On pense que notre système solaire s’est formé il y a environ 4.6 milliards d’années à partir d’un grand nuage de gaz et de poussière, mesurant plusieurs années-lumière de diamètre, connu sous le nom de nébuleuse. Ce nuage se composait principalement d’hydrogène gazeux, avec de plus petites quantités d’éléments qui composent le système solaire aujourd’hui. Selon la théorie de la nébuleuse solaire, une partie de ce nuage a commencé à se contracter gravitationnellement, peut-être en raison d’une perturbation par une supernova voisine ou du passage d’une autre étoile, et ce faisant, la rotation lente initiale du nuage a commencé à augmenter au fur et à mesure qu’il se contractait, l’aplatissant en une forme de disque. Au fur et à mesure que la matière s’accumulait au centre du disque, la densité et la température augmentaient, atteignant le point où la fusion des atomes d’hydrogène a commencé, formant de l’hélium et libérant d’énormes quantités d’énergie, entraînant la naissance du Soleil. Les planètes, les astéroïdes et les comètes se sont formés à partir du matériel restant.
Après un certain temps, un nouvel effondrement a été stoppé par le Soleil atteignant l’équilibre hydrostatique. Le vent solaire du jeune Soleil a dispersé une grande partie de la matière dans la nébuleuse solaire, réduisant sa densité, et la nébuleuse a commencé à se refroidir. Mis à part les trois éléments les plus légers – l’hydrogène, l’hélium et le lithium – les éléments qui composent la nébuleuse solaire ont été soit formés par fusion nucléaire dans des étoiles aujourd’hui disparues, soit, dans le cas d’éléments plus lourds que le fer, créés par des supernovae. Des molécules covalentes simples, notamment de l’eau, du méthane et de l’ammoniac, et des molécules ioniques, telles que des oxydes métalliques et des silicates, auraient également été présentes. Initialement, en raison des températures élevées dans le disque, ces composés auraient été gazeux, mais au fur et à mesure du refroidissement, la plupart des éléments et composés se sont condensés en minuscules particules ; les métaux et les composés ioniques se sont d’abord condensés en raison de leurs points d’ébullition et de fusion plus élevés.
Près du centre du disque, les métaux, les composés métalliques et les silicates prédominaient, mais plus loin, là où les températures étaient plus basses, de grandes quantités de glace se sont condensées hors de la nébuleuse. Dans cette région extérieure, l’hydrogène gazeux et l’hélium étaient également abondants ; ces gaz étaient en grande partie dispersés par le vent solaire plus proche du Soleil. De minuscules particules solides se sont heurtées et collées les unes aux autres, formant des objets de plus en plus gros qui ont commencé à attirer plus de matière par gravitation, aboutissant finalement à la formation de planètes. Dans le système solaire interne, le manque de glace, d’hydrogène et d’hélium a entraîné la formation des planètes relativement petites Mercure, Vénus, Terre et Mars, composées en grande partie de roche. Plus loin, de la glace ainsi que des particules minérales se sont agrégées, formant des corps plus gros capables de retenir les gaz légers hydrogène et hélium grâce à leurs champs gravitationnels relativement forts, donnant naissance aux planètes «géantes gazeuses», Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.
La théorie de la nébuleuse solaire explique un certain nombre de caractéristiques clés de notre système solaire. Le fait que les planètes – à l’exception de Pluton, qui n’est plus considérée comme une planète – se trouvent toutes plus ou moins dans le même plan, et le fait qu’elles orbitent toutes autour du Soleil dans la même direction suggèrent qu’elles sont originaires d’un disque entourant le Soleil. La présence de planètes rocheuses relativement petites dans le système solaire interne et de géantes gazeuses dans la région externe correspond également bien à ce modèle.
Au-delà de Neptune, la planète la plus éloignée, se trouve la ceinture de Kuiper, une région d’objets relativement petits composés de roche et de glace. On pense que Pluton pourrait être originaire d’ici et que les comètes sont des objets de la ceinture de Kuiper qui ont été poussés sur des orbites qui les amènent dans le système solaire interne. La ceinture de Kuiper est également bien expliquée par la théorie de la nébuleuse solaire comme résultant de restes de glace et de matériaux rocheux trop finement dispersés pour avoir formé des planètes.
D’autres preuves à l’appui de cette théorie proviennent d’ailleurs dans la Voie lactée. Les astronomes peuvent étudier des parties de notre galaxie où se forment actuellement des étoiles, comme la nébuleuse d’Orion, un grand volume de gaz situé dans la constellation d’Orion. La plupart des nouvelles étoiles de cette nébuleuse sont entourées de disques de gaz et de poussière à partir desquels on pense que des planètes finiront par se former.