กำเนิดและวิวัฒนาการของระบบสุริยะ

กำเนิดและวิวัฒนาการของระบบสุริยะ

            ภาพถ่ายแผ่นจานดาวเคราะห์ก่อนเกิดในเนบิวลานายพราน จากกล้องฮับเบิล แสดงให้เห็น "แหล่งอภิบาลดาวฤกษ์" ที่กว้าง 1 ปีแสง มีลักษณะคล้ายคลึงกับเนบิวลาในยุคโบราณซึ่งฟูมฟักดวงอาทิตย์ของเราให้ถือกำเนิดขึ้นระบบสุริยะถือกำเนิดขึ้นจากการแตกสลายด้วยแรงโน้มถ่วงภายในของเมฆโมเลกุลขนาดยักษ์เมื่อกว่า 4,600 ล้านปีมาแล้ว เมฆต้นกำเนิดนี้มีความกว้างหลายปีแสง และอาจเป็นต้นกำเนิดของดาวฤกษ์อื่นอีกจำนวนมาก

เมื่อย่านเนบิวลาก่อนสุริยะ ซึ่งน่าจะเป็นจุดกำเนิดของระบบสุริยะ[13]เกิดแตกสลายลง โมเมนตัมเชิงมุมที่มีอยู่ทำให้มันหมุนตัวไปเร็วยิ่งขึ้น ที่ใจกลางของย่านซึ่งเป็นศูนย์รวมมวลอันหนาแน่นมีอุณหภูมิเพิ่มสูงมากขึ้นกว่าแผ่นจานที่หมุนอยู่รอบๆ ขณะที่เนบิวลานี้หดตัวลง มันก็เริ่มมีทรงแบนยิ่งขึ้นและค่อยๆ ม้วนตัวจนกลายเป็นจานดาวเคราะห์ก่อนเกิด ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางราว 200 AUพร้อมกับมีดาวฤกษ์ก่อนเกิดที่หนาแน่นและร้อนจัดอยู่ ณ ใจกลางเมื่อการวิวัฒนาการดำเนินมาถึงจุดนี้ เชื่อว่าดวงอาทิตย์ได้มีสภาพเป็นดาวฤกษ์ชนิด T Tauri ผลจากการศึกษาดาวฤกษ์ชนิด T Tauri พบว่ามันมักมีแผ่นจานของมวลสารดาวเคราะห์ก่อนเกิดที่มีมวลประมาณ 0.001-0.1 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ กับมวลของเนบิวลาในตัวดาวฤกษ์เองอีกเป็นส่วนใหญ่จำนวนมหาศาล ดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นจากแผ่นจานรวมมวลเหล่านี้ภายในช่วงเวลา 50 ล้านปี ความดันและความหนาแน่นของไฮโดรเจนที่ใจกลางของดาวฤกษ์ก่อนเกิดก็มีมากพอจะทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นขึ้นได้ ทั้งอุณหภูมิ อัตราการเกิดปฏิกิริยา ความดัน ตลอดจนความหนาแน่นต่างเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งถึงสภาวะสมดุลอุทกสถิต โดยมีพลังงานความร้อนที่มากพอจะต้านทานกับการหดตัวของแรงโน้มถ่วงได้ ณ จุดนี้ดวงอาทิตย์จึงได้วิวัฒนาการเข้าสู่แถบลำดับหลักอย่างสมบูรณ์สิ่งที่เกิดขึ้นตามมาก็คือ ชั้นผิวนอกของดวงอาทิตย์จะแตกสลาย กลายไปเป็นดาวแคระขาว คือวัตถุที่มีความหนาแน่นอย่างยิ่งยวด มวลประมาณครึ่งหนึ่งของมวลดั้งเดิมของดวงอาทิตย์จะอัดแน่นอยู่ในพื้นที่ของวัตถุขนาดประมาณเท่ากับโลกการแตกสลายของชั้นผิวรอบนอกของดวงอาทิตย์จะทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า เนบิวลาดาวเคราะห์ ซึ่งเป็นการส่งคืนสสารต่างๆ อันประกอบขึ้นเป็นดวงอาทิตย์กลับคืนให้แก่สสารระหว่างดาว

โครงสร้าง

ขนาดวงโคจรของวัตถุต่างๆ ในระบบสุริยะ จากเล็กไปใหญ่ เริ่มจากด้านซ้านบนวนตามเข็มนาฬิกาองค์ประกอบหลักที่สำคัญของระบบสุริยะคือ ดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักประเภท G2 ซึ่งมีมวลคิดเป็น 99.86% ของมวลรวมทั้งระบบเท่าที่เป็นที่รู้จัก และเป็นแหล่งแรงโน้มถ่วงหลักของระบบ โดยมีดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ ซึ่งเป็นวัตถุในวงโคจรใหญ่ที่สุดสองดวงครอบครองมวลอีก 90% ของมวลส่วนที่เหลือ

วัตถุใหญ่ๆ ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์จะเคลื่อนที่อยู่บนระนาบใกล้เคียงกับระนาบโคจรของโลก ที่เรียกว่า ระนาบสุริยวิถี ดาวเคราะห์ทั้งหมดจะเคลื่อนที่ใกล้เคียงกับระนาบนี้ ขณะที่ดาวหางและวัตถุในแถบไคเปอร์มักเคลื่อนที่ทำมุมกับระนาบค่อนข้างมาก

ดาวเคราะห์ทั้งหมดและวัตถุส่วนใหญ่ในระบบยังโคจรไปในทิศทางเดียวกับการหมุนรอบตัวเองของดวงอาทิตย์ (ทวนเข็มนาฬิกา เมื่อมองจากมุมมองด้านขั้วเหนือของดวงอาทิตย์) มีเพียงบางส่วนที่เป็นข้อยกเว้นไม่เป็นไปตามนี้ เช่น ดาวหางฮัลเลย์ เป็นต้น ตามกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ของเคปเลอร์ อธิบายถึงลักษณะการโคจรของวัตถุต่างๆ รอบดวงอาทิตย์ กล่าวคือ วัตถุแต่ละชิ้นจะเคลื่อนที่ไปตามแนวระนาบรอบดวงอาทิตย์โดยมีจุดโฟกัสหนึ่งจุด วัตถุที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากกว่า (มีค่ากึ่งแกนเอกน้อยกว่า) จะใช้เวลาโคจรน้อยกว่า บนระนาบสุริยวิถีหนึ่งๆ ระยะห่างของวัตถุกับดวงอาทิตย์จะแปรผันไปตามเส้นทางบนทางโคจรของมัน จุดที่วัตถุอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดเรียกว่า "จุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด" (perihelion) ขณะที่ตำแหน่งซึ่งมันอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ที่สุด เรียกว่า "จุดไกลดวงอาทิตย์ที่สุด" (aphelion) วัตถุจะเคลื่อนที่ได้ความเร็วสูงที่สุดเมื่ออยู่ในตำแหน่งใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด และเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำสุดเมื่ออยู่ในตำแหน่งไกลดวงอาทิตย์ที่สุด ลักษณะของวงโคจรของดาวเคราะห์มีรูปร่างเกือบจะเป็นวงกลม ขณะที่ดาวหาง ดาวเคราะห์น้อย และวัตถุในแถบไคเปอร์ มีวงโคจรค่อนข้างจะเป็นวงรี

เมื่อศึกษาถึงระยะห่างระหว่างดาวเคราะห์ในที่ว่างมหาศาลของระบบ เราพบว่า ยิ่งดาวเคราะห์หรือแถบต่างๆ อยู่ไกลจากดวงอาทิตย์เท่าไร มันก็จะยิ่งอยู่ห่างจากวัตถุอื่นใกล้เคียงมากเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ดาวศุกร์มีระยะห่างจากดาวพุธประมาณ 0.33 หน่วยดาราศาสตร์ ส่วนดาวเสาร์อยู่ห่างจากดาวพฤหัสบดีไป 4.3 หน่วยดาราศาสตร์ และดาวเนปจูนอยู่ห่างจากดาวยูเรนัสออกไปถึง 10.5 หน่วยดาราศาสตร์ เคยมีความพยายามศึกษาและอธิบายถึงระยะห่างระหว่างวงโคจรของดาวต่างๆ (ดูรายละเอียดใน กฎของทิเทียส-โบเด) แต่จนถึงปัจจุบันยังไม่มีทฤษฎีใดเป็นที่ยอมรับ

ดาวเคราะห์ส่วนมากในระบบสุริยะจะมีระบบเล็กๆ ของตัวเองด้วย โดยจะมีวัตถุคล้ายดาวเคราะห์ขนาดเล็กโคจรไปรอบตัวเองเป็นดาวบริวาร หรือดวงจันทร์ ดวงจันทร์บางดวงมีขนาดใหญ่กว่าดาวเคราะห์เสียอีก ดาวบริวารขนาดใหญ่เหล่านี้จะมีวงโคจรที่สอดคล้องกันเป็นส่วนใหญ่ คือจะหันหน้าด้านหนึ่งของดาวเข้าหาดาวเคราะห์ดวงแม่ของมันเสมอ ดาวเคราะห์ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะ 4 ดวงยังมีวงแหวนดาวเคราะห์อยู่รอบตัวด้วย เป็นแถบบางๆ ที่ประกอบด้วยเศษชิ้นส่วนเล็กๆ โคจรไปรอบๆ อย่างเป็นอันหนึ่งอันเดียวกัน

คำจำกัดความ

ย่านต่างๆ ในระบบสุริยะระบบสุริยะสามารถแบ่งออกเป็นย่านต่างๆ ได้แบบไม่เป็นทางการ ระบบสุริยะส่วนในประกอบด้วยดาวเคราะห์ 4 ดวงกับแถบดาวเคราะห์น้อย ระบบสุริยะส่วนนอกคือส่วนที่อยู่พ้นแถบดาวเคราะห์น้อยออกไป ประกอบด้วยดาวแก๊สยักษ์ 4 ดวง ต่อมาเมื่อมีการค้นพบแถบไคเปอร์ จึงจัดเป็นย่านไกลที่สุดของระบบสุริยะ เรียกรวมๆ ว่าเป็นวัตถุพ้นดาวเนปจูน

เมื่อพิจารณาจากทั้งแง่กายภาพและการเคลื่อนที่ วัตถุที่โคจรรอบดวงอาทิตย์สามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภทคือ ดาวเคราะห์ ดาวเคราะห์แคระ และ วัตถุขนาดเล็กในระบบสุริยะ ดาวเคราะห์ไม่ว่าจะมีขนาดใดก็ตามที่โคจรรอบดวงอาทิตย์จะมีมวลมากพอจะสร้างตัวเองให้มีรูปร่างเป็นสัณฐานกลม และขับไล่ชิ้นส่วนเล็กๆ ที่อยู่รอบตัวเองให้ออกไปให้พ้นระยะ จากคำจำกัดความนี้ ดาวเคราะห์ในระบบสุริยะจึงมี 8 ดวง ได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ โลก ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน ดาวพลูโตถูกปลดออกจากตำแหน่งดาวเคราะห์เนื่องจากมันไม่สามารถขับไล่วัตถุเล็กๆ อื่นๆ ในบริเวณแถบไคเปอร์ออกไปพ้นวงโคจรของมันได้

ดาวเคราะห์แคระ คือเทหวัตถุที่โคจรรอบดวงอาทิตย์และมีมวลมากพอจะทำให้ตัวเองมีสัณฐานกลมเนื่องจากแรงโน้มถ่วง แต่ไม่สามารถขจัดชิ้นส่วนก่อนเกิดดาวเคราะห์ออกไป ทั้งไม่สามารถเป็นดาวบริวาร จากคำจำกัดความนี้ ระบบสุริยะจึงมีดาวเคราะห์แคระที่รู้จักแล้ว 5 ดวงคือ ซีรีส พลูโต เฮาเมอา มาคีมาคี และ อีรีส วัตถุอื่นๆ ที่อาจสามารถจัดประเภทเป็นดาวเคราะห์แคระได้ ได้แก่ เซดนา ออร์กัส และควาอัวร์ ดาวเคราะห์แคระที่โคจรอยู่ในย่านพ้นดาวเนปจูนเรียกชื่อรวมๆ ว่า "พลูตอยด์"นอกเหนือจากนี้ วัตถุขนาดเล็กอื่นๆ ที่โคจรไปรอบดวงอาทิตย์จัดว่าเป็นวัตถุขนาดเล็กในระบบสุริยะ

นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ใช้คำศัพท์ แก๊ส น้ำแข็ง และ หิน เพื่ออธิบายถึงประเภทองค์ประกอบสสารต่างๆ ที่พบตลอดทั่วระบบสุริยะ หิน จะใช้ในการอธิบายองค์ประกอบที่มีจุดหลอมเหลวสูง (สูงกว่า 500 เคลวิน) เช่นพวก ซิลิเกต องค์ประกอบหินมักพบได้มากในกลุ่มระบบสุริยะชั้นใน เป็นส่วนประกอบหลักของดาวเคราะห์และดาวเคราะห์น้อย แก๊ส เป็นสสารที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ เช่นอะตอมไฮโดรเจน ฮีเลียม และแก๊สมีตระกูล มักพบในย่านกึ่งกลางระบบสุริยะ เป็นส่วนประกอบส่วนใหญ่ของดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ น้ำแข็ง ซึ่งประกอบด้วยน้ำ มีเทน แอมโมเนีย และคาร์บอนไดออกไซด์ มีจุดหลอมเหลวเพียงไม่กี่ร้อยเคลวิน เป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่อยู่ในดาวบริวารของบรรดาดาวแก๊สยักษ์ รวมถึงเป็นองค์ประกอบอยู่ในดาวยูเรนัสและดาวเนปจูน (บางครั้งเรียกดาวทั้งสองนี้ว่า "ดาวน้ำแข็งยักษ์") และในวัตถุขนาดเล็กจำนวนมากที่อยู่พ้นจากวงโคจรดาวเนปจูนออกไป