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第28章 太阳系

以太阳为中心的天体系统

太阳系就是我们现在所在的恒星系统。它是以太阳为中心,和所有受到太阳引力约束的天体的集合体:8颗行星、至少165颗已知的卫星,和数以亿计的太阳系小天体。这些小天体包括小行星、柯伊伯带的天体、彗星和星际尘埃。

太阳系的中心是太阳,虽然它只是一颗中小型的恒星,但它的质量已经占据了整个太阳系总质量的99.85%;余下的质量中包括行星与它们的卫星、行星环,还有小行星、彗星、柯伊伯带天体、外海王星天体、理论中的奥尔特云、行星间的尘埃、气体和粒子等行星际物质。整个太阳系所有天体的总表面面积约为17亿平方千米。太阳以自己强大的引力将太阳系中所有的天体紧紧地控制在他自己周围,使它们井然有序地围绕自己旋转。同时,太阳又带着太阳系的全体成员围绕银河系的中心运动。太阳系内迄今发现了八颗大行星。有时称它们为“八大行星”。按照距离太阳的远近,这八颗行星依次是:最近的水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。水星、金星、地球和火星也被称为类地行星,木星和土星也被称为巨行星,天王星、海王星也被称为远日行星。除了水星和金星外,其他的行星都有卫星。在火星和木星之间还存在着数十万个大小不等,形态各异的小行星,天文学家将这个区域称为小行星带。此外,太阳系中还有超过1000颗的彗星,以及不计其数的尘埃、冰团、碎块等小天体。太阳系中的各个天体主要由氢、氦、氖等气体,冰(水、氨、甲烷)以及含有铁、硅、镁等元素的岩石构成。类地行星、地球、月球、火星、木星的部分卫星、小行星主要由岩石组成;木星和土星主要由氢和氦组成,其核可能是岩石或冰。

太阳系的起源是一个关于这个世界的本原问题,它从一开始就不是一个纯天文学问题。人们为了揭开这个迷,曾经历尽艰辛;许多人为此贡献出自己的毕生精力,有人甚至献出了生命。人类永远不会忘记那些曾经为理解我们这个世界而做出过重大贡献的人们。他们有:哥白尼、布鲁诺、牛顿、康德、托勒密等等。1543年哥白尼在《天体运行论》中提出日心学说后,他无畏的科学精神一直鼓励着人们对太阳系的认知和对自然界本原的探索。1644年笛卡尔在《哲学原理》中认为,太阳系是由物质微粒逐渐获得旋涡流式运动,而形成太阳、行星及卫星的。1745年布封在《一般和特殊的自然史》中首次提出灾变说,质量巨大的物体,如彗星,曾与地球碰撞,太阳物质飞散太空,后来形成地球与其他行星、卫星。1755年康德《自然通史与天体理论》提出系统学说,星云假说。太阳系是一团弥漫星际物质,在万有引力作用下聚集而成。中心形成太阳,由于斥力的增加,周边微粒在斥力的作用下,形成团块,小团块再形成行星、卫星。1796年拉普拉斯《宇宙体系论》也提出星云说,太阳系所有天体是由同一块星云形成。原始星云是气态,温度很高,并且在缓慢自转着。而后,星云逐渐冷却、收缩;随之自转加快,使星云越来越扁,当离心力超过向心力,便分离出旋转气体环。再次重复,生成多个气体环。最后,星云中心形成太阳,各环形成行星。热的行星同理形成卫星。早期的星云说,科学界统称康德——拉普拉斯说,该学说在19世纪占据太阳系起源的统治地位。由于该学说不能解释行星排列的质量分布问题和太阳系角动量特殊分布问题而遇到了困难。因此人们又转向灾变说。1900年张伯伦提出新的星子说,摩尔顿发展了这个学说。有一颗恒星曾经运动到距离太阳几百千米处,使太阳正、背面产生巨大潮汐,而抛射出大量物质,凝集成小团块质点,称为星子。星子是行星的胚胎,而后聚合成行星和卫星。后来还有金斯提出的“潮汐假说”与以上学说略同。关于太阳系起源的假说,可以说是种类繁多。20世纪以来,人们的天文学知识越来越丰富。并且认识到,在广阔的宇宙中,发生恒星相遇情况的可能性极小。50年代以后,又提出了许多新的学说,这些学说大部分都是以星云假说为基础的学说。归纳起来有以下6个学说的影响最大。(一)卡米隆学说:20世纪60年代以来,卡米隆从力学、化学等方面对地球起源进行了认真探讨,并用湍流粘滞理论计算了星云盘的演化。(二)戴文赛学说:20世纪50年代提出的一种角动量斥力圆盘理论。(三)萨夫隆诺夫和林忠四郎的学说:湍流形成圆盘、环的理论。(四)普伦蒂斯——新拉普拉斯说:冷星云湍流说。(五)乌尔夫逊的浮获说:小质量恒星天体相遇灾变说。(六)阿尔文的电磁说:以太阳早期存在强磁场作用的行星形成理论。虽然以上理论各具特色,但是都没能得到公认。令人信服的太阳系起源说必需阐明下列主要问题:(一)原始星云的由来和特性。(二)原始星云或星子的形成过程。(三)行星的形成过程。(四)行星轨道的特性:共面性、同向性和近圆性。(五)提丢斯——波得定则。(六)太阳系的角动量分布。(七)三类行星:类地、巨行、远日行星的大小、质量、密度方面的差别。(八)行星的自转特性。(九)卫星及环系的形成。(十)小行星的起源。(十一)彗星的起源。(十二)地——月系统的起源。

太阳系的第一次探测是由望远镜开启的,始于天文学家首度开始绘制这些因光度暗淡而肉眼看不见的天体之际。伽利略是第一位发现太阳系天体细节的天文学家。他发现月球的火山口,太阳的表面有黑子,木星有4颗卫星环绕着。惠更斯追随着伽利略的发现,发现土星的卫星泰坦和土星环的形状。后继的卡西尼发现了4颗土星的卫星,还有土星环的卡西尼缝、木星的大红斑。

奥尔特云

奥尔特云是一个假设包围着太阳系的球体云团,布满着不少不活跃的彗星,距离太阳约5~10万个天文单位,差不多等于1光年,即太阳与比邻星距离的1/4.理论上的奥尔特云有数以兆计的冰冷天体和巨大的质量,在大约5万个天文单位,最远可达10万个天文单位的距离上包围着太阳系,被认为是长周期彗星的来源。它们被认为是经由外行星的引力作用从内太阳系被抛至该处的彗星。奥尔特云的物体运动得非常缓慢,并且可以受到一些不常见的情况的影响,像是碰撞、或是经过天体的引力作用、或是星系潮汐。

自从进入太空时代,许多的探测都是各国的太空机构所组织和执行的无人太空船探测任务。太阳系内所有的行星都已经被由地球发射的太空船探访,进行了不同程度的各种研究。虽然都是无人的任务,人类还是能观看到所有行星表面近距离的照片,在有登陆艇的情况下,还进行了对土壤和大气的一些实验。

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