太阳系（Solar System）是以太阳为中心，受太阳引力约束的天体系统。它是人类在宇宙中的家园，包含了 8 颗行星、至少 5 颗矮行星、200+ 颗已知卫星、数百万颗小行星以及无数彗星和星际介质。太阳系的直径（以日光层为界）约 120 AU（天文单位，1 AU ≈ 1.496 × 10⁸ km），年龄约 46 亿年。
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 年龄 | 约 46 亿年（4.6 × 10⁹ 年） |
| 范围（日光层） | 约 120 AU（~1.8 × 10¹⁰ km） |
| 行星数量 | 8 颗（4 颗类地行星 + 4 颗气态/冰巨星） |
| 矮行星 | 至少 5 颗（冥王星、阋神星、鸟神星、谷神星、妊神星） |
| 已知卫星 | 293+ 颗（截至 2026 年） |
| 小行星 | 1,300,000+ 颗已登记 |
| 彗星 | 4,000+ 颗已登记 |
| 太阳质量占比 | 99.86% |
| 银河系位置 | 距银心约 26,000 光年，猎户座旋臂内侧 |
太阳系总质量约 ，其分布极度不均衡：
| 天体 | 质量 (kg) | 占比 |
|---|---|---|
| 太阳 | 99.86% | |
| 木星 | 0.095% | |
| 土星 | 0.029% | |
| 海王星 | 0.005% | |
| 天王星 | 0.004% | |
| 地球 | 0.0003% | |
| 其他（含剩余行星、卫星、小行星） | ~ | ~0.00015% |
这意味着：太阳的质量是木星的 1047 倍，而木星的质量是其他所有行星总和的 2.5 倍。如果将太阳系的质量压缩进一个篮球大小，太阳将占据篮球的 99.86%，所有行星加起来只有一粒沙子的质量。
太阳是太阳系的中心天体，一颗 G2V 型黄矮星。其巨大质量产生的引力将整个系统约束在一起。
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 直径 | 1,392,700 km（地球的 109 倍） |
| 质量 | （地球的 333,000 倍） |
| 表面温度 | 5,778 K |
| 核心温度 | 约 1.5 × 10⁷ K（1500 万 K） |
| 核心密度 | 约 150 g/cm³（水的 150 倍） |
| 核心压力 | 约 2.5 × 10¹¹ atm |
| 光度 | |
| 光谱类型 | G2V |
| 自转周期 | 25.4 天（赤道）/ 35 天（极区） |
| 表面重力 | 274 m/s²（地球的 28 倍） |
太阳的能量来自核聚变反应，主要是质子-质子链（pp chain）：
具体而言，三步骤的 pp-I 链：
步骤 1：两个质子通过强相互作用融合为氘核，释放一个正电子和一个中微子：
步骤 2：氘核与另一个质子融合为 ：
步骤 3：两个 核融合为 ，释放两个质子：
能量计算示例：一个质子质量为 ，一个 核质量为 。
代入 ：
这只是一次反应释放的能量。每秒钟太阳将 6 亿吨氢转化为 5.96 亿吨氦，损失 400 万吨质量转化为能量——相当于 900 亿枚百万吨级氢弹同时爆炸。
太阳内部从内到外可以分为以下几层：
| 层次 | 半径范围 | 温度 | 主要特征 |
|---|---|---|---|
| 核心 | 0–0.25 R☉ | ~1.5 × 10⁷ K | 核聚变发生区 |
| 辐射层 | 0.25–0.70 R☉ | 7 × 10⁶ → 2 × 10⁶ K | 光子缓慢扩散（需 10⁵ 年） |
| 对流层 | 0.70–1.00 R☉ | 2 × 10⁶ → 5,778 K | 等离子体对流循环 |
| 光球层 | 表面 | 5,778 K | 可见光辐射面 |
| 色球层 | 表面 + 2,000 km | 4,500 → 20,000 K | 日珥跃起层 |
| 日冕 | >2,000 km | 1–3 × 10⁶ K | 高温等离子体、太阳风起源 |
奇怪的日冕加热问题：按常理，距离热源（核心）越远温度越低。但日冕（距表面 2000 km）温度却高达数百万 K，比光球层（5,778 K）热上百倍。主流的解释包括纳米耀斑（微小磁重联事件积累）和阿尔文波（磁流体力学波携带能量向上传播）。
太阳系从内到外分为三个主要区域：
包含水星、金星、地球、火星四颗类地行星以及位于火星和木星之间的小行星带。这些天体主要由岩石和金属组成，体积小、密度大。
包含木星、土星（气态巨行星）以及天王星、海王星（冰巨星）。这些行星体积巨大、密度低、拥有丰富的卫星系统和环系统。
包含柯伊伯带（30–50 AU，短周期彗星和矮行星的起源）、离散盘（50–200 AU）以及理论上的奥尔特云（2,000–100,000 AU，长周期彗星起源）。日光层顶是太阳风和星际介质之间的边界，约在 120 AU。
太阳系结构示意（对数尺度）：
太阳 ── 内太阳系 ── 小行星带 ── 外太阳系 ── 柯伊伯带 ── 奥尔特云
| | | | | |
0 1 AU 2.8 AU 5-30 AU 30-50 AU 103-105 AU
| | | | | |
0 水金地火 岩石碎片 木土天海 矮行星 彗星库
| 特征 | 水星 | 金星 | 地球 | 火星 | 木星 | 土星 | 天王星 | 海王星 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 类型 | 类地 | 类地 | 类地 | 类地 | 气态 | 气态 | 冰巨 | 冰巨 |
| 距日 (AU) | 0.39 | 0.72 | 1.00 | 1.52 | 5.20 | 9.58 | 19.2 | 30.1 |
| 赤道直径 (km) | 4,879 | 12,104 | 12,756 | 6,792 | 142,984 | 120,536 | 51,118 | 49,528 |
| 质量 (地球=1) | 0.055 | 0.815 | 1.000 | 0.107 | 317.8 | 95.2 | 14.5 | 17.1 |
| 密度 (g/cm³) | 5.43 | 5.24 | 5.51 | 3.93 | 1.33 | 0.69 | 1.27 | 1.64 |
| 表面重力 (g) | 0.38 | 0.91 | 1.00 | 0.38 | 2.53 | 1.07 | 0.89 | 1.14 |
| 自转周期 | 58.65 d | 243 d (逆) | 24 h | 24.6 h | 9.9 h | 10.7 h | 17.2 h (逆) | 16.1 h |
| 公转周期 | 87.97 d | 224.7 d | 365.25 d | 687 d | 11.86 y | 29.46 y | 84.01 y | 164.8 y |
| 轨道倾角 | 7.0° | 3.4° | 0° | 1.85° | 1.3° | 2.49° | 0.77° | 1.77° |
| 轴倾角 | 0.03° | 177.4° | 23.44° | 25.19° | 3.13° | 26.73° | 97.77° | 28.33° |
| 已知卫星 | 0 | 0 | 1 | 2 | 95 | 146 | 27 | 14 |
| 环系统 | 无 | 无 | 无 | 无 | 有 | 显著 | 有 | 有 |
| 大气主要成分 | 极稀薄 | CO₂ | N₂+O₂ | 稀薄 CO₂ | H₂+He | H₂+He | H₂+He+CH₄ | H₂+He+CH₄ |
地球是已知唯一拥有生命的天体，这得益于几个关键的巧合：
地球的宜居性可以用液态水存在条件方程来初步约束：
其中 为恒星光球温度， 为恒星半径， 为轨道半长轴， 为行星反照率。对于地球：
没有大气温室效应，地球平均温度会低至 -18°C，全部海洋将冻结。实际地表平均温度 15°C（+33°C 的温室效应由 H₂O、CO₂、CH₄ 提供）。
木星是太阳系最有趣的行星之一：
太阳系的 293+ 颗已知卫星中，有系统研究价值的主要集中在几颗卫星：
| 卫星 | 母行星 | 直径 (km) | 发现年份 | 特别之处 |
|---|---|---|---|---|
| 月球 | 地球 | 3,474 | — | 地球潮汐稳定器 |
| 木卫一 (Io) | 木星 | 3,643 | 1610 | 太阳系最活跃火山体(400+火山) |
| 木卫二 (Europa) | 木星 | 3,122 | 1610 | 冰壳下液态海洋 → 潜在宜居 |
| 木卫三 (Ganymede) | 木星 | 5,262 | 1610 | 太阳系最大卫星(>水星) |
| 木卫四 (Callisto) | 木星 | 4,821 | 1610 | 古老表面，可能有地下海洋 |
| 土卫六 (Titan) | 土星 | 5,150 | 1655 | 浓密大气、液态甲烷湖 |
| 土卫二 (Enceladus) | 土星 | 504 | 1789 | 南极冰火山喷发 → 冰下海洋 |
| 海卫一 (Triton) | 海王星 | 2,707 | 1846 | 逆行轨道→捕获天体 |
木卫二的冰壳厚度估算为 15–25 km，下伏全球海洋深度约 60–150 km。卡西尼号在土卫二上观测到南极冰裂隙喷出含盐冰粒和有机分子，直接证实了冰下海洋的存在。欧罗巴快船（Europa Clipper，2024 年发射，2030 年到达）将详细调查木卫二的可居性。
这相当于地球海洋总体积（）的约 2.3 倍。
小行星带位于火星和木星轨道之间（2.1–3.3 AU），是类地行星形成后遗留下来的原始物质。谷神星（直径 940 km）是其中最大的天体，也是唯一的矮行星。
| 类型 | 光谱特征 | 占比 | 成分 | 反照率 | 代表 |
|---|---|---|---|---|---|
| C 型（碳质） | 暗色，含碳 | ~75% | 富碳化合物、硅酸盐 | 0.03–0.10 | 智神星 |
| S 型（硅质） | 中等亮度 | ~17% | 镍-铁 + 硅酸镁 | 0.10–0.22 | 健神星 |
| M 型（金属） | 亮 | ~8% | 镍-铁合金 | 0.10–0.18 | 灵神星 |
科克伍德空隙：小行星带中存在几个几乎没有天体的空白区域，对应于木星的轨道共振区。
例如：2:1 共振（与木星轨道周期比为 2:1）距离 ，在这个距离上的小行星每绕太阳 1 圈，木星绕 2 圈，规律的引力脉冲会将小行星推离该轨道。
30–50 AU 的环状区域，包含大量冰质小天体，是短周期彗星的来源。
| 性质 | 数值 |
|---|---|
| 数量 | 直径 >100 km 的天体约 70,000 颗 |
| 总质量 | 约 0.02–0.1 地球质量 |
| 厚度 | 约 10 AU |
| 主要成分 | 冰（H₂O、CH₄、NH₃）+ 岩石 |
| 已知矮行星 | 冥王星、阋神星、鸟神星、妊神星 |
2006 年，国际天文学联合会（IAU）定义了行星的三个条件：① 绕太阳公转；② 自身引力足以成为球体；③ 清空了其轨道附近区域。冥王星满足前两条，但不满足第三条——它在柯伊伯带中，轨道上还有许多质量相近的天体。因此被重新归类为矮行星。阋神星（直径约 2,326 km，与冥王星相当）的发现加速了这一决策。
理论上的球形彗星壳层，从 2,000 AU 延伸到 100,000 AU（约 1.6 光年，占银河系最近恒星比邻星距离的 1/3）。包含约 – 颗彗星，总质量约 5–100 地球质量，是长周期彗星（如海尔-波普彗星）的起源地。
约 46 亿年前，银河系中一片约 1 光年直径的分子云在自身引力下坍缩。角动量守恒导致盘状结构的形成：
当分子云半径从 1 光年（~63,000 AU）缩小到 100 AU 时，旋转速度增加约 倍。
原行星盘中存在一条雪线，约在 2.7 AU 附近。雪线以内，冰物质无法存在，只留下岩石和金属（→ 类地行星）。雪线以外，水冰、甲烷冰、氨冰可以作为固体核心的骨架（→ 行星核心）。
体积差异的直接原因：类地行星的吸积半径受限于太阳系内区的固体物质总量，而木星等巨行星在形成岩石/冰核（~10–20 M⊕）后，引力足以捕获周围的 H/He 气体——这些气体占太阳系原始物质的 98% 以上，所以木星类行星体积巨大。
| 时间（亿年前） | 事件 |
|---|---|
| 46.0 | 分子云坍缩，太阳形成 |
| 45.9 | 原行星盘形成，物质开始聚集 |
| 45.8 | 行星胚胎形成（星子聚集阶段） |
| 45.7–45.5 | 类地行星吸积完成；气态巨星核心形成 |
| 45.5–45.0 | 气态巨星大量捕获气体 |
| 45.0–40.0 | 后期重轰击期（Late Heavy Bombardment） |
| 40.0–26.0 | 太阳系趋于稳定，行星迁移结束 |
| 26.0–0 | 稳定的轨道构型持续至今 |
2005 年提出的尼斯模型（Nice Model）通过计算机模拟揭示：巨行星在太阳系早期经历了大规模的轨道迁移。木星向内迁移后反弹，土星、天王星、海王星向外散射，触发短时间高密度的彗星轰击——这恰好解释了月球上的后期重轰击期。
一个经验公式近似描述了行星轨道距离：
其中 ：
| n | 预测 (AU) | 实际目标 | 实际值 (AU) |
|---|---|---|---|
| -∞ | 0.4 | 水星 | 0.39 |
| 0 | 0.7 | 金星 | 0.72 |
| 1 | 1.0 | 地球 | 1.00 |
| 2 | 1.6 | 火星 | 1.52 |
| 3 | 2.8 | 谷神星（小行星带） | 2.77 |
| 4 | 5.2 | 木星 | 5.20 |
| 5 | 10.0 | 土星 | 9.58 |
| 6 | 19.6 | 天王星 | 19.20 |
| 7 | 38.8 | 海王星 | 30.10 |
天王星之前的准确度惊人，但海王星处偏差较大。该定则在冥王星轨道（39.5 AU）被发现前曾用于推测其位置，但并未发现柯伊伯带天体的分布符合此规律。
任意两个大天体（如太阳-木星、太阳-地球）之间存在五个拉格朗日点（引力平衡点）。其中 L₄ 和 L₅（稳定点）位于轨道前方和后方 60° 处。
木星的特洛伊小行星群是拉格朗日点的完美例证：超过 10,000 颗小行星分布在木星 L₄ 和 L₅ 点附近。
| 年份 | 任务 | 成就 |
|---|---|---|
| 1959 | 月球 3 号（苏联） | 首次拍到月球背面 |
| 1969 | 阿波罗 11 号（美国） | 人类首次登月 |
| 1974 | 水手 10 号（美国） | 首次飞掠水星 |
| 1977 | 旅行者 1 号/2 号（美国） | 外太阳系大巡游（至今仍在运行） |
| 1985 | 乔托号（欧空局） | 首次彗星核飞掠（哈雷彗星） |
| 1995 | 伽利略号（美国） | 首颗木星轨道器 |
| 2004–2025 | 卡西尼-惠更斯号（美+欧） | 土星系统 13 年探测 |
| 2005 | 隼鸟号（日本） | 首次小行星采样返回 |
| 2006 | 新视野号（美国） | 前往冥王星和柯伊伯带 |
| 2011 | 黎明号（美国） | 首颗谷神星轨道器 |
| 2016 | OSIRIS-REx（美国） | 小行星贝努采样（2023 年返回） |
| 2020 | 天问一号（中国） | 一次性完成火星"绕、落、巡" |
| 2021 | 詹姆斯·韦伯望远镜 | 红外观测太阳系天体 |
| 2023 | 灵神星号（美国） | 前往金属小行星 |
| 2024 | 欧罗巴快船（美国） | 前往木卫二（预计 2030 年到达） |
截至 2026 年，仍在传回数据的深空任务包括：
了解太阳系的结构有助于理解系外行星系统的多样性。通过对比可以看出太阳系的特殊之处：
| 特征 | 太阳系 | 常见系外行星系统 |
|---|---|---|
| 行星轨道 | 近圆形、共面 | 偏心、共振链常见 |
| 类地行星位置 | 内圈（<1.5 AU） | 热超级地球常见于 <0.1 AU |
| 气态巨星位置 | 外圈（>5 AU） | 热木星可出现在 <0.05 AU |
| 行星质量分布 | 小（内）+ 大（外） | 超级地球可占主导 |
| 宜居带情况 | 明确（0.95–1.37 AU） | 紧贴恒星（M 矮星仅为 0.1–0.3 AU） |
为什么太阳系这么"整齐"？ 一种假说认为，太阳系经历的"大迁移"（尼斯模型）导致外行星散射、内行星稳定，形成了我们看到的规则结构。TRAPPIST-1 等许多 M 矮星系统则保持了紧凑共振链构型。
| 任务 | 发射年 | 目标 | 状态 | 主要发现 |
|---|---|---|---|---|
| 水星信使号 | 2004 | 水星 | 2015 年结束 | 水星外围磁场、表面挥发物 |
| 金星快车 | 2005 | 金星 | 2014 年结束 | 金星大气涡旋与闪电 |
| 朱诺号 | 2011 | 木星 | 运行中 | 木星深层结构、富氮的重元素丰度 |
| 贝皮·哥伦布 | 2018 | 水星 | 飞行途中 | 2025 年入轨 |
| 太阳轨道器 | 2020 | 太阳 | 运行中 | 太阳极区影像 |
| 帕克太阳探测器 | 2018 | 太阳日冕 | 运行中 | 距太阳表面 7.26 × 10⁶ km（2025 年最近） |
| 欧罗巴快船 | 2024 | 木卫二 | 飞行途中 | 多项科学任务，预计 2030 年到达 |
| 嫦娥系列 | 2007+ | 月球 | 多次任务 | 嫦娥五号月面采样返回（2020）；嫦娥六号月背采样（2024） |
| 天问系列 | 2020+ | 火星+小行星 | 进行中 | 天问二号小行星采样（2025 年发射计划） |