太阳系简史：行星形成与系外行星的发现

现在我们知道，太阳系中的每个天体都具有一个独特的身份，这个身份反映了它们在太阳系历史中的形成和演变情况。宇宙的历史被镌刻在了天体的成分、构造和轨道三大要素中。要解读这些线索，从中推算太阳系的演化史，需要大量的勘测工作，而且还牵涉多个科学学科，包括物理学、化学、地质学和天文学。在正式进入主题前，我们先来简单介绍一下本书将反复提及的几个重要科学原理和实用技术。

加热和冷却效应是本书会反复提到的原理之一。众所周知，生物体对于温度的变化极其敏感。其实，行星物质在被加热或冷却时，同样也会出现剧烈的反应，而且这类反应通常是永久性的。举个例子，假设有一颗岩质行星，由于受到小行星的撞击，或者内部的放射性物质发生衰变而升温，随着温度的升高，行星表面的岩石开始熔化。如果熔岩的比例足够大的话，那么密度较大的物质（如铁元素）就会下沉到行星的核心，而密度小的物质则会上浮。随着热源消失，行星冷却凝固后形成了新的岩石。岩石里面会生成各种矿物，矿物的种类取决于多个因素，包括当时的温度、压力、岩石的冷却速度和行星是否分层等。这些信息可以保存长达几十亿年，因此，今日的科学家可以通过研究这些岩石了解到这些信息。

迄今为止，航天器仅仅在太阳系内的几个天体上成功着陆，而对于系外天体仍然鞭长莫及。但没关系，通过远距离观察、航天器掠拍或者在地球上用望远镜遥望星空，我们同样可以了解系外天体的成分。恒星、行星或者其他天体所发出或反射回来的光可以被分成不同的颜色，形成光谱。恒星光谱中通常含有几千条暗线，这些暗线叫作“光谱线”，它们反映了恒星的大气层中各种化学元素的原子对光的吸收情况，不同原子吸收不同波长的光。吸光量和元素的丰度有关，因此我们可以利用太阳光的谱线检测太阳的组成成分。然而，行星和小行星的光谱则不易解读，因为行星和小行星上含有的分子和矿物的吸收宽度比恒星中的原子更大，也更复杂。但一般情况下，我们还是可以从它们的光谱中获知大量信息。这种分析法也同样适用于对光谱的不可见光区，如红外光的分析。

放射性是本书的另一个核心概念。天然放射性元素自带计时功能，对于解密过去发生的事发挥着极大的作用。从它们构成矿物、生物体乃至整个太阳系的那一刻起，放射性物质的计时开关就已被激活。之后它们的放射性开始以一种可预见的速度衰减，到了一定时间，它们的放射强度会减至原来的一半，这个时间被称为“半衰期”，半衰期的长短因不同的放射性物质而异。放射性强度在两个半衰期后减至原来的1/4，在3个半衰期后减至原来的1/8，以此类推。

放射性元素在衰变时通常会转变为物理及化学性质都极为不同的另一种元素，这也使得衰变过程极易分辨。只要检测出天体中放射性物质的剩余含量和分布情况，科学家便可推算出天体的形成年代（详见第4章）。就算放射性物质已经消耗殆尽，一般情况下，我们依然可以根据其衰变产物的分布情况窥探天体的过去。这一技术叫作放射性同位素计年法，只要样本中放射性物质的半衰期合适，而且其含量可以测量，就可以用它来测定从数百年前到数十亿年前的样本。该计年法不仅可以被考古学家用来研究古埃及木棺，也有助于天文学家测定月球岩石的年龄。

科学家在还原过去时还会用到另一种手段，那就是数值模拟。要是时光可以倒流，我们就可以亲眼见证太阳系的形成和演化过程。这在过去当然是痴人说梦。但是现在，借助计算机模拟——一种可以模拟太阳系及其天体的虚拟现实技术，就可以近似地再现太阳系过去的景象。这种计算机模拟包含一系列数学方程式，可以将已知的物理定律和实验室测得的物质性质，以及太阳系在某一时刻的状况代入进去。(www.xing528.com)

开始时，我们可以先用牛顿万有引力定律创建一个比较简单的模型，只要输入行星的位置、运动速度和方向，就可以计算出行星在未来100年的运动情况。再复杂一点儿的模型还可以模拟出天体相互撞击的场景，计算出它们的热力学和化学性质随时间的变化情况。这种建模技术颠覆了我们以往在探索太阳系形成与演化时的思路，科学家可以借助这种绝妙的方法对比较复杂的理论进行检验和完善。建模技术特别适合于那些无法在实验室开展的研究，比如研究两个行星大小天体之间的碰撞或某些物质在数百万年里的变化情况。不过，模型只有依赖我们输入的数据，才能让观测和实验得到的信息开口说话，它永远也无法取代这两项工作。以我们目前的水平来看，要发明出一台能够准确告诉我们过去真相的计算机，还有很长的路要走。

天文学家还可以通过研究其他形成时间比地球晚的恒星和行星系，从侧面了解太阳系的过去。这并不是说它们和太阳系一模一样，而是说，观测年轻行星系在不同阶段的发展情况，有助于我们了解行星系的形成和演化过程。

许多新生恒星都笼罩着一团盘状的尘埃气体云，那里似乎就是行星的摇篮。在对它们的大小、结构和成分进行详细测量后，天文学家还原了太阳系形成时的场景。我们史无前例地还得到了完全成形的行星系样本，并对之进行研究。1992年，天文学家亚历山大·沃尔什恰恩（Alexander Wolszczan）和天文学家戴尔·弗赖尔（Dale Frail）共同发现，一颗脉冲星附近有两颗行星在围绕着它运动，脉冲星指高速旋转的死亡恒星。3年后，米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）宣布，他们共同发现了环绕普通类太阳恒星“飞马座51”运行的一颗行星。截至2012年年底，宇宙中探明的拥有行星的恒星已经超过500颗，其中60多颗有2颗或2颗以上的行星环绕。而已发现的系外行星总数也已经超过800颗，且还在快速增长中。目前仍然在役的系外行星探测器“开普勒”的探测结果显示，宇宙中可能拥有行星的恒星超过2000颗，下一步它将对这些“候选恒星”进行确认和排除。

许多系外行星和木星一样，因为都是巨型的气态行星，所以无法形成生命；或者由于离恒星过近，温度太高，也无法形成生命。然而，这和天文学家的观测方式也有关系，因为那些离恒星近且体积大的行星自然是最容易被发现的。而随着科技的进步，情况也在发生着日新月异的变化。今天，天文学家已经开始寻找那些无论是大小还是其他方面都可能和地球相似的行星。

系外行星的发现意味着科学家的研究范围不再局限于我们所在的行星系，目前，可供研究的行星系已经增加为几百个。我们可以通过其他行星系的特征了解太阳系的形成与演化情况。比如某些恒星附近有行星环绕，但这些行星却不大可能在此产生，于是我们知道，原来行星形成后还可以迁移到很远的地方。目前，科学家们已经开始着手研究太阳系行星在形成后是否同样发生过这种大范围的迁移，详见第9章和第14章。