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第二章 初识太阳系（2）

三、全视角太阳系

同开普勒和牛顿在解决天体的运动学和动力学方面的重大成就相辉映的，是同一时期中天文观察工具方面的重大进步。1608年，德国光学家里伯西发明了望远镜。意大利天文学家伽利略第二年就把它指向天空，使天文观测进入了一个新的时代。

天文望远镜观测到行星表面的情形，测出了它们的大小，看到了行星周围还有一些小小的星球——卫星绕它们旋转。

观测和理论两方面的发展使人们对太阳系的面貌有了比较全面的了解。

太阳系的主体是太阳，它是一个质量十分巨大、发出强烈的光和热的天体。

围绕太阳旋转的是一个行星体系。

靠近地球轨道的几个行星，水星、金星和火星，同地球比较相似，质量、大小、密度相差不多。不过水星没有大气，金星却覆盖着浓密的云层。这些星叫类地行星，也叫内行星。

木星和它以外的行星，除冥王星外，体积和质量都很大，比地球大上百倍，表面是厚厚的云层。它们的密度都比较小。这些行星叫做类木行星，也叫外行星。

在行星的周围还有一些更小的卫星绕它们旋转。内行星的卫星比较少，地球只有一个卫星——月亮。外行星的卫星比较多，木星有十四个卫星。特别有趣的是土星和天王星周围还环绕着美丽的光环。

除行星和卫星外，太阳系里还有许多小天体：小行星，彗星，流星。小行星一般只有几公里大。有的小行星汇集成群。火星和木星轨道之间就有一群小行星散布在绕太阳的一个圆环上。已经发现的小行星有二千多个。彗星是由碎块和尘埃、气体构成的，靠近太阳的时候，尘埃和气体被太阳光的压力驱动散布成长长的尾巴。流星是散布在太阳系里的石块或铁块，当它们靠近地球的时候，被吸引而掉进地球，和大气摩擦发热而燃烧，没有烧完的物质落到地上就成为陨石。

太阳系内，还有很多体积介于行星和小行星之间的星体，叫矮行星或称“侏儒行星”。

冥王星现在就已经被归为矮行星。矮行星的体积介于行星和小行星之间，围绕太阳运转，质量足以克服固体应力以达到流体静力平衡(近于圆球)形状，没有能力清空其所在轨道上的其他天体，同时又不是卫星。矮行星是一个新的分类。定义的标准尚不明确。矮行星质量和大小的上下限还没有规范，因此，即使一个比水星还大的天体，若未能将邻近轨道的小天体清除掉，也许仍然会被归类为矮行星。下限则是以能否达到流体静力平衡的形状概念来规范，但是对这类物体的大小和形状尚未定义完成。

行星和小天体的质量总和不到太阳质量的七百分之一。除太阳以外，行星和小天体全都不发光，只是因为反射太阳光才发亮。

随着观测能力的增强，对于太阳系天体的了解越来越细了，知道了每个行星都有它自己独特的条件和运动方式。对行星“个性”的了解还在继续深入下去。

但是，太阳系天体又有许多明显的“共性”，这些共性对于我们认识太阳系的历史有特别重要的意义。

所有行星的轨道基本上都在一个共同的平面上，这叫轨道共面性。

所有行星的轨道椭圆偏心率都不大(就是两个焦点离椭圆中心不远)，很接近于正圆形，这叫轨道近圆性。

行星的自转、公转的方向一般说都是一致的，自转和公转轴大致平行，只有天王星的轴“躺”在轨道面上、金星自转和公转反向这样两个例外。这叫自转、公转同向性。

类地行星和类木行星在大小、质量、密度上分别有共同性。

此外，1766年，德国的提丢斯还发现行星到太阳距离的规律性。他发现行星的距离按顺序排列接近一个等比数列。这一个规律为德国天文学家波得所肯定，称为提丢斯——波得定则。按照这一定则，火星和木星之间应该补上一个行星。人们努力寻找，结果没找到行星，却发现了这里有一个小行星带。

行星的卫星系也有类似的特性。

行星和卫星为什么有这样鲜明的共同规律性?牛顿的万有引力定律使人们前进了一步，但是问题并没有完全解决。按照万有引力定律，天体运行轨道的形状仅仅由它的初速度决定。初速度又由什么决定，牛顿不能回答，只好把它归之于“上帝的第一次推动”。

牛顿用上帝阻塞了自己前进的道路，但是科学仍然要前进。对于太阳系天体共性的认识本身就孕育着新的突破。观测事实俱在，理论的概括就是不可避免的了。人们必定要探索太阳系总体演变的规律性。研究太阳系起源和演化的条件已经成熟了。

知识点：天文望远镜

天文望远镜是观测天体的重要手段，可以毫不夸大地说，没有望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学。随着望远镜在各方面性能的改进和提高，天文学也正经历着巨大的飞跃，迅速推进着人类对宇宙的认识。

延伸阅读

伽利略，伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564年2月25日-1642[1]）是近代实验物理学的开拓者，被誉为“近代科学之父”。

他是为维护真理而进行不屈不挠的战士。

1564年2月15日生于比萨，他反对教会的陈规旧俗，由此，他晚年受到教会迫害，并被终身监禁。他以系统的实验和观察推翻了亚里士多德诸多观点。因此，他被称为“近代科学之父”“现代观测天文学之父”、“现代物理学之父”、“科学之父” 及“现代科学之父”。他的工作，为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。

1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“两个球同时落地”的著名试验，从此推翻了亚里士多德“物体下落速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续了1900年之久的错误结论。

但是伽利略在比萨斜塔做试验的说法后来被严谨的考证否定了。尽管如此，来自世界各地的人们都要前往参观，他们把这座古塔看做伽利略的纪念碑。

1609年，伽利略创制了天文望远镜（后被称为伽利略望远镜），并用来观测天体。他发现了月球表面的凹凸不平，并亲手绘制了第一幅月面图。1610年1月7日，伽利略发现了木星的四颗卫星，为哥白尼学说找到了确凿的证据，标志着哥白尼学说开始走向胜利。借助于望远镜，伽利略还先后发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转、金星和水星的盈亏现象、月球的周日和周月天平动，以及银河是由无数恒星组成等等。这些发现开辟了天文学的新时代。

伽利略著有《星际使者》《关于太阳黑子的书信》《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》《关于两门新科学的谈话和数学证明》和《试验者》。

为了纪念伽利略的功绩，人们把木卫一、木卫二、木卫三和木卫四命名为伽利略卫星。

伽利略为牛顿的牛顿运动定律第一、第二定律提供了启示。他非常重视数学在应用科学方法上的重要性，特别是实物与几何图形符合程度到多大的问题!他还推翻亚里士多德的话。

他善于提问，不问个水落石出不罢休。许多高年级同学也经常因为被他问倒而难堪。

第三章 认知太阳系（1）

人类关于天体演化的认识是科学史上一定阶段的产物。人类最先认识的是太阳系，关于天体演化的认识也自然是从认识太阳系的演化开始的。

关于太阳系的起源和演化等问题，科学家们的争论由来已久，形成了不同的理论或假说。各个理论、假说都相应地提出了自己的观点和依据，随着对太阳系研究和考察的一步步深入和扩展，其中有的理论或假说被剔除出去，有的理论或假说得到了更多证据的支持，如今，“星云说”是呼声最高的太阳系起源形成演化的理论，得到了许多人的支持，但由于太阳系的起源演化问题十分复杂，因此，还有许多问题没有得到很好的解释。

一 太阳系的由来

1、星云说

十八世纪，提出太阳系演化观念的条件已经具备了。

太阳系结构和行星运动的共同规律性使人意识到，它们可能有共同的起源；星云的存在说明天体的形式是多种多样的，使人有可能把星体的起源追溯到不同形式的天体；而引力定律又初步解决了物质转化的动力问题。

正是在这种条件下，1755年，德国哲学家康德提出了太阳系起源的星云说。

康德认为，太阳系是由一团星云演变出来的。星云物质是一些基本微粒，由于引力的作用，密度大的微粒吸引小的，成为一些团块；团块周围的微粒又陆续被吸引到团块上。团块逐渐增大，最后，最大的团块形成了太阳，其他的团块形成了行星。

康德还认为，微粒被吸引向中心团块的时候，有一种斥力使下落运动发生偏转，变成了绕团块的旋转运动，这样中心团块就变成一个巨大的旋涡。在旋涡里，微粒在互相冲撞的运动中自然达到平衡，这样就造成了行星彼此同向平行的运动。而在形成行星的团块绕太阳运转的时候，跟在它后面的微粒受它吸引而加速，从团块的外侧落到它的上面，这样就产生一种推动力，使它自转，并且使行星的自转和公转的方向一致。同样的原因使卫星也按同一方向旋转。

1796年，拉普拉斯在他的《宇宙体系论》一书中，再次独立地提出了关于太阳系起源的星云学说。

拉普拉斯认为，太阳系是由炽热气体组成的星云形成的。气体由于冷却而收缩，因此自转加快，离心力(指惯性离心力)也随着增大，于是星云就变得十分扁平了。在星云外缘，离心力超过引力的时候便分离出一个圆环。这样反复分离成许多环。圆环由于物质分布不均匀而进一步收缩，成为行星。中心部分就形成太阳。

按照拉普拉斯学说，整个星云以相同的角速度旋转，所以各个圆环以至后来形成的行星都按相同的方向公转。环的外侧比内侧速度快，内外速度差使行星自转，因而自转和公转方向相同。同样，卫星也按这个方向旋转。

康德和拉普拉斯的假说，都认为太阳系是由星云物质转化而成的，大节相同，但是也有区别。

康德和拉普拉斯各自独立提出的假说，不约而同地主张太阳系是由星云形成的，基本观念完全相同，因此，人们把他们的假说并称为康德——拉普拉斯星云说。

康德——拉普拉斯的星云说虽然只是初步勾画了太阳系起源的轮廓，其中有些内容不合理，但是它的历史功绩却十分重大。

从哥白尼以来，天文学有了很大的进步，但是对于天体的研究还只限于它们的机械运动。星云说第一次提出了不同形式的天体——星体和星云之间的转化，这就揭开了研究天体质变的序幕。

2、各种学说的争鸣

康德——拉普拉斯的星云说在观念上是一个重大的进步，同时，在解释太阳系运动的观测事实方面也有很大的成功。但是科学发展的道路总是崎岖不平的。星云说出现以后，遇到了许多观测事实并不能用星云说来说明。而首当其冲的就是所谓角动量困难。

星云说认为，由于收缩，原始太阳系星云自转加快，这是符合角动量守恒定律的，因为收缩以后物体各部分到旋转中心的距离缩短，因此角速度加快。就象一个花样滑冰的运动员在旋转的时候突然把张开的双臂收拢，转速便加快了。自转速度加快，惯性离心力增大。结果星云在离心力作用下变成为一个扁平盘状物。可是，按照这种看法，中心的太阳的转速应该很快才行。然而实际上现在太阳的转速并不快，太阳大约每二十七天转一周。

为什么太阳系形成的时候太阳转动很快，而现在转慢了呢?这不是违背了角动量守恒定律吗?相反，行星的质量很小，所有行星的质量不到太阳质量的七百分之一，可是它的角动量却相当于太阳角动量的1.7倍。行星这么大的角动量是哪里来的呢?行星从太阳中分出的过程中，角动量应该不变，那么按现在角动量倒推它们在同太阳分离以前的角速度应该很大，这同现今太阳自转很慢是矛盾的。

这就是所谓角动量困难。它是星云说前进中一个很大的障碍。

康德——拉普拉斯提出星云说以后，太阳系起源和演化问题吸引了许许多多科学家，各种学说如雨后春笋，相继出现。二百多年来，有影响的学说就有四十来种。在这些学说中，有的有共同之处，又在某些方面有所区别，各有各的特色。

太阳系起源和演化问题包括两个方面的内容。一是太阳系物质来源问题；二是怎样由这些物质形成行星。

把各种学说归纳起来，按照它关于物质来源的看法，可以归纳做四大类：

一是星云说，认为太阳和行星都是同一星云物质形成的，这是康德一拉普拉斯学说的发展；

二是俘获说，认为太阳先形成，行星是太阳在星际空间俘获的星云形成的；

三是灾变说，认为曾经有一个恒星走近太阳，它的起潮力使太阳上一部分物质分离出来形成了行星；

四是双星说，认为太阳系原来是一对双星，因为两个星的质量不同，演化的进程也就有所差异，主星演化成太阳，另一个星形成了行星。

这四类学说也各有相同之处。星云说和俘获说都主张行星是由星云物质形成的，灾变说和双星说却主张行星是由星体物质形成的。星云说和灾变说又都认为太阳和行星有共同的起源，是一起产生的，俘获说和双星说却都认为行星和太阳起源于不同的天体。

3、灾变说

灾变说有两种：一种主张另一个恒星靠近太阳的时候从太阳中拉出物质形成行星；另一种认为行星是由太阳爆发或抛射出来的物质形成的。

最早的灾变说的观念是法国博物学家布丰在1745年提出的，他认为曾经有一颗大彗星靠近太阳，从太阳上撞出的物质形成了行星。实际上，彗星的质量比太阳小多少亿倍，根本不可能撞出那么多的物质来形成行星。

1878年，毕克顿把这种学说修改了一下，认为是另一个恒星碰到太阳而撞出物质。以后，美国数学家张伯仑、英国天文学家秦斯等人又分别于1900年和1916年提出了类似的学说，认为是另一个恒星接近太阳的时候万有引力把一部分物质吸出而形成行星。

一个天体同太阳相吸引，根据万有引力定律，引力同它们距离平方成反比。太阳上面向恒星的部分比太阳中心距离近，因而受到的引力要大一些。一般来说，太阳靠近另一个恒星的时候要变成椭球形，这同太阳月亮对于地表面水的吸引而产生潮汐是一样的道理。恒星极其靠近太阳的时候，太阳会变成长条形，最后长条中一部分物质可能分离出去。这就是张伯仑等人的学说的依据。

灾变说似乎在角动量问题上有很方便的出路。因为恒星的吸引使太阳上分出的物质快速运动，所以这些物质形成的行星运动快，具有比较大的角动量。于是，在星云说碰到角动量困难的情况下，有一些学者对它抱有希望而进行尝试。在本世纪初到第二次世界大战期间，灾变说十分流行。

但是，实际上它所遇到的困难并不比星云说少。首先是它完全强调偶然的因素。按照恒星的空间分布计算，另一个恒星接近太阳的机会要三千万亿年才会有一次，而银河系的年龄却只有一百亿年，这种可能性实在太小了。太阳同另一个恒星相遇的机会就象太平洋中的一条小鱼同大西洋中的一条小鱼相遇的机会一样。

至于角动量问题，它的说明也似是而非。恒星只有极其靠近太阳才能拉出物质来，但是这样拉出来的物质的角动量又很小，所以实际上并不能真正解决角动量问题。

此外，从太阳中分出的物质温度极高，将会很快逃散，并不能形成行星。

4、俘获说

星云说和灾变说各有困难，于是俘获说提了出来，企图结合他们的优点而克服它们的困难。

1944年，苏联天文学家施米特提出的俘获说认为，太阳先已形成，然后走进一个巨大的星际云，并且把它俘获；被俘的星际云形成星云盘，然后再形成行星。

1942年，瑞典天文学家阿尔文根据他对等离子体的研究，提出另一种俘获说。阿尔文认为，在太阳附近存在许多电离的弥漫物质，被太阳磁场维持在远处，这些物质后来冷却变成中性，磁力消失，在太阳引力作用下向太阳下落而被太阳俘获。下落的时候速度增加，于是碰撞增多，再度电离，而在太阳周围形成几团云，从这些云中产生行星。

银河系中星际物质或星际云比较多，太阳遇到星际云的机会就不象碰到另一个恒星那样罕见，俘获比灾变的可能性要大。而俘获说又象灾变说一样，解决角动量问题似乎比较容易。按施米特学说，被俘物质对于太阳有相对运动，本身就带有很大的角动量；而阿尔文学说认为太阳的磁力线将迫使带电物质跟它以同一角速度自转，这就使形成行星的物质云有很大的角动量。

但是，施米特学说认为太阳原来并不自转，是部分俘获物质落入太阳才使太阳转动起来的。这样把星体的自转归之于俘获物的推动，这是很成问题的。实际上恒星都在自转。

而且，俘获说仍然面临着俘获概率问题，因为要俘获质量足够大的星云的可能性是很小的。此外，阿尔文学说在解释天文观测事实方面往往不够有力。

5、双星说

双星说在某种程度上说是灾变说的变种。1935年美国天文学家罗素提出的双星说和1936年英国天文学家里特顿提出的双星说都认为太阳系原来是一对双星，太阳是双星中的一个子星，另一个子星由于第三个恒星的接近或碰撞而被拉走，留下的一个长条形成行星。

这种学说跟灾变说一样，需要有一个恒星靠近或碰撞，于是也就面临着和灾变说同样的困难。

1944年，英国天文学家霍意尔提出另一种双星说，认为太阳的伴星演化很快，在它爆发以后成为超新星。因为爆发的时候抛射物质，就象火箭发射的时候那样产生反推力，使它离开了太阳。一部分抛出物质被太阳俘获形成星云盘，星云盘里的气体然后凝聚、集结成为行星。

霍意尔的学说认为行星上的重元素是超新星爆发的时候合成的，可以说明地球上重元素的起源。但是在解释其他观测事实的时候有不少困难，因此霍意尔本人在1960年放弃了这一学说，改而主张星云说。

6、现代星云说

现代天体物理学和物理学的发展，特别是恒星演化理论的建立，有力地支持了星云说。电磁作用的研究使角动量问题不再是原则上的困难。而星云说又能够解释众多的观测现象，这就使得星云说有了新的发展。现代星云说同其他学说相比，具有很大的优越性。因此现代星云说成为当代太阳糸演化学说的主流。里特顿和霍意尔这样一些有影响的人物都放弃了原有的学说，改而主张星云说。

现代星云说的具体内容，各家各派仍有不少差别，但是在太阳系形成的基本过程上，大体上是一致的。

按照比较共同的观点，形成太阳系的是银河系里的一团密度比较大的星际云，它的质量比现在太阳系总质量要大，温度很低，大约摄氏零下二百多度。

从现代对银河系的观测看到，银河系里存在一些旋臂，在旋臂中物质特别稠密。在以后形成太阳的那个星云绕银河中心旋转通过旋臂的时候，星云被压缩，它的密度增加。星云达到一定的密度以后，就在自身引力作用下逐渐收缩。密度继续增加，体积越来越小。

由于收缩，引力势能转化为热能，星云的温度增高。中心部分密度增加最快，温度也最高，因而在中心部分聚集了星云总质量的大部分，形成了一个红外星。这可以叫原太阳。

原太阳由于收缩，体积缩小，因而自转加快。在惯性离心力和磁力作用下，逐渐在赤道面上形成一个盘形结构。

原太阳在温度增高到一定程度的时候，就开始发生核反应，由引力收缩阶段转入核反应阶段，标志着太阳已经完全形成。扁盘上的物质又逐步演化成为行星和其他小天体。

在原太阳和周围的星云盘形成以后，星云盘里的物质怎样进一步形成为行星呢?在这个问题上，又有各种不同的看法。现代星云说的各种流派之间的主要差异，正是表现在行星形成问题方面。

原来拉普拉斯的看法是：星云盘被赤道上的惯性离心力间歇地甩出去一部分，形成了一个个同心的环带，然后环带聚合成为行星。虽然间歇甩出的观点是有问题的，然而他所提出的先形成环体、再由环形成行星的观点，仍然被一些现代星云说所采纳，不过从不同的角度来论证环体的形成以及由环形成行星的过程。

1977年，关于行星形成过程又有了一种新的假说。这个假说是完全从原始太阳系扁平星云盘所遵守的流体由学定律和万有引力定律推导出来的。由星云盘的流体力学方程和引力场方程的解得到，星云盘里，太阳被一系列圆环所围绕，还有一条旋涡形的旋臂和这些环相交。旋臂具有“引力势井”的性质，也就是说，旋臂上由于物质稠密，引力大，靠近它的物质就要被它吸引进去，就象地面上有一口井，物体经过的时候就要落到井里去一样。这种臂的运动具有波动性质，它象波一样绕中心传播。当这种旋涡波传播的时候，环上的物质便不断地落入引力势井中，这样就逐渐把圆环里的物质汇集到一起，形成一个行星。

这种假说可以说明其他假说难以说明的许多事实。

比如，由方程解出的环带距离分布，正好符合提丢斯一波得定则，由环形成的行星自然也应该满足这一定则。

又比如，推导出只有一条最强的旋臂，每环同它只有一个交点，所以一个轨道上只能形成一个行星。

因为星云盘里物质旋转角速度是内快外慢，而整个旋臂却以同一角速度旋转，所以势井和物质角速度不同，彼此有相对运动。势井经过环中不同地方，就把各处物质吸引进来，越聚越多。但是显然在离太阳某一个距离上，星云盘物质旋转速度和旋臂速度相等，它们之间没有相对运动，正如鱼网同鱼群速度相同的情形。这时候势井不能把不同地方的物质汇集起来成为大行星，只能形成一些小行星，这就能说明火星和木星之间为什么缺少一个大行星而代之以一群小行星。

当然，这个假说也还不完备，需要有进一步的发展。

7、新的发展

自从康德——拉普拉斯提出星云说以后，数百年来，关于太阳系起源和演化的理论如雨后春笋，几十种学说相继提出，这一场争鸣到现在也还没有结束。

回顾这一段历史，我们可以看出，这场论战并不是一场阵线不清的混战，也不是无休止的纠缠。学说虽多，但是在重大问题上只有几种主要流派。随着时间的前进，论战的结果使问题本身得到发展，认识更加深化。

康德——拉普拉斯的星云说是有很大功绩的，但是它是初步的、简单的，很快它就碰到了角动量困难。为了寻找角动量的出路，灾变说便兴盛起来。随着对银河系结构和恒星情况的了解增加，以及动力学上分析和计算工作的进展，灾变说又不得不遇到更多的困难。于是俘获说便抛弃灾变说而又吸收星云说的成分，代灾变说而产生。但是俘获说仍然没有摆脱偶然性因素，也就不得不面临同样的问题。在现代天体物理学发展起来以后，特别是由于恒星演化理论的建立以及解决角动量困难的可能性的出现，星云说又占了主导地位。

人们重新回到了星云说，但是这不是简单的回复，而是在更高水平上的发展。它扬弃了康德一拉普拉斯学说中不合理的成分，吸收了它的正确的东西，而且进行了论证。现代星云说不仅考虑了动力学原理，而且包括了天体中热力学、电磁学、化学等多方面的作用，按照物理定律进行了细致的定性的推导以至定量的计算。它已经不再只是几条简单的设想，而是建筑在现代科学基础上的一个假说。不过，它并不是完备的，争论依然存在，它将在争论中发展。

太阳系起源和演化问题已经研究了数百年，人类在这条道路上的步伐似乎比别的方面艰难得多。可能，这是因为只有一个太阳系可供研究，而人们以前又一直停留在太阳系的一员——地球上来考察它的缘故。现在，空间天文学正在飞跃发展，其他恒星的行星系也在逐渐显露出来。毫无疑问，这会大大加速太阳系演化研究的进程。

知识点：康德

伊曼努尔·康德(Immanuel Kant,1724年4月22日—1804年2月12日)德国哲学家、天文学家、星云说的创立者之一、德国古典哲学的创始人，唯心主义，不可知论者，德国古典美学的奠定者。

康德1740年入哥尼斯贝格大学。从1746年起任家庭教师9年。1755年完成大学学业，取得编外讲师资格，任讲师15年。在此期间康德作为教师和著作家，声望日隆。除讲授物理学和数学外，还讲授逻辑学、形而上学、道德哲学、火器和筑城学、自然地理等。18世纪60年代，这一时期的主要著作有：《关于自然神学和道德的原则的明确性研究》（1764）、《把负数概念引进于哲学中的尝试》（1763）、《上帝存在的论证的唯一可能的根源》（1763）。所著《视灵者的幻梦》（1766）检验了有关精神世界的全部观点。1770年被任命为逻辑和形而上学教授。同年发表《论感觉界和理智界的形式和原则》。从1781年开始，9年内出版了一系列涉及广阔领域的有独创性的伟大著作，短期内带来了一场哲学思想上的革命。如《纯粹理性批判》（1781）、《实践理性批判》（1788）、《判断力批判》（1790）。1793年《纯然理性界限内的宗教》出版后被指控为滥用哲学，歪曲并蔑视基督教的基本教义；于是政府要求康德不得在讲课和著述中再谈论宗教问题。但1797年国王死后，他又在最后一篇重要论文《学院之争》（1798）中重新论及这一问题。《从自然科学最高原理到物理学的过渡》本来可能成为康德哲学的重要补充，但此书未能完成。1804年2月12日病逝。

延伸阅读

星云是由星际空间的气体和尘埃结合成的云雾状天体。星云里的物质密度是很低的，若拿地球上的标准来衡量的话，有些地方是真空的。可是星云的体积十分庞大，常常方圆达几十光年。所以，一般星云较太阳要重的多。

星云的形状是多姿多态的。星云和恒星有着“血缘”关系。恒星抛出的气体将成为星云的部分，星云物质在引力作用下压缩成为恒星。在一定条件下，星云和恒星是能够互相转化的。

最初所有在宇宙中的云雾状天体都被称作星云。后来随著天文望远镜的发展，人们的观测水准不断提高，才把原来的星云划分为星团、星系和星云三种类型。

1758年8月28日晚，一位名叫梅西耶的法国天文学爱好者在巡天搜索彗星的观测中，突然发现一个在恒星间没有位置变化的云雾状斑块。梅西耶根据经验判断，这块斑形态类似彗星，但它在恒星之间没有位置变化，显然不是彗星。这是什么天体呢？在没有揭开答案之前，梅西耶将这类发现（截止到1784年，共有103个）详细地记录下来。其中第一次发现的金牛座中云雾状斑块被列为第一号，既M1，“M”是梅西耶名字的缩写字母。

梅西耶建立的星云天体序列，至今仍然在被使用。他的不明天体记录（梅西叶星表）发表于1781年，引起英国著名天文学家威廉·赫歇尔的高度注意。在经过长期的观察核实后，赫歇尔将这些云雾状的天体命名为星云。

由于早期望远镜分辨率不够高，河外星系及一些星团看起来呈云雾状，因此把它们也称之为星云。哈勃测得仙女座大星云距离后，证实某些星云其实是和我们银河系相似的恒星系统。由于历史习惯，某河外星系有时仍被称之为星云，例如大小麦哲伦星云，仙女座大星云等。

第四章 认知太阳系（2）

二太阳系的位置

1、太阳系在宇宙中的位置

哥白尼的日心说认为太阳是宇宙的中心，太阳静止不动，这个观点被现代天文学的发展否定了。在宇宙中太阳是极其普通而平凡的天体，是沧海中的一粟。它只能控制太阳系中成员的运动，没有任何力量控制整个宇宙。太阳系在宇宙中的地位，充其量只能算太平洋中的一个小岛。

浩瀚的宇宙中布满了像太阳一样的恒星，朗朗众星组成一个个庞大的星星系统，这就是星系。我们经常听到的有银河系和河外星系。

秋天夜晚，我们抬头望天，总会在缀满星星的天空见到白茫茫一片，好像奔腾不息的江河从南到北流淌。人们叫它天河，天文学上称为银河。古人传说，天河是天上的长河，沿黄河溯流而上是可以到达的。这是不能相信的。银河不是河流。伽利略首先揭开了它的秘密：茫茫的银河在伽利略望远镜里显露出一群密集的繁星，星的数目比肉眼所见到的要多得多。

银河的形状像包围在棉絮团里的两个合在一起的“铜钹”，也有人把它比喻成一个织布的梭子，或者像铁饼。总之是边缘较薄，越到中心越厚。这扁圆的“钹”叫银盘，“钹”中凸起的部分叫银核，也叫银心，周围的“棉絮团”叫银晕。银盘的直径约10万光年，厚1万光年。就是说，从银河系直径一端走到另一端，每天以走50公里计算，至少要走50万亿年；假使乘每小时飞1000公里的飞机，也要飞1000亿年。世界上走得最快的是光和电，它们每秒钟走30万公里。即使是光和电，从银河直径一端走到另一端，也要10万年，从银盘穿过一次要1万年。

不同银河系相比，太阳系还算是个庞然大物。太阳系半径大约是39.5个天文距离单位。一个天文距离单位约等于1.5亿公里，由此不难算出，太阳系半径约为59亿公里。假如太阳系是个圆盘，里面装满地球的话，这个盘子可盛9000亿个地球。但是，同银河系比较一下，太阳系真小得可怜。假如我们把太阳系和银河系各自缩小为原来的一万亿分之一，那么，太阳只有芝麻粒大，太阳系的直径是12米，而银河系的直径竟是100万公里!缩小后的银河系直径还能绕地球赤道25圈。

在银河系中，太阳和它的家族并不是位于银河系的中心，而是位于离银河中心3．3万光年、到银道面距离2.6光年的地方。

银河系是旋涡星系，有两条或更多条旋臂。在研究银河系旋臂时，光学方法受到很大限制。关于银河系旋臂的知识主要来源于射电观测。在太阳附近，射电观测探测到3段旋臂，即英仙臂、猎户臂和人马臂。太阳靠近猎户臂的内侧。20世纪70年代,人们通过探测银河系一氧化碳分子的分布,又发现了第4条旋臂,它跨越狐狸座和天鹅座。它是一条离银心4千秒差距的旋臂，称为3千秒差距臂，正以约50千米／秒的速度向外膨胀。已得知，旋臂是气体、尘埃和年轻恒星集中的地方。但旋臂的起源和演化问题尚未解决。

在我们的银河系内，有着四条长长的“手臂”，它们是各种星体诞生与成长的摇篮。想要了解银河系的全貌，我们就必须“抓住”这些“手臂”，因为它们能画出一张精确的银河结构图。

2、太阳系的运动

在中国科学院紫金山天文台的会议室里，陈列着4尊我国古代天文学家塑像，其中一位是唐代的一行。一行是个和尚，又是一名出色的古代天文学家。一行的第一个贡献就是再次测定了恒星的位置。一行把自己测量的恒星位置和汉代的测量相对照，发现有了较大的变化。这是古人从来没有想过的。很可惜，当时他没有对这种变化的原因作出解释，以致让一项重要发现推迟了1000多年。

18世纪，发现哈雷彗星的爱德蒙·哈雷完成了这项发现。哈雷是英国著名的天文学家，1718年，他注意到天狼星、毕宿五、大角和参宿四这4颗星的位置同古星表上的位置在黄纬上大不相同。他考虑了各种误差的影响后，很有把握地指出，不仅这4颗星，别的恒星也可能是这样的。哈雷这一精辟的见解引起很大的反响，有的表示赞同，有的举手反对。经过以后的观测，证实了恒星本身的确在运动。

恒星在空间的运动朝各个方向都有，有的朝东，有的朝西，有的接近太阳，有的远离太阳。

恒星都在运动，太阳有没有运动呢?太阳系有没有运动呢?都有。太阳有3种运动，一是自转，像地球那样，围绕自转轴转动，大约27天转一圈。二是带着太阳系成员一道向武仙座方向奔跑，像校长带领学生们去风景区春游似的。这种‘‘奔跑”的速度是每秒20公里。太阳以这样快的速度在银河系内奔驰，会同其他恒星相碰吗?不用担心！银河系里有广阔的空间，这种碰撞的机会极其微小！三是和银河系里其他恒星一道，围绕着银河中心转。天文工作者测定，太阳和它家族相对于银河中心的转动速度是每秒250公里，转一圈大约2.5亿年。目前，太阳正带着它的家族向天鹅座方向前进。

在这里又是说太阳带着太阳系成员向武仙座方向奔跑，又是说太阳带着它的家族向天鹅座方向前进，这是怎么回事呢?原来，太阳和它的家族好比整个蜂群中的一只蜜蜂。“蜂群”在围绕银河中心旋转，这种集体行动使得太阳和它的家族向天鹅座方向前进。同时，“蜂群”里的每一只“蜜蜂”又可自由飞翔。太阳和它家族向武仙座方向奔跑，就是“蜂群”里每一只“蜜蜂”在“蜂群”里的自由飞翔。

3、银河系中的太阳兄弟

在地球上，肉眼所能看到的“繁星”并不多，全天只有6000多颗，况且还有一半在地平线以下，在某一个时间里在天空中能看到的星最多只有3000多颗。不过用望远镜观察，那真是繁星满天了。据推算，在银河系中，大约就有1500亿到2000亿颗星。这些星都是太阳的遥远的兄弟，都是能发热发光的恒星。

在银河系中，太阳是一颗普普通通的恒星，它的大小、亮度、表面温度和结实程度，在恒星中间都没有特殊的地方。在我们看来，太阳比星星亮得多，大得多。这是太阳比所有其他恒星离我们都近的缘故。在宇宙中，比太阳大的星很多，参宿四半径约为太阳半径的800倍，体积和5亿个太阳差不多。参宿四还不是最大的恒星，它出现在天空时，看起来还是一颗很普通的亮星。仙王座VV星的体积是太阳的几十亿倍，但是由于距离太远，肉眼却看不清楚。这颗星体积虽然很大，密度却很低。它的质量并不比太阳大多少，充其量只有太阳的10倍。1立方米的东西还不到亿分之一克，比空气还要稀薄。

恒星世界中的“矮子”是白矮星和中子星。白矮星的体积比地球还要小，中子星更小，直径只有20公里左右。白矮星体积虽小，但它很结实，每立方厘米重到几十吨甚至上百吨。如果在白矮星上取火柴盒大小一块东西拿到地球上用船装，需要巨大的轮船才能装运。中子星比白矮星还要小，但它里面含的东西大体上和太阳差不多。因此，中子星的温度极高、密度也极大。中子星的密度大到每立方厘米5000万吨至1亿吨，比白矮星还要高出几百万倍。假如在中子星上取手指头大一块东西，拿到地球上足足有上亿吨!

太阳系中，只有太阳一个核心，但是在其它恒星世界中，也有许多由恒星互相结合而成的双星系统，它们彼此靠近，形影不离，互相吸引，互相绕着转圈子，甚至还互相抛射东西，你把身上的东西抛给我，我把身上的东西抛给你。这种有物理上联系的两颗星才是双星。在望远镜中，有时会看到两颗恒星彼此靠得很近，天文学家开始时把它们当作双星。奇怪的是，怎么也找不到它们互相绕着转的痕迹。原来，它们只是大体上在同一方向，实际上是一前一后，彼此相距很远的，根本没有物理上的联系。这类双星称为光学双星，以区别前面说的物理双星。

太阳的兄弟们，除了成双成对的外，还有三个成群、五个结“伙”的。三颗星靠在一起，互相吸引，互相绕着转的叫三合星。四颗星以上直到一二十颗星聚集在一起的叫做聚星。还有更多的星聚集在一起的，叫做星团。例如在北风凛冽的初冬，天黑后不久在东方天空有一个“七姐妹”星，视力好的人可以看到七颗星，视力差的人可以看到六颗星，用望远镜看可以看到几百颗星聚集在一起。“七姐妹”被称为昴星团。昴星团是一个最著名的星团，它离地球约400光年，在它里面大约有300颗星聚集在13光年的空间区域里。在昴星团附近，还有一个毕星团。像昴星团和毕星团那样，许多恒星疏疏散散结合在一起、形状很不规则的星团，天文学上称为疏散星团。到目前为止，在银河系里已发现1000个疏散星团。

另外一种星团叫球状星团。球状星团是恒星密集的星团，几百甚至几百万颗星星密密麻麻地集中在一起，构成一个球状或扁球状的恒星集团。目前已发现100多个球状星团，它们中最明亮的是半人马座α球状星团，位于半人马座内，我国南方能见到。还有一个武仙座球状星团，形状很美丽，像节日里在空中散开的焰火，我国北方能见到。

在银河系里，除了恒星和星团以外，也有稀稀拉拉的云雾状的东西，用望远镜看，它们呈雾状斑点，有的明亮，有的晦暗。天文学家对它们一一照了相，由于都是些无规则的形态，使它们获得了弥漫星云的称号。你看这些照片，猎户座马头星云很像回头长嘴的马头，麒麟座玫瑰星云很像一朵绽开的玫瑰，天鹅座网状星云很像一张五彩缤纷的云网。这些星云是由气体和尘埃组成的，它们有的在慢慢收缩形成恒星，有的是恒星到了老年，支撑不住了，发生爆炸，把它外面的东西抛了出去，只留下一个非常密集的星核。

4、河外星系

银河系虽然纷繁复杂，但它不是整个宇宙。在整个宇宙中，银河系只是一个小小的岛屿。

1518～1520年，葡萄牙人麦哲伦率领船队作环球旅行，在到达南美洲南端的一个海峡时，船上的人发现天顶附近有两个大星云。回到欧洲后，麦哲伦公布了这个发现，因此取名为大麦哲伦星云和小麦哲伦星云，简称大麦云和小麦云。这两个星云位于银河系之外，和银河系里的星云大不相同。银河系内的星云是气体和尘埃组成的，而这里所说的星云是许许多多恒星组成的。因为看起来都是模模糊糊的一片，所以都叫它们星云。像大、小麦哲伦云这样的星云，是和银河系一样的宇宙岛，称为河外星系。

大、小麦哲伦云是银河系的近邻，大麦云在剑鱼座，小麦云在杜鹃座，南半球的人很熟悉它们。它们离我们大约16～18万光年。大麦云直径约3万光年，小麦云约2.5万光年。

在北半球，用望远镜可以看到的著名星云是仙女座大星云，它距离我们220万光年，直径13万光年。

河外星系是很多的，目前的大望远镜可以看到100亿光年远的河外星系，在这样的范围内，大约可以看到10亿个。在这些星系中，有的像水中旋涡，有的呈棒旋形，有的像椭圆，还有一些是不规则的。按照它们的形状，分别叫它们旋涡星系、椭圆星系、棒旋星系和不规则星系。这些星系是用照相方法“看到”的。到目前为止，用照相方法所能“看到”的河外星系所分布的空间区域，叫做总星系。

总星系也不是整个宇宙，而是宇宙的一个小区域，是目前所能看到的宇宙空间。宇宙是无限的，没有边，没有沿。望远镜所能看到的范围以外是什么样子，有待大家去探索。

知识点：中子星

中子星，又名波霎，是恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。简而言之，即质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于恒星和黑洞的星体，其密度比地球上任何物质密度大相当多倍。

中子星的密度为10的11次方千克/立方厘米， 也就是每立方厘米的质量竟为一亿吨之巨！对比起白矮星的几十吨/立方厘米，后者似乎又不值一提了。

事实上，中子星的质量是如此之大，半径十公里的中子星的质量就与太阳的质量相当了。

同白矮星一样，中子星是处于演化后期的恒星，它也是在老年恒星的中心形成的。只不过能够形成中子星的恒星，其质量更大罢了。根据科学家的计算，当老年恒星的质量大于十个太阳的质量时，它就有可能最后变为一颗中子星，而质量小于十个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。

但是，中子星与白矮星的区别，不只是生成它们的恒星质量不同。它们的物质存在状态是完全不同的。

简单地说，白矮星的密度虽然大，但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内：电子还是电子，原子核还是原子核。而在中子星里，压力是如此之大，白矮星中的简并电子压再也承受不起了：电子被压缩到原子核中，同质子中和为中子，使原子变得仅由中子组成。而整个中子星就是由这样的原子核紧挨在一起形成的。可以这样说，中子星就是一个巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。中子星的质量非常大由于巨大的质量就连光线都是呈抛物线挣脱。

在形成的过程方面，中子星同白矮星是非常类似的。当恒星外壳向外膨胀时，它的核受反作用力而收缩。核在巨大的压力和由此产生的高温下发生一系列复杂的物理变化，最后形成一颗中子星内核。而整个恒星将以一次极为壮观的爆炸来了结自己的生命。这就是天文学中著名的“超新星爆发”。

延伸阅读

中国科学院紫金山天文台，是我国最著名的天文台之一。始建于1934年，建成于1934年9月，位于南京市东南郊风景优美的紫金山上。

紫金山天文台是我国自己建立的第一个现代天文学研究机构，前身是成立于1928年2月的国立中央研究院天文研究所，至今已有80年的历史。

紫金山天文台的建成标志着我国现代天文学研究的开始。

中国现代天文学的许多分支学科和天文台站大多从这里诞生、组建和拓展。由于她在中国天文事业建立与发展中作出的特殊贡献，被誉为“中国现代天文学的摇篮”。

1913年10月，日本在东京召开亚洲各国观象台台长会议，他们邀请法国教会在上海的观象台代表中国，消息传出，举国哗然，而知识界尤甚。当时的中央观象台台长高鲁，发誓建造一座能与欧美并驾齐驱的天文台，后高鲁转任法国公使，由厦门大学天文系主任余青松接任。当时的总理陵园管理委员会提出，天文台必须按照中式风格设计，中式风格主要体现在屋顶和房檐，但天文观测却需要圆形屋顶，这一棘手的问题被交给杨廷宝领衔的基泰工程司。最终建成的紫金山天文台位于南京东郊紫金山风景秀丽的第三峰上。牌楼采用毛石作三间四柱式，覆蓝色琉璃瓦，跨于高峻的石阶之上。建筑间以梯道和栈道通连，各层平台均采用民族形式的钩阑，建筑台基与外墙用毛石砌筑，朴实厚重，与山石浑然一体。

紫金山天文台拥有射电天文实验室、空间天文实验室、天体物理研究部和天体力学研究部四个主要研究单元。有青海、青岛、赣榆、盱眙四个野外台站，其中青海观测站是我国目前唯一的大型毫米波射电天文观测站，装备了具有国际先进水平的13.7米毫米波射电望远镜；新建的盱眙观测站将是我国唯一的应用天体力学实测基地。

第五章 认知太阳系（3）

三太阳系的特征

对于所有这些观测到的太阳系的规律性，人们至今还不能作出解释。人们正是希望通过研究这种规律性来获得—种能对太阳系起源作出解释的理论。然而，甚至在没有完全令人满意的一种理论的情况下，下面的事件看来是肯定的：太阳系的秩序代表着一种有效的自动调节方式。行星的接近正圆的轨道保证了，它们能安全运行。不遵守这些交通规章和违反在一定轨道运动的天体或迟或早要同其他天体靠得过近。这种相遇的结果是，它们或者被潮汐力破碎，或者被加速到彻底离开太阳系——这是彗星常常遭到的下场。即使太阳系在过去不如现在这样井然有序，我们现在看到的某些次序也必然是要通过演化而建立起来的。

1、太阳系的基本特征

人们通过多年的观测和研究，掌握了大量的太阳系的特征，任何理论都必须能合理的解释这些特征，才会有机会获得认可。下面十一条观测事实基本揭示了太阳系的基本特征。

(1)行星公转具有同向性。即行星绕太阳转动的方向都一样，这个方向也就是太阳自转的方向。

(2)行星轨道具有共面性。行星公转轨道几乎都在一个平面(不变平面)上，只有最里面的水星的公转轨道对不变平面有较大的倾角，为6°17′，其余七个行星的倾角都小于2°2。太阳的赤道面和不变平面的交角不到6°。

(3)行星公转轨道都接近正圆，只有水星和冥王星的轨道偏心率较大，分别为0.206和0.25，其余行星的轨道偏心率都小于0.1。

(4)在太阳系33个卫星中，有20个绕行星的轨道运动也具有同向性、共面性和近圆性，轨道对行星赤道面的倾角都不超过2°，偏心率不超过0.11。其余13个卫星中有6个是逆行的，7个的偏心率和倾角都比较大。

(5)在八个行星中，有七个是顺向自转，只有金星逆向自转，天王星躺着自转。一般说来，行星的质量越大，自转越快。自转情况已知的卫星，月球、火卫一、二、木卫一、二、三、四和海卫一，都是顺向自转，而且是同步自转，即自转周期等于绕行星转动的周期。

(6)在太阳系的角动量中，太阳的角动量只占0.6％，行星的角动量则占99.4％。行星的角动量密度比太阳大五个数量级。对于卫星系统(地月系除外)，情况不一样。卫星绕行星转动的角动量比行星自转角动量小十倍到一百多倍，对于火卫系小32万倍。卫星的角动量密度只比行星大一、二个数量级。

(7)行星离太阳的平均距离有一定的规律性，规则卫星也有类似的规律。

(8)行星在质量和大小方面都是中间大，两头小。木星的质量等于其他七个行星的质量和的两倍半，木星和土星的质量和等于其他六个行星的质量和的12倍．但是，行星的平均密度则具有另一种分布．类地行星的平均密度都在4和5．5之间，类木行星的平均密度则在0.7和1.6之间。木卫系、土卫系、天卫系(只考虑规则卫星)的质量分布和大小分布也有中间大两头小的趋向，但不明显。由于卫星的半径和质量定得不准确，所以算出的密度值还不可靠。

(9)在火星轨道和木星轨道之间没有大的行星，只有许多小行星。小行星都顺行，但轨道的倾角和偏心率的范围却相当大。已定出四十几个小行星的自转周期。小行星在质量和大小方面的分布范围很大。一号小行星谷神星的质量就占小行星总质量的1／5。存在着好些小行星群。

(10)彗星公转轨道在半长径、偏心率和倾角这三方面的分布范围都很大。已算出轨道的六百多个彗星中，三分之二的轨道半长径大于700天文单位。轨道半长径越大，倾角和偏心率平均说来也越大。一半的彗星逆行。

(11)陨星有陨铁、陨石、陨铁石三类。陨石又分为球粒陨星和无粒陨星。有些陨星还含有钻石、水和有机物。

上列观测事实是太阳系在运动方面和结构方面最主要的特征，是任何有关太阳系起源和演化的理论都必须予以说明的．此外，太阳的形成和行星、卫星的形成是大致同时进行的，太阳早期的变化(光度变化，表面温度变化，物质的抛射)对行星的形成过程会有很大影响。

2、轨道特征

太阳系的中心天体是太阳，环绕着太阳有8个行星(包括他们的卫星)以及许多小行星、流星体和彗星在运转着。行星和小行星几乎都在同一个平面上绕太阳转动，大部分卫星也几乎在这同一平面上绕各自的行星转动，它们的转动方向一样，而且这个方向又正是太阳自转的方向。行星绕太阳转动的轨道和大部分卫星绕行星转动的轨道都是和正圆相差很少的椭圆。上述这三个运动特征称为行星和卫星的轨道运动的共面性、同向性和近圆性．这些运动特征在研究太阳系发展史上具有重要意义。

行星绕太阳运行的轨道是椭圆。行星轨道面对不变平面的倾角，只有水星和冥王星大些，分别为6°17′和15°33′，其他的都很小，都小于2°10′，这表现了轨道运动的共面性和同向性．偏心率也只有水星和冥王星的比较大，分别为0.206和0.249，其他的都小于0.1，这表现了行星轨道运动的近圆性。

卫星的情况却复杂些。33个卫星中有11个的轨道面对行星轨道面的倾角大于90°，它们绕行星的转动方向和行星绕太阳的转动方向相反，这些是所谓逆行卫星。土星最外面的卫星——土卫九是逆行的．木星最外面的四个小卫星——木卫十二、十一、八和九也都是逆行卫星。不过，离海王星很远的海卫二不是逆行的，而离海王星很近而且比海卫二大得多的海卫一却是逆行的。天王星和它的卫星系统都很特殊，天王星的自转轴和公转轴几乎垂直，前者对后者的倾角，也就是赤道面对轨道面的倾角为98°(地球只有23.5°)。五个天卫的轨道都在天王星的赤道面上，所以五个天卫绕天王星转动的轨道也几乎和天王星的公转轨道垂直。

在研究太阳系演化史时，一般把卫星分为两类：规则卫星和不规则卫星。规则卫星绕自己行星运动的轨道面对行星赤道面的倾角和偏心率小，离行星距离的分布有规则；不规则卫星的倾角和偏心率大，距离分布不规则。

归入规则卫星的有术卫一到五，土卫一到七和土卫十，天卫一到五，共18个。它们的轨道对行星赤道面的倾角都不大于1.5°。偏心率，除了土卫七的等于0.104以外，其余的都小于0.03。

月球、木卫六到十三，土卫八和九，海卫一和二，都是不规则卫星。它们的轨道面对行星赤道面的倾角都大于14°；轨道偏心率，除了月球、土卫八和海卫一以外，都大于0.13。两个小火卫，虽然它们的偏心率和倾角都较小，但仍归入不规则卫星。这是因为，第一，火卫一绕火星转一周的时间(7小时39分钟)只有火星自转一周时间(24小时37分钟)的1／3不到，这种情况在卫星中是独一无二的；第二，火卫二的a值和火卫一的a值的比率远大于2，这和土卫八和土卫九类似，而规则卫星的这种比率都小于2。

总而言之，约一半卫星的轨道运动具有共面性、同向性、近圆性；另一半的卫星这三个特征或者全没有或者少一种或两种。

已经定出轨道和编号的一千八百个小行星，其倾角和偏心率一般说来都比行星大。倾角有大到52°的，平均倾角为9.75°。偏心率有大到0.83的，平均为0．14。所以没有逆行的小行星。彗星的倾角和偏心率范围比小行星大得多，在周期长于15年的彗星中，约一半是逆行的；在已定出轨道的六百来个彗星中，一半以上的偏心率值等于1或略大于1。

行星除了轨道平面和倾角有规律，各个行星的轨道周期也表现出若干惊人的规律性。当我们把两颗最大的行星——木星和土星的周期加以比较时，我们发现二者之比为3：5。当我们把其他行星绕太阳运行一周所需时间加以比较时，也得出类似的比例关系。天王星和海王星的公转周期之比约为1：2，木星和天王星的公转周期之比为1：7，天王星和冥王星的公转周期之比为1：3。有趣的是，这些比值都是简单的，即它们都可以用不大的整数来表示。我们没有发现象19：31或21：57这样的比值。

与此类似，行星的卫星的公转周期也显示出同样的性质。例如，我们发现在天王星的五颗卫星中的任何两颗的轨道周期之间存在简单的比例关系。

3、距离特征

行星的轨道半长径——也就是行星和太阳的平均距离的分布具有一定的规律性。两个相邻行星的轨道半长径的比值大致是常数。对于规则卫星也有类似的情况。

对于天卫，比率都在1.46附近；对于土卫，去掉土卫八和土卫九这两个不规则卫星，则七个比率中只有一个较大，其余六个都在1.24附近；对于木卫五和木卫一到四，有三个比率很接近1.60，只有一个比值较大(达2.33)。

对于行星，比率在1.69左右，偏差约20％。总的说来，对于行星和规则卫星，这个比率大致为常数，即离中心体越远，相邻两个绕转体的轨道相隔也越远。对于不规则卫星，比值明显地较大，即上述规律不适用于不规则卫星．

对于行星，距离分布规律还可以用另外一种方式来表示，这就是德国数学教师提丢斯在1766年发现的规律。以后几年，德国天文学工作者波得对此规律加以论述和宣传，后来被人们称作提丢斯——波得定则。行星离太阳的距离，如果用0．1天文单位来表示，可以用一个简单的数列写出：4，4+3，4+3×2，4+3×4，4+3×8，……。

在提丢斯一波得定则提出来时，已知的最远行星是土星．在1781年，天王星被发现，运行轨道与定则计算值符合得很好。这样，就鼓励了天文工作者去努力寻找n=5的位于火星轨道和木星轨道之间的行星。寻找结果，于十九世纪初发现了好些个小行星，而不是一个大行星。头三个小行星的平均a值为2．7，和n=5时给出的2.8很接近。不过，1846年发现的海王星和1930年发现的冥王星的a值，分别同n等于9和10时由公式给出的值相差很多。

行星和卫星的距离分布规律，也是研究太阳系演化史的重要资料．

4、质量和密度

质量和半径是天体的最重要的两个物理参数，从这两个参数容易算出天体的平均密度。

行星都在自转着，自转较快的天体都成为扁球即旋转椭球体的形状，最短的轴就是自转轴。行星的质量和半径都比较大，内部物质由于受到的重力比外部物质的大，所以密度也比外部的大。行星的平均密度是用体积除质量得到的，介于内部密度和外部密度之间。

行星的质量和半径，其数值一直在改进。一个突出的例子，是冥王星的质量。过去，曾认为它是地球质量的90％或更大一些，到七十年代初期，通过较精密的测定，才把这个值改为地球质量的11％。

为了更清楚地看出行星在质量和大小方面的差别。木星和土星这两个行星的质量，就占了八个行星总质量的92．5%．从平均密度来看，行星可以分为两类；一类是最靠近太阳的四个，它们的密度都在4和5．5之间，称为类地行星；另一类是木、土、天、海这四个巨行星，也称类木行星，它们的平均密度比类地行星小很多，在0.7和1.6之间。

5、自转特征

自转在天体中是很普遍的现象，也是研究天体演化的重要资料。

所有行星的另一个共同点是，它们都自转，即绕本身的轴旋转。大多数行星的自转方向同它们绕太阳公转的方向一致。例外的有天王星和金星，它们是横向或反向自转的。行星绕轴自转的周期也显示出有趣的数字关系。当我们把内行星的自转同它们绕日公转加以比较时，我们会发现二者之间存在简单的整数比值。例如，金星按这样的方式自转：每当它经过地球时，它总是以同一面朝向我们。水星的自转周期同它绕太阳的公转周期之比为3：2(即自转3周的同时，公转两周)。这些运动方式至今未得到充分的解释。

过去，人们一直以为水星的自转周期恰等于它的公转周期，即88天。到了1965年，通过雷达观测，才定出了水星的自转周期等于58.6天，这正好是公转周期的2／3。金星表面经常笼罩着一层浓厚的云，测定它的自转速度相当困难，因此，关于金星的自转周期，长时间内没有一个公认的数值．不同测定得到的自转周期有长到225天(恰好等于公转周期)的，也有短到小于1天的。1964年，通过雷达观测，人们定出金星的自转周期等于244.3天，而且是反向的。这样，在8个大行星中，有6个是正向自转的，即自转方向同公转方向一样，不过，它们的自转轴对公转轴大半都有二十几度的倾角；天王星是侧向自转的，即“躺着”自转，它的自转轴和公转轴几乎垂直；金星则是反向自转。

在卫星中，只有月球、木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、海卫一和火卫一这七个卫星的自转周期已经知道，它们的自转周期都分别等于各自绕行星转动的周期。这种自转称为同步自转，是行星和卫星之间的潮汐作用的结果。

在已经定出轨道并加以编号的1800个小行星中，有五十多个的自转周期已经定出来，它们是从两个多小时到18小时，平均8.6小时。自转轴在空间的取向则多种多样，看不出有什么规律性，也许是资料太少的缘故。

有些彗星的核也在自转，周期是几小时。

太阳的自转有些特别，纬度越大，自转越慢．赤道处的自转周期等于25．4天(自转线速度为每秒2.0公里)，纬度15°处为25.5天，30°处为26.5天，60°处为31.0天，近极处约35天。太阳的自转轴对地球公转轴的倾角为7°15′，对不变平面法线的倾角为5°56′。

6、角动量分布特征

物体作直线运动时，它具有动量，动量等于物体的质量和速度的乘积。物体作曲线运动时则具有角动量，也叫做动量矩。行星绕太阳转动是一种曲线运动，所以行星都具有角动量。如果轨道是正圆，则角动量J等于行星的质量m、线速度v和轨道半径r的连乘积。

事实上，行星公转轨道都是椭圆。可以证明，天体在椭圆轨道上运动时，速度v和向径r(天体和位于焦点上的中心天体之间的距离)的乘积vr是一个常数。这样，上面的公式对椭圆运动仍然适用。行星公转时具有的角动量称为轨道角动量。

行星自转也有角动量，称为自转角动量。

角动量这个概念在论述太阳系演化史时会经常用到。假如一个天体系统(或其他任何物质系统)在一段时期内同外界没有物质交换，没有相互作用，则这个系统的角动量将保持不变。系统某一部分的角动量可以全部或部分地通过某种方式转移给系统的另一部分，但系统的总角动量不增也不减。这称为角动量守恒定律。

要计算角动量需要知道质量，要计算自转角动量还需要知道物质在天体内的分布。较大的天体都是内部密度大，外部密度小。太阳系里质量未能定出的天体一般都是较小的，如小行星、小的卫星和彗星等。在计算小行星和小卫星的角动量时，是假设一个合理的密度值，以它乘体积来求得质量。全部小行星的总质量约为地球质量的千分之一。

彗星的总数我们不知道，只有很少的彗星定出了质量，所以未计算彗星的角动量。估计彗星的总质量不超过地球质量的一亿分之一，所以彗星的总角动量只占太阳系的很小部分。只占太阳系总质量0.135％的行星和卫星等等，它们的角动量却占了太阳系总角动量的99.4％以上。这其中，木星的角动量占了61.5％，土星占了25.0％。而质量占99.865％的太阳，其角动量却只占太阳系总角动量的0.6％不到。这就是所谓太阳系的角动量分布异常，任何关于太阳系起源的理论都必须能够满意地说明这种分布情况。

卫星系统的角动量分布情况同行星系统很不一样．只有地月系里月球绕地球的轨道角动量比地球的自转角动量大四倍，对于其余卫星系统，都是作为中心体的行星的自转角动量比卫星绕行星的轨道角动量大十倍到一百多倍(火卫系统除外)。

在太阳系各天体的角动量计算出桌以后，考虑到角动量是矢量，可以求它们的矢量和，得到太阳系总角动量的数值和取向。结果是：太阳系总角动量矢量的数值等于3．155×10^50kgm^2/s(不包括彗星的角动量)，矢量和地球公转轴的夹角等于1°37′，和地球自转轴的夹角等于23°2′，和银河系自转轴的夹角等于6l°44′。垂直于太阳系总角动量矢量的平面就是所谓不变平面。不变平面最接近木星的轨道面，这是因为木星是最大的行星，它的角动量占了太阳系总角动量的3／5还多。

7、类木行星与类地行星

当我们观察从水星到海王星这些行星时，我们会注意到它们似乎分属于截然不同的两类。靠近太阳的行星全都是体积较小、密度较大的由岩石组成的。它们一般拥有相当稀薄的大气，自转速度也往往较为缓慢。这些行星即所谓类地行星，这个名称是按照它们原型——地球而取的。这类行星包括水星、金星、地球及其卫星——月亮和火星。另外四颗行星——木星、土星，天王星和海王星——往往称作类木行星，由木星而得名。比起类地行星它们要大得多，但密度要小得多，主要由氢和氦组成，它们大部处于液态。它们拥有重而稠密的大气，考虑到它们如此巨大，自转速度是很高的。这些行星由于体积大有时也叫做巨行星，又由于它们的组成比类地行星更接近于太阳的组成而被称为“太阳行星”。

类地行星几乎不含有氢和氦，而是由氧、硅和铁所构成。按照化学组成，小行星同类地行星最为相似，而彗星则同类木行星非常相似。

类地行星和类木行星之间的差异的确很惊人，而这一点正是必须依靠太阳系的起源来解释的。如果假定类地行星同太阳和类木行星起源于由原始物质组成的同一块云团，那么为什么类木行星保留了曾是这块原初云团的原始组分的绝太部分的轻元素呢?此问题的答案必然是构成任何一种太阳系起源理论的基石。

当我们把类木行星和类地行星的大气加以比较时，我们看到了它们之间的一个最为明显的区别。类木行星具有由比例大约为三分之二的氢和三分之一的氦组成的延伸很广的大气层。较大的类地行星(地球、金星和火星)则拥有富含碳、氮和氧的较薄的大气层。较小的类地行星(水星和月亮)根本没有大气。上述这些很大的差异的原因可以通过下述两个事实予以说明：一是行星之间在质量上存在很大的不同，二是它们的表面温度有很大不同，后者主要是到太阳的距离的远近造成的。一颗行星的质量越大，它的表面上的引力就越大，因而它更容易保留住它的大气中的各种气体。再者，由于类木行星的温度较低，分子就运动得比较缓慢，因而它们就不大可能达到逃逸到宇宙空间的速度。

类木行星距离太阳很远，这一事实至少可部分地解释它们自转速度为何较大。类地行星的自转速度可能由于受到太阳潮汐力的作用在几十亿年间的漫长历程中减慢了下来。但是，如果把太阳对各行星的自转的减慢作用加以比较时，我们会发现，有几颗行星（比如地球和火星）的自转似乎比所预期的慢。这表明，作用在这几颗行星的太阳潮汐力在过去比现在大得多。对此情况的一种解释是，假定这些行星的体积原先比现在要大得多。这个假说符合下述事实：如果假定地球是由构成太阳的同样物质所组成，那么地球为取得它现在含有的铁、氧和硅的数量，它原来的质量必须和木星的质量相等。所以，很有可能，类地行星原来都是象类木行星那样的巨大气体球。太阳附近的高温使它们丧失了绝大部分的氢和氦，仅留下了现在构成这些行星的岩石质的核心。

知识点：提丢斯

提丢斯（Titius, Johann Daniel）德国天文学家。1729年1月2日生于普鲁士的科尼茨（今波兰的霍伊尼斯）；1796年12月16日卒于萨克森的维腾贝格。

提丢斯是一位布商兼地方议会议员的儿子，其父死后由舅父养大。这位舅父是一个博物学家，他支持和鼓励少年提丢斯对于科学的兴趣。1752年，提丢斯在莱比锡大学获得硕士学位。1756年他在维磋贝格大学接受教授职位，并在那里终其一生。使他名垂科学史的一件事，是他在1786年提出诸行星与太阳的平均距离非常接近于用下式表示的简单关系：A=4+（2^n×3）,此处n的值依次取-∞、0，1，2，3，等等。这样就产生了一个数列：4，7，10，16，28，52，100，…它与水星、金星、地球、火星、----木星以及土星到太阳的相对距离相吻合。没有任何行星可以填补火星和木星之间的那个空缺。这一关系刚提出时并未受到人们的重视。1772年经波得*发表后才逐渐引起天文学家们的注意。此后，人们便称它为波得定则，可怜的提丢斯却被冷落一边。但是，七十年以后人们发现了海王星，便发觉这条“定则”其实只是一种巧合，并无实际的科学意义。尽管如此，它确曾鼓励了奥尔勃斯*和其它一些人朝火星和木星之间的那个空白处去搜索行星类的天体，并且发现了众多的小行星。在火星和木星之间有一个假象行星，叫“第五未知行星”，所以有猜测在火星和木星之间的小行星带是“第五未知行星”爆炸后留下的残骸。

延伸阅读

天体，是指宇宙空间的物质形体。天体的集聚，从而形成了各种天文状态的研究对象。天体，是对宇宙空间物质的真实存在而言的，也是各种星体和星际物质的通称。如在太阳系中的太阳、行星、卫星、小行星、彗星、流星、行星际物质，银河系中的恒星、星团、星云、星际物质，以及河外星系、星系团、超星系团、星系际物质等。通过射电探测手段和空间探测手段所发现的红外源、紫外源、射电源、X射线源和γ射线源，也都是天体。人类发射并在太空中运行的人造卫星、宇宙飞船、空间实验室、月球探测器、行星探测器、行星际探测器等则被称为人造天体。

天体在某一天球坐标系中的坐标，通常指它在赤道坐标系中的坐标（赤经和赤纬）。由于赤道坐标系的基本平面（赤道面）和主点（春分点）因岁差、章动而随时间改变，天体的赤经和赤纬也随之改变。此外，地球上的观测者观测到的天体的坐标也因天体的自行和观测者所在的地球相对于天体的空间运动和位置的不同而不同。

天体的位置有如下几种定义：

平位置

只考虑岁差运动的赤道面和春分点称为平赤道和平春分点，由它们定义的坐标系称为平赤道坐标系，参考于这一坐标系计量的赤经和赤纬称为平位置。

真位置

进一步考虑相对于平赤道和平春分点作章动的赤道面和春分点称为真赤道和真春分点，由它们定义的坐标系称为真赤道坐标系，参考于这一坐标系计量的赤经和赤纬称为真位置。平位置和真位置均随时间而变化，而与地球的空间运动速度和方向以及与天体的相对位置无关。

视位置

考虑到观测瞬时地球相对于天体的上述空间因素，对天体的真位置改正光行差和视差影响所得的位置称为视位置。视位置相当于观测者在假想无大气的地球上直接测量得到的观测瞬时的赤道坐标。星表中列出的天体位置通常是相对于某一个选定瞬时（称为星表历元）的平位置。

第六章 太阳系的成员（1）

太阳系是由太阳、行星及其卫星与环系、小行星、彗星、流星体和行星际物质所构成的天体系统及其所占有的空间区域。

在太阳系成员中，有的个子大，有的个子小，有的温度高，有的温度低，有的转得快，有的转得慢，尽管都处于同一个星系，但差异还是很大的。

太阳系中最重要的天体是太阳本身。太阳是一个光芒万丈的大火球，处在太阳系的中心。在太阳系中，太阳对于其他的天体起着引力维系物的作用。它差不多是所有的光和能的来源，几乎占据了太阳系总质量的99.9％。然而太阳是一颗恒星，所以从根本上说来，它不同于太阳系中任何其他的天体。流星尘这些最小的天体和地球的相同之处，也比它们同太阳的相同之处要多。因此，当我们谈到太阳系的天体时，我们一般总是从仅次于太阳的最重要天体——行星开始的。

太阳系中有八大行星。对它们的基本性质所作的对比表明，这八大行星分属于明显不同的两类。距太阳较近的那些行星——水星、金星、地球和火星，体积小，密度高，自转速率慢。木星、土星、天王星、海王星的体积要大得多，但密度却较小，自转速率较快。内行星一般称为类地行星，而外行星则通称为类木行星。

彗星的形态与其他的不同，它拖着一条长尾巴横冲直撞，其中有些很可能还是其他星系中的成员，由于某种原因使它突然串到太阳系中来的，说不定哪一天又不辞而别了。因此，只好把它们算作太阳系中的“特殊成员”了。

下面，我们来逐一认识一下太阳系中这些成员们的面貌吧!

一、太阳

1.太阳大小

从地球上看太阳，它似乎和月球差不多大，其实，这是距离造成的错觉。太阳距离地球，平均约有1.5亿公里，几乎是月球与地球距离(约38万公里)的400倍。这段距离有多长呢?如果乘坐一架每小时飞行800公里的飞机到太阳上去旅行，得需要整整21年的时间。每秒钟能跑30万公里的光，走完这段距离也要8分19秒，换句话说，假如太阳现在熄灭了，我们要在8分19秒之后，才会感到黑暗降临。

太阳的半径约为695，980公里，等于地球半径的109倍，109倍看来似乎相差并不很大，可是，球的体积与半径的立方成正比。因此，这个半径倍差意味着太阳的体积比地球大130万倍，假如太阳是个空心巨球，我们想用地球把它装满的话，除了需要90万个整地球以外，还要再把40万个地球切成碎块来填缝。

根据万有引力定律，算出太阳的质量大约等于2000亿亿亿吨，差不多等于地球总质量的33万倍，或者说，等于太阳系所有大行星质量总和的740倍。太阳表面所产生的重力为地球表面的28倍。一个在地球上重50公斤的人，如果站在太阳上，他的体重就变成1400公斤了。太阳正是依靠这巨大的质量，以强大的引力控制着太阳家族中的每个成员，犹如一位强有力的组织者和指挥者，把这个庞大的“家族”管理得井井有条。

不过，在人们看来极其巨大的太阳，在宇宙的恒星世界中，不论从体积、质量，还是光度来说，都是极其普通的。有的恒星比它大几十倍、几百倍，甚至几千倍，要是太阳和它们“站”在一起，只不过是一位毫不引人注意的“小个子”而已。这个“巨大的小个子”位于银河系一条螺旋臂上，大约处在星系中心至边缘的四分之三处。太阳和它的行星一样，也在不停地自转，自转一周需要25．2个地球日(赤道部分)。同时，它也带领着整个太阳系以每秒250公里的速度，围绕银河系中心旋转，旋转一周大约需要2亿年之久。

太阳不是一个标准的圆球，而是一个赤道部分隆起、两极部分凹下的扁球体。这个扁球体的赤道半径比极半径大6.5公里。这6.5公里之差，对如此庞大的太阳来说，当然是微不足道的，但它的存在说明，太阳也像我们地球一样，不是标准的球体。

2.太阳结构

用肉眼看太阳，除了那明亮夺目的光辉以外，它在天空中几乎每天都是无声无息地东升西落显得那么安详和宁静，其实，事实并非如此。如果用一台望远镜仔细观察它的话(当然一定要加上黑色保护镜片，否则会烧伤眼睛)，就会发现，太阳表面是变幻无穷的。

从结构上来说，太阳可以分为内部和大气两大部分。太阳内部是我们看不见的高温高压的世界；可以看见的，只是太阳表面的大气层。根据太阳大气层结构的不同特点，大致可以划分为光球、色球和日冕三层。

1．光球

所谓光球，就是我们平时看到的耀眼的太阳圆面。

光球这个名称是18世纪一位叫做“施罗特尔”的天文爱好者首先使用的，意思是“发光的球”，太阳的直径就是按这个圆面定出来的。光球实际上就是太阳的低层大气，厚度约300公里，温度约为6000℃。遗憾的是，正是这层厚度不大、密度很小(其密度约为水的几亿分之一)的气层，挡住了人们的视线，使人们难以看到太阳内部的奥秘。

用肉眼观看光球，它似乎只是一层十分明亮而光滑的圆轮。可是，在望远镜里，情况就大不一样了，它上面密密麻麻地布满着象“米粒”一样的结构，人们形象地把它叫做“米粒组织”。其实，用米粒这个名称却太不相称了，因为这些所谓“米粒”大得惊人，有的直径达1200公里，面积比青海省还要大，最小的直径也在300公里左右。从地球上看去，这些蜂窝状结构，不仅象大米，还象一颗颗明亮的珍珠，散落在太阳圆面上，此起彼伏，闪闪发光。更有趣的是，它们的寿命都很短，不断出现又不断消失，形状和位置随时都在变化，几分钟内就辨认不出谁是谁了，看到的只是一片汹涌翻滚、永不停息的“波涛”。

这些奇怪的“米粒”究竟是些什么东西呢?天文学家们对它作过许多解释。目前，一般认为它是太阳表面灼热的气体掀起的波浪，可能是由太阳深层上升到表面的炽热气团，由于它的温度比周围要高约300℃左右而成为一块亮斑。这些上升的气团，由于不断向外辐射能量而变冷，接着很快又沉了下去，下沉后又被加热，再次上升成为另一个“米粒”，这种不断翻腾的现象，正是太阳表面冷(相对的)热气体上下对流的表现。

除了这些时时变幻无穷的“米粒”以外，在这层光辉夺目的光球上，还可以看到另一种引人注目的东西——黑子。

所谓“黑子”，就是太阳表面分布的黑色暗斑。早在公元前28年(汉成帝河平元年)，我国就有了关于太阳黑子的记载。此后两千多年中，史书内有关黑子的记录多达一百余次。古代，我国人民把太阳又叫做“金乌”，意思是太阳里面有一支黑色的乌鸦。其实就是对黑子形象的描述。国外对黑子的观测比我们晚了800多年，一直到公元807年，欧洲才第一次出现黑子记录。1610年，伽里略第一次用望远镜观测了太阳黑子。同年，德国的席勒尔也在望远镜中看到了太阳上的这些黑斑。可是，当时在宗教统治的欧洲，这是大逆不道的邪说。按照宗教的教义，太阳是宇宙的眼睛，宇宙的眼睛怎么会有“沙子”呢?因此，当席勒尔经过反复观察，证明确实无误，便向教长报告，教长严肃地对他说：“我读过亚里斯多德的所有著作，里面根本没有谈到过有这类事情，去吧!孩子，不要胡思乱想，这一定是你的眼睛或者玻璃上有点什么，使你看错了，纯洁无瑕的太阳怎么会有黑点呢?以后再不要这样说了”。宗教偏见是不承认自然规律的。当然，自然规律也绝不会屈从于任何偏见。随着天文学的发展，不仅确认了这一现象，而且太阳黑子的秘密也真相大白了。

经过长时期的辛勤观测和研究，现在人们知道，所谓黑子，实际上是太阳表面灼热翻滚的气体海洋中掀起的一个个巨大的“漩涡”，这种漩涡式的凹坑深度大约100公里，直径达几千至几万公里，在这种漩涡中的物质，运动速度高达每秒2000米，说明这里气流的扰动何等剧烈。那么黑子真的是黑颜色的吗?其实，黑子并不黑，它比火红的钢水还要明亮得多。人们之所以把它们看成块块黑斑，只是由于它的温度相对较低(约为4500℃)，比光球温度低1500℃左右，在明亮的光球背景反衬下，才显得好象黑暗一些而已。

黑子的形状、大小和它在日面上的位置都在不断变化。大黑子是由小黑子长大的，小黑子则诞生在米粒组织之间的小孔中，黑子很少单独行动，常常是成群结队地出现，称为“黑子群”。当一个黑子群发展到最大时，直径长达几十万公里，面积可以达到几十个甚至一百几十个地球圆面积那么大。经过长期对黑子研究的结果证明，黑子群中的黑子数目和它们面积大小的变化，似乎具有某种周期性。由极小到极大，大约平均需要四年，接着由极大又到极小，约需要七年，平均周期是十一年左右。从1750年到1851年100年的观测资料，可以明显地看到这种周期变化。但是，严格地讲，这种周期好象又不十分准确，例如：1917年是太阳黑子数目的极大年，相对数(一种表示黑子活动的指标)为104，十一年以后，另一个黑子数目的极大年——1928年，却只有78。可是1937年又出现一个极大年，黑子数为114，而其间相隔却只有九年。因此，直到现在，一些科学家对太阳黑子是否有一个十一年的准确周期还抱有怀疑。黑子活动的周期究竟如何?还有待于我们去进一步研究、探索。

特别值得注意的是，黑子是太阳上的强磁区，具有强达三、四千高斯的磁场，比周围区域的磁场强度高出几十倍，甚至几百倍。因此，有的天文学家把黑子又叫做太阳表面的“磁性岛屿”。不久前，美国天文学家帕尔克还认为，黑子的温度之所以比较低，正是因为强磁场大大促进了能量的传输，把绝大部分热流变换为磁流体波，沿磁力线迅速传播出去的结果。

黑子是太阳活动的主要标志，其他种种太阳活动，例如光斑、谱斑、耀斑以及日珥等等，几乎都与黑子的多少有关。长期观测证实，黑子群愈大，它附近出现的各种活动现象也愈多。因此，人们常常用黑子多少来衡量太阳活动的强弱。研究黑子的一个主要目的，就是要了解下面将要谈到的，对地球影响最大的太阳耀斑。

2．色球

所谓色球，就是紧贴在光球之上的一层太阳大气，平均厚度约为1～2万公里左右，它的密度比光球还要稀薄得多，可以说几乎完全是透明的。色球层的温度高达摄氏1万度左右。平时我们是看不见它的，只有在日全食发生或使用色球望远镜观测时才能看到，它就象一圈微红色的环带，套在太阳的周围，显得格外艳丽。色球这个名称就是这样得来的。由于强烈的气流扰动，色球层上遍布着无数明亮的“火舌”，就象一场巨大的森林火灾那样，到处是一片熊熊燃烧的漫天大火，这些一边燃烧一边上升的火舌，有的宽达1000多公里，最高可达7000公里，其猛烈的程度，是地球上任何火焰都难以比拟的。除此以外，更为壮观的恐怕要算“日珥”了。它们比上面谈到的火舌更要雄伟得多，这些巨大的气体柱形成的高达几十万公里的“火焰喷泉”，在色球层上形成象流烟、云朵、树枝、龙卷风那样的各种奇特的形态，使人们感到太阳真是一个“大火球”了。

雄伟的色球风光固然使人惊叹，但人们更多的注意力，却是集中在太阳的耀斑上。所谓太阳耀斑，又叫做“色球爆发”，这是太阳活动的一种重要现象。当这种现象发生时，首先是在色球层内一个不大的局部，亮度突然增强，射电辐射急促增加，15～30分钟以后，正式爆发开始，接着在几分钟到一至二小时的过程中，发射出很强的短波电磁辐射，如紫外光、X射线等所放出的能量的数量级大约为10^25卡，即10亿亿亿卡。我们知道，卡为热量的单位，1卡可以使1克水增温1℃，10^25卡意味着使10亿亿吨水由0℃增温到100℃。

此外，耀斑发生时，还抛射出大量的质子、电子和氦核等高能粒子，每个粒子的能量约10^5～10^9电子伏特，它们的运动速度可达光速的1／3～1／2，或者说，色球层爆发产生的粒子流，只需10～30分钟就可以从太阳到达地球。这些粒子穿透性很强，对于防护不够的宇宙飞船、人造卫星影响很大，严重时甚至可以使座舱中的宇航员和仪器受到伤害而不能正常工作，特别是当增强的X光辐射来到地球附近后：那些1～10埃的X光辐射，使电离层的电子密度突然增多，从而对电波产生增强吸收，造成电离层的紊乱，使地球上依靠电离层反射的无线电通信出现强烈干扰甚至中断。

1956年2月23日，中央人民广播电台的短波广播突然中断，全国各地的收音机同时都收不到北京的短波播音了。可是，36分钟以后，一切又恢复了正常，是电台出了毛病吗?没有，电台一直在正常播音。在这同一时间，英国一支潜水艇部队正在格林兰海面进行军事演习，指挥部与部队也失去了无线电通信联系，大家以为潜水艇出了什么事故，正在无可奈何的时候，无线电通信又自动恢复了。后来，天文学家才发现，原来太阳发生了一次猛烈的色球爆发，这些短波通信中断的“故障”都是由于电离层受到强烈冲击造成的。经过计算后知道，这次色球爆发，相当于100万颗氢弹的爆炸力。

许多统计研究表明，太阳耀斑与地球上的许多自然现象都有关系，现在许多科学家认为，地球上的气候变化；灾害性天气出现的频率；树木生长的速度；甚至地震都可能与太阳活动有关，而太阳活动中最剧烈的现象则是耀斑。因此，对太阳耀斑的研究，已经成为当前研究日、地关系的一项重要课题了。国际日地物理学科学委员会已计划，在当前太阳活动的极大年期间，组织联合观测和专题讨论，为作好耀斑预报积累经验和资料。

3.日冕

最后就该说到“日冕”了。日冕是太阳最外层的大气，紧紧贴在色球上，厚度可达1～2万公里。这层大气非常稀薄，大约相当于地球大气密度的一万亿分之一。平常我们是看不到它的，即使用色球望远镜也看不到，因为它比太阳本身更白，只有当日全食发生时，人们才能在太阳黑色圆轮的四周看到它象一朵洁白的大花朵，在太阳的周围闪耀成一片珠宝般的银白色光辉，它的光芒一直延伸到几个太阳直径那么远的地方。

日冕的主要特点是它那骇人听闻的高温——摄氏100万度，比光球(6000℃)和色球(10000℃)要高一百多万倍。为什么太阳外层大气反而比内层大气温度高这么多呢?这个使许多科学家们长期困惑不解的“高温之谜”，直到现在还是正在探索的难题。

目前，最流行的一种理论叫做“波动加热”说，认为日冕的高温是由于太阳表层激烈的物质对流运动产生的强波动造成的。这些波动其中包括声波，当声波传到日冕后变成了冲击波，波动是要靠物质的振动才能传播的，而日冕的物质却极为稀薄，振动在这里就很难维持下去了，只好把能量散失在日冕空间，计算表明，这样不断散失的能量，足以使日冕加温到摄氏100万度左右。真的就是这样吗?恐怕还有待于进一步探讨。

在这极度高温的环境中，日冕物质全部都电离了，这里的带电离子，都以极大的速度一刻不停地运动着，例如，氢原子核(质子)平均运动速度约为每秒220公里。虽然太阳以它强大的引力，力图把它们拉住，但是，还有一部分脱离了太阳，象脱缰的野马似的奔向星际空间。这些脱离太阳的高速粒子流，就是我们常说的“太阳风”。人造卫星测量的数据表明，这些高速粒子在地球轨道附近平均速度达到每秒400公里，其中最快的达到每秒770公里。从太阳到地球1.5亿公里的路程，一般只要5～6天就到了。这种太阳风，不仅“吹”向地球，而且还可以一直“吹”到最遥远的冥王星。可以说整个太阳系都是它们纵横驰骋的场所。

有趣的是，日冕的形状也和太阳黑子的多少有关。多次在日全食拍摄的日冕照片，都毫无例外地显示，黑子活动剧烈的年份(极大年)日冕呈现一种规则的圆形，而在黑子活动弱的年份(极小年)，日冕则表现为扁形长条。

4.太阳能量

太阳分分秒秒都在散发出巨大的光和热，它巨大的能量是从哪里来的呢？

1814年，德国一位光学工人福朗哈佛把开普勒和牛顿发现的光通过棱镜可以分解为不同颜色的原理，应用到对恒星的研究上，走出了恒星光谱学的第一步。后来，又经过人们不断地改进和完善，光谱分析终于诞生了。这就为了解太阳物质获得了一件有力的武器。一排排明暗相间的谱线终于告诉人们，太阳和其它天体一样，也是由各种物质组成的。

地球上已经发现的元素中，在太阳上已找到七十多种，例如氢、氦、碳、氮、氧、铁、硅、钠、钾、钙等。其中有些元素，例如氦，还是首先在太阳上发现后才在地球上找到的。从组成太阳的这些元素的含量来看，主要是氢和氦，其中氢约占元素总量的81％，氦约占18％，其他元素的含量都很少，太阳实际上是一团灼热的气体。

弄清了太阳的物质组成，对于我们了解太阳为什么会长期稳定地发出如此巨大的热量，实在太重要了。原来，太阳的光热是热核反应的结果，太阳内部存在的大量的氢不断地进行着四个氢原子核结合成一个氦原子核的反应。-估计太阳上这种强烈的热核聚变反应，一秒钟就要消耗约四百万吨氢。正是由于这种反应的持续进行，太阳每天都消耗大量的氢、产生大量的热、放出大量的能。其原理完全同氢弹爆炸的情况一样。太阳正是依靠这种能源，成为我们今天见到的这个光芒万丈的大“火球”。

火红的太阳向外辐射的能量是十分惊人的，每秒钟释放的能量约为3.8×10^33尔格，这个数字多么大呢?大约相当于500后面再添上20个“0”那么多马力的功率。或者说相当于一秒钟内同时爆炸910亿颗100万吨级的氢弹。这真是一个难以想象的数字，如果把这些能量用热量单位来表示的话，等于每分钟放出5×10^24千卡的热量。这些热量需要燃烧1.3亿亿吨煤才能得到。有人做过这样一个计算，如果用一层12米厚的冰壳把太阳包起来，这些热量只需要一分钟就可以使它全部熔化。太阳就是这么一个使人惊奇的灼热天体。几十亿年来，它就是这样不断地散发着巨大的热量，成为整个太阳系的光和热的源泉。

5.太阳寿命

近代天文科学告诉我们：恒星，包括太阳在内，都有一个从产生到灭亡的十分漫长复杂的过程。

天文学家们研究了许多不同发展阶段的恒星之后，已经知道，太阳早已渡过了它的幼年期，它象现在这样照耀我们已经几十亿年了。当前，正处于精力旺盛的主序星阶段，保持目前这样的光和热，至少还可以稳定50亿年。

估计至少要在50亿年以后，才会逐渐进入体积急剧膨胀的红巨星阶段。那时，太阳的体积可能增大到把水星、金星的轨道都包括在内。它释放出的热量可能使地球表面的温度上升到300℃以上，这个温度足以使锌或铅熔化。到那时，地球上广阔的海洋也会蒸腾为一片云雾而干涸。当然，不加保护的生物都会荡然无存了。经过这一急剧膨胀之后，太阳又会逐渐缩小，天空中的水分又将会落回地球再次填满海洋和湖泊，也许还会出现一段和现在差不多的环境条件。此后，在太阳把剩下的核燃料转变为金属元素的那几亿年里，它将发出蓝色的光辉。最后，终于耗尽了核能而成为一颗不再燃烧的白矮星。当然，在这以后很长很长的一段时期里，它还会继续发出一点点微弱的光亮。这时，太阳的体积可能缩小到比地球还小，但它巨大的质量仍足以牵引着地球在围绕它的轨道上继续运转。

知识点：核聚变

核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。

D（氘）和T（氚）聚变会产生大量的中子，而且携带有大量的能量，中子对于人体和生物都非常危险。

氘氚聚变只能算”第一代”聚变，优点是燃料无比便宜，缺点是有中子。

“第二代”聚变是氘和氦3反应。这个反应本身不产生中子，但其中既然有氘，氘氘反应也会产生中子，可是总量非常非常少。如果第一代电站必须远离闹市区，第二代估计可以直接放在市中心。

“第三代”聚变是让氦3跟氦3反应。这种聚变完全不会产生中子。这个反应堪称终极聚变。

目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变，但是现在看来还有很长的路要走。

延伸阅读

牛顿，1642年12月25日——1727年3月31日，爵士，英国皇家学会会员，是一位英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；从而消除了对太阳中心说的最后一丝疑虑，并推动了科学革命。在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒之原理。在光学上，他发明了反射式望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。在数学上，牛顿与戈特弗里德·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究作出了贡献。在2005年，英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查，牛顿被认为比阿尔伯特·爱因斯坦更具影响力。

1727年3月31日，伟大的艾萨克·牛顿逝世。同其他很多杰出的英国人一样，他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上镌刻着：让人们欢呼这样一位多么伟大的人类荣耀曾经在世界上存在。