认识今天的太阳系|太阳系简史|太阳、行星、特征

我们先来认识一下今天的太阳系。太阳位于太阳系的中心，它的质量是太阳系总质量的99.8%。它的直径约等于1400000千米，相当于地球直径的109倍，远远大于任何一颗行星。太阳只是银河系中一颗普通的恒星，但“普通”和“平均”的含义可不一样——无论从亮度还是质量上来说，它都大大超过银河系中90%的恒星。太阳的寿命约等于100亿年，至今已经过去快一半，它目前正处于稳定而旺盛的中年期。太阳还有几个比较显著的特点。有些恒星具有多变性、特殊的成分和强大的磁场，这些特性太阳统统都没有，这对于地球上的生命来说是一件好事：恒星的稳定性和可预测性可以为生命的繁衍生息提供良好的环境。

太阳的平均密度接近于水，但是它的绝大部分成分是比水还要轻的氢和氦，氢和氦由于太阳引力而紧紧挨在一起。这两种化学元素占太阳成分的98%，其余的2%为其他物质，这样的配比广泛存在于大多数恒星中，也是恒星的重要特征之一。太阳与其他恒星一样由等离子体组成，等离子体是太阳内部一种温度高达数百万摄氏度的带电气体。太阳核心的核反应释放出源源不断的能量，使太阳持续发光，而太阳光是地球以及太阳系其他行星的一个重要热源。

太阳占据太阳系的绝大部分质量，它的强大引力主宰着太阳系其他天体的一举一动。太阳所处的位置接近太阳系的正中心，其他天体都绕着它公转。奇怪的是，太阳的质量如此之大，但它的角动量，也就是转动的惯性却只占了太阳系的2%。太阳的自转速度极慢，自转一圈大概需要一个月。它的组成物质是流动的，不同圈层的自转速度各不相同。推动整个太阳系自转的大部分能量来自绕太阳运行的行星，这一点曾困扰了科学家很长一段时间，而且对太阳系形成学说也产生了深远的影响，这个问题我们会在第3章中讨论。

围绕太阳公转的大行星一共有8个。从太阳的北极点俯瞰，八大行星均按照椭圆轨道逆时针方向绕日公转。它们的公转轨道几乎（但不完全）位于同一个平面上，看上去就像放在同一张桌面上的几个同心圆环一样（见图1-1）。除水星和火星以外，其他6颗大行星的轨道都非常接近圆形，水星和火星的轨道相对比较狭长，用数学术语来说就是轨道偏心率较大。火星轨道的偏心率是帮助早期天文学家了解各行星运动的一个重要线索，这点会在第2章中展开。

图1-1　太阳系各大行星分布图。图中各大行星的运行轨迹近似按比例绘制

天文单位（astronomical unit，简称AU）是测量太阳系内天体间距离的有力工具，它等于地球与太阳的平均距离，即一个天文单位约等于150000000千米。^[1]太阳系最远的大行星距离太阳约30天文单位。太阳系行星所覆盖的区域根据距离太阳的远近被分为两个部分，其中距离太阳2天文单位以内的4颗行星被称为内行星。内行星的体积相对来说比较小，由于具有固态表面以及与地球相似的结构、成分，故又被称作类地行星。

另外4颗外行星散布在距离太阳5～30天文单位的宇宙空间内。外行星比类地行星要大得多，又被称为巨行星。比如，八大行星中最大的木星是地球质量的300多倍。和类地行星颇为不同的是，巨行星由多层气体和液体构成，没有固态表面。

每颗巨行星的周围都有一个行星环和很多颗卫星。土星环是太阳系所有行星环中最壮丽的一个，由大量纯水冰颗粒物构成，这些颗粒物大则数米，小如微尘。木星、天王星和海王星的行星环相比而言则更暗淡、细瘦一些。截至本书英文版出版时，天文学家已经在4颗巨行星附近发现了168颗卫星，未来必定还会发现更多。与巨行星形成鲜明对比的是：内行星总共只有3颗卫星，分别是地球的卫星月球和火星的两颗小卫星火卫一和火卫二。类地行星无一拥有行星环。

在正式开始讨论小行星、彗星和其他太阳系天体前，我们不妨先来了解一下天文学家是如何辨别不同天体的。天体的分类方法有很多，例如，可以根据它们在望远镜下呈现的形状（球形或不规则形状）、成分（岩石或冰）、外观（像彗星一样模糊或只有一个亮点），或者根据它们轨道的性质来进行划分。主流观点认为体积是最主要的考虑因素：体积比恒星小但大于其他天体的为行星。那么问题来了：行星到底有多大？太阳系中绕日公转的天体有数十亿颗之多，其中最大的为木星，其直径是地球的11倍，而最小的只有尘埃般大小，要用显微镜才能看到。在对天体进行分类时，性质并不在考虑范围中。在很大程度上，大小行星之间的分界线比较随心所欲，好比河流和小溪之间的区分。

表1-1　八大行星部分特征一览表

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按照当前的习惯说法，目前太阳系中共有8颗大行星。冥王星曾经也属于大行星家族的一员，但由于它更像外太阳系天体，天文学家后来将其从大行星行列中除名，并划入其他分类。不过众口难调，冥王星的地位一直备受争议。美国天文学家查尔斯·科瓦尔（Charles Kowal）在其1988年出版的一本有关小行星的著作中提出了如何界定行星的问题，这在当时来说非常具有前瞻性。谷神星（Ceres）是目前已知的最大的小行星，它的直径为952千米，而冥王星的直径大于2300千米，当时冥王星还属于大行星行列。科瓦尔在书中提出了这样一个问题：“如果我们以后发现直径超过1500千米的天体，我们应该怎么称呼它们？是叫小行星，还是行星？我可以拍着胸脯说，不到最后关头，天文学家是不会回答的！”这一点还真让他说中了。

2003年，终于到了不得不回答这个问题的时候了。天文学家发现海王星轨道以外有4颗绕日公转的大天体，其中的3颗分别为鸟神星（Makemake）、妊神星（Haumea）和塞德娜（Sedna）。还有一颗是阋神星（Eris），阋神星的大小和冥王星不相上下，但质量却比冥王星大27%。如果说冥王星是行星的话，那阋神星理所当然也属于行星。那另外3颗呢？难道也都属于行星吗？要是以后再发现其他大天体呢？行星的数量岂不是很快就会达到20、50，乃至1000了？所以，到了该重新思考这个问题的时候了。国际天文学联合会（International Astronomical Union，简称IAU）经过投票，决定设立“矮行星”这一天体类型，但此举也颇有争议。冥王星、阋神星和小行星谷神星成了矮行星家族的第一批成员，曾经位居大行星行列的冥王星如今已被重新定义为小行星（编号：134340），于是，大行星的数量缩减为8个。

截至2012年，只有5个天体被归入矮行星的行列。而茫茫宇宙之中，已经确定的既非行星也非矮行星或卫星的天体仍然有数千个之多。IAU将这些天体统称为“太阳系小天体”，再往下它们还可以细分为彗星（偶尔带有朦胧的彗发和彗尾的一类冰冻天体）和小行星（从地球上看呈一个光点的岩质天体）。英语中的“minor planet”和“asteroid”皆有小行星之意，但现实中绝大多数人都只用后一个词来称呼小型岩质天体。

太阳系中类地行星与巨行星之间存在着一个主小行星带。目前，天文学家已经在太阳系中发现了超过30万颗小行星，绝大多数都分布在距离太阳2.1～3.3天文单位的空间里。今天，小行星家族仍在以每月几百颗的速度不断壮大着。从特写照片来看，小行星和行星有着截然不同的外观：大部分小行星呈椭圆形或者不规则的形状，而且表面一般有山脉、巨石和火山口。尽管小行星的数量庞大，但它们的质量总和相对而言并不算大。如果将所有已知的小行星组成一个天体的话，它的质量其实还没有地球的卫星月球大。

太阳系的绝大多数小行星都位于火星与木星之间的一条主小行星带上，也有一小部分散落在更远的空间。爱神星（Eros）是一颗穿过火星轨道的小行星，它在1931年来到距离地球不到23000000千米的地方，这个距离约等于地球和金星最近距离的一半。另外，还有一颗叫作希达尔戈（Hidalgo）的小行星，它的运动轨迹呈一个极度扁长的椭圆形，极大的偏心率决定了希达尔戈最远甚至能到达土星之外。还有一些小行星甚至还会穿过地球轨道，其中的少数最终会以撞向地球的方式结束它们的生命。在木星公转轨道前后各60度的宇宙空间里，还存在着两个较大的小行星群，叫作特洛伊群（Trojans）。特洛伊群在木星的轨道上运行，且速度和木星的公转速度一致。天文学家最近又发现了多颗类似特洛伊群的小行星，有些在火星的轨道上运行，有些则在海王星的轨道上运行。

海王星轨道以外也分布着一个绕日运行的小行星带。这一地带被称为柯伊伯带（Kuiper belt），冥王星和阋神星就位于此带中。过去20年间，科学家们已经在这里发现了数百个天体，但这也许只是冰山一角，因为柯伊伯带的质量很可能比主小行星带大得多。为了将它们与“小行星”（指内太阳系中绕日运行的小天体）加以区分，天文学家通常把在海王星轨道以外围绕太阳运行的天体统称为柯伊伯带天体或海外天体（指海王星之外的天体）。

迄今为止，可近距离观看到的彗星屈指可数。虽然彗星看上去和小行星相差不多，但它们的主要成分是冰和岩石尘埃。低温时，彗星处于休眠状态，但是在运行到离太阳只有几个天文单位时，彗星表面的冰开始蒸发，释放出的气体将尘埃粒子吹离表面。这些气体和尘埃在彗核周围积累，形成了一个巨大而朦胧的云状物，这个云状物叫作彗发，彗发飘入太空后形成了稀薄的彗尾。彗尾分为气体彗尾和尘埃彗尾两条，长度可达数百万千米。

由于小行星带和太阳之间仅相隔数个天文单位，一直以来天文学家都认为小行星上不存在冰。1996年，一颗名为埃尔斯特-皮萨罗（Elst-Pizarro）的小行星在经过其公转轨道的近日点时，身后拖着一条和彗星一样的尾巴（见图1-2），这一发现让许多人大跌眼镜。同样的事情于2001年和2007年再次发生。今天，埃尔斯特-皮萨罗已同时位居彗星和行星的行列。像这种同时具备彗星和小行星特征的天体，小行星带外部还有几颗。这些天体上显然有很多冰，当温度达到足够高时，部分冰就会蒸发。日前，有人在司理星（Themis）表面探测到有冰状沉积物的存在，司理星是太阳系主小行星带中最大的小行星之一。也许其他小行星内部也有冰，只是它们表面的岩石尘埃层使内部的冰避免了阳光的照射。显然，小行星与彗星之间的界线并非天文学家曾认为的那般泾渭分明。

图1-2　埃尔斯特-皮萨罗彗星。该图片由欧洲南方天文台（简称ESO）天文学家吉多·皮萨罗（Guido Pizarro）于1996年8月7日拍摄。根据该图片及同年同月拍摄到的后续图片，天文学家埃里克·W.埃尔斯特（Eric W.Elst）得出结论，认为该彗星与1979年7月24日发现的代号为1979 OW7的小行星实际上为同一天体，它在1979年被首次发现时并未携带彗尾（图片来源：ESO）

绝大部分彗星的轨道都呈一个被极度拉长的椭圆形，从海王星轨道外运行至内太阳系后再回到原位。其中有几百颗彗星的轨道由于受到木星强大的引力牵引而变小，大部分都在木星轨道附近运行。这些“木星族彗星”大多已绕日运行了多圈，亮度也已经黯淡不少。与之相比，大部分彗星的轨道要大得多，公转周期从几千年到几百万年不等。科学家通过跟踪“长周期”彗星过去的轨道运行情况发现，它们来自一个距离太阳非常遥远的“大冰窖”。那是一个被称作“奥尔特云”（Oort cloud）的球形云团，里面布满了彗星，距离太阳20000～50000天文单位远，这里才是太阳系真正的尽头。