你應該知道的太陽系

文/ 李鑒

太陽系是我們的家園，也是我們探索宇宙的第一站。在認識宇宙的漫長歷程中，從史前人類到2000多年前的古希臘先哲，再到17世紀的開普勒、牛頓等科學巨匠，我們對宇宙的幾乎所有探索都集中在太陽系的日月行星等天體上。直到18世紀早期，人們才真正開始關注太陽系以外的諸如恒星等天體。可以說，探索太陽系獨占了人類文明史95%以上的時間！并且這種探索直到今天仍在繼續。

特別值得一提的是，1957年蘇聯發射第一顆人造衛星，太空時代拉開序幕。此后人們發射了許多無人探測器造訪太陽系的各類天體，并且在觀測和理論上取得了長足的進步。今天的我們是很幸運的，普通人對太陽系的了解，可能比60年前的任何一位科學家都多。當然，我們知道的也還遠遠不夠。

太陽系的成員

現在我們知道，太陽系由太陽和許多較小的天體組成。太陽是太陽系的絕對主宰，它的質量占整個太陽系的99.8%以上。其他那些天體，根據物理性質和軌道特征，被天文學家分成了三類：

第一類是行星，例如大家都知道的金星、土星等，行星系統往往還包括它們的衛星、光環等。第二類是矮行星，例如我們熟知的冥王星，有的矮行星系統也有衛星、光環等。第三類是太陽系小天體，包括小行星、彗星、流星體以及各種太陽風粒子、塵埃等等。

這三類天體最大的不同體現在質量上。

行星的質量至少是矮行星的幾十倍以上，例如最小的行星水星，質量是最大的矮行星冥王星的25倍，地球質量則是冥王星的400多倍。像木衛三、月球這樣的大衛星，質量也是矮行星的好幾倍。

矮行星的質量至少是太陽系小天體的幾倍以上。例如灶神星是已知最大的太陽系小天體，而它的質量只有矮行星冥王星的1/50。

這種大小的比較，能告訴我們一些關于這些天體形成的信息。

行星：太陽系里的“大佬”

行星可以說是太陽系里的大佬。根據理論研究與觀測實際，天文學家給行星下了一個定義，它需要滿足以下3個條件：

▲ 行星、矮行星、太陽系小天體的大小比較示意圖

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天文單位

在太陽系這個尺度上，我們日常生活中的米、公里等單位就顯得太小了。例如，地球到月球的距離是38萬公里，地球到土星的距離最近差不多是12.75億公里。這樣用起來就顯得比較啰嗦，計算也不方便。

因此天文學家用日地的平均距離作為基數，規定了一個距離單位，稱為“天文單位”。天文單位的大小，就等于日地平均距離，也就是差不多1.5億公里。這樣土星離地球最近的距離是8.5個天文單位，比起12.75億公里這個數字，就要簡潔多了。

天文單位是描述太陽系天體距離最常用的單位。我們以后會經常碰到。

表1：太陽系典型天體到太陽的軌道半長徑，單位為天文單位

▲ 用身體類比太陽系行星的位置

1.圍繞太陽公轉。這一點太陽系絕大多數天體都滿足。

2.形狀是球形。而且是因為質量足夠大而使得自身成為球形，像鵝卵石、玻璃球這樣的小物體，是外力把它們塑造成了球形，而不是由于自身引力夠大而形成的球形，這些物體不滿足這一條。而像地球這么大的行星，就算把它劈成兩半，這兩塊仍然會各自成為一個球形，就是因為它們的質量仍然足夠大。

3.獨占軌道。即已經清除了其軌道上不圍繞它運行的其他天體。這是行星與矮行星的重要區別。

按照這三條，太陽系只有8顆行星,離太陽由近及遠依次為：水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星。它們到太陽的距離可參考表1，其中的距離為天文單位。為便于記憶，表中第三行給出了取整后的大約數。

更進一步，我們可以用自己的身體類比行星的位置。把手臂張開伸平，用右手中指的指尖代表太陽的位置，左為太陽系的起點，如果用中指第一個指關節代表水星的位置，那么金星差不多就正好在第二個指關節處，地球在中指指根處。整個中指的長度就代表了一個天文單位。按照這個比例，對照一下表格，我們發現火星正好位于手掌心，木星在肘窩，土星在喉嚨，天王星差不多在左手指尖。再伸長一個胳膊的距離，就是海王星，這張圖里沒有畫出。如果我們把左胳膊下垂，那么從指尖到腳底的距離差不多正好等于胳膊的長度，這時海王星差不多就在腳掌處。

行星之間差別極大。最大的是木星，它的直徑是最小的水星的30多倍。水星、金星、地球、火星相對較小，都是巖質行星，稱為類地行星。木星、土星、天王星、海王星都比較大，屬于氣態巨行星，也稱為類木行星。

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宜居帶

特別值得一提的是我們地球所處的位置。如圖所示，圖中橫坐標是行星的位置，越往右距離太陽越遠，溫度也就越低。縱坐標是中央恒星的大小，太陽為1。圖中這條藍色的曲線，稱為“宜居帶”，也就是恒星周圍能夠保持液態水存在的區域。

圖中的太陽和8顆行星，只有我們地球位于太陽的宜居帶里，溫度不冷不熱。金星更近，接收到的太陽熱量是地球的1.9倍。加上它的大氣濃密而且充滿了溫室氣體，平均溫度竟然高達460度！火星比地球遠50%，接收到的太陽熱量只有地球的43%，表面平均溫度大約只有-20攝氏度。整個太陽系中只有地球的表面可以維持液態水的存在，讓生命的誕生和棲息成為可能。這也是我們地球最得天獨厚之處。

表2列出了行星的尺寸，取整后的大概數也是很容易記憶的

▲ 用手掌類比行星的大小。如果以大拇指指甲蓋表示地球的大小，水星差不多只有小拇指指甲蓋的一半

巧合的是，我們身體和手掌也幾乎可以分毫不差地來類比行星的相對大小。

用大拇指指甲蓋代表地球和金星的大小，那么火星的大小就和小拇指指甲蓋相當，略小一點兒。水星的大小只有小拇指指甲蓋的一半。天王星與海王星的直徑，大概等于中指的長度。土星的直徑大約為1手掌長，木星和它相當，只略大一點兒。太陽的直徑是地球的110倍，按照這個比例，它差不多與我們的身高相當。

根據這個類比，大家可以很容易地發現，地球比木星的大紅斑還小，也不如稍微大一點兒的太陽黑子大。

行星的質量順序，基本上和大小順序相同。個頭越大的，質量也越大。只有天王星和海王星有點例外，不過這倆差別很小，大小和質量基本上都一樣。個頭最大的木星質量也最大，而且是碾壓其他行星，它是另外7顆行星總質量的兩倍還多。所以人們常稱它為“行星之王”。

▲ 已確認的5顆矮行星中，鳥神星、妊神星、鬩神星、冥王星都位于柯伊伯帶，只有谷神星位于小行星帶。左邊4顆是尚未完全確定大小和尺寸的矮行星候選體

▲ 柯伊伯帶示意圖。這是以一位名叫柯伊伯的天文學家的名字命名的，他曾在1951年推測存在這樣的區域

▲ 小行星帶和特洛伊型小行星的位置示意圖。按照本文介紹的行星距離類比法，它的范圍差不多從手腕到再往外一個中指的距離處

“郊區”冰世界：矮行星與柯伊伯帶

介紹完行星的基本情況，我們接著來看看矮行星。

矮行星的定義有3條，前面兩條和行星一樣：也是圍繞太陽公轉，質量足夠大而呈近似的球形，但是第三點不同，它不像行星那樣獨占軌道，而是在公轉軌道范圍內有和它大小相當的鄰居。矮行星最著名的代表，就是冥王星。

它們的特點，首先是質量比行星小，差距有幾十倍到幾百倍；其次是位置遠，矮行星的軌道在海王星之外，屬于太陽系的“郊區”了；第三，它們的成分和行星不同，既不是巖石也不是氣態，它們是冰質天體，主要成分為水冰、二氧化碳冰、一氧化碳冰、甲烷冰以及硅酸鹽等。它們的密度比巖質行星小，比氣態行星略大一些。

因為它們距離太遠，很難觀測，目前為止，人們確認的矮行星只有5顆。就是圖片中間的4顆，再加上谷神星。谷神星位于小行星帶，是一顆小行星，不過它的冰物質含量比一般的小行星高不少。它也滿足矮行星的定義，按照定義屬于矮行星。

順便說一句，矮行星這個定義是2006年將冥王星降級時提出的，到現在還有些爭議，有天文學家認為定義的第三條比較含糊。隨著研究的深入，今后說不定還會修正或補充。

矮行星的聚集地，主要是30個天文單位以外一個名叫“柯伊伯帶”的地方。柯伊伯帶的形狀像一個以太陽為中心的甜甜圈，包括的范圍主要是離太陽30 AU ～50AU之間，也有一部分延伸至上千個天文單位。

柯伊伯帶里的天體，主要有兩類：一是矮行星與類冥天體（即和冥王星類似的矮行星），雖然現在只確認了5顆矮行星，不過天文學家估計，這里的矮行星數目可能高達上萬顆。二是冰質的太陽系小天體，它們質量更小，也不再是球形，已發現近2000個。天文學家粗略估計直徑大于100公里的這類天體可能超過35000個。

▲ 太陽系“全家福”。從內往外，依次是行星、柯伊伯帶（矮行星和冰物質聚集地）、奧爾特云（彗星“倉庫”）。天體的個頭從大到小，但是數量則是從少到多。行星只有8顆，矮行星可能有成千上萬顆，彗星則可能有幾萬億顆

太陽系小天體：太陽系里的“邊角料”

第三類天體：太陽系小天體，主要包括小行星、彗星、流星體、星際塵埃等等。它們有幾個共同的特點。

1.個頭小。以小行星為例，已發現的100多萬顆小行星里，只有15顆直徑超過300公里。質量最大的也不超過地球質量的萬分之一。

2.資格老。小行星、彗星等等，它們都是太陽系形成早期殘留下來的“邊角料”，它們的大部分同類都形成了行星、矮行星，而它們幸存了下來。所以它們的形成還早在行星形成之前，是太陽系里的老資格。

3.數量多。這些太陽系小碎片的數量十分驚人。小行星已經發現了100多萬顆，而彗星據估計可能多達上萬億顆，太陽風粒子、星際塵埃那就更加不計其數了。從數量上看，它們絕對是太陽系里的主角。不過就算把它們的總質量全部加起來，也還不如土星這一顆行星大。所以它們數量雖然多，但也只能唱唱配角。

幾乎所有的小行星都位于火星與木星軌道之間的一片區域，稱為“小行星帶”。小行星帶距離太陽2.1AU～3.3AU。其中充滿沒有能凝聚成為一顆真正行星的原始巖石，人們在這里已發現了100多萬顆小行星。不過小行星帶里所有碎石頭的總質量加起來，也還比月球質量小得多。從現有觀測數據估計，它們的總質量可能只有月球的百分之幾。

另外，在木星軌道上也發現了上千顆小行星，稱為“特洛伊型小行星”。它們聚集在木星的前面和后面，分別與木星、太陽形成一個近似的等邊三角形。在天體力學上，這樣的軌道能恰好在太陽和木星的引力之間保持穩定，所以這些小行星能長期存在，沒有被木星的引力吸引過去。最早在這里發現的一顆小行星是以《荷馬史詩》里特洛伊戰爭的英雄名字命名。隨著發現得越來越多，人們就把它們統稱為特洛伊型小行星。特洛伊型小行星的數量遠沒有主帶小行星多，目前只發現了上千顆。

邊陲上的“彗星倉庫”：奧爾特云

從柯伊伯帶再往外推幾千倍的距離，就來到了太陽系的邊疆。而且和我們的想象相反，這里并不是空無一物，而是聚集了數以億萬計的彗星。這些彗星物質組成了一個龐大的球形暈，稱為“奧爾特云”。1950年，荷蘭天文學家奧爾特正是從對彗星的研究，提出了太陽系的邊疆地區存在這樣的“彗星倉庫”，后來就被叫做奧爾特云。

奧爾特云距離太陽20000AU～100 000 AU，主要部分在44 000 AU處，最遠處可以延伸到比鄰星的一半距離。這里的太陽引力已十分微弱，這里的冰質小天體很容易受到過路恒星的引力或銀河系施加的潮汐力影響，或飛向內太陽系，或飛出太陽系。飛向內太陽系的，就成為了彗星。

奧爾特云的彗星數目多達幾萬億顆，總質量約為40倍地球質量。但是因為占據的空間大，這里是極其稀薄的。如果我們抓起一把沙子扔在教室里，那么它們已經比奧爾特云稠密得多了！另外，由于太過遙遠，我們并不能直接看到這里的天體。只有當它們闖進了內太陽系成為彗星時，才可能被我們看見。★