在别的星球：行星系、太阳和恒星的天文学描述

我们会尽可能简要地概述行星系的定义，因为本篇的目的并不在于提供关于宇宙志的完整论述。

行星受引力影响，围绕中心太阳做圆周运动；行星体积各异，在同心轨道上运行，离中心越远，轨道必然越大。在如此不平等的发展轨道上，天体运动受万有引力定律控制高速进行，其速度与距离成反比；因此某颗星球沿轨道绕一周比距日距离更远的星球用时要短，原因有两个：一、周长较短；二、公转速度更快。

除此之外，行星的轨道不是正圆形，而是椭圆形，太阳位于每个椭圆轨道的一个焦点上。轨道的椭圆率，即偏心率(1)，会导致行星距日距离产生规律性的变化，尽管只有几颗星球会受影响，我们把行星离太阳最近的位置称为近日点，反之为远日点；同样，由于距离不同，行星在每个点上的运行速度也不一样。这种不规律性会对与物理环境相关的某些现象产生影响，正如我们将会看到的每颗行星所特有的现象。考虑到行文简洁及习惯用法，我们目前仅涉及基于平均距离的一般分布情况。

现在已知的九大行星(2)如图所示依次距太阳越来越远(3)

木星是肉眼可见的最远一颗行星，在很长时间内都被视为太阳系的边界。根据上图所示数字，我们可以看出整个体系逐渐显露——首先1781年发现了天王星，继而1846年发现了海王星，最后1930年发现了冥王星。

除了这九大行星，为使定义完整，我们还需加入大量微小的天体，即小行星。肉眼是看不到小行星的，即使用最强大的机器观测，通常也只能看到些微弱的光点。小行星数量庞大，目前已经发现了1200多颗，每年这一数字都在变大。大部分小行星的轨道都聚集在火星和木星之间；最新发现的一些小行星则在偏心率很大的轨道上运动，它们交替接近、远离太阳，最近时在地球轨道内侧，最远时则在火星外侧。小行星的体积非常小（其中许多直径只有几千米），以致我们对其表面特点及物理环境仍一无所知。尽管我们对小行星颇有兴趣，但从天体力学的角度出发，我们不会于此着墨过多。

探照灯下被照亮的巴黎天文台。在这种情况下，建筑物仿佛在夜晚发光。行星也是如此，它们的光芒来自太阳的光线。本张照片上的两个圆屋顶惊人地再现了行星球体发光的条件。

等距射影情况下，行星球体的照明条件以及地球上不同的观测角度 Terre：地球 1.在地日之间的行星：在A1处，行星的明亮一面几乎全朝向地球；在A2处，只有半面明亮；在A3处，从这一角度只能看到明亮与黑暗的相交处。就这样，一颗星球便呈现出了与月球相似的连续相位。 2. 地日之外的行星：在B1处，行星垂直于太阳，我们只能隐约看到相位；在B2处，行星呈满月状，此时行星恰好处在地球的背面。

我们在此处指出的大行星和小行星的区别只在于其直径，直径决定我们是否会出于某些目的研究它们。在大部分大行星的周围，体积更小的天体或者说卫星在距离不同的位置运转，因而一条拥有几颗卫星的行星链恰似太阳系的缩影。举世闻名的月球是唯一一颗围绕地球旋转的卫星。在对星辰的探索之旅中，我们得知，某几颗行星比地球更加得天独厚，它们各自拥有好几颗“月球”，这些“月球”像我们的月亮一样运转，或多或少驱散了黑夜。

我们眼中闪耀着的行星、卫星中，有几颗有时会特别明亮，但它们本身是不会发光的。这些天体仅仅是向我们反射其表面获得的太阳的光亮，且强度与其距离或多或少成反比，正如夜晚的建筑或物体往往昏暗模糊，但在辐射灯的会聚下竟显得熠熠生辉。任何一颗行星球体只有朝向太阳的那面是明亮的。根据行星相对于地球观测点的空间位置，这个观测视角或多或少可以让我们看到行星明亮的那面——月球的连续相位缘于它在绕地旋转时呈现在我们眼中的不同状态。由于围绕光源焦点运动，行星相继运转到不同位置时，其球体就会像月球一样，显示出不同的光照相位。像这样的观察只能借助相当强大的光学仪器才能进行，因为这些行星离我们太过遥远，距离消减掉了相位变化，以至于肉眼凡胎的我们只能看到闪烁的光点，却不知其体积异常可观。与此同理，这些与地球或月球多少有些相似的天体的真正特点只有通过使用天文望远镜进行大量观察才会得到无可争议的证实。

不管行星相对于太阳和地球的位置在哪里，在我们眼中，它总是无数或明或暗的光点中的一个。在黄昏时分，古人便如此观察金星，而天文望远镜却能即时发现其相位的真正面貌。

以木星为例：深夜人眼中的木星以及天文望远镜中的一轮表面被照亮的巨大圆盘。

刚刚描述的照明条件与食也有关。食是由多个相关天体的相互运动形成的。当月球行至地球与太阳之间时，对于地球上的某些区域而言，月球完全或部分遮住了太阳，此时，地球处在月球背对太阳投下的锥形阴影里。而当情况相反——月球恰好行至与太阳相对的地球背面时，它就处在地球的阴影里而接收不到阳光，此时，如果月球上有观察者，他会认为发生了日食。这些食——日食或是月食——必定也会发生在其他拥有附属卫星的星球上；这些天文现象产生的景致不一，却格外吸引我们的注意。

行星在围绕太阳运动或受太阳牵引的同时，其自身也在进行自转，绕其母星运转的卫星情况也相同。如果我们分别观察每颗行星，就会发现它们的自转周期是不同的；由于行星的自转运动与其围绕太阳的公转运动同时进行，因此不同行星表面的昼夜长短也是不一样的。此外，各个行星自转轴的倾斜度也不一样。正因如此，地球四季交替，昼夜时长不等。由于自转轴在绕日公转期间倾斜（自转轴在太空中的方向固定不变），旋转中的地球的不同区域所直面的太阳光线也变化不定——北半球和南半球轮流成为太阳光照更多的半球。其他行星同地球一样，其球体表面按相同的顺序暴露在阳光下，但根据各个星球的情况，所造成的影响程度不一。

太阳与主要行星之间的大小对比。从上往下依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。

综上所述，太阳是我们这些星球居民的主宰。太阳不仅维持各个星球在其强大的吸引力统率下运动，还施与各星球光亮，使我们可以看见它们；这些光热以及太阳散发的其他大量辐射，还是太阳系中所有天体物质生命的保障。这样一个巨大的火炉有多重要？这正是我们将要明确指出的。

按星座排列的星星格局使古代的天文学家们联想到了神话传奇，而非星团的真正概念。很久以来，星星与神话传奇之间的联系多次被艺术性地表现在许多天体图上。尽管这些优美的表述已经废置不用，但星座的名字还在被使用着。摘自安德烈亚斯·塞拉里乌斯的《和谐大宇宙》， 阿姆斯特丹，1660年。——拉鲁斯出版社

太阳是一颗直径不小于1 391 000千米的球体，直径是地球的109倍，其体积则是地球体积的1 301 200倍(4)。这些参数均符合我们眼中的这轮光辉洒满天空的圆盘，但实际上，太阳的构成极为复杂。它耀眼的表面是阳光的来源(5)，由一层固态或液态的白炽物质组成，中心分布着密度极大的气层，气层上还有其他高温层，外延相当可观。这些外层通常是看不见的，因为透明的地球大气层会散射太阳光线，阻碍人眼观察。只有在日全食的时候我们才能饱览它们的光彩，因为当这轮耀眼的圆盘被不透明的月球遮住时，其外围会被清晰地辨认出。所有这些区域会周期性发生多种多样的重大奇观，很快我们将一一描述。

太阳系平面图。冥王星的轨道比海王星的更远，并未出现在图上。 Neptune：海王星 Uranus：天王星 Saturne：土星 Jupiiter：木星 Mars：火星 Terre：地球 Venus：金星 Mercure：水星

在太阳的发光表面，即光球层上，一些表面暗淡的斑点（与肉眼难以承受的普遍亮度对比的结果）不断生成、变化、消失。有时斑点范围非常广，肉眼也能看到。这些人眼中的太阳圆盘上的黑点，在天文望远镜中显得非常奇特，呈涡流状，范围可达数千千米。我们还会看到大片有着奇怪分叉的更加明亮的区域，我们称之为太阳耀斑。与太阳表面这些扰乱现象有关的是，在比光球层更高一层的色球层上相应显示出了许多规模毫不逊色的意外事件——涌现出神奇的瑰色火焰，喷发出气体或金属蒸汽，这些被统称为日珥。外层就是大气层(6)，表面光芒四射，瑰丽异常。

以上的简短描述仅仅旨在强调中心天体——太阳的特点及其重要性，这对我们而言已经足够为接下来的篇章做铺垫。通过将这些资料与我们从地球上看到的结果相比较，我们可以理解太阳是如何被其他远近距离如此不同的行星所看到，或者说所感知到。事实上，我们在上文中已经了解到当前太阳系的已知范围发展到了何种程度。(www.xing528.com)

肉眼看到的天上星星的数量（上）与天文望远镜中的数量（下）的对比。由于星辰的规模必然庞大，为展示其丰富性，下图仅涉及上图树上的星群。

肉眼看到的银河

现在，让我们来试着理解太阳系在可见宇宙中的地位，也就是我们称之为étoile(7)的所有汇聚在太空中的天体的地位。让我们澄清一下什么是étoile。首先要注意的是，在通用语中，这个词被不加区别地用来指代天空中的所有星点；事实上，从简单的视觉上来说，行星呈现出的就是这样按距离成比例缩减的光点，只有通过其运动才能识破它们的本质。另外，我们已经知道，除了通过运动可以将行星辨认出，还有一点，它们的光辉实际来自太阳，因此我们绝不能将行星与真正的étoile混淆。étoile位置固定，且像我们的太阳一样自身可以发光，因此我们可以无区别地说étoile就是恒星，恒星就是别的“太阳”。但是不管这些恒星有多强大，任何天文望远仪器都不能像我们窥测太阳那样，将这些天体展现在我们眼前——它们的形象永远都是缩减过的闪烁的星点，而没有可感知的大小。这正是其距离遥不可及的证据。确实，我们与这些恒星相隔如此遥远，以至于大部分的距地距离我们都无法确切估算。诚然，对于太空中一些不太远的恒星的距地距离，现代测量手段以其精确度做到这一点还有些许可能，但对剩下的绝大多数，我们不得不采用各种手段进行我们不敢肯定的一般估量。有关距离，我们最近的“邻居们”的报告足具说服力：目前已知距太阳最近的恒星距我们不少于35万亿千米(8)，还有几颗恒星不算太远，但之后我们要面对的距离则以十倍、百倍、千倍、数千倍计……乍一看我们就遇到了困难：如何用千米为单位列举出这些距离。正因如此，我们更欣赏根据光线抵达视线所需的时间来评估这些距离所代表的无限性。众所周知，光以每秒300 000千米(9)打败了所有速度纪录，而光线从距我们最近的恒星出发，要经过近4年才能抵达我们的视线。既然人们认为恒星的光线会用几百、数千甚至百万年的时间来跨越分隔我们彼此的太空，那么我们就能够估计其他天体与地球之间难以置信的距离，甚至包括得靠强大的现代观测手段才能揭示其存在的最遥远的恒星与地球的距离。在所有天体中，我们要着重指出星云——这个名字足以让我们联想到它的外观。然而，在这整体呈云状的相同外观之下，个体千差万别，而形状也或变幻莫测，或规律整齐。其一部分是真正的气团，另一部分则是因距离遥远才显得密集的星云，看上去就像乳白色的光斑；大部分星云的布局都很特殊，十分引人注目。

可以看见的恒星数以几十亿计；所有这些恒星，包括太阳在内，都是同一个巨大集团的组成部分，我们将其命名为银河系。基于数量、距离和整体布局，我们看到的恒星分布决定了星座的图案，形成了美妙的银河。这一景象是由不计其数的恒星沿着某一方向积聚而成的。在银河边际的遥远彼方，存在旋涡星系等其他星系。

天鹰座与人马座之间的部分银河摄影。

旋涡星云。M.101星云，摄于威尔逊山天文台（加利福尼亚）。

那么太阳系在哪儿，它在银河系中的地位如何呢？事实上，它的位置并不特殊，也无甚重要。它就像一个平淡无奇的简单天体混入然后遗失在了茫茫星海中。许多比它更大、更亮、更热的其他“太阳”也同样没有什么特殊地位。

至于关于它们的相互位置、特点以及质量等问题，我们可以肯定，诚然，这涉及另一个主题，且相关观察还未有进展。我们的太阳与其他恒星完全一样吗？后者也是某个行星系的中心吗？我们尚不能亲眼证实这一点，因为如果我们认为由于距离，这些恒星只能被看作无法感知其表面大小的光点，那么可以想象的是，我们也绝不可能区分出更小更暗淡的附属行星。因此，只有通过逻辑推理，我们才能设想其他行星系或多或少类似我们的太阳系。

让我们回到最后一个问题上来。尽管与我们相比，太阳无比巨大，但对于周围的宇宙而言，它是微不足道的，由最远的海王星、冥王星轨道环抱着的它的全部范围也无足轻重。我们估计：如果用一张地图来表现太阳系的规模，设太阳直径为1厘米，地球轨道则距中心1米，海王星轨道距太阳30米，冥王星远日点（轨道偏心率非常大）距日49米，那么为了在这张地图上标出最近的恒星，我们不得不移到230千米之外！

因此，相对于恒星，太阳系中的行星可以被看作挨挨挤挤生活在偏僻小角落里的同一个家庭的成员。然而，从我们栖身观察天象的地球来看，这些行星却是无比遥远，距离我们数百万千米。如被观察到的那样，它们显得各不相同，一些实际上非常庞大的行星在我们眼中却比距离更近的行星还要渺小。长久以来，距离障碍仿佛一道不可逾越的天堑，阻碍人类深入了解其他星球的秘密。如何使用天文科学的人力物资才能跨越这一障碍呢？这就是我们将要进行的研究。

(1) 椭圆率，也称偏心率、离心率，此数据越大，表明行星的轨道越扁。

(2) 现为八大行星。2006年8月24日，国际天文联合会重新定义“行星”这个名词后，冥王星从大行星（有足够的质量使本身形状为球体且有能力清空轨道附近区域的小天体的行星）变成了矮行星（未能清空轨道附近区域的小天体的行星）。

(3) 按照国际天文联合会在1979年制定并使用的天文学单位，以太阳-地球间的日地平均距离（149 597 870 700米，一般取149 600 000千米或用约1.5亿千米表示）为一个天文单位，天文时间单位为1个地球日，即86 400秒，现八大行星和冥王星的平均距日距离、公转周期根据美国国家航空航天局（英文简称：NASA）的数据在表格中相应位置的括号里显示。

(4) 根据NASA的数据，太阳平均直径864 000英里，即1 392 000千米，地球直径12 742千米，太阳直径为地球直径的109倍，体积为地球的1 301 019倍。（https://solarsystem.nasa.gov/）

(5) 太阳大气层从里向外分为光球层、色球层和日冕层，如今天文学界认为地球接收到的太阳能量（即我们所说的阳光）基本上来自太阳大气层底层厚约500千米的光球层。

(6) 即日冕层。

(7) 法语，即星星，恒星。——译者注。

(8) 距离太阳最近的恒星是位于半人马座的半人马座α星C，也叫比邻星，距太阳4.22光年，约39万亿千米。

(9) 现在光速一般精确为每秒299 792.458千米。