太阳系

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太陽系的主要成員:由左至右依序為(未依照比例)海王星天王星土星木星小行星帶太陽水星金星地球月球火星,在左邊可以看見一顆彗星

太陽系是以太陽為中心,和所有受到太陽的重力約束天體的集合體:8顆行星、至少165顆已知的衛星[1]、5顆已經辨认出來的矮行星和數以億計的太陽系小天體。這些小天體包括小行星柯伊伯带的天體、彗星星際塵埃

廣義上,太陽系的領域包括:太陽,4顆類地的內行星,由許多小岩石組成的小行星帶,4顆充滿氣體的巨大外行星和充滿冰凍小岩石,被稱為柯伊伯带的第二個小天體區。在柯伊伯带之外還有黃道離散盤面太陽圈,和依然屬於假設的歐特雲

依照至太陽的距離,太阳系内的行星依序是水星金星地球火星木星土星天王星海王星。8顆行星中的6顆有天然的衛星環繞,在太阳系外側的行星还被由塵埃和許多小顆粒構成的行星環環繞著。除地球外,在地球上肉眼可見的行星以五行為名,其余则与西方一样,全都以希臘羅馬神話故事中的神仙為名。五顆矮行星冥王星柯伊伯带內已知最大的天體之一鳥神星妊神星,小行星帶內最大的天體穀神星,和屬於黃道離散天體鬩神星

名詞解釋[编辑]

太陽系的行星和矮行星。圖中唯大小依照比例,距離未依比例。

軌道環繞太陽的天體被分為三類:行星矮行星、和太陽系小天體

行星是環繞太陽且質量夠大的天體。這類天體:

  1. 有足夠的質量使本身的形狀成為球體
  2. 有能力清空鄰近軌道的小天體。

能成為行星的天體有8個:水星金星地球火星木星土星天王星海王星

在2006年8月24日,國際天文聯合會重新定義行星這個名詞,首次將冥王星排除在大行星外,並將冥王星穀神星鬩神星組成新的分類:矮行星[2]矮行星不需要將鄰近軌道附近的小天體清除掉,其他可能成為矮行星的天體還有塞德娜厄耳枯斯、和創神星。從第一次發現的1930年直至2006年,冥王星被當成太陽系的第九顆行星。但是在20世紀末期和21世紀初,許多與冥王星大小相似的天體在太陽系內陸續被發現,特別是鬩神星更明確的被指出比冥王星大。

環繞太陽運轉的其他天體都屬於太陽系小天體[3]

衛星(如月球之類的天體),由於不是環繞太陽而是環繞行星、矮行星或太陽系小天體,所以不屬於太陽系小天體。

天文學家在太陽系內以天文單位(AU)來測量距離。1AU是地球到太陽的平均距離,大約是149,597,871公里(92,955,807英里)。冥王星與太陽的距離大約是39AU,木星則約是5.2AU。最常用在測量恆星距離的長度單位是光年,1光年大約相當於63,240天文單位。行星與太陽的距離以公轉週期為周期變化著,最靠近太陽的位置稱為近日點,距離最遠的位置稱為遠日點

有時會将太陽系非正式地分成幾個不同的區域:“內太陽系”,包括四顆類地行星和主要的小行星帶;其餘的是“外太陽系”,包含小行星帶之外所有的天體。[4]其它的定義還有海王星以外的區域,而將四顆大型行星稱為“中間帶”。[5]

概述和結構[编辑]

克萊門汀太空船從月球背面觀看在陽光下的黃道面,圖中的天體由左至右依序為水星火星土星

太陽系的主角是位居中心的太陽,它是一顆光譜分類為G2V的主序星,擁有太陽系內已知質量的99.86%,並以引力主宰著太陽系。[6]木星土星,是太陽系內最大的兩顆行星,又佔了剩餘質量的90%以上,目前仍屬於假說歐特雲,還不知道會佔有多少百分比的質量。[7]

太陽系內主要天體的軌道,都在地球繞太陽公轉的軌道平面(黃道)的附近。行星都非常靠近黃道,而彗星柯伊伯带天體,通常都有比較明顯的傾斜角度。

太陽系內天體的軌道(由左上方順時針拉遠觀看)。

由北方向下鳥瞰太陽系,所有的行星和絕大部分的其他天體,都以逆時針(右旋)方向繞著太陽公轉。有些例外的,像是哈雷彗星

環繞著太陽運動的天體都遵守克卜勒行星運動定律,軌道都以太陽為橢圓的一個焦點,並且越靠近太陽時的速度越快。行星的軌道接近圓型,但許多彗星、小行星和柯伊伯带天體的軌道則是高度橢圓的。

在這麼遼闊的空間中,有許多方法可以表示出太陽系中每個軌道的距離。在實際上,距離太陽越遠的行星或環帶,與前一個的距離就會更遠,而只有少數的例外。例如,金星在水星之外約0.33天文單位的距離上,而土星與木星的距離是4.3天文單位,海王星又在天王星之外10.5天文單位。曾有些關係式企圖解釋這些軌道距離變化間的交互作用(參見提丟斯-波得定則),但這樣的理論從未獲得證實。

形成和演化[编辑]

藝術家筆下的原行星盤

太陽系的形成據信應該是依據星雲假說,最早是在1755年由康德和1796年由拉普拉斯各自獨立提出的。 [8]這個理論認為太陽系是在46億年前從一個巨大的分子雲的塌縮中形成的。這個星雲原本有數光年的大小,並且同時誕生了数顆恆星。[9]研究古老的隕石追溯到的元素顯示,只有超新星爆炸的心臟部分才能產生這些元素,所以包含太陽的星團必然在超新星殘骸的附近。可能是來自超新星爆炸的震波使鄰近太陽附近的星雲密度增高,使得重力得以克服內部氣體的膨脹壓力造成塌縮,因而觸發了太陽的誕生。[10]

被認定為原太陽星雲的地區就是日後將形成太陽系的地區,[11]直徑估計在7,000至20,000天文單位,[9][12]而質量僅比太陽多一點[13]。當星雲開始塌縮時,角動量守恆定律使它的轉速加快,內部原子相互碰撞的頻率增加。其中心区域集中了大部分的質量,溫度也比周圍的圓盤更熱。[9]當重力、氣體壓力、磁場和自轉作用在收縮的星雲上时,它開始變得扁平成為旋轉的原行星盤,而直徑大約200天文單位,[9]並且在中心有一個熱且稠密的原恆星[14][15]

對年輕的金牛T星的研究,相信質量與預融合階段發展的太陽非常相似,顯示在形成階段經常都會有原行星物質的圓盤伴隨著(質量約為0.001至0.1太陽質量)[13],這些圓盤可以延伸至數百天文單位,並且最熱的部分可以達到數千K的高溫[16]

哈柏猎户座大星云原恆星影像,寬一光年的恆星育嬰室,非常像我們的太陽剛誕生時的原始星雲。

一億年後,在塌縮的星雲中心,壓力和密度將大到足以使原始太陽開始熱融合,這會一直增加直到流體靜力平衡,使熱能足以抵抗重力的收縮能。這時太陽才成為一顆真正的恆星。[17]

相信經由吸積的作用,各種各樣的行星將從雲氣(太陽星雲)中剩餘的氣體和塵埃中誕生:

  • 當塵粒的顆粒還在環繞中心的原恆星時,行星就已經開始成長;
  • 然後經由直接的接觸,聚集成1至10公里直徑的叢集;
  • 接著經由碰撞形成更大的個體,成為直徑大約5公里的星子
  • 在未來的數百萬年中,經由進一步的碰撞以每年15公分的的速度繼續成長。[18]

在太陽系的內側,高溫使甲烷這種易揮發的分子不能凝聚,因此形成的星子相對的就比較小(僅佔有圓盤質量的0.6%),[9]並且主要的成分是熔點較高的矽酸鹽金屬化合物。這些石質的天體最後就成為類地行星。再遠一點的星子,受到木星引力的影響,不能凝聚在一起成為原行星,而成為現在所見到的小行星帶[19]

在更遠的距離上,在凍結線之外,易揮發的物質也能凍結成固體,就形成了木星和土星這些巨大的氣體巨星。天王星和海王星獲得的材料較少,並且因為核心被認為主要是冰(氫化物),因此被稱為冰巨星。[20][21]

一旦年輕的太陽開始產生能量,太陽風見下段)會將原行星盘中的物質吹入行星際空間,从而結束行星的成長。年轻的金牛座T星的恆星風就比处于穩定阶段的较老的恒星強得多。[22][23]

太阳演化过程的艺术画。从左到右依次为主序星红巨星白矮星

根据天文学家的推测,目前的太阳系会维持直到太阳离开主序。由于太阳是利用其内部的氢作为燃料,为了能够利用剩余的燃料,太阳会变得越来越热,于是燃烧的速度也越来越快。这就导致太阳不断变亮,变亮速度大约为每11亿年增亮10%。

从现在起再过大约76亿年,太阳的内核将会热得足以使外层氢发生融合,这会导致太阳膨胀到现在半径的260倍,变为一顆红巨星[24]此时,由于體積與表面积的扩大,太阳的總光度增加,但表面溫度下降,單位面積的光度變暗。

随后,太阳的外层被逐渐抛离,最后裸露出核心成為一顆白矮星,一个极为緻密的天体,只有地球的大小卻有着原来太阳一半的质量。[25]

太陽[编辑]

由地球所見的太陽。

太陽是太陽系的母星,也是最主要和最重要的成員。它有足夠的質量讓內部的壓力密度足以抑制和承受核融合產生的巨大能量,並以輻射的型式,例如可見光,讓能量穩定的進入太空

太陽在分類上是一顆中等大小的黃矮星,不過這樣的名稱很容易讓人誤會,其實在我們的星系中,太陽是相當大與明亮的。恆星是依據赫羅圖的表面溫度與亮度對應關係來分類的。通常,溫度高的恆星也會比較明亮,而遵循此一規律的恆星都會位在所謂的主序帶上,太陽就在這個帶子的中央。但是,比太陽大且亮的星並不多,而比較暗淡和低溫的恆星則很多。[26]

赫羅圖,主序帶由右下延伸至左上。

太陽在恆星演化的階段正處於“壯年期”,尚未用盡在核心進行核融合的氫。太陽的亮度仍會與日俱增,早期的亮度只是現在的75%。[27]

計算太陽內部氫與的比例,認為太陽已經完成生命週期的一半,在大約50億年後,太陽將離開主序帶,並變得更大與更加明亮,但表面溫度卻降低的紅巨星[28]屆時它的亮度將是目前的數千倍。

太陽是在宇宙演化後期才誕生的第一星族恆星,它比第二星族的恆星擁有更多比氫和氦重的金屬(這是天文學的說法:原子序數大於氦的都是金屬。)。[29]比氫和氦重的元素是在恆星的核心形成的,必須經由超新星爆炸才能釋入宇宙的空間內。換言之,第一代恆星死亡之後宇宙中才有這些重元素。最老的恆星只有少量的金屬,後來誕生的才有較多的金屬。高金屬含量被認為是太陽能發展出行星系統的關鍵,因為行星是由累積的金屬物質形成的。[30]

行星際物質[编辑]

除了,太陽也不斷的放射出電子流(電漿),也就是所謂的太陽風。這股微粒子流的速度為每小時150萬公里, [31]在太陽系內創造出稀薄的大氣層(太陽圈),範圍至少達到100天文單位(日球層頂),也就是我們所認知的行星際物質。太陽的黑子週期(11年)和頻繁的閃焰日冕物质抛射在太陽圈內造成的干擾,產生了太空氣候[32]伴随太陽自轉而轉動的磁場在行星際物質中所產生的太陽圈電流片,是太陽系內最大的結構。[33]

在軌道中看見的南極光

地球的磁場從與太陽風的互動中保護著地球大氣層。水星和金星因為沒有磁場,太陽風使它們的大氣層逐漸流失至太空中。 [34]太陽風和地球磁場交互作用產生的極光,可以在接近地球的磁極(如南极北极)的附近看見。

宇宙線是來自太陽系外的,太陽圈屏障著太陽系,行星的磁場也為行星自身提供了一些保護。宇宙線在行星際物質內的密度和太陽磁場週期的強度變動有關,但是宇宙線在太陽系內的變動幅度究竟是多少,仍然是未知的。[35]

行星際物質至少在在兩個盤狀區域內聚集成宇宙塵。第一個區域是黃道塵雲,位於內太陽系,並且是黃道光的起因。它們可能是小行星帶內的天體和行星相互撞擊所產生的。[36]第二個區域大約伸展在10-40天文單位的範圍內的柯伊伯带,带內的天體可能是在相似的互相撞擊下產生的。[37][38]

內太陽系[编辑]

內太陽系在傳統上是類地行星和小行星帶區域的名稱,主要是由矽酸鹽和金屬組成的。這個區域擠在靠近太陽的範圍內,半徑比木星與土星之間的距離还短。

內行星[编辑]

內行星。由左至右依序為水星金星地球、和火星(大小合乎比例)。

四顆內行星或是類地行星的特点是高密度、由岩石構成、只有少量或沒有衛星,也沒有環系統。它們由高熔點的礦物,像是矽酸鹽類的礦物組成表面固體的地殼和半流質的地函,以及由構成的金屬組成核心。四顆中的三顆(金星、地球、火星)有實質的大氣層,全部都有撞擊坑地質構造的表面特徵(地塹火山等)。內行星容易和比地球更接近太陽的內側行星(水星和金星)混淆。

水星[编辑]

水星是最靠近太陽(0.4 天文單位),也是最小(0.055地球質量)的行星,沒有衛星。它僅知的地質特徵,除了撞擊坑外,只有大概是在早期歷史擴張與收縮期間產生的皺摺山脊[39]水星,包括被太陽風轟擊出的氣體原子,只有微不足道的大氣。[40]相對來說,它有相當巨大的鐵質核心和薄薄的地函,形成的原因不確定,科學家解釋可能是巨大的衝擊剝離了它的外殼,或是年輕時期的太陽能抑制了外殼的增長。[41][42]

金星[编辑]

金星(0.7 天文單位)的體積與地球相似(0.82地球質量),沒有衛星。它和地球一樣有厚厚的矽酸鹽地函包圍著核心,還有濃厚的大氣層和內部地質活動的證據。但是,它的大氣密度比地球高90倍,而且非常乾燥。它是顆炙熱的行星,表面的溫度460到470°C,很可能是大氣層中有大量的溫室氣體造成的。[43]沒有明確的證據顯示金星的地質活動仍在進行中,但是沒有磁場保護的大氣應該會被耗盡,因此認為金星的大氣是經由火山的爆發獲得補充。[44]

地球[编辑]

地球(1 天文單位)是內行星中最大且密度最高的,也是唯一地質活動仍在持續進行中並被人类承認擁有生命的行星。它也擁有類地行星中獨一無二的水圈和被觀察到的板塊結構。地球的大氣也與其他的行星完全不同,生存在地球的生物把大氣改造成含有21%的自由氧氣[45]它只有一顆衛星,即月球;月球也是類地行星中唯一的大衛星。

火星[编辑]

藝術家想像中地球化後的火星。

火星(1.5 天文單位)比地球和金星小(0.11地球質量),只有以二氧化碳為主的稀薄大氣,它的表面,有密集與巨大的火山,例如奧林帕斯山水手號峽谷有深邃的地塹,顯示不久前仍有劇烈的地質活動。火山最高高度超過20000米。火星於十億年前可能曾經有許多液態水。也有生物存在的可能性。

有人認為火星地球化,並變成第二個地球,但須要300-1000年多,也可能會破壞火星環境。也同時能令火星有為人類的「殖民地」。首先把火星的大氣增加氧氣量,然後溶化南北極的冰,成為液態水,最後擴大液態水的位置,成為海洋湖泊[46]

火星有兩顆天然的小衛星,戴摩斯福伯斯,可能是被捕獲的小行星。數百萬年後福伯斯將和火星相撞。 [47]

小行星帶[编辑]

小行星的主帶和特洛伊小行星。

小行星是太陽系小天體中最主要的成員,主要由岩石與不易揮發的物質組成。

主要的小行星帶位於火星和木星軌道之間,距離太陽2.3至3.3天文單位,它們被認為是在太陽系形成的過程中,受到木星引力擾動而未能聚合的殘餘物質。

小行星的尺度從大至數百公里、小至微米的都有。除了最大的穀神星之外,所有的小行星都被歸類為太陽系小天體,但是有幾顆小行星,像是灶神星健神星,如果能被證實已經達到流體靜力平衡的狀態,可能會被重分類為矮行星

小行星帶擁有數萬顆,可能多達數百萬顆,直徑在一公里以上的小天體。[48]儘管如此,小行星帶的總質量仍然不可能達到地球質量的千分之一。[49]小行星主帶的成員依然是稀稀落落的,所以至今還沒有太空船在穿越時發生意外。

直徑在10至10−4 米的小天體稱為流星體[50]

智神星
智神星

智神星是第二大的小行星,僅次於穀神星,體積介於穀神星和灶神星之間的過渡性,但是其質量是值得注意的。

若不計算外海王星天體,智神星是太陽系內仍未被直接觀測(以望遠鏡或探測器)其表面的天體中最大的。它也有可能是太陽系內最大的不規則物體,即自身的重力不足以將天體聚成球形。另一個候選天體是外海王星天體2003 EL61。

智神星體積雖然甚大,但作為小行星帶中間的天體,它的軌道卻相當傾斜,而且偏心率較大。

穀神星
穀神星
穀神星(2.77天文單位)是主帶中最大的天體,也是主帶中唯一的矮行星。它的直徑接近1000公里,因此自身的重力已足以使它成為球體。它在19世紀初被發現時,被認為是一顆行星,在1850年代因為有更多的小天體被發現才重新分類為小行星;[51]在2006年,又再度重分類為矮行星。
小行星族
主帶中的小行星可以依據軌道元素劃分成幾個小行星群小行星族小行星衛星是圍繞著較大的小行星運轉的小天體,它們的認定不如繞著行星的衛星那樣明確,因為有些衛星幾乎和被繞的母體一樣大。

在主帶中也有彗星[52]它們可能是地球上水的主要來源。

特洛依小行星的位置在木星的L4或L5(在行星軌道前方和後方的不穩定引力平衡點),不過“特洛依”這個名稱也被用在其他行星或衛星軌道上位於拉格朗日點上的小天體。

希尔达族是軌道週期與木星有著2:3共振的小行星族,當木星繞太陽公轉二圈時,這群小行星會繞太陽公轉三圈。

內太陽系也包含許多“淘气”的小行星與塵粒,其中有許多都會穿越內行星的軌道。

外太陽系[编辑]

太陽系的中部地區是氣體巨星和它們有如行星大小尺度衛星的家,許多短週期彗星,包括半人馬群也在這個區域內。此區的傳統的名稱为“外太陽系”。在這一區域的固體,主要的成分是“冰”(水、氨和甲烷),不同於以岩石為主的內太陽系。20世纪末21世纪初,天文学家在外太阳系之外发现了大量新天体,就将这个新的外部区域称为海王星以外的區域,原属于外太阳系的冥王星也归于其中。

外行星[编辑]

由上而下:海王星、天王星、土星和木星。

在外側的四顆行星,也稱為類木行星,囊括了環繞太陽99%的已知質量。木星和土星的大氣層都擁有大量的氫和氦,天王星和海王星的大氣層則有較多的“冰”,像是甲烷。有些天文學家認為它們該另成一類,稱為“天王星族”或是“冰巨星”。[53]這四顆氣體巨星都有行星環,但是只有土星的環可以輕鬆的從地球上觀察。“外行星”這個名稱容易與“外側行星”混淆,後者实际是指在地球軌道外面的行星,除了外行星外還有火星。

木星[编辑]

木星(5.2 天文單位),主要由組成,質量是地球的318倍,也是其他行星質量總和的2.5倍。木星的豐沛內熱在它的大氣層造成一些近似恒星的特徵,例如雲帶和大紅斑。木星已經被發現的衛星有63顆,最大的四顆,甘尼米德卡利斯多埃歐、和歐羅巴,顯示出類似類地行星的特徵,像是火山作用和內部的熱量。[54]甘尼米德比水星還要大,是太陽系內最大的衛星。

土星[编辑]

土星(9.5 天文單位),因為有明顯的環系統而著名,它與木星非常相似,例如大氣層的結構。土星不是很大,質量只有地球的95倍,它有61顆已知的衛星,泰坦恩塞拉都斯,擁有巨大的冰火山,顯示出地質活動的標誌。[55]泰坦比水星大,而且是太陽系中唯一實際擁有大氣層的衛星。

天王星[编辑]

天王星(19.6 天文單位),是最輕的外行星,質量是地球的14倍。它的自轉軸對黃道傾斜達到90度,因此是橫躺著繞著太陽公轉,在行星中非常獨特。在氣體巨星中,它的核心溫度最低,只輻射非常少的熱量進入太空中。[56]天王星已知的衛星有27顆,最大的幾顆是泰坦尼亞歐貝隆烏姆柏里厄爾艾瑞爾、和米蘭達

海王星[编辑]

海王星(30 天文單位)雖然看起來比天王星小,但密度較高使質量仍有地球的17倍。他雖然輻射出較多的熱量,但遠不及木星和土星多。[57]海王星已知有13顆衛星,最大的崔頓仍有活躍的地質活動,有著噴發液態間歇泉[58]它也是太陽系內唯一逆行的大衛星。在海王星的軌道上有一些1:1軌道共振小行星,組成海王星特洛伊群

半人馬群[编辑]

半人馬群是散佈在9至30 天文單位的範圍內,也就是軌道在木星和海王星之間,類似彗星以冰為主的天體。半人馬群已知的最大天體是小行星10199,直徑在200至250公里。[59]第一個被發現的是小行星2060,因為在接近太陽時如同彗星般的產生彗髮,目前已經被歸類為彗星。[60]有些天文學家將半人馬族歸類為柯伊伯帶內部的離散天體,而視為是外部離散盤的延續。[61]

海王星外區域[编辑]

在海王星之外的區域,仍然是未被探測的廣大空間。這片區域似乎是太陽系小天體的世界(最大的直徑不到地球的五分之一,質量則遠小於月球),主要由岩石和冰組成。

柯伊伯带[编辑]

柯伊伯带所有已知天體的位置,並標示出四顆外行星的位置。

柯伊伯带,最初的形式被認為是由與小行星大小相似,但主要是由冰組成的碎片與殘骸構成的環帶,擴散在距離太陽30至50 天文單位之處。這個區域被認為是短週期彗星,像是哈雷彗星,的來源。它主要由太陽系小天體組成,但是許多柯伊伯带中最大的天體,例如妊神星鳥神星被歸類為矮行星,另外創神星伐楼拿、和厄耳枯斯等也可能被歸類為矮行星。估計柯伊伯带內直徑大於50公里的天體會超過100,000顆,但總質量可能只有地球質量的十分之一甚至只有百分之一。[62]許多柯伊伯带的天體都有兩顆以上的衛星,而且多數的軌道都不在黃道平面上。

以圖解顯示的傳統的柯伊伯带和軌道共振。
黑色:黃道離散天體,藍色:QB1天體(傳統的),綠色:冥族小天体(共振軌道)。

柯伊伯带大致上可以分成共振帶傳統帶兩部分,共振帶是由與海王星軌道有共振關係的天體組成的(當海王星公轉太陽三圈就繞太陽二圈,或海王星公轉兩圈時只繞一圈),其實海王星本身也算是共振帶中的一員。傳統帶的成員則是不與海王星共振,散佈在39.4至47.7天文單位範圍內的天體。[63]傳統的柯伊伯带天體以最初被發現的三顆之一的1992 QB1為名,被分類為QB1天體[64]

冥王星和凱倫[编辑]

冥王星(平均距離39天文單位)是一顆矮行星,也是柯伊伯带內已知的最大天體之一。當它在1930年被發現後被視為第九顆行星,直到2006年才被定義矮行星。冥王星的軌道對黃道面傾斜17度,與太陽的距離在近日點時是29.7天文單位(在海王星軌道的內側),遠日點時則達到49.5天文單位。

冥王星和已知的三顆衛星。

目前还不能確定凱倫,冥王星的衛星,是否应被歸類為目前认为的卫星还是属于矮行星,因為冥王星和凱倫互繞軌道的質心不在任何一者的表面之下,形成了冥王星-凱倫双行星系统。另外兩顆很小的衛星,尼克斯Nix)與許德拉Hydra)則繞著冥王星和凱倫公轉。 冥王星在共振帶上,與海王星有著3:2的共振(冥王星繞太陽公轉二圈時,海王星公轉三圈)。柯伊伯带中有著這種軌道的天體統稱為冥族小天体[65]

妊神星[编辑]

妊神星

妊神星是古柏帶的一顆矮行星,正式名稱為(136108)Haumea。妊神星是太陽系的第四大矮行星,它的質量是冥王星質量的三分之一。妊神星已經被發現的衛星有兩顆:妊衛一妊衛二

鳥神星[编辑]

鳥神星

鳥神星,正式名稱為(136472)Makemake,是太陽系內已知的第三大矮行星,亦是傳統凱伯帶天體中最大的兩顆之一。鳥神星的直徑大約是冥王星的四分之三。鳥神星沒有衞星,因此它是一顆孤獨的凱伯帶天體

離散盤[编辑]

鬩神星和衛星鬩衛一

離散盤與柯伊伯带是重疊的,但是向外延伸至更遠的空間。離散盤內的天體應該是在太陽系形成的早期過程中,因為海王星向外遷徙造成的引力擾動才被從柯伊伯带拋入反覆不定的軌道中。多數黃道離散天體( scattered disk object)的近日點都在柯伊伯带內,但遠日點可以遠至150 天文單位;軌道對黃道面也有很大的傾斜角度,甚至有垂直於黃道面的。有些天文學家認為黃道離散天體應該是柯伊伯带的另一部分,並且應該稱為“柯伊伯带離散天體”。[66]

鬩神星[编辑]

鬩神星(平均距離68天文單位)是已知最大的黃道離散天體,並且引發了甚麼是行星的辯論。他的直徑至少比冥王星大15%,估計有2,400公里(1,500英里),是已知的矮行星中最大的。[67]鬩神星有一顆衛星,鬩衛一(迪絲諾美亞),軌道也像冥王星一樣有著很大的離心率,近日點的距離是38.2天文單位(大約是冥王星與太陽的平均距離),遠日點達到97.6天文單位,對黃道面的傾斜角度也很大。

矮行星与候选矮行星(直径大于800公里)[编辑]
天体 英文名 编号 半径
(公里)
质量
(1021千克)
平均轨道半径
(天文单位)
分类
柯伊伯带包括冥族小天体、
QB1天体、其它共振天体
谷神星 Ceres 1 475±2 0.94 2.77 小行星带
冥王星 Pluto 134340 1,153±10 13.05 39.26 冥族小天体
阋神星 Eris 136199 1,163±6 16.7 67.67 离散盘
鸟神星 Makemake 136472 715±7 3 45.79 QB1天体
妊神星 Haumea 136108 620±30[68] 4.01 43.13 其它共振天体
2007 OR10 225088 640±105[69] 2 67.21 离散盘
冥卫一 Charon Pluto I 604±2 1.52 39.26 冥族小天体卫星
创神星 Quaoar 50000 555±3 1.4 43.58 QB1天体
赛德娜 Sedna 90377 498±40[70] 0.8 518.57 离散盘或内奥尔特云
2002 MS4 307261 470±30 0.7 41.93 QB1天体离散盘
亡神星 Orcus 90482 460±10 0.64 39.17 冥族小天体
海妃星 Salacia 120347 430±20 0.45 42.19 QB1天体离散盘


彗星[编辑]

彗星歸屬於太陽系小天體,通常直徑只有幾公里,主要由具揮發性的冰組成。 它們的軌道具有高離心率,近日點一般都在內行星軌道的內側,而遠日點冥王星之外。當一顆彗星進入內太陽系後,與太陽的接近會導致她冰冷表面的物質昇華电離,產生彗髮和拖曳出由氣體和塵粒組成,肉眼就可以看見的彗尾。

短週期彗星是軌道週期短於200年的彗星,長週期彗星的軌週期可以長達數千年。短週期彗星,像是哈雷彗星,被認為是來自柯伊伯带;長週期彗星,像海爾·波普彗星,則被認為起源於歐特雲。有許多群的彗星,像是克魯茲族彗星,可能源自一個崩潰的母體。[71]有些彗星有著雙曲線軌道,則可能來自太陽系外,但要精確的測量這些軌道是很困難的。[72]揮發性物質被太陽的熱驅散後的彗星經常會被歸類為小行星[73]

最遠的區域[编辑]

太陽系於何處結束,以及星際介質開始的位置沒有明確定義的界線,因為這需要由太陽風和太陽引力兩者來決定。太陽風能影響到星際介質的距離大約是冥王星距離的四倍,但是太陽的洛希球,也就是太陽引力所能及的範圍,應該是這個距離的千倍以上。

日球層頂[编辑]

航海家進入日鞘

太陽圈可以分為兩個區域,太陽風傳遞的最大速度大約在95天文單位,相当于冥王星軌道的三倍之處。此處是終端震波的邊緣,也就是太陽風和星際介質相互碰撞與衝激之處。太陽風在此處減速、凝聚並且變得更加紛亂,形成一個巨大的卵形結構,也就是所謂的日鞘,外觀和表現得像是彗尾,在朝向恆星風的方向向外繼續延伸約40 天文單位,但是反方向的尾端則延伸數倍於此距離。太陽圈的外緣是日球層頂,此處是太陽風最後的終止之處,外面即是恆星際空間。[74]

太陽圈外緣的形狀和形式很可能受到與星際物質相互作用的流體動力學的影響,[75]同时也受到在南端佔優勢的太陽磁場的影响;例如,它的形狀在北半球比南半球多擴展了9個天文單位(大約15億公里)。在日球層頂之外,在大约230天文單位处,存在着弓激波,它是当太阳在银河系中穿行时产生的。[76]

還沒有太空船飛越到日球層頂之外,所以還不能確知星際空間的環境條件。而太陽圈如何保护在宇宙射線下的太陽系,目前所知甚少。为此,人们已经开始提出能够飛越太陽圈的任務。[77][78]

奥尔特云[编辑]

藝術家描繪的柯伊伯带和假設中的奥尔特云

理論上的奥尔特云有數以兆計的冰冷天體和巨大的質量,在大約50,000天文單位,最遠可達100,000天文單位的距離上包圍著太陽系,被認為是長週期彗星的來源。它們被認為是經由外行星的引力作用从內太陽系被拋至該處的彗星。奥尔特云的物體運動得非常緩慢,並且可以受到一些不常见的情况的影響,像是碰撞、或是經過天體的引力作用、或是星系潮汐[79][80]

望遠鏡看見的塞德娜。

塞德娜和內奥尔特云[编辑]

塞德娜是顆巨大、紅化的類冥天體,近日點在76 天文單位,遠日點在928 天文單位,12,050年才能完成一週的巨大、高橢率的軌道。米高·布朗在2003年發現這個天體,因為它的近日點太遙遠,以致不可能受到海王星遷徙的影響,所以认为它不是離散盤柯伊伯带的成員。他和其他的天文學家認為它屬於一個新的分類,同屬於這新族群的還有近日點在45 天文單位,遠日點在415 天文單位,軌道週期3,420年的2000 CR105[81]和近日點在21 天文單位,遠日點在1,000 天文單位,軌道週期12,705年的(87269)2000 OO67。布朗命名這個族群為“內奥尔特云”,雖然它遠離太陽但仍較近,可能是經由相似的過程形成的。[82]塞德娜的形狀已經被確認,非常像一顆矮行星。

範圍[编辑]

我們的太陽系仍然有許多未知數。考量鄰近的恆星,估計太陽的引力可以控制2光年(125,000天文單位)的範圍。奥尔特云向外延伸的程度,大概不會超過50,000天文單位。[83]儘管發現的塞德娜,範圍在柯伊伯带和奥尔特云之間,仍然有數萬天文單位半徑的區域是未曾被探測的。水星和太陽之間的區域也仍在持續的研究中。[84]在太陽系的未知地區仍可能有所發現。

星系的關聯[编辑]

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太陽系在銀河中的位置。

太陽系位於一個被稱為銀河系星系內,直徑100,000光年,擁有約二千億顆恆星的棒旋星系[85]我們的太陽位居銀河外圍的一條旋渦臂上,稱為獵戶臂或本地臂。[86]太陽距離銀心25,000至28,000光年,在銀河系內的速度大約是220公里/秒,因此環繞銀河公轉一圈需要2億2千5百萬至2億5千萬年,這個公轉週期稱為銀河年[87]

太陽系在銀河中的位置是地球上能發展出生命的一個很重要的因素,它的軌道非常接近圓形,並且和旋臂保持大致相同的速度,這意味著它相對旋臂是幾乎不動的。因為旋臂遠離了有潛在危險的超新星密集區域,使得地球長期處在穩定的環境之中得以發展出生命。[88]太陽系也遠離了銀河系恆星擁擠群聚的中心,接近中心之處,鄰近恆星強大的引力對奥尔特云產生的擾動會將大量的彗星送入內太陽系,導致與地球的碰撞而危害到在發展中的生命。銀河中心強烈的輻射線也會干擾到複雜的生命發展。[88]即使在太陽系目前所在的位置,有些科學家也認為在35,000年前曾經穿越過超新星爆炸所拋射出來的碎屑,朝向太陽而來的有強烈的輻射線,以及小如塵埃大至類似彗星的各種天體,曾經危及到地球上的生命。[89]

太陽向點apex)是太陽在星際空間中運動所對著的方向,靠近武仙座接近明亮的織女星的方向上。[90]

鄰近的區域[编辑]

藝術家想像的本星系泡

太陽系所在的位置是銀河系中恆星疏疏落落,被稱為本星際雲的區域。這是一個形狀像沙漏,氣體密集而恆星稀少,直徑大約300光年的星際介質,稱為本星系泡的區域。這個氣泡充滿的高溫電漿,被認為是由最近的一些超新星爆炸產生的。[91] 在距離太陽10光年(95兆公里)內只有少數幾顆的恆星,最靠近的是距離4.3光年的三合星,半人馬座α。半人馬座α的A與B是靠得很近且與太陽相似的恆星,而C(也稱為半人馬座比鄰星)是一顆小的紅矮星,以0.2光年的距離環繞著這一對雙星。接下來是距離6光年遠的巴納德星、7.8光年的沃夫359、8.3光年的拉蘭德21185。在10光年的距離內最大的恆星是距離8.6光年的一顆藍白色A型星,質量約為太陽2倍,与天狼B星(白矮星)互繞著旋转的天狼星。在10光年範圍內,還有距離8.7光年,由兩顆紅矮星組成的鯨魚座UV,和距離9.7光年,孤零零的紅矮星羅斯154[92]與太陽比较相似、并离我們最近的單獨恆星是距離11.9光年的鯨魚座τ,質量約為太陽的80%,但光度只有60%。[93]

發現和探測[编辑]

數千年來的人類,除了少數幾個例外,都不相信太陽系的存在。地球不僅被認為是固定在宇宙的中心不動的,並且絕對與在虛無飄渺的天空中穿越的對象或神祇是完全不同的。當哥白尼與前輩們,像是印度的數學與天文學家阿耶波多第(Aryabhata)和希臘哲學家阿里斯塔克斯(Aristarchus),以太陽為中心重新安排宇宙的結構時,仍是在17世紀最前瞻性的概念,經由伽利略克卜勒牛頓等的帶領下,才逐漸接受地球不僅會移動,還繞著太陽公轉的事實;行星由和支配地球一樣的物理定律支配著,有著和地球一樣的物質與世俗現象:火山口、天氣、地質、季節和極冠。

最靠近地球的五顆行星,水星、金星、火星、木星和土星,是天空中最明亮的五顆天體,在古希臘被稱為“πλανήτης”(行星,意思是漫遊者),已經被知道會在以恆星為背景的天球上移動,這就是“行星”這個名詞的由來。天王星在最亮時雖然也能用肉眼看見,但仍然逃過了裸眼的观測,直到1781年才被發現。

望遠鏡的觀測[编辑]

艾薩克·牛頓的望遠鏡複製品

太陽系的第一次探測是由望遠鏡開啟的,始於天文學家首度開始繪製這些因光度暗淡而肉眼看不見的天體之際。

伽利略是第一位發現太陽系天體細節的天文學家。他發現月球的火山口,太陽的表面有黑子,木星有4顆衛星環繞著。[94]惠更斯追隨著伽利略的發現,發現土星的衛星泰坦土星環的形狀。[95]後繼的卡西尼發現了4顆土星的衛星,還有土星環的卡西尼縫、木星的大紅斑[96]

愛德蒙·哈雷认识到在1705年出現的彗星,實際上是每隔75-76年就會重複出現的一顆彗星,現在稱為哈雷彗星。這是除了行星之外的天體會圍繞太陽公轉的第一個證據。[97]

1781年,威廉·赫歇耳在觀察一顆它認為的新彗星時,戒慎恐懼的宣布在金牛座發現了彗星。事實上,它的軌道顯示是一顆行星,天王星,這是第一顆被發現的行星。[98]

1801年,朱塞普·皮亞齊發現穀神星,這是位於火星和木星軌道之間的一個小世界,而一開始他被當成一顆行星。然而,接踵而來的發現使在這個區域內的小天體多達數以萬計,導致他們被重新歸類為小行星[99]

到了1846年,天王星軌道的誤差導致許多人懷疑是不是有另一顆大行星在遠處對它施力。埃班·勒维耶的計算最終導致了海王星的發現。[100]在1859年,因為水星軌道的近日點有一些牛顿力学无法解释的微小运动(「水星近日點進動」),因而有人假設有一顆水內行星祝融星(中文常译为“火神星”)存在;但这一运动最终被证明可以用广义相对论来解释,但某些天文学家仍未放弃对“水内行星”的探寻。

為解釋外行星軌道明顯的偏差,帕西瓦尔·罗威尔認為在其外必然還有一顆行星存在,並稱之為X行星。在他過世後,他的羅威爾天文台繼續搜尋的工作,終於在1930年由汤博發現了冥王星。但是,冥王星是如此的小,實在不足以影響行星的軌道,因此它的發現純屬巧合。就像穀神星,他最初也被當作行星,但是在鄰近的區域內發現了許多大小相近的天體,因此在2006年冥王星被國際天文學聯合會重新分類為矮行星[100]

在1992年,夏威夷大學的天文學家大衛·朱維特麻省理工學院珍妮·劉發現1992 QB1,被證明是一個冰冷的、類似小行星帶的新族群,也就是現在所知的柯伊伯带,冥王星和凱倫都被是其中的成員。[101][102]

米高·布朗乍德·特魯希略大衛·拉比諾維茨在2005年宣布發現的鬩神星是比冥王星大的離散盤上天體,是在海王星之後繞行太陽的最大天體。[103]

太空船的觀測[编辑]

藝術家筆下的先鋒10號,它在1983年飛越冥王星的軌道,最後的訊息是在2003年傳送回來的,當時的距離大約是82天文單位。這艘35歲高齡的太空船目前正以每小時27,000公里的速度遠離太陽。[104]

自從进入太空時代,許多的探測都是各國的太空機構所組織和執行的無人太空船探測任務。

太陽系內所有的行星都已經被由地球發射的太空船探訪,進行了不同程度的各種研究。雖然都是無人的任務,人類還是能觀看到所有行星表面近距離的照片,在有登陸艇的情況下,還進行了對土壤和大氣的一些實驗。

第一個進入太空的人造天體是前蘇聯在1957年發射的史潑尼克一號,成功的環繞地球一年之久。美國在1959年發射的探險家6號,是第一個從太空中送回影像的人造衛星。

第一個成功的飛越過太陽系內其他天體的是月球1號,在1959年飛越了月球。最初是打算撞擊月球的,但卻錯過了目標成為第一個環繞太陽的人造物體。水手2號是第一個環繞其他行星的人造物體,在1962年繞行金星。第一顆成功環繞火星的是1964年的水手4號。直到1974年才有水手10號前往水星。

暗淡藍點航海家1號從60億公里外拍攝的地球影像(圓圈中的點)。條狀的光紋是來自太陽的繞射光芒(延伸到框架的左邊)。

探測外行星的第一艘太空船是先鋒10號,在1973年飛越木星。在1979年,先驱者11号成為第一艘拜訪土星的太空船。航海家計畫在1977年先後發射了兩艘太空船進行外行星的大巡航,在1979年探訪了木星,1980和1981年先後訪視了土星。航海家2號繼續在1986年接近天王星和在1989年接近海王星。航海家太空船已經遠離海王星軌道外,在發現和研究終端震波日鞘日球層頂的路徑上繼續前進。依據NASA的資料,兩艘航海家太空船已經在距離太陽大約93天文單位處接觸到終端震波。[74][105]

還沒有太空船曾經造訪過柯伊伯带天體。而在2006年1月19日發射的新視野號將成為第一艘探測這個區域的人造太空船。這艘無人太空船預計在2015年飛越冥王星。如果这被證明是可行的,任務將會擴大以繼續觀察一些柯伊伯带的其他天體。[106]

在1966年,月球成為除了地球之外第一個有人造衛星繞行的太陽系天體(月球10號),然後是火星在1971年(水手9號),金星在1975年(金星9號),木星在1995年(伽利略號,也在1991年首先飛掠過小Gaspra),愛神星在2000年(會合-舒梅克號),和土星在2004年(卡西尼號惠更斯號)。信使號太空船在2011年3月18日開始第一次繞行水星的軌道;同一時間,黎明號太空船將設定軌道在2011年環繞灶神星,並在2015年探索穀神星

第一個在太陽系其它天體登陸的計畫是前蘇聯在1959年登陸月球的月球2號。從此以後,抵達越來越遙遠的行星,在1966年計畫登陸或撞擊金星(金星3號),1971年到火星(火星3號),但直到1976年才有維京1號成功登陸火星,2001年登陸愛神星會合-舒梅克號),和2005年登陸土星的衛星泰坦惠更斯)。伽利略太空船也在1995年拋下一個探測器進入木星的大氣層;由於木星沒有固體的表面,這個探測器在下降的過程中被逐漸增高的溫度和壓力摧毀掉。

載人探測[编辑]

載人的探測目前仍被限制在鄰近地球的環境內。第一個進入太空(以超過100公里的高度來定義)的人是前蘇聯的太空人尤里·加加林,於1961年4月12日搭乘東方一號升空。第一個在地球之外的天體上漫步的是美國宇航員尼爾·阿姆斯特朗,它是在1969年7月21日的阿波羅11號任務中,於月球上完成的。美國的太空梭是能夠重覆使用的太空船,前蘇聯也曾經開發太空梭並已完成一次的無人太空梭升空任務,蘇聯瓦解後,俄羅斯無力繼續維護任其荒廢。第一個空間站是前蘇聯的禮炮1號。在2004年,太空船1號成為在私人的基金資助下第一個進入次軌道的太空船。同年,美国總統喬治·布什宣布太空探測的远景规划:替換老舊的太空梭、重返月球、甚至載人前往火星,但這計畫在幾年後遭到終止。

研究太陽系[编辑]

对太阳系的长期研究,分化出了这样几门学科:

其他行星系[编辑]

虽然学者同意另外还有其他和太阳系相似的天体系统,但直到1992年才发现别的行星系。至今已发现几百个行星系,但是详细材料还是很少。这些行星系的发现是依靠多普勒效应,通过观测恒星光谱的周期性变化,分析恒星运动速度的变化情况,并据此推断是否有行星存在,并且可以计算行星的质量和轨道。应用这项技术只能发现木星级的大行星,像地球大小的行星就找不到了。

此外,关于类似太阳系的天体系统的研究的另一个目的是探索其他星球上是否也存在着生命

太阳与八大行星数据表[编辑]

太阳与八大行星数据表(順序以距離太陽由近而遠排列)
衛星數截至2012年7月,距離與軌道半徑以1天文單位AU)為單位。
天体 赤道半径
(km)
偏率
赤道重力
地球=1
體積
地球=1
质量
地球=1
比重
轨道半径
(AU)
轨道倾角
(度)
赤道傾角
(度)
公转周期
(地球年)
自转周期
(地球日)
已发现卫星数
太阳 696000 0. 28.01 1304000 333400 1.44 -- -- 7.25 約兩億兩千六百萬(繞銀河系 25.38天(赤道)/37.01天(南北两极) --
水星 2440 0. 0.38 0.056 0.055 5.43 0.3871 7.005 ~0 87.97天 59天 0
金星 6052 0. 0.91 0.857 0.815 5.24 0.7233 3.395 177.4 225天 243天 0
地球 6378 0.0034 1.00 1.00 1.000 5.52 1.0000 0.000 23.44 365.24天 23小时56分钟 1
火星 3397 0.0052 0.38 0.151 0.107 3.93 1.5237 1.850 25.19 687天 24小时37分钟 2
木星 71492 0.0648 2.48 1321 317.832 1.33 5.2026 1.303 3.08 11.86年 9小时50分钟 67
土星 60268 0.1076 0.94 755 95.16 0.69 9.5549 2.489 26.7 29.46年 10小时39分钟 61
天王星 25559 0.023 0.89 63 14.54 1.27 19.2184 0.773 97.9 84.01年 17小时14分钟 27
海王星 24764 0.017 1.11 58 17.15 1.64 30.1104 1.770 27.8 164.82年 16小时06分钟 13
最左侧是太阳,向右依序为水星金星地球火星木星土星天王星海王星

太阳系天体总览[编辑]

太阳系天体轨道列表 大小列表 质量列表 发现列表
区域
按轨道顺序排列
内太阳系 外太阳系 海外天体(TNO) 最外围 备注
(半径/km)
类地行星 小行星带 气体巨行星 柯伊伯带 离散盘 奥尔特云
行星 水星11 金星7 地球6 火星8   木星2 土星3 天王星4 海王星5       半径2400~70000
清空轨道
矮行星 矮行星         谷神星33         冥王星17
鸟神星23
妊神星24
阋神星18   球形、未清空轨道
半径470~1300  
候选矮行星         智神星66
灶神星67
健神星90
        创神星30
2002MS434
亡神星35
海妃星36
······
2007OR1025
赛德娜32
······
部分星体较大
确认球形即可升格 
绕日
小天体
规则轨道     地球
特洛伊
火星
特洛伊
小行星带 特洛伊
小行星
    海王星
特洛伊
柯伊伯带     微小星体群体
流星雨为细碎微粒
不规则轨道   阿登型-阿波罗-阿莫尔型
(近地小行星)
  半人马小行星   离散盘 奥尔特云
达摩克型小行星 · 短周期彗星 长周期彗星
卫星 大于矮行星     月球14     木卫一13
木卫二15
木卫三9
木卫四12
土卫六10   海卫一16       半径1300~2700
两颗比水星大
尺寸与矮
行星相当
            土卫三31
土卫四29
土卫五20
土卫八22
天卫一28
天卫二27
天卫三19
天卫四21
  冥卫一26     球形
半径500~800
小于矮行星             土卫一96
土卫二71
天卫五79 海卫八92 妊卫一97 阋卫一43   接近球形
半径200~260
小卫星     人造卫星 火卫 小行星卫星 其它木卫 其它土卫 其它天卫 其它海卫   微小星体群体
行星环     太空垃圾     木星环 土星环
丽亚环
天王星环 海王星环       细碎微粒
注:各大星体尾数为其尺寸排名,太阳1不在表中。排序靠后的星体因缺乏多数TNO准确数据,序号仅供参考。
尺寸第1~36名半径大于400km,全部列出;排名37~99,列出了所有非TNO星体,排序截止2014.6最新数据


其他資料[编辑]

太陽系內眾多包含固態表面,而其直徑超過1公里的天體,它們的總表面積達17億平方公里

某些占星术士和神秘主义者認為太陽其實是一個雙星系統的主星,在遙遠的地方存在著一個伴星,名為「涅米西斯」(Nemesis,有譯作復仇女神)。該假設是用作解釋地球出現生物大滅絕的一些規則性,認為其伴星會攝動系內奥尔特云中的小行星和彗星,使其改變軌道衝進太陽系,增加撞擊地球的機會並出現定期生物滅絕。[來源請求]

参考文献[编辑]

引用[编辑]

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书目[编辑]

  • 太阳系,《中国大百科全书·天文卷》

期刊[编辑]

  • 欧阳自远,天体化学,地球科学进展,1994,9(2),70-74
  • 吴光节,陈道汉,地外生命搜索和太阳系外的行星的发现,天文学报,2001,42(3),225-238
  • 陈道汉,太阳系空间探测,天文学进展,1999,17(2)178-184

参見[编辑]


外链[编辑]