你應(yīng)該知道的太陽系

文/ 李鑒

太陽系是我們的家園，也是我們探索宇宙的第一站。在認(rèn)識(shí)宇宙的漫長歷程中，從史前人類到2000多年前的古希臘先哲，再到17世紀(jì)的開普勒、牛頓等科學(xué)巨匠，我們對宇宙的幾乎所有探索都集中在太陽系的日月行星等天體上。直到18世紀(jì)早期，人們才真正開始關(guān)注太陽系以外的諸如恒星等天體。可以說，探索太陽系獨(dú)占了人類文明史95%以上的時(shí)間！并且這種探索直到今天仍在繼續(xù)。

特別值得一提的是，1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星，太空時(shí)代拉開序幕。此后人們發(fā)射了許多無人探測器造訪太陽系的各類天體，并且在觀測和理論上取得了長足的進(jìn)步。今天的我們是很幸運(yùn)的，普通人對太陽系的了解，可能比60年前的任何一位科學(xué)家都多。當(dāng)然，我們知道的也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

太陽系的成員

現(xiàn)在我們知道，太陽系由太陽和許多較小的天體組成。太陽是太陽系的絕對主宰，它的質(zhì)量占整個(gè)太陽系的99.8%以上。其他那些天體，根據(jù)物理性質(zhì)和軌道特征，被天文學(xué)家分成了三類：

第一類是行星，例如大家都知道的金星、土星等，行星系統(tǒng)往往還包括它們的衛(wèi)星、光環(huán)等。第二類是矮行星，例如我們熟知的冥王星，有的矮行星系統(tǒng)也有衛(wèi)星、光環(huán)等。第三類是太陽系小天體，包括小行星、彗星、流星體以及各種太陽風(fēng)粒子、塵埃等等。

這三類天體最大的不同體現(xiàn)在質(zhì)量上。

行星的質(zhì)量至少是矮行星的幾十倍以上，例如最小的行星水星，質(zhì)量是最大的矮行星冥王星的25倍，地球質(zhì)量則是冥王星的400多倍。像木衛(wèi)三、月球這樣的大衛(wèi)星，質(zhì)量也是矮行星的好幾倍。

矮行星的質(zhì)量至少是太陽系小天體的幾倍以上。例如灶神星是已知最大的太陽系小天體，而它的質(zhì)量只有矮行星冥王星的1/50。

這種大小的比較，能告訴我們一些關(guān)于這些天體形成的信息。

行星：太陽系里的“大佬”

行星可以說是太陽系里的大佬。根據(jù)理論研究與觀測實(shí)際，天文學(xué)家給行星下了一個(gè)定義，它需要滿足以下3個(gè)條件：

▲ 行星、矮行星、太陽系小天體的大小比較示意圖

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天文單位

在太陽系這個(gè)尺度上，我們?nèi)粘Ｉ钪械拿?、公里等單位就顯得太小了。例如，地球到月球的距離是38萬公里，地球到土星的距離最近差不多是12.75億公里。這樣用起來就顯得比較啰嗦，計(jì)算也不方便。

因此天文學(xué)家用日地的平均距離作為基數(shù)，規(guī)定了一個(gè)距離單位，稱為“天文單位”。天文單位的大小，就等于日地平均距離，也就是差不多1.5億公里。這樣土星離地球最近的距離是8.5個(gè)天文單位，比起12.75億公里這個(gè)數(shù)字，就要簡潔多了。

天文單位是描述太陽系天體距離最常用的單位。我們以后會(huì)經(jīng)常碰到。

表1：太陽系典型天體到太陽的軌道半長徑，單位為天文單位

▲ 用身體類比太陽系行星的位置

1.圍繞太陽公轉(zhuǎn)。這一點(diǎn)太陽系絕大多數(shù)天體都滿足。

2.形狀是球形。而且是因?yàn)橘|(zhì)量足夠大而使得自身成為球形，像鵝卵石、玻璃球這樣的小物體，是外力把它們塑造成了球形，而不是由于自身引力夠大而形成的球形，這些物體不滿足這一條。而像地球這么大的行星，就算把它劈成兩半，這兩塊仍然會(huì)各自成為一個(gè)球形，就是因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量仍然足夠大。

3.獨(dú)占軌道。即已經(jīng)清除了其軌道上不圍繞它運(yùn)行的其他天體。這是行星與矮行星的重要區(qū)別。

按照這三條，太陽系只有8顆行星,離太陽由近及遠(yuǎn)依次為：水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星。它們到太陽的距離可參考表1，其中的距離為天文單位。為便于記憶，表中第三行給出了取整后的大約數(shù)。

更進(jìn)一步，我們可以用自己的身體類比行星的位置。把手臂張開伸平，用右手中指的指尖代表太陽的位置，左為太陽系的起點(diǎn)，如果用中指第一個(gè)指關(guān)節(jié)代表水星的位置，那么金星差不多就正好在第二個(gè)指關(guān)節(jié)處，地球在中指指根處。整個(gè)中指的長度就代表了一個(gè)天文單位。按照這個(gè)比例，對照一下表格，我們發(fā)現(xiàn)火星正好位于手掌心，木星在肘窩，土星在喉嚨，天王星差不多在左手指尖。再伸長一個(gè)胳膊的距離，就是海王星，這張圖里沒有畫出。如果我們把左胳膊下垂，那么從指尖到腳底的距離差不多正好等于胳膊的長度，這時(shí)海王星差不多就在腳掌處。

行星之間差別極大。最大的是木星，它的直徑是最小的水星的30多倍。水星、金星、地球、火星相對較小，都是巖質(zhì)行星，稱為類地行星。木星、土星、天王星、海王星都比較大，屬于氣態(tài)巨行星，也稱為類木行星。

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宜居帶

特別值得一提的是我們地球所處的位置。如圖所示，圖中橫坐標(biāo)是行星的位置，越往右距離太陽越遠(yuǎn)，溫度也就越低?？v坐標(biāo)是中央恒星的大小，太陽為1。圖中這條藍(lán)色的曲線，稱為“宜居帶”，也就是恒星周圍能夠保持液態(tài)水存在的區(qū)域。

圖中的太陽和8顆行星，只有我們地球位于太陽的宜居帶里，溫度不冷不熱。金星更近，接收到的太陽熱量是地球的1.9倍。加上它的大氣濃密而且充滿了溫室氣體，平均溫度竟然高達(dá)460度！火星比地球遠(yuǎn)50%，接收到的太陽熱量只有地球的43%，表面平均溫度大約只有-20攝氏度。整個(gè)太陽系中只有地球的表面可以維持液態(tài)水的存在，讓生命的誕生和棲息成為可能。這也是我們地球最得天獨(dú)厚之處。

表2列出了行星的尺寸，取整后的大概數(shù)也是很容易記憶的

▲ 用手掌類比行星的大小。如果以大拇指指甲蓋表示地球的大小，水星差不多只有小拇指指甲蓋的一半

巧合的是，我們身體和手掌也幾乎可以分毫不差地來類比行星的相對大小。

用大拇指指甲蓋代表地球和金星的大小，那么火星的大小就和小拇指指甲蓋相當(dāng)，略小一點(diǎn)兒。水星的大小只有小拇指指甲蓋的一半。天王星與海王星的直徑，大概等于中指的長度。土星的直徑大約為1手掌長，木星和它相當(dāng)，只略大一點(diǎn)兒。太陽的直徑是地球的110倍，按照這個(gè)比例，它差不多與我們的身高相當(dāng)。

根據(jù)這個(gè)類比，大家可以很容易地發(fā)現(xiàn)，地球比木星的大紅斑還小，也不如稍微大一點(diǎn)兒的太陽黑子大。

行星的質(zhì)量順序，基本上和大小順序相同。個(gè)頭越大的，質(zhì)量也越大。只有天王星和海王星有點(diǎn)例外，不過這倆差別很小，大小和質(zhì)量基本上都一樣。個(gè)頭最大的木星質(zhì)量也最大，而且是碾壓其他行星，它是另外7顆行星總質(zhì)量的兩倍還多。所以人們常稱它為“行星之王”。

▲ 已確認(rèn)的5顆矮行星中，鳥神星、妊神星、鬩神星、冥王星都位于柯伊伯帶，只有谷神星位于小行星帶。左邊4顆是尚未完全確定大小和尺寸的矮行星候選體

▲ 柯伊伯帶示意圖。這是以一位名叫柯伊伯的天文學(xué)家的名字命名的，他曾在1951年推測存在這樣的區(qū)域

▲ 小行星帶和特洛伊型小行星的位置示意圖。按照本文介紹的行星距離類比法，它的范圍差不多從手腕到再往外一個(gè)中指的距離處

“郊區(qū)”冰世界：矮行星與柯伊伯帶

介紹完行星的基本情況，我們接著來看看矮行星。

矮行星的定義有3條，前面兩條和行星一樣：也是圍繞太陽公轉(zhuǎn)，質(zhì)量足夠大而呈近似的球形，但是第三點(diǎn)不同，它不像行星那樣獨(dú)占軌道，而是在公轉(zhuǎn)軌道范圍內(nèi)有和它大小相當(dāng)?shù)泥従?。矮行星最著名的代表，就是冥王星?/p>

它們的特點(diǎn)，首先是質(zhì)量比行星小，差距有幾十倍到幾百倍；其次是位置遠(yuǎn)，矮行星的軌道在海王星之外，屬于太陽系的“郊區(qū)”了；第三，它們的成分和行星不同，既不是巖石也不是氣態(tài)，它們是冰質(zhì)天體，主要成分為水冰、二氧化碳冰、一氧化碳冰、甲烷冰以及硅酸鹽等。它們的密度比巖質(zhì)行星小，比氣態(tài)行星略大一些。

因?yàn)樗鼈兙嚯x太遠(yuǎn)，很難觀測，目前為止，人們確認(rèn)的矮行星只有5顆。就是圖片中間的4顆，再加上谷神星。谷神星位于小行星帶，是一顆小行星，不過它的冰物質(zhì)含量比一般的小行星高不少。它也滿足矮行星的定義，按照定義屬于矮行星。

順便說一句，矮行星這個(gè)定義是2006年將冥王星降級時(shí)提出的，到現(xiàn)在還有些爭議，有天文學(xué)家認(rèn)為定義的第三條比較含糊。隨著研究的深入，今后說不定還會(huì)修正或補(bǔ)充。

矮行星的聚集地，主要是30個(gè)天文單位以外一個(gè)名叫“柯伊伯帶”的地方?？乱敛畮У男螤钕褚粋€(gè)以太陽為中心的甜甜圈，包括的范圍主要是離太陽30 AU ～50AU之間，也有一部分延伸至上千個(gè)天文單位。

柯伊伯帶里的天體，主要有兩類：一是矮行星與類冥天體（即和冥王星類似的矮行星），雖然現(xiàn)在只確認(rèn)了5顆矮行星，不過天文學(xué)家估計(jì)，這里的矮行星數(shù)目可能高達(dá)上萬顆。二是冰質(zhì)的太陽系小天體，它們質(zhì)量更小，也不再是球形，已發(fā)現(xiàn)近2000個(gè)。天文學(xué)家粗略估計(jì)直徑大于100公里的這類天體可能超過35000個(gè)。

▲ 太陽系“全家?！薄膬?nèi)往外，依次是行星、柯伊伯帶（矮行星和冰物質(zhì)聚集地）、奧爾特云（彗星“倉庫”）。天體的個(gè)頭從大到小，但是數(shù)量則是從少到多。行星只有8顆，矮行星可能有成千上萬顆，彗星則可能有幾萬億顆

太陽系小天體：太陽系里的“邊角料”

第三類天體：太陽系小天體，主要包括小行星、彗星、流星體、星際塵埃等等。它們有幾個(gè)共同的特點(diǎn)。

1.個(gè)頭小。以小行星為例，已發(fā)現(xiàn)的100多萬顆小行星里，只有15顆直徑超過300公里。質(zhì)量最大的也不超過地球質(zhì)量的萬分之一。

2.資格老。小行星、彗星等等，它們都是太陽系形成早期殘留下來的“邊角料”，它們的大部分同類都形成了行星、矮行星，而它們幸存了下來。所以它們的形成還早在行星形成之前，是太陽系里的老資格。

3.數(shù)量多。這些太陽系小碎片的數(shù)量十分驚人。小行星已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了100多萬顆，而彗星據(jù)估計(jì)可能多達(dá)上萬億顆，太陽風(fēng)粒子、星際塵埃那就更加不計(jì)其數(shù)了。從數(shù)量上看，它們絕對是太陽系里的主角。不過就算把它們的總質(zhì)量全部加起來，也還不如土星這一顆行星大。所以它們數(shù)量雖然多，但也只能唱唱配角。

幾乎所有的小行星都位于火星與木星軌道之間的一片區(qū)域，稱為“小行星帶”。小行星帶距離太陽2.1AU～3.3AU。其中充滿沒有能凝聚成為一顆真正行星的原始巖石，人們在這里已發(fā)現(xiàn)了100多萬顆小行星。不過小行星帶里所有碎石頭的總質(zhì)量加起來，也還比月球質(zhì)量小得多。從現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)估計(jì)，它們的總質(zhì)量可能只有月球的百分之幾。

另外，在木星軌道上也發(fā)現(xiàn)了上千顆小行星，稱為“特洛伊型小行星”。它們聚集在木星的前面和后面，分別與木星、太陽形成一個(gè)近似的等邊三角形。在天體力學(xué)上，這樣的軌道能恰好在太陽和木星的引力之間保持穩(wěn)定，所以這些小行星能長期存在，沒有被木星的引力吸引過去。最早在這里發(fā)現(xiàn)的一顆小行星是以《荷馬史詩》里特洛伊戰(zhàn)爭的英雄名字命名。隨著發(fā)現(xiàn)得越來越多，人們就把它們統(tǒng)稱為特洛伊型小行星。特洛伊型小行星的數(shù)量遠(yuǎn)沒有主帶小行星多，目前只發(fā)現(xiàn)了上千顆。

邊陲上的“彗星倉庫”：奧爾特云

從柯伊伯帶再往外推幾千倍的距離，就來到了太陽系的邊疆。而且和我們的想象相反，這里并不是空無一物，而是聚集了數(shù)以億萬計(jì)的彗星。這些彗星物質(zhì)組成了一個(gè)龐大的球形暈，稱為“奧爾特云”。1950年，荷蘭天文學(xué)家奧爾特正是從對彗星的研究，提出了太陽系的邊疆地區(qū)存在這樣的“彗星倉庫”，后來就被叫做奧爾特云。

奧爾特云距離太陽20000AU～100 000 AU，主要部分在44 000 AU處，最遠(yuǎn)處可以延伸到比鄰星的一半距離。這里的太陽引力已十分微弱，這里的冰質(zhì)小天體很容易受到過路恒星的引力或銀河系施加的潮汐力影響，或飛向內(nèi)太陽系，或飛出太陽系。飛向內(nèi)太陽系的，就成為了彗星。

奧爾特云的彗星數(shù)目多達(dá)幾萬億顆，總質(zhì)量約為40倍地球質(zhì)量。但是因?yàn)檎紦?jù)的空間大，這里是極其稀薄的。如果我們抓起一把沙子扔在教室里，那么它們已經(jīng)比奧爾特云稠密得多了！另外，由于太過遙遠(yuǎn)，我們并不能直接看到這里的天體。只有當(dāng)它們闖進(jìn)了內(nèi)太陽系成為彗星時(shí)，才可能被我們看見。★