时间尺度内。 随后，释放出的巨大能量以冲击波的形式向外传播，恒星外层物质被猛烈抛射进周围的星际空间。 这一事件，便是一次核心坍缩型超新星爆发 ⁴ How massive single stars end their life
Heger, A. et al. (2003)
The Astrophysical Journal, Volume 591, Issue 1, pp. 288-300.
DOI: 10.1086/375341 。

超新星爆发: 终结与触发

超新星爆发会在极短的时间内释放出巨大的能量，并向周围空间抛射出高速运动的物质。这些被抛射出的恒星外层物质, 连同其所携带的动能与辐射, 共同形成了一道向外扩张的冲击波 ⁷ Sequential formation of subgroups in OB associations.
Elmegreen, B. G., Lada, C. J. (1977)
Astrophysical Journal
DOI: 10.1086/155302 。 这一冲击波并非抽象的“能量前沿”, 而是由真实的等离子体、原子核与尘埃颗粒构成，其成分正是此前恒星内部所包含的物质。

在爆发初期, 冲击波的传播速度可达到每秒数千公里, 远高于星际介质中的声速，因此表现为一类 强激波 ¹⁴ Interstellar Shock Waves
Draine, B. T., McKee, C. F. (1993)
Annual Review of Astronomy and Astrophysics
DOI: 10.1146/annurev.aa.31.090193.002105 . 随着时间推移，冲击波不断向外扩展，其影响范围可以达到数十光年，甚至更大。在这一过程中， 冲击波持续与周围稀薄的星际介质相互作用，减速、增厚，并在前沿区域压缩原本分布不均的气体与尘埃。

对于周围的其他星际系统而言，这种冲击波相当于一种外加扰动。它并不会“创造”新的物质，但能够显著改变原有系统的物理状态： 局部密度升高，压力与温度发生突变，原本处于稳定或亚稳定状态的分子云， 因此可能被推向引力不稳定的临界条件。

正是在这种背景下，超新星爆发被认为是恒星形成的重要触发机制之一。它既标志着一代恒星的终结，也可能成为另一代恒星系统诞生的起点。 即便在今天的宇宙中，我们仍然可以观测到超新星爆发及其遗迹。 膨胀的超新星遗迹在电磁波多个波段中清晰可见，它们记录着冲击波与星际介质长期相互作用的结果，也为研究恒星演化与星际环境提供了直接证据。

太阳的诞生: 星云的坍缩

超新星爆发源自一代大质量恒星的毁灭。在这一过程中，大量物质与能量被抛射进周围的星际空间，并在数万年至数十万年的时间尺度内， 持续影响其传播范围内的星际环境。

在这些被影响的区域之中，有一片并不起眼的星际分子云。 它，正是太阳系的前身。在这一阶段，该系统尚未形成今日的太阳系结构。 它仅由稀薄而广阔的星际气体与尘埃组成，主要成分为分子氢，并混杂着少量重元素与尘埃颗粒。 这片分子云整体温度极低，通常仅有数十开尔文，内部物质的运动速度也十分缓慢。

尽管分子云的总质量可以非常巨大，其内部却并未立即发生整体坍缩。 这是因为在当时的状态下，向内的引力与向外的热运动、湍流以及磁场效应在整体上维持着一种近似的平衡。在云的中心区域，
局部密度尚不足以引发持续的引力吸积，系统因此长期保持在一种相对稳定的状态之中。

但是,这种平衡并非牢不可破。 当来自附近超新星爆发的冲击波传播至此时，分子云开始受到持续的外部扰动。 冲击波压缩了云中原本较为致密的区域，改变了气体的运动方向与分布结构，使部分物质逐渐向云的中心区域汇聚。 随着中心区域质量的不断增加，局部引力开始占据主导地位。 一旦该区域的质量与密度超过引力不稳定的临界条件，分子云的核心便进入不可逆的坐缩过程 ¹⁵ The collapse of molecular cloud cores and the formation of stars
Larson, R. B. (2003)
Reports on Progress in Physics
DOI: 10.1088/0034-4885/66/10/R03 . 在坍缩过程中，中心区域的密度与温度迅速升高，一个新的致密天体逐渐形成。这，便是一颗原恒星——太阳诞生的起点。

原行星盘: 行星的摇篮

坍缩并未将所有物质都纳入恒星本身。在靠近中心的位置, 引力作为主要的影响力, 使得物质向中心汇聚, 在远离中心的位置, 引力变小, 物质所受的外力趋于平衡, 使其不会被向中心汇聚. 但是由于原始分子云所携带的角动量无法凭空消失 ¹⁶ Angular momentum transport in protostellar disks
Salmeron, Raquel ; Königl, Arieh ; Wardle, Mark (2007)
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
DOI: 10.1111/j.1365-2966.2006.11277.x .因此，未被直接吸积进恒星的气体与尘埃，在引力作用下围绕原恒星运动， 并逐渐在其赤道平面附近展开， 形成一个扁平而延展的结构。这一结构便是原行星盘 ⁸ Protoplanetary disks and their evolution
Williams, J. P., Cieza, L. A. (2011)
Annual Review of Astronomy and Astrophysics
DOI: 10.1146/annurev-astro-081710-102548 。

在原行星盘中， 气体与尘埃沿着近似圆形的轨道缓慢运行。盘内不同区域的温度、密度与物质组成存在显著差异, 为后续物质的聚集与分化提供了条件。 正是在这一尺度上，行星形成的过程得以展开。在接下来的数百万年中，盘内的尘埃与气体将经历持续的碰撞、聚集与重组，逐步孕育出太阳系中的各类天体。

太阳系的组成: 结构与分区

太阳系诞生于一片古老的星际星云。它曾经孕育恒星，也曾在爆发中被撕裂；在漫长的宇宙循环中，经历过多次聚集、崩解与再生。 在太阳系诞生之前，即约 46 亿年前，甚至更早的时代，这片星云便已存在。它很可能正是更早一代超新星爆发之后的遗产，其内部物质并非原初宇宙所直接生成，而是经历过多代恒星演化与重塑的结果。

这一点，可以从太阳系的组成成分中得到直接印证 ¹⁷ Solar System Abundances of the Elements
H. Palme, K. Lodders, A. Jones (2013)
Planets, Asteriods, Comets and The Solar System
DOI: 10.1016/B978-0-08-095975-7.00118-2 .在太阳系物质中，广泛存在着铁、硅、碳、氧等重元素，以及水分子与含水矿物的痕迹。这些元素无法在宇宙早期直接形成，只能通过恒星内部的核合成过程产生，并在恒星生命终结时被抛射进星际空间。 因此，太阳系本身，便携带着此前多代恒星演化留下的化学记忆。

然而，这些物质并非在太阳系中均匀分布。在原行星盘阶段，随着温度、压力与辐射环境在径向上的显著差异，不同类型的物质在不同距离上得以保留或挥发。 靠近太阳的区域，高温使得挥发性物质难以长期存在，仅有耐高温的岩石与金属成分得以凝聚；而在更遥远的区域，低温环境则允许冰、水以及轻元素化合物大量保留。

正是在这一过程中，太阳系逐渐呈现出清晰的结构分区： 以内侧的高温、致密区域为一端, 以外侧寒冷、富含挥发物的区域为另一端。 这种分区并非后天形成的结果，而是在太阳系诞生之初，由物理条件与物质性质共同决定的必然结构。

行星的形成: 从尘埃到世界

在原行星盘形成之后，早期的太阳系仍然处于高度动态的状态。此时尚不存在真正意义上的行星，只有大量气体与固体尘埃，围绕着新生的恒星沿轨道运动。

这些物质并非静止。在原行星盘内部，气体流动、湍流与轨道剪切使尘埃不断发生碰撞。在微观尺度上，静电作用与表面黏附使部分碰撞得以保留，固体颗粒逐渐聚集，形成更大的结构 ⁹ The growth mechanisms of macroscopic bodies in protoplanetary disks
Blum, J., Wurm, G. (2008)
Annual Review of Astronomy and Astrophysics
DOI: 10.1146/annurev.astro.46.060407.145152 。 最初，这些固体仅是微米级的尘埃颗粒。随着时间推移，它们逐步聚集为厘米级、米级的团块。 当尺寸增长至足以使引力开始发挥作用时，这些团块演化为尺度更大的天体——微行星（planetesimals） ¹⁰ The multifaceted planetesimal formation process
Johansen, A. et al. (2014)
Protostars and Planets VI. University of Arizona Press
DOI: 10.2458/azu_uapress_9780816531240-ch024 。

微行星的典型尺寸可达数公里，甚至更大。在这一阶段，引力成为主导机制，使微行星能够持续吸积周围的固体物质，并在频繁的碰撞与并合中不断增长。

随着吸积过程的推进，部分微行星逐渐演化为质量更大的行星胚胎（protoplanets） ¹¹ Formation of protoplanets from planetesimals
Kokubo, E., Ida, S. (2000)
Bioastronomy 99 。 这一过程并非连续而平滑，而是伴随着剧烈的碰撞、碎裂与重组。与此同时，原行星盘中的气体与尘埃被逐步消耗、清理或驱散，太阳系从最初的混沌状态，逐渐转变为由少数大质量天体主导的结构。

在这些行星胚胎之中，有一个天体，在随后的数千万年中，经历了无数次碰撞与演化。在 46 亿年后的今天，它成为我们所熟知的世界—地球。