太阳系

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太阳系的主要成员:由左至右依序为(未依照比例)海王星天王星土星木星小行星带太阳水星金星地球月球火星,在左边可以看见一颗彗星

太阳系是以太阳为中心,和所有受到太阳的重力约束天体的集合体:8颗行星、至少165颗已知的卫星[1]、5颗已经辨认出来的矮行星和数以亿计的太阳系小天体。这些小天体包括小行星柯伊伯带的天体、彗星星际尘埃

广义上,太阳系的领域包括太阳,4颗类地的内行星,由许多小岩石组成的小行星带,4颗充满气体的巨大外行星,充满冰冻小岩石,被称为柯伊伯带的第二个小天体区。在柯伊伯带之外还有黄道离散盘面太阳圈,和依然属于假设的奥尔特云

依照至太阳的距离,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颗行星中的6颗有天然的卫星环绕,在太阳系外侧的行星还被由尘埃和许多小颗粒构成的行星环环绕着。除地球外,在地球上肉眼可见的行星以五行为名,其余则与西方一样,全都以希腊罗马神话故事中的神仙为名。五颗矮行星冥王星柯伊伯带内已知最大的天体之一鸟神星妊神星,小行星带内最大的天体谷神星,和属于黄道离散天体阋神星

名词解释[编辑]

太阳系的行星和矮行星。图中唯大小依照比例,距离未依比例。

轨道环绕太阳的天体被分为三类:行星矮行星、和太阳系小天体

行星是环绕太阳且质量够大的天体。这类天体:

  1. 有足够的质量使本身的形状成为球体
  2. 有能力清空邻近轨道的小天体。

能成为行星的天体有8个: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,国际天文联合会重新定义行星这个名词,首次将冥王星排除在大行星外,并将冥王星谷神星阋神星组成新的分类:矮行星[2]矮行星不需要将邻近轨道附近的小天体清除掉,其他可能成为矮行星的天体还有塞德娜厄耳枯斯、和创神星。从第一次发现的1930年直至2006年,冥王星被当成太阳系的第九颗行星。但是在20世纪末期和21世纪初,许多与冥王星大小相似的天体在太阳系内陆续被发现,特别是阋神星更明确的被指出比冥王星大。

环绕太阳运转的其他天体都属于太阳系小天体[3]

卫星(如月球之类的天体),由于不是环绕太阳而是环绕行星、矮行星或太阳系小天体,所以不属于太阳系小天体。

天文学家在太阳系内以天文单位(AU)来测量距离。1AU是地球到太阳的平均距离,大约是149,597,871公里(92,955,807英里)。冥王星与太阳的距离大约是39AU,木星则约是5.2AU。最常用在测量恒星距离的长度单位是光年,1光年大约相当于63,240天文单位。行星与太阳的距离以公转周期为周期变化著,最靠近太阳的位置称为近日点,距离最远的位置称为远日点

有时会将太阳系非正式地分成几个不同的区域:“内太阳系”,包括四颗类地行星和主要的小行星带;其余的是“外太阳系”,包含小行星带之外所有的天体。[4]其它的定义还有海王星以外的区域,而将四颗大型行星称为“中间带”。[5]

概述和结构[编辑]

克莱门汀太空船从月球背面观看在阳光下的黄道面,图中的天体由左至右依序为水星火星土星

太阳系的主角是位居中心的太阳,它是一颗光谱分类为G2V的主序星,拥有太阳系内已知质量的99.86%,并以引力主宰著太阳系。[6]木星土星,是太阳系内最大的两颗行星,又占了剩余质量的90%以上,目前仍属于假说奥尔特云,还不知道会占有多少百分比的质量。[7]

太阳系内主要天体的轨道,都在地球绕太阳公转的轨道平面(黄道)的附近。行星都非常靠近黄道,而彗星柯伊伯带天体,通常都有比较明显的倾斜角度。

太阳系内天体的轨道(由左上方顺时针拉远观看)。

由北方向下鸟瞰太阳系,所有的行星和绝大部分的其他天体,都以逆时针(右旋)方向绕着太阳公转。有些例外的,像是哈雷彗星

环绕着太阳运动的天体都遵守开普勒行星运动定律,轨道都以太阳为椭圆的一个焦点,并且越靠近太阳时的速度越快。行星的轨道接近圆型,但许多彗星、小行星和柯伊伯带天体的轨道则是高度椭圆的。

在这么辽阔的空间中,有许多方法可以表示出太阳系中每个轨道的距离。在实际上,距离太阳越远的行星或环带,与前一个的距离就会更远,而只有少数的例外。例如,金星在水星之外约0.33天文单位的距离上,而土星与木星的距离是4.3天文单位,海王星又在天王星之外10.5天文单位。曾有些关系式企图解释这些轨道距离变化间的交互作用(参见提丢斯-波得定则),但这样的理论从未获得证实。

形成和演化[编辑]

艺术家笔下的原行星盘

太阳系的形成据信应该是依据星云假说,最早是在1755年由康德和1796年由拉普拉斯各自独立提出的。 [8]这个理论认为太阳系是在46亿年前从一个巨大的分子云的塌缩中形成的。这个星云原本有数光年的大小,并且同时诞生了数颗恒星。[9]研究古老的陨石追溯到的元素显示,只有超新星爆炸的心脏部分才能产生这些元素,所以包含太阳的星团必然在超新星残骸的附近。可能是来自超新星爆炸的震波使邻近太阳附近的星云密度增高,使得重力得以克服内部气体的膨胀压力造成塌缩,因而触发了太阳的诞生。[10]

被认定为原太阳星云的地区就是日后将形成太阳系的地区,[11]直径估计在7,000至20,000天文单位,[9][12]而质量仅比太阳多一点[13]。当星云开始塌缩时,角动量守恒定律使它的转速加快,内部原子相互碰撞的频率增加。其中心区域集中了大部分的质量,温度也比周围的圆盘更热。[9]当重力、气体压力、磁场和自转作用在收缩的星云上时,它开始变得扁平成为旋转的原行星盘,而直径大约200天文单位,[9]并且在中心有一个热且稠密的原恒星[14][15]

对年轻的金牛T星的研究,相信质量与预融合阶段发展的太阳非常相似,显示在形成阶段经常都会有原行星物质的圆盘伴随着(质量约为0.001至0.1太阳质量)[13],这些圆盘可以延伸至数百天文单位,并且最热的部分可以达到数千K的高温[16]

哈柏猎户座大星云原恒星影像,宽一光年的恒星育婴室,非常像我们的太阳刚诞生时的原始星云。

一亿年后,在塌缩的星云中心,压力和密度将大到足以使原始太阳开始热融合,这会一直增加直到流体静力平衡,使热能足以抵抗重力的收缩能。这时太阳才成为一颗真正的恒星。[17]

相信经由吸积的作用,各种各样的行星将从云气(太阳星云)中剩余的气体和尘埃中诞生:

  • 当尘粒的颗粒还在环绕中心的原恒星时,行星就已经开始成长;
  • 然后经由直接的接触,聚集成1至10公里直径的丛集;
  • 接着经由碰撞形成更大的个体,成为直径大约5公里的星子
  • 在未来的数百万年中,经由进一步的碰撞以每年15厘米的的速度继续成长。[18]

在太阳系的内侧,高温使甲烷这种易挥发的分子不能凝聚,因此形成的星子相对的就比较小(仅占有圆盘质量的0.6%),[9]并且主要的成分是熔点较高的硅酸盐金属化合物。这些石质的天体最后就成为类地行星。再远一点的星子,受到木星引力的影响,不能凝聚在一起成为原行星,而成为现在所见到的小行星带[19]

在更远的距离上,在冻结线之外,易挥发的物质也能冻结成固体,就形成了木星和土星这些巨大的气体巨星。天王星和海王星获得的材料较少,并且因为核心被认为主要是冰(氢化物),因此被称为冰巨星。[20][21]

一旦年轻的太阳开始产生能量,太阳风见下段)会将原行星盘中的物质吹入行星际空间,从而结束行星的成长。年轻的金牛座T星的恒星风就比处于稳定阶段的较老的恒星强得多。[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,变为一颗红巨星[24]此时,由于体积与表面积的扩大,太阳的总光度增加,但表面温度下降,单位面积的光度变暗。

随后,太阳的外层被逐渐抛离,最后裸露出核心成为一颗白矮星,一个极为致密的天体,只有地球的大小却有着原来太阳一半的质量。[25]

太阳[编辑]

由地球所见的太阳。

太阳是太阳系的母星,也是最主要和最重要的成员。它有足够的质量让内部的压力密度足以抑制和承受核融合产生的巨大能量,并以辐射的型式,例如可见光,让能量稳定的进入太空

太阳在分类上是一颗中等大小的黄矮星,不过这样的名称很容易让人误会,其实在我们的星系中,太阳是相当大与明亮的。恒星是依据赫罗图的表面温度与亮度对应关系来分类的。通常,温度高的恒星也会比较明亮,而遵循此一规律的恒星都会位在所谓的主序带上,太阳就在这个带子的中央。但是,比太阳大且亮的星并不多,而比较暗淡和低温的恒星则很多。[26]

赫罗图,主序带由右下延伸至左上。

太阳在恒星演化的阶段正处于“壮年期”,尚未用尽在核心进行核融合的氢。太阳的亮度仍会与日俱增,早期的亮度只是现在的75%。[27]

计算太阳内部氢与的比例,认为太阳已经完成生命周期的一半,在大约50亿年后,太阳将离开主序带,并变得更大与更加明亮,但表面温度却降低的红巨星[28]届时它的亮度将是目前的数千倍。

太阳是在宇宙演化后期才诞生的第一星族恒星,它比第二星族的恒星拥有更多比氢和氦重的金属(这是天文学的说法:原子序数大于氦的都是金属。)。[29]比氢和氦重的元素是在恒星的核心形成的,必须经由超新星爆炸才能释入宇宙的空间内。换言之,第一代恒星死亡之后宇宙中才有这些重元素。最老的恒星只有少量的金属,后来诞生的才有较多的金属。高金属含量被认为是太阳能发展出行星系统的关键,因为行星是由累积的金属物质形成的。[30]

行星际物质[编辑]

除了,太阳也不断的放射出电子流(等离子),也就是所谓的太阳风。这股微粒子流的速度为每小时150万公里, [31]在太阳系内创造出稀薄的大气层(太阳圈),范围至少达到100天文单位(日球层顶),也就是我们所认知的行星际物质。太阳的黑子周期(11年)和频繁的闪焰日冕物质抛射在太阳圈内造成的干扰,产生了太空气候[32]伴随太阳自转而转动的磁场在行星际物质中所产生的太阳圈电流片,是太阳系内最大的结构。[33]

在轨道中看见的南极光

地球的磁场从与太阳风的互动中保护着地球大气层。水星和金星因为没有磁场,太阳风使它们的大气层逐渐流失至太空中。 [34]太阳风和地球磁场交互作用产生的极光,可以在接近地球的磁极(如南极北极)的附近看见。

宇宙线是来自太阳系外的,太阳圈屏障著太阳系,行星的磁场也为行星自身提供了一些保护。宇宙线在行星际物质内的密度和太阳磁场周期的强度变动有关,但是宇宙线在太阳系内的变动幅度究竟是多少,仍然是未知的。[35]

行星际物质至少在在两个盘状区域内聚集成宇宙尘。第一个区域是黄道尘云,位于内太阳系,并且是黄道光的起因。它们可能是小行星带内的天体和行星相互撞击所产生的。[36]第二个区域大约伸展在10-40天文单位的范围内的柯伊伯带,带内的天体可能是在相似的互相撞击下产生的。[37][38]

内太阳系[编辑]

内太阳系在传统上是类地行星和小行星带区域的名称,主要是由硅酸盐和金属组成的。这个区域挤在靠近太阳的范围内,半径比木星与土星之间的距离还短。

内行星[编辑]

内行星。由左至右依序为水星金星地球、和火星(大小合乎比例)。

四颗内行星或是类地行星的特点是高密度、由岩石构成、只有少量或没有卫星,也没有环系统。它们由高熔点的矿物,像是硅酸盐类的矿物组成表面固体的地壳和半流质的地函,以及由构成的金属组成核心。四颗中的三颗(金星、地球、火星)有实质的大气层,全部都有撞击坑地质构造的表面特征(地堑火山等)。内行星容易和比地球更接近太阳的内侧行星(水星和金星)混淆。

水星[编辑]

水星是最靠近太阳(0.4 天文单位),也是最小(0.055地球质量)的行星,没有卫星。它仅知的地质特征,除了撞击坑外,只有大概是在早期历史扩张与收缩期间产生的皱折山脊[39]水星,包括被太阳风轰击出的气体原子,只有微不足道的大气。[40]相对来说,它有相当巨大的铁质核心和薄薄的地函,形成的原因不确定,科学家解释可能是巨大的冲击剥离了它的外壳,或是年轻时期的太阳能抑制了外壳的增长。[41][42]

金星[编辑]

金星(0.7 天文单位)的体积与地球相似(0.82地球质量),没有卫星。它和地球一样有厚厚的硅酸盐地函包围着核心,还有浓厚的大气层和内部地质活动的证据。但是,它的大气密度比地球高90倍,而且非常干燥。它是颗炙热的行星,表面的温度460到470°C,很可能是大气层中有大量的温室气体造成的。[43]没有明确的证据显示金星的地质活动仍在进行中,但是没有磁场保护的大气应该会被耗尽,因此认为金星的大气是经由火山的爆发获得补充。[44]

地球[编辑]

地球(1 天文单位)是内行星中最大且密度最高的,也是唯一地质活动仍在持续进行中并被人类承认拥有生命的行星。它也拥有类地行星中独一无二的水圈和被观察到的板块结构。地球的大气也与其他的行星完全不同,生存在地球的生物把大气改造成含有21%的自由氧气[45]它只有一颗卫星,即月球;月球也是类地行星中唯一的大卫星。

火星[编辑]

艺术家想像中地球化后的火星。

火星(1.5 天文单位)比地球和金星小(0.11地球质量),只有以二氧化碳为主的稀薄大气,它的表面,有密集与巨大的火山,例如奥林帕斯山水手号峡谷有深邃的地堑,显示不久前仍有剧烈的地质活动。火山最高高度超过20000米。火星于十亿年前可能曾经有许多液态水。也有生物存在的可能性。

有人认为火星地球化,并变成第二个地球,但须法300-1000年多,也可能会破坏火星环境。也同时能令火星有为人类的“殖民地”。首先把火星的大气增加氧气量,然后溶化南北极的冰,成为液态水,最后扩大液态水的位置,成为海洋湖泊[46]

火星有两颗天然的小卫星,戴摩斯福伯斯,可能是被捕获的小行星。数百万年后福伯斯将和火星相撞。 [47]

小行星带[编辑]

小行星的主带和特洛伊小行星。

小行星是太阳系小天体中最主要的成员,主要由岩石与不易挥发的物质组成。

主要的小行星带位于火星和木星轨道之间,距离太阳2.3至3.3天文单位,它们被认为是在太阳系形成的过程中,受到木星引力扰动而未能聚合的残余物质。

小行星的尺度从大至数百公里、小至微米的都有。除了最大的谷神星之外,所有的小行星都被归类为太阳系小天体,但是有几颗小行星,像是灶神星健神星,如果能被证实已经达到流体静力平衡的状态,可能会被重分类为矮行星

小行星带拥有数万颗,可能多达数百万颗,直径在一公里以上的小天体。[48]尽管如此,小行星带的总质量仍然不可能达到地球质量的千分之一。[49]小行星主带的成员依然是稀稀落落的,所以至今还没有太空船在穿越时发生意外。

直径在10至10−4 米的小天体称为流星体[50]

智神星
智神星

智神星是第二大的小行星,仅次于谷神星,体积介于谷神星和灶神星之间的过渡性,但是其质量是值得注意的。

若不计算外海王星天体,智神星是太阳系内仍未被直接观测(以望远镜或探测器)其表面的天体中最大的。它也有可能是太阳系内最大的不规则物体,即自身的重力不足以将天体聚成球形。另一个候选天体是外海王星天体2003 EL61。

智神星体积虽然甚大,但作为小行星带中间的天体,它的轨道却相当倾斜,而且偏心率较大。

谷神星
谷神星
谷神星(2.77天文单位)是主带中最大的天体,也是主带中唯一的矮行星。它的直径接近1000公里,因此自身的重力已足以使它成为球体。它在19世纪初被发现时,被认为是一颗行星,在1850年代因为有更多的小天体被发现才重新分类为小行星;[51]在2006年,又再度重分类为矮行星。
小行星族
主带中的小行星可以依据轨道元素划分成几个小行星群小行星族小行星卫星是围绕着较大的小行星运转的小天体,它们的认定不如绕着行星的卫星那样明确,因为有些卫星几乎和被绕的母体一样大。

在主带中也有彗星[52]它们可能是地球上水的主要来源。

特洛依小行星的位置在木星的L4或L5(在行星轨道前方和后方的不稳定引力平衡点),不过“特洛依”这个名称也被用在其他行星或卫星轨道上位于拉格朗日点上的小天体。 希耳达族是轨道周期与木星有着2:3共振的小行星族,当木星绕太阳公转二圈时,这群小行星会绕太阳公转三圈。

内太阳系也包含许多“淘气”的小行星与尘粒,其中有许多都会穿越内行星的轨道。

外太阳系[编辑]

太阳系的中部地区是气体巨星和它们有如行星大小尺度卫星的家,许多短周期彗星,包括半人马群也在这个区域内。此区的传统的名称为“外太阳系”。在这一区域的固体,主要的成分是“冰”(水、氨和甲烷),不同于以岩石为主的内太阳系。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区域,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。

在外侧的四颗行星,也称为类木行星,囊括了环绕太阳99%的已知质量。木星和土星的大气层都拥有大量的氢和氦,天王星和海王星的大气层则有较多的“冰”,像是甲烷。有些天文学家认为它们该另成一类,称为“天王星族”或是“冰巨星”。[53]这四颗气体巨星都有行星环,但是只有土星的环可以轻松的从地球上观察。“外行星”这个名称容易与“外侧行星”混淆,后者实际是指在地球轨道外面的行星,除了外行星外还有火星。

木星[编辑]

木星(5.2 天文单位),主要由组成,质量是地球的318倍,也是其他行星质量总和的2.5倍。木星的丰沛内热在它的大气层造成一些近似恒星的特征,例如云带和大红斑。木星已经被发现的卫星有63颗,最大的四颗,甘尼米德卡利斯多埃欧、和欧罗巴,显示出类似类地行星的特征,像是火山作用和内部的热量。[54]甘尼米德比水星还要大,是太阳系内最大的卫星。

土星[编辑]

土星(9.5 天文单位),因为有明显的环系统而著名,它与木星非常相似,例如大气层的结构。土星不是很大,质量只有地球的95倍,它有61颗已知的卫星,泰坦恩塞拉都斯,拥有巨大的冰火山,显示出地质活动的标志。[55]泰坦比水星大,而且是太阳系中唯一实际拥有大气层的卫星。

天王星[编辑]

天王星(19.6 天文单位),是最轻的外行星,质量是地球的14倍。它的自转轴对黄道倾斜达到90度,因此是横躺着绕着太阳公转,在行星中非常独特。在气体巨星中,它的核心温度最低,只辐射非常少的热量进入太空中。[56]天王星已知的卫星有27颗,最大的几颗是泰坦尼亚欧贝隆乌姆柏里厄尔艾瑞尔、和米兰达

海王星[编辑]

海王星(30 天文单位)虽然看起来比天王星小,但密度较高使质量仍有地球的17倍。他虽然辐射出较多的热量,但远不及木星和土星多。[57]海王星已知有13颗卫星,最大的崔顿仍有活跃的地质活动,有着喷发液态间歇泉[58]它也是太阳系内唯一逆行的大卫星。在海王星的轨道上有一些1:1轨道共振小行星,组成海王星特洛伊群

半人马群[编辑]

半人马群是散布在9至30 天文单位的范围内,也就是轨道在木星和海王星之间,类似彗星以冰为主的天体。半人马群已知的最大天体是10199 Chariklo,直径在200至250 公里。[59]第一个被发现的是小行星2060,因为在接近太阳时如同彗星般的产生彗发,目前已经被归类为彗星。[60]有些天文学家将半人马族归类为柯伊伯带内部的离散天体,而视为是外部离散盘的延续。[61]

海王星外区域[编辑]

在海王星之外的区域,仍然是未被探测的广大空间。这片区域似乎是太阳系小天体的世界(最大的直径不到地球的五分之一,质量则远小于月球),主要由岩石和冰组成。

柯伊伯带[编辑]

柯伊伯带所有已知天体的位置,并标示出四颗外行星的位置。

柯伊伯带,最初的形式被认为是由与小行星大小相似,但主要是由冰组成的碎片与残骸构成的环带,扩散在距离太阳30至50 天文单位之处。这个区域被认为是短周期彗星,像是哈雷彗星,的来源。它主要由太阳系小天体组成,但是许多柯伊伯带中最大的天体,例如妊神星鸟神星被归类为矮行星,另外创神星伐楼拿、和厄耳枯斯等也可能被归类为矮行星。估计柯伊伯带内直径大于50公里的天体会超过100,000颗,但总质量可能只有地球质量的十分之一甚至只有百分之一。[62]许多柯伊伯带的天体都有两颗以上的卫星,而且多数的轨道都不在黄道平面上。

以图解显示的传统的柯伊伯带和轨道共振。
黑色:黄道离散天体,蓝色:QB1天体(传统的),绿色:冥族小天体(共振轨道)。

柯伊伯带大致上可以分成共振带传统带两部分,共振带是由与海王星轨道有共振关系的天体组成的(当海王星公转太阳三圈就绕太阳二圈,或海王星公转两圈时只绕一圈),其实海王星本身也算是共振带中的一员。传统带的成员则是不与海王星共振,散布在39.4至47.7天文单位范围内的天体。[63]传统的柯伊伯带天体以最初被发现的三颗之一的1992 QB1为名,被分类为QB1天体[64]

冥王星和卡戎[编辑]

冥王星(平均距离39天文单位)是一颗矮行星,也是柯伊伯带内已知的最大天体之一。当它在1930年被发现后被视为第九颗行星,直到2006年才被定义矮行星。冥王星的轨道对黄道面倾斜17度,与太阳的距离在近日点时是29.7天文单位(在海王星轨道的内侧),远日点时则达到49.5天文单位。

冥王星和已知的三颗卫星。

目前还不能确定卡戎,冥王星的卫星,是否应被归类为目前认为的卫星还是属于矮行星,因为冥王星和卡戎互绕轨道的质心不在任何一者的表面之下,形成了冥王星-卡戎双行星系统。另外两颗很小的卫星,尼克斯Nix)与许德拉Hydra)则绕着冥王星和卡戎公转。 冥王星在共振带上,与海王星有着3:2的共振(冥王星绕太阳公转二圈时,海王星公转三圈)。柯伊伯带中有着这种轨道的天体统称为冥族小天体[65]

妊神星[编辑]

妊神星

妊神星是柯伊伯带的一颗矮行星,正式名称为(136108)Haumea。妊神星是太阳系的第四大矮行星,它的质量是冥王星质量的三分之一。妊神星已经被发现的卫星有两颗:妊卫一妊卫二

鸟神星[编辑]

鸟神星

鸟神星,正式名称为(136472)Makemake,是太阳系内已知的第三大矮行星,亦是传统凯伯带天体中最大的两颗之一。鸟神星的直径大约是冥王星的四分之三。鸟神星没有卫星,因此它是一颗孤独的凯伯带天体

离散盘[编辑]

阋神星和卫星阋卫一

离散盘与柯伊伯带是重叠的,但是向外延伸至更远的空间。离散盘内的天体应该是在太阳系形成的早期过程中,因为海王星向外迁徙造成的引力扰动才被从柯伊伯带抛入反复不定的轨道中。多数黄道离散天体( scattered disk object)的近日点都在柯伊伯带内,但远日点可以远至150 天文单位;轨道对黄道面也有很大的倾斜角度,甚至有垂直于黄道面的。有些天文学家认为黄道离散天体应该是柯伊伯带的另一部分,并且应该称为“柯伊伯带离散天体”。[66]

阋神星[编辑]

阋神星(平均距离68天文单位)是已知最大的黄道离散天体,并且引发了什么是行星的辩论。他的直径至少比冥王星大15%,估计有2,400公里(1,500英里),是已知的矮行星中最大的。[67]阋神星有一颗卫星,阋卫一(迪丝诺美亚),轨道也像冥王星一样有着很大的离心率,近日点的距离是38.2天文单位(大约是冥王星与太阳的平均距离),远日点达到97.6天文单位,对黄道面的倾斜角度也很大。

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]

彗星归属于太阳系小天体,通常直径只有几公里,主要由具挥发性的冰组成。 它们的轨道具有高离心率,近日点一般都在内行星轨道的内侧,而远日点冥王星之外。当一颗彗星进入内太阳系后,与太阳的接近会导致她冰冷表面的物质升华电离,产生彗发和拖曳出由气体和尘粒组成,肉眼就可以看见的彗尾。

短周期彗星是轨道周期短于200年的彗星,长周期彗星的轨周期可以长达数千年。短周期彗星,像是哈雷彗星,被认为是来自柯伊伯带;长周期彗星,像海尔·波普彗星,则被认为起源于奥尔特云。有许多群的彗星,像是克鲁兹族彗星,可能源自一个崩溃的母体。[71]有些彗星有着双曲线轨道,则可能来自太阳系外,但要精确的测量这些轨道是很困难的。[72]挥发性物质被太阳的热驱散后的彗星经常会被归类为小行星[73]

最远的区域[编辑]

太阳系于何处结束,以及星际介质开始的位置没有明确定义的界线,因为这需要由太阳风和太阳引力两者来决定。太阳风能影响到星际介质的距离大约是冥王星距离的四倍,但是太阳的洛希球,也就是太阳引力所能及的范围,应该是这个距离的千倍以上。

日球层顶[编辑]

旅行者进入日鞘

太阳圈可以分为两个区域,太阳风传递的最大速度大约在95天文单位,相当于冥王星轨道的三倍之处。此处是终端震波的边缘,也就是太阳风和星际介质相互碰撞与冲激之处。太阳风在此处减速、凝聚并且变得更加纷乱,形成一个巨大的卵形结构,也就是所谓的日鞘,外观和表现得像是彗尾,在朝向恒星风的方向向外继续延伸约40 天文单位,但是反方向的尾端则延伸数倍于此距离。太阳圈的外缘是日球层顶,此处是太阳风最后的终止之处,外面即是恒星际空间。[74]

太阳圈外缘的形状和形式很可能受到与星际物质相互作用的流体动力学的影响,[75]同时也受到在南端占优势的太阳磁场的影响;例如,它的形状在北半球比南半球多扩展了9个天文单位(大约15亿公里)。在日球层顶之外,在大约230天文单位处,存在着弓激波,它是当太阳在银河系中穿行时产生的。[76]

还没有太空船飞越到日球层顶之外,所以还不能确知星际空间的环境条件。而太阳圈如何保护在宇宙射线下的太阳系,目前所知甚少。为此,人们已经开始提出能够飞越太阳圈的任务。[77][78]

奥尔特云[编辑]

艺术家描绘的柯伊伯带和假设中的奥尔特云

理论上的奥尔特云有数以兆计的冰冷天体和巨大的质量,在大约50,000天文单位,最远可达100,000天文单位的距离上包围着太阳系,被认为是长周期彗星的来源。它们被认为是经由外行星的引力作用从内太阳系被抛至该处的彗星。奥尔特云的物体运动得非常缓慢,并且可以受到一些不常见的情况的影响,像是碰撞、或是经过天体的引力作用、或是星系潮汐[79][80]

望远镜看见的塞德娜。

塞德娜和内奥尔特云[编辑]

塞德娜是颗巨大、红化的类冥天体,近日点在76 天文单位,远日点在928 天文单位,12,050年才能完成一周的巨大、高椭率的轨道。米高·布朗在2003年发现这个天体,因为它的近日点太遥远,以致不可能受到海王星迁徙的影响,所以认为它不是离散盘柯伊伯带的成员。他和其他的天文学家认为它属于一个新的分类,同属于这新族群的还有近日点在45 天文单位,远日点在415 天文单位,轨道周期3,420年的2000 CR105[81]和近日点在21 天文单位,远日点在1,000 天文单位,轨道周期12,705年的(87269)2000 OO67。布朗命名这个族群为“内奥尔特云”,虽然它远离太阳但仍较近,可能是经由相似的过程形成的。[82]塞德娜的形状已经被确认,非常像一颗矮行星。

范围[编辑]

我们的太阳系仍然有许多未知数。考量邻近的恒星,估计太阳的引力可以控制2光年(125,000天文单位)的范围。奥尔特云向外延伸的程度,大概不会超过50,000天文单位。[83]尽管发现的塞德娜,范围在柯伊伯带和奥尔特云之间,仍然有数万天文单位半径的区域是未曾被探测的。水星和太阳之间的区域也仍在持续的研究中。[84]在太阳系的未知地区仍可能有所发现。

星系的关联[编辑]

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太陽系在銀河中的位置。

太阳系位于一个被称为银河系星系内,直径100,000光年,拥有约二千亿颗恒星的棒旋星系[85]我们的太阳位居银河外围的一条旋涡臂上,称为猎户臂或本地臂。[86]太阳距离银心25,000至28,000光年,在银河系内的速度大约是220公里/秒,因此环绕银河公转一圈需要2亿2千5百万至2亿5千万年,这个公转周期称为银河年[87]

太阳系在银河中的位置是地球上能发展出生命的一个很重要的因素,它的轨道非常接近圆形,并且和旋臂保持大致相同的速度,这意味着它相对旋臂是几乎不动的。因为旋臂远离了有潜在危险的超新星密集区域,使得地球长期处在稳定的环境之中得以发展出生命。[88]太阳系也远离了银河系恒星拥挤群聚的中心,接近中心之处,邻近恒星强大的引力对奥尔特云产生的扰动会将大量的彗星送入内太阳系,导致与地球的碰撞而危害到在发展中的生命。银河中心强烈的辐射线也会干扰到复杂的生命发展。[88]即使在太阳系目前所在的位置,有些科学家也认为在35,000年前曾经穿越过超新星爆炸所抛射出来的碎屑,朝向太阳而来的有强烈的辐射线,以及小如尘埃大至类似彗星的各种天体,曾经危及到地球上的生命。[89]

太阳向点apex)是太阳在星际空间中运动所对着的方向,靠近武仙座接近明亮的织女星的方向上。[90]

邻近的区域[编辑]

艺术家想像的本星系泡

太阳系所在的位置是银河系中恒星疏疏落落,被称为本星际云的区域。这是一个形状像沙漏,气体密集而恒星稀少,直径大约300光年的星际介质,称为本星系泡的区域。这个气泡充满的高温等离子,被认为是由最近的一些超新星爆炸产生的。[91] 在距离太阳10光年(95兆公里)内只有少数几颗的恒星,最靠近的是距离4.3光年的三合星,半人马座α。半人马座α的A与B是靠得很近且与太阳相似的恒星,而C(也称为半人马座比邻星)是一颗小的红矮星,以0.2光年的距离环绕着这一对双星。接下来是距离6光年远的巴纳德星、7.8光年的沃夫359、8.3光年的拉兰德21185。在10光年的距离内最大的恒星是距离8.6光年的一颗蓝白色A型星,质量约为太阳2倍,与天狼B星(白矮星)互绕着旋转的天狼星。在10光年范围内,还有距离8.7光年,由两颗红矮星组成的鲸鱼座UV,和距离9.7光年,孤零零的红矮星罗斯154[92]与太阳比较相似、并离我们最近的单独恒星是距离11.9光年的鲸鱼座τ,质量约为太阳的80%,但光度只有60%。[93]

发现和探测[编辑]

数千年来的人类,除了少数几个例外,都不相信太阳系的存在。地球不仅被认为是固定在宇宙的中心不动的,并且绝对与在虚无飘渺的天空中穿越的对象或神祇是完全不同的。当哥白尼与前辈们,像是印度的数学与天文学家阿耶波多第(Aryabhata)和希腊哲学家阿里斯塔克斯(Aristarchus),以太阳为中心重新安排宇宙的结构时,仍是在17世纪最前瞻性的概念,经由伽利略开普勒牛顿等的带领下,才逐渐接受地球不仅会移动,还绕着太阳公转的事实;行星由和支配地球一样的物理定律支配着,有着和地球一样的物质与世俗现象:火山口、天气、地质、季节和极冠。

最靠近地球的五颗行星,水星、金星、火星、木星和土星,是天空中最明亮的五颗天体,在古希腊被称为“πλανήτης”(行星,意思是漫游者),已经被知道会在以恒星为背景的天球上移动,这就是“行星”这个名词的由来。天王星在最亮时虽然也能用肉眼看见,但仍然逃过了裸眼的观测,直到1781年才被发现。

望远镜的观测[编辑]

艾萨克·牛顿的望远镜复制品

太阳系的第一次探测是由望远镜开启的,始于天文学家首度开始绘制这些因光度暗淡而肉眼看不见的天体之际。

伽利略是第一位发现太阳系天体细节的天文学家。他发现月球的火山口,太阳的表面有黑子,木星有4颗卫星环绕着。[94]惠更斯追随着伽利略的发现,发现土星的卫星泰坦土星环的形状。[95]后继的卡西尼发现了4颗土星的卫星,还有土星环的卡西尼缝、木星的大红斑[96]

爱德蒙·哈雷认识到在1705年出现的彗星,实际上是每隔75-76年就会重复出现的一颗彗星,现在称为哈雷彗星。这是除了行星之外的天体会围绕太阳公转的第一个证据。[97]

1781年,威廉·赫歇耳在观察一颗它认为的新彗星时,戒慎恐惧的宣布在金牛座发现了彗星。事实上,它的轨道显示是一颗行星,天王星,这是第一颗被发现的行星。[98]

1801年,朱塞普·皮亚齐发现谷神星,这是位于火星和木星轨道之间的一个小世界,而一开始他被当成一颗行星。然而,接踵而来的发现使在这个区域内的小天体多达数以万计,导致他们被重新归类为小行星[99]

到了1846年,天王星轨道的误差导致许多人怀疑是不是有另一颗大行星在远处对它施力。埃班·勒维耶的计算最终导致了海王星的发现。[100]在1859年,因为水星轨道的近日点有一些牛顿力学无法解释的微小运动(“水星近日点进动”),因而有人假设有一颗水内行星祝融星(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。

为解释外行星轨道明显的偏差,帕西瓦尔·罗威尔认为在其外必然还有一颗行星存在,并称之为X行星。在他过世后,他的罗威尔天文台继续搜寻的工作,终于在1930年由汤博发现了冥王星。但是,冥王星是如此的小,实在不足以影响行星的轨道,因此它的发现纯属巧合。就像谷神星,他最初也被当作行星,但是在邻近的区域内发现了许多大小相近的天体,因此在2006年冥王星被国际天文学联合会重新分类为矮行星[100]

在1992年,夏威夷大学的天文学家大卫·朱维特麻省理工学院珍妮·刘发现1992 QB1,被证明是一个冰冷的、类似小行星带的新族群,也就是现在所知的柯伊伯带,冥王星和卡戎都被是其中的成员。[101][102]

米高·布朗乍德·特鲁希略大卫·拉比诺维茨在2005年宣布发现的阋神星是比冥王星大的离散盘上天体,是在海王星之后绕行太阳的最大天体。[103]

太空船的观测[编辑]

艺术家笔下的先驱者10号,它在1983年飞越冥王星的轨道,最后的讯息是在2003年传送回来的,当时的距离大约是82天文单位。这艘35岁高龄的太空船目前正以每小时27,000公里的速度远离太阳。[104]

自从进入太空时代,许多的探测都是各国的太空机构所组织和执行的无人太空船探测任务。

太阳系内所有的行星都已经被由地球发射的太空船探访,进行了不同程度的各种研究。虽然都是无人的任务,人类还是能观看到所有行星表面近距离的照片,在有登陆艇的情况下,还进行了对土壤和大气的一些实验。

第一个进入太空的人造天体是前苏联在1957年发射的史泼尼克一号,成功的环绕地球一年之久。美国在1959年发射的探险家6号,是第一个从太空中送回影像的人造卫星。

第一个成功的飞越过太阳系内其他天体的是月球1号,在1959年飞越了月球。最初是打算撞击月球的,但却错过了目标成为第一个环绕太阳的人造物体。水手2号是第一个环绕其他行星的人造物体,在1962年绕行金星。第一颗成功环绕火星的是1964年的水手4号。直到1974年才有水手10号前往水星。

暗淡蓝点旅行者1号从60亿公里外拍摄的地球影像(圆圈中的点)。条状的光纹是来自太阳的衍射光芒(延伸到框架的左边)。

探测外行星的第一艘太空船是先驱者10号,在1973年飞越木星。在1979年,先驱者11号成为第一艘拜访土星的太空船。旅行者计划在1977年先后发射了两艘太空船进行外行星的大巡航,在1979年探访了木星,1980和1981年先后访视了土星。旅行者2号继续在1986年接近天王星和在1989年接近海王星。旅行者太空船已经远离海王星轨道外,在发现和研究终端震波日鞘日球层顶的路径上继续前进。依据NASA的资料,两艘旅行者太空船已经在距离太阳大约93天文单位处接触到终端震波。[74][105]

还没有太空船曾经造访过柯伊伯带天体。而在2006年1月19日发射的新视野号将成为第一艘探测这个区域的人造太空船。这艘无人太空船预计在2015年飞越冥王星。如果这被证明是可行的,任务将会扩大以继续观察一些柯伊伯带的其他天体。[106]

在1966年,月球成为除了地球之外第一个有人造卫星绕行的太阳系天体(月球10号),然后是火星在1971年(水手9号),金星在1975年(金星9号),木星在1995年(伽利略号,也在1991年首先飞掠过小Gaspra),爱神星在2000年(会合-舒梅克号),和土星在2004年(卡西尼号惠更斯号)。信使号太空船在2011年3月18日开始第一次绕行水星的轨道;同一时间,黎明号太空船将设定轨道在2011年环绕灶神星,并在2015年探索谷神星

第一个在太阳系其它天体登陆的计划是前苏联在1959年登陆月球的月球2号。从此以后,抵达越来越遥远的行星,在1966年计划登陆或撞击金星(金星3号),1971年到火星(火星3号),但直到1976年才有维京1号成功登陆火星,2001年登陆爱神星会合-舒梅克号),和2005年登陆土星的卫星泰坦惠更斯)。伽利略太空船也在1995年抛下一个探测器进入木星的大气层;由于木星没有固体的表面,这个探测器在下降的过程中被逐渐增高的温度和压力摧毁掉。

载人探测[编辑]

载人的探测目前仍被限制在邻近地球的环境内。第一个进入太空(以超过100公里的高度来定义)的人是前苏联的太空人尤里·加加林,于1961年4月12日搭乘东方一号升空。第一个在地球之外的天体上漫步的是美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗,它是在1969年7月21日的阿波罗11号任务中,于月球上完成的。美国的航天飞机是能够重复使用的太空船,前苏联也曾经开发航天飞机并已完成一次的无人航天飞机升空任务,苏联瓦解后,俄罗斯无力继续维护任其荒废。第一个空间站是前苏联的礼炮1号。在2004年,太空船1号成为在私人的基金资助下第一个进入次轨道的太空船。同年,美国总统乔治·布什宣布太空探测的远景规划:替换老旧的航天飞机、重返月球、甚至载人前往火星,但这计划在几年后遭到终止。

研究太阳系[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(顺序以距离太阳由近而远排列)
卫星数截至2012年7月,距离与轨道半径以1天文单位AU)为单位。
天体 赤道半径
(km)
偏率
赤道重力
地球=1
体积
地球=1
质量
地球=1
比重
轨道半径
(AU)
轨道倾角
(度)
赤道倾角
(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 约两亿两千六百万(绕银河系 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


其他资料[编辑]

太阳系内众多包含固态表面,而其直径超过1公里的天体,它们的总表面积达17亿平方公里

某些占星术士和神秘主义者认为太阳其实是一个双星系统的主星,在遥远的地方存在着一个伴星,名为“涅米西斯”(Nemesis,有译作复仇女神)。该假设是用作解释地球出现生物大灭绝的一些规则性,认为其伴星会摄动系内奥尔特云中的小行星和彗星,使其改变轨道冲进太阳系,增加撞击地球的机会并出现定期生物灭绝。[来源请求]

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

参见[编辑]

外链[编辑]