Hệ Mặt Trời (cũng được gọi là Thái Dương Hệ)[a] là một hệ hành tinh có Mặt Trời ở trung tâm và các thiên thể nằm trong phạm vi lực hấp dẫn của Mặt Trời, tất cả chúng được hình thành từ sự suy sụp của một đám mây phân tử khổng lồ cách đây gần 4,6 tỷ năm. Đa phần các thiên thể quay quanh Mặt Trời, và khối lượng tập trung chủ yếu vào 8 hành tinh [e] có quỹ đạo gần tròn và mặt phẳng quỹ đạo gần trùng khít với nhau gọi là mặt phẳng hoàng đạo. Bốn hành tinh nhỏ vòng trong gồm: Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất và Sao Hỏa - người ta cũng còn gọi chúng là các hành tinh đá do chúng có thành phần chủ yếu từ đá và kim loại. Bốn hành tinh khí khổng lồ vòng ngoài có khối lượng lớn hơn rất nhiều so với 4 hành tinh vòng trong. Hai hành tinh lớn nhất, Sao Mộc và Sao Thổ có thành phần chủ yếu từ heli và hiđrô; và hai hành tinh nằm ngoài cùng, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có thành phần chính từ băng, như nước, amoniac và mêtan, và đôi khi người ta lại phân loại chúng thành các hành tinh băng đá khổng lồ. Có sáu hành tinh và ba hành tinh lùn có các vệ tinh tự nhiên quay quanh,[b]. Các vệ tinh này được gọi là "mặt trăng" theo tên gọi của Mặt Trăng của Trái Đất. Mỗi hành tinh vòng ngoài còn có các vành đai hành tinh chứa bụi, hạt và vật thể nhỏ quay xung quanh.

Hệ Mặt Trời cũng chứa hai vùng tập trung các thiên thể nhỏ hơn. Vành đai tiểu hành tinh, nó nằm giữa Sao Hỏa và Sao Mộc, có thành phần tương tự như các hành tinh đá với đa phần là đá và kim loại. Bên ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương là các vật thể ngoài Sao Hải Vương có thành phần chủ yếu từ băng như nước, amoniac, mêtan. Giữa hai vùng này, có 5 thiên thể điển hình về kích cỡ, Ceres, Pluto, Haumea, Makemake và Eris, được coi là đủ lớn đủ để có dạng hình cầu dưới ảnh hưởng của chính lực hấp dẫn của chúng, và được các nhà thiên văn phân loại thành hành tinh lùn.[e] Ngoài ra có hàng nghìn thiên thể nhỏ nằm giữa hai vùng này, có kích thước thay đổi, như sao chổi, centaurs và bụi liên hành tinh, chúng di chuyển tự do giữa hai vùng này.

Mặt Trời phát ra các dòng vật chất plasma, được gọi là gió Mặt Trời, dòng vật chất này tạo ra một bong bóng gió sao trong môi trường liên sao gọi là nhật quyển, nó mở rộng ra đến tận biên giới của đĩa phân tán. Đám mây Oort giả thuyết, được coi là nguồn cho các sao chổi chu kỳ dài, có thể tồn tại ở khoảng cách gần 1.000 lần xa hơn nhật quyển.

Thiên thể chính trong hệ Mặt Trời là Mặt Trời, một ngôi sao kiểu G2 thuộc dãy chính chứa 99,86% khối lượng của cả hệ và vượt trội về lực hấp dẫn.[5] Bốn hành tinh khí khổng lồ của hệ chiếm 99% khối lượng còn lại, và khối lượng Sao Mộc kết hợp với khối lượng Sao Thổ thì chiếm hơn 90% so với khối lượng tất cả các thiên thể khác.[c]

Hầu hết các thiên thể lớn có mặt phẳng quỹ đạo gần trùng mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất, gọi là mặt phẳng hoàng đạo. Mặt phẳng quỹ đạo của các hành tinh nằm rất gần với mặt phẳng hoàng đạo, trong khi các sao chổi và vật thể trong vành đai Kuiper thường có mặt phẳng quỹ đạo nghiêng một góc lớn so với mặt phẳng hoàng đạo.[6][7] Mọi hành tinh và phần lớn các thiên thể khác quay quanh Mặt Trời theo chiều tự quay của Mặt Trời (ngược chiều kim đồng hồ, khi nhìn từ trên cực bắc của Mặt Trời). Nhưng cũng có một số ngoại lệ, như sao chổi Halley lại quay theo chiều ngược lại.

Cấu trúc tổng thể của những vùng trong hệ Mặt Trời được vẽ ở hình bên chứa Mặt Trời, bốn hành tinh vòng trong tương đối nhỏ được bao xung quanh bởi một vành đai các tiểu hành tinh đá, bốn hành tinh khí khổng lồ được bao xung quanh bởi vành đai Kuiper chứa các thiên thể băng đá. Các nhà thiên văn học đôi khi không chính thức chia cấu trúc hệ Mặt Trời thành các vùng tách biệt. Hệ Mặt Trời bên trong bao gồm bốn hành tinh đá và vành đai tiểu hành tinh chính. Hệ Mặt Trời bên ngoài nằm bên ngoài vành đai tiểu hành tinh chính, bao gồm bốn hành tinh khí khổng lồ.[8] Từ khi khám phá ra vành đai Kuiper, phần bên ngoài của hệ Mặt Trời được coi là một vùng riêng biệt chứa các vật thể nằm bên ngoài Sao Hải Vương.[9]

Những định luật của Kepler về chuyển động thiên thể miêu tả quỹ đạo của các vật thể quay quanh Mặt Trời. Theo định luật Kepler, mỗi vật thể chuyển động theo quỹ đạo hình elip với Mặt Trời là một tiêu điểm. Các vật thể gần Mặt Trời hơn (với bán trục lớn nhỏ hơn) sẽ chuyển động nhanh hơn, do chúng chịu nhiều ảnh hưởng của trường hấp dẫn Mặt Trời hơn. Trên quỹ đạo elip, khoảng cách từ thiên thể tới Mặt Trời thay đổi trong một chu kỳ quỹ đạo. Vị trí thiên thể gần nhất với Mặt Trời gọi là cận điểm quỹ đạo, trong khi điểm trên quỹ đạo xa nhất so với Mặt Trời gọi là viễn điểm quỹ đạo. Trong hệ Mặt Trời, quỹ đạo của các hành tinh gần tròn, trong khi nhiều sao chổi, tiểu hành tinh và các vật thể thuộc vành đai Kuiper có quỹ đạo hình elip rất dẹt.

Khoảng cách thực tế giữa các hành tinh là rất lớn, tuy nhiên nhiều minh họa về hệ Mặt Trời vẽ khoảng cách quỹ đạo của các hành tinh đều nhau. Thực tế, đối với các hành tinh hay vành đai nằm càng xa Mặt Trời, thì khoảng cách giữa quỹ đạo của chúng càng lớn. Ví dụ, Sao Kim có khoảng cách đến Mặt Trời lớn hơn 0,33 đơn vị thiên văn (AU)[d] so với khoảng cách từ Sao Thủy đến Mặt Trời, trong khi của Sao Thổ cách xa 4,3 AU so với Sao Mộc, và Sao Hải Vương cách xa 10,5 AU so với Sao Thiên Vương. Nhiều nỗ lực đã thực hiện nhằm xác định tương quan khoảng cách giữa quỹ đạo của các hành tinh (ví dụ, quy luật Titius-Bode),[10] nhưng chưa có một lý thuyết nào được chấp nhận.

Đa phần các hành tinh trong hệ Mặt Trời sở hữu một hệ thứ cấp của chúng, có các vệ tinh tự nhiên hoặc vành đai hành tinh quay quanh hành tinh. Các vệ tinh này còn được gọi là mặt trăng. Hai vệ tinh tự nhiên Ganymede của Sao Mộc và Titan của Sao Thổ còn lớn hơn cả Sao Thủy). Các hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, thậm chí cả một vệ tinh của Sao Thổ còn có các vành đai hành tinh là những dải mỏng chứa các hạt vật chất nhỏ quay quanh chúng. Hầu hết các vệ tinh tự nhiên lớn nhất đều quay đồng bộ với một mặt bán cầu luôn hướng về phía hành tinh.

Những thiên thể vòng trong có thành phần chủ yếu là đá,[11] tên gọi chung cho các hợp chất có điểm nóng chảy cao, như silicat, sắt hay nikel, tất cả vẫn duy trì ở trạng thái rắn từ khi trong giai đoạn tinh vân tiền hành tinh.[12] Sao Mộc và Sao Thổ có thành phần chủ yếu là khí, thuật ngữ thiên văn học cho những vật liệu có điểm nóng chảy cực thấp và áp suất hơi cao như hiđrô, heli, và neon, chúng luôn luôn ở pha khí trong các tinh vân.[12]Băng, như nước, mêtan, ammoniac, hiđrô sunfua và cacbon điôxít,[11] có điểm nóng chảy lên tới vài trăm Kelvin, trong khi pha của chúng lại phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ môi trường xung quanh.[12] Chúng có thể tìm thấy dưới dạng băng, chất lỏng, hay khí trong nhiều nơi thuộc hệ Mặt Trời, trong khi trong các tinh vân chúng chỉ ở trạng thái băng (rắn) hoặc khí.[12] Các chất băng đá là thành phần chủ yếu trên các mặt trăng của các hành tinh khí khổng lồ, cũng như chiếm phần lớn trong thành phần của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương (gọi là các "hành tinh băng đá khổng lồ") và trong rất nhiều các vật thể nhỏ nằm bên ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương.[11][13] Các chất khí và băng trong thiên văn học cùng được gọi là chất dễ bay hơi (volatiles).[14]

mặt trời

Mặt Trời là ngôi sao ở trung tâm và nổi bật nhất trong Thái Dương Hệ. Khối lượng khổng lồ của nó (332.900 lần khối lượng Trái Đất)[15] tạo ra nhiệt độ và mật độ đủ lớn tại lõi để xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân,[16] làm giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, phần lớn phát xạ vào không gian dưới dạng bức xạ điện từ, với cực đại trong dải quang phổ từ 400 tới 700 nm mà chúng ta gọi là ánh sáng khả kiến.[17]

Mặt Trời được phân loại thành sao lùn vàng kiểu G2, nhưng tên gọi này hay gây ra sự hiểu nhầm khi so sánh nó với đại đa số các sao trong Ngân Hà, Mặt Trời lại là một ngôi sao lớn và sáng.[18] Các ngôi sao được phân loại theo biểu đồ Hertzsprung-Russell, biểu đồ thể hiện độ sáng của sao với nhiệt độ bề mặt của nó. Nói chung, các sao sáng hơn thì nóng hơn. Mặt Trời nằm ở bên phải của đoạn giữa một dải gọi là dải chính trên biểu đồ. Tuy nhiên, số lượng các sao sáng hơn và nóng hơn Mặt Trời là hiếm, trong khi đa phần là các sao mờ hơn và lạnh hơn, gọi là sao lùn đỏ, chúng chiếm tới 85% số lượng sao trong dải thiên hà.[18][19]

Người ta tin rằng với vị trí của Mặt Trời trên dải chính như vậy thì đây là một ngôi sao đang trong "cuộc sống mãnh liệt", nó vẫn chưa bị cạn kiệt nguồn nhiên liệu hiđrô cho các phản ứng tổng hợp hạt nhân. Mặt Trời đang sáng hơn; trong buổi đầu của sự tiến hóa nó chỉ sáng bằng 70% so với độ sáng ngày nay.[20]

Mặt Trời còn là sao loại I về đặc tính kim loại; do nó sinh ra trong giai đoạn muộn của sự tiến hóa vũ trụ, và nó chứa nhiều nguyên tố nặng hơn hiđrô và heli (trong thiên văn học, những nguyên tố nặng hơn hiđrô và heli được gọi là nguyên tố "kim loại") so với các ngôi sao già loại II.[21] Các nguyên tố nặng hơn hiđrô và heli được hình thành tại lõi của các sao già và sao nổ tung, do vậy thế hệ sao đầu tiên đã phải chết trước khi vũ trụ được làm giàu bởi những nguyên tố nặng này. Những sao già nhất chứa rất ít kim loại, trong khi những sao sinh muộn hơn có nhiều hơn. Tính kim loại cao được cho là yếu tố quan trọng cho sự phát triển thành một hệ hành tinh quay quanh Mặt Trời, do các hành tinh hình thành từ sự bồi tụ các nguyên tố "kim loại".[22]

Bốn hành tinh vòng trong hay hành tinh đá có tính đặc, thành phần từ đá, có ít hoặc không có mặt trăng, và chúng không có hệ vành đai quay quanh như các hành tinh vòng ngoài. Thành phần chính của chúng là các khoáng vật khó nóng chảy, như silicat tạo lên lớp vỏ và lớp phủ, và những kim loại như sắt và niken tạo lên lõi của chúng. Ba trong bốn hành tinh (Sao Kim, Trái Đất và Sao Hỏa) có bầu khí quyển đủ dày để sinh ra các hiện tượng thời tiết; tất cả đều có những hố va chạm và sự kiến tạo bề mặt như thung lũng tách giãn và núi lửa. Thuật ngữ hành tinh vòng trong không nên nhầm lẫn với hành tinh bên trong, ám chỉ những hành tinh gần Mặt Trời hơn Trái Đất (như Kim Tinh và Thủy Tinh).

Sao Thủy

Sao Thủy (cách Mặt Trời 0,4 AU) là hành tinh gần Mặt Trời nhất và là hành tinh nhỏ nhất trong Hệ Mặt Trời (0,055 lần khối lượng Trái Đất). Sao Thủy không có vệ tinh tự nhiên, và nó chỉ có các đặc trưng địa chất bên cạnh các hố va chạm đó là các sườn và vách núi, có lẽ được hình thành trong giai đoạn co lại đầu tiên trong lịch sử của nó.[34] Sao Thủy hầu như không có khí quyển do các nguyên tử trong bầu khí quyển của nó đã bị gió Mặt Trời thổi bay ra ngoài không gian.[35] Hành tinh này có lõi sắt tương đối lớn và lớp phủ khá mỏng mà vẫn chưa được các nhà thiên văn giải thích được một cách đầy đủ. Có giả thuyết cho rằng lớp phủ bên ngoài đã bị tước đi sau một vụ va chạm khổng lồ, và quá trình bồi tụ vật chất của sao Thủy bị ngăn chặn bởi năng lượng của Mặt Trời trẻ.[36][37]Sao Kim

Sao Kim (cách Mặt Trời 0,7 AU) có kích cỡ khá gần với kích thước Trái Đất (với khối lượng bằng 0,815 lần khối lượng Trái Đất) và đặc điểm cấu tạo giống Trái Đất, nó có một lớp phủ silicat dày bao quanh một lõi sắt. Sao Kim có một bầu khí quyển dày và có những chứng cứ cho thấy hành tinh này còn sự hoạt động của địa chất bên trong nó. Tuy nhiên, sao Kim khô hơn Trái Đất rất nhiều và mật độ bầu khí quyển của nó gấp 90 lần mật độ bầu khí quyển của Trái Đất. Sao Kim không có vệ tinh tự nhiên. Nó là hành tinh nóng nhất trong hệ Mặt Trời với nhiệt độ của bầu khí quyển trên 400 °C, nguyên nhân chủ yếu là do hiệu ứng nhà kính của bầu khí quyển.[38] Không có dấu hiệu cụ thể về hoạt động địa chất gần đây được phát hiện trên Sao Kim (một lý do là nó có bầu khí quyển quá dày), mặt khác hành tinh này không có từ trường để ngăn chặn sự suy giảm đáng kể của bầu khí quyển, và điều này gợi ra rằng bầu khí quyển của nó thường xuyên được bổ sung bởi các vụ phun trào núi lửa.[39]Trái Đất

Trái Đất (khoảng cách đến Mặt Trời 1 AU) là hành tinh lớn nhất và có mật độ lớn nhất trong số các hành tinh vòng trong, cũng là hành tinh duy nhất mà chúng ta biết còn có các hoạt động địa chất gần đây, và là hành tinh duy nhất trong vũ trụ được biết đến là nơi có sự sống tồn tại.[40] Trái Đất cũng là hành tinh đá duy nhất có thủy quyển lỏng, và cũng là hành tinh duy nhất nơi quá trình kiến tạo mảng đã được quan sát. Bầu khí quyển của Trái Đất cũng khác căn bản so với các hành tinh khác với thành phần phân tử ôxy tự do thiết yếu cho sự sống chiếm tới 21% trong bầu khí quyển.[41] Trái Đất có một vệ tinh tự nhiên là Mặt Trăng, nó là vệ tinh tự nhiên lớn nhất trong số các vệ tinh của các hành tinh đá trong hệ Mặt Trời.Sao Hỏa

Sao Hỏa (khoảng cách đến Mặt Trời 1,5 AU) có kích thước nhỏ hơn Trái Đất và Sao Kim (khối lượng bằng 0,107 lần khối lượng Trái Đất). Nó có một bầu khí quyển chứa chủ yếu là cacbon điôxít với áp suất khí quyển tại bề mặt bằng 6,1 millibar (gần bằng 0,6% áp suất khí quyển tại bề mặt của Trái Đất).[42] Trên bề mặt hành tinh đỏ có những ngọn núi khổng lồ như Olympus Mons (cao nhất trong hệ Mặt Trời) và những rặng thung lũng như Valles Marineris, với những hoạt động địa chất có thể đã tồn tại cho đến cách đây 2 triệu năm về trước.[43] Bề mặt của nó có màu đỏ do trong đất bề mặt có nhiều sắt ôxít (gỉ).[44] Sao Hỏa có hai mặt trăng rất nhỏ (Deimos và Phobos) được cho là các tiểu hành tinh bị Sao Hỏa bắt giữ.[45]

Bốn hành tinh bên ngoài, hay bốn hành tinh khí khổng lồ (hoặc các hành tinh kiểu Mộc Tinh), chiếm tới 99% tổng khối lượng của các thiên thể quay quanh Mặt Trời.[c] Sao Mộc và Sao Thổ là hai hành tinh lớn nhất và chứa đại đa số hiđrô và heli; Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có khối lượng nhỏ hơn (<20 lần khối lượng Trái Đất) và trong thành phần của chúng chứa nhiều băng hơn. Vì lí do này, một số nhà thiên văn học cho rằng chúng thuộc về một lớp "hành tinh băng đá khổng lồ".[56] Bốn hành tinh khí khổng lồ đều có hệ vành đai, mặc dù chỉ có vành đai của Sao Thổ là có thể quan sát được từ Trái Đất qua các kính thiên văn nghiệp dư. Thuật ngữ hành tinh bên ngoài không nên nhầm lẫn với thuật ngữ hành tinh trên, ám chỉ các hành tinh nằm bên ngoài quỹ đạo của Trái Đất trong đó bao gồm Sao Hỏa và các hành tinh bên ngoài.

Sao Mộc

Sao Mộc (khoảng cách đến Mặt Trời 5,2 AU), với khối lượng bằng 318 lần khối lượng Trái Đất và bằng 2,5 lần tổng khối lượng của 7 hành tinh còn lại trong Thái Dương Hệ. Mộc Tinh có thành phần chủ yếu hiđrô và heli. Nhiệt lượng khổng lồ từ bên trong Sao Mộc tạo ra một số đặc trưng bán vĩnh cửu trong bầu khí quyển của nó, như các dải mây và Vết đỏ lớn.Sao Mộc có 63 vệ tinh đã biết. Bốn vệ tinh lớn nhất, Ganymede, Callisto, Io, và Europa (các vệ tinh Galileo) có các đặc trưng tương tự như các hành tinh đá, như núi lửa và nhiệt lượng từ bên trong.[57] Ganymede, vệ tinh tự nhiên lớn nhất trong hệ Mặt Trời, có kích thước lớn hơn Sao Thủy.Sao Thổ

Sao Thổ (khoảng cách đến Mặt Trời 9,5 AU), có đặc trưng khác biệt rõ rệt đó là hệ vành đai kích thước rất lớn, và những đặc điểm giống với Sao Mộc, như về thành phần bầu khí quyển và từ quyển. Mặc dù thể tích của Thổ Tinh bằng 60% thể tích của Mộc Tinh, nhưng khối lượng của nó chỉ bằng một phần ba so với Mộc Tinh, hay 95 lần khối lượng Trái Đất, khiến nó trở thành hành tinh có mật độ nhỏ nhất trong hệ Mặt Trời (nhỏ hơn cả mật độ của nước lỏng). Vành đai Sao Thổ chứa bụi cũng như các hạt băng và đá nhỏ.Sao Thổ có 62 vệ tinh tự nhiên được xác nhận; hai trong số đó, Titan và Enceladus, cho thấy có các dấu hiệu của hoạt động địa chất, mặc dù đó là các núi lửa băng.[58] Titan, vệ tinh tự nhiên lớn thứ hai trong Thái Dương Hệ, cũng lớn hơn Sao Thủy và là vệ tinh duy nhất trong hệ Mặt Trời có tồn tại một bầu khí quyển đáng kể.Sao Thiên Vương

Sao Thiên Vương (khoảng cách đến Mặt Trời 19,6 AU), khối lượng bằng 14 lần khối lượng Trái Đất, là hành tinh bên ngoài nhẹ nhất. Trục tự quay của nó có đặc trưng lạ thường duy nhất so với các hành tinh khác, độ nghiêng trục quay trên 90 độ so với mặt phẳng hoàng đạo. Thiên Vương Tinh có lõi lạnh hơn nhiều so với các hành tinh khí khổng lồ khác và nhiệt lượng bức xạ vào không gian cũng nhỏ.[59]Sao Thiên Vương có 27 vệ tinh tự nhiên đã biết, lớn nhất theo thứ tự từ lớn đến nhỏ là Titania, Oberon, Umbriel, Ariel và Miranda.Sao Hải Vương

Sao Hải Vương (khoảng cách đến Mặt Trời 30 AU), mặc dù kích cỡ hơi nhỏ hơn Sao Thiên Vương nhưng khối lượng của nó lại lớn hơn (bằng 17 lần khối lượng của Trái Đất) và do vậy khối lượng riêng lớn hơn. Nó cũng bức xạ nhiều nhiệt lượng hơn nhưng không lớn bằng của Sao Mộc hay Sao Thổ.[60]Hải Vương Tinh có 13 vệ tinh tự nhiên đã biết. Triton là vệ tinh lớn nhất vầ còn sự hoạt động địa chất với các mạch phun nitơ lỏng.[61] Triton cũng là vệ tinh tự nhiên duy nhất có qũy đạo nghịch hành. Trên cùng quỹ đạo của Sao Hải Vương cũng có một số hành tinh vi hình (en:minor planet), gọi là Trojan của Sao Hải Vương (en:Neptune Trojan), chúng cộng hưởng quỹ đạo 1:1 với Hải Vương Tinh.