【現在のわたしたちの世界の起源】太陽系の形成と進化

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今回はwikipedia英語版「Formation and evolution of the Solar System」の記事を翻訳をします。

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部分的な補正や修正のみを行っています。翻訳のプロではありませんので、機械翻訳による誤訳などを上手く訂正できていないと思います。翻訳論争はしませんのであしからず。

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英語をはじめとする外国語の情報には一般の日本人が全く知らないものが数多くあります。少々仰々しいですが「海外の常識を日本人の常識に」ということを目標に、特に歴史的流れや概念の意味を掴めるようにすることを第一優先課題としています。

太陽系の形成と進化

太陽系の形成は、約46億年前に巨大な分子雲の一部が重力崩壊を起こしたことから始まったとする証拠がある。崩壊した質量の大部分は中心に集まり太陽を形成し、残りの物質は円盤状に広がり、原始惑星系円盤を形成した。この円盤から、惑星、衛星、小惑星、その他の小天体が誕生した。

このモデルは「星雲仮説」として知られ、18世紀にエマヌエル・スヴェーデンボリ、イマヌエル・カント、ピエール＝シモン・ラプラスによって初めて提唱された。その後、この仮説は天文学、化学、地質学、物理学、惑星科学など、さまざまな科学分野と結びつきながら発展してきた。1950年代の宇宙時代の幕開けや1990年代の系外惑星の発見以降、このモデルは新たな観測結果に基づいて修正・精緻化されてきた。

太陽系はその形成以来、大きく進化を遂げている。多くの衛星は、母惑星の周囲にあったガスや塵の円盤から形成され、また別の衛星は独立して形成された後に惑星に捕獲されたと考えられている。さらに、地球の月のように巨大な衝突の結果として誕生した可能性のあるものもある。こうした天体同士の衝突は現在に至るまで継続しており、太陽系の進化において重要な役割を果たしてきた。海王星の外側では、多くの準惑星サイズの天体が形成された。これまでに数千個の太陽系外縁天体が観測されており、惑星とは異なり、それらの多くは離心率が大きく、惑星の軌道面に対して傾いた軌道を持っている。惑星の位置は重力相互作用によって変化した可能性があり、惑星移動が太陽系初期の進化に大きく寄与したと考えられている。

約50億年後、太陽は冷却しながら膨張し、現在の数倍もの大きさの赤色巨星へと変化する。その後、外層を惑星状星雲として放出し、最終的に白色矮星と呼ばれる恒星の残骸を残すことになる。さらに遠い未来、通過する恒星の重力の影響によって太陽系の惑星群は徐々に失われていく。一部の惑星は破壊され、他の惑星は星間空間へと放り出されるだろう。最終的に、数百億年の歳月を経て、太陽の周囲には元の天体は何も残らなくなる可能性が高い。

歴史

世界の起源と運命に関する思想は、最も古い記録にまで遡ることができる。しかし、そうした理論を「太陽系」の存在と結びつける試みは長らく行われなかった。そもそも、現在の意味での太陽系が存在すると一般に考えられていなかったためである。太陽系の形成と進化に関する理論への第一歩は、太陽を中心に置き、地球がその周囲を公転するという地動説の広範な受容であった。この概念自体は何千年も前から存在し、紀元前250年頃にはサモスのアリスタルコスが提唱していたが、広く受け入れられるようになったのは17世紀末になってからだった。「太陽系（Solar System）」という用語が初めて記録されたのは1704年のことである。

現在の標準的な太陽系形成理論である星雲仮説は、18世紀にエマヌエル・スヴェーデンボリ、イマヌエル・カント、ピエール＝シモン・ラプラスによって提唱されて以来、支持と批判を繰り返してきた。この仮説に対する最大の批判は、太陽の角運動量が惑星と比較して極端に少ないことを説明できないように見えた点である。しかし、1980年代初頭以降、若い恒星が冷たい塵とガスの円盤に囲まれていることが観測され、これは星雲仮説が予測していた通りの現象であった。この発見により、星雲仮説は再び支持されるようになった。

太陽が今後どのように進化していくかを理解するには、そのエネルギー源を解明する必要があった。アーサー・スタンリー・エディントンはアルベルト・アインシュタインの相対性理論を確認したことで、太陽のエネルギーが水素の核融合反応によって生じ、ヘリウムが生成されることを突き止めた。1935年、エディントンはさらに進んで、太陽内部で他の元素も形成される可能性を示唆した。その後、フレッド・ホイルがこの考えを発展させ、進化した恒星である赤色巨星の内部で水素やヘリウムより重い元素が生成されると主張した。そして、赤色巨星が最終的に外層を放出すると、それらの元素が宇宙空間へと放出され、新たな恒星系の材料となると考えられた。

形成

原始太陽星雲

星雲仮説によれば、太陽系は巨大分子雲の一部が重力崩壊を起こしたことで形成された。この崩壊は、おそらくウォルフ・ライエ星のバブルの端で発生したと考えられている。この分子雲は約20パーセク（65光年）の広がりを持ち、その中の崩壊した断片はおよそ1パーセク（約3.25光年）の大きさであった。これらの断片がさらに収縮すると、直径0.01〜0.1パーセク（2,000〜20,000天文単位）の高密度コアが形成された。そのうちの一つの崩壊した断片が、のちに太陽系となる原始太陽星雲（presolar nebula）を形成した。

この領域の質量は太陽の質量（M☉）とほぼ同じで、その組成も現在の太陽とほぼ一致していた。質量の約98%は水素が占め、ヘリウムとビッグバン元素合成によって生成された微量のリチウムが含まれていた。残りの2%は、より古い世代の恒星内部での核融合反応（元素合成）によって作られた重元素から構成されていた。これらの恒星は寿命の終わりに重元素を星間物質として放出したと考えられる。

一部の科学者は、この原始太陽星雲を生み出した超新星爆発を起こした仮説上の恒星に「コアトリクエ（Coatlicue）」（※アステカの宇宙論における太陽の母に基づく）という名前を与えている。

最も古い隕石に含まれる微小な包有物は、原始太陽星雲で最初に形成された固体物質と考えられており、その年代は約45億6820万年前と推定されている。これは太陽系の年齢の一つの定義とされる。古代の隕石の研究によって、鉄60のような短寿命同位体の安定した娘核種の痕跡が発見されている。鉄60は、寿命の短い爆発する恒星（超新星）でのみ生成されるため、太陽系が形成される前に近傍で超新星爆発が起こったことを示唆している。超新星からの衝撃波が分子雲内に比較的高密度の領域を作り出し、それが崩壊して太陽の形成を引き起こした可能性がある。

太陽系における鉄60（⁶⁰Fe）の分布が極めて均一であることから、超新星の爆発と鉄60の注入は、星雲の塵が惑星体へと集積するよりも前に発生したと考えられる。超新星を引き起こすのは質量の大きい短命の恒星のみであるため、太陽は大質量星が数多く誕生する大規模な星形成領域で形成された可能性がある。これはオリオン大星雲のような環境と類似している。カイパーベルトの構造やその内部の異常な物質の研究によれば、太陽は直径6.5から19.5光年、質量3000M☉（太陽質量）の星団の一員として誕生し、1000から1万個の星と共に存在していたと考えられる。この星団は形成から1億3500万から5億3500万年の間に崩壊を始めた。

若い太陽が誕生後の最初の1億年の間に他の恒星と接近遭遇するシミュレーションでは、外縁太陽系で観測される異常な軌道（例えば太陽系から孤立した天体）が再現された。最近の研究では、このような接近遭遇によって、カイパーベルトの熱的・冷的成分、セドナのような天体、極端な太陽系外縁天体（TNO※trans-Neptunian objects）、逆行するTNOが形成された可能性が示唆されている。

角運動量保存の法則により、星雲は収縮するとともに回転速度を増した。また、物質が凝縮するにつれて温度も上昇した。星雲の質量の大部分が集まった中心部は、周囲の円盤よりも高温になった。約10万年の間、重力、ガス圧、磁場、回転の相互作用によって、収縮する星雲は直径約200天文単位の回転する原始惑星系円盤へと変化し、その中心には高温・高密度の原始星（水素融合がまだ始まっていない星）が形成された。

既知の恒星の約半数は複数の恒星系を形成しており、木星は水素とヘリウムからなるため、太陽系も初期には二重星系のような状態だった可能性があるという説がある。この説では、木星がもう一つの原始星になりかけたが、核融合を開始するには質量が不足していたため、単なるガス惑星になったとされる。しかし、木星は実際には太陽よりも若く、太陽系で最も古い惑星である。

この段階の太陽はおうし座T型星と考えられる。おうし座T型星の観測からは、しばしば質量0.001から0.1太陽質量の原始惑星系円盤を伴うことが示されている。これらの円盤は数百天文単位に広がり、ハッブル宇宙望遠鏡による観測では、オリオン大星雲内に直径1000天文単位の原始惑星系円盤が確認されている。これらの円盤は比較的低温であり、最も高温の部分でも表面温度は約1000ケルビン（730度セルシウス、1340度ファーレンハイト）にとどまる。

約5000万年後、太陽の中心核で温度と圧力が十分に上昇し、水素の核融合が始まった。これにより、内部のエネルギー供給が重力収縮と釣り合い、静水圧平衡が達成された。この時点で、太陽はその寿命の主要な段階である主系列星へと進化した。主系列星は、水素をヘリウムに核融合することでエネルギーを生み出す。現在の太陽も主系列星の段階にある。

初期の太陽系が進化する中で、太陽は生まれた星団の仲間から次第に離れ、天の川銀河の中心を単独で周回するようになった。太陽の化学的履歴を分析すると、かつて銀河中心から約3キロパーセク内側で形成された可能性が示唆されている。

太陽系の誕生環境

ほとんどの恒星と同様に、太陽も単独で形成されたのではなく、若い星団の一部として誕生した可能性が高い。太陽系がその誕生環境から何らかの影響を受けたことを示唆するいくつかの証拠がある。例えば、海王星以遠で質量が急激に減少していることや、セドナの極端な離心軌道は、太陽系が誕生した環境の影響を受けた証拠と解釈されている。また、同位体である鉄60やアルミニウム26の存在を、誕生した星団に大質量星が含まれていた証拠とみなせるかどうかについては、いまだ議論が続いている。もし太陽が星団の一部として形成されたのであれば、他の恒星との接近遭遇、近くに存在した大質量星からの強い放射、そして近傍で発生した超新星爆発による噴出物の影響を受けた可能性がある。

惑星の形成

各惑星は、太陽の形成後に残されたガスと塵の円盤状の雲である太陽星雲から形成されたと考えられている。現在広く受け入れられている惑星形成の方法は降着であり、この過程では、惑星は中心の原始星の周囲を公転する塵の粒子から始まった。これらの粒子は直接的な接触や自己組織化によって集まり、最大で直径200メートルほどの塊を形成し、さらに衝突を繰り返して直径約10キロメートルの微惑星へと成長した。これらはさらなる衝突を経て徐々に成長し、数百万年の間に年間数センチメートルの速度で大きくなっていった。

内太陽系、すなわち4天文単位（AU）以内の領域は温度が高すぎたため、水やメタンなどの揮発性分子が凝縮できなかった。このため、そこに形成された微惑星は、鉄、ニッケル、アルミニウムといった金属や、ケイ酸塩などの高融点化合物からしか成り得なかった。これらの岩石質の微惑星は地球型惑星（水星、金星、地球、火星）へと成長していった。これらの化合物は宇宙全体では比較的希少であり、太陽星雲の質量のわずか0.6%しか占めていなかったため、地球型惑星は大きく成長することができなかった。地球型惑星の原始惑星は、およそ地球質量の0.05倍まで成長し、太陽の形成から約10万年後には物質の蓄積をほぼ終えた。その後、原始惑星同士の衝突と合体を繰り返すことで、現在の地球型惑星のサイズへと成長した。

地球型惑星の形成中、それらはまだガスと塵の円盤の中に埋もれていた。このガスは部分的に圧力によって支えられ、惑星よりも遅い速度で太陽を公転していた。これにより、ガスとの相互作用や角運動量の移動が生じ、惑星の軌道が時間とともに変化した。モデルによると、円盤内の密度や温度の変動がこの移動速度を決定したが、全体的な傾向としては、ガス円盤が消失するにつれて内側の惑星は太陽に向かって移動し、現在の軌道に落ち着いたと考えられている。

木星、土星、天王星、海王星といった巨大惑星は、スノーライン（氷境界する金属やケイ酸塩よりもはるかに豊富に存在したため、巨大惑星は十分に成長して周囲の水素やヘリウム（最も軽く豊富な元素）を捕獲できるほどの質量を持つようになった。スノーラインの外側にあった微惑星は、およそ300万年以内に4地球質量（ME）ほどに成長したと考えられている。現在、太陽を公転する質量の99%近くはこの4つの巨大惑星に集中している。

研究者たちは、木星がスノーラインのすぐ外側に位置していることは偶然ではないと考えている。スノーラインでは、落下してきた氷状物質が蒸発することで大量の水が蓄積し、それによって圧力の低い領域が形成された。この領域では、円盤内の塵の速度が上昇し、内側への移動が停止した。これにより、物質が約5天文単位（AU）に集中しやすくなり、巨大な原始惑星の核（コア）が急速に成長する条件が整った。この核は約10地球質量（ME）に達し、周囲のガスを加速度的に降着していった。木星は形成開始から約10万年後には約150地球質量に達し、最終的には318地球質量で成長を終えた。一方、土星の質量が木星よりもかなり小さいのは、おそらく木星より数百万年遅れて形成されたため、降着できるガスが少なかったからだと考えられている。

おうし座T型星の段階にあった若い太陽は、年老いた安定した恒星よりもはるかに強い恒星風を持っていた。木星や土星の形成が終わったころには、この恒星風が円盤のガスの大部分を吹き飛ばしてしまい、その結果、天王星と海王星はほとんど水素やヘリウムを取り込めなかった。それぞれの水素・ヘリウムの質量は1地球質量以下にとどまり、このため「失敗したコア」と呼ばれることもある。

しかし、天王星と海王星の形成モデルには大きな問題がある。現在の軌道での微惑星の降着速度では、これらの惑星が形成されるのに数千万年以上かかる計算になる。しかし、円盤のガスは数百万年以内に消滅するため、この計算は矛盾している。このことから、天王星と海王星はより太陽に近い位置で形成され、その後外側へ移動した可能性が指摘されている（「惑星移動」理論）。また、スターダスト探査機がヴィルト第2彗星のサンプルを回収した際に、太陽系形成初期の高温領域に由来する物質が発見されたことから、微惑星の移動は太陽へ向かうものばかりではなく、外側へも広がっていたことが示唆されている。

太陽の形成から約300万〜1000万年後、若い太陽の強烈な太陽風がすべてのガスと塵を吹き払い、残った物質は星間空間へと散逸した。これにより、惑星の成長は完全に終了し、太陽系は現在の姿へと近づいていった。

その後の進化

惑星はもともと現在の軌道内またはその近くで形成されたと考えられていたが、過去20年でその説には疑問が呈されてきた。現在、多くの惑星科学者は太陽系が初期の形成後には現在とは非常に異なっていた可能性があると考えている。例えば、少なくとも水星と同じくらいの質量を持ついくつかの天体が内側の太陽系に存在していた可能性があり、外側の太陽系は現在よりもはるかに密度が高かった可能性があり、また、カイパーベルトは太陽にもっと近かったかもしれない。

地球型惑星

惑星形成の時代が終わると、内太陽系には月から火星のサイズを持つ50～100個の原始惑星が存在していた。さらなる成長は、これらの天体が衝突して合体することで可能となり、その過程は1億年もかからなかっただろう。これらの天体は互いに重力的に影響し合い、軌道を引き寄せ合い、衝突することで互いに成長し、最終的に現在の4つの地球型惑星が形成されたと考えられている。このような巨大な衝突の1つが月を形成したとされており、別の衝突が若い水星の外層を取り除いたとも考えられている。

このモデルには解決されていない問題があり、それは原始地球型惑星の初期軌道がどのようにして現在の非常に安定したほぼ円形の軌道を作り出したかを説明できないことだ。これを説明する仮説の1つは、地球型惑星が太陽によってまだ放出されていないガスの円盤内で形成されたというものだ。この残留ガスの力学的摩擦（重力的ドラッグ）が最終的に惑星のエネルギーを低下させ、軌道を滑らかにしたとされる。しかし、そのようなガスが存在していた場合、地球型惑星の軌道が最初からそれほど偏心することを防いだだろう。別の仮説は、力学的摩擦が惑星と残留ガスの間ではなく、惑星と残りの小さな天体の間で発生したというものだ。大きな天体が小さな物体の群れの中を移動する際、これらの小さな物体は大きな惑星の重力に引き寄せられ、惑星の進行方向に高密度な領域、いわゆる「重力の航跡」が形成された。これにより、航跡の重力が増加し、大きな天体の速度が遅くなり、より規則的な軌道に引き寄せられた。

小惑星帯

地球型惑星が形成される領域の外縁、太陽から2～4 AUの間を小惑星帯と呼ぶ。小惑星帯には、最初に2～3個の地球型惑星を形成するのに十分な物質が含まれており、実際に多くの微惑星がここで形成された。地球型惑星と同様に、この地域の微惑星は後に凝縮し、20～30個の月から火星サイズの惑星胚を形成した。しかし、木星の近くにあるため、木星が太陽から300万年後に形成された時、この地域の歴史は劇的に変化した。小惑星帯では、木星と土星との軌道共鳴が特に強く、これらの惑星胚との重力的相互作用によって、多くの微惑星が共鳴に巻き込まれた。木星の重力はこれらの共鳴内の物体の速度を増加させ、物体が他の天体と衝突して粉砕される原因となり、成長することなく破壊された。

木星が形成後、内側に移動する際、共鳴が小惑星帯を通過し、この地域の物体を動的に興奮させ、相互の速度を増加させた。共鳴と惑星胚の累積的な作用により、微惑星の多くが小惑星帯から散乱され、軌道の傾斜角と離心率が興奮した。これらの巨大な胚の一部は木星によって放出され、他の胚は内惑星系に移動し、地球型惑星の最終的な凝縮に役立った。この主要な減少期間中、巨大惑星と惑星胚の影響により、小惑星帯は地球の1％未満の質量しか残さなかったが、その質量のほとんどは小さな微惑星から成り立っていた。現在の小惑星帯の質量は0.0005地球質量であり、これは当時の10～20倍に相当する。小惑星帯が現在の質量に近づく二次的な減少期間は、木星と土星が一時的な2:1の軌道共鳴に入ったときに続いたと考えられている。

内惑星系での巨大衝突の期間は、地球が現在の水の量（約6×10^21 kg）を初期の小惑星帯から獲得する役割を果たしたと考えられている。水は地球の形成時には揮発性が高すぎて存在し得ず、その後外部の冷たい領域から供給されたはずである。水は、木星によって小惑星帯から追い出された惑星胚や小さな微惑星によって供給されたと考えられる。また、2006年に発見された主帯彗星の集団も地球の水源として可能性があると示唆されている。対照的に、カイパーベルトやそれより遠くの地域から来た彗星は、地球の水の約6％しか供給していない。パンスペルミア仮説は、生命そのものがこの方法で地球に到達した可能性があると考えるが、このアイデアは広く受け入れられていない。

惑星の移動

星雲仮説によれば、外側の2つの惑星は「間違った場所」にあるかもしれない。天王星と海王星（「巨大氷惑星」として知られる）は、太陽星雲の密度が低く、軌道周期が長いため、そこで形成されるのは非常に考えにくい。これらの惑星は、むしろ木星や土星（「巨大ガス惑星」として知られる）の近くの軌道で形成され、より多くの物質が利用できたため、数億年にわたって現在の位置に移動したと考えられている。

外惑星の移動は、太陽系の最外縁の存在とその特性を説明するためにも必要である。海王星の外側には、太陽系はカイパーベルト、散乱円盤、オールト雲と続いており、これらは観測されたほとんどの彗星の起源と考えられている小さな氷の天体の希薄な集団である。太陽からの距離では、 集積が遅すぎて、太陽星雲が分散する前に惑星が形成されることはなかったため、初期の円盤は惑星に凝縮するのに十分な質量密度を欠いていた。カイパーベルトは太陽から30 AUから55 AUの間に広がっており、さらに外側の散乱円盤は100 AUを超え、遠くのオールト雲は約50,000 AUから始まる。しかし、元々カイパーベルトははるかに密度が高く、太陽に近い位置にあり、その外縁はおおよそ30 AUであった。その内縁は天王星と海王星の軌道のすぐ外側にあったと考えられ、天王星と海王星は形成当初は太陽に非常に近かった（おそらく15～20 AUの範囲で）が、50％のシミュレーションでは反対の位置に落ち着き、天王星は海王星よりも太陽から遠くなった。

ニースモデルによれば、太陽系の形成後、すべての巨大惑星の軌道は残された大量の惑星体との相互作用の影響を受けてゆっくりと変化し続けた。500～600百万年後（約40億年前）、木星と土星は2:1の共鳴に落ち込んだ。土星は木星の2回の軌道に対して1回太陽を周回することになった。この共鳴は外惑星に対して重力的な押し返しを生じさせ、海王星が天王星を追い越して古代のカイパーベルトに突入する原因となった。惑星は小さな氷の天体の大部分を内向きに散乱させ、惑星自体は外向きに移動した。その後、これらの惑星体は次に出会った惑星に似た方法で散乱し、惑星の軌道を外向きに移動させ、その間にそれら自身は内向きに動いた。このプロセスは続き、惑星体が木星と相互作用し、その巨大な重力がそれらを非常に楕円軌道に送ったり、太陽系から完全に追い出したりした。このため、木星はわずかに内向きに移動した。木星によって非常に楕円軌道に散乱された天体はオールト雲を形成し、移動した海王星によって散乱された天体は現在のカイパーベルトと散乱円盤を形成した。このシナリオは、現在のカイパーベルトと散乱円盤の質量が少ない理由を説明している。散乱された天体の中には、冥王星を含むものがあり、これらは海王星の軌道と重力的に結びつき、平均運動共鳴に入った。最終的には、惑星体円盤内の摩擦によって天王星と海王星の軌道は再びほぼ円形になった。

外惑星とは対照的に、内惑星は太陽系の歳月の中で大きく移動したとは考えられていない。なぜなら、その軌道は巨大な衝突の時期を経て安定したままであるからだ。

もう一つの問題は、なぜ火星が地球と比べてこんなにも小さいのかということだ。2011年6月6日にテキサス州サンアントニオの南西研究所によって発表された「グランドタック仮説」によれば、木星は1.5 AUまで内向きに移動したとされている。土星が形成され、内向きに移動し、木星と2:3の平均運動共鳴を確立した後、この研究は両惑星が現在の位置に戻ったと仮定している。したがって、木星は火星をより大きくするはずだった物質の大部分を消費したことになる。このシミュレーションはまた、現代の小惑星帯の特徴を再現し、乾燥した小惑星と彗星に似た水分を豊富に含む天体を示している。しかし、太陽星雲の条件が木星と土星に現在の位置に戻ることを許したかどうかは不明であり、現在の推定ではこの可能性は低いとされている。さらに、火星の質量が小さいことに対する別の説明も存在している。

後期重爆撃とその後

外惑星の移動による重力的な乱れが、大量の小惑星を内惑星系に送り込み、元々の小惑星帯を大きく減少させ、現在の非常に低い質量にまで減らしたと考えられている。この出来事は、太陽系が形成されてから5〜6億年後の約40億年前に起こったとされる後期重爆撃を引き起こした可能性がある。しかし、最近の宇宙化学的制約の再評価により、爆撃率において遅いピーク（「終末的大災害」）はなかったと考えられている。

もし後期重爆撃が実際に起こったのであれば、この期間は数億年にわたって続き、月や水星のような地質的に死んだ天体に現在も見られるクレーターにその証拠が残っている。地球上の生命の最古の証拠は38億年前にさかのぼり、後期重爆撃が終わった直後であった。

衝突は太陽系の進化において定期的（現在は稀であるが）な出来事であると考えられている。それが現在も起こっている証拠として、1994年のショーメーカー・レヴィ9彗星の木星衝突、2009年の木星衝突イベント、トゥングスカ事件、チェリャビンスク隕石、アリゾナの隕石クレーターを形成した衝突が挙げられる。したがって、 集積過程は完了しておらず、地球上の生命に対する脅威を依然として抱えている可能性がある。

太陽系の進化の過程で、彗星は巨大惑星の重力によって内太陽系から追い出され、何千AUも外側に送り出されてオールト雲を形成した。オールト雲は太陽の重力が及ぶ最も遠い範囲にある彗星の核の球状の外層である。その後、約8億年が経過した後、銀河潮汐、通過する星々、巨大分子雲による重力的な乱れがオールト雲を減少させ、彗星を内太陽系に送り込むようになった。外太陽系の進化は、太陽風、微小隕石、星間物質の中性成分からの宇宙風化の影響を受けていたようにも見える。

後期重爆撃後の小惑星帯の進化は主に衝突によって支配されていた。大きな質量を持つ天体は、激しい衝突によって放出された物質を保持するための重力を持っている。しかし、小惑星帯では通常、そうではない。結果として、多くの大きな天体は分解され、時には新しい物体が比較的穏やかな衝突から残骸を使って形成された。現在、いくつかの小惑星の衛星は、親天体から放出された物質がその重力を完全に逃げるだけのエネルギーを持たずに再凝縮したものとしてのみ説明できる。

衛星

衛星はほとんどの惑星や多くの太陽系の天体の周りに存在するようになった。これらの自然衛星は、次の3つのいずれかのメカニズムによって形成されたと考えられている。

• 惑星周囲円盤からの共形成（巨大惑星の場合のみ）

• 衝突による破片からの形成（十分に大きな衝突が浅い角度で発生した場合）

• 通過する天体の捕獲

木星と土星には、イオ、エウロパ、ガニメデ、タイタンなどのいくつかの大きな衛星があり、これらはそれぞれの巨大惑星の周囲の円盤から形成された可能性がある。この起源は、衛星の大きさと惑星に近い位置によって示唆されている。これらの特徴は、捕獲によって達成することは不可能であり、また、母星の気体状の性質も衝突による破片から形成される可能性を低くしている。巨大惑星の外側の衛星は小さく、軌道が偏心していて傾斜角が任意であることが多い。これらは捕獲された天体に期待される特徴であり、ほとんどのそのような衛星は母星の自転方向とは逆方向に公転している。最も大きな不規則な衛星は海王星の衛星トリトンであり、これは捕獲されたカイパーベルト天体であると考えられている。

固体の太陽系天体の衛星は、衝突と捕獲の両方によって形成されている。火星の2つの小さな衛星、デイモスとフォボスは、捕獲された小惑星であると考えられている。地球の月は、1回の大きな正面衝突の結果として形成されたと考えられている。その衝突天体の質量は火星と同程度であり、衝突は巨大衝突の時期の終わりに近い時期に発生した可能性が高い。その衝突により、衝突天体のマントルの一部が軌道に放り出され、その後月として凝集した。衝突は、地球を形成する一連の合体の最後のものであったと考えられている。さらに、火星サイズの天体は、地球–太陽ラグランジュ点のいずれか（L4またはL5）で形成され、その位置から移動した可能性があると仮定されている。海王星以遠の天体である冥王星（カロン）やオルクス（ヴァンテ）などの衛星も、大きな衝突によって形成された可能性がある。冥王星–カロン、オルクス–ヴァンテ、地球–月系は、衛星の質量が母天体の少なくとも1%であるという点で、太陽系内で特異な存在である。

将来

天文学者たちは、現在の太陽系の状態は、太陽がその中心でほぼすべての水素燃料をヘリウムに融合し、ヘルツシュプルング–ラッセル図の主系列から進化を始めて赤色巨星段階に入るまで、大きく変化することはないと推定している。それまで太陽系は進化し続けるだろう。最終的に、太陽は十分に膨張し、内惑星（水星、金星、そしておそらく地球）を飲み込む可能性があるが、外惑星（木星や土星など）は影響を受けないだろう。その後、太陽は白色矮星のサイズに縮小し、外惑星やその衛星はこの小さな太陽の残骸の周りを引き続き公転することになる。この未来の発展は、MOA-2010-BLG-477L bという木星サイズの系外惑星がその母星である白色矮星MOA-2010-BLG-477Lの周りを公転しているという観測と似ているかもしれない。

長期安定性

太陽系は、百万年から十億年単位の長期的なスケールで見るとカオス的な振る舞いを示し、惑星の軌道には長期的な変動の可能性がある。その顕著な例の一つが、3:2の軌道共鳴にある海王星‐冥王星系である。この共鳴自体は安定しているものの、約1000万～2000万年（リャプノフ時間）以上先の冥王星の位置を正確に予測することは不可能である。別の例として、地球の自転軸の傾きが挙げられる。これは月との潮汐相互作用によって地球のマントル内に生じる摩擦の影響を受けており、15億年から45億年の間のある時点以降、その変動を計算することができなくなる。

外惑星の軌道も、より長い時間スケールではカオス的に振る舞い、そのリャプノフ時間は約200万～2億3000万年と推定されている。すべての場合において、惑星が軌道上のどの位置にあるのかを最終的に正確に予測することは不可能となる（たとえば、冬や夏の到来時期が不確実になる）。さらに、場合によっては軌道そのものが大きく変化することもある。このカオス的な影響は主に離心率の変化として現れ、惑星の軌道がより楕円形に近づいたり、逆に円に近づいたりする。

最終的には、今後数十億年の間に惑星同士が衝突したり、太陽系から放り出されたりする可能性は低いため、太陽系は基本的に安定していると考えられる。しかし、約50億年以内に火星の離心率が0.2程度まで増加し、地球軌道と交差する可能性があり、衝突のリスクが生じるかもしれない。同じ時間スケールで、水星の離心率はさらに大きく増加し、金星との接近遭遇によって太陽系外へ放り出されたり、金星や地球と衝突したりする可能性がある。このような事態は、水星の軌道が摂動を受けることを考慮した数値シミュレーションの結果、10億年以内に起こりうるとされている。

衛星とリングのシステム

衛星の進化は潮汐力によって支配される。衛星は、それが周回する天体（主星）に潮汐隆起を引き起こす。これは、主星の直径に沿った重力の差によって生じるものである。もし衛星の公転方向が主星の自転方向と同じであり、かつ主星の自転速度が衛星の公転周期よりも速い場合、潮汐隆起は常に月の前方に引っ張られる。この場合、角運動量が主星の自転から衛星の公転へと移動するため、衛星はエネルギーを得て徐々に外側へ螺旋状に移動し、同時に主星の自転は次第に遅くなっていく。

地球と月の関係は、このような構成の一例である。現在、月は地球に対して潮汐固定されており、地球を1回公転するのに要する時間（現在約29日）と、自転する時間が等しいため、常に同じ面を地球に向けている。今後も月は地球から徐々に遠ざかり、地球の自転もゆっくりと減速し続ける。同様の例としては、木星のガリレオ衛星（および木星の多くの小型衛星）や、土星の主要な衛星の大部分が挙げられる。

衛星が主星の自転よりも速く公転している場合、または主星の自転とは逆方向に公転している場合、異なる状況が発生する。これらのケースでは、潮汐隆起が衛星の軌道上で遅れて発生する。前者の場合、角運動量の移動方向が逆転し、主星の自転が加速すると同時に、月の軌道は縮小する。後者の場合、自転と公転の角運動量の符号が逆になるため、角運動量の移動によって両者の大きさが減少し、互いに相殺される。

どちらのケースでも、潮汐減速によって衛星は主星へと徐々に螺旋状に接近していき、最終的には潮汐応力によって崩壊し、惑星のリング系を形成する可能性があるか、惑星の表面や大気に衝突する運命をたどる。このような運命が待っているとされるのが、火星のフォボス（3000万～5000万年以内）、海王星のトリトン（36億年以内）、そして天王星と海王星の少なくとも16個の小型衛星である。また、天王星のデズデモーナは、近傍の衛星のいずれかと衝突する可能性がある。

もう一つの可能性として、主星と衛星が互いに潮汐固定されている場合がある。この場合、潮汐隆起は常に衛星の真下に位置し、角運動量の移動が発生しないため、軌道周期は変化しない。冥王星とカロンがこのタイプの例に該当する。

土星のリングの形成メカニズムについては、いまだに統一された見解が存在しない。理論モデルでは、土星のリングは太陽系の初期に形成された可能性が高いとされていたが、カッシーニ‐ホイヘンス探査機によるデータは、リングが比較的最近形成されたことを示唆している。

太陽と惑星の環境

長期的に見れば、太陽系における最も大きな変化は、太陽自身の進化によって引き起こされる。太陽は水素燃料を消費し続けるにつれて高温になり、残りの燃料をさらに速く燃焼させる。その結果、太陽の光度は11億年ごとに約10%増加している。

約6億年後には、太陽の明るさの増加によって地球の炭素循環が乱され、C3光合成を行う植物（樹木や森林）が生存できなくなる。そして約8億年後には、地球表面や海洋に生息する複雑な生命はすべて絶滅すると考えられている。さらに11億年後には、太陽の放射エネルギーの増加によってハビタブルゾーン（生命居住可能領域）が外側へ移動し、地球の表面は液体の水が自然に存在できないほどの高温になる。この時点で、生命は単細胞生物のみになると考えられる。

また、海洋の表面から水（水蒸気は強力な温室効果ガス）が蒸発することで、温暖化が加速し、すべての生命がそれ以前に絶滅する可能性もある。一方で、この時期には火星の表面温度が徐々に上昇し、地中のレゴリスに凍結している二酸化炭素や水が大気中に放出されることで温室効果が生じ、地球と同様の気候条件に近づく可能性がある。これにより、火星が将来的に生命の生息地となる可能性も考えられている。

そして、約35億年後には、地球の表面環境は現在の金星と同様の状態になると予測されている。

約54億年後、太陽の中心核は十分に高温になり、周囲の水素殻で核融合が始まる。これにより太陽の外層は大きく膨張し、「赤色巨星」と呼ばれる段階に入る。

75億年以内に、太陽は現在の256倍の大きさに膨張し、半径1.2天文単位（1億8000万km）に達する。赤色巨星の最も膨張した段階では、表面積の増大により表面温度は現在よりも低下し、約2600K（2330℃）まで冷えるが、光度は現在の最大2700倍に達する。この赤色巨星段階の一部では、強い恒星風によって太陽の質量の約33%が失われると考えられている。この時期には、土星の衛星タイタンが生命を維持できる表面温度に達する可能性もある。

太陽が膨張する過程で、水星と金星は飲み込まれる。地球の運命ははっきりしない。太陽の外層は現在の地球軌道を包み込むが、太陽の質量減少によって重力が弱まり、惑星の軌道は外側へ移動するため、地球は焼失を免れる可能性もある。しかし、2008年の研究では、太陽の外層との潮汐相互作用によって地球も最終的に飲み込まれる可能性が高いとされている。

さらに、太陽のハビタブルゾーンは赤色巨星段階の終わりに外側の太陽系に移動し、最終的にはカイパーベルトを越えるため、エンセラダスや冥王星のような氷の天体が溶け始める。この期間中、これらの天体では水に基づく水文サイクルが成立する可能性があるが、地球のように密な大気を保持するには小さすぎるため、昼夜の温度差が極端に大きくなるだろう。太陽が赤色巨星段階を終えて漸近的巨星段階に入ると、ハビタブルゾーンは急激に縮小し、現在の木星と土星の軌道間の空間に収束する。しかし、漸近的巨星段階の2億年の期間の終わりに、再び外側に膨張し、以前とほぼ同じ距離に戻る。

徐々に、太陽の中心核を取り囲む殻での水素燃焼が進み、核の質量は現在の太陽質量の約45%に達する。この時点で、密度と温度が非常に高くなり、ヘリウムが炭素に融合し始め、ヘリウムフラッシュが発生する。太陽は現在の（主系列）半径の約250倍から11倍に縮小する。その結果、光度は現在の3,000倍から54倍に減少し、表面温度は約4,770K（4,500℃）まで上昇する。太陽は水素燃焼と同様に、安定的にヘリウムを核で燃焼させる横向き巨星に変わる。このヘリウム融合段階は1億年しか続かない。その後、太陽は再び外層の水素とヘリウムを使い果たし、再び膨張し、漸近的巨星として知られる段階に入る。ここでは太陽の光度は再び増加し、現在の光度の約2,090倍に達し、温度は約3,500K（3,230℃）に低下する。この段階は約3,000万年続いた後、さらに10万年の間に太陽の残りの外層が吹き飛ばされ、宇宙に大量の物質が放出され、惑星状星雲として知られる（誤解を招く名称）光環が形成される。放出された物質は、太陽の核反応によって生成されたヘリウムと炭素を含み、今後の星と惑星の世代のために星間物質を重元素で豊かにする。

これは比較的平穏な出来事であり、超新星のような激しい爆発ではない。太陽はその進化過程で超新星になるには小さすぎるからである。この現象を目撃した観察者は、太陽風の速度が劇的に増加するのを目にするだろうが、それでも惑星が完全に破壊されるほどではない。しかし、太陽の質量減少により、生き残った惑星の軌道は混乱に陥り、いくつかは衝突し、他のものは太陽系から弾き出され、また他のものは潮汐相互作用によって引き裂かれることになるだろう。

その後、太陽の残骸は白色矮星となり、元の質量の54%の質量を持ち、地球の大きさほどの極めて高密度の天体となる。最初、この白色矮星は現在の太陽の100倍の光度を持つかもしれない。白色矮星は完全に縮退した炭素と酸素で構成されており、これらの元素を融合させるのに十分な温度には決して達しない。したがって、白色矮星太陽は徐々に冷却し、次第に暗くなっていくことになる。

太陽が死を迎えると、その引力は質量の減少により、惑星、彗星、小惑星などの軌道を回る天体に対して弱くなる。残った惑星の軌道は拡大し、もし金星、地球、火星がまだ存在していれば、それぞれの軌道は約1.4天文単位（2.1億km）、1.9天文単位（2.8億km）、2.8天文単位（4.2億km）になるだろう。これらの惑星と他の残った惑星は、生命のない、暗く冷たい殻のような状態となり、引き続き太陽の周りを回り続ける。太陽との距離が増し、太陽の重力が弱まることで、それらの速度は遅くなる。

20億年後、太陽の温度が6,000～8,000K（5,730～7,730℃）に冷却されると、太陽の中心部の炭素と酸素は凍結し、残りの質量の90%以上が結晶構造を形成することになる。最終的に、約1京年後、太陽は完全に輝きを失い、黒色矮星となる。

銀河の相互作用

太陽系は、銀河系の中心から約30,000光年離れた位置で、約220km/sの速度で円軌道を描きながら進んでいる。太陽系が銀河系中心を一周するのにかかる期間、すなわち銀河年は、約2億2000万年から2億5000万年の範囲だ。太陽系はその形成から少なくとも20回はこのような公転を終えている。

様々な科学者たちは、太陽系が銀河系を進む経路が、地球の化石記録に見られる大量絶滅の周期性に関係しているのではないかと推測している。一つの仮説では、太陽が銀河中心を回る際に行う垂直振動が原因で、定期的に銀河面を通過することが示唆されている。太陽の軌道が銀河円盤の外側に出ると、銀河潮汐の影響は弱くなるが、毎2000～2500万年ごとに銀河円盤に再び入ると、はるかに強い「円盤潮汐」の影響を受ける。この影響により、オールト雲の彗星が太陽系に流入するフラックスが4倍に増加し、大規模な衝突の可能性が大幅に高くなると、数学的モデルでは示されている。

しかし、他の研究者たちは、太陽は現在銀河面に近い位置にあり、最後の大規模絶滅は1500万年前に起こったと指摘している。したがって、太陽の垂直位置だけでは周期的な絶滅を説明できず、代わりに絶滅は太陽が銀河の渦巻腕を通過する時に発生すると主張している。渦巻腕には、オールト雲を歪める可能性のある分子雲が多数存在するだけでなく、比較的短命で暴力的に超新星として爆発する青色巨星が高い密度で存在している。

銀河衝突と惑星の破壊

宇宙のほとんどの銀河は天の川銀河から遠ざかっているが、アンドロメダ銀河は天の川に向かって時速約120kmで接近している。約40億年後、アンドロメダ銀河と天の川銀河は衝突し、潮汐力によって両方の銀河が変形し、外縁部が大きな潮汐尾に引き伸ばされる。この初期の崩壊が起こると、天文学者たちは太陽系が天の川の潮汐尾に引き寄せられる確率が12%、アンドロメダ銀河に重力的に結びつき、その一部となる確率が3%であると計算している。更にいくつかの斜め衝突が続き、その間に太陽系が放出される確率が30%に上昇した後、両銀河の超大質量ブラックホールが合体する。約60億年後、天の川銀河とアンドロメダ銀河は合体して巨大な楕円銀河になる。合体中、もし十分なガスがあれば、引力がガスを形成中の楕円銀河の中心に押し込めることになり、これが短期間の集中的な星形成を引き起こす「スターバースト」につながる可能性がある。さらに、降下するガスは新たに形成されたブラックホールに供給され、それを活動的な銀河中心に変えるだろう。この相互作用の力は、太陽系を新しい銀河の外部のハローに押し込む可能性が高く、これにより衝突から発生する放射線の影響をほとんど受けずに済むだろう。

この衝突が太陽系の惑星の軌道を乱すという考えは誤解である。通り過ぎる星の重力が惑星を星間空間に追放することがあるのは事実だが、星と星の間の距離が非常に大きいため、天の川銀河とアンドロメダ銀河の衝突が個々の恒星系にそのような乱れを引き起こす確率は無視できるほど小さい。太陽系全体はこれらの出来事によって影響を受ける可能性があるが、太陽と惑星が乱されることは予想されていない。

しかし、時間が経つにつれて、星との偶然の遭遇の累積的確率が増加し、惑星の破壊はほぼ避けられなくなる。ビッグクランチやビッグリップといった宇宙の終わりのシナリオが発生しないと仮定すると、計算によれば、通り過ぎる星の重力によって太陽系の残りの惑星は1京年以内に完全に剥ぎ取られることになる。この時点が太陽系の終焉を意味する。太陽と惑星は生き残るかもしれないが、太陽系は意味のある形で存在しなくなる。

太陽系の進化の時系列

太陽系の形成時期は放射線年代測定を用いて明らかにされている。科学者たちは太陽系が46億年の歴史を持つと推定している。地球で知られている最古の鉱物粒子は約44億年前のものである。これほど古い岩石は非常に珍しく、地球の表面は侵食、火山活動、プレートテクトニクスによって絶えず形作られているためである。太陽系の年齢を推定するために、科学者たちは太陽の星雲の初期凝縮時に形成された隕石を使用する。ほとんどの隕石は46億年の年齢を持つことがわかっており、これにより太陽系は少なくともこれだけの年齢であることが示唆されている。

他の星の周りにある円盤の研究も、太陽系形成のタイムフレームを確立するのに大いに役立っている。1～300万歳の星の周りにはガスが豊富な円盤があり、1000万年以上の歳月を経た星の円盤にはほとんどガスが残っていないことから、その中の巨大惑星の形成がすでに終わったことが示唆されている。

太陽系の進化のタイムライン

注：この年表のすべての日付と時間は概算であり、あくまで大まかな指標として受け取ること。

太陽系形成前

前の世代の星々が生まれて死に、太陽系が形成された星間物質に重い元素を放出した。（太陽系が形成される何十億年前、現在から46億年以上前）

もし太陽系がオリオン星雲のような星形成領域で形成された場合、最も大きな質量を持つ星々が生まれ、その生涯を終え、超新星爆発を起こす。この中のひとつの超新星（原初超新星）が、太陽系の形成を引き起こす可能性がある。（太陽系形成の約5000万年前、現在から46億年前）

太陽の形成

太陽系前の星雲が形成され、収縮を始める。太陽の形成が始まる。（太陽の形成から0〜10万年、現在から46億年前）

太陽はおうし座T型原始星である。（太陽の形成から10万年〜5000万年、現在から46億年前）

1000万年までに、原始惑星系円盤のガスは吹き飛ばされ、外惑星の形成はおそらく完了している。（太陽の形成から10万年〜1000万年、現在から46億年前）

地球型惑星と月が形成される。巨大な衝突が発生する。水が地球に供給される。（太陽の形成から1000万年〜1億年、現在から45億年前〜46億年前）

主系列

太陽が主系列星になる。（太陽の形成から5000万年前、現在から45億年前）

地球上で最も古い岩石が形成された。（太陽の形成から2億年、現在から44億年前）

木星と土星の軌道の共鳴により、海王星が外側のカイパーベルトに移動。内惑星では後期重爆撃が発生。（太陽の形成から5億年～6億年、現在から40～41億年前）

地球上で最古の生命が登場。オールトの雲が最大質量に達する。（太陽の形成から8億年、現在から38億年前）

太陽は主系列星としての状態を維持。（太陽の形成から46億年、今日）

太陽の適温帯が地球の軌道の外側に移動し、可能性としては火星の軌道に移る。（太陽の形成から60億年、現在から14億年後）

天の川銀河とアンドロメダ銀河が衝突を始める。2つの銀河が完全に融合する前に、太陽系がアンドロメダに捕らえられるわずかな可能性がある。（太陽系の形成から70億年、現在から24億年後）

主系列後

太陽は核心の水素をすべて融合させ、核心を囲むシェルで水素を燃焼し始め、これにより主系列星としての寿命が終了する。太陽はヘルツシュプルング・ラッセル図の赤色巨星分岐を上昇し、劇的に明るさ（最大2700倍）、サイズ（半径で最大250倍）、温度（2600Kまで）を増加させる。太陽は赤色巨星となる。水星、金星、そしておそらく地球も飲み込まれる。この時期、土星の衛星タイタンは居住可能になるかもしれない。（太陽系の形成から100億年～120億年、現在から50～70億年後）

太陽はヘリウム燃焼を行う水平分岐段階と終末巨星分岐段階を通過し、主系列星後のすべての段階で約30%の質量を失う。終末巨星分岐段階の終わりには、外層が惑星状星雲として放出され、太陽の密度の高い核心が残り、白色矮星となる。（太陽系の形成から約120億年、現在から約70億年後）

残存する太陽

太陽は5Kに冷却され、通過する星の重力が惑星を軌道から引き離す。太陽系は存在しなくなる。（太陽系の形成から約1京年（10¹⁵年）、現在から約1京年後）

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最後に

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