天文学与宇宙学

太阳系

我们的宇宙家园——八大行星、一颗恒星和无数小天体,栖身于一片光需要半年多才能穿越的空间之中。

01

系统概览

太阳系由太阳及所有受其引力束缚的天体组成。太阳以外的所有天体加起来仅占总质量的0.14%——尽管如此,这微小的一部分却包含了八大行星、数百颗卫星、数百万颗小行星和数十亿颗彗星。几乎所有行星都在黄道面内运行,这是太阳系形成时原行星盘扁平化后留下的遗迹。行星世界被一条根本性的分界线划开:位于约3–5天文单位处的雪线——在太阳系早期,水、甲烷、氨等挥发性化合物在此以冰的形态存在,并促成了外侧巨行星的形成。

02

太阳——G2V主序星

73%
25%
2%
氢(73%)
氦(25%)
较重元素——O、C、Ne、Fe等(2%)

太阳通过质子-质子链反应(pp链)产生能量:四个氢原子核(质子)逐步聚变为一个氦原子核。由此产生的质量亏损根据E = mc²完全转化为能量——每秒约有6.2亿吨氢聚变为氦。太阳的辐射功率为3.86 × 10²⁶瓦。然而,太阳辐射需要长达10万年的时间,才能通过弥散的辐射传输从核心抵达对流层;而从光球层到达地球,则只需约8分钟。

光谱型G2V——一颗典型的黄色恒星?

太阳是一颗G型主序星——在天文学中被称为"黄矮星",尽管它实际发出的是白光(是大气层使它看起来偏黄)。G型恒星仅占银河系全部恒星的约7%;大多数恒星是红矮星(M型)。就光度和质量而言,太阳恰好处于稳定主序星的中间区段——在天文学上并不起眼,却是孕育生命的理想条件。

03

类地行星

四颗内行星在雪线以内由硅酸盐和金属形成。轻质的挥发性化合物被太阳风和早期强烈的辐射蒸发殆尽——留下的是致密、富含岩石且拥有金属核心的天体。它们的引力太弱,无法留住氢、氦等轻质气体。

卡洛里斯盆地 水星——布满撞击坑、没有大气层的表面,拥有巨大的卡洛里斯盆地
水星 岩石行星
0.39 AU距离
87.97天公转周期
0卫星
2,440公里半径
0.055 M⊕质量
−170至+430°C温度

这颗离太阳最近的行星没有真正的大气层,因此拥有太阳系中最极端的温差。值得注意的是,水星以3:2的自转-公转共振运动——每自转三圈恰好对应绕太阳公转两圈。尽管体积不大,水星却拥有异常巨大的铁核(占半径的85%),产生了一个微弱的磁场。

92倍地球大气压 金星——不透明的硫酸云层,极端的温室效应
金星 岩石行星
0.72 AU距离
224.7天公转周期
0卫星
6,051公里半径
0.815 M⊕质量
约465°C温度

太阳系中最炽热的行星——尽管距离比水星更远,却比水星更热。原因是极端的温室效应:浓密的二氧化碳大气层(92倍地球气压)几乎不让热量逸散。此外,金星自转方向逆行且极其缓慢(一个金星日相当于243个地球日,而一个金星年只有225天)。在金星上,日出发生在西方。金星被视为一个警示:如果地球失去温室反馈调节机制,会发生什么。

唯一已知拥有生命的海洋行星 地球——海洋、大陆、云涡和极冠;唯一已知拥有生命的行星
地球 岩石行星 宜居带
1.00 AU距离
365.25天公转周期
1卫星
6,371公里半径
1.000 M⊕质量
平均+15°C温度

唯一已知表面拥有液态水且确认存在生命的行星。板块构造在地质时间尺度上调节大气中的二氧化碳含量(碳酸盐-硅酸盐循环),从而稳定气候。由液态外核产生的强磁场保护生物圈免受太阳风侵害。相对较大的卫星——月球——稳定了地轴倾角(23.5°),防止了气候的混沌式剧烈波动。

水手谷 · 奥林帕斯山 火星——水手谷(峡谷系统)、由干冰和水冰构成的极冠
火星 岩石行星 宜居带
1.52 AU距离
686.97天公转周期
2卫星
3,389公里半径
0.107 M⊕质量
平均−60°C温度

火星上的奥林帕斯山是太阳系中最高的火山(21公里),而水手谷则是最大的峡谷系统(长4,000公里,深7公里)。如今火星的大气层过于稀薄(仅为地球气压的0.6%),无法维持液态水的存在——但地质证据表明,在30到40亿年前,火星表面曾有液态水。约40亿年前磁场的消失,使太阳风逐渐剥蚀了火星的大气层。

04

气态巨行星与冰巨行星

在雪线之外,行星得以通过冻结的化合物(冰、甲烷、氨)积累足够的质量,从而借助自身引力从原行星星云中捕获氢和氦。气态巨行星主要由氢和氦构成;冰巨行星则含有更高比例的"冰"——在行星学中,这指的是处于超临界或液态的H₂O、NH₃和CH₄等化合物,而非固态水冰。

木卫一 · 木卫二 · 木卫三 · 木卫四 木星——云带、大红斑与四颗伽利略卫星
木星 气态巨行星
5.20 AU距离
11.86年公转周期
115卫星
69,911公里半径
317.8 M⊕质量
−108°C温度

这颗最大的行星,其质量超过其他所有行星质量总和的两倍以上。它的大红斑是一场至少已持续350年的风暴,规模比地球还大。木星自转速度是所有行星中最快的(9小时56分钟),强大的科里奥利力使其形成了鲜明的云带。四颗伽利略卫星(木卫一、木卫二、木卫三、木卫四)——由伽利略于1610年发现——各自都是引人入胜的世界:木卫一火山活动活跃,木卫二的冰壳之下则隐藏着一个全球性海洋。

光环系统 · 土卫六 · 土卫二 土星——由冰粒和岩石颗粒构成的广阔光环系统
土星 气态巨行星
9.58 AU距离
29.46年公转周期
293卫星
58,232公里半径
95.2 M⊕质量
−139°C温度

土星壮观的光环系统由数十亿块冰和岩石碎片(大小从1厘米到数米不等)组成,延伸半径达282,000公里,厚度却只有10到100米。土星的平均密度为0.69克/立方厘米,是所有行星中最低的——土星若放入水中会漂浮起来。卫星土卫六拥有浓密的氮气大气层和液态甲烷湖泊。土卫二则向太空喷出水汽间歇泉——这是其冰层下存在海洋的证据。

97.77°轴倾角 天王星——几乎无明显结构的云层,因极端轴倾角而光环几乎垂直
天王星 冰巨行星
19.2 AU距离
84.02年公转周期
29卫星
25,362公里半径
14.5 M⊕质量
−224°C温度

天王星是太阳系中最寒冷的行星——尽管海王星距离太阳更远。它几乎不释放内部热量,这暗示了一种不同寻常的内部结构。它最显著的特征是97.77°的轴倾角:它几乎是"侧躺"着沿轨道运行,太阳交替照射其两极,每次持续约42年。据推测,这种姿态是由与一颗地球大小的天体发生碰撞造成的。

大暗斑 · 海卫一 海王星——太阳系中最强的风、暗色风暴斑、卫星海卫一
海王星 冰巨行星
30.1 AU距离
164.8年公转周期
16卫星
24,622公里半径
17.1 M⊕质量
−214°C温度

海王星拥有太阳系中已知最强的风——时速高达2,100公里,尽管它接收到的太阳能量极少。因此,它必须释放出巨大的内部热量。其最大的卫星海卫一以逆行方式绕其运行——这表明海卫一并非天然卫星,而是从柯伊伯带被捕获的天体。海卫一正逐渐螺旋式地向海王星靠近,预计约36亿年后将被撕裂。

05

宜居带

水星 金星 地球 火星 太阳 宜居带 0.99–1.70 AU (保守估计) ← 太热 太冷 →

宜居带(HZ),又称"金发姑娘区",是恒星周围一个区域,在此区域内,拥有大气层的行星表面可以保有液态水。这个区域的边界取决于恒星光度、行星的反照率(反射能力)及其大气成分。我们太阳系的保守宜居带范围在0.99至1.70天文单位之间——火星位于外边界附近,但由于缺乏足够的大气层,无法享受到温室效应的增益。而金星原本恰好位于宜居带内,却因失控的温室效应而失去了全部海洋。

亚表层宜居带——没有阳光的生命

经典的宜居带模型只描述表面行星的情况。但在更远的地方也可能存在生命:木星的卫星木卫二和土星的卫星土卫二,在厚厚的冰壳之下拥有全球性的咸水海洋,由潮汐力提供热量维持温暖。土卫二会主动向太空喷射水汽间歇泉,卡西尼号探测器对其进行了分析——并在其中发现了有机化合物和分子氢。这暗示着一种热液活动,而这种活动在地球上已孕育生命数十亿年之久。因此,宜居带的概念必须扩展为一个范围更广的亚表层区域。

06

小天体与边缘区域

在行星之间、行星之外以及行星周围,栖居着大量较小的天体——它们是太阳系形成时期的化石遗迹、被捕获的天体,或是过去碰撞留下的残骸。

小行星带
位于火星和木星之间,距太阳2.2–3.2天文单位。这里有数百万块岩石碎片——但总质量还不到月球质量的4%。谷神星(直径939公里)是带内唯一的矮行星。木星的引力阻止了这里行星的形成。
特洛伊小行星
超过15,000颗小行星与木星共享轨道,聚集在引力稳定的拉格朗日点L4和L5(分别位于木星轨道前后60°处)。海王星、火星、地球和金星也拥有各自的特洛伊小行星。
矮行星
冥王星(2,377公里)、阋神星、鸟神星、妊神星和谷神星满足国际天文学联合会(IAU)的第一和第二条标准(绕恒星运行+达到流体静力平衡),但尚未清空各自的轨道空间。目前已知的候选天体还有200多个。
柯伊伯带
范围从30天文单位延伸至约50天文单位。冥王星、阋神星以及数千个柯伊伯带天体(KBO)的家园。是短周期彗星(公转周期小于200年)的储库。是早期星盘遗留下来、从未聚合成行星的遗迹。
奥尔特云
一个球形外壳,范围约从2,000天文单位延伸至200,000天文单位。从未被直接观测到,其存在仅从长周期彗星的轨道推断而来。包含数以万亿计的冰天体。从这里开始,在引力意义上已属于星际空间。
彗星
冰和尘埃的混合体,在接近太阳时蒸发并形成彗尾——彗尾方向始终背离太阳风的方向。短周期彗星来自柯伊伯带,长周期彗星则来自奥尔特云。
旅行者1号——飞得最远的探测器

旅行者1号于1977年发射升空,2012年成为第一个穿越日球层顶的人造物体——日球层顶是太阳风与星际介质之间的边界,位于约121天文单位处。此后,它便一直身处星际空间,但仍持续向地球发送微弱的无线电信号(信号传输时间约22小时)。它飞抵柯伊伯带仅用了数十年;到达奥尔特云内缘还需约300年,到达外缘则需约30,000年。

07

形成——星云假说

太阳系大约在45.7亿年前,由一片正在坍缩的气体和尘埃分子云形成。触发因素很可能是附近一次超新星爆发产生的冲击波——这也解释了为什么太阳系早期存在着²⁶Al等短寿命放射性同位素,而这类同位素只能在超新星抛射物中形成。

分子云坍缩
分子云在自身引力作用下坍缩。由于角动量守恒,它逐渐扁平化为一个旋转的盘状结构——原行星盘。中心区域不断致密化,形成原恒星(后来的太阳)。
星子与吸积
尘埃颗粒通过静电力聚集成厘米级、米级的物体。经过进一步碰撞,形成公里级大小的星子,这些星子借助引力不断吸积更多物质。在数百万年之内,便形成了行星胚胎。
雪线决定命运
在约3–5天文单位处,挥发性物质(H₂O、NH₃、CH₄)能够以冰的形态存在。这条界线之外的行星胚胎迅速积累了足够的质量(约10 M⊕),从而通过气体吸积作用,凭借引力捕获氢和氦——木星和土星就是这样在原星云尚未消散的数百万年内形成的。
后期重轰炸期(Late Heavy Bombardment)
大约在41亿至38亿年前,内行星和月球经历了一段猛烈撞击的时期。触发因素很可能是巨行星引力结构的重新调整(尼斯模型):木星和土星陷入了一种轨道共振状态,将数百万颗星子抛向内太阳系。
稳定化——今日的太阳系
太阳风驱散了剩余的气体星云;各行星逐渐清空了各自的轨道。最终留下的,是一个动态稳定的系统——除水星和火星外,各行星轨道在数十亿年的时间尺度上都保持着相当的稳定性。根据大碰撞假说,地球曾失去部分质量,这些物质重新聚合形成了月球。
为什么我们有八颗行星——而不是四颗或十二颗?

行星的数量并非偶然,而是星盘物理学和引力共同作用的结果:行星之间靠得太近,会在长时间尺度上相互失稳;靠得太远,则无法吸积足够的物质。计算机模拟显示,在众多可能的初始条件中,我们的太阳系表现出一种特殊的稳定性——这或许得益于木星的早期形成,它"清扫"了小行星物质,阻止了第五颗类地行星的形成。在不同的初始条件下,火星本可能会形成得质量大得多。

→ 前往宇宙学概览 恒星及其生命周期 全部主题