银河系是直径100000光年,拥有约2000亿颗恒星的棒旋星系。太阳位居银河外围的一条旋涡臂上,称为猎户臂或本地臂(图1-6)。太阳距离银核25000～28000光年,在银河系内的运动速度大约是220km/s,因此环绕银河公转一圈需要2.25亿～2.5亿年,这个公转周期称为银河年。
图1-6 太阳系在银河系中的位置
太阳系在银河系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,使地球长期处在稳定的环境之中得以发展出生命。如果太阳系接近银河系恒星群居的中心,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太阳系内,导致与地球的碰撞而危害到发展中的生命。银河中心强烈的辐射线也会干扰生命的发展。
太阳系由太阳和所有受到太阳引力约束的天体组成,包括太阳、8颗行星和至少165颗已知的卫星,以及数以亿计的太阳系小天体。根据到太阳的距离,8颗行星依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。离太阳较近的水星、金星、地球及火星称为类地行星,木星与土星称为近日行星,天王星与海王星称为远日行星。
(一)太阳系的形成和演化
关于太阳系的起源有许多假说,概括起来有星云说、灾变说、俘获说、戴文赛等等,还有所谓碰撞说、双星说、超新星说等。
1.星云说
最初的星云说是18世纪下半叶由德国哲学家康德和法国天文学家拉普拉斯提出来的,人们一般称之为康德-拉普拉斯星云说。他们认为:太阳系是由一块星云收缩形成的,先形成的是太阳,然后剩余的星云物质进一步收缩演化形成行星(图1-7)。
图1-7 星云说
康德-拉普拉斯星云说只是初步地说明了太阳系的起源问题,有许多观测事实难以用它来解释。所以,星云说在很长时间里陷入了窘境。直到20世纪,随着现代天文学和物理学的进展,特别是近几十年里,恒星演化理论的日趋成熟,星云说又焕发出了新的活力。
现代观测事实证明,恒星是由星云形成的。太阳系的形成在宇宙中并不是一个偶然的现象,而是普遍的、必然的结果。另外,关于太阳系的许多新发现也有力地支持了星云说。
2.灾变说
灾变说认为行星是某种偶然发生事件引起的剧变而形成的。
第一个灾变说是法国人G..L.L布丰于1745年提出的彗星说:认为一颗大彗星掠碰太阳使它自转起来,而碰出的太阳物质在绕转过程中形成了行星和卫星。它否定上帝创世,一度有相当影响(图1-8)。
图1-8 灾变说
3.俘获说
这种学说认为构成行星和卫星的物质是太阳形成后从太阳邻近区域俘获来的。前苏联科学家施米特1944年提出的陨星说认为,太阳在运行中穿过一个星际云,俘获了3%太阳质量的星际物质,这些物质逐渐形成行星和卫星。还有一些人,如爱尔兰的埃奇沃思、英国的彭德雷和威廉斯以及印度的米特拉等,提出了其他类型的俘获说,他们在描述图像和处理方法上存在着很大差别。提出俘获说的一个主要出发点是为了说明太阳系的形成(图1-9)。
图1-9 俘获说
4.戴文赛假说
1977年,我国著名天文学家戴文赛根据天文观测的实际资料并吸取各家假说之长,提出了关于太阳系形成的看法。其要点如下:
1)5亿年前星际物质因彼此吸引而收缩,形成一个旋转的原始星云团。原始星云团不断收缩,越转越快,并逐渐变扁。
2)原始星云最初的温度很低,为冰点以下200多摄氏度,由于收缩使大量引力势能转化为热能,使其温度逐渐升高。
3)原始星云收缩到大致为今天海王星轨道的大小时,其赤道处的旋转离心力大致等于星云本身对赤道处物质的吸引力,因此赤道处的物质便不再收缩,但星云内部还在继续收缩,最后就形成了一个周边较厚而中心较薄的旋转星云盘。
4)原始星云中大约97%的物质通过收缩而在星云盘的中心聚集成为太阳,其余物质中细微的固体质点通过相互碰撞和引力吸引聚集成为行星。
5)离太阳较近的区域因为温度高,原始物质中大部分挥发性物质几乎全部逃逸,剩下的是铁、硅、镁、硫及它们的氧化物,组成体积和质量较小、但密度较大的类地行星。离太阳较远的区域因为温度低,除了拥有类地行星物质以外还有大量的氢原子、氢分子、氦、氖等,以及氧、碳、氮及它们的氢化物,它们组成了体积和质量大但密度较小的木星和土星。离太阳最远的区域行星因受太阳的吸引力微弱,大部分逃逸,或所存很少,行星的体积、质量、密度约介于前两类行星之间。
6)由于太阳曾经抛射出部分带电物质并损失了角动量,而行星是由原始星云中最外面的物质形成的,这部分物质的角动量本来就很大,这就造成了太阳系角动量具有目前的分布特点。
(二)太阳系的结构和组成
太阳系大概可以分为五部分(图1-10)。
图1-10 太阳系(舒良树,2010)
1.太阳
太阳是太阳系最主要和最重要的成员。它有足够的质量让内部的压力与密度足以抑制和承受核融合产生的巨大能量,并以辐射的形式,例如可见光,让能量稳定地进入太空。
太阳在分类上是一颗中等大小的黄矮星,不过这样的名称很容易让人误会,其实在我们的星系中,太阳是相当大、相当明亮的。
太阳在恒星演化的阶段正处于壮年期,尚未用尽在核心进行核融合的氢。太阳的亮度仍会与日俱增,早期的亮度只是现在的75%。
计算太阳内部氢与氦的比例,认为太阳已经完成生命周期的一半,在大约50亿年后,太阳将变得更大更明亮,但表面温度却降低,届时它的亮度将是目前的数千倍。
太阳是在宇宙演化后期才诞生的第一星族恒星,它比第二星族的恒星拥有更多的比氢和氦重的金属(这是天文学的说法:原子序数大于氦的都是金属)。比氢和氦重的元素是在恒星的核心形成的,必须经由超新星爆炸才能释入宇宙的空间内。换言之,第一代恒星死亡之后宇宙中才有这些重元素。最老的恒星只有少量的金属,后来诞生的才有较多的金属。高金属含量被认为是太阳能发展出行星系统的关键,因为行星是由累积的金属物质形成的。
除了光,太阳也不断的放射出电子流(等离子),也就是所谓的太阳风。这条微粒子流的速度为每小时150万千米,在太阳系内创造出稀薄的大气层(太阳圈),范围至少达到100天文单位(日球层顶),也就是我们所认知的行星际物质。太阳的黑子周期(11年)和频繁的闪焰、日冕物质抛射在太阳圈内造成的干扰,产生了太空气候。伴随太阳自转而转动的磁场在行星际物质中所产生的太阳圈电流片,是太阳系内最大的结构。
地球的磁场与太阳风在互动中保护着地球大气层。水星和金星则没有磁场,太阳风使它们的大气层逐渐流失至太空中。太阳风和地球磁场交互作用产生的极光,可以在接近地球磁极的附近(如南极与北极)看见。
宇宙线来自太阳系外,太阳圈屏障着太阳系,行星的磁场也为行星自身提供了一些保护。宇宙线在星际物质内的密度和太阳磁场周期的强度变动有关,宇宙线在太阳系内的变动幅度究竟是多少?仍然是未知的。
图1-11 所有的内行星(Kutner,2003,有修改)
2.内太阳系
内太阳系传统上指类地行星和小行星带区域,现称为内行星(图1-11),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小。
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,没有环系统。它们由高熔点的矿物,如硅酸盐类,组成表面固体的地壳和半流质的地幔,由铁、镍构成金属核心。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)。行星在一个平面朝着一个方向运行。
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幔。相关假说包括巨大的冲击剥离了它的外壳,及年轻时期的太阳能抑制了外壳的增长等。
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幔包围着核心。它的大气密度比地球高90倍而且非常干燥,没有天然的卫星。它是一颗炙热的行星,表面的温度超过400℃,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,认为金星的大气是由火山的爆发获得补充。
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并拥有生命的行星。它拥有类地行星中独一无二的水圈和被观察到的板块结构。地球的大气与其他的行星完全不同,含有21%的氧气。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。地球公转(太阳)一圈约365天,自转一圈1天(太阳并不是总是直射赤道,因为地球围绕太阳旋转时,稍稍有些倾斜)。
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、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。
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(图1-12)。
图1-12 小行星的主带和特洛伊小行星
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。
小行星的尺度大至数百千米,小至数微米。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,可能会被重新分类为矮行星。
小行星带拥有数万颗、可能多达数百万颗直径在1km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。小行星主带的成员是稀稀落落的,所以至今没有太空船在穿越时发生意外。
3.中太阳系
太阳系的中部地区是气体巨星和它们如行星大小卫星的家,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。
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(图1-3a)和土星(图1-3b)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”。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。
图1-13 木星(a)和土星(b)(Kunetr,2003)
木星(5.2天文单位) 主要由氢和氦组成,质量是地球的318倍,是其他行星质量总合的2.5倍。木星的丰沛内热给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,最大的有4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。甘尼米德比水星还要大,是太阳系内最大的卫星。
土星(9.5天文单位) 有明显的环系统。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,其中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,是太阳系中唯一实际拥有大气层的卫星。
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。
海王星(30天文单位) 虽然看起来比天王星小,但密度较高,质量是地球的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。
彗星 归属于太阳系小天体,通常直径只有几千米,主要由具挥发性的冰组成。它们的轨道离心率高,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冰冷表面的物质升华和电离,产生彗发,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,长周期彗星的轨道周期可以长达数千年。短周期彗星,像哈雷彗星,被认为来自柯伊伯带;长周期彗星,像海尔·波普彗星,则被认为起源于奥尔特云。有许多群的彗星,像克鲁兹族彗星,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。
4.外海王星区
冥王星(Pluto)和另外两颗很小的卫星尼克斯(Nix)与许德拉(Hydra),就位于这个区域。目前还不能确定卡戎(Charon)是否应归类为卫星还是矮行星(图1-14)。
图1-14 冥王星和已知的三颗卫星
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1/5,质量则远小于月球),主要由岩石和冰组成。
5.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4倍;太阳引力所能及的范围,应该是这个距离的千倍以上。
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。
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(125000天文单位)的范围。奥尔特云向外延伸的程度,大概不会超过50000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。