01 太陽系 The Solar System

  歷史上的行星

  在受到光污染和煙霧的「詛咒」之前，人們對夜空的熟悉程度要高於今天。天空中的行星在古代文化中被認為是特別的，因為它們是在「固定星星」背景上會移動的「漫遊星星」。在古代，人們知道的行星有五顆：水星、金星、火星、木星和土星，只有這些行星是可以用肉眼直接看到的。當然，天空中的太陽和月亮也能直接用肉眼看到，不過太陽和月亮看起來是明亮的圓形，而行星看起來像是四處遊蕩的光點。人們也因此認為太陽、月亮與行星是不一樣的。在人類存在的大部分時間裡，地球被想像成萬物的中心，它與天空中的天體無關，所以那時候沒有人認為地球是一顆行星。

  

  其實在很早之前，人們就意識到地球和其他行星一樣，是一個繞著太陽旋轉的岩質球，而且地球是行星中的一員。這是一次思想上的飛躍。這個飛躍的過程很緩慢，並且伴隨著很多的假象曙光。

  公元前5世紀，古希臘哲學家阿那克薩戈拉(Anaxagoras)正確地推斷出月球是一個反射太陽光的特殊球形天體，但因為這樣的推斷，他被流放了。在接下來的幾個世紀裡，許多中國的天文學家也提出過類似的想法。直到17世紀，通過望遠鏡的觀測，月球是一個球體的想法才深入人心。

  至於行星，在它們是以太陽為運動中心的「日心說」這種反直覺的觀點被接受以前，通常被認為是圍繞地球旋轉的光點。最早提出地球繞著太陽轉的書面記錄可以追溯到公元前9世紀的印度文本。儘管如此，這之後的天文學家提出的一些關於地球繞著太陽轉的觀念，尤其是來自古希臘和伊斯蘭智者的建議以及1543年尼古拉斯·哥白尼(Nicolaus Copernicus)提出的學說，在18世紀前都沒有被廣泛認可。而伽利略(利用他的望遠鏡看到了月球上的山脈、金星的相位和圍繞木星運行的四顆小衛星)從1633年直至1642年去世，一直被教會軟禁在家中，一部分原因就是他提倡日心說。

  17世紀初，人們通過望遠鏡發現行星小歸小，卻是可辨別的圓盤，而恆星仍然只是一個光點。由此，人們從根本上將行星和恆星區分開來，並為把其他行星看作是和地球相近的天體鋪平了道路。順便說一下，現在我們知道恆星比行星要亮得多，但恆星(除了太陽)距離我們太遠了，即使用最先進的現代望遠鏡，也只能觀測到極少數恆星的表面細節。在照片上，明亮的恆星看起來比暗弱的恆星大，但這只是一種光學效應，因為明亮的恆星形成的模糊光斑更大，所以看起來比較大。

  克卜勒的行星運動定律

  1609年，約翰內斯·克卜勒(Johannes Kepler)認識到，行星(包括地球)繞太陽運行的路徑(軌道)是橢圓，而不是規範的正圓。艾薩克·牛頓(Isaac Newton)在1687年利用對引力的深刻理解，對行星繞太陽的運動進行了解釋。多虧了克卜勒和牛頓，行星才在人類的理解中找到了它們應有的位置。隨後，人們又逐漸推斷出行星相對於地球的距離和大小。

  橢圓，就是你可能會想到的「卵形」。在數學上，橢圓被定義為一條圍繞兩點(橢圓的兩個焦點)繪製的閉合曲線，且從兩個焦點到曲線上任意一點的距離之和相同。圓是一種特殊的橢圓，兩個焦點在圓的中心重合。兩個焦點距離越遠，橢圓就越扁長，或者說越「偏心」。克卜勒推斷，行星沿著橢圓軌道運行，太陽位於橢圓軌道的其中一個焦點，另一個焦點是空的。在橢圓軌道上，離太陽最近的點稱為「近日點」(perihelion，希臘語中表示「最接近太陽」)，離太陽最遠的點稱為「遠日點」(aphelion，希臘語中表示「離太陽最遠」)。行星的軌道不是高度偏心的，如果你從平面圖上看，會發現它們看起來很像圓。例如，當火星處於遠日點時，它與太陽的距離與它處在近日點時相差不到21%。對地球來說，處在遠日點和處在近日點，它與太陽的距離相差不到4%。

  克卜勒因他的行星運動三定律而聞名。簡單地說，克卜勒第一定律就是：每顆行星都在一個橢圓軌道上運行，太陽在橢圓軌道的其中一個焦點上。克卜勒第二定律描述了行星沿軌道運轉速度的變化：行星越靠近太陽，其移動速度越快(原因可用後來的牛頓的引力理論解釋)。克卜勒第二定律也可表述為：在相等的時間內，連接地球和太陽的虛構線掃出的面積相等。克卜勒第三定律將行星的軌道周期(行星繞太陽一周所需時間)和行星與太陽的平均距離聯繫起來。克卜勒第三定律可表述為：軌道周期的平方與平均距離的立方成正比。行星到太陽的平均距離等於其橢圓軌道長軸長度的一半(也稱為「半長軸」)，也可以說，行星到太陽的平均距離等於其近日點和遠日點之間直線距離的一半。克卜勒的行星運動定律使精確計算其他行星軌道的大小成為可能，但其結果的精確程度卻受限於人們對地球軌道大小測量的不確定性。早在1672年，天文學家們就利用在多個地點同時對火星進行觀測，測得了地球和太陽的距離，大約為1.4億千米，這十分接近149 597 871千米這一正確值。之後在1761年和1769年，天文學家們又通過對金星凌日的觀測，將地球和太陽的距離估值修正為153±1百萬千米(1769年的觀測要求庫克船長親自在塔希提島駐紮)。雖然科學的進步使得關於太陽系規模和性質的模型變得更加自洽和簡潔，但羅馬教皇對印刷「日心說」書籍的禁令直到1822年才被撤銷。

  你可能會認為，一旦確定了地球與一顆行星間的距離，計算行星大小的工作將會變得很容易。但即使是利用大型望遠鏡，觀測到的行星盤也是很小的，再加上地球大氣層的干擾，我們對行星視角大小(或者說是行星看起來有多大)的測量存在巨大的不確定性。例如，當威廉·赫歇爾在1781年發現天王星時，他測量的天王星的盤比實際要大8%。要用望遠鏡測量一顆行星的大小，最精確的方法不是測量它看起來有多大，而是計算它從一顆恆星前面經過的時間。行星從一顆恆星前面經過的現象被稱作「掩星」，這非常罕見，但到19世紀末，利用「掩星」的方法，許多行星的大小已經被相當精確地確定了(表1)。

  如果說天王星的發現是出於偶然，那海王星則是經過慎重的搜尋後，才在1846年被發現的。當時天王星的軌道被發現存在微小的擾動，這使得天王星的軌道不再是一個完美的橢圓，而是存在扭曲。對這種擾動最好的解釋是，一顆看不見的外行星的引力影響了它，海王星因此被發現了。當海王星的軌道被記錄了足夠長的時間後，它似乎也顯示出了擾動，指向另一顆未被發現的行星。這引發了1930年對發現冥王星的研究。起初，天文學家認為這顆新發現的第九大行星的大小和質量一定與天王星和海王星相似，但在1955年，天文學家們證明冥王星不可能比地球大；1971年，冥王星大小的估算結果減少到火星的大小；1978年，人們發現冥王星表面的主要成分是具有高度反射性的甲烷冰，這意味著冥王星的實際尺寸必須更小，才能與它的總亮度保持一致。如今，我們知道冥王星的直徑只有2390千米，甚至比水星還要小，質量也比水星要小得多。儘管海王星軌道的「擾動」很幸運地激發了對冥王星的搜索，但現在認為，海王星的軌道擾動不過是觀測誤差而已。

  冥王星在2006年失去了官方承認的行星地位，這是一個有爭議的決定，但在我看來是正確的。在解釋這是為什麼之前，我將回顧一下我們現在所理解的太陽系的性質。

  表1　行星的大小(赤道直徑

  *卡米爾·弗萊馬里恩（C.Flammarion），《大眾天文學》（Popular Astronomy ）（查托與溫達斯，皮卡迪利大街）

  回顧太陽系

  太陽

  太陽系的中心是太陽。它是一顆相當普通的恆星，其核心的核聚變將氫轉化為氦，為太陽提供能量。太陽的直徑是地球的109倍，質量約是地球的

  333 000倍。太陽的質量是太陽系中所有其他天體質量總和的740倍。太陽的引力是如此強大，以至於太陽系中天體繞太陽運行的軌道幾乎都是克卜勒認定的完美橢圓。儘管行星間存在的軌道擾動是可測量的，但這些擾動非常微小，幾乎可以忽略。

  行星

  表2總結了行星的一些基本性質。為避免使用非常大的數字，表中引用的數據是行星的某一性質相對於地球的比較值。地球與太陽的距離用「天文單位(Astronomical Units)」來表示，簡記為AU，定義為地球到太陽的平均距離，可以簡化地記為1.5億千米。行星的軌道周期是指其繞太陽一周所需要的時間，當然，這裡的時間指的是該行星自己的「年」。由克卜勒第三定律可知，本表中行星的軌道周期和其與太陽的距離是相互聯繫的，也就是說，行星軌道周期(單位為地球年)的平方等於其到太陽平均距離(單位為AU)的立方。地球的質量非常接近6×1024千克(6×1021噸)，因此，在描述其他行星的基本性質時，不引用如千克、秒和米這樣的標準科學單位，而用其與地球這一性質的比較值，是很方便的。

  自轉周期是行星繞其自轉軸旋轉一圈所用的時間。對快速旋轉的行星來說，這大約等同於行星上從一個日出到下一個日出的時間(行星自身「一天的長度」)。但快速旋轉的行星的自轉周期和其「一天的長度」之間的關係並不確定，這是因為行星的軌道運動不斷地改變著行星相對太陽的方向。地球的自轉周期為23小時56分鐘，但它實際需要24小時才能將太陽帶回天空中的同一點。從行星的角度來看，除非自轉引起了行星表面某一點朝向太陽的方向發生了改變，否則太陽在單軌道運行的過程中是完全繞著行星的天空移動的。如果一顆行星的自轉被潮汐鎖定，那麼它每繞太陽一圈就會自轉一次(同步自轉)，並且它的某一表面將永遠朝向太陽。水星並不是這樣的，它每公轉兩次就會精確地自轉三次，也就是說，它每公轉兩次就會相對太陽自轉一次，所以水星上一天時間相當於兩年。

  表2　行星的相對性質

  *其與太陽的距離為平均距離。年和天分別為地球年和地球天。行星的大小見表1

  四顆內行星和四顆外行星的性質有許多不同。內行星(水星、金星、地球和火星)與外行星(木星、土星、天王星和海王星)相比，體積相對較小，質量也較低。兩者的密度也有差別，內行星的密度比外行星大。內行星被稱為「類地行星」，這意味著它們「和地球類似」。四顆外行星被稱為「巨行星」，有些人也把它們稱為「氣態巨行星」，以反映它們含有許多的氫和氦；還有一些人專門用「氣態巨行星」來形容木星和土星，因為它倆的氣體含量要高於另外兩顆外行星，儘管另外兩顆外行星含有的氣體的質量都超過了一個地球質量。

  圖1　太陽系圖，以實際的相對大小顯示行星軌道。行星軌道只有輕微的偏心，所以看起來和圓沒什麼區別。火星軌道內未標記的圓圈是地球軌道，不是太陽。金星和水星的軌道太小，無法包含在圖內。冥王星不是一顆行星，圖中顯示它的軌道是因為它代表了海王星軌道之外的大量小天體

  圖1中除了金星和水星，其他行星都按照軌道等比例排列。金星和水星的軌道太小了，難以顯示在圖中。圖1還包括了冥王星軌道的一部分，放到以後討論。其中有一個行星軌道的性質我還沒有提到，即行星軌道幾乎都在同一平面上，沒有這一性質，就無法繪製出這樣一幅星圖。地球的軌道面也因此能被當成一個方便的參考平面，被稱為「黃道」。相對於地球的軌道，冥王星的軌道傾角為17.1°，水星的軌道傾角為7°，金星的軌道傾角為3.4°，其他行星的軌道傾角都小於3°。

  當冥王星接近近日點時，它就位於海王星的軌道內側。冥王星和海王星不會發生碰撞，因為它們的軌道傾角不同，阻止了它們的路徑相交，而且，每當冥王星經過海王星的軌道時，海王星總是在太陽的另一邊。這是因為海王星每完成三次公轉，冥王星恰好完成兩次，這種關係被稱為3∶2軌道共振。

  除了軌道幾乎共面，每顆行星繞太陽公轉的方向也是一樣的：從地球北極上方一個假想的有利位置進行觀測，就會發現行星都是逆時針運行的。除金星和天王星，其他行星的自轉也都表現為逆時針運動。由於逆時針運動很普通，它被稱為「順行」，而順時針軌道運動或旋轉則被認為是向後的，被稱為「逆行」。

  除了天王星，每顆行星的自轉軸相對其公轉軌道垂直平面的傾角都小於30°。水星自轉軸傾角幾乎是「完美的」，只有0.1°；地球的自轉軸傾角為23.5°。從數萬年的時間尺度上來看，行星自轉軸的指向方向和傾斜程度都是會變化的，但從一個公轉周期的時間尺度上來看，它們又是恆定的。軸傾角是行星上有四季的原因，當地球處在自轉軸北端傾斜向太陽的那部分公轉軌道時，北半球是夏天；6個月後，地球處在太陽的另一邊，北半球是冬天。金星與天王星的自轉與公轉方向不一致。金星的自轉軸傾角只有2.7°，它在逆行方向上的自轉非常緩慢，這使得它一天的長度為116.7個地球日。而天王星的轉軸傾角為82.1°，並進行快速逆行自轉。天王星以前很可能遭遇過一場災難性撞擊，它被撞翻了，從開始的順行自轉變成現在這樣，軌道傾角變為 97.9°(180°減去82.1°)。這樣的災難能解釋天王星的逆行自轉。

  行星的衛星

  除了水星和金星，太陽系內所有的行星都有衛星或自己的「月球」。這些較小的天體離行星足夠近，可以繞行星公轉，而不繞太陽公轉。嚴格來說，行星和它的衛星都圍繞著它們共同的質心(或「引力中心」)運行。由於行星比它的衛星要大得多，所以它們的引力中心在行星內部。但通常情況下，我們完全可以認為衛星繞著它的行星轉。大多數行星衛星的公轉軌道都靠近其所在行星的赤道面，而且幾乎所有的大型衛星都有順行的公轉軌道，即沿著行星自轉的方向運行。

  當然，地球的衛星是月球(Moon ，這裡要用大寫的M)。月球是一個例外，因為與地球相比，月球相對較大，其直徑為地球直徑的27%，質量為地球質量的1.2%。巧合的是，月球與地球的距離使月球的大小看起來幾乎與太陽相同。雖然太陽比月球大得多，但太陽離地球距離相對更遠。當月球正好經過地球和太陽之間時，它會遮擋太陽的圓盤，導致日食。如果月球繞地球公轉的軌道恰好與地球的公轉軌道共面，那麼在月球的每個公轉周期(每個月)，都會發生日食。但是月球的公轉軌道與黃道的夾角為5.2°，所以日食很少見。月球的公轉軌道與黃道有兩個交點，只有當月球位於其中一個交點，並恰好經過地球和太陽之間時，才會發生日食。大約2600年前，儘管還沒有完全理解日食發生的原因，巴比倫天文學家就已經算出了這些事件的周期性的本質並預測了何時會發生日食。這是巴比倫天文學家的偉大成就之一。

  火星有2顆小衛星。木星有4顆直徑超過3000千米的衛星(伽利略發現的)，以及最近統計發現的59顆直徑小於200千米(大多數小於4千米)的衛星。土星已知的衛星總數與木星相近，但土星只有1顆衛星能與木星最大的衛星相匹敵。天王星有5顆直徑在400~1600千米之間的衛星，還有22顆已知的較小天王星衛星。海王星有1顆大衛星和12顆已知的小衛星。木星和土星大多數小的外部衛星(直徑為幾千米)是用望遠鏡(而不是訪問這兩顆行星的飛船)發現的，而對於天王星和海王星來說，肯定還有很多巨行星的微小衛星有待發現。用望遠鏡觀測天王星和海王星的衛星尤其困難，主要原因有兩個：一、這兩顆行星的衛星離太陽遠，沒有那麼明亮；二、它們離地球更遠，所以即使它們和較近的衛星有同樣的亮度，看起來也更暗弱。

  在地質學上較大的衛星是非常有趣的事物，稍後我會詳細介紹它們。所有的衛星對行星科學家來說都是有用的，因為可以利用它們給行星稱重。由於衛星要小得多，行星的質量幾乎完全占據了行星-衛星系統的主導地位。行星繞太陽的公轉軌道依賴於該行星與太陽的距離以及太陽的質量，相應地，衛星的公轉軌道周期也只取決於它與行星中心的平均距離和它們的總質量(可以用克卜勒第三定律中的牛頓引力定律來計算)。

  小行星、海外天體和彗星

  這本書是關於行星的，不是關於整個太陽系的。值得注意的是，儘管其他天體都很小，並且它們的總質量相對來說微不足道，但這些天體的數量遠遠超過了行星及其衛星的數量總和。雖然行星科學家已經意識到這些「垃圾」天體的界定有些模糊，但它們大致可以被分為三類：小行星、海外天體和彗星。

  小行星大小的上限是直徑950千米(最大的小行星——穀神星的直徑)，但是沒有下限。已有一些只有幾十米寬的小行星，它們在接近地球時被探測到，還有一些更小的小行星掉落在地面上的殘骸，被稱為隕石。以前的人們認為小行星是被摧毀的行星的碎片，現在我們認為小行星不是行星的碎片。所有小行星的質量總和可能還不到地球質量的千分之一。有些小行星的不規則形狀證明，它們已經經歷過相互碰撞。

  毫無例外，小行星的軌道運動都是順行的。大多數小行星的軌道傾角小於20°，但它們軌道的偏心率通常比行星大。大多數小行星的軌道位於火星和木星之間，也就是所謂的「小行星帶」。有些小行星離太陽更近，從地球軌道內側穿過，有少數小行星甚至從水星軌道內側穿過，還有一些已知的小行星在土星之外的軌道上運行。與隕石一樣，大多數小行星是由岩石或碳組成的，但也有一些小行星是由鐵和鎳構成。據我們所知，小行星的成分往往沒有那麼多岩質，而是會有更多碳質，且最終隨著小行星與太陽距離的變大而更加冰質化。

  在海王星軌道之外，距離太陽30~55AU的地方，小型冰質天體變得很常見，甚至還有幾個體積超過最大小行星的其他天體，這個區域通常被稱為「柯伊伯帶」，以荷蘭裔美國人傑拉德·柯伊伯(Gerard Kuiper)的名字命名。柯伊伯在1951年預測，該區域是太陽系誕生後留下的冰質團。1943年，愛爾蘭人肯尼斯·埃奇沃思(Kenneth Edgeworth)在一本不太知名的雜誌上也發表過類似的言論，所以有些人更願意把這條帶稱為「埃奇沃思-柯伊伯帶」。第一個柯伊伯帶天體是在1992年被發現並確認的，而到現在已經有數百顆柯伊伯帶天體被編入了目錄，包括冥王星。那些近日點距海王星軌道不遠，但遠日點與海王星的軌道距離達到約100 AU的類似天體被稱為「黃道離散天體(Scattered Disk Objects)」，這些天體與柯伊伯帶一起，組成了一個被稱為「海王星外天體」(TransNeptunian Objects， TNOs)的大家族。海外天體的軌道都是順行的，它們的總質量可能是小行星帶天體總質量的200倍左右(約等於地球質量的五分之一)，總共可能有近10萬顆大小超過100千米的海外天體。2005年發現的一個「黃道離散天體」，後來被命名為鬩神星(Eris)，它似乎比冥王星稍大。我們對鬩神星和冥王星的質量測算結果很有信心，因為它們都有軌道記錄良好的衛星，而這些軌道記錄表明鬩神星的質量比冥王星大28%。

  彗星自古以來就為人所知，這是因為當彗星接近太陽時，那由氣體和塵埃組成的尾巴將會伸展到天空中，這使得彗星瞬間看起來非常壯觀。然而，彗星的固體部分只是一小塊積滿灰塵的冰(被稱為「髒雪球」)。在大多數情況下，這部分只有幾千米寬。大部分時間彗星都離太陽很遠，只有當它們足夠接近時，來自太陽的熱量才會讓它形成尾巴。彗星形成尾巴的情況很少發生，因為它的軌道偏心率很高，近日點通常在地球軌道內，遠日點則在木星軌道附近或在木星軌道之外。有些彗星來自更遠的地方，它們的軌道看起來像拋物線(無限長的橢圓)，在歷史記錄中，它們只接近過太陽一次。這樣的彗星屬於「長周期」彗星，似乎是從距太陽約50 000AU處，圍繞太陽的不規則的殼中分離出來的——這個殼被稱作奧爾特雲(Ort Cloud)。相比之下，「短周期」彗星很可能源於黃道離散天體。通過與一個同類天體的近距離接觸，這些黃道離散天體被擾動到一個近日點與太陽距離較小的偏心軌道上。那些軌道周期為數百年的彗星的遠日點仍然處在散盤中，但通過與一顆巨行星的近距離接觸，它們的遠日點可以被推到離太陽更近的地方，例如，哈雷彗星的遠日點在海王星軌道附近，其軌道周期為75[1]年，而恩克彗星的遠日點在木星軌道附近，軌道周期只有3.3年。彗星每次經過太陽時，太陽的熱量會使彗星變暖，並使彗星因為蒸發失去質量。因此，在經過近日點不到1000次之後，彗星可能會變成由無冰岩石和塵埃組成的惰性物質，很難與小行星區分開來。

  考慮到短周期彗星的來源，你可能也會猜到，它們的軌道是順行的，軌道平面接近黃道。長周期彗星則沒有這樣的限制，它們的軌道平面可以是高度傾斜或者逆行的。

  什麼是行星

  冥王星為什麼會被踢出行星俱樂部

  1930年，冥王星成為第一個被發現的海外天體。即使在我們都知道冥王星的尺寸很小之後(1978年發現了冥王星最大的衛星，因此確定了冥王星的質量)，人們還是傾向於將冥王星視為第九顆行星。但隨後，柯伊伯帶(Kuiper belt)里已知天體的數量增加到數百個，而且其中一些天體的大小與冥王星不相上下。若我們還將冥王星歸為行星，而將其他柯伊伯帶天體歸為別的，這種分類顯然很不合理。從邏輯上講，當鬩神星被證實比冥王星更重，可能還更大時，我們或者將所有的海外天體都稱為行星，或者不稱任何一個海外天體是行星。儘管如此，還是有許多人出於情感或歷史原因，主張保留冥王星的行星地位。

  因為「行星」一詞從未被準確定義，所以將冥王星踢出「行星」俱樂部這一決定受到了阻礙。最終，2006年在布拉格舉行了一次激烈的國際天文學聯合會，會議上代表們投票通過了一些界定「行星」的標準，這基本解決了是否將冥王星踢出「行星」俱樂部的問題。在國際天文學聯合會的規定中，有兩個沒有爭議的標準是：第一，行星必須有足夠的質量，使其自身的引力能夠克服「剛體力」，呈現出流體靜力學平衡的形狀，即近似球形；第二，行星必須圍繞太陽公轉。第二個標準排除了像我們月球這樣的大型衛星。

  而關於行星的第三個標準才是決定性的那個：要被算作一顆行星，一個天體必須「清除了其軌道周圍的所有天體」，僅剩下的是比它小得多的天體。這項測試，冥王星失敗了。冥王星還沒有將它的軌道周圍清除乾淨，它與許多大小相似的天體共用了一個軌道區域，甚至還有質量大得多的海王星。但是海王星卻通過了行星測試，因為它比同一軌道區域的其他任何天體(如冥王星)都要大幾千倍。

  採取了大膽但完全合乎邏輯的步驟後，冥王星被逐出行星俱樂部，國際天文學聯合會似乎立刻就後悔了，然後為它創造了兩個新的類別，是兩個哦!在2006年的布拉格會議上，新造詞——「矮行星」被定義為「一個軌道繞太陽的天體，它有足夠的質量使得引力能將它拉成近球形，但沒有清除其軌道附近的天體，並且它本身不是衛星」。要遠程確定一個天體的形狀是否「接近球形」是一件很困難且很有爭議的事情，但國際天文學聯合會還是採納了這個定義，給冥王星、鬩神星和穀神星(最大的小行星)頒發了一個安慰獎——稱它們為「矮行星」。當時，國際天文學聯合會承認其他大型海外天體在經過適當測量後，也可以被列為矮行星。在2008年，一個名叫鳥神星(Makemake)的柯伊伯帶天體被發現了。我們認為鳥神星的大小約為冥王星的三分之二，通過了形狀測試。鳥神星被承認為第四個矮行星，緊隨其後的第五個矮行星被稱為妊神星(Haumea)。

  但國際天文學聯合會似乎又後悔把類冥王星天體與穀神星混在一起，於是在2008年，又發明了一個新的術語——「類冥矮行星」，用來表示軌道平均距離大於海王星以外的矮行星。如此一來，穀神星就變成了唯一不屬於類冥矮行星的矮行星，且目前可以肯定已發現的小行星中，再也沒有大到能被歸入矮行星這一類別的了。但是，可能還是有許多未被發現或未被詳細記錄的大型海外天體，它們將加入冥王星、鬩神星、鳥神星和妊神星的行列，成為類冥矮行星和矮行星。順便說一句，鬩神星(Eris)是根據古希臘紛爭女神命名的(想到鬩神星引發的爭議，這個名字恰如其分)，而鳥神星(Makemake)和妊神星(Haumea)則分別是根據太平洋島嶼上掌管生育的神祇命名的。

  這一切是如何發生的

  越來越多的行星

  直到最近，可能還有人認為行星是宇宙中的稀有物，但現在看來，行星顯然是恆星形成過程中的一個常見副產品。因此，太陽系的存在只是太陽起源的一個結果。

  人們認為，巨大的星雲因自身引力坍縮形成了恆星。星雲的主要成分是氫，還混合了其他一些氣體和被稱為星際塵埃的微小固體顆粒。星雲收縮時，大部分物質會集中到位於中心的一個天體上。因為引力能在物質隕落的過程中轉化為熱能，這個天體會變得越來越熱，最終，天體中心的壓力和溫度升得非常之高，氫原子核產生核聚變形成氦。在這一階段的中心天體可以被稱為恆星。星雲在收縮的最後階段會遺留下一些物質，行星就是由此形成的。在星雲收縮的過程中，基於角動量守恆原理，星雲任何一點初始旋轉都會被加速，未被吸收到恆星中的物質會集中在恆星赤道面的圓盤上，和恆星沿相同的方向旋轉。

  這個旋轉的圓盤就是行星形成的地方。產生我們太陽系的星雲被稱為太陽星雲，「星雲」(nebula)在拉丁語中是「雲」的意思，天文學家們用它來表示太空中巨大團塊的氣體、塵埃或者兩者的混合物。我們有充分的理由確信，太陽星雲的組成大約是71%的氫、27%的氦、1%的氧、0.3%的碳，以及0.1%的氮、氖、鎂、矽和鐵。在太陽星雲中，幾乎所有的原始塵埃都可能被初期太陽的熱量汽化了，但很快，星雲內的環境就冷了下來，足夠使新的塵埃顆粒凝結，通過化合作用它們變成了化合物，而不是單元素物質。氦不能形成化合物，所以大部分的可凝結化合物都包含有氫或氧。

  在合適的局部溫度和壓力條件下，如果附近還有可用的各種元素——比如矽和各種金屬——氧能夠與它們結合，在星雲內部形成一系列叫作矽酸鹽的化合物。這是地球上常見的礦物，熔融岩石冷卻時會結晶形成矽酸鹽，但在太陽星雲中，矽酸鹽是直接從氣體中生長出來的。只有當溫度低到足以形成含氫化合物時，氫才會被結合進固體顆粒中，這種情況多數都發生在距離太陽超過5AU的地方。在與太陽距離為5AU的地方，存在一條被稱為「冰線」的分界線；在這條所謂的「冰線」之外，由氫和氧組成的水分子可以凝結成小塊的冰。在離太陽更遠的地方，會形成更容易揮發的化合物：氫與碳結合形成甲烷，氫與氮結合形成氨，碳與氧結合形成一氧化碳或二氧化碳。在距離太陽約30AU處，溫度低到氮可以凝結成氮冰。基於行星科學詞彙的一個技巧，任何由水、甲烷、氨、一氧化碳、二氧化碳或氮(或這些物質的任意混合物)形成的固體都被稱為「冰」，因為它們在來源和性質上都具有相似性。這意味著，為了避免模稜兩可，行星科學家們在提到水結的冰時，必須特別指明是「水冰」，這麼複雜的情況對地球上的人來說並不常見，因為地球上的溫度太高，比水更容易揮發的化合物無法自然結冰。

  凝結是這樣一個過程：靠近太陽的矽酸鹽和離太陽遠一些的冰(還有那些剩餘的矽酸鹽)組成了第一代塵埃顆粒。它們沒有凝結成更為緻密堅硬的微粒，而是有著複雜的「蓬鬆」形狀。所以當它們相互碰撞時，往往會粘在一起，而不是彈開來。在凝結開始後僅僅1萬年，這些微粒通過碰撞，持續凝結和吸積(粘在一起)，成長為直徑約1厘米的球狀體。再過10萬年後，太陽系將由一群直徑大約10千米的天體組成，這些天體被稱為「星子」。它們都以相同的順行方向圍繞太陽旋轉，並被包圍在由剩餘氣體和塵埃構成的瀰漫薄霧中。

  最早期的一些微觀顆粒藏身在隕石內部，它們得以被保持原樣，所以我們知道凝結是在多久以前發生的。通過測量這些顆粒內部經歷放射性衰變的產物，我們可以計算出它們的年齡。最早期的微觀顆粒的年齡是一個特別好記的數字：45.67億歲。 最「原始」的隕石是從未經受加熱或蝕變的星子碎片，被稱為「碳質球粒隕石」，是我們研究早期太陽系環境的最直接證據。

  到目前為止，天體間的碰撞基本上是一個偶然事件，可一旦星子的大小達到約10千米——很明顯更大的星子會有更大的引力——就容易遭受更頻繁的碰撞，它們的生長速度也因此超過了其他星子。這之後再過幾萬年，最大星子的直徑就已達到1000千米左右，在這個過程中，它吞噬了大部分其他較小的星子。

  這些巨大的星子被冠以一個新名字——「行星胚胎」。可能有幾百個行星胚胎是在內太陽系形成的。它們的質量大到足以憑藉自身的引力把它們拉成球形。行星胚胎內部的溫度可能很高，足以讓物質熔化，使鐵內陷，形成一個明顯的內核，很大程度上這並不重要，因為接下來還要發生一些別的事情。

  行星胚胎是類地行星形成的基礎。在這個階段，大部分小顆粒都不見了。只有兩個胚胎撞在一起時，行星胚胎才會有顯著的生長。這樣的碰撞被稱為「巨大撞擊」，它釋放出的熱量足夠熔化碰撞形成的融合體。想像一個熔岩球，它表面都發著熾熱的紅光，周圍零散漂著一些已經冷卻的渣塊。在球體深處，液滴狀的「鐵雨」穿過矽酸鹽岩漿，向內沉陷，聚攏到中央核心。你的頭腦中要有上述這張圖片，它描繪了在巨大撞擊後，一個行星胚胎的狀態。

  這個過程假設了撞擊不會把兩個行星胚胎都撞成碎片，會有一定數量的碎片作為碰撞的拋射物被拋向太空，這是一個必要的前提。大約需要5000萬年的時間，才能通過行星胚胎之間一系列的巨大撞擊，形成一顆地球大小的行星。由於碰撞的隨機性，由此而來的天體間「族譜」非常複雜。在早期碰撞過程中，將任何單個行星胚胎視為「原始地球」或「原始金星」都是毫無意義的。

  在火星軌道之外，年輕木星的引力作用太強大，會把岩質星子攪入偏心率更大的軌道，在這裡，往往因為行星胚胎的相互碰撞過於劇烈，導致胚胎無法通過吸積來實現增長。相反，分裂是一個常見的結果，巨大的行星胚胎無法在這裡生長，它們本來可能會通過碰撞產生第五顆類地行星。如今在該區域，我們發現的大多數小行星都只占曾經行星胚胎質量的一小部分。木星將大部分小行星甩到了明顯偏心的軌道上，因此，大多數小行星最終會與木星或另一顆巨行星相撞，或被完全逐出太陽系。

  這些形成巨行星的天體當中含有很高比例的冰和岩石。在「冰線」之外，生長中的行星可以利用的物質更多。我們不確定胚胎—胚胎碰撞在這裡扮演了什麼角色，同樣也不能確定巨行星如何能獲得如此多的氣體。有這樣一種理論：當行星胚胎的質量超過10或15個地球質量後，其引力就足以清除殘留在星雲中的大量氣體，從而使得它們的岩質核和冰質核被厚厚的氣體外殼包裹；另一種觀點認為，星雲中的引力不穩定，這導致每顆巨行星都在一個密度特別大的結中生長，在這個結中的氣體自然地被限制在生長中行星的周圍。

  關於此類問題的意見分歧有很多，其中一個是關於內外太陽系行星相對生長速度的。目前還不清楚木星是在地球和金星形成之前還是之後形成的，如果土星、天王星和海王星是通過胚胎—胚胎碰撞成長起來的話，那麼它們一定比木星生長得慢，這是因為隨著與太陽的相對距離增加，胚胎-胚胎碰撞的頻率應該會降低。

  當太陽進入它的「金牛T」階段時，從星雲中清除氣體的工作就終止了。「金牛T」階段是以今天正在經歷這一過程的金牛T型恆星命名的。在大約1000萬年的時間裡，來自處於「金牛T」階段恆星的強烈氣體外流會吹走所有剩餘的氣體和塵埃，這種強烈的氣體外流被稱為「 金牛T星風」。與其他巨行星相比，天王星和海王星的氣體比例較少的一個可能原因是：它們生長比較慢，在金牛T星風這一過程結束之前，有動力收集氣體的時間比較短。

  遷移的行星

  人們爭論的另一個問題是，隨著時間的推移，行星的軌道之間，尤其是巨行星的軌道之間會發生怎樣的變化，這種變化會到什麼程度。在太陽星雲被驅散之前，星雲物質和大型軌道天體之間的引力相互作用會逐漸減小行星胚胎和年輕行星的軌道半徑，導致行星胚胎和年輕行星向內遷移。在星雲擴散之後，行星和較小天體之間的引力相互作用可能會發揮更大的功能。一些人認為，在大約5億年間，最外層的巨行星會使外圍的冰質星子軌道向內偏轉。最終，這些冰質星子可能會通過與下一個巨行星碰撞等方式繼續向內遷移，直到它們離木星足夠近，再讓木星把它們向外拋。這些被拋出的冰質星子可能是如今的奧爾特雲的起源。木星每向外拋擲一個天體，就會更靠近太陽一些。不過反過來說，當一顆巨行星向內拋擲一塊冰時，其他巨行星也會被向外推。在這個描述中，木星會向內遷移，而土星、天王星和海王星則向外遷移；天王星和海王星甚至有可能互換位置(為天王星的軸傾角達到目前的狀態提供了機會)。如今的海外行星，是指那些海王星向外行進時，在掃過的區域之外倖存下來的行星。

  不過，請不要產生行星的軌道能夠快速或急劇變化的印象。那些聲稱金星或火星在聖經時代曾靠近地球，引發各種神話和自然災害的言論，是完全站不住腳的。我所描述的外行星遷移過程極其緩慢，並且是它們與星雲氣體以及大量已不再存在的小天體間的相互作用累積的結果。

  然而，行星及其間引力的相互作用在不斷地改變著它們的結構。因此，混沌理論認為，我們不能預測幾百萬年後行星的位置。不過我們可以肯定，太陽系是足夠穩定的，在未來的幾十億年內，沒有任何行星會發生碰撞或被拋射。至少在未來50億年內，我們大概率是安全的，而在50億年後，天文學家們預計太陽將膨脹成一顆紅巨星。屆時，火星漫遊將是遙遠未來的地球人面臨的最不重要的問題。

  為什麼是所有的衛星

  到目前為止，對於衛星到底是隨行星一起生長，還是後來被捕獲的問題，還沒有一個確切的答案，你對此也不該感到驚訝。巨行星的順行大衛星是最容易解釋的，它們被認為是在巨行星成長過程中，由巨行星周圍的氣體雲和塵埃組成的，就像一個微型版的太陽星雲。那些只有幾千米大小的，在靠近巨行星的軌道上運動的「順行」微型衛星，則可能是較大衛星的碎片，這些較大衛星因為距離巨行星太近而被撕碎。巨行星的外層衛星大多處於逆行軌道，它們可能是被捕獲的小行星、海外天體或彗星核。

  從理論上講，一顆行星不太可能將一個路過的「訪客」天體俘獲到自身的軌道上。由於引力作用，一顆較小的天體會與行星擦肩而過，但不大可能減速到足以被行星俘獲進入軌道的程度。但是，如果這個「訪客」是一個雙天體，當其中一個天體將動量傳遞給另一個天體後，它自己會被俘獲，而另一個天體在遇到行星後會更快地離開。對於海王星的逆行大衛星海衛一，目前流行的一種解釋是：海衛一原來是一個雙海外天體的一半。這似乎是可信的，因為有幾個已知的海外天體都是孿生體。請注意，這裡留下了一個尚未解決的疑問：為什麼這麼多的海外天體(包括小行星)從一開始就有衛星？

  我們對地球的衛星(月亮)則有不同的解釋。月球似乎是由地球在成長過程中最後一次胚胎-胚胎碰撞所產生的碎片凝聚而成的。火星的兩顆小衛星(火衛一和火衛二)曾經是小行星，它們被俘獲進入近圓形軌道的原因尚不清楚。

  碰撞和隕擊時標

  雖然大規模天體之間的碰撞在如今極為罕見，但仍有非常多的小天體最終可能與行星相撞。在39億年以前那個被稱為「晚期重轟擊」的時期，小行星和彗星撞擊行星的速度要遠遠高於今天。儘管在「晚期重轟擊」時期後，月球上的隕石坑一直在以較慢的速度形成，但月球上「晚期重轟擊」時期的隕石坑仍保存得很好(圖2)。當物體以每秒幾十千米的速度撞擊固體時，撞擊點發出的衝擊波會將物體擊碎，在固體上留下一個隕石坑。隕石坑通常是圓形的，只有在這種極少數情況下，如撞擊天體以掠射角度到達固體時，隕石坑才不是圓形的。

  根據隕石坑的直徑，可以很好地理解它們的形態層次，並且可以在實驗和計算機模型中重現這一切。在月球上，直徑僅有15千米的微小隕石坑呈簡單的碗狀。直徑長達140千米的隕石坑並不會比它更深，而是有著平坦的底部，通常在被衝擊波挖掘後會立即反彈形成一個中心峰，在圖2頂部附近有一個很好的例子。更大的隕石坑可能會有一組中心峰，且直徑大於350千米的隕石坑會以兩個或兩個以上同心環的形式出現。在重力較強天體上，隕石坑從一種類型到另一種類型的過渡時，直徑間的分界線較小。

  地球的隕石坑記錄保存得很差，因為它是一個活躍的星球。在地球上，清除或掩埋隕石坑的過程幾乎與隕石坑形成的速度相同。幸運的是，多虧了阿波羅載人登月計劃返回地球後帶來了可確定日期的樣本，再加上蘇聯的幾次無人駕駛樣本返回任務，月球上現存的大片古代地形使我們能夠計算出月球表面已知年代的隕擊坑的密度。通過這種方法，我們知道了晚期重轟擊的日期，以及自那以後月球被撞擊的平均速度。地球一定受到了和它的衛星同樣的撞擊流，並且我們有充分的理由相信，對水星、金星和火星來說，這一近似結果也是適用的。因此，計算隕石坑數量是我們估算行星表面年齡的最好方法。即使對隕石坑的絕對年齡存在疑問，我們通常也可以有把握地假設，隕石坑密度較低的地表比隕石坑密度較高的地表更年輕。

  圖2　月球表面一個470千米寬的區域的照片。這個區域布了隕石坑。這些隕石坑大多是在39億年前形成的，衝掉了所有較老的隕石坑。每個隕石坑都是由一個比它小2~030倍的物體撞擊形成的。地球的某些部分曾經看起和這個區域很相似

  如今，地球每年會被大約1萬顆1公斤以上的隕石撞擊，但其中大多數隕石會因體積太小而無法通過大氣層，它們在大氣層中會被摩擦加熱並被損耗。每年約有1000公斤的隕石會撞擊地球，但最終只有10公斤左右的隕石能通過大氣層。直徑150米的隕石撞擊地球會產生直徑約2千米的隕石坑，其撞擊地球的平均間隔約為5000年。大約每20萬年會隨機發生一次直徑約1千米的隕石撞擊，這樣的隕石穿透地球大氣層時視若無物，它會以勻速撞擊地面，形成一個直徑約20千米的隕石坑。更大、更具破壞性的隕石撞擊鮮有發生。

  碰撞影響著太陽系中的每一個天體，但隕石坑只存在於有固體表面且其他活動不足以抹去撞擊記錄的天體上。1994年7月，天文觀測者發現了一系列碎片，這些碎片來自一顆被潮汐破壞的彗星。觀測者幸運地在碎片即將與木星相撞前發現了它們，從而目睹了幾次碎片與木星的撞擊，發現每次撞擊都在這顆巨行星的大氣層中留下了褐色的疤痕，並持續了數周之久。2009年7月，一次未觀測到的撞擊也留下了這樣一道疤痕。

  行星是生命的居所

  如果地球和太陽不是處於一個恰當的距離上，你就不會讀到這本書，因為生命可能還沒有形成——即使有生命，我們也不可能進化到這種程度。科學家們認為每顆恆星周圍都有一個「宜居帶」，在這個距離上，行星表面的溫度對生命來說既不太熱也不太冷。與金髮姑娘(Goldilocks)偏愛熊寶寶的粥(粥的溫度「剛剛好」)類似[2]，此宜居帶有時也被稱為「金髮姑娘地帶」。在這種情況下，「宜居」意味著某個地方可以維持任何類型的生命，即使只是簡單的微生物，但這並不意味著該環境適合人類居住。

  我們的生命活動需要水，所以宜居帶通常等於這樣一個與恆星的距離：在這個距離下，行星表面的溫度可以使水以液態的形式存在。行星大氣的密度和組成會影響行星的表面溫度，但表面溫度的主要控制因素是來自行星對恆星的熱量吸收情況。據估計，太陽周圍的宜居帶為從距太陽大約0.95~1.5 AU的區域。這個估算結果表明，金星(0.72 AU)位於宜居帶內邊緣之外，火星(1.52 AU)位於宜居帶外邊緣的外側。自行星形成以來，太陽的熱量輸出可能略有增加，所以隨著時間的推移，宜居帶將向外推。因此，火星雖然似乎不太適合生命居住，

  但也不是沒有希望。

  由行星表面溫度定義的宜居帶一直被批評過於狹窄。在某些情況下，儘管表面看起來不適宜居住，但行星內部產生的熱量可能會為生命提供一個適合生存的生態環境。即使在地球上，我們也知道存在著生活在0℃以下或100℃以上的「極端微生物」。因此，即使所有的生命都像地球上的生命那樣，基於碳鏈分子並依賴水作為溶劑，太陽系中也有好幾個地方可能會存在生命(儘管目前我們只知道地球上存在著生命)，並且在銀河系的其他地方也存在著至少數百萬個適合居住的地方。我將在本書的結尾再回到這個主題。

  太空探索

  望遠鏡是非常有用的，例如，我們可以用它來測量行星表面和大氣層的溫度及組成。早在1781年，威廉·赫歇爾就用望遠鏡準確地識別了火星上的極地冰蓋。木星足夠大，距離地球足夠近，即使用相當普通的望遠鏡也能觀測到它雲層中的風暴。但如果不是太空探索的出現，這本書會變得更加枯燥，會有更多內容是憑空推測。半個世紀以來，地球上的太空探測器造訪了太陽系的每一顆行星。1959年，蘇聯探測器到達月球；1969年至1972年期間，有12名美國太空人在月球表面行走；20世紀60年代，美國國家航天局(NASA)的無人駕駛號(Unmanned)和蘇聯的無人探測器飛向了金星和火星，並在70年代到達各自的預定軌道，實現了軟著陸。第一次飛向木星和土星的太空探索發生在20世紀70年代，而飛向其他巨行星的太空探索是在20世紀80年代。自1990年以來，越來越多的軌道飛行器探索了類地行星，機器人漫遊者在火星表面爬行，木星和土星的複雜軌道之旅也得以實現。

  這些任務中最著名的包括：1976年登陸火星的海盜1號和2號；1990年至1994年期間，麥哲倫號用雷達繪製了金星的表面；旅行者1號和2號在1979年至1989年間飛過了巨行星；1995年至2003年期間繞木星運行的伽利略號；卡西尼號於2004年開始繞土星軌道運行，並於2005年向土衛六表面發射了惠更斯號探測器。

  而未來幾年太空探索的亮點則包括：從火星、小行星和彗星上收集樣本並返回地球，以及人類在月球上的重現。美國和俄羅斯不再是僅有的太空強國。歐洲航天局(European Space Agency， ESA)已經有單獨前往火星和金星的探測器，也有與美國宇航局聯合前往土星的探測器，不久還將有與日本合作一起前往水星的探測器。日本已經向月球和小行星發射了探測器，中國和印度也都有探測器到達過月球。從科學上講，各國間已經有了很多合作，大多數探測器攜帶的儀器都是由多個國家提供的，但不可否認的是，除了長期戰略和商業利益的考量，

  在太空探索領域中，國家自豪感也處在緊要位置。

  [1]　原文為75年，現代常用的軌道周期為~796年。

  [2]　這是一首英國童謠。