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01 太阳系 The Solar System（第3页）

这些巨大的星子被冠以一个新名字——“行星胚胎”。可能有几百个行星胚胎是在内太阳系形成的。它们的质量大到足以凭借自身的引力把它们拉成球形。行星胚胎内部的温度可能很高，足以让物质熔化，使铁内陷，形成一个明显的内核，很大程度上这并不重要，因为接下来还要发生一些别的事情。

行星胚胎是类地行星形成的基础。在这个阶段，大部分小颗粒都不见了。只有两个胚胎撞在一起时，行星胚胎才会有显著的生长。这样的碰撞被称为“巨大撞击”，它释放出的热量足够熔化碰撞形成的融合体。想象一个熔岩球，它表面都发着炽热的红光，周围零散漂着一些已经冷却的渣块。在球体深处，液滴状的“铁雨”穿过硅酸盐岩浆，向内沉陷，聚拢到中央核心。你的头脑中要有上述这张图片，它描绘了在巨大撞击后，一个行星胚胎的状态。

这个过程假设了撞击不会把两个行星胚胎都撞成碎片，会有一定数量的碎片作为碰撞的抛射物被抛向太空，这是一个必要的前提。大约需要5000万年的时间，才能通过行星胚胎之间一系列的巨大撞击，形成一颗地球大小的行星。由于碰撞的随机性，由此而来的天体间“族谱”非常复杂。在早期碰撞过程中，将任何单个行星胚胎视为“原始地球”或“原始金星”都是毫无意义的。

在火星轨道之外，年轻木星的引力作用太强大，会把岩质星子搅入偏心率更大的轨道，在这里，往往因为行星胚胎的相互碰撞过于剧烈，导致胚胎无法通过吸积来实现增长。相反，分裂是一个常见的结果，巨大的行星胚胎无法在这里生长，它们本来可能会通过碰撞产生第五颗类地行星。如今在该区域，我们发现的大多数小行星都只占曾经行星胚胎质量的一小部分。木星将大部分小行星甩到了明显偏心的轨道上，因此，大多数小行星最终会与木星或另一颗巨行星相撞，或被完全逐出太阳系。

这些形成巨行星的天体当中含有很高比例的冰和岩石。在“冰线”之外，生长中的行星可以利用的物质更多。我们不确定胚胎—胚胎碰撞在这里扮演了什么角色，同样也不能确定巨行星如何能获得如此多的气体。有这样一种理论：当行星胚胎的质量超过10或15个地球质量后，其引力就足以清除残留在星云中的大量气体，从而使得它们的岩质核和冰质核被厚厚的气体外壳包裹；另一种观点认为，星云中的引力不稳定，这导致每颗巨行星都在一个密度特别大的结中生长，在这个结中的气体自然地被限制在生长中行星的周围。

关于此类问题的意见分歧有很多，其中一个是关于内外太阳系行星相对生长速度的。目前还不清楚木星是在地球和金星形成之前还是之后形成的，如果土星、天王星和海王星是通过胚胎—胚胎碰撞成长起来的话，那么它们一定比木星生长得慢，这是因为随着与太阳的相对距离增加，胚胎-胚胎碰撞的频率应该会降低。

当太阳进入它的“金牛T”阶段时，从星云中清除气体的工作就终止了。“金牛T”阶段是以今天正在经历这一过程的金牛T型恒星命名的。在大约1000万年的时间里，来自处于“金牛T”阶段恒星的强烈气体外流会吹走所有剩余的气体和尘埃，这种强烈的气体外流被称为“金牛T星风”。与其他巨行星相比，天王星和海王星的气体比例较少的一个可能原因是：它们生长比较慢，在金牛T星风这一过程结束之前，有动力收集气体的时间比较短。

迁移的行星

人们争论的另一个问题是，随着时间的推移，行星的轨道之间，尤其是巨行星的轨道之间会发生怎样的变化，这种变化会到什么程度。在太阳星云被驱散之前，星云物质和大型轨道天体之间的引力相互作用会逐渐减小行星胚胎和年轻行星的轨道半径，导致行星胚胎和年轻行星向内迁移。在星云扩散之后，行星和较小天体之间的引力相互作用可能会发挥更大的功能。一些人认为，在大约5亿年间，最外层的巨行星会使外围的冰质星子轨道向内偏转。最终，这些冰质星子可能会通过与下一个巨行星碰撞等方式继续向内迁移，直到它们离木星足够近，再让木星把它们向外抛。这些被抛出的冰质星子可能是如今的奥尔特云的起源。木星每向外抛掷一个天体，就会更靠近太阳一些。不过反过来说，当一颗巨行星向内抛掷一块冰时，其他巨行星也会被向外推。在这个描述中，木星会向内迁移，而土星、天王星和海王星则向外迁移；天王星和海王星甚至有可能互换位置（为天王星的轴倾角达到目前的状态提供了机会）。如今的海外行星，是指那些海王星向外行进时，在扫过的区域之外幸存下来的行星。

然而，行星及其间引力的相互作用在不断地改变着它们的结构。因此，混沌理论认为，我们不能预测几百万年后行星的位置。不过我们可以肯定，太阳系是足够稳定的，在未来的几十亿年内，没有任何行星会发生碰撞或被抛射。至少在未来50亿年内，我们大概率是安全的，而在50亿年后，天文学家们预计太阳将膨胀成一颗红巨星。届时，火星漫游将是遥远未来的地球人面临的最不重要的问题。

为什么是所有的卫星

到目前为止，对于卫星到底是随行星一起生长，还是后来被捕获的问题，还没有一个确切的答案，你对此也不该感到惊讶。巨行星的顺行大卫星是最容易解释的，它们被认为是在巨行星成长过程中，由巨行星周围的气体云和尘埃组成的，就像一个微型版的太阳星云。那些只有几千米大小的，在靠近巨行星的轨道上运动的“顺行”微型卫星，则可能是较大卫星的碎片，这些较大卫星因为距离巨行星太近而被撕碎。巨行星的外层卫星大多处于逆行轨道，它们可能是被捕获的小行星、海外天体或彗星核。

从理论上讲，一颗行星不太可能将一个路过的“访客”天体俘获到自身的轨道上。由于引力作用，一颗较小的天体会与行星擦肩而过，但不大可能减速到足以被行星俘获进入轨道的程度。但是，如果这个“访客”是一个双天体，当其中一个天体将动量传递给另一个天体后，它自己会被俘获，而另一个天体在遇到行星后会更快地离开。对于海王星的逆行大卫星海卫一，目前流行的一种解释是：海卫一原来是一个双海外天体的一半。这似乎是可信的，因为有几个已知的海外天体都是孪生体。请注意，这里留下了一个尚未解决的疑问：为什么这么多的海外天体（包括小行星）从一开始就有卫星？

我们对地球的卫星（月亮）则有不同的解释。月球似乎是由地球在成长过程中最后一次胚胎-胚胎碰撞所产生的碎片凝聚而成的。火星的两颗小卫星（火卫一和火卫二）曾经是小行星，它们被俘获进入近圆形轨道的原因尚不清楚。

碰撞和陨击时标

虽然大规模天体之间的碰撞在如今极为罕见，但仍有非常多的小天体最终可能与行星相撞。在39亿年以前那个被称为“晚期重轰击”的时期，小行星和彗星撞击行星的速度要远远高于今天。尽管在“晚期重轰击”时期后，月球上的陨石坑一直在以较慢的速度形成，但月球上“晚期重轰击”时期的陨石坑仍保存得很好（图2）。当物体以每秒几十千米的速度撞击固体时，撞击点发出的冲击波会将物体击碎，在固体上留下一个陨石坑。陨石坑通常是圆形的，只有在这种极少数情况下，如撞击天体以掠射角度到达固体时，陨石坑才不是圆形的。

地球的陨石坑记录保存得很差，因为它是一个活跃的星球。在地球上，清除或掩埋陨石坑的过程几乎与陨石坑形成的速度相同。幸运的是，多亏了阿波罗载人登月计划返回地球后带来了可确定日期的样本，再加上苏联的几次无人驾驶样本返回任务，月球上现存的大片古代地形使我们能够计算出月球表面已知年代的陨击坑的密度。通过这种方法，我们知道了晚期重轰击的日期，以及自那以后月球被撞击的平均速度。地球一定受到了和它的卫星同样的撞击流，并且我们有充分的理由相信，对水星、金星和火星来说，这一近似结果也是适用的。因此，计算陨石坑数量是我们估算行星表面年龄的最好方法。即使对陨石坑的绝对年龄存在疑问，我们通常也可以有把握地假设，陨石坑密度较低的地表比陨石坑密度较高的地表更年轻。

图2　月球表面一个470千米宽的区域的照片。这个区域布了陨石坑。这些陨石坑大多是在39亿年前形成的，冲掉了所有较老的陨石坑。每个陨石坑都是由一个比它小2~030倍的物体撞击形成的。地球的某些部分曾经看起和这个区域很相似

如今，地球每年会被大约1万颗1公斤以上的陨石撞击，但其中大多数陨石会因体积太小而无法通过大气层，它们在大气层中会被摩擦加热并被损耗。每年约有1000公斤的陨石会撞击地球，但最终只有10公斤左右的陨石能通过大气层。直径150米的陨石撞击地球会产生直径约2千米的陨石坑，其撞击地球的平均间隔约为5000年。大约每20万年会随机发生一次直径约1千米的陨石撞击，这样的陨石穿透地球大气层时视若无物，它会以匀速撞击地面，形成一个直径约20千米的陨石坑。更大、更具破坏性的陨石撞击鲜有发生。

碰撞影响着太阳系中的每一个天体，但陨石坑只存在于有固体表面且其他活动不足以抹去撞击记录的天体上。1994年7月，天文观测者发现了一系列碎片，这些碎片来自一颗被潮汐破坏的彗星。观测者幸运地在碎片即将与木星相撞前发现了它们，从而目睹了几次碎片与木星的撞击，发现每次撞击都在这颗巨行星的大气层中留下了褐色的疤痕，并持续了数周之久。2009年7月，一次未观测到的撞击也留下了这样一道疤痕。

如果地球和太阳不是处于一个恰当的距离上，你就不会读到这本书，因为生命可能还没有形成——即使有生命，我们也不可能进化到这种程度。科学家们认为每颗恒星周围都有一个“宜居带”，在这个距离上，行星表面的温度对生命来说既不太热也不太冷。与金发姑娘（Goldilocks）偏爱熊宝宝的粥（粥的温度“刚刚好”）类似[2]，此宜居带有时也被称为“金发姑娘地带”。在这种情况下，“宜居”意味着某个地方可以维持任何类型的生命，即使只是简单的微生物，但这并不意味着该环境适合人类居住。

我们的生命活动需要水，所以宜居带通常等于这样一个与恒星的距离：在这个距离下，行星表面的温度可以使水以液态的形式存在。行星大气的密度和组成会影响行星的表面温度，但表面温度的主要控制因素是来自行星对恒星的热量吸收情况。据估计，太阳周围的宜居带为从距太阳大约0。95~1。5AU的区域。这个估算结果表明，金星（0。72AU）位于宜居带内边缘之外，火星（1。52AU）位于宜居带外边缘的外侧。自行星形成以来，太阳的热量输出可能略有增加，所以随着时间的推移，宜居带将向外推。因此，火星虽然似乎不太适合生命居住，

但也不是没有希望。

由行星表面温度定义的宜居带一直被批评过于狭窄。在某些情况下，尽管表面看起来不适宜居住，但行星内部产生的热量可能会为生命提供一个适合生存的生态环境。即使在地球上，我们也知道存在着生活在0℃以下或100℃以上的“极端微生物”。因此，即使所有的生命都像地球上的生命那样，基于碳链分子并依赖水作为溶剂，太阳系中也有好几个地方可能会存在生命（尽管目前我们只知道地球上存在着生命），并且在银河系的其他地方也存在着至少数百万个适合居住的地方。我将在本书的结尾再回到这个主题。

太空探索

望远镜是非常有用的，例如，我们可以用它来测量行星表面和大气层的温度及组成。早在1781年，威廉·赫歇尔就用望远镜准确地识别了火星上的极地冰盖。木星足够大，距离地球足够近，即使用相当普通的望远镜也能观测到它云层中的风暴。但如果不是太空探索的出现，这本书会变得更加枯燥，会有更多内容是凭空推测。半个世纪以来，地球上的太空探测器造访了太阳系的每一颗行星。1959年，苏联探测器到达月球；1969年至1972年期间，有12名美国宇航员在月球表面行走；20世纪60年代，美国国家航天局（NASA）的无人驾驶号（Unmanned）和苏联的无人探测器飞向了金星和火星，并在70年代到达各自的预定轨道，实现了软着陆。第一次飞向木星和土星的太空探索发生在20世纪70年代，而飞向其他巨行星的太空探索是在20世纪80年代。自1990年以来，越来越多的轨道飞行器探索了类地行星，机器人漫游者在火星表面爬行，木星和土星的复杂轨道之旅也得以实现。

而未来几年太空探索的亮点则包括：从火星、小行星和彗星上收集样本并返回地球，以及人类在月球上的重现。美国和俄罗斯不再是仅有的太空强国。欧洲航天局（EuropeanSpacy，ESA）已经有单独前往火星和金星的探测器，也有与美国宇航局联合前往土星的探测器，不久还将有与日本合作一起前往水星的探测器。日本已经向月球和小行星发射了探测器，中国和印度也都有探测器到达过月球。从科学上讲，各国间已经有了很多合作，大多数探测器携带的仪器都是由多个国家提供的，但不可否认的是，除了长期战略和商业利益的考量，

在太空探索领域中，国家自豪感也处在紧要位置。

[1]　原文为75年，现代常用的轨道周期为~796年。

[2]　这是一首英国童谣。