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在宇宙图像系列的第二部分中，我们来看看身边的太阳系。我们地球所处的太阳系是一个受太阳引力影响的空间区域，它在太空中延伸了 15—30 万亿公里的距离，其中包括行星、卫星、小行星和彗星。太阳系的尺度用公里来描述显得单位有些小了，因此天文学家曾把太阳到地球的平均距离定义为一个天文单位（1 AU），从 2012 年 8 月开始，它的数值大小被固定为： 太阳和八大行星 太阳系是我们最为熟悉的天体系统（毕竟大家都住在这里），太阳位于这个系统的中心，八大行星（水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星）以及其他的一些小天体（如矮行星、小行星、彗星等）围绕着太阳不停的旋转。值得一提的是，八大行星的轨道几乎都位于同一平面上。  太阳是这个系统中唯一的一颗恒星（能依靠自身热核反应产生能量的天体），它的质量占到了整个太阳系总质量的 99.86%，主要成分是氢（73%）和氦（25%）。太阳形成于大约 46 亿年前，目前正处于恒星的中年阶段，大约 50 亿年后，太阳会耗尽核心中的氢元素，演变为一颗红巨星，并吞噬水星和金星。但在这之前，差不多从现在起算 15 亿年后，由于太阳温度越来越高，地球平均温度会上升到 100℃，海洋中的水会全部并流失到太空中，地球也将成为生命荒漠。（所以，人类探索太空，进入星际文明的意义也在于此……）  我们把八大行星可分为两类，一类是类地行星，由岩石组成，石质的行星比气体行星小很多，卫星也少很多，甚至没有，并且没有环，包括水星、金星、地球和火星。另一类是类木行星，由气体构成，有着岩石和冰的固态核心，比石质行星要大很多，卫星比较多，一般都有环，包括木星、土星、天王星和海王星。下面我们分别对这八颗行星进行介绍。 水星（Mercury） 水星在中国古代被称为“辰星”，是八大行星中最小的一个，也是离太阳最近的一个，轨道半长轴仅 0.4 AU，没有卫星，也没有大气层。水星的轨道偏心率 0.21，是最偏的一个，导致白天温度可以高到 427℃，夜晚则异常寒冷，最低可达 -173℃，昼夜温差非常大，为八大行星之最。  金星（Venus）  金星与太阳的平均距离约 0.7 AU，自转周期为 243 个地球日，公转周期为 225 个地球日。最奇特的是，金星的自转方向是自东向西逆转，这是太阳系大天体运转“同向性”的唯一例外，可能是在其演化过程中，受到过一个大星体猛烈的撞击。如果我们生活在金星上，会看到太阳从西方升起，东方落下。 地球（Earth） 地球是人类的家园，目前唯一支持生命存活的星球，表面有丰富的液态水和氧气。地球有一颗卫星（月球）以及厚厚的大气层，自转倾角导致了大多数地区分春夏秋冬四季，而极区有极夜和极昼现象。地球是八大行星中密度最高的，其自转轨道面称为赤道面，公转轨道面称为黄道面，自转轴倾角约为 23.4°。  火星（Mars） 火星是一颗引人注目的红色星球（因为土壤中含有大量氧化铁），也是除地球之外，最适合人类生存的行星，因此也是我们进行星际移民的首选。火星有两颗小卫星以及稀薄的大气层，曾经存在有大量的水。火星轨道半长轴为 1.5 AU，其自转周期为 24.5 小时，公转周期为 687 个地球日，接近地球上的两年。  火星的真实色彩影像，2007 年 2 月由罗塞塔号拍摄。 火星的天空满是细小的尘埃，这些尘埃导致火星的天空呈现橙红色。两极有永久性的白色极冠，北极冠主要由水冰构成，南极冠主要由干冰构成。火星上还常有巨大的沙尘暴，有 1000 米高，并持续数月。 木星（Jupiter） 木星是太阳系中最大的行星，大概可以塞进去 1300 多个地球。木星最为有名的就是“大红斑”，这是一种大型风暴，数万公里宽，每 6 天逆时针旋转一周。木星上也有磁场，会产生比地球强几百倍的极光。  木星的轨道半长轴为 5.2 AU，自转周期仅有 9.93 小时，公转周期为 11.86 个地球年。由于自转速度很快，导致木星赤道区域向外隆起。木星通常是夜空中第三亮的天体，仅次于月亮和金星，有一个暗淡的行星环。 土星（Saturn） 土星是太阳系的第二大行星，也是肉眼可见的最远的行星。土星最显著的特征就是它那美丽壮观的土星环，厚度仅有 1 公里，因此也被称为“圆环行星”。土星上充满了风暴，从地球上还可以看到白色的巨型风暴。土星很轻，如果有一个足够大的游泳池，那它就是唯一一个能漂浮在水上的行星。土星的轨道半长轴为 9.6 AU，自转周期为 10.6 小时，公转周期为 29.4 个地球年。
 卡西尼-惠更斯号于 2006 年 9 月 15 日拍得的土星环全貌。 天王星（Uranus） 天王星是太阳系第三大行星，大小相当于 67 个地球。1781 年英国天文学家威廉·赫歇尔通过自制望远镜发现了天王星。天王星的赤道几乎与公转轨道垂直，是一颗“倾倒”的行星，人们推测，在很久以前天王星可能曾与一个类似行星大小的物体相撞而被撞翻。天王星也是太阳系最冷的一颗行星，表面温度最低为 -224℃。天王星的半长轴约 19.2 AU，自转周期为 17.25 小时，公转周期为 84 个地球年。  海王星（Neptune） 海王星是太阳系中距离太阳最远的行星，轨道半长轴为 30 AU，其大小约为地球的 54 倍。海王星是通过它对天王星轨道的摄动作用而于 1846 年被发现的，这一发现被认为是牛顿万有引力理论伟大成功的典范。海王星的自转周期为 16 小时，公转周期为 165 个地球年。  旅行者 2 号拍摄的海王星。 除了大家熟悉的八大行星之外，太阳系中还有五颗矮行星（Dwarf Planet），分别是谷神星、冥王星、妊神星、鸟神星和阋神星，除了谷神星位于小行星带，其余四颗均位于柯伊伯带或离散盘。矮行星又称中行星、准行星、侏儒行星，是具有行星级质量，但既不是行星，也不是卫星的天体。也就是说，矮行星直接环绕着恒星公转，并且自身的重力足以达成流体静力平衡的形状（通常是球体），但未能清除邻近轨道上的其它小天体和物质。目前国际天文联合会（IAU）只认证了这五颗矮行星，但未来可能会增加很多颗，比如亡神星、创神星、共工星、塞德娜等。 冥王星（Pluto） 这里我需要单独讲讲冥王星，在19 世纪末天文学家就通过对海王星的观测推测有其他行星摄动天王星的轨道，从 1906 年开始天文学家便开始搜寻推测中的第九大行星——X 行星，最终在 1930 年由美国天文学家汤博（Tombaugh）发现。但其实根据后来旅行者 2 号在 1989 年飞掠海王星时测得的数据（海王星的质量减少了 0.5%）重新计算，发现天王星的轨道其实并没有异常，X 行星也就没有存在的必要。 而后在长达 76 年的时间里冥王星一直被视为一颗行星（我小时候看的天文书中都是写的太阳系有九大行星），直到 2006 年国际天文联合会才正式将冥王星降级，归类为矮行星，这之后我们才说太阳系只有八大行星。 冥王星距离太阳非常遥远，其轨道半长轴约为 40 AU，太阳光平均到达冥王星的时间要 5.5 小时。冥王星沿高度偏心的椭圆轨道运行，有时离太阳比海王星还近，其自转周期为 6.4 个地球日，公转周期为 248 个地球年。事实上，由于距离实在太远，天文学家们花了接近 100 年才相对正确的估算出冥王星的重量。 新视野号从 45 万公里距离所见的冥王星（2015 年 7 月 14 日） 行星的卫星们 八大行星中，除了水星和金星没有卫星之外，其他六颗行星都有自己的卫星，而其中有不少卫星非常值得讲一讲。 月球（Moon）/ 离我们最近的卫星 月球是地球唯一的卫星，也是太阳系第五大卫星，离我们仅 38 万公里。其形成于大约 45 亿年前，也就是地球形成后不久，关于月球起源目前主流的看法是地球和一颗火星大小的同轨道矮行星之间发生碰撞后产生的（但该假说依然存在无法解释的问题）。月球质量约为地球的 1/81，没有大气层。月球上较暗的区域叫做“月海”，因为最初天文学家误认为这些区域是海洋，但实际上是由火山岩石形成的平原，月海的外围部分叫做高原。
月球由于和地球潮汐锁定的缘故，我们在地球上只能看见其正面，背面是永远看不到的。当月球运行到太阳和地球之间时就可能产生日食，由于太阳的大小是月球的 400 倍，他们相对地球的距离也相差 400 倍，正好产生日全食。当月球运行到地球阴影中的时候形成月食，月食中的月球不会完全变黑，地球大气折射的太阳光会使月球呈现出像落日一样的橘红色。 木卫二（Europa）/ 最有可能存在生命的卫星 木卫二又叫欧罗巴，由伽利略在 1610 年发现，是四颗伽利略卫星中最小的一颗。木卫二的表面由水覆盖，厚达几百公里，在冰壳下可能存在液态海洋，另外木卫二还包裹了一个主要由氧组成的稀薄的大气层，这也是为什么它被认为是太阳系中除地球外最有可能存在生命的星球。 木卫二有在太阳系任何已知的固体物体的最光滑表面，撞击坑相当少。 人类对于木卫二的大多数知识都来自于旅行者 2 号和伽利略号两次任务的飞掠观测，不过 NASA 即将于今年 10 月发射木卫二的探测器——欧罗巴快船，该任务预计 2031 年飞越木卫二，总共要飞越近 50 次，距离木卫二表面最近距离为 25 公里。 木卫三（Ganymede）/ 最大的卫星 木卫三又名盖尼米德，也是四颗伽利略卫星之一，1610 年被伽利略观测到。木卫三是太阳系中最大的卫星，平均半径 2634 公里，比水星体积还大。它是太阳系中唯一拥有磁层的卫星，其磁层可能是由富铁的流动内核的对流运动所产生的。 木卫三距离木星距离有 107 万公里，它与木卫二及木卫一保持着 1:2:4 的轨道共振关系，即木卫三每公转一周，木卫二即公转两周、木卫一公转四周。和大多数木星卫星一样，木卫三也被木星潮汐锁定，永远都以同一面朝向木星。 土卫六（Titan）/ 唯一有稠密大气层的卫星 土卫六又名泰坦，是土星卫星中最大的一个，也是太阳系的第二大卫星，它的体积也比水星大，由荷兰天文学家惠更斯于 1655 年发现。土卫六公转轨道半长轴有 122 万公里，被土星潮汐锁定，因此自转周期和公转周期一致。 土卫六是除地球外唯一一个有富含氮气的大气层的星球，其氮气占比高达 97%，其表面布满了液态甲烷湖泊，因此被认为是一个富含复杂有机化合物的生命起源前环境，在某些方面与原始地球环境相类似。科学家猜测可能存在甲烷生命，也可以把土卫六视为一个时光机器，有助于我们了解地球最初期的情况，揭开地球生物如何诞生之谜。 海卫一（Triton）/ 最冷的卫星 海卫一是海王星最大的卫星，由英国天文学家威廉·拉塞尔（William Lassell）于 1846 年 10 月 10 日发现。海卫一是太阳系中被测量到的最冷的天体，最低温度记录为 −235℃，这是因为海卫一的反照率非常高，使其反射大量阳光而不是吸收阳光。 海卫一是太阳系中唯一具有逆行轨道的大型卫星，轨道与行星自转方向相反。由于其轨道逆行，成分、结构又皆与冥王星相似，一般认为海卫一是一颗从柯伊伯带捕获的矮行星。由于海卫一的轨道本来就离海王星非常近了（35 万公里左右），加上它的逆行轨道，继续受潮汐作用的影响，估计在 14 亿年到 36 亿年内它会达到洛希极限。之后它可能与海王星大气层相撞，或者分裂成一个环。 经渲染的海卫一南极地区图像，由旅行者 2 号拍摄。 小行星带和柯伊伯带 除了行星和矮行星之外，太阳系中还有很多其他的天体存在，目前已知的主要分布在两个区域，一是火星和木星轨道之间的小行星带，另一则是海王星轨道外的柯伊伯带以及离散盘。 小行星带 小行星普遍被认为是 45 亿年前行星形成时的残余物，在红外线波段的巡天显示，直径在 1 公里以上的小行星数量在 70 至 170 万颗之间，而且还可能更多。小行星带由原始太阳星云中的一群星子形成，木星巨大的引力阻碍了这些星子形成行星，并造成许多星子相互间高能量的碰撞，生成许多残骸和碎片。小行星绕太阳公转的轨道，继续受到木星的摄动，形成了与木星的轨道共振。 主要的小行星带（以白色显示）位于火星和木星轨道之间，虽然看起来很密，但实际上是很空旷的。 在 1596 年，开普勒就预言火星和木星之间应该有一颗行星，这是因为两者轨道差的比较远。在 1781 年发现天王星后，一些天文学家们更加确认一颗行星必须位于火星和木星轨道之间。1801 年，皮亚齐发现了谷神星，1802 年奥伯斯发现了智神星，1807 年，在相同的区域发现了婚神星和灶神星，而后直到 1845 年才发现了第五颗小行星义神星。自此之后，发现新小行星的速度加快，到 2000 年时，已经发现了 10 万颗小行星。 小行星带中最大的天体，直径 945 公里，也是唯一的一颗矮行星——谷神星，黎明号在 2015 年 5 月拍摄。 柯伊伯带 柯伊伯带类似于小行星带，位于海王星轨道外侧，但范围大得多，比小行星带宽 20 倍且重 20 至 200 倍。该处过去一直被认为空无一物，是太阳系的尽头所在，但事实上这里满布着直径从数公里到上千公里的冰封天体。柯伊伯带有时被误认为是太阳系的边界，但太阳系还包括向外延伸两光年之远的奥尔特云。 1930 年发现冥王星之后，很多人都猜测它可能不是该区域内唯一的一颗星球，几十年来，天文学家提出了很多种不同的假设，认为海王星轨道外存在大量的小天体。后来对于彗星的研究，尤其是短周期彗星（周期小于 200 年），逐渐发现了柯伊伯带存在的证据。1987 年，当时在麻省理工学院工作的天文学家朱维特（Jewitt），对于“太阳系外围的明显空虚”越来越疑惑。他鼓励当时的研究生刘丽姮（Jane Luu，一位美国籍越南女性天文学家）帮助他找到超越冥王星轨道的另一个天体，经过五年的搜索，在 1992 年 8 月 30 日，朱维特和刘丽姮宣布“发现候选的柯伊伯带天体”：小行星 15760（Albion），半年后，他们在该区域又发现了第二个天体，(181708) 1993 FW。 新视野号拍摄到的小行星“天涯海角”，这是除冥王星及其卫星外，人类探测器访问的唯一一个柯伊伯带天体。 奥尔特云 奥尔特云在理论上是一个围绕太阳、主要由冰微行星组成的球体云团。奥尔特云位于星际空间之中，距离太阳最远至 100,000 AU 左右（这个数据目前只能是一个大致的估算，从 50,000 AU 到 200,000 AU 的说法都有）。同样由海王星外天体组成的柯伊伯带和离散盘与太阳的距离不到奥尔特云的千分之一。奥尔特云的外边缘标志着太阳系结构上的边缘，也是太阳引力影响范围的边缘。 人类对于奥尔特云的认知来自于对长周期彗星的研究，所有长周期彗星的轨道都非常大，大小可超过数千天文单位的数量级，且来自于各个方向，不局限于黄道平面上。1932 年，爱沙尼亚天文学家奥匹克（Öpik）猜想，长周期彗星都起源于太阳系最外端的一处云团。1950 年，荷兰天文学家奥尔特（Oort）提出彗星起源于距离太阳 15 万天文单位的彗星云假说。所以，我们现在称之为奥尔特云，也可叫做奥匹克-奥尔特云。 奥尔特云及柯伊伯带示意图，可看到一个球形外层和一个盘形内层，后者又称希尔斯云。 奥尔特云是 46 亿年前太阳系形成早期的原行星盘残余物质，关于其起源目前有多种假说，但均没有直接的观测证据支持。奥尔特云所占空间极大，其距离太阳最近处在 2,000—5,000 AU，最远处在 50,000 AU，甚至在某些文献中的估值为 100,000—200,000 AU。目前没有任何人类探测器到达奥尔特云，即使是速度最快、飞得最远的旅行者一号，也要在 300 年后才能达到。 人类的太阳系探测 第二次世界大战之后，美苏两国展开了太空竞赛，双方发射了很多离开地球轨道针对太阳系其他行星、卫星、彗星甚至太阳等天体的探测器，到了上世纪 80 年代，日本和欧空局因为哈雷彗星的来访，也加入了太阳系探测的行列。进入 21 世纪之后，中国、印度等国家也开始对月球、火星等天体进行探测。截至 2023 年 1 月，人类共发射了 270 艘太阳系探测器，其中 162 艘探测器成功，11 艘探测器部分成功，97艘探测器失败。 到目前为止，人类一共发射了五艘太阳系深空探测器，前面提到的很多距离我们如此遥远的天体知识都来自于它们。 先驱者 10 号 先驱者 10 号（Pioneer 10）是 NASA 于 1972 年 3 月 2 日发射的深空无人探测器，是第一个安然通过小行星带以及第一个拜访木星的探测器。它于 1983 年飞越海王星轨道，成为第一个离开八大行星范围的人造物体，当时速度近 14 公里/秒，2003 年 1 月 23 日，由于发射功率不足，它在距离地球 122.3 亿公里处与地球失去联络。先驱者 10 号现正大致朝向金牛座毕宿五方向前进，以现在速度需要超过 200 万年才能到达。 先驱者 11 号 先驱者 11 号（Pioneer 11）是第二个用来研究木星和外太阳系的空间探测器，于 1973 年 4 月 6 日发射，它也是去研究土星和它的光环的第一个探测器。与先驱者 10 号不同的是，先驱者 11 号不仅拜访木星，它还用了木星的强大引力去改变它的轨道飞向土星。它靠近土星后，就顺着其逃离轨道离开太阳系，1995 年 11 月 24 日后失去联系。 旅行者 1 号 旅行者 1 号（Voyager 1）是 NASA 研制的一艘无人外太阳系空间探测器，于 1977 年 9 月 5 日发射升空，目前的好消息是还活着，能和 NASA 的深空网络通讯，坏消息是从去年年底开始，由于飞行资料系统（FDS）故障，无法将科学资料发回地球。 2012 年 8 月 25 日，旅行者 1 号成为第一个穿越太阳圈并进入星际空间的人类探测器。它目前是离地球最远的人造物体，距离太阳超过了 160 AU。受惠于几次引力加速，他也是目前人类飞行速度最快的探测器，已经达到第三宇宙速度（16.7 公里/秒）。它的主线任务在 1980 年就完成了，但其安装的同位素核电池远远超出了设计寿命，预计可以保证搭载的科学设备工作至 2025 年。 旅行者 2 号 旅行者 2 号（Voyager 2）于 1977 年 8 月 20 日发射，它与其姊妹船旅行者 1 号基本上设计相同。不同的是旅行者 2 号有一个较慢的飞行轨迹，使它能够保持在黄道平面之中，借此在 1981 年的时候透过土星的引力加速飞往天王星和海王星，抓住了这 176 年一遇的行星几何排列机会，成为了第一艘造访天王星和海王星的探测器。也因此被认为是人类发射的最多产的一艘探测器，访问了木星、土星、天王星、海王星四颗气态巨行星及其卫星。 2018 年 11 月 5 日旅行者 2 号成为第二个穿过太阳圈并进入星际空间的人类探测器，目前旅行者 2 号依然在工作，距离地球大概有 136 AU，预计到 2030 年左右，电力系统将无法为任何设备供电，2036 年将超过 NASA 的深空测控范围。两艘旅行者号飞船携带了准备传达给外星生命关于地球的信息，这些信息被记录在一张金唱片上。 旅行者 2 号的艺术照。 新视野号 新视野号目标是探测冥王星和柯伊伯带，于 2006 年 1 月 19 日发射，它是有史以来以最快的发射速度（16.26 公里/秒）离开地球的人造物体，当时冥王星还被认为是太阳系九大行星之一，未被降级为矮行星。 2015 年 7 月 14 日新视野号飞越冥王星，2019 年 1 月 1 日，新视野号飞越了柯伊伯带小行星“天涯海角”。截至 2024 年 1 月 17 日，航天器距离太阳 57.97 AU，速度为 13.71 公里/秒。新视野号预计可工作至 2038 年。 我们国家的太阳系探测活动目前主要分两个方向，一是以月球为目标的探月工程（嫦娥计划）和载人登月工程，另一个是行星探测工程（天问系列）。 探月工程目前已经完成了前三期绕月、落月和采样返回的任务，目前正在执行探月四期计划，包括了嫦娥六号、七号、八号任务，其中今年 5 月发射的嫦娥六号将完成人类首次月球背面的采样返回。 行星探测工程已经完成了天问一号任务，一次搞定了火星的绕、落、巡，成为继美国之后，第二个在火星上部署火星车的国家，堪称航天史上的奇迹之一。接下来是明年的天问二号任务，计划实现从近地小行星 2016 HO3 采样返回地球，之后前往主带彗星 311P 开展伴飞探测。天问三号则是有希望在 2030 年左右完成人类首次从火星采样返回。天问四号计划在 2029 年发射，目标是木星系及天王星探测。 |
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