太阳系

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太阳系的主要成员:由左至右依序为(未依照比例)海王星、天王星、土星、木星、小行星带、太阳、水星、金星、地球和月球、火星,在左边可以看见一颗彗星
太阳系在银河中的位置

  太阳系汉语拼音:tài yáng xì;英语:solar system),以太阳为中心的天体系统。在太阳的引力作用下,环绕太阳运行的天体构成的集合体及其所占有的空间区域。包括太阳、八大行星及其卫星(至少165颗)、5颗已经辨认出来的矮行星冥王星谷神星阋神星妊神星鸟神星)和数以亿计的太阳系小天体构成。这些小天体包括小行星柯伊伯带(Kuiper belt)的天体、彗星星际尘埃。八大行星依照至太阳的距离,依序是水星金星地球火星木星土星天王星海王星

  广义上,太阳系的领域包括太阳,4颗像地球的内行星,由许多小岩石组成的小行星带,4颗充满气体的巨大外行星,充满冰冻小岩石,被称为柯伊伯带的第二个小天体区。在柯伊伯带之外还有黄道离散盘面和太阳圈,和依然属于假设的奥尔特云

  在英文天文术语中,因为地球的卫星被称为月球,这些卫星在英语中习惯上亦被称为“月球”(moon),在中文里面用卫星更为常见。在外侧的行星都有由尘埃和许多小颗粒构成的行星环环绕着,而除了地球之外,肉眼可见的行星以五行为名,在西方则全都以希腊罗马神话故事中的神仙为名。

概述

  太阳系的最大范围约可延伸到1光年以外。在太阳系中,太阳的质量占太阳系总质量的99.8%,其它天体的总和不到太阳的0.2%。太阳是中心天体,它的引力控制着整个太阳系,使其它天体绕太阳公转。太阳系中的八大行星(依照至太阳的距离,依序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星)都在接近同一平面的近圆轨道上,朝同一方向绕太阳公转。

  太阳系虽然庞大,但在银河系中,它犹如一粒沙。大约7千5百多万个太阳系排成一列才相当于银河系的直径。地球上看到夜空的银河并不均匀,那最亮处就是银河的中心。这说明太阳系不在银河系的中心位置,而是处于边缘处。太阳带着太阳系中的所有成员在银河系中绕着银心运动。

  太阳系内主要天体的轨道,都在地球绕太阳公转的轨道平面(黄道)的附近。行星都非常靠近黄道,而彗星柯伊伯带天体,通常都有比较明显的倾斜角度。

  太阳系内天体的轨道(由左上方顺时针拉远观看)。由北方向下鸟瞰太阳系,所有的行星和绝大部分的其他天体,都以逆时针(右旋)方向绕着太阳公转。有些例外的,如哈雷彗星

  环绕着太阳运动的天体都遵守开普勒行星运动定律,轨道都以太阳为椭圆的一个焦点,并且越靠近太阳时的速度越快。行星的轨道接近圆型,但许多彗星、小行星和柯伊伯带天体的轨道则是高度椭圆的。

  在这么辽阔的空间中,有许多方法可以表示出太阳系中每个轨道的距离。在实际上,距离太阳越远的行星或环带,与前一个的距离就会更远,而只有少数的例外。例如,金星在水星之外约0.33天文单位的距离上,而土星与木星的距离是4.3天文单位,海王星又在天王星之外10.5天文单位。曾有些关系式企图解释这些轨道距离变化间的交互作用,但这样的理论从未获得证实。

概念建立

  从古代到中世纪,东西方认为地球不动地居于宇宙中心的观念始终占据认识宇宙的统治地位。公元2~3世纪,中国先哲先后提出盖天说、浑天说和宣夜说,全都认为地球是宇宙中心。140年前后,天文学家托勒玫在他的《天文学大成》一书中总结和发展了前人的认识,建立地心宇宙体系,主张地球居宇宙中心静止不动,日、月、行星和恒星均绕地球运行。1543年,波兰天文学家N.哥白尼根据前人对太阳、月球和行星的观测资料以及他本人30多年的观天实践,于1543年在他的《天体运行论》中提出“日心地动说”,首次科学地建立日心宇宙体系。16世纪下半叶,丹麦天文学家B.第谷建立一种介于地心说和日心说(见天文学史)之间的宇宙体系,认为地球静居中心,行星绕日运动,而太阳则率行星绕地球运行。17世纪初,意大利天文学家用望远镜发现并观察到木星的卫星及其绕木星运转,还观测到金星的盈亏现象,从而证实哥白尼日心说的正确性。德国天文学家J.开普勒于1609年发表的《新天文学》和1619年出版的《宇宙和谐论》,先后提出行星运动三定律(见开普勒定律)。17世纪80年代,英国科学家I.牛顿发现万有引力定律,从理论上阐明行星绕日运动规律,从而建立了科学的太阳系概念。1705年,英国天文学家运用牛顿力学成功地预言1682年的大彗星将在1759年再现。1781年,德裔英国天文学家F.W.赫歇耳发现天王星,扩大了太阳系领域。1801年,通过望远镜巡天搜索,发现位于火星轨道之外的一个小行星。随后判明,在火星和木星轨道之间有一个小行星带。1846年,法国天文学家U.-J.-J.勒威耶和英国天文学家J.C.亚当斯运用天体力学方法推算出天王星之外的海王星的存在,并由德国天文学家J.G.伽勒用望远镜观测证实,进一步扩展太阳系疆界。1930年,美国天文学家C.W.汤博发现冥王星,将太阳系行星总数增加到九个。直到2006年,根据国际天文学联合会通过的新《行星定义》,又将冥王星重新分类为矮行星。20世纪90年代,在海王星轨道之外发现了众多小天体,到21世纪初,已观测到的这些小天体总数超过1,000个,从而证实50年代预期的这些星之外的柯伊伯带的存在。几千年来,从“天圆地方”、“地球中心说”到今日的“太阳系天文观”正是人类认识宇宙的进步的写照,天文学历史进展的缩影。

结构

  太阳在太阳系中占据中心和主导地位。太阳的质量占太阳系总质量的99.86%,其余天体共占0.14%。木星占了0.08%,其他行星的质量总和约占0.06%,而天然卫星、小行星、彗星、柯伊伯带天体等小天体和行星际物质的质量仅占太阳系总质量的微量份额。太阳的引力控制着整个太阳系,引力作用范围的半径可达1.5光年,再往外即为星际空间。太阳系的主要成员,除太阳外就是行星,因此太阳系是一个“行星系”。太阳系中,除太阳是以核聚变产能的恒星外,其他成员都是没有核能产生热辐射的“死”天体。

  行星按质量和表面物态,分类地行星和类木行星两类。前者质量小,岩石表面,卫星少(水星和金星没有卫星,地球有一个,火星有二个),典型代表是地球;后者质量大,气态表面,卫星多(到2005年初已发现的卫星数为木星63个、土星35个、天王星27个、海王星11个),有环系,典型代表是木星。类地行星和类木行星的轨道之间为引力不稳定带,只能存在质量很小,但为数众多,可能成员以百万计的小行星带。类木行星轨道之外,有一可能是短周期彗星起源地的柯伊伯带。

  太阳系通常以小行星带为界,分为内和外两部分。小行星带以内称为内太阳系,小行星带以外叫作外太阳系。内太阳系有水星、金星、地球和火星共四个类地行星及其卫星;外太阳系计有木星、土星、天王星和海王星共四个类木行星及其卫星系,还有一个固态表面的小质量冥王星。

  行星沿与太阳自转轴垂直的平面,即黄道面附近,绕太阳运转,特征是共面性。除行星、小行星带和柯伊伯带外,无数的流星体也集中分布在黄道带附近。行星公转轨道的偏心率很小,近圆性也是结构特征之一。行星与太阳的距离大小也具有特征,其规律可用提丢斯–波得定则表示。

运动

  太阳系的行星都有自转。大多数行星的自转方向和太阳的自转一致,即自西向东沿逆时针方向。行星都在接近同一平面的近圆轨道上,自西向东沿逆时针方向绕日公转。行星的大多数卫星也都自西向东,沿逆时针方向绕行星运转。小行星主带和柯伊伯带中的小天体也多自西向东,沿逆时针方向绕太阳运行。距离太阳越远的行星、小行星和柯伊伯带天体绕太阳运转的轨道速度越慢,距离行星越远的卫星绕行星运转的轨道速度也越慢,这一现象分别称为太阳系的较差自转和行星系的较差自转。

  质量占太阳系总质量的99.86%的太阳的角动量只占1%左右,而质量仅占0.14%的太阳系其他天体的角动量总和却占99%左右,这一特殊的角动量分布现象是太阳系的一个运动特征。

  太阳相对于邻近恒星的运动速度为19.6千米/秒,朝向武仙座一点,该点称为太阳向点,简称向点。此外,太阳和太阳系还以250千米/秒的速度在银河系中绕银心运行,约2亿年绕转一周。

在宇宙中的地位

  太阳是银河系内的约2,000亿个成员恒星中的普通一员。按质量计,它是中等质量的矮星;按光度计,它是中等光度的矮星;按表面温度计,它是约5,000K的黄矮星;按年龄计,它是已诞生约50亿年,处在演化进程的中间阶段,为其一生中的中年恒星。根据太阳的金属丰度确认,它属星族Ⅰ,亦即不是银河系的第一代天体,而是第二代或第三代恒星。到2005年初,已发现并确认的拥有行星或行星系的恒星超过150个,所以太阳系也是恒星世界中普遍存在的行星系中的一个。

  太阳系位于距银河系中心约25,000光年的银盘(银河系的圆盘结构)中,和其他上千亿个恒星一道环绕银心运转,太阳的轨道速度为250千米/秒,约2亿年绕行一周。太阳和太阳系不处在特殊位置上,不是银河系的中心。银河系是一个巨型旋涡星系,是已观测到的约上千亿个多种类型的星系中的普通一员。银河系也不是大宇宙的中心。

太阳与八大行星数据表

太阳与八大行星数据表(顺序以距离太阳由近而远排列)
卫星数截至2012年6月,距离与轨道半径以1天文单位AU)为单位。
天体 赤道半径
(km)
偏率
赤道重力
地球=1
体积
地球=1
质量
地球=1
比重
轨道半径
(AU)
轨道倾角
(度)
赤道倾角
(度)
公转周期
(地球年)
自转周期
(地球日)
已发现卫星数
太阳 696000 0. 28.01 1304000 333400 1.44 -- -- 7.25 约两亿两千六百万(绕银河系 25.38天(赤道)/37.01天(南北两极) --
水星 2440 0. 0.38 0.056 0.055 5.43 0.3871 7.005 ~0 87.97天 59天 0
金星 6052 0. 0.91 0.857 0.815 5.24 0.7233 3.395 177.4 225天 243天 0
地球 6378 0.0034 1.00 1.00 1.000 5.52 1.0000 0.000 23.44 365.24天 23小时56分钟 1
火星 3397 0.0052 0.38 0.151 0.107 3.93 1.5237 1.850 25.19 687天 24小时37分钟 2
木星 71492 0.0648 2.48 1321 317.832 1.33 5.2026 1.303 3.08 11.86年 9小时50分钟 66
土星 60268 0.1076 0.94 755 95.16 0.69 9.5549 2.489 26.7 29.46年 10小时39分钟 61
天王星 25559 0.023 0.89 63 14.54 1.27 19.2184 0.773 97.9 84.01年 17小时14分钟 27
海王星 24764 0.017 1.11 58 17.15 1.64 30.1104 1.770 27.8 164.82年 16小时06分钟 13
太阳系的行星和矮行星。图中唯大小依照比例,距离未依比例

分类

  按传统说法,太阳系被分为行星(绕太阳公转的大物体)和它们的卫星(如月球,绕行星公转的各种大小的星体),小行星(小型的密集的绕太阳公转的星体)和彗星(小个体的冰质的绕高度偏心轨道公转的星体)。 八大行星通常按以下几个方法分类:

  • 根据组成:
    • 固态行星主要由岩石与金属构成,高密度,自转速度慢,固态表面,没有光环,卫星较少,它们是:水星、金星、地球和火星。
    • 气态行星主要由氢和氦构成,密度低,自转速度快,大气层厚,有光环和很多卫星,它们是:木星,土星,天王星和海王星。
  • 根据大小:
    • 小行星(直径小于13000千米):水星、金星、地球和火星。
    • 巨行星(直径大于48000千米):木星、土星、天王星和海王星。巨行星有时被称为气态行星。
    • 水星有时被称作次行星(lesser planets)(不要与次级行星(minor planets)——小行星的官方命名——相混乱)。
  • 根据相对太阳的位置:
    • 内层行星:水星、金星、地球和火星。
    • 外层行星:木星、土星、天王星和海王星。
    • 在火星和木星之间的小行星带组成了区别内层行星和外层行星的标志。
  • 根据相对地球的位置:
    • 地内行星:水星和金星。它们离太阳与地球较近。 地内行星看起来的如同地球上看有时不完整的月亮。
    • 地球。
    • 地外行星:火星到海王星。它们离太阳与地球较远。地外行星看起来通常是完整的,或近乎完整的。
  • 根据历史:
    • 古典行星(史前即以得知、可用肉眼观测):水星、金星、火星、木星和土星。
    • 现代行星(近现代所发现、用望远镜观测):天王星、海王星。
    • 地球。

内太阳系

  内太阳系在传统上是类地行星和小行星带区域的名称,主要是由硅酸盐和金属组成的。这个区域挤在靠近太阳的范围内,半径比木星与土星之间的距离还短。   

内行星

  四颗内行星或是类地行星的特点是高密度、由岩石构成、只有少量或没有卫星,也没有环系统。它们由高熔点的矿物,像是硅酸盐类的矿物组成表面固体的地壳和半流质的地函,以及由铁、镍构成的金属组成核心。四颗中的三颗(金星、地球、和火星)有实质的大气层,全部都有撞击坑和地质构造的表面特征(地堑和火山等)。内行星容易和比地球更接近太阳的内侧行星(水星和金星)混淆。

水星

  水星(0.4 天文单位)是最靠近太阳,也是最小的行星(0.055地球质量)。它没有天然的卫星,仅知的地质特征除了撞击坑外,只有大概是在早期历史与收缩期间产生的皱折山脊。水星,包括被太阳风轰击出的气体原子,只有微不足道的大气。目前尚无法解释相对来说相当巨大的铁质核心和薄薄的地函。假说包括巨大的冲击剥离了它的外壳,还有年轻时期的太阳能抑制了外壳的增长。

  由于水星就在太阳的眼皮底下,在水星上观察到的太阳大小会超过地球上的两倍。水星白天的表面温度可达摄氏427度,而到了晚上又会骤降至摄氏零下173度。水星有着其特殊的轨道运动,它绕太阳公转一周仅需约88个地球日,而其自转周期却需约59个地球日。二者如此的比例关系使得水星的一昼夜长达176个地球日,水星表面的夜晚将长达几个星期。

  由于水星表面温度太高,水星不可能像它的两个近邻金星和地球那样保留一层厚厚的浓密大气,因此无论是白天还是夜晚,水星的天空通常都是一片漆黑。如果仰望天空,你会看到两颗明亮的星星:淡黄色的金星和蓝色的地球。水星大气主要是由从太阳风中俘获的气体组成,密度只有地球大气的12%,主要成份为氦 (42%)、汽化钠(42%)和氧(15%)。水星表面的岩石只反射它们所接收阳光的8%,这使得它成为太阳系中最黑暗的行星之一。

  水星只在黎明或白天出现在天空,因此在地球上观测水星较为困难。直到20世纪70年代中期“水手”号任务的实施这种情况才有所改变。无人探测器“水手10号”发回的照片揭示了水星过去的历史。水星表面有许多很深的陨石坑,其中一个和美国得克萨斯州一样大。这表明水星也曾接连不断地遭到陨石的轰击。但照片也显示水星表面有广阔的平原。科学家们推测水星曾经是液态的,后来逐渐冷却凝固成了岩石。较小的陨石只在水星表面留下一个个陨石坑,而较大的则击破了水星外壳,使涌出的熔岩流在平原上到处流淌。水星表面纵横交错地分布着长长的、高低起伏的悬崖。这些构造最高可达3048米。这些峭壁可能是由于水星冷却时直径缩小形成的。水星核的主要成份是铁和镍,水星的幔和壳主要由硅酸盐组成。在太阳系所有行星中,水星所含铁的比例是最高的。

  水星表面不存在液态水。但1991年科学家们在其北极发现了一个亮斑,这个亮斑可能是由于水星表面或贮存在地下的冰反射阳光造成的。虽然水星表面温度非常高,但在水星北极的一些陨石坑内,可能由于终年不见阳光而使温度长年底于-161摄氏度以下,这足以使来自水星内部或宇宙空间的水以冰的形态保存下来。

金星

  金星 (0.7 天文单位)的体积尺寸与地球相似(0.86地球质量),也和地球一样有厚厚的硅酸盐地函包围着核心,还有浓厚的大气层和内部地质活动的证据。但是,它的大气密度比地球高90倍而且非常干燥,也没有天然的卫星。它是颗炙热的行星,表面的温度超过400°C,很可能是大气层中有大量的温室气体造成的。没有明确的证据显示金星的地质活动仍在进行中,但是没有磁场保护的大气应该会被耗尽,因此认为金星的大气是经由火山的爆发获得补充。

  由于金星分别在早晨和黄昏出现在天空,古代的占星家们一直认为存在着两颗这样的行星,于是分别将它们称为“晨星”和“昏星”。英语中,金星——“维纳斯”(Venus)是古罗马的爱情与美丽之神。它一直被卷曲的云层笼罩在神秘的面纱中。

  金星是距太阳的第二颗行星。由于金星和地球在大小、质量、密度和重量上非常相似,而且金星和地球几乎都由同一星云同时形成,占星家们将它们当作姐妹行星。然而不久前科学家们发现,事实上金星与地球非常不同。金星上没有海洋,它被厚厚的主要成份为二氧化碳的大气所包围,一点水也没有。它的云层是由硫酸微滴组成的。在地表,它的大气压相当于在地球海平面上的92倍。

  由于金星厚厚的二氧化碳大气层造成的“温室效应”,金星地表的温度高达482摄氏度左右。阳光透过大气将金星表面烤热。地表的热量在向外辐射的过程中受到大气的阻隔,无法散发到外层空间。这使得金星比水星还要热。

  金星上的一天相当于地球上的243天,比它225天的一年还要长。金星是自东向西自转的,这意味着在金星上,太阳是西升东落的。

  金星的浓厚的云层至今仍是妨碍科学家揭开金星表面奥秘的主要原因。射电望远镜和射电摄影系统的出现使我们能够看到厚厚的云层下面的金星表面。

  金星的表面比较年轻,当是300至500万年前才形成的。科学家们正在研究是何原因导致这一现象的。金星的地形主要是覆盖着熔岩的广阔平原和受地质活动破坏的山脉或高原。位于Ishtar区域的Maxwell山是金星上最高的山峰。Aphrodite区域的高原几乎占据了赤道地区的一半。Magellan计划中获得的金星2.5公里以上高原区图像显示存在明亮的潮湿土壤。然而,在金星表面,液态水是不可能存在的,无法解释明亮高原的原因。有一种假设认为这些明亮的区域可能是由于金属化合物。研究显示,这些金属可能是硫化铁。它无法在平原地区存在,但在高原地区是可能的。这些金属也可能是外来的,它导致的效果是一样的,但浓度要低一些。

  金星的表面随机布满了许多小型陨石坑。由于金星的浓厚大气,直径小于2公里的陨石坑几乎无法保留下来。而当大型陨石在小型陨坑形成前撞击金星表面,其产生的碎片在地表产生了例外的陨石坑群。火山及火山活动金星表面为数很多。至少85%的金星表面覆盖着火山岩。大量的熔岩流经几百公里,填满低地,形成了广阔的平原。除了几百个大型火山,100000多座小型火山口点缀在金星表面。从火山中喷出的熔岩流产生了了长长的沟渠,范围大至几百公里,其中一条的范围超过7000公里。

地球

  地球(1 天文单位)是内行星中最大且密度最高的,也是唯一地质活动仍在持续进行中并被人类承认拥有生命的行星。它也拥有类地行星中独一无二的水圈和被观察到的板块结构。地球的大气也与其他的行星完全不同,被存活在这儿的生物改造成含有21%的自由氧气。它只有一颗卫星,即月球;月球也是类地行星中唯一的大卫星。

  首先提出地球是球形这一概念的是公元前五六世纪的希腊哲学家毕达哥拉斯。随后,亚里士多德根据月食时月面出现的地影给出了地球是球体的第一个科学证据,公元前三世纪,古希腊天文学家埃拉托斯特尼第一次算出了地球的周长。

火星

  火星(1.5 天文单位)比地球和金星小(0.17地球质量),只有以二氧化碳为主的稀薄大气,它的表面,有密集与巨大的火山,例如奥林帕斯山,水手号峡谷有深邃的地堑,显示不久前仍有剧烈的地质活动。火星有两颗天然的小卫星,戴摩斯和福伯斯,可能是被捕获的小行星。

  火星是距太阳的第四个行星,它的体积在太阳系中居第七位。由于火星上的岩石、砂土和天空是红色或粉红色的,因此这颗行星又常被称作“红色的星球”。

  火星的南半球是类似月球的布满陨石坑的古老高原,而北半球大多由年轻的平原组成。火星上高24公里的奥林匹斯山可称为是太阳系中最高的山脉。在距火星大约几万公里的地方,有两颗非常小的星体,它们是火星的卫星。

  在汉语中,火星的名字让人联想到“火”和炎热,但事实上,这颗红色的星球却异常寒冷和干燥。尽管如此,火星仍然是太阳系中与地球最相似的一颗行星。它的体积比地球小,大气也比地球稀薄。

  火星的大气非常稀薄,大气压只有地球的千分之七。火星大气的主要成份是二氧化碳,其他成份还有氮、氩、氧等。水在火星大气中的比重只有百分之零点零三。因而火星表面异常干燥。

  火星的平均气温为零下五十五摄氏度,而温差较大:在夏季的昼间,气温最高为二十摄氏度,而在冬季,气温则可低达零下一百多摄氏度。火星上经常有强风,因而常导致大范围的尘暴。

  虽然火星大气中的水少得可怜,但科学家们发现,火星上的许多地区有被侵蚀的迹象,而且那纵横交错的河床似乎在告诉我们,火星上曾经有过液态的水,而且水还很多,它们聚集成大大小小的湖泊,甚至海洋。科学家们作出的解释是,在火星的形成初期,这个星球被厚厚的二氧化碳云层所包裹,导致了强大的“温室效应”,受太阳辐射后,火星表面的热量被云层阻隔,无法散发到外层空间,使得气温升高,使水能以液态存在。那时的火星温暖湿润,可能孕育过生命,因此人类一直对火星情有独钟,总有一天人类也会像登月一样登上火星表面。

  在火星的两极有大量的固态二氧化碳(干冰),科学家们猜测,在这些巨大的冰盖下面可能存在着固态的水。

小行星带

  小行星是太阳系小天体中最主要的成员,主要由岩石与不易挥发的物质组成。

  主要的小行星带位于火星和木星轨道之间,距离太阳2.3至3.3天文单位,它们被认为是在太阳系形成的过程中,受到木星引力扰动而未能聚合的残余物质。

  小行星的尺度从大至数百公里、小至微米的都有。除了最大的谷神星之外,所有的小行星都被归类为太阳系小天体,但是有几颗小行星,像是灶神星、健神星,如果能被证实已经达到流体静力平衡的状态,可能会被重分类为矮行星。

  小行星带拥有数万颗,可能多达数百万颗,直径在一公里以上的小天体。尽管如此,小行星带的总质量仍然不可能达到地球质量的千分之一。小行星主带的成员依然是稀稀落落的,所以至今还没有太空船在穿越时发生意外。

  直径在10至10-4 米的小天体称为流星体。

谷神星

  谷神星 (2.77天文单位)是主带中最大的天体,也是主带中唯一的矮行星。它的直径接近1000公里,因此自身的重力已足以使它成为球体。它在19世纪初被发现时,被认为是一颗行星,在1850年代因为有更多的小天体被发现才重新分类为小行星;在2006年,又再度重分类为矮行星。

小行星族

  在主带中的小行星可以依据轨道元素划分成几个小行星群和小行星族。小行星卫星是围绕着较大的小行星运转的小天体,它们的认定不如绕着行星的卫星那样明确,因为有些卫星几乎和被绕的母体一样大。

  在主带中也有彗星,它们可能是地球上水的主要来源。

  特洛依小行星的位置在木星的 L4或L5点(在行星轨道前方和后方的不稳定引力平衡点),不过“特洛依”这个名称也被用在其他行星或卫星轨道上位于拉格朗日点上的小天体。 希耳达族是轨道周期与木星有着2:3共振的小行星族,当木星绕太阳公转二圈时,这群小行星会绕太阳公转三圈。

  内太阳系也包含许多“淘气”的小行星与尘粒,其中有许多都会穿越内行星的轨道。

中太阳系

  太阳系的中部地区是气体巨星和它们有如行星大小尺度卫星的家,许多短周期彗星,包括半人马群也在这个区域内。此区没有传统的名称,偶尔也会被归入“外太阳系”,虽然外太阳系通常是指海王星以外的区域。在这一区域的固体,主要的成分是“冰”(水、氨和甲烷),不同于以岩石为主的内太阳系。

外行星

  在外侧的四颗行星,也称为类木行星,囊括了环绕太阳99%的已知质量。木星和土星的大气层都拥有大量的氢和氦,天王星和海王星的大气层则有较多的“冰”,像是水、氨和甲烷。有些天文学家认为它们该另成一类,称为“天王星族”或是“冰巨星”。这四颗气体巨星都有行星环,但是只有土星的环可以轻松的从地球上观察。“外行星”这个名称容易与“外侧行星”混淆,后者实际是指在地球轨道外面的行星,除了外行星外还有火星。

木星

  木星(5.2 天文单位),主要由氢和氦组成,质量是地球的318倍,也是其他行星质量总和的2.5倍。木星的丰沛内热在它的大气层造成一些近似永久性的特征,例如云带和大红斑。木星已经被发现的卫星有63颗,最大的四颗,甘尼米德、卡利斯多、埃欧和欧罗巴,显示出类似类地行星的特征,像是火山作用和内部的热量。甘尼米德比水星还要大,是太阳系内最大的卫星。

  木星是距太阳的第五颗行星,并且是太阳系九大行星中最大的一颗。按离太阳由近及远的次序为第五颗。木星是夜空中最亮的几颗星之一,仅次于金星,通常比火星亮(除火星冲日时以外),也比最亮的天狼星亮。木星的成份也比其他行星更为复杂。它的重量为1.9 E27公斤,赤道直径为142,800公里,木星的赤道半径为71,400公里,为地球的11.2倍;体积是地球的1,316倍;质量是1.9E30千克,相当于地球质量的三百多倍,是所有其他行星总质量的两倍半。平均密度相当低,只有1.33克/立方厘米。重力加速度在赤道和两极不同,赤道上为2,707厘米/平方秒,两极为2,322厘米/平方秒。木星是太阳系中卫星数目较多的一颗行星,木星拥有16个卫星,其中的四个(木卫四、木卫二、木卫三和木卫一)早在1610年就被伽利略发现了。1979年,“旅行者”一号发现木星也有环,但它非常昏暗,在地球上几乎看不到。木星的大气非常厚,可能它本身就像太阳那样是个气体球。木星大气的主要成份是氢和氦,以及少量的甲烷、氨、碳、氧及少量的铁、硫、水汽和其他化合物。在木星的内部,由于巨大的压力,氢原子中的电子被释放出来,仅存赤裸的质子。使氢呈现金属特性。

  纬线上色彩分明的条纹、翻腾的云层和风暴象征着木星多变的天气系统。云层图案每小时每天都在变化。“大红斑”是一个复杂的按顺时针方向运动的风暴,它于1665年被法国天文学家卡西尼发现,至今已存在了300多年了。大红斑呈蛋形,宽1400千米,长30000千米,其外缘每四至六天旋转一圈,而在中心附近,运动很小,且方向不定。在条状云层上可以发现一系列小风暴和漩涡。木星大气层的平均温度为-121摄氏度。

  在木星的两极,发现了与地球上的十分相似的极光。这似乎与沿木卫一螺旋形的磁力线进入木星大气的物质有关。在木星的云层上端,也发现有与地球上类似的高空闪电。

  木星在中国古代用来定岁纪年,由此把它叫做“岁星”,而西方天文学家称木星为“朱庇特”,即罗马神话中的众神之王,相当于希腊神话众星之中俨然以王者居,不可战胜的天神宙斯。

土星

  土星(9.5 天文单位),因为有明显的环系统而著名,它与木星非常相似,例如大气层的结构。土星不是很大,质量只有地球的95倍,它有60颗已知的卫星,泰坦和恩塞拉都斯拥有巨大的冰火山,显示出地质活动的标志。泰坦比水星大,而且是太阳系中唯一实际拥有大气层的卫星。

  土星,按离太阳由近及远的次序为第六颗。中国古代称填星或镇星。1871年发现天王星之前,土星一直被认为是离太阳最远的行星。

  人类在有史以前就已经对土星进行了观测。1610 年,伽利略第一次通过望远镜对它进行了观测,并记录下了它奇特的运行轨迹。早期观测土星非常困难,这是因为每过几年地球就要穿越土星光环所在的平面。直至 1659 年惠更斯推断出光环的几何形状后情况才有所改变。土星一直被认为是太阳系中唯一拥有光环的行星。但 1977 年人们发现天王星也有暗淡的光环,此后不久在木星和海王星周围也发现了光环。土星探测飞船卡西尼号已于 1997 年 10 月 15 日升空,将于 2004 年 7 月 1 日抵达土星。

  土星是距太阳的第 6 颗行星,赤道直径 119,300 千米,在太阳系中位居第二。1980-81 年旅行者号飞船的探测给人们带来了许多有关这颗行星的知识。土星的飞速自转使它的两极明显地扁平。土星自转一周 10 小时 39 分,公转一周为 29.5 个地球年。

  土星大气的主要成份是氢,另外还有少量的氢和甲烷。土星是太阳系中唯一密度比水小的行星,要是把它扔进一个足够大的海洋,它肯定会浮在水面。黄色的土星表面有明显的宽阔条纹,这和木星非常相似,但不如木星来得鲜明。土星大气内部风速极高。在赤道附近风速可以达每秒 500 米。在土星的南北极也有与地球相似的极光。

  巨大的光环使土星成为太阳系里一颗非常美丽的行星。土星的光环其实可分成几个不同的部分,最明亮、宽阔的是 A 环和B 环,较暗的是 C 环。光环的各部分之间有明显的裂缝,最大裂缝的是 A 环和 B 环间的的 Cassini 裂缝,它是由 Giovanni Cassini 在 1657 年发现的。A 环内的 Encke 缝则是由 Johann Encke 1837 年发现的。通过飞船的探测,人们还发现较宽的光环其实是由许多狭窄的小环组成的。

  光环的形成原因还不十分清楚,据推测可能是由彗星、小行星与较大的土卫相撞后产生的碎片组成的。光环可能含有大量的水份,构成它们的是直径从几厘米到几米的冰块和雪球。某些光环,如 F 环的结构在邻近的卫星引力拉扯下结构发生了细微的变化。

  科学家在“旅行者”号飞船发回的一张图片中发现,土星宽阔的 B 环上带有放射状的阴影,但在“旅行者”号此后拍摄的其他图片中却没有。据推测,这一现象可能因为光环在某些时候带有静电,漂浮在宇宙中的尘埃被吸附而造成的。

  土星有18个经确认的卫星,是太阳系中拥有卫星数量最多的行星。人们还从“旅行者”飞船拍摄的图片中找到了四个可能存在的新卫星。1995 年,科学家通过哈博太空望远镜发现的四个天体也可能是新卫星。

  在土星的卫星中,只有土卫六 (Titan) 拥有明显的大气层。大多数卫星同步自转,但土卫七 (Hyperion) 与土卫九 (Phoebe) 是个例外,它们的轨道是无规则的。土星的卫星系统非常稳定,多数卫星的轨道都是近圆形的,并都处于土星的赤道平面上,而只有土卫八 (Iapetus) 和土卫九 (Phoebe)是例外。

天王星

  天王星(19.6 天文单位),是最轻的外行星,质量是地球的14倍。它的自转轴对黄道倾斜达到90度,因此是横躺着绕着太阳公转,在行星中非常独特。在气体巨星中,它的核心温度最低,只辐射非常少的热量进入太空中。天王星已知的卫星有27颗,最大的几颗是泰坦尼亚、欧贝隆、乌姆柏里厄尔、艾瑞尔和米兰达。

  在古老的希腊神话中,天王星被看作是第一位统治整个宇宙的天神-乌刺诺斯。他与地母该亚结合,生下了后来的天神,是他费尽心机将混沌的宇宙规划得和谐有序。

  天王星是距太阳的第七颗行星,在太阳系中,它的体积位居第三。它是1781年由在英国定居的德国天文学家F.W.赫歇尔发现的。天王星赤道直径51800公里,公转周期为84.01个地球年。它与太阳的平均距离为2.87亿公里。天王星上的一天是17小时14分钟。它是太阳系中唯一个“躺”着围绕太阳运转的行星。天王星至少有15个卫星。最大的两个是1787年发现的。

  天王星的大气层中83%是氢,15%为氦,2%为甲烷以及少量的乙炔和碳氢化合物。上层大气层的甲烷吸收红光,使天王星呈现蓝绿色。大气在固定纬度集结成云层,类似于木星和土星在纬线上鲜艳的条状色带。天王星具有温度较高的同温层和一个较冷的对流层。由于天王星离太阳很远,它接受太阳能只有地球的千分之二,表面温度只有-211℃;仅靠太阳光是不能达到如此高温的,因而可能在天王星上存在其他能源。由于天王星的自转,星体中纬度有风。风速大约是每秒40-160米。经无线电科学测试,发现在赤道附近有大约每秒一百米的逆风。

海王星

  海王星(30 天文单位)虽然看起来比天王星小,但密度较高使质量仍有地球的17倍。他虽然辐射出较多的热量,但远不及木星和土星多。海王星已知有13颗卫星,最大的崔顿仍有活跃的地质活动,有着喷发液态氮的间歇泉,它也是太阳系内唯一逆行的大卫星。在海王星的轨道上有一些1:1轨道共振的小行星,组成海王星特洛伊群。

  海王星是太阳系中最外缘的一颗巨行星,赤道直径49,500公里。如果海王星上有洞,它能容纳近60个地球。海王星每165年绕太阳一周。海王星上的一天为16小时6.7分钟。

  海王星的内部是熔岩、水、液氨和甲烷的混合物组成的。外面的一层是氢、氦、水和甲烷组成的气体的混合物。甲烷赋予了海王星云层蓝色的外观。

  由于海王星离太阳遥远,海王星云层的平均温度为零下193摄氏度至零下153摄氏度,但在红外波段,海王星的辐射能量超过它所吸收的太阳能量,这表明海王星也可能存在内部局部能源。海王星上有明显的狭长而明亮的云层,它与地球上的藤蔓状云十分相似。在北半球的低纬度,"旅行者"号曾拍到过条状云投在下层云体上的阴影。

  海王星是个多变的行星,从1989年8月“旅行者2号”考察海王星时发回的照片上发现,海王星上有一个大鹅卵形黑斑,二个暗斑和三个亮斑,让人想起木星风暴“大红斑”。最大的一个“大黑斑”有地球那么大,看上去像一只大眼睛,大黑斑附近风速可以达到每小时2000公里,大约每10天逆时针旋转一周。这个大黑斑实际上是一个气旋,它是海王星大气的高压区,在它上面约50公里处有一些像卷云般的云朵。分析表明,在海王星大气中含有高浓度的甲烷和氢硫化物。海王星上也有像其它行星一样的强风。相对于行星的自转方向,大多数风向都是向西吹的。

  海王星有8个卫星,其中的6个是由旅行者号发现的。

  海王星是否也有环带?这是天文学家们长期以来关注的问题。

  1977年上天的“旅行者2号”飞船,经过12年长途跋涉,于1989年8月25日飞临海王星进行考察时,探测到海王星共有5个光环,他们的结构与天王星稍有不同。在5个环中,4个是环,另一个是尘埃壳。这些环可能是由小型陨石撞击海王星卫星而形成的尘埃组成的。

彗星

  彗星归属于太阳系小天体,通常直径只有几公里,主要由具挥发性的冰组成。 它们的轨道具有高离心率,近日点一般都在内行星轨道的内侧,而远日点在冥王星之外。当一颗彗星进入内太阳系后,与太阳的接近会导致她冰冷表面的物质升华和电离,产生彗发和拖曳出由气体和尘粒组成,肉眼就可以看见的彗尾。

  短周期彗星是轨道周期短于200年的彗星,长周期彗星的轨周期可以长达数千年。短周期彗星,如哈雷彗星,被认为是来自柯伊伯带;长周期彗星,如海尔·波普彗星,则被认为起源于奥尔特云。有许多群的彗星,如克鲁兹族彗星,可能源自一个崩溃的母体。有些彗星有着双曲线轨道,则可能来自太阳系外,但要精确的测量这些轨道是很困难的。挥发性物质被太阳的热驱散后的彗星经常会被归类为小行星。

半人马群

  半人马群是散布在9至30 天文单位的范围内,也就是轨道在木星和海王星之间,类似彗星以冰为主的天体。半人马群已知的最大天体是 10199 Chariklo,直径在200至250 公里。第一个被发现的是小行星2060,因为在接近太阳时如同彗星般的产生彗发,目前已经被归类为彗星。有些天文学家将半人马族归类为柯伊伯带内部的离散天体,而视为是外部离散盘的延续。

外太阳系

  在海王星之外的区域,通常称为外太阳系或是外海王星区,仍然是未被探测的广大空间。这片区域似乎是太阳系小天体的世界(最大的直径不到地球的五分之一,质量则远小于月球),主要由岩石和冰组成。

柯伊伯带

  柯伊伯带,最初的形式被认为是由与小行星大小相似,但主要是由冰组成的碎片与残骸构成的环带,扩散在距离太阳30至50 天文单位之处。这个区域被认为是短周期彗星的来源。它主要由太阳系小天体组成,但是许多柯伊伯带中最大的天体,例如创神星、伐楼拿、2003 EL61、2005 FY9和厄耳枯斯等,可能都会被归类为矮行星。估计柯伊伯带内直径大于50公里的天体会超过100,000颗,但总质量可能只有地球质量的十分之一甚至只有百分之一。许多柯伊伯带的天体都有两颗以上的卫星,而且多数的轨道都不在黄道平面上。

  柯伊伯带大致上可以分成共振带和传统带两部分,共振带是由与海王星轨道有共振关系的天体组成的(当海王星公转太阳三圈就绕太阳二圈,或海王星公转两圈时只绕一圈),其实海王星本身也算是共振带中的一员。传统带的成员则是不与海王星共振,散布在39.4至47.7天文单位范围内的天体。传统的柯伊伯带天体以最初被发现的三颗之一的1992 QB1为名,被分类为类QB1天体。

冥王星和卡戎

  冥王星(平均距离39天文单位)是一颗矮行星,也是柯伊伯带内已知的最大天体之一。当它在1930年被发现后被认为是第九颗行星,直到2006年才重分类为矮行星。冥王星的轨道对黄道面倾斜17度,与太阳的距离在近日点时是29.7天文单位(在海王星轨道的内侧),远日点时则达到49.5天文单位。

  目前还不能确定卡戎(冥王星的卫星)是否应被归类为目前认为的卫星还是属于矮行星,因为冥王星和卡戎互绕轨道的质心不在任何一者的表面之下,形成了冥王星—卡戎双行星系统。另外两颗很小的卫星,尼克斯(Nix)与许德拉(Hydra)则绕着冥王星和卡戎公转。 冥王星在共振带上,与海王星有着3:2的共振(冥王星绕太阳公转二圈时,海王星公转三圈)。柯伊伯带中有着这种轨道的天体统称为类冥天体。

离散盘

  离散盘与柯伊伯带是重叠的,但是向外延伸至更远的空间。离散盘内的天体应该是在太阳系形成的早期过程中,因为海王星向外迁徙造成的引力扰动才被从柯伊伯带抛入反复不定的轨道中。多数黄道离散天体(scattered disk object)的近日点都在柯伊伯带内,但远日点可以远至150 天文单位;轨道对黄道面也有很大的倾斜角度,甚至有垂直于黄道面的。有些天文学家认为黄道离散天体应该是柯伊伯带的另一部分,并且应该称为“柯伊伯带离散天体”。

阋神星

  阋神星(平均距离68天文单位)是已知最大的黄道离散天体,并且引发了什么是行星的辩论。他的直径至少比冥王星大15%,估计有2,400公里(1,500英里),是已知的矮行星中最大的。阋神星有一颗卫星,阋卫一(迪丝诺美亚),轨道也像冥王星一样有着很大的离心率,近日点的距离是38.2天文单位(大约是冥王星与太阳的平均距离),远日点达到97.6天文单位,对黄道面的倾斜角度也很大。

最远的区域

  太阳系于何处结束,以及星际介质开始的位置没有明确定义的界线,因为这需要由太阳风和太阳引力两者来决定。太阳风能影响到星际介质的距离大约是冥王星距离的四倍,但是太阳的洛希球,也就是太阳引力所能及的范围,应该是这个距离的千倍以上。

日球层顶

  太阳圈可以分为两个区域,太阳风传递的最大速度大约在95 天文单位,也就是冥王星轨道的三倍之处。此处是终端震波的边缘,也就是太阳风和星际介质相互碰撞与冲激之处。太阳风在此处减速、凝聚并且变得更加纷乱,形成一个巨大的卵形结构,也就是所谓的日鞘,外观和表现得像是彗尾,在朝向恒星风的方向向外继续延伸约40 天文单位,但是反方向的尾端则延伸数倍于此距离。太阳圈的外缘是日球层顶,此处是太阳风最后的终止之处,外面即是恒星际空间。

  太阳圈外缘的形状和形式很可能受到与星际物质相互作用的流体动力学的影响, 同时也受到在南端占优势的太阳磁场的影响;例如,它的形状在北半球比南半球多扩展了9个天文单位(大约15亿公里)。在日球层顶之外,在大约230天文单位处,存在着弓激波,它是当太阳在银河系中穿行时产生的。

  还没有太空船飞越到日球层顶之外,所以还不能确知星际空间的环境条件。而太阳圈如何保护在宇宙射线下的太阳系,目前所知甚少。为此,人们已经开始提出能够飞越太阳圈的任务。

奥尔特云

  理论上的奥尔特云有数以兆计的冰冷天体和巨大的质量,在大约5,000 天文单位,最远可达10,000天文单位的距离上包围着太阳系,被认为是长周期彗星的来源。它们被认为是经由外行星的引力作用从内太阳系被抛至该处的彗星。奥尔特云的物体运动得非常缓慢,并且可以受到一些不常见的情况的影响,像是碰撞、或是经过天体的引力作用、或是星系潮汐。

塞德娜和内奥尔特云

  塞德娜是颗巨大、红化的类冥天体,近日点在76 天文单位,远日点在928 天文单位,12,050年才能完成一周的巨大、高椭率的轨道。米高·布朗在2003年发现这个天体,因为它的近日点太遥远,以致不可能受到海王星迁徙的影响,所以认为它不是离散盘或柯伊伯带的成员。他和其他的天文学家认为它属于一个新的分类,同属于这新族群的还有近日点在45 天文单位,远日点在415 天文单位,轨道周期3,420年的2000 CR105,和近日点在21 天文单位,远日点在1,000 天文单位,轨道周期12,705年的(87269) 2000 OO67。布朗命名这个族群为“内奥尔特云”,虽然它远离太阳但仍较近,可能是经由相似的过程形成的。塞德娜的形状已经被确认,非常像一颗矮行星。

疆界

  我们的太阳系仍然有许多未知数。考量邻近的恒星,估计太阳的引力可以控制2光年(125,000天文单位)的范围。奥尔特云向外延伸的程度,大概不会超过50,000天文单位。尽管发现的塞德娜,范围在柯伊伯带和奥尔特云之间,仍然有数万天文单位半径的区域是未曾被探测的。水星和太阳之间的区域也仍在持续的研究中。在太阳系的未知地区仍可能有所发现。

星系的关联

  太阳系位于一个被称为银河系的星系内,直径100,000光年,拥有约二千亿颗恒星的棒旋星系。我们的太阳位居银河外围的一条旋涡臂上,称为猎户臂或本地臂。太阳距离银心25,000至28,000光年,在银河系内的速度大约是220公里/秒,因此环绕银河公转一圈需要2亿2千5百万至2亿5千万年,这个公转周期称为银河年。

  太阳系在银河中的位置是地球上能发展出生命的一个很重要的因素,它的轨道非常接近圆形,并且和旋臂保持大致相同的速度,这意味着它相对旋臂是几乎不动的。因为旋臂远离了有潜在危险的超新星密集区域,使得地球长期处在稳定的环境之中得以发展出生命。太阳系也远离了银河系恒星拥挤群聚的中心,接近中心之处,邻近恒星强大的引力对奥尔特云产生的扰动会将大量的彗星送入内太阳系,导致与地球的碰撞而危害到在发展中的生命。银河中心强烈的辐射线也会干扰到复杂的生命发展。即使在太阳系目前所在的位置,有些科学家也认为在35,000年前曾经穿越过超新星爆炸所抛射出来的碎屑,朝向太阳而来的有强烈的辐射线,以及小如尘埃大至类似彗星的各种天体,曾经危及到地球上的生命。

  太阳向点(apex)是太阳在星际空间中运动所对着的方向,靠近武仙座接近明亮的织女星的方向上。   

邻近的区域

  太阳系所在的位置是银河系中恒星疏疏落落,被称为本星际云的区域。这是一个形状像沙漏,气体密集而恒星稀少,直径大约300光年的星际介质,称为本星系泡的区域。这个气泡充满的高温等离子,被认为是由最近的一些超新星爆炸产生的。在距离太阳10光年(15亿公里)内只有少数几颗的恒星,最靠近的是距离4.3光年的三合星,半人马座α。半人马座α的A与B是靠得很近且与太阳相似的恒星,而C(也称为半人马座比邻星)是一颗小的红矮星,以0.2光年的距离环绕着这一对双星。接下来是距离6光年远的巴纳德星、7.8光年的沃夫359、8.3光年的拉兰德21185。在10光年的距离内最大的恒星是距离8.6光年的一颗蓝矮星,质量约为太阳2倍,有一颗白矮星(天狼B星)绕着公转的天狼星。在10光年范围内,还有距离8.7光年,由两颗红矮星组成的鲸鱼座UV,和距离9.7光年,孤零零的红矮星罗斯154。与太阳相似而我们最接近我们的单独恒星是距离11.9光年的鲸鱼座τ,质量约为太阳的80%,但光度只有60%。

太阳系的起源及演化

  太阳系的起源是一个关于这个世界的本原问题,它从一开始就不是一个纯天文学问题。人们为了揭开这个迷,曾经历尽艰辛;许多人为此贡献出自己的毕生精力,有人甚至献出了生命。人类永远不会忘记那些曾经为理解我们这个世界而做出过重大贡献的人们。他们有:哥白尼(N.Copernicus)、布鲁诺(G.Bruno)、牛顿(I.Newton)、康德(I.Kant)、托勒密(C.Ptolemaeus)等。

  1543年哥白尼在《天体运行论》中提出日心学说后,他无畏的科学精神一直鼓励着人们对太阳系的认知和对自然界本原的探索。

  1644年笛卡尔(R.Descartes)在《哲学原理》中认为,太阳系是由物质微粒逐渐获得旋涡流式运动,而形成太阳、行星及卫星的。

  1745年布封(G.L.L.de.Buffon)在《一般和特殊的自然史》中首次提出灾变说,质量巨大的物体,如彗星,曾与地球碰撞,太阳物质飞散太空,后来形成地球与其它行星、卫星。

  1755年康德《自然通史与天体理论》提出系统学说,星云假说。太阳系是一团弥漫星际物质,在万有引力作用下聚集而成。中心形成太阳,由于斥力的增加,周边微粒在斥力的作用下,形成团块,小团块再形成行星、卫星。

  1796年拉普拉斯(P.S.deLaplace)《宇宙体系论》也提出星云说,太阳系所有天体是由同一块星云形成。原始星云是气态,温度很高,并且在缓慢自转着。而后,星云逐渐冷却、收缩;随之自转加快,使星云越来越扁,当离心力超过向心力,便分离出旋转气体环。再次重复,生成多个气体环。最后,星云中心形成太阳,各环形成行星。热的行星同理形成卫星。

  早期的星云说,科学界统称康德—拉普拉斯说,该学说在十九世纪占据太阳系起源的统治地位。由于该学说不能解释行星排列的质量分布问题和太阳系角动量特殊分布问题而遇到了困难。

  因此人们又转向灾变说。1900年张伯伦(T.C.Chamberlain)提出新的星子说,摩尔顿(F.R.Moulton)发展了这个学说。有一颗恒星曾经运动到距离太阳几百千米处,使太阳正、背面产生巨大潮汐,而抛射出大量物质,凝集成小团块质点,称为星子。星子是行星的胚胎,而后聚合成行星和卫星。后来还有金斯(J.H.Jeans1916)提出的“潮汐假说”与以上学说略同。

  关于太阳系起源的假说,可以说是种类繁多。二十世纪以来,人们的天文学知识越来越丰富。并且认识到,在广阔的宇宙中,发生恒星相遇情况的可能性极小。五十年代以后,又提出了许多新的学说,这些学说大部分都是以星云假说为基础的学说。归纳起来有以下六个学说的影响最大。

  1. 卡米隆(A.G.W.Cameron)学说。六十年代以来,卡米隆从力学、化学等方面对地球起源进行了认真探讨,并用湍流粘滞理论计算了星云盘的演化。
  2. 戴文赛学说。五十年代提出的一种角动量斥力圆盘理论。
  3. 萨夫隆诺夫(В.С.СаФронов)和林忠四郎(C.Hayashi)的学说。湍流形成圆盘、环的理论。
  4. 普伦蒂斯(A.J.R.Prentice)—新拉普拉斯说。冷星云湍流说。
  5. 乌尔夫逊(M.M.Wolfson)的浮获说。小质量恒星天体相遇灾变说。
  6. 阿尔文(H.Alfvén)的电磁说。以太阳早期存在强磁场作用的行星形成理论。

  虽然以上理论各具特色,但是都没能得到公认。令人信服的太阳系起源说必需阐明下列主要问题:

  1. 原始星云的由来和特性。
  2. 原始星云或星子的形成过程。
  3. 行星的形成过程。
  4. 行星轨道的特性:共面性、同向性和近圆性。
  5. 提丢斯—波得(Titius-Bode)定则。
  6. 太阳系的角动量分布。
  7. 三类行星:类地、巨行、远日行星的大小、质量、密度方面的差别。
  8. 行星的自转特性。
  9. 卫星及环系的形成。
  10. 小行星的起源。
  11. 彗星的起源。
  12. 地-月系统的起源。

星云演化阶段

  在46-50亿年之前,星际弥漫物质分布不均匀,物质的密集区成为星际云。在外界因素的触发下,星际云发生自吸引收缩。当密度足够大时,星云际云出现不稳定,瓦解成为多个小星云。其中猎户臂上的一块小星云,质量约为1.03M⊙,该星云就是以后演化成太阳系的星云。该星云中心温度100K,其余大部分的温度均在10K以下。初始角动量2×1052~5×1052克·厘米2·秒-1。

  对星云演化阶段的演化过程,大多数学者对其没有太大的分歧。最具争议的是外界触发因素,一般认为有以下几种星云收缩触发机制。

  1. 星云间碰撞产生激波压缩。
  2. 银河螺旋密度波通过星际云时产生的激波。
  3. 邻近超新星爆发产生的激波。
  4. 其它强星云收缩激发附近稠密的星云。

  许多人都认为是超新星爆发而激发太阳星云收缩的。但是,在有千亿颗恒星的银河系里,每年都会有不少颗恒星诞生。超新星激发而产生恒星的情况并不多见。而在银河系旋臂附近的星际物质,有相对银河系中心每秒几百千米的速度动量,少许有一点波动或激波,就足以产生使太阳星云收缩的自转角动量。

  太阳星云演化阶段的主要星云物质所在范围约为3~10万个天文单位(天文单位:现在地球至太阳间的距离)。星云演化阶段的时间约为108年。

星子演化阶段

  当太阳星云极度收缩,大多星云物质范围在1~3万个天文单位,有98%以上的物质都已收缩到一个天文单位内时,太阳系星云进入星子演化阶段。

  在这个演化阶段,大多数太阳系起源理论,对星云中心由星云物质收缩成星子,再由星子聚集质点形成太阳的观点没有异议。而对太阳以外星子和星云物质所在星盘的形成,提出各种观点。

  许多理论都认为在盘上形成了环。1、卡米隆学说,湍流粘滞环。2、魏茨泽克(C.F.Weizsaker)的流体力学旋涡环。3、戴文赛的离心力环。4、普伦蒂斯的力学环。等等。

  还有理论认为全部星云物质都形成了太阳。如,张伯伦的恒星相遇说,金斯的潮汐说,乌尔夫逊的俘获说,阿尔文的电磁说等。

  依据我们对各类星云的观测经验,星云形成环的可能性极小,而且太阳星云初始运动也没有促使其形成环的因素。不过,星云盘收缩时形成旋臂是极常见的现象,旋臂使星云的密度产生了疏密差异。密度大的地方星云物质开始聚积成星子。

  有人会问,谁说星云不能生成环,土星不是有环吗?在太阳没有燃烧以前太阳完全可以有环。但是,土星的赤道环和太阳星云盘形成的环差异太大。依据洛希极限(Roche’sLimit)原理,土星类相对星体距离也较近,而且像土星这样的环不可能形成为一个星体。

  对于太阳系星云完全收缩为一个太阳的情况,无论从物理学的角度或是从天文学的角度看,都让人难理解。因为星云收缩为星云盘,星盘再完全收缩成一个星球体,在盘上不留一点剩余物质的情形也非常少见。

  太阳星云盘上也应该形成有旋臂。在星子演化阶段的后期,在大约0.5天文单位处旋臂中心的星子,其直径有大于1000千米的(这种星子也可以称为星胚)。太阳星云中心温度已经超过300K,但是距太阳1个天文单位处的温度不应该大于10K。这个演化阶段所用的时间在106~107年内。

太阳—地球形成阶段

  在这个阶段的开始,99%以上的太阳星云物质聚集起来,形成了太阳的雏星。其密度约在1.35克/厘米3,它聚集了太阳系50%的角动量,由于物质的聚积,分子碰撞加剧,中心温度已达到6000K以上。

  在太阳的周围这时候先后生成了四个行星,它们是:

  1. 水内星(Inmercury):因为现在这颗星已经不存在。其名暂定为水内星(不是Vulcan)。它的质量大约是160个地球单位(现在的地球质量=1个地球单位)。密度为1.34克/厘米3左右。它运行在距离太阳2900万千米的轨道上。
  2. 水星:这颗水星并不像现在的水星。它的质量约110个地球单位,密度亦为1.34克/厘米3。这颗水星运行在离太阳7000万千米的轨道上。
  3. 金星:它当时的质量是70个地球单位,密度1.34/厘米3,轨道距离太阳1.1亿千米。
  4. 地球:当时的质量为50个地球单位,密度为1.33克/厘米3,轨道为1.5亿千米。

  它们的运行轨道基本是圆型。由于形成行星的旋臂外缘物质的角动量略大于内缘物质的角动量,内、外两个角动量的差变成行星自转角动量。所以以上形成的行星都具有绕太阳公转方向相同的自转。

  由于太阳星云在收缩时旋转略带一点扭矩,所以形成太阳后,太阳的自转赤道与黄道(星盘)面有7度多的夹角,所形成行星的自转轴,也不垂直于黄道面。

  当时,火星轨道处以外的物质量还不足以形成大行星,而只是在火星轨道处运行着几个较大的星子。其中最大的星子直径已超过3000千米。在火星与地球轨道之间有一个星云的小旋臂,该旋臂角动量比地球的单位角动量略大一些,其形成的星体,被地球俘获为月球,它的质量为0.7个地球单位。运行轨道与地球距离比现在要近得多。由于与地球角动量差转变为对地球的转动。而太阳星云内部不存在魏茨泽克学说所形容的内部旋涡。所以太阳系星云形成的规则卫星都是同步自转(同步自转:自转周期与行星公转周期时间相等)。

  关于水内星存在的理由,分析一下水星到火星的轨道特性就可以得到启示。关于形成的各行星的体量,有许多证据可以证明,当时可以有很大的质量。例如:水星现在的物质丰度和质量,如果将它们分散在水星轨道的范围以内,这些物质无论用什么办法也不能将其聚集成现在的水星。在地球上,各大洋底锰结核的存在和海水中丰富的铀含量都说明,如果地球的体量从形成时到现在就没有改变,那么对这些现象根本就无法解释。

  每个原始行星的其它参数,可以由以上数据推得。

  这个演化阶段的后期,各星体表面温度已超过200K,这个演化阶段的时间在104年之内。

火星—小行星形成阶段

  在这个演化阶段开始,太阳表面温度已达到3000K左右。太阳内部已开始有小规模的核聚变。形成的各大行星由于收缩,自转开始加快,氢、氦元素已全部气化。太阳的热辐射驱动着散落在各大行星轨道间的剩余物质和逃逸出行星控制的氢、氦等物质,并将它们推向火星轨道和小行星轨道。

  由于星际物质到这个演化阶段后期,在水星、小行星轨道上逐渐增多。而后火星逐渐由星子聚集形成。其质量约30个地球单位,密度约为1.2克/厘米3,轨道参数基本与现在相同。在小行星轨道上也逐步形成了70-120个大星子,星子直径约在2000千米至3000千米。另外还有许多直径小于2000千米以下的星子。当时的大星子经现代技术分析可以逆向命名,如:脱罗夫(Trojan)星、沃耳夫(M.Wclf)星等。

  这个阶段约经历103年不到的时间。

木星—土星形成阶段(太阳核聚变爆发阶段)

  这个阶段是太阳系形成过程中非常重要的一个阶段。现代的太阳系起源理论都认为,强大的太阳辐射和太阳风将星云轻物质推到外行星处。至于怎样推的和演化到什么时间将轻物质推出去的,所有太阳系起源说都未对其定位。这个推出去的过程是一个非常实际的过程,也是研究太阳系起源的值得重视的过程。这个过程必然与太阳核聚变爆发同时开始。

  在这个阶段里太阳由于收缩,内部的高温终于引发了整个太阳的氢核聚变活动。强大的核聚变辐射带着太阳风扫过了前面几个阶段所形成的所有的星体和星子。这个阶段大约用了105—106年的时间。

  我们如果能看到当时的景象,真是非常壮观:逐渐增强核聚变的太阳发着强烈的紫光,照耀着整个太阳系。小行星带的每个星子拖着像彗星一样的尾巴,围着太阳形成一个圈。地球带着月球和火星差不多,快速旋转着向四周散发着淡淡的氢气、氦气,后来又夹带着水汽。水内星、水星、金星开始剧烈地转动着向太阳系散发它们所带的气体、水汽,内太阳系空间扁平盘上,到处烟雾腾腾,给人一种祥和、温暖的感觉。

  在这个演化阶段的稍后期,有个重要过程需要说明。在前几个阶段已经形成的各大行星都在散发着水汽,这些太空中和星球边的水汽并没有多大压力,它们弥漫在内太阳系的空间里,其温度不会低于0摄氏度,但也不会高于70摄氏度。这是个原始生命物质最容易生成的环境。开始时原始氨基酸包裹体只是吸收热,逆换氧化物质的简单生命体。经过演化,在本阶段结束时,生态环境开始变得恶劣。该生命体就逐渐演化出能光合的基本生命体和其寄生的共生生命体这样两种类别的系列生命体。像这种长期温暖的环境现在很难人工模拟。

  由于太阳风的压力和太阳辐射的压力,将弥漫在内太阳系的氢、氦和水汽驱赶到现在的木星及土星轨道附近,木星、土星轨道上的星子逐渐增大,因为大部分物质在木星轨道处就被星子俘获了,而土星星子俘获的是重新凝结(温度低)的氢、氦气和水汽团,所以聚集在土星轨道上星子的密度变得越来越小。

  在行星形成的过程中,由于高密度物质向行星中心集结,低密度的物质浮向行星表面,由于角动量守恒,行星的转速急剧加快,太阳辐射使行星失去的表面物质将带走大量的行星自转角动量,致使行星逐渐失去自转角动量而使自转变得缓慢。特别是水内星,由于上述过程急剧演化,当该行星在失去三分之二质量后,其自转角动量已所剩无几。在这种情况下,该星对太阳来讲就像一个向心旋转的火箭,它拖着长长地急速喷射着水汽的尾巴,沿着距离太阳越来越近的轨道,渐渐地又突然快速地跌进了太阳。

  水星几乎也有着同样的命运,不过当它向太阳移近运行轨道1200万千米时,它的易挥发轻物质已经消耗殆尽,这时它就停留在现在的轨道上,绕着太阳转动着。水星1200万千米的轨道迁移,影响了水星的轨道参数,所以水星绕太阳转动的轨道有较大的偏心率。

  金星离太阳远得多,以上论述的物理过程中,几乎将金星自转角动量全部带走。但是,由于金星的轻物质挥发较慢,金星轨道的迁移量不多。

  这个物理过程,对地球和火星影响更要好得多。地球作为行星开始演化时,最快的自转速度,可能达到了几个小时,可是当地球被太阳挥发到2个地球质量时,其自转速度已减慢到要十五、六个小时左右转一圈了。

  到了这个演化阶段的后期,木星、土星已初步聚合而成。

  在这个演化阶段后期和下一个演化阶段的初期太阳将进入一个灾变时期。

天王星—海王星形成阶段

  在这演化阶段的开始前,太阳进入了一个灾变性阶段,该灾变可以称为太阳角动量灾变期。

  当弥漫星云塌陷为一个恒星胚时,星云物质带有大量的转动角动量聚集到星体,聚集的初期角动量分布分散。恒星胚转动较慢,当恒星核聚变产生之后,大部分物质都被气化或电离时,较重物质急速向恒星中心聚集,轻物质浮向恒星表面,因角动量守恒,恒星转速越来越快。

  对于较大的星云团,形成恒星前的旋转速度较快,其聚集后星体含角动量极大,核聚变产生后,星核还没完全形成。为了克服巨大的角动量转速,恒星会分裂为双星,或者是聚星。银河系中就有许多这样的恒星结构。

  对于有较少量角动量的恒星,在恒星形成的年青阶段都有一个天文学称之为金牛T型阶段。在这个阶段,由于恒星聚集很大角动量,经过演化恒星开始快速地旋转,再加上恒星剧烈地核聚变,使恒星沿赤道表面会抛射出大量的物质。这些抛射出的物质带走大量的恒星自转角动量。金牛T型阶段结束后恒星进入了赫罗图(H—Rdiagram)的主序星阶段。又有,恒星的较差自转现象和太阳风(有质量的太阳抛射物)也要损耗大量的角动量,使其后的恒星自转速度越变越慢,恒星的自转角动量亦越来越少。

  这些金牛T型阶段的太阳抛射物,最先访问的是水星,而且也很频繁,聚集后不长时间,就完全气化,然后又脱离了水星。由于这些物质击中水星的方向较正,使水星的自转几乎等于同步自转。块状物对金星的撞击角度不同水星,这些大块抛射物的撞击,使金星的自转变为慢速地逆方向转动,这个撞击角和对水星的影响可以用作图法得出,也容易理解。这些抛射物能块状地访问地球、火星的可能性很小,所以就不会对这些星体造成什么重大影响。在黄道面内的这些抛射物,最后都被太阳的辐射和太阳风推到木星、土星轨道,也有的被该轨道上的星子所俘获。

  太阳赤道与黄道有7度多的夹角。太阳的金牛T型段的赤道抛射物有很大一部分被抛射出原太阳星云盘黄道面。这些抛射物,经由黄道盘的上、下飞越水星、金星……木星、土星。这些抛射物质在旋转盘上群星引力的作用下,落在天王星的轨道上,被那里的星子俘获,然后积聚为天王星。这些抛射物的运动轨迹可用万有引力定律推出。

  也许太阳向云盘上、下抛射的物质量并不相等,也许抛射的物质在云盘上、下运行的距离有差异。所以它们形成的星子都会有水平于黄道平面的自转。当变得更大的星子聚集起来形成天王星时,该星是一颗基本躺着转动的星,星内有大量的放射性物质,也说明该星大部分物质直接来自已经核聚变的太阳。

  有一些抛射物质因为没有被天王星子俘获,在星云盘处穿越天王星轨道,由于惯性,又运行一段距离,在星盘的引力的作用下,从另一面落入海王星轨道,被海王星轨道的星子俘获。因为它们的运动轨迹非常难以形容。所以这些星子最后形成的海王星,自转轴相对黄道面倾斜很大角度。海王星的物质大部分也来自太阳,它也含有大量的放射性物质。

  天王星、海王星演化阶段历时106年。

  海王星外的冥王星是二十世纪三十年发现的一颗行星,从质量上讲冥王星不能算是一颗大行星。对于冥王星外的太阳系空间,我们知道得不多,可以放在后面讨论。

太阳系各星体的地质演化和后期演化要点

  太阳成为主序星后,有个现象非常重要:太阳的聚集高温点燃了核聚变,开始时燃烧的规模较小,然后逐渐加剧,最后达到燃烧的最大点,这时间在103年左右。剧烈地燃烧,必然产生燃烧阻隔,使燃烧逐渐减弱,这就形成了一个周期。现在我们把它称为太阳活动周期,这个周期现在大约是11.2年。太阳刚进入主序星时,活动周期的波动非常明显,当时波动周期的时间大约在70年左右。

  水星在聚积成行星后,经过一定时间,水星的地质演化非常充分,铁的核、岩的壳外面包裹着水和氢气、氦气。当太阳的热量吹走表面的气体、水和极易挥发物质后,火星迁移到现在运行的轨道。而后几亿年强烈的太阳风,又吹去了大部分岩壳(当时的水星岩是熔融态),以至它表面易挥发的金属也被吹走了。

  金星要好得多,它只失去了水分和部分易挥发物质,而且轨道也移动不多。

  地球是颗神奇的行星,它的初期演化就有生物参与。地球大气中的氧,如果没有生物作用是不可能存在的。在太阳早期活动周期的低谷,地球建立了地球磁场,再加上氧的作用,地球保住了剩余下来的水,为今后的生物进化提供了条件。

  月球是地球的卫星,在当初形成时它是太阳系中最大的卫星。因为是卫星仅有同步自转,所以它的地质演化并不充分,几乎没有铁核。它的质心偏向地球。当它失去月表的水分后,太阳风又吹去了月表所有的易挥发物质和易挥发金属。由于逐渐失去部分地球的引力和质量,月球轨道在远离地球。

  火星最大时,有30个地球质量那么大,但是其99%以上都是轻物质。它的地质演化应该非常充分。当火星演化到10亿年以前,火星表面还存在有大量的水,只因大气中没有存住氧,这些水分都慢慢地失去了。它的两颗卫星是火星演化时期俘获的。火卫一来自小行星轨道的可能性极大,因为在那里被划伤的概率要比作为卫星要高得多。

  小行星轨道上,直径大于2000千米的小行星都有相当充分的地质演化:铁的核、岩的壳、外包着水和气。太阳初期的剧烈燃烧,吹走了它表面的氢、氦气和水,使所有的小行星失去了成为大行星的机会。大小不等的类地小行星运行在轨道上,其速度、质量又各不相同,在以后形成的大质量和近距离的木星胁迫下,小行星经常发生碰撞,裂解成为各类小行星族。有些脱离原来的轨道进入地球、火星轨道。地球上见到的铁陨石和石陨石大都来自小行星轨道的物质。另外大部分脱离轨道的小行星或被木星俘获或进入木星轨道。因为有木星的巨大质量胁迫,所以在小行星轨道上运行的各族小行星的分布应该和木星轨道共振。没有进行地质演化条件的小行星(形成时的质量小),失去大部分水分后,以原始状态继续运行着。有些较远离太阳的小行星也许还保持有一定的水分。  

  一亿年后,在塌缩的星云中心,压力和密度将大到足以使原始太阳的氢开始热融合,这会一直增加直到流体静力平衡,使热能足以抵抗重力的收缩能。这时太阳才成为一颗真正的恒星。

  相信经由吸积的作用,各种各样的行星将从云气(太阳星云)中剩余的气体和尘埃中诞生:

  • 当尘粒的颗粒还在环绕中心的原恒星时,行星就已经开始成长;
  • 然后经由直接的接触,聚集成1至10公里直径的丛集;
  • 接着经由碰撞形成更大的个体,成为直径大约5公里的星子;
  • 在未来的数百万年中,经由进一步的碰撞以每年15厘米的的速度继续成长。

     在太阳系的内侧,因为过度的温暖使水和甲烷这种易挥发的分子不能凝聚,因此形成的星子相对的就比较小(仅占有圆盘质量的0.6%),并且主要的成分是熔点较高的硅酸盐和金属等化合物。这些石质的天体最后就成为类地行星。再远一点的星子,受到木星引力的影响,不能凝聚在一起成为原行星,而成为现在所见到的小行星带。

  在更远的距离上,在冻结线之外,易挥发的物质也能冻结成固体,就形成了木星和土星这些巨大的气体巨星。天王星和海王星获得的材料较少,并且因为核心被认为主要是冰(氢化物),因此被称为冰巨星。

  一旦年轻的太阳开始产生能量,太阳风会将原行星盘中的物质吹入行星际空间,从而结束行星的成长。年轻的金牛座T星的恒星风就比处于稳定阶段的较老的恒星强得多。

  根据天文学家的推测,目前的太阳系会维持直到太阳离开主序。由于太阳是利用其内部的氢作为燃料,为了能够利用剩余的燃料,太阳会变得越来越热,于是燃烧的速度也越来越快。这就导致太阳不断变亮,变亮速度大约为每11亿年增亮10%。

  从现在起再过大约76亿年,太阳的内核将会热得足以使外层氢发生融合,这会导致太阳膨胀到现在半径的260倍,变为一颗红巨星。此时,由于体积与表面积的扩大,太阳的总光度增加,但表面温度下降,单位面积的光度变暗。

  随后,太阳的外层被逐渐抛离,最后裸露出核心成为一颗白矮星,一个极为致密的天体,只有地球的大小却有着原来太阳一半的质量。

其他

太阳系行星“裁员” 冥王星遭“降级”

  国际天文学联合会大会2006年8月24日通过决议,将地位备受争议的冥王星“开除”出太阳系行星行列,太阳系行星数目也因此降为8颗。从此,冥王星这个游走在太阳系边缘的天体将只能与其他一些差不多大的“兄弟姐妹”一道被称为“矮行星”。

  大会始终充满紧张气氛。直到表决前,一些天文学家还抓住最后机会表达质疑。他们站在观众席走道里竖立着的麦克风前,要求主席台上正襟危坐的国际天文学联合会主席罗恩·埃克斯再度修改决议草案。一位天文学家甚至要求修改其中的一个标点。投票时,两派的对立显而易见。天文学家们挥舞着手中的选票,极具煽动性地鼓励更多人加入他们当中,其中包括埃克斯,一位冥王星的强烈支持者。

  根据当天通过的新定义,“行星”指的是围绕太阳运转、自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状、能够清除其轨道附近其他物体的天体。而冥王星因为其轨道与海王星相交,因此不符合这一定义。大会通过的决议说:“(太阳系)行星包括水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。”

  决议称,冥王星是一颗“矮行星”。所谓“矮行星”是指同样具有足够质量、呈圆球状,但不能清除其轨道附近其他物体的天体。决议还确认了一类外海王星天体,并将冥王星作为该类天体的“典型”代表。

  “冥王星不该属于行星,每个天文学家都该知道,”英国伦敦大学学院天文学家伊恩·豪沃斯在决议通过后对新华社记者说。和大多数在场的天文学家一样,他对冥王星投了反对票。

  但对于国际天文学联合会主席埃克斯来说,投票结果是“一个遗憾”。他认为,应当将“矮行星”也归入行星之列。

  国际天文学联合会副主席、中国科学院院士方成在接受新华社记者采访时说:“冥王星的确是这次行星定义过程的焦点,许多科学家认为它不该成为行星。”

  尽管科学家们关于这一问题仍未达成共识,但无论如何,行星新定义的产生是一个“历史性”时刻。埃克斯表示,对于行星的研究和讨论,将来还会继续,但这一定义的产生是天文学研究的里程碑。

怎样飞越太阳系

  2000年3月29日,人类在寻找太阳系外行星方面取得重大进展。美国加利福尼亚大学的科学家宣布,他们发现了两颗迄今为止围绕着其他恒星运行的最小行星。这两颗太阳系外的行星质量与土星相近。这标志着科学家在寻找地球大小的太阳系外的行星的过程中迈出了重要的一步,因为迄今为止观测行星的技术只能发现比木星大的太阳系外行星,而要寻找外星生命,只能到地球大小的行星上去找。想要飞向太阳系外的恒星,解决动力问题则是关键。

  恒星周围存在行星是一个普遍现象。在太阳系附近的恒星周围肯定存在着行星系统,了解那里的行星无疑是一件激动人心的事。可现有的天文手段在这方面显得过于苍白无力。它既不能告诉我们这些行星的大气组成,也无法揭示其地质构造,甚至天文学家连它们的几何尺寸也无从知晓。

  这一切都是地球与目标行星之间的距离所致——动辄几十万天文单位的旅程会令最狂热的宇航迷变得垂头丧气,用化学火箭推进的探测器要用成千上万年才能飞到那里。

  如何在一个科学家的有生之年完成太阳系外的探险呢?这时飞船应该达到每秒几百公里的速度,而目前最快的飞船只能达到这速度的十分之一。现行的飞船之所以行动迟缓,根本原因在于它们仅靠化学火箭在其飞行的头几分钟里加速,冲出大气层后的航程完全倚赖惯性滑行,充其量在路过大行星时靠其引力加速。因此要想飞向太阳系外的恒星,解决动力问题是关键。

  目前“旅行者”号和“先驱者”号探测器已经飞越了冥王星轨道,成为离地球最远的探测器。为了达到这一目标,科学家花费了十几年的时间,其间还不断利用大行星的引力加速(称为“引力跳板”技术)。而且从一开始,它们就是用最强大的化学火箭(“土星”号)发射的。

  下面的方法是科学家想到的飞越太阳系到达其他恒星的方法。其中有一些现在就可以实现,而另一些也许永远只能停留在设想阶段。

  核动力火箭 20世纪50年代,随着和平利用原子能的呼声日益高涨,原子火箭发动机应运而生。法国人设计了以水为工作物质的原子能火箭,它靠核反应堆产生的热量将水汽化,高速喷射出的水蒸汽能使星际飞船逐渐加速。火箭要喷出5000吨的水才能在50年内把飞船送往最近的恒星——比邻星(距地球4.22光年)。

  一般化学火箭的结构质量占总质量的6%—10%,有效载荷仅占1%;而原子能火箭的结构质量占总质量的12%—15%,但有效载荷可占总质量的5%—8%。以氘为燃料的核聚变火箭,排气速度可达15000公里/秒,足以在几十年内把宇宙飞船送到别的恒星。

  聚变比裂变放出更大的能量。在一个核聚变推进系统中理论上每千克燃料能够产生100万亿焦耳能量———比普通化学火箭的能量密度高一千万倍。核聚变反应将产生大量高能粒子。用电磁场约束这些粒子,使之向指定方向喷射,飞船就可以高速前进了。为安全起见,核飞船至少应在近地轨道组装。为利用月球上丰富的氦资源,月球也是理想的组装发射地。此外也可以在拉格朗日点(此点处的物体在绕地球运转的同时保持与月球相对距离不变)处完成组装,原材料从月球上用电磁推进系统发送。

  光帆 中国古代的纸鸢无法和现在的超音速飞机同日而语,今人设想的喷射式推进系统也不能和未来实际的星际飞船相提并论。相对于核动力火箭来说,以下几种进入太空的方法更有可能在未来的星际飞行中使用。

  15世纪地理大发现时期,西欧的水手们扬帆远航,驶向传说中的大陆。未来的星际航行恐怕还要借助“帆”这种古老的工具,只不过驱动“太空帆”的不是气流而是光。早在20世纪20年代,物理学家就已证明电磁波对实物具有压力效应。1984年,科学家提出,实现长期太空飞行的最佳方法是向一个大型薄帆发射大功率激光。这种帆被称为“光帆”。它采用圆盘状布局,直径达3.6千米,帆面材料为纯铝,无任何支撑结构,其最大飞行速度可达到光速的十分之一。在搭载1吨的有效载荷时,飞抵半人马座的α星仅需40年或更少的时间。以这个速度,太空船可以在两天内从太阳飞到冥王星,但要是飞越另一个太阳系并对其进行考察,这速度显然太低了。

  为了进行详细的考察,可以采用“加速——减速”的飞行方案。这时光帆直径取100千米,使用功率为7.2×1012瓦的激光器向它发射激光。在减速阶段,将有一个类似减速伞的小型光帆被释放出来。它把大部分激光向飞船的前进方向反射,以达到制动的目的。

  虽然要求较高,但较其他形式的星际飞船而言,光帆是在技术上和经济上最容易实现的方案。根据估算,在使用金属铍作为帆面材料时,飞到半人马座α星的总费用为66.3亿美元。这只相当于阿波罗计划投资的1/4。

  人工时空隧道 不少科幻影片(如《星球大战》)中都有这样的镜头:随着船长一声令下,结构复杂的引擎开始工作,接着宇宙飞船便消失于群星中,几乎就在同时,它完好地出现在遥远的目的地……现代物理学证明,这看似荒诞的场景是可以发生的。

  现代物理学(时空场共振理论)认为,时间是能量在时空中高频振荡的结果,宇宙间各时空点的性质取决于该点电磁场的结构特性。

  该理论认为宇宙中各时空点有其确定的能量流动特性,它可以用一组谐波来描述。若用人工方法产生一定的谐波结构,使它与远距离某时空点的谐波结构特性相同,则二者就会产生共振,形成一个时空隧道,飞行器可以循着这个时空隧道在瞬间到达宇宙的另一位置。

  实施这一方案的关键是飞船必须能产生适当的能量形态,以满足选定时空点的谐波结构特性。

  通过“虫洞”的星际航行 还有一种名为“虫洞”的奇异天体,它是连接空间两点的时空短程线。科学家认为,通过虫洞可以实现物质的瞬间转移。用这种方法进行的星际航行可以完全不考虑相对论效应。遗憾的是这种理论上应该存在的“空间桥梁”至今还没有发现。

  无疑,无论哪种方法离现实都有一定的距离,但它们在技术上并不是不可行的。无论困难多大,人类探索未知领域的天性不会改变。可以设想,人类最终迈出太阳系摇篮,飞向星际的日子不会太远了。(来源“南方报业集团)

“旅行者”飞船正冲出太阳系

  美国宇航局下属的喷气推进实验室说,1977年发射的“旅行者”1号飞船经过漫长的旅行,已飞出了太阳系的激波边界,即将成为第一个进入太阳系外空间的人造航天器。

  进入“长跑最后一圈” 在近28年的飞行后,“旅行者”1号目前距太阳近140亿千米。它所在的区域里,太阳的影响已急剧减弱,带电荷的太阳风急剧减速后已变成了稀薄的恒星间气体,这里被称为太阳风鞘。“旅行者”1号将从它最薄的地方飞出去,当它穿越太阳风鞘的外缘边界———太阳风层顶之后,才算真正飞到了太阳系之外的银河系空间。科学家说,这可能还要几年时间。它的孪生飞船“旅行者”2号正沿另一条轨道飞出太阳系,目前距太阳也有100亿千米。美宇航局预计,这两艘飞船将至少运行到2020年。

  “旅行者”项目科学家爱德华·斯通形象地比喻说,这艘飞船如今已进入“长跑最后一圈”,它正在探测太阳系最外层的边界。在远离太阳的黑暗、寒冷空间,“旅行者”依靠它装备的放射性同位素热电机组驱动。

  有望再为地球服务20年 太阳系最终在哪里结束,并让位于相对平静的星际空间,科学家们还一直没有确定。理论上讲,这个界线在离太阳127.5亿到180亿千米之间的某个地方。天文学家将这个距离计算为85到120个天文单位——一个天文单位相当于地球到太阳的距离。

  太阳系的边缘虽然位于宇宙空间的深处,是太阳引力几乎为零的地方,但也不是静如死水之处。太阳风形成的冲击波,依然要和恒星间的气体发生碰撞。这个冲击波自然也会作用在“旅行者”1号身上。专家说,虽然“旅行者”1号现在于宇宙深处漫游,已经到了人们难以测量的地方,但从技术上说,它还能与地面控制中心保持联系达20年之久。

太阳系的边界在哪里

  在2003年11月,喷气推进实验室的科学家曾发现“旅行者”1号观测到了一些前所未有的迹象,并判断它已进入激波边界。但因为没有人知道激波边界的确切标志,这一观点引起相当争议,部分科学家认为它只是接近了这一区域而已。

  激波边界是太阳风在恒星间气体压力下减速的地带。在这个地带,太阳风从每小时100万至240万千米的高速急剧下降,其粒子密度更大,温度也升高了。科学家认为,由于恒星间气体压力变化,这个区域经常收缩或膨胀,很难清晰确定边界。

  这次,科学家根据两个特征一致判断“旅行者”1号已飞出了激波边界。第一,去年12月飞船探测到周围磁场强度急剧增加,到现在磁场都维持在高强度上,这说明太阳风粒子的减速过程已经完成。第二,飞船探测到周围有等离子体波浪,这是激波边界内外太阳风速不同、使带电粒子来回振荡而导致的。(据新华社)

美专家称人类可能永远无法飞出太阳系

  据美国《连线》杂志报道,美国宇航局和军方的科学家日前表示,他们最近通过分析得出结论,即便是采用当今理论上最为先进的火箭推进技术,人类在其生命周期内也不可能登陆太阳系外的任何星体。这也就是说,人类飞出太阳系的梦想几乎永远也无法变成现实。

  近日,在美国哈特福德市举行的联合推进技术大会上,来自美国宇航局和美国空军的导弹专家们对人类的星际旅行之梦泼了一盆冷水。大会收到了多个专门针对星际旅行的火箭推动技术的先进设计方案。科学家们对这些设计方案进行了专业、细致的分析与计算,得出了一个令人沮丧的结论。要想在人类的生命周期内登陆太阳系外最近的星球,即便采用当今理论上最为先进的火箭推进技术,这一梦想也几乎不可能实现。从本质上来说,人类何时飞出太阳系不是个时间问题,而是人类科学技术发展的速度和水平问题。也就是说,人类现在的科学技术还不能满足飞出太阳系的要求。

  美国麻省理工学院助理教授保罗·罗扎诺也是与会的航空航天专家之一。保罗认为,星际旅行是一个复杂的工程难题,人们根本无法想象出工程的难度。其中最大的难题就是火箭推进问题,包括动力持续时间问题以及燃料问题等。比如,采用当前人类最先进的火箭引擎,理论上仍然需要5万年时间才能到达半人马座阿尔法星。半人马座阿尔法星是距离太阳系最近的星球。据美国宇航局喷气推进实验室科学家罗伯特-弗里斯比介绍,如果采用理论上最有效的推进方式,即理想中的反物质动力引擎,也仍然需要数十年时间才能抵达半人马座阿尔法星。

  人类目前掌握的航天技术还远远不能适应飞出太阳系的需要。例如,鉴于宇宙尺度的宽广,即使飞船的速度可以达到光速,但到离太阳最近的恒星--比邻星飞一个来回,仍需要近10年的时间,在银河系转一圈需要几十万年,要飞出银河系,到达最近的仙女座星系,需要230多万年,而要在宇宙中周游,则需要几百亿年的时间。目前,人们寄希望于爱因斯坦相对论的速度效应,即宇宙飞船高速飞行时,时间会膨胀,距离会缩短,越接近光速,速度效应越显著,到无限接近光速时,时间几乎停滞,尺寸几近于零。另外,以当前人类的科学技术,同样无法解决火箭燃料的问题。

  美国伦斯勒理工学院助理教授布里斯·卡塞蒂分析,要想利用火箭向半人马座阿尔法星发送一颗探测器,至少要耗费地球上已产出的全部能量。这是一个非常惊人的巨大数字。更有甚者,这种想法如果真要付诸实施,那么实际的能量消耗可能会比预估的还要高出100倍。人类不可能真的会去榨取地球所有的资源去实现遥远的星际旅行。在今后几十年的时间内,人类主要还是开展一些相对可行的航空活动,如建立永久性载人空间站,发展廉价的天地往返运输系统和宇宙飞船的高能动力系统,建立永久性月球基地,开发月球资源等。

  目前在太空中飞得最远的人类文明“使者”——美国“旅行者1号”探测器,正在向太阳系边界逼近。甚至有科学家认为,它一度可能已突破了太阳系与外部星际空间的第一道交界线。但是严格说来,这些并不能说成是人类飞行的距离,因为它们都没有载人飞行。真正人类最远的飞行距离,也就是载人航天器飞行的最远距离,只有从地球到月球那么远,约为38.4万千米,这一纪录还是在上个世纪六七十年代创造的,至今未能突破。这一纪录的创造者是“阿波罗”号载人登月飞船及其乘员。

天文学家观测到5个遥远星系

  天文学家在《天体物理杂志》网络版上发表研究报告称,他们在宇宙非常遥远的地方观测到5个普通星系。这些星系中有恒星正在快速形成,和它们的年龄相比,这些星系质量巨大,这将对现有的星系形成理论提出新挑战。

  一个国际研究小组利用哈勃空间望远镜、斯必泽太空望远镜及次毫米波阵列确定了这5个星系的位置,同时证明它们均为独立的而不是由小星系组成的星系团。观测表明,这些年轻的星系正以比银河系快1000倍的速度形成新的恒星,然而它们的光芒却被浓密的尘雾所遮蔽。

  现有的星系形成理论认为,星系的质量同距离成反比,小质量星系形成于宇宙早期,再通过合并形成大质量星系,大质量星系只能在宇宙1/3年龄以后形成。然而,新发现的星系却同银河系大小差不多,因此用现有理论无法解释。

  参与该项研究的哈佛—史密森天体物理中心的天文学家法齐奥表示:“为什么这些遥远的星系形成新恒星的速度如此之快而且质量巨大,我们对此一无所知。”研究小组已将相关数据交给理论学家,后者正尝试建立新的计算机模型解释这些新发现。法齐奥说:“宇宙"年轻"时候的故事,仍有待我们进一步探索。”

  普林斯顿大学的天体物理学家埃德·温特纳认为,穿透尘雾将帮助天文学家更准确地了解星系的形成过程。俄亥俄州凯斯西储大学的天文学家克里斯·米赫斯对此表示赞同,他指出,仅基于5个星系这么少的样本还不能得出任何实质性的结论,但这些新发现的星系无疑为认识宇宙早期状况贡献巨大。他说:“我们真正感兴趣的是,不同质量的普通星系怎样以不同的年龄存在宇宙中。这是一项非常困难的工作,但它对于了解星系形成的过程至关重要。”(资料来源:《科技日报》)

欧洲科学家发现太阳系外“超级地球”

  据美国宇航局太空网26日报道,欧洲的天文学家在太阳系外发现了已知最小的行星之一,这颗行星的质量是地球的14倍,绕一颗与太阳非常相似的恒星旋转。这一发现让许多专家都大感吃惊。

  研究人员表示,这可能是一颗多岩石的行星,拥有很稀薄的大气,就如同一颗“超级地球”。但它又没有地球的任何典型特征,它绕“太阳”旋转一周的时间不超过10天,而地球绕太阳转动的周期则需要365天。另外,这颗行星白天表面温度非常高。

  领导此次研究的葡萄牙科学家努诺·桑托斯表示,尽管这颗行星表面状况尚不清楚,“但我们估计它相当热,温度与恒星差不多。”桑托斯告诉太空网,这颗行星的温度高达1160华氏度(900摄氏度)。这一发现仍旧是科学技术的一大进步,因为此前科学家从未在正常恒星附近发现过如此小的行星,同时也表明这是迄今为止天文学家发现的最类似我们的太阳系的“太阳系”。

  这颗恒星与太阳相似,距离地球只有50光年。光年是指光在一年里传播的距离,大约等于6万亿英里(合11万亿公里)。大多数已知太阳系外行星一般距离地球数百或者数千光年。夜幕降临时,我们可以从南半球看到这颗称作“mu Arae”的恒星。它一直隐藏于另外两颗行星中间。其中一颗行星的大小与木星相同,每年绕这颗恒星旋转一周的时间为650天。另一颗行星距离更远,通过最新的观测设备,科学家已确认了它的存在。这种三颗行星的组成形式非常少见。

  华盛顿肯内基研究所行星构成专家阿伦·鲍斯说:“它要比我们目前为止发现的行星距离太阳系更近。这真是个令人激动的发现。它们具有如此宝贵的数据,即使现在我仍旧非常激动。”阿伦·鲍斯没有参与此次研究工作。

  这颗恒星是由设在智利拉斯拉的欧洲南半球观测站的望远镜发现的。迄今为止,科学家在太阳系周围发现了120多颗行星,其中大多数行星都是气态的,体积与木星一般大,甚至比木星还大,而且多数旋转周期都比较短,这使得生命无法在上面生存。另外,科学家还发现了许多比土星小的行星,但它们仍旧没有现在宣布的这颗行星小。2002年,科学家发现了三颗绕中子星等恒星残骸轨道旋转的行星,它们的体积与地球差不多。然而,它们在绕不支持生命存在的暗星快速旋转时的运行轨迹非常不规则。一些天文学家并不认为这三颗行星有绕正常恒星旋转的行星那么重要。

  新发现的这颗行星质量是地球的14倍,重量与天王星差不多,绕一颗大小亮度与太阳相似的恒星旋转。专家称14倍于地球的质量大概是一颗多岩石行星的上限。但由于这颗行星距离它的主恒星过近,因此,它可能与天王星的形成历史截然不同。距离太阳系最近的四颗行星全部是多岩石的星体。

  行星形成的主要理论是,气态的星体由一个多岩石的核心构成,在形成过程中,核心随时间慢慢发展,然后在重力快速收集到大量的气体时就会到达一个倾斜点。桑托斯表示,这种理论表明新发现的行星永远都不会达到临界质量。桑托斯通过电子邮件解释说:“否则行星就不会变得越来越大。”发现这颗行星的欧洲研究小组在一份声明中说:“这个物体有可能是一颗具有多岩石核心的行星,只不过核心被少量的气体层包围,因此可以称得上是‘超级地球'。”