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01 太阳系 The Solar System（第1页）

01太阳系TheSolarSystem

历史上的行星

在受到光污染和烟雾的“诅咒”之前，人们对夜空的熟悉程度要高于今天。天空中的行星在古代文化中被认为是特别的，因为它们是在“固定星星”背景上会移动的“漫游星星”。在古代，人们知道的行星有五颗：水星、金星、火星、木星和土星，只有这些行星是可以用肉眼直接看到的。当然，天空中的太阳和月亮也能直接用肉眼看到，不过太阳和月亮看起来是明亮的圆形，而行星看起来像是四处游**的光点。人们也因此认为太阳、月亮与行星是不一样的。在人类存在的大部分时间里，地球被想象成万物的中心，它与天空中的天体无关，所以那时候没有人认为地球是一颗行星。

其实在很早之前，人们就意识到地球和其他行星一样，是一个绕着太阳旋转的岩质球，而且地球是行星中的一员。这是一次思想上的飞跃。这个飞跃的过程很缓慢，并且伴随着很多的假象曙光。

公元前5世纪，古希腊哲学家阿那克萨戈拉（Anaxagoras）正确地推断出月球是一个反射太阳光的特殊球形天体，但因为这样的推断，他被流放了。在接下来的几个世纪里，许多中国的天文学家也提出过类似的想法。直到17世纪，通过望远镜的观测，月球是一个球体的想法才深入人心。

至于行星，在它们是以太阳为运动中心的“日心说”这种反直觉的观点被接受以前，通常被认为是围绕地球旋转的光点。最早提出地球绕着太阳转的书面记录可以追溯到公元前9世纪的印度文本。尽管如此，这之后的天文学家提出的一些关于地球绕着太阳转的观念，尤其是来自古希腊和伊斯兰智者的建议以及1543年尼古拉斯·哥白尼（Nicolausicus）提出的学说，在18世纪前都没有被广泛认可。而伽利略（利用他的望远镜看到了月球上的山脉、金星的相位和围绕木星运行的四颗小卫星）从1633年直至1642年去世，一直被教会软禁在家中，一部分原因就是他提倡日心说。

17世纪初，人们通过望远镜发现行星小归小，却是可辨别的圆盘，而恒星仍然只是一个光点。由此，人们从根本上将行星和恒星区分开来，并为把其他行星看作是和地球相近的天体铺平了道路。顺便说一下，现在我们知道恒星比行星要亮得多，但恒星（除了太阳）距离我们太远了，即使用最先进的现代望远镜，也只能观测到极少数恒星的表面细节。在照片上，明亮的恒星看起来比暗弱的恒星大，但这只是一种光学效应，因为明亮的恒星形成的模糊光斑更大，所以看起来比较大。

开普勒的行星运动定律

1609年，约翰内斯·开普勒（JohannesKepler）认识到，行星（包括地球）绕太阳运行的路径（轨道）是椭圆，而不是规范的正圆。艾萨克·牛顿（Isaa）在1687年利用对引力的深刻理解，对行星绕太阳的运动进行了解释。多亏了开普勒和牛顿，行星才在人类的理解中找到了它们应有的位置。随后，人们又逐渐推断出行星相对于地球的距离和大小。

椭圆，就是你可能会想到的“卵形”。在数学上，椭圆被定义为一条围绕两点（椭圆的两个焦点）绘制的闭合曲线，且从两个焦点到曲线上任意一点的距离之和相同。圆是一种特殊的椭圆，两个焦点在圆的中心重合。两个焦点距离越远，椭圆就越扁长，或者说越“偏心”。开普勒推断，行星沿着椭圆轨道运行，太阳位于椭圆轨道的其中一个焦点，另一个焦点是空的。在椭圆轨道上，离太阳最近的点称为“近日点”（perihelion，希腊语中表示“最接近太阳”），离太阳最远的点称为“远日点”（aphelion，希腊语中表示“离太阳最远”）。行星的轨道不是高度偏心的，如果你从平面图上看，会发现它们看起来很像圆。例如，当火星处于远日点时，它与太阳的距离与它处在近日点时相差不到21%。对地球来说，处在远日点和处在近日点，它与太阳的距离相差不到4%。

开普勒因他的行星运动三定律而闻名。简单地说，开普勒第一定律就是：每颗行星都在一个椭圆轨道上运行，太阳在椭圆轨道的其中一个焦点上。开普勒第二定律描述了行星沿轨道运转速度的变化：行星越靠近太阳，其移动速度越快（原因可用后来的牛顿的引力理论解释）。开普勒第二定律也可表述为：在相等的时间内，连接地球和太阳的虚构线扫出的面积相等。开普勒第三定律将行星的轨道周期（行星绕太阳一周所需时间）和行星与太阳的平均距离联系起来。开普勒第三定律可表述为：轨道周期的平方与平均距离的立方成正比。行星到太阳的平均距离等于其椭圆轨道长轴长度的一半（也称为“半长轴”），也可以说，行星到太阳的平均距离等于其近日点和远日点之间直线距离的一半。开普勒的行星运动定律使精确计算其他行星轨道的大小成为可能，但其结果的精确程度却受限于人们对地球轨道大小测量的不确定性。早在1672年，天文学家们就利用在多个地点同时对火星进行观测，测得了地球和太阳的距离，大约为1。4亿千米，这十分接近149597871千米这一正确值。之后在1761年和1769年，天文学家们又通过对金星凌日的观测，将地球和太阳的距离估值修正为153±1百万千米（1769年的观测要求库克船长亲自在塔希提岛驻扎）。虽然科学的进步使得关于太阳系规模和性质的模型变得更加自洽和简洁，但罗马教皇对印刷“日心说”书籍的禁令直到1822年才被撤销。

你可能会认为，一旦确定了地球与一颗行星间的距离，计算行星大小的工作将会变得很容易。但即使是利用大型望远镜，观测到的行星盘也是很小的，再加上地球大气层的干扰，我们对行星视角大小（或者说是行星看起来有多大）的测量存在巨大的不确定性。例如，当威廉·赫歇尔在1781年发现天王星时，他测量的天王星的盘比实际要大8%。要用望远镜测量一颗行星的大小，最精确的方法不是测量它看起来有多大，而是计算它从一颗恒星前面经过的时间。行星从一颗恒星前面经过的现象被称作“掩星”，这非常罕见，但到19世纪末，利用“掩星”的方法，许多行星的大小已经被相当精确地确定了（表1）。

如果说天王星的发现是出于偶然，那海王星则是经过慎重的搜寻后，才在1846年被发现的。当时天王星的轨道被发现存在微小的扰动，这使得天王星的轨道不再是一个完美的椭圆，而是存在扭曲。对这种扰动最好的解释是，一颗看不见的外行星的引力影响了它，海王星因此被发现了。当海王星的轨道被记录了足够长的时间后，它似乎也显示出了扰动，指向另一颗未被发现的行星。这引发了1930年对发现冥王星的研究。起初，天文学家认为这颗新发现的第九大行星的大小和质量一定与天王星和海王星相似，但在1955年，天文学家们证明冥王星不可能比地球大；1971年，冥王星大小的估算结果减少到火星的大小；1978年，人们发现冥王星表面的主要成分是具有高度反射性的甲烷冰，这意味着冥王星的实际尺寸必须更小，才能与它的总亮度保持一致。如今，我们知道冥王星的直径只有2390千米，甚至比水星还要小，质量也比水星要小得多。尽管海王星轨道的“扰动”很幸运地激发了对冥王星的搜索，但现在认为，海王星的轨道扰动不过是观测误差而已。

冥王星在2006年失去了官方承认的行星地位，这是一个有争议的决定，但在我看来是正确的。在解释这是为什么之前，我将回顾一下我们现在所理解的太阳系的性质。

表1　行星的大小（赤道直径

*卡米尔·弗莱马里恩（C。Flammarion），《大众天文学》（PopularAstronomy）（查托与温达斯，皮卡迪利大街）

回顾太阳系

太阳

太阳系的中心是太阳。它是一颗相当普通的恒星，其核心的核聚变将氢转化为氦，为太阳提供能量。太阳的直径是地球的109倍，质量约是地球的

333000倍。太阳的质量是太阳系中所有其他天体质量总和的740倍。太阳的引力是如此强大，以至于太阳系中天体绕太阳运行的轨道几乎都是开普勒认定的完美椭圆。尽管行星间存在的轨道扰动是可测量的，但这些扰动非常微小，几乎可以忽略。

行星

表2总结了行星的一些基本性质。为避免使用非常大的数字，表中引用的数据是行星的某一性质相对于地球的比较值。地球与太阳的距离用“天文单位（Astronomiits）”来表示，简记为AU，定义为地球到太阳的平均距离，可以简化地记为1。5亿千米。行星的轨道周期是指其绕太阳一周所需要的时间，当然，这里的时间指的是该行星自己的“年”。由开普勒第三定律可知，本表中行星的轨道周期和其与太阳的距离是相互联系的，也就是说，行星轨道周期（单位为地球年）的平方等于其到太阳平均距离（单位为AU）的立方。地球的质量非常接近6×1024千克（6×1021吨），因此，在描述其他行星的基本性质时，不引用如千克、秒和米这样的标准科学单位，而用其与地球这一性质的比较值，是很方便的。

自转周期是行星绕其自转轴旋转一圈所用的时间。对快速旋转的行星来说，这大约等同于行星上从一个日出到下一个日出的时间（行星自身“一天的长度”）。但快速旋转的行星的自转周期和其“一天的长度”之间的关系并不确定，这是因为行星的轨道运动不断地改变着行星相对太阳的方向。地球的自转周期为23小时56分钟，但它实际需要24小时才能将太阳带回天空中的同一点。从行星的角度来看，除非自转引起了行星表面某一点朝向太阳的方向发生了改变，否则太阳在单轨道运行的过程中是完全绕着行星的天空移动的。如果一颗行星的自转被潮汐锁定，那么它每绕太阳一圈就会自转一次（同步自转），并且它的某一表面将永远朝向太阳。水星并不是这样的，它每公转两次就会精确地自转三次，也就是说，它每公转两次就会相对太阳自转一次，所以水星上一天时间相当于两年。

表2　行星的相对性质

*其与太阳的距离为平均距离。年和天分别为地球年和地球天。行星的大小见表1

四颗内行星和四颗外行星的性质有许多不同。内行星（水星、金星、地球和火星）与外行星（木星、土星、天王星和海王星）相比，体积相对较小，质量也较低。两者的密度也有差别，内行星的密度比外行星大。内行星被称为“类地行星”，这意味着它们“和地球类似”。四颗外行星被称为“巨行星”，有些人也把它们称为“气态巨行星”，以反映它们含有许多的氢和氦；还有一些人专门用“气态巨行星”来形容木星和土星，因为它俩的气体含量要高于另外两颗外行星，尽管另外两颗外行星含有的气体的质量都超过了一个地球质量。

图1　太阳系图，以实际的相对大小显示行星轨道。行星轨道只有轻微的偏心，所以看起来和圆没什么区别。火星轨道内未标记的圆圈是地球轨道，不是太阳。金星和水星的轨道太小，无法包含在图内。冥王星不是一颗行星，图中显示它的轨道是因为它代表了海王星轨道之外的大量小天体

图1中除了金星和水星，其他行星都按照轨道等比例排列。金星和水星的轨道太小了，难以显示在图中。图1还包括了冥王星轨道的一部分，放到以后讨论。其中有一个行星轨道的性质我还没有提到，即行星轨道几乎都在同一平面上，没有这一性质，就无法绘制出这样一幅星图。地球的轨道面也因此能被当成一个方便的参考平面，被称为“黄道”。相对于地球的轨道，冥王星的轨道倾角为17。1°，水星的轨道倾角为7°，金星的轨道倾角为3。4°，其他行星的轨道倾角都小于3°。

当冥王星接近近日点时，它就位于海王星的轨道内侧。冥王星和海王星不会发生碰撞，因为它们的轨道倾角不同，阻止了它们的路径相交，而且，每当冥王星经过海王星的轨道时，海王星总是在太阳的另一边。这是因为海王星每完成三次公转，冥王星恰好完成两次，这种关系被称为3∶2轨道共振。