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太陽系就是現在所在的恆星系統。由太陽、八顆行星(原先有九大行星,因為冥王星被剔除為矮行星)、66顆衛星(原有67顆,冥王星的衛星被剔除)以及無數的小行星、彗星及隕星組成的。行星由太陽起往外的順序是:水星(mercury)、金星(venus)、地球(earth)、火星(mars)、木星(jupiter)、土星(saturn)、天王星(uranus)、海王星(neptune)。離太陽較近的水星、金星、地球及火星稱為類地行星(terrestrial planets)。

1 太陽系 -簡介

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、5顆已經辨認出來的矮行星(冥王星和他的衛星)和數以億計的太陽系小天體。這些小天體包括小行星、柯伊伯帶的天體、彗星和星際塵埃。

廣義上,太陽系的領域包括太陽,4顆像地球的內行星,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,充滿冰凍小岩石,被稱為柯伊伯帶的第二個小天體區。在柯伊伯帶之外還有黃道離散盤面和太陽圈,和依然屬於假設的奧爾特雲。

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、地球和月球、火星,在左邊可以看見一顆彗星。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、地球和月球、火星,在左邊可以看見一顆彗星。

依照至太陽的距離,行星依序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、和海王星,8顆中的6顆有天然的衛星環繞著。在英文天文術語中,因為地球的衛星被稱為月球(moon),這些衛星在習慣上亦被稱為「月球」。在外側的行星都有由塵埃和許多小顆粒構成的行星環環繞著,而除了地球之外,肉眼可見的行星以五行為名,在西方則全都以希臘和羅馬神話故事中的神仙為名。五顆矮行星是冥王星,柯伊伯帶內已知最大的天體之一鳥神星與妊神星,小行星帶內最大的天體穀神星,和屬於黃道離散天體的鬩神星。

宇宙飛船對它們都進行了探測,還曾在火星與金星上著陸,獲得了重要成果。它們的共同特徵是密度大(>3.0克/立方厘米),體積小,自轉慢,衛星少,內部成分主要為硅酸鹽(silicate),具有固體外殼。離太陽較遠的木星、土星、天王星、海王星稱為類木行星(jovian planets)。它們都有很厚的大氣圈,其表面特徵很難了解,一般推斷,它們都具有與類地行星相似的固體內核。在火星與木星之間有1000000個以上的小行星(asteroid)(即由岩石組成的不規則的小星體)。推測它們可能是由位置界於火星與木星之間的某一顆行星碎裂而成的,或者是一些未能聚積成為統一行星的石質碎塊。隕星存在於行星之間,成分是石質或者鐵質。

這些行星都以太陽為中心以橢圓軌道公轉,雖然除了水星的十分接近於圓。行星軌道中或多或少在同一平面內(稱為黃道面並以地球公轉軌道面為基準)。黃道面與太陽赤道僅有7度的傾斜。冥王星的軌道大都脫離了黃道面,傾斜度達17度。上面的圖表從一個特定的高於黃道面的透視角顯示了各軌道的相對大小及關係(非圓的現象顯而易見)。它們繞軌道運動的方向一致(從太陽北極上看是逆時針方向),因此,科學家們把冥王星排除在九大行星之外。除金星和天王星外自轉方向也如此。

太陽系直徑300億千米,有八大行星和兩條小行星帶,以及千億顆彗星等組成。

太陽系(solar system)在宇宙中的位置

太陽系位於銀河系邊緣,銀河系第三旋臂——獵戶旋臂上。

太陽系是由太陽以及在其引力作用下圍繞它運轉的天體構成的天體系統。它包括太陽、八大行星及其衛星、小行星、彗星、流星體以及行星際物質。人類所居住的地球就是太陽系中的一員。

2 太陽系 -構成

太陽系太陽系

太陽系的中心是太陽,雖然它只是一顆中小型的恆星,但它的質量已經佔據了整個太陽系總質量的99.85%;餘下的質量 中包括行星與它們的衛星、行星環,還有小行星、彗星、柯伊伯帶天體、外海王星天體、理論中的奧爾特雲、行星間的塵埃、氣體和粒子等行星際物質。
整個太陽系所有天體的總表面面積約為17億平方千米。太陽以自己強大的引力將太陽系中所有的天體緊緊地控制在他自己周圍,使它們井然有序地圍繞自己旋轉。同時,太陽又帶著太陽系的全體成員圍繞銀河系的中心運動。

太陽系內迄今發現了八顆大行星。有時稱它們為「八大行星」。按照距離太陽的遠近,這八顆行星依次是:最近的水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。水星、金星、地球和火星也被稱為類地行星,木星和土星也被稱為巨行星,天王星、海王星也被稱為遠日行星。除了水星和金星外,其他的行星都有衛星。在火星和木星之間還存在著數十萬個大小不等,形態各異的小行星,天文學家將這個區域稱為小行星帶。此外,太陽系中還有超過1000顆的彗星,以及不計其數的塵埃、冰團、碎塊等小天體。

太陽系中的各個天體主要由氫、氦、氖等氣體,冰(水、氨、甲烷)以及含有鐵、硅、鎂等元素的岩石構成。類地行星、地球、月球、火星、木星的部分衛星、小行星主要由岩石組成;木星和土星主要由氫和氦組成,其核可能是岩石或冰。

3 太陽系 -結構

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)。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)。

內太陽系

內太陽系在傳統上是類地行星和小行星帶區域的名稱,主要是由硅酸鹽和金屬組成的。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還短。 

包括:
內行星
水星
水星
地球
火星
小行星帶
穀神星穀神星
小行星族

由上而下:海王星、天王星、土星和木星。由上而下:海王星、天王星、土星和木星。

中太陽系

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,許多短周期彗星,包括半人馬群也在這個區域內。此區沒有傳統的名稱,偶爾也會被歸入「外太陽系」,雖然外太陽系通常是指海王星以外的區域。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。

包括: 
外行星
木星
土星
天王星
海王星
彗星

半人馬群

是散布在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 10199 Chariklo,直徑在200至250 公里。[62]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發,目前已經被歸類為彗星。[63]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。

柯伊伯帶所有已知天體的位置,並標示出四顆外行星的位置。柯伊伯帶所有已知天體的位置,並標示出四顆外行星的位置。

外太陽系

在海王星之外的區域,通常稱為外太陽系或是外海王星區,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。 


冥王星和卡戎 冥王星(平均距離39天文單位)是一顆矮行星,也是柯伊伯帶內已知的最大天體之一。當它在1930年被發現后被認為是第九顆行星,直到2006年才重分類為矮行星。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。目前還不能確定卡戎,冥王星的衛星,是否應被歸類為目前認為的衛星還是屬於矮行星,因為冥王星和卡戎互繞軌道的質心不在任何一者的表面之下,形成了冥王星-卡戎雙星系統。另外兩顆很小的衛星,尼克斯(Nix)與許德拉(Hydra)則繞著冥王星和卡戎公轉。 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)。柯伊伯帶中有著這種軌道的天體統稱為類冥天體

離散盤

與柯伊伯帶是重疊的,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帶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帶內,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帶的另一部分,並且應該稱為「柯伊伯帶離散天體」。[69]

鬩神星和衛星鬩衛一鬩神星和衛星鬩衛一

鬩神星 鬩神星(平均距離68天文單位)是已知最大的黃道離散天體,並且引發了什麼是行星的辯論。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。[70]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。


4 太陽系 -起源和演化

 太陽系的起源是一個關於這個世界的本原問題,它從一開始就不是一個純天文學問題。人們為了揭開這個迷,曾經歷盡艱辛;許多人為此貢獻出自己的畢生精力,有人甚至獻出了生命。人類永遠不會忘記那些曾經為理解我們這個世界而做出過重大貢獻的人們。他們有:哥白尼(N.Copernicus)、布魯諾(G.Bruno)、牛頓(I.Newton)、康德(I.Kant)、托勒密(C.Ptolemaeus)等等。

 人類進入到廿十一世紀。如果用科學技術進步的腳步來看人類的廿十一世紀,人類取得了非常巨大的進步。特別是對我們生存著的太陽系,我們已經知道得很多很多;我們已經踏上了月球,我們也認為我們的使者已經拜訪了除冥王星以外所有的大行星。在以下文中,想用人們基本公認的有關太陽系起源的知識,初步給出太陽系演化階段的自然分段,列出各階段有爭議問題的要點,並且給出儘可能合理地解釋,供探討。

太陽系太陽系起源
1543年哥白尼在《天體運行論》中提出日心學說后,他無畏的科學精神一直鼓勵著人們對太陽系的認知和對自然界本原的探索。

1644年笛卡爾(R.Descartes)在《哲學原理》中認為,太陽系是由物質微粒逐漸獲得旋渦流式運動,而形成太陽、行星及衛星的。

1745年布封(G.L.L.de.Buffon)在《一般和特殊的自然史》中首次提出災變說,質量巨大的物體,如彗星,曾與地球碰撞,太陽物質飛散太空,後來形成地球與其它行星、衛星。

1755年康德《自然通史與天體理論》提出系統學說,星雲假說。太陽系是一團瀰漫星際物質,在萬有引力作用下聚集而成。中心形成太陽,由於斥力的增加,周邊微粒在斥力的作用下,形成團塊,小團塊再形成行星、衛星。

1796年拉普拉斯(P.S.deLaplace)《宇宙體系論》也提出星雲說,太陽系所有天體是由同一塊星雲形成。原始星雲是氣態,溫度很高,並且在緩慢自轉著。而後,星雲逐漸冷卻、收縮;隨之自轉加快,使星雲越來越扁,當離心力超過向心力,便分離出旋轉氣體環。再次重複,生成多個氣體環。最後,星雲中心形成太陽,各環形成行星。熱的行星同理形成衛星。

早期的星雲說,科學界統稱康德—拉普拉斯說,該學說在十九世紀佔據太陽系起源的統治地位。由於該學說不能解釋行星排列的質量分佈問題和太陽系角動量特殊分佈問題而遇到了困難。

因此人們又轉向災變說。1900年張伯倫(T.C.Chamberlain)提出新的星子說,摩爾頓(F.R.Moulton)發展了這個學說。有一顆恆星曾經運動到距離太陽幾百千米處,使太陽正、背面產生巨大潮汐,而拋射出大量物質,凝集成小團塊質點,稱為星子。星子是行星的胚胎,而後聚合成行星和衛星。後來還有金斯(J.H.Jeans1916)提出的「潮汐假說」與以上學說略同。

關於太陽系起源的假說,可以說是種類繁多。二十世紀以來,人們的天文學知識越來越豐富。並且認識到,在廣闊的宇宙中,發生恆星相遇情況的可能性極小。五十年代以後,又提出了許多新的學說,這些學說大部分都是以星雲假說為基礎的學說。

歸納起來有以下六個學說的影響最大。

1、卡米隆(A.G.W.Cameron)學說。六十年代以來,卡米隆從力學、化學等方面對地球起源進行了認真探討,並用湍流粘滯理論計算了星雲盤的演化。

2、戴文賽學說。五十年代提出的一種角動量斥力圓盤理論。

3、薩夫隆諾夫(В.С.СаФронов)和林忠四郎(C.Hayashi)的學說。湍流形成圓盤、環的理論。

4、普倫蒂斯(A.J.R.Prentice)—新拉普拉斯說。冷星雲湍流說。

5、烏爾夫遜(M.M.Wolfson)的浮獲說。小質量恆星天體相遇災變說。

6、阿爾文(H.Alfvén)的電磁說。以太陽早期存在強磁場作用的行星形成理論。

太陽系太陽系起源

雖然以上理論各具特色,但是都沒能得到公認。令人信服的太陽系起源說必需闡明下列主要問題:

1、原始星雲的由來和特性。

2、原始星雲或星子的形成過程。

3、行星的形成過程。

4、行星軌道的特性:共面性、同向性和近圓性。

5、提丟斯—波得(Titius-Bode)定則。

6、太陽系的角動量分佈。

7、三類行星:類地、巨行、遠日行星的大小、質量、密度方面的差別。

8、行星的自轉特性。

9、衛星及環系的形成。

10、小行星的起源。

11、彗星的起源。

12、地-月系統的起源。

八十年代後期以來,科學家們對太陽系起源有一個傾向性的認識。我們將這個傾向性的認識合理地細分為若干個演化階段,加上深入地分析。太陽系的起源會非常清晰地展現在我們面前。

星雲演化階段

我們現在掌握的天文學知識,對於恆星的起源、恆星的青年期、壯年期、老年期都有了非常清楚地認識。如果有人說,恆星是由星際星雲物質演化而來的。這在大多數有天文學知識的人來講,對這種說法都不會提出異議(天文學界有爭議)。
太陽也是由星雲物質演化來的,它處在距離銀河系中心2.7萬光年的獵戶旋臂上。

在46-50億年之前,星際瀰漫物質分佈不均勻,物質的密集區成為星際雲。在外界因素的觸發下,星際雲發生自吸引收縮。當密度足夠大時,星雲際雲出現不穩定,瓦解成為多個小星雲。其中獵戶臂上的一塊小星雲,質量約為1.03M⊙,該星雲就是以後演化成太陽系的星雲。該星雲中心溫度100K,其餘大部分的溫度均在10K以下。初始角動量2×1052~5×1052克·厘米2·秒-1。

對星雲演化階段的演化過程,大多數學者對其沒有太大的分歧。最具爭議的是外界觸發因素,一般認為有以下幾種星雲收縮觸發機制。

1、星雲間碰撞產生激波壓縮。

2、銀河螺旋密度波通過星際雲時產生的激波。

3、鄰近超新星爆發產生的激波。

4、其它強星雲收縮激發附近稠密的星雲。

許多人都認為是超新星爆發而激發太陽星雲收縮的。但是,在有千億顆恆星的銀河系裡,每年都會有不少顆恆星誕生。超新星激發而產生恆星的情況並不多見。而在銀河系旋臂附近的星際物質,有相對銀河系中心每秒幾百千米的速度動量,少許有一點波動或激波,就足以產生使太陽星雲收縮的自轉角動量。

太陽星雲演化階段的主要星雲物質所在範圍約為3~10萬個天文單位(天文單位:現在地球至太陽間的距離)。星雲演化階段的時間約為108年。

星子演化階段

當太陽星雲極度收縮,大多星雲物質範圍在1~3萬個天文單位,有98%以上的物質都已收縮到一個天文單位內時,太陽系星雲進入星子演化階段。

在這個演化階段,大多數太陽系起源理論,對星雲中心由星雲物質收縮成星子,再由星子聚集質點形成太陽的觀點沒有異議。而對太陽以外星子和星雲物質所在星盤的形成,提出各種觀點。

太陽系太陽系起源
許多理論都認為在盤上形成了環。1、卡米隆學說,湍流粘滯環。2、魏茨澤克(C.F.Weizsaker)的流體力學旋渦環。3、戴文賽的離心力環。4、普倫蒂斯的力學環。等等。

還有理論認為全部星雲物質都形成了太陽。如,張伯倫的恆星相遇說,金斯的潮汐說,烏爾夫遜的俘獲說,阿爾文的電磁說等。

依據我們對各類星雲的觀測經驗,星雲形成環的可能性極小,而且太陽星雲初始運動也沒有促使其形成環的因素。不過,星雲盤收縮時形成旋臂是極常見的現象,旋臂使星雲的密度產生了疏密差異。密度大的地方星雲物質開始聚積成星子。

有人會問,誰說星雲不能生成環,土星不是有環嗎?在太陽沒有燃燒以前太陽完全可以有環。但是,土星的赤道環和太陽星雲盤形成的環差異太大。依據洛希極限(Roche』sLimit)原理,土星類相對星體距離也較近,而且像土星這樣的環不可能形成為一個星體。

對於太陽系星雲完全收縮為一個太陽的情況,無論從物理學的角度或是從天文學的角度看,都讓人難理解。因為星雲收縮為星雲盤,星盤再完全收縮成一個星球體,在盤上不留一點剩餘物質的情形也非常少見。

太陽星雲盤上也應該形成有旋臂。在星子演化階段的後期,在大約0.5天文單位處旋臂中心的星子,其直徑有大於1000千米的(這種星子也可以稱為星胚)。太陽星雲中心溫度已經超過300K,但是距太陽1個天文單位處的溫度不應該大於10K。這個演化階段所用的時間在106~107年內。

太陽—地球形成階段

在這個階段的開始,99%以上的太陽星雲物質聚集起來,形成了太陽的雛星。其密度約在1.35克/厘米3,它聚集了太陽系50%的角動量,由於物質的聚積,分子碰撞加劇,中心溫度已達到6000K以上。

在太陽的周圍這時候先後生成了四個行星,它們是:

1、水內星(Inmercury):因為現在這顆星已經不存在。其名暫定為水內星(不是Vulcan)。它的質量大約是160個地球單位(現在的地球質量=1個地球單位)。密度為1.34克/厘米3左右。它運行在距離太陽2900萬千米的軌道上。

2、水星:這顆水星並不像現在的水星。它的質量約110個地球單位,密度亦為1.34克/厘米3。這顆水星運行在離太陽7000萬千米的軌道上。

3、金星:它當時的質量是70個地球單位,密度1.34/厘米3,軌道距離太陽1.1億千米。

4、地球:當時的質量為50個地球單位,密度為1.33克/厘米3,軌道為1.5億千米。

它們的運行軌道基本是圓型。由於形成行星的旋臂外緣物質的角動量略大於內緣物質的角動量,內、外兩個角動量的差變成行星自轉角動量。所以以上形成的行星都具有繞太陽公轉方向相同的自轉。

由於太陽星雲在收縮時旋轉略帶一點扭矩,所以形成太陽后,太陽的自轉赤道與黃道(星盤)面有7度多的夾角,所形成行星的自轉軸,也不垂直於黃道面。

太陽系太陽系起源

當時,火星軌道處以外的物質量還不足以形成大行星,而只是在火星軌道處運行著幾個較大的星子。其中最大的星子直徑已超過3000千米。在火星與地球軌道之間有一個星雲的小旋臂,該旋臂角動量比地球的單位角動量略大一些,其形成的星體,被地球俘獲為月球,它的質量為0.7個地球單位。運行軌道與地球距離比現在要近得多。由於與地球角動量差轉變為對地球的轉動。而太陽星雲內部不存在魏茨澤克學說所形容的內部旋渦。所以太陽系星雲形成的規則衛星都是同步自轉(同步自轉:自轉周期與行星公轉周期時間相等)。

關於水內星存在的理由,分析一下水星到火星的軌道特性就可以得到啟示。關於形成的各行星的體量,有許多證據可以證明,當時可以有很大的質量。例如:水星現在的物質丰度和質量,如果將它們分散在水星軌道的範圍以內,這些物質無論用什麼辦法也不能將其聚集成現在的水星。在地球上,各大洋底錳結核的存在和海水中豐富的鈾含量都說明,如果地球的體量從形成時到現在就沒有改變,那麼對這些現象根本就無法解釋。

每個原始行星的其它參數,可以由以上數據推得。

這個演化階段的後期,各星體表面溫度已超過200K,這個演化階段的時間在104年之內。

火星—小行星形成階段

在這個演化階段開始,太陽表面溫度已達到3000K左右。太陽內部已開始有小規模的核聚變。形成的各大行星由於收縮,自轉開始加快,氫、氦元素已全部氣化。太陽的熱輻射驅動著散落在各大行星軌道間的剩餘物質和逃逸出行星控制的氫、氦等物質,並將它們推向火星軌道和小行星軌道。

由於星際物質到這個演化階段後期,在水星、小行星軌道上逐漸增多。而後火星逐漸由星子聚集形成。其質量約30個地球單位,密度約為1.2克/厘米3,軌道參數基本與現在相同。在小行星軌道上也逐步形成了70-120個大星子,星子直徑約在2000千米至3000千米。另外還有許多直徑小於2000千米以下的星子。當時的大星子經現代技術分析可以逆向命名,如:脫羅夫(Trojan)星、沃耳夫(M.Wclf)星等。

這個階段約經歷103年不到的時間。

六、木星—土星形成階段(太陽核聚變爆發階段)

太陽系太陽系起源
這個階段是太陽系形成過程中非常重要的一個階段。現代的太陽系起源理論都認為,強大的太陽輻射和太陽風將星雲輕物質推到外行星處。至於怎樣推的和演化到什麼時間將輕物質推出去的,所有太陽系起源說都未對其定位。這個推出去的過程是一個非常實際的過程,也是研究太陽系起源的值得重視的過程。這個過程必然與太陽核聚變爆發同時開始。

在這個階段里太陽由於收縮,內部的高溫終於引發了整個太陽的氫核聚變活動。強大的核聚變輻射帶著太陽風掃過了前面幾個階段所形成的所有的星體和星子。這個階段大約用了105—106年的時間。

我們如果能看到當時的景象,真是非常壯觀:逐漸增強核聚變的太陽發著強烈的紫光,照耀著整個太陽系。小行星帶的每個星子拖著像彗星一樣的尾巴,圍著太陽形成一個圈。地球帶著月球和火星差不多,快速旋轉著向四周散發著淡淡的氫氣、氦氣,後來又夾帶著水汽。水內星、水星、金星開始劇烈地轉動著向太陽系散發它們所帶的氣體、水汽,內太陽系空間扁平盤上,到處煙霧騰騰,給人一種祥和、溫暖的感覺。

在這個演化階段的稍後期,有個重要過程需要說明。在前幾個階段已經形成的各大行星都在散發著水汽,這些太空中和星球邊的水汽並沒有多大壓力,它們瀰漫在內太陽系的空間里,其溫度不會低於0攝氏度,但也不會高於70攝氏度。這是個原始生命物質最容易生成的環境。開始時原始氨基酸包裹體只是吸收熱,逆換氧化物質的簡單生命體。經過演化,在本階段結束時,生態環境開始變得惡劣。該生命體就逐漸演化出能光合的基本生命體和其寄生的共生生命體這樣兩種類別的系列生命體。像這種長期溫暖的環境現在很難人工模擬。

由於太陽風的壓力和太陽輻射的壓力,將瀰漫在內太陽系的氫、氦和水汽驅趕到現在的木星及土星軌道附近,木星、土星軌道上的星子逐漸增大,因為大部分物質在木星軌道處就被星子俘獲了,而土星星子俘獲的是重新凝結(溫度低)的氫、氦氣和水汽團,所以聚集在土星軌道上星子的密度變得越來越小。

在行星形成的過程中,由於高密度物質向行星中心集結,低密度的物質浮向行星表面,由於角動量守恆,行星的轉速急劇加快,太陽輻射使行星失去的表面物質將帶走大量的行星自轉角動量,致使行星逐漸失去自轉角動量而使自轉變得緩慢。特別是水內星,由於上述過程急劇演化,當該行星在失去三分之二質量后,其自轉角動量已所剩無幾。在這種情況下,該星對太陽來講就像一個向心旋轉的火箭,它拖著長長地急速噴射著水汽的尾巴,沿著距離太陽越來越近的軌道,漸漸地又突然快速地跌進了太陽。

水星幾乎也有著同樣的命運,不過當它向太陽移近運行軌道1200萬千米時,它的易揮發輕物質已經消耗殆盡,這時它就停留在現在的軌道上,繞著太陽轉動著。水星1200萬千米的軌道遷移,影響了水星的軌道參數,所以水星繞太陽轉動的軌道有較大的偏心率。

金星離太陽遠得多,以上論述的物理過程中,幾乎將金星自轉角動量全部帶走。但是,由於金星的輕物質揮發較慢,金星軌道的遷移量不多。

這個物理過程,對地球和火星影響更要好得多。地球作為行星開始演化時,最快的自轉速度,可能達到了幾個小時,可是當地球被太陽揮發到2個地球質量時,其自轉速度已減慢到要十五、六個小時左右轉一圈了。

到了這個演化階段的後期,木星、土星已初步聚合而成。

太陽系太陽系起源

在這個演化階段後期和下一個演化階段的初期太陽將進入一個災變時期。

七、天王星—海王星形成階段

在這演化階段的開始前,太陽進入了一個災變性階段,該災變可以稱為太陽角動量災變期。

當瀰漫星雲塌陷為一個恆星胚時,星雲物質帶有大量的轉動角動量聚集到星體,聚集的初期角動量分佈分散。恆星胚轉動較慢,當恆星核聚變產生之後,大部分物質都被氣化或電離時,較重物質急速向恆星中心聚集,輕物質浮向恆星表面,因角動量守恆,恆星轉速越來越快。

對於較大的星雲團,形成恆星前的旋轉速度較快,其聚集后星體含角動量極大,核聚變產生后,星核還沒完全形成。為了克服巨大的角動量轉速,恆星會分裂為雙星,或者是聚星。銀河系中就有許多這樣的恆星結構。

對於有較少量角動量的恆星,在恆星形成的年青階段都有一個天文學稱之為金牛T型階段。在這個階段,由於恆星聚集很大角動量,經過演化恆星開始快速地旋轉,再加上恆星劇烈地核聚變,使恆星沿赤道表面會拋射出大量的物質。這些拋射出的物質帶走大量的恆星自轉角動量。金牛T型階段結束后恆星進入了赫羅圖(H—Rdiagram)的主序星階段。又有,恆星的較差自轉現象和太陽風(有質量的太陽拋射物)也要損耗大量的角動量,使其後的恆星自轉速度越變越慢,恆星的自轉角動量亦越來越少。

這些金牛T型階段的太陽拋射物,最先訪問的是水星,而且也很頻繁,聚集后不長時間,就完全氣化,然後又脫離了水星。由於這些物質擊中水星的方向較正,使水星的自轉幾乎等於同步自轉。塊狀物對金星的撞擊角度不同水星,這些大塊拋射物的撞擊,使金星的自轉變為慢速地逆方向轉動,這個撞擊角和對水星的影響可以用作圖法得出,也容易理解。這些拋射物能塊狀地訪問地球、火星的可能性很小,所以就不會對這些星體造成什麼重大影響。在黃道面內的這些拋射物,最後都被太陽的輻射和太陽風推到木星、土星軌道,也有的被該軌道上的星子所俘獲。

太陽赤道與黃道有7度多的夾角。太陽的金牛T型段的赤道拋射物有很大一部分被拋射出原太陽星雲盤黃道面。這些拋射物,經由黃道盤的上、下飛越水星、金星......木星、土星。這些拋射物質在旋轉盤上群星引力的作用下,落在天王星的軌道上,被那裡的星子俘獲,然後積聚為天王星。這些拋射物的運動軌跡可用萬有引力定律推出。

也許太陽向雲盤上、下拋射的物質量並不相等,也許拋射的物質在雲盤上、下運行的距離有差異。所以它們形成的星子都會有水平於黃道平面的自轉。當變得更大的星子聚集起來形成天王星時,該星是一顆基本躺著轉動的星,星內有大量的放射性物質,也說明該星大部分物質直接來自已經核聚變的太陽。

有一些拋射物質因為沒有被天王星子俘獲,在星雲盤處穿越天王星軌道,由於慣性,又運行一段距離,在星盤的引力的作用下,從另一面落入海王星軌道,被海王星軌道的星子俘獲。因為它們的運動軌跡非常難以形容。所以這些星子最後形成的海王星,自轉軸相對黃道面傾斜很大角度。海王星的物質大部分也來自太陽,它也含有大量的放射性物質。

天王星、海王星演化階段歷時106年。

海王星外的冥王星是二十世紀三十年發現的一顆行星,從質量上講冥王星不能算是一顆大行星。對於冥王星外的太陽系空間,我們知道得不多,可以放在後面討論。

太陽系各星體的地質演化和後期演化要點

太陽成為主序星后,有個現象非常重要:太陽的聚集高溫點燃了核聚變,開始時燃燒的規模較小,然後逐漸加劇,最後達到燃燒的最大點,這時間在103年左右。劇烈地燃燒,必然產生燃燒阻隔,使燃燒逐漸減弱,這就形成了一個周期。現在我們把它稱為太陽活動周期,這個周期現在大約是11.2年。太陽剛進入主序星時,活動周期的波動非常明顯,當時波動周期的時間大約在70年左右。

水星在聚積成行星后,經過一定時間,水星的地質演化非常充分,鐵的核、岩的殼外面包裹著水和氫氣、氦氣。當太陽的熱量吹走表面的氣體、水和極易揮發物質后,火星遷移到現在運行的軌道。而後幾億年強烈的太陽風,又吹去了大部分岩殼(當時的水星岩是熔融態),以至它表面易揮發的金屬也被吹走了。

金星要好得多,它只失去了水分和部分易揮發物質,而且軌道也移動不多。

地球是顆神奇的行星,它的初期演化就有生物參與。地球大氣中的氧,如果沒有生物作用是不可能存在的。在太陽早期活動周期的低谷,地球建立了地球磁場,再加上氧的作用,地球保住了剩餘下來的水,為今後的生物進化提供了條件。

月球是地球的衛星,在當初形成時它是太陽系中最大的衛星。因為是衛星僅有同步自轉,所以它的地質演化並不充分,幾乎沒有鐵核。它的質心偏向地球。當它失去月表的水分后,太陽風又吹去了月表所有的易揮發物質和易揮發金屬。由於逐漸失去部分地球的引力和質量,月球軌道在遠離地球。

火星最大時,有30個地球質量那麼大,但是其99%以上都是輕物質。它的地質演化應該非常充分。當火星演化到10億年以前,火星表面還存在有大量的水,只因大氣中沒有存住氧,這些水分都慢慢地失去了。它的兩顆衛星是火星演化時期俘獲的。火衛一來自小行星軌道的可能性極大,因為在那裡被划傷的概率要比作為衛星要高得多。

 小行星軌道上,直徑大於2000千米的小行星都有相當充分的地質演化:鐵的核、岩的殼、外包著水和氣。太陽初期的劇烈燃燒,吹走了它表面的氫、氦氣和水,使所有的小行星失去了成為大行星的機會。大小不等的類地小行星運行在軌道上,其速度、質量又各不相同,在以後形成的大質量和近距離的木星脅迫下,小行星經常發生,裂解成為各類小行星族。有些脫離原來的軌道進入地球、火星軌道。地球上見到的鐵隕石和石隕石大都來自小行星軌道的物質。另外大部分脫離軌道的小行星或被木星俘獲或進入木星軌道。因為有木星的巨大質量脅迫,所以在小行星軌道上運行的各族小行星的分佈應該和木星軌道共振。沒有進行地質演化條件的小行星(形成時的質量小),失去大部分水分后,以原始狀態繼續運行著。有些較遠離太陽的小行星也許還保持有一定的水分。

小行星以外的類木行星,由軌道上的星子聚合而成后,從每顆星的質量、密度和運行軌道來看與現在的各大行星比較,總的情況變化不大。每個星的衛星和繞其運行的環也各有異。它們形成的時間和形成因素各不相同,這裡不再敘述。

小行星帶

太陽系太陽系起源

依據太陽系起源的傾向性共識:太陽系起源於同一塊星雲,也就是說太陽系早期形成的天體有著相同的化學物質含量。

但是,有人認為:這樣形成的原行星的質量很大,它可以吸引住行星外層的氣體。太陽的光和熱不可能趕跑原行星的氣體。由此而來對以上說法提出質疑。

在前面我們說過,原行星的自轉速度很快,所以在赤道上的線速度已接近氣體逃逸速度。再者,早期太陽表面的溫度有可能達到40000K,是現在太陽表面溫度的6倍。急速地趕跑原行星表面的氫和氦應該是不成問題。

統計一下有關太陽系起源的教科書和科普讀物中提出的大量疑問。以上太陽系起源說,能夠較為合理地解釋百分之九十以上的疑問。例如,為什麼有大量的碳質小行星存在?解釋是:不少小行星的原質量太小,當它失去氫和氦之後,水開始被氣化。由於小行星的質量小,水蒸氣直接逃逸,最後僅剩下不易揮發的碳和其它石質。而大質量小行星的引力使水蒸氣不易逃逸,太陽風將其裂解為氫和氧。氫先離開小行星,氧和碳結合生成二氧化碳,最後脫離小行星。所以大質量的原小行星生成的小行星是以石質和鐵質組成。類似的問題還有許多:月海怎樣形成。火星上為什麼有太陽系中最高的山等等。

綜上所述,以上太陽系起源的理論極有可能得到公認,如果該理論被公認,依據部分理論的行星演化化學和行星演化物理學即可確立它們的學科地位,以擺脫對太陽系起源的猜想,並可以詳細地探討各行星變化的化學成分和物理性質。依據該理論,再看我們的太陽系,把它可以分為。

內太陽系:在此系統內包括有水星、金星、地球、火星四顆大行星和小行星帶。它們都是類地行星,行星的軌道距離也相對較近。它們僅僅運行在3個天文單位之內。

小行星帶應該被稱為第一小行星帶。

近軌大行星帶:這裡包括木星、土星、天王星、海王星四顆類木大行星。它們是太陽系早期形成的大行星,它們的質量都很大,軌道間距離也相近,密度亦相差不多。它們的運行範圍在35個天文單位以內。

第二小行星帶:本小行星帶的寬度在20000天文單位以上。在這個小行星帶中有上億顆小行星存在。

其中,在距太陽2000天文單位內,存在著兩種類型的行星。第一種是體積較大的行星,這種星體的內、外溫度都超過氫和氦的凝聚溫度。但是它的質量又不足以保持住氣態的氫和氦,所以失去氣物質的它,密度較大。冥王星和Kuiper帶所能看到的行星(還有海王星俘獲的海衛一)都屬於這類行星。第二種是質量較小的行星,由於質量小,星的內部沒能改變,仍保持原有氫、氦和其它物質的混合狀態。它的表面被太陽的輻射趕走一些氫和氦等輕物質,剩餘的重物質覆蓋在星的表面,將其稱為「臟雪球」真是恰如其分。少數這類行星在大行星的脅迫下改變了軌道,有部分進入內太陽系。在它們接近太陽時有著非常壯觀的噴發,我們稱這一類星為「彗星」(多數演化為短周期彗星)。

在距太陽10000天文單位前後小行星的物質狀態與原始太陽星雲的物質相差無幾。

遠軌大行星帶:在太陽系開始形成的過程中,有大量的物質從太陽和內太陽系中拋射出來。其中一部分在近軌大行星帶上被星子俘獲,生成各大行星,另外還有很大一部分物質未被俘獲。它們和近軌大行星帶上較小星體散發的氫、氦以及第二小行星帶上的行星散發的氫和氦一起,陸續地向外發散出去。

依據以上太陽系起源理論,大行星的形成要有三個必要條件:首先,在恆星的引力範圍內要有足夠的物質。其次是溫度,前面談到的散發物質都是氫、氦等氣物質,它們的凝集溫度都在8K以下。第三是時間,也就是這些物質要運行一定行星年後,才能積聚成為大星體。

太陽系太陽系起源

根據以上條件,可以粗略地推算出遠軌大行星帶上各大行星的基本參數:在遠離太陽大約22000~27000天文單位範圍內,至少有三條軌道上運行著有大行星,它們的軌道間距約為100天文單位。圍繞太陽轉一周需要210~260萬年。

在第一條軌道上運行著二~三顆和土星質量差不多的大行星。因為在此軌道上積聚物質的時間不夠長,僅有太陽系形成初期的幾千萬年和後期的十億年,所以在這裡的物質還來不及聚合成一顆大行星。這些星的密度是0.6g/cm3。行星在軌道上為不均勻分佈。

第二條軌道上的大行星是一顆質量有木星兩倍大的大行星(太陽系中最大的行星),直徑約19萬千米,密度不到0.6g/cm3。

第三軌道上是四~六顆小於土星的大行星,它們的密度比0.5g/cm3大一些。把它們聚在一起還需要幾十億年的時間。

站在最大的那顆行星上看太陽就和地球上看到的金星差不多,藉助其他恆星的光這顆大行星表面的亮度比月球背面的亮度還要暗淡得多。它的面視角僅僅只有0.07角秒(冥王星為0.11角秒)。光學望遠鏡無法看得到它。就是能夠看到,許多人都會把它當作恆星來處理,因為這顆大行星每年才移動0.5角秒。發射探測器去考察它也要300年才能飛到。它的自轉周期是30~50小時。

關於這些大行星的細節:它們的衛星是怎樣分佈的,它們是否有環等。利用現有技術都是無法得到的。但是,幾個大質量行星的方位是可以計算出來的,許多長周期彗星的軌道參數提供了這些大行星的運行信息。

第三小行星帶:該小行星帶的寬度在10萬天文單位以上。在距遠軌大行星帶1000天文單位內有大於1000千米的小行星外。其餘部分的物質分佈極少,雖然這裡可能有上千億顆天體。

對於第二小行星帶和第三小行星帶,現在天文界的大多數人都認為是:太陽系形成過程中剩下來的物質,是一彗星群體稱為奧爾特(Oort)雲。當然,這些剩餘下來的物質在行星帶上不會是均勻分佈,遠離太陽的剩餘旋臂雲就是奧爾特雲。遠軌大行星帶的主要大行星應該在奧爾特雲的方向上發現。

重新認識太陽系,我們有可能連最大的行星都沒能看到。在三百年內我們根本無法得知太陽系內大行星的衛星總數。

5 太陽系 -運動

太陽系是銀河系的一部分。銀河系是一個螺旋形星系,直徑十萬光年,包括兩千多億顆星。太陽是銀河系較典型的恆星,離星系中心大約兩萬五千到兩萬八千光年。太陽系移動速度約每秒220公里,兩億兩千六百萬年在星系轉一圈。

太陽系中的八大行星都位於差不多同一平面的近圓軌道上運行,朝同一方向繞太陽公轉。除金星以外,其他行星的自轉方向和公轉方向相同。

彗星的繞日公轉方向大都相同,多數為橢圓形軌道,一般公轉周期比較長。

6 太陽系 -發現和探測

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、開普勒和牛頓等的帶領下,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觀測,直到1781年才被發現。

望遠鏡的觀測 

艾薩克·牛頓的望遠鏡複製品艾薩克·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。[91]惠更斯追隨著伽利略的發現,發現土星的衛星泰坦和土星環的形狀。 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。

愛德蒙·哈雷認識到在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。
1781年,威廉·赫歇爾在觀察一顆它認為的新彗星時,在金牛座發現了聯星。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。

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。

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·勒維耶的計算最終導致了海王星的發現。[97]在1859年,因為水星軌道的近日點有一些牛頓力學無法解釋的微小運動(「水星近日點進動」),因而有人假設有一顆水內行星祝融星(中文常譯為「火神星」)存在;但這一運動最終被證明可以用廣義相對論來解釋,但某些天文學家仍未放棄對「水內行星」的探尋。

暗淡藍點是旅行者1號從60億公裡外拍攝的地球影像(圓圈中的點)。條狀的光紋是來自太陽的衍射光芒(延伸到框架的左邊)。暗淡藍點是旅行者1號從60億公裡外拍攝的地球影像(圓圈中的點)。條狀的光紋是來自太陽的衍射光芒(延伸到框架的左邊)。

為解釋外行星軌道明顯的偏差,帕西瓦爾·羅威爾認為在其外必然還有一顆行星存在,並稱之為X行星。在他過世后,他的羅威爾天文台繼續搜尋的工作,終於在1930年由湯博發現了冥王星。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。

在1992年,夏威夷大學的天文學家大衛·朱維特和麻省理工學院的珍妮·盧發現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帶,冥王星和卡戎都被是其中的成員。

米高·布朗、乍德·特魯希略和大衛·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。

太空船的觀測 

藝術家筆下的先驅者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藝術家筆下的先驅者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

自從進入太空時代,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。

探測外行星的第一艘太空船是先驅者10號,在1973年飛越木星。在1979年,先驅者11號成為第一艘拜訪土星的太空船。旅行者計劃在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。旅行者2號繼續在1986年接近天王星和在1989年接近海王星。 旅行者太空船已經遠離海王星軌道外,在發現和研究終端震波、日鞘和日球層頂的路徑上繼續前進。依據NASA的資料,兩艘旅行者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。

還沒有太空船曾經造訪過柯伊伯帶天體。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。如果這被證明是可行的,任務將會擴大以繼續觀察一些柯伊伯帶的其他天體。

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)。信使號太空船正在前往水星的途中,預計在2011年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劃是前蘇聯在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年計劃登陸或撞擊金星(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

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尼爾·阿姆斯壯,它是在1969年的太陽神11號任務中,於7月21日在月球上完成的。美國的太空梭是能夠重複使用的太空船,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,可惜後來蘇聯瓦解后,俄羅斯無力繼續維護任其日晒雨淋荒廢。在軌道上的第一個太空站是NASA的太空實驗室,可以有多位乘員,在1973年至1974年間成功的同時乘載著三位太空人。第一個真正能讓人類在太空中生活的是前蘇聯的和平號太空站,從1989年至1999年在軌道上持續運作了將近十年。它在2001年退役,後繼的國際太空站也從那時繼續維繫人類在太空中的生活。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,美國總統喬治·布希宣布太空探測的遠景規劃:替換老舊的太空梭、重返月球、甚至載人前往火星。

7 太陽系 -研究

太陽系太陽系

對太陽系的長期研究,分化出了這樣幾門學科:

太陽系化學:空間化學的一個重要分科,研究太陽系諸天體的化學組成(包括物質來源、元素與同位素丰度)和物理-化學性質以及年代學和化學演化問題。太陽系化學與太陽系起源有密切關係。

太陽系物理學:研究太陽系的行星、衛星、小行星、彗星、流星以及行星際物質的物理特性、化學組成和宇宙環境的學科。

 太陽系內的引力定律:太陽系內各天體之間引力相互作用所遵循的規律。

太陽系穩定性問題:天體演化學和天體力學的基本問題之一。

8 太陽系 -化學

空間化學的一個重要分科,研究太陽系諸天體的化學組成(包括物質來源、元素與同位素丰度)和物理-化學性質以及

太陽系火星隕石中再現含碳化合物
年代學和化學演化問題。太陽系化學與太陽系起源有密切關係。 宇宙化學的一個重要分科,研究太陽系諸天體(太陽﹑行星﹑衛星﹑小行星﹑隕星和彗星等)的化學組成和物理-化學性質以及年代學和化學演化問題。太陽系化學與太陽系起源有密切關係。 十九世紀中葉以後發展起來的光譜分析廣泛應用於測定太陽和行星大氣的化學組成﹐1931~1933年﹐維爾特測得木星大氣含有氨和甲烷﹐提出「類木行星」(木星﹑土星﹑天王星﹑海王星)由大量氫組成﹐五十年代初﹐H.布朗按密度和化學組成把太陽系天體分為三類﹕岩石物質的(類地行星及其衛星﹑小行星和流星體)﹑岩石-冰物質的(彗星和類木行星的衛星)﹑氣物質的(太陽和類木行星)。美國天文學家柯伊伯和尤里注重研究太陽系起源的化學問題﹐特別注重隕石的化學分析結果。行星際航行開始后得到許多新資料,太陽系化學的研究進入活躍時期。
太陽系的化學組成 從太陽光譜和太陽風的研究得知太陽外部的化學組成。從隕石的研究得知﹐C型碳質球粒隕石中難揮發元素的丰度與太陽一致。木星和太陽的平均密度很接近﹐而且木星上也有十分豐富的氫和氦。根據這些事實﹐一般認為當初形成太陽系的原始星雲的化學組成與今天太陽外部的化學組成是相同的﹐各個行星和衛星捌淥焯逶諢ё槌繕系牟鉅焓切竊浦謝Х至蟮慕峁
太陽系年齡和溫度 地球和其他行星已經歷過顯著變質過程﹐難於得到它們形成和演化早期的化學資料﹔月球和衛星的變質程度較小﹐它們保留一些早期的特徵﹔小天體(小行星﹑隕星﹑彗星)沒有多大的變質﹐它們保留了太陽系早期的信息。同位素年代測定得知﹐地球上最古老物質的年齡為45.6億年﹐月球的古老岩石的年齡為46.5±0.5億年﹐而隕星年齡達47億年﹐一般認為太陽系年齡大於46億年﹐由同位素含量定出太陽系年齡上限為 54±4億年。從揮發性痕量元素及O/O同位素含量比率定出普通球粒隕石的吸積溫度一般為450±50K﹐定出月球的吸積溫度為450~500K(也有人定為620K)﹐推出地球的吸積溫度約為540K﹐這表明它們形成時的溫度比現在高些。 
        
化學凝聚模型 劉易斯等人研究了星雲說的化學過程﹐在星雲的密度﹑壓力和化學組成條件下﹐主要由溫度決定星雲各部分的化學分餾過程﹐從而導致行星及衛星的性質差異。有兩種截然不同的模型﹕平衡凝聚模型﹐假定凝聚物相與氣體相之間以及凝聚物之間在熱力學平衡條件下發生反應﹐產生的化學成分是熱力學的「態函數」﹔非平衡凝聚模型﹐氣體相與凝聚物相之間以及凝聚物之間不發生反應。兩種模型的生成物是不同的。實際的凝聚過程可能介於上述兩種模型之間﹐計算表明﹐平衡凝聚模型可以較滿意地說明類地行星的性質﹐例如﹐由這一模型計算得出的類地行星的密度與觀測符刮﹐而按非平衡凝聚模型計算得出的結果則與觀測不符合。星雲內部離太陽越遠處﹐溫度越低﹐因而各行星區凝聚物
太陽系隕石
的成分和含量各不相同。水星主要由難熔金屬礦物﹑鐵鎳合金和少量頑輝石組成﹔金星除含上述這些成分外﹐還含鉀(或鈉)鋁硅酸鹽﹐但不含水。地球還含有透閃石﹑一些含水硅酸鹽和三種形式的鐵(金屬鐵﹑FeO﹑FeS)﹐其中的金屬鐵和FeS形成了低熔點混合物﹐在放射加熱下熔化﹑分異﹐形成早期地核。火星含有更多的含水硅酸鹽﹐金屬鐵已完全氧化為FeO或FeS﹐以致沒有金屬鐵的核。小行星含有各種岩石礦物﹐但小行星區的冰物質(水冰﹑氨冰﹑甲烷冰)尚未凝聚。小行星區以外﹐各種冰物質依次凝聚﹐因而木星和木星以外的行星有岩石和冰物質混合物的固態核﹐木星和土星固態核質量大﹐引力強﹐能夠吸積氣體(主要是氫﹑氦)﹐形成它們的金屬氫中間層和液態分子氫的外層﹐因而它們的平均密度小。它們吸積氣體和形成大氣過程可用非平衡凝聚模型來描述。
        
上述凝聚模型都是與原始星雲中出現高溫條件相聯繫的。近年來發現隕石中含有上述模型所不能解釋的化學組成和同位素異常﹐有人強調恆星際物質中化學分餾(前凝聚物質)是太陽系初始化學態的關鍵﹐提出太陽星雲的冷凝聚模型來解釋這種異常。這種模型認為﹐恆星際物質中有三類塵埃﹕超新星爆發形成的熱凝聚物﹔其他恆星損失掉的熱凝聚物﹔星雲的非熱化合物。太陽系不經過熱凝聚序﹐而是由冷的恆星際物質直接形成。此外﹐阿爾文和阿亨尼研究了星雲物質的等離子體和磁流體過程。
隕星和月球的化學演化研究﹐近年來已經取得了重大成果。
有機物 一方面在隕石中已發現有烷烴﹑氨基酸等有機物﹐在彗星中發現了乙和氰化氫﹔另一方面在實驗室中模擬原始星雲條件﹐由CO和H催化裂化反應製成了與隕石中的物質十分相似的烷烴異構物。這稱為 FTT(Fischer-Tropsch Type)反應﹐也能生成其他有機物。這些發現和研究成果對於探討有機物的形成過程並進而研究生命

9 太陽系 -物理學

研究太陽系的行星、衛星、小行星、彗星、流星以及行星際物質的物理特性、化學組成和宇宙環境的學科。

2.太陽系內的引力定律:

太陽系內各天體之間引力相互作用所遵循的規律。

3.太陽系穩定性問題:

天體演化學和天體力學的基本問題之一。

4.太陽系和其他行星系

太陽系射電波

研究太陽系的行星、衛星、小行星、彗星、流星以及行星際物質的物理特性、化學組成和宇宙環境的學科。至於太陽本身,由於它具有豐富的物理內容和顯而易見的重要性,已經形成一個獨立的分支學科──太陽物理學。太陽系物理學一般包括以下一些分支:①行星物理學,是太陽系物理學的重要組成部分,是對九大行星及其衛星進行物理方面研究的學科(見行星物理學);②彗星物理學,利用天體物理方法,研究彗星的物理結構和化學組成,探索彗星本質;③行星際空間物理學,研究行星際物質的分佈、密度、溫度、磁場和化學組成,包括黃道光和對日照。其中流星天文學是用天體物理方法包括雷達和火箭觀測研究流星,以了解地球大氣的物理狀況,特別是研究行星際空間流星體的大小、質量、分佈和運動規律,而隕星學則是研究隕星的化學組成和物理特性,二者對宇宙航行和天體演化問題都有重要意義。
1609年,伽利略首先製成折射望遠鏡並用於天文觀測,他看到月球上的山脈和平原、金星的盈虧、木星的四個衛星等天象。後來許多天文學家對太陽系天體作了大量的觀測和研究,為太陽系物理學的建立創造了條件。
從十九世紀後半葉起,天文學中廣泛應用了分光術、測光術和照相術,這些觀測手段也被用來觀測研究太陽系的天體,太陽系物理學便從此誕生了。二十世紀上半葉射電天文方法在行星研究的領域裡開闢了一條嶄新的途徑,採用這種觀測手段測量了月球表面的射電輻射,並發現了木星、金星和火星發出的射電波。
三百年來的地面觀測取得了相當多的成就,但是太陽系物理學的突飛猛進則是二十世紀五十年代以來的事。由於空間天文技術的發展,這門學科變成了當代科學研究最活躍和最前沿的領域之一。新發現紛至沓來,舊觀念迅速過時。這是因為,一方面空間探測能以地面觀測無法比擬的精度研究太陽系天體,例如行星際探測器「水手」 10號所攝的水星逼近照片的分辨本領為地面最佳望遠鏡所攝照片的5,000倍。月球樣品的電子掃描顯微照片使得分辨本領比地面望遠鏡所攝照片提高1011倍,等等。另一方面,由於空間科學的發展,對於太陽系一些天體來說,天文學不僅是一門觀測的學科,而且也變成了一門實驗的學科。諸多學科的專家密切合作探討太陽系天體的物理性質,也是太陽系物理學的一個重要發展趨勢。雖然學者同意另外還有其他和太陽系相似的天體系統,但直到1992年才發現別的行星系。至今已發現幾十個行星系,但是詳細材料還是很少。這些行星系的發現是依靠多普勒效應,通過觀測恆星光譜的周期性變化,分析恆星運動速度的變化情況,並據此推斷是否有行星存在,並且可以計算行星的質量和軌道。應用這項技術只能發現木星級的大行星,像地球大小的行星就找不到了。

此外,關於類似太陽系的天體系統的研究的另一個目的是探索其他星球上是否也存在著生命。

10 太陽系 -太陽與行星

太陽與八顆行星數據對照表(赤道直徑以地球直徑6370公里為單位),距離與軌道半徑以天文單位為單位。
下表的數據都是相對於太陽的數值:(衛星數截至2005年底)

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天體  |  距離(AU) |  赤道直徑  |   質量   |   軌道半徑(AU) | 軌道傾角(度)| 公轉周期(年)|自轉周期(天)| 已發現衛星數
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太陽         0           109            333,400         --                   --                       --                   27.275                      --
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
水星         0.39      0.382         0.05528         0.38710        7.0050           0.240852              58.6                        0
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
金星         0.72       0.949         0.82               0.72               3.4               0.615               243.0185(逆向自轉)0
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
地球         1.00       1.00          1.00                1.00                0                 1.00                  0.9973                   1
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
火星         1.5         0.53           0.11               1.52                1.9             1.88                   1.0260                  2
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
木星         5.2        11.2            318                5.20                1.3             11.86                  0.4135                 63
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
土星         9.5        9.41            95                   9.54               2.5             29.46                   0.444                  47-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
天王星    19.2       3.98              14.6             19.22              0.8            84.01                      0.7183                29
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
海王星    30.1       3.81              17.2             30.06              1.8            164.79                    0.6713                13
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

[注]
(1)1930年,冥王星被國際天文學聯合會正式確認為行星,但一些天文學家對其行星的身份仍持懷疑態度。
(2)根據2006年08月24日國際天文學聯合會大會的決議:冥王星被視為是太陽系的「矮行星」、不再被視為行星。

11 太陽系 -第九大行星

在19世紀末,很多天文學家推測海王星之外還有別的行星,因為測試海王星的軌道和理論算出的軌道不一樣。他們叫這顆星「行星X」,是未知行星的意思。

美國天文學家帕西瓦爾·羅威爾在1909年和1913年兩次尋找海王星之外的行星,但是沒有找到。1915年結束之後,羅威爾發表論文,寫出估測的行星數據。其實在那一年,他所在的天文台照到了冥王星的照片,但是直到1930年才認出這是一顆行星。

可是冥王星的質量太小,無法解釋海王星的軌道。天文學家繼續尋找「行星X」,但是這個名字又有了第十大行星的意思,因為X是拉丁文的10。直到「旅行者2 號」探測器臨近海王星,才發現海王星的質量一直算錯很多。用正確的質量,加上冥王星的影響,海王星的現實軌道和計算軌道一致。

按照行星軌道計算,和地球差不多大小的行星不可能在60AU之內(冥王星現在離太陽大約30AU)。如果確實有第十大行星,它的軌道會很傾斜,很可能是外星系的天體,靠太陽太近,而被太陽吸引入軌。

一直以來,天文界對冥王星的地位一直有所爭議。甚至有些地方的天文館將冥王星從九大行星的地位中剔除。

根據2006年08月24日國際天文學聯合會大會的決議:冥王星被視為是太陽系的「矮行星」、不再被視為行星。

自21世紀以來,科學家在冥王星更遠的外圍分別發現了三顆較大的行星。依序為2004年所發現的「Sedna」,代號為 2003 VB12;2005年同時發表的「Santa」,代號為2003 EL61及代號為2003 UB313(發現者未公布其名稱)的行星。

2005年7月19日美國科學家發現的2003 UB313,研究人員估算其直徑達3,000公里,被一些人認為很可能是太陽系第十大行星。但2006年國際天文學聯合大會決議:將其列入矮行星.

「水內行星」

天文學家曾發現離太陽最近的水星有一些無法解釋的微小運動,天文學家懷疑可能有一個比水星更靠近太陽的行星的引力引起的,並用一個火神的名字給這個行星起名為「祝融星」(中文常譯為「火神星」),但天文學家們觀測了五十多年仍然未找到這顆行星。

「水內行星」的假設,已被科學家愛因斯坦的廣義相對論排除。廣義相對論的引力理論解釋了水星的奇怪運動,但天文學家們仍未放棄對「水內行星」的探尋。

 

12 太陽系 -太陽

由地球所見的太陽。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與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。

赫羅圖,主序帶由右下延伸至左上。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%。

計算太陽內部氫與氦的比例,認為太陽已經完成生命周期的一半,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,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。)。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。

13 太陽系 -行星際物質

太陽圈電流片太陽圈電流片

除了光,太陽也不斷的放射出電子流(等離子),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, 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。 太陽的黑子周期(11年)和頻繁的閃焰、日冕物質拋射在太陽圈內造成的干擾,產生了太空氣候。伴隨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。

在軌道中看見的南極光。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。 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(如南極與北極)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周期的強度變動有關,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。

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。第二個區域大約伸展在10-40天文單位的範圍內,可能是,柯伊伯帶內的天體在相似的互相撞擊下產生的。

14 太陽系 -八大行星

·水星

太陽系水星
平均日距 57,910,000 km (0.38 AU)
直徑 4,878 km
質量 3.30e23 kg
密度 5.43 gm/cm
重力 0.376 G
公轉 87.97 地球天
自轉 58.65 地球天

水星是最靠近太陽的行星,由於水星距離太陽實在太近了,表面溫度很高,太空船不易接近,在地球上也不容易觀測,因為可觀測的時間都集中在清晨太陽出來的前幾分鐘,和夕陽落下后的幾分鐘,時間不容易掌握,而且,在背景亮度尚高的情況下,要去找一顆比月亮大不了多少的水星,實在不是件輕鬆的事水星是最靠近太陽的行星,所以它運行的速度比其他行星都快,每秒的速度接近48公里,並且不到88天就公轉太陽一周。水星非常小,是由岩石構成的,表面布滿被流星撞擊而形成的環形山和坑洞,另外有平滑,稀疏的坑洞平原。水星表面另外還有山脊,這是行星在40億年前核心逐漸冷卻與收縮所形成的,因此表面起伏不平。水星自轉的速度非常緩慢,自轉一周將近59個地球日,所以水星的一個太陽日(從日出到另一個日出)差不多要176個地球日—相當於水星一年88日的兩倍長。水星的表面溫度很懸殊, 向陽面高達攝氏430度,陰暗面則在攝氏零下170 度。當黑夜降臨時,由於水星幾乎沒有大氣層溫度下降很快。大氣成分包括由太陽風所捕捉到的微量氦和氫,或許還有一點其他的氣體。

·2金星

太陽系金星
平均日距 108,200,000 km (0.72 AU)
直徑 12,103.6 km
質量 4.869e24 kg
密度 5.24 gm/cm
重力 0.903 G
公轉 224.7 地球天
自轉 243 地球天
金星是太陽系第二顆行星,全天最亮的行星就是金星,通常是在清晨或傍晚才看得到,最亮時的亮度可超過 -4,有如一盞掛在山邊的路燈,一般的望遠鏡即可觀測,常可看到如月球的盈虧現象。在古代的西方世界,金星代表著美麗的女神金星是一顆岩石構成的行星,也是距離太陽第二遠的行星。金星在繞太陽公轉的同時也緩慢的反方向自轉,因此使它成為太陽系中自轉周期最長的行星,大約需243個地球日。 
金星比地球稍微小一點,內部構造或許也類似。金星是除了太陽與月球外,天空中最亮的天體,這是因為它的大氣層能強烈的反射陽光。大氣層的主要成分是二氧化碳,它能在溫室效應下吸收更多的熱,因此,金星成了最熱的行星,表面高溫度可達攝氏480度。厚的雲層內含有硫酸的小滴,並由風以每小時接近360公 里的速度吹向行星各處。雖然金星需要243個地球日才能自轉一周,但高速的風只需4個地球日就把雲吹得環繞行星一圈。高溫、酸雲和極高的大氣壓力,(大約是地球表面的90倍),顯示金星的環境惡劣。

·3地球

太陽系地球
平均日距 149,600,000 km (1.00 AU)
直徑 12,756.3 km
質量 5.976e24 kg
密度 5.52 gm/cm
重力 1 G(9.8 m/s2)
公轉 365.26 地球天
自轉 1 地球天
美麗的地球,生命的奇迹,是宇宙的巧合或是上帝的傑作?地球是太陽系第三顆行星,有一衛星稱為月亮,地球大氣層的保護及距離太陽位置的適當,是生命起源的重要條件。
地球是距離太陽第三遠的行星,也是直徑最大和比重最大的岩石行星,同時也是唯一 己知有生命存在的行星。地球內部的岩石和金屬顯示它是一顆典型的板塊組成,由於板塊推擠,因此交界處會發生地震和火山等活動。地球的大氣層和同一張保護層,它能阻擋來自太陽有害人體的輻射,並防止流星撞擊行星表面,除此之外,還能積存足 夠的熱,防止氣溫急遽下降。地球表面有百分之七十為水所包圍,其他行星的表面都未發現這類液態形式的水。地球有一個天然衛星——月球,它的表面布滿了大大小小的環形山,月球大得足以把這兩個天體視為一個雙行星系統。


·4火星

太陽系火星
平均日距 227,940,000 km (1.52 AU)
直徑 6,794 km
質量 6.4219e23 kg
密度 3.94 gm/cm
重力 0.38 G
公轉 686.98 地球天
自轉 1.026 地球天
火星是太陽系第四個行星,在晴朗的夜空里,代表戰神的火星閃著火色的光芒,吸引著古今千萬人的視線。十萬年前有一顆來自火星的岩石墜落於地球的極區,冰封。人們在此隕石里發現了,可能是生命所留下的痕迹化石,這化石是三十億年前在火星上形成的,科學家正積極的研究,並探測這顆表面充滿神秘河道及火山的星球,火星上曾經有生命嗎?
火星即常所說的紅色行星,火星是太陽系中第三小的行星直徑約為地求的二分之一,體積約為地球的十分之一,表面的重力約地球的三分之一強。火星的大氣層比地球稀薄,只有地球大氣層的百分之一,主要成分是二氧化碳。同時還有少量的雲層和晨霧。因為大氣層很薄,在火星上沒有溫室效應。火星赤道附近溫度白天可達到27C,在夜晚可降至零下111C。
火星的北半球有許多由凝固的火山熔岩所形成的大平原,南半球有許多環形山與大的撞擊盆地,另外還有幾個大的、己熄滅的火山,例如奧林帕斯山,寬600公里,還有許多峽谷和分岔的河床。峽谷是 地殼移動所 造成的而河床一般認為是己乾涸的河流形成的。在火星上高緯度的地方,冬天時由於溫度太低,大氣中的二氧化碳會凍結,而在五十公里高的地方形成雲,到了春天便消失。夏天時由於日照強烈,地面溫度很高,地面附近的大氣 因受熱而產生強勁的上什氣流。這個股氣流會將地面的灰塵往上卷,在空中吸收陽光的熱而進一步提高大氣的溫度,使上升的速度增快,因此火星上常可看到大規模的暴石砂。
火星上最大的火山-------奧林柏斯山,高出地面24公里,幾乎是地球上最高山3倍,同時也是太陽系最高的山。

·5木星

太陽系木星
平均日距 778,330,000 km (5.20 AU)
直徑 142,984 km (equatorial)
質量 1.900e27 kg
密度 1.31 gm/cm
重力 2.34 G
公轉 11.86 地球年
自轉 0.414 地球天
木星是太陽系第五顆行星,也是整個太陽系最大的行星,位於火星與土星之間,用一般的天文望遠鏡(60mm 72倍)即可看到它表面的條紋及四顆明亮的衛星,是全天第二亮的行星僅次於金星,木星的亮度最高可超過 -2。木星是距離太陽第五遠的行星,也是四大氣體行星中的第一個 。它是最大且重的行星,直徑有地球的11倍,質量是其他八個行星總和的2.5倍。木星可能有個小的石質核心 ,四周是由金屬氫(液態氫,性質如同金屬)所構成的內地函。內土詭函的外面是由液愈氫和氦所構成的 外地函,它們融合成氣態的大氣層。木星的快速自轉使大氣層中的雲形成帶狀與區層 穩定的亂流形成白與紅斑等特別的雲,這兩種都是巨大的風暴。最有名的雲是一個稱為大紅斑的風暴,它由一個比地球寬三倍, 升起於高雲之上約七公里的旋渦圓 柱狀雲所構成。
木星有一個薄、暗的主環,裡面有個由朝向行星延伸的微粒所形成稀薄光環。目前己知有16個衛星。四個最大的衛星(稱為伽利略木衛)是甘尼八德、卡利斯、埃歐和歐羅巴。甘尼八德與卡利斯多表面有許多坑洞,或許還有冰。歐羅巴表面表滑, 並覆著冰,或許還有水。埃歐表面有許多發亮的紅色、橘色和黃色的斑點。這些顏色來自於活火山的硫磺物質,由噴出表面高達數百公里的絨毛狀熔岩所造成的。

·6土星

太陽系土星
平均日距 1,429,400,000 km (9.54 AU)
直徑 120,536 km (equatorial)
質量 5.688e26 kg
密度 0.69 gm/cm
重力 1.16G
公轉 29.46 地球年
自轉 0.436 地球天
土星是太陽系第六顆行星,也是體積第二大的行星,有著美麗的環,在地球以一般的望遠鏡即可看見,土星、木星、天王星和海王星表面都是氣體,故自轉都相當快。土星的環主要是由冰及塵粒構成,據科學家推測,可能是因某衛星受不了土星強大的吸引力而解體成碎片。
土星的環平面與土星公轉面不在同一個平面上,故當土星公轉至某一位置時,土星的環平面剛好與我們的視線平行,我們在地球上便無法看到此一土星環,因為土星環實在太薄了,我們無法從側面看到,另外,當土星環與陽光平行時,因環平面沒有受光,故我們也無法看到。
土星是從太陽算起的第六顆行星,也是一個幾乎和木星一樣大的氣體巨星,赤道直徑約 120500公里。土星可能有一個岩石與冰構成的小核心,周圍是金屬氫(液態氫,性質如同金屬)構成的內地函。在內地函的外面是是由液態氫構成的外地函、融合成為氣態的大氣層。
土星的雲層形成帶狀與區層,頗似木星,但由於外層的雲薄而顯得較模糊。風暴和漩渦發生在雲中,看起來為呈紅或白色橢圓。
土星有一個極薄但卻很寬的環狀系統,雖然厚不到一公里,卻從行星表面朝外延伸約420000公里。主環包括數千條狹窄的細環, 由小微粒和大到數公尺寬的冰塊所構成。土星己有18顆衛星,其中有些在光環內運行, 這會施加重力,影響到環的形狀。有趣的是,衛星中的7顆為共內軌道,與別的衛星分享同一個軌道。天文學家相信這些共用軌道的衛星為來自同一,但後來碎裂的衛星。

·7天王星

太陽系天王星
平均日距 2,870,990,000 km (19.218 AU)
直徑 51,118 km (equatorial)
質量 8.686e25 kg
密度 1.28 gm/cm
重力 1.15G
公轉 84.81 地球年
自轉 0.72 地球天
天王星是太陽系第七顆行星,在太空船未到以前,人類並不知道它也有如土星一樣美麗的環,天王星是人類用肉眼所能看到的最遠的一顆行星,但,如果你沒有受過專業的訓練的話,是很難在眾星里尋到的天王星(Uranus)的最大特徵是自轉的傾斜度很大。一般行星的自轉軸與其公轉面都很接近垂共直,唯獨天王星的自轉軸成九十八度的傾斜,幾乎是橫躺著運行。因此, 太陽有時整天都照在北極上,而這時的南半球就全天黑暗。天王星表面發出帶有白色的藍綠光彩,因此推測它的大氣可能含有很多甲烷。而天王星的直徑約為地球的四倍,質量約十四倍,但密度卻不及地球的四分之一,這是因為天王星與其他木星型行一樣,它們都是以氫、氦等氣體為主要成分形成的。
       九條細環天王星的赤道上空也有九條環,這九條環合起來的寬度約十萬公里,大約為土星環三分之一寬。天王星的環之構造及成分與土星及木星的環大不相同,土星環是由幾千條環夾著很狹窄的空隙形成的,而天王星的九條環卻彼此都隔得很遠。九條環中內側的八條寬約十幾公里,最外側的一條則寬達一百公里以上。

·8海王星

太陽系海王星
平均日距 4,504,000,000 km (30.06 AU)
直徑 49,528 km (equatorial)
質量 1.0247e26 kg
海王星是太陽系第八顆行星,有八顆衛星,海王星表面主要也是氣體組成,也有類似木星表面的大紅斑風暴雲,我們稱之為大黑斑,這個大風暴約是木星大紅斑的一半,但也容得下整個地球。海王星亦有如土星的環,只是此環比天王星更細小 。
       由冰粒形成的木星環及土星環看起來非常明亮,但天王星竹環是由碳粒石或岩石粒形成的,所以非常暗淡,海王星是離太陽最遠的行星,平均距離分別為45億公里。海王星是一個巨大的氣體行星,有小的石質核心,周圍由液態與氣態的混合體所組成。大氣層內的雲有顯著的特微,其中最明顯的是大黑斑,如地球般寬,還有小黑斑與速克達。大、小黑斑都是巨大的風暴,以每小時2000公里的速度吹遍整個行星。速克達是範圍很廣的捲雲。海王星有四個稀薄的環和8顆衛星。崔頓是海王星最大的衛星,也是太陽系中,最冷的星體, 溫度在攝氏零下235度。有別於太陽系中大部分的衛星,崔頓是以海王星自轉的反方向來繞其母行星運行。
海王星的四個又窄且暗細環,這環被造成原因是由微小的隕石猛烈的撞擊海王星的衛星所造成灰塵微粒而形成。

15 太陽系 -最遠的區域

旅行者進入日鞘旅行者進入日鞘

太陽繫於何處結束,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

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,也就是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。[71]

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, [72]同時也受到在南端佔優勢的太陽磁場的影響;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,在大約230天文單位處,存在著弓激波,它是當太陽在銀河系中穿行時產生的。[73]

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。而太陽圈如何保護在宇宙射線下的太陽系,目前所知甚少。為此,人們已經開始提出能夠飛越太陽圈的任務。

藝術家描繪的柯伊伯帶和假設中的奧爾特雲。藝術家描繪的柯伊伯帶和假設中的奧爾特雲。

奧爾特雲

藝術家描繪的柯伊伯帶和假設中的奧爾特雲。主條目:奧爾特雲
理論上的奧爾特雲有數以兆計的冰冷天體和巨大的質量,在大約5,000 天文單位,最遠可達10,000天文單位的距離上包圍著太陽系,被認為是長周期彗星的來源。它們被認為是經由外行星的引力作用從內太陽系被拋至該處的彗星。奧爾特雲的物體運動得非常緩慢,並且可以受到一些不常見的情況的影響,像是碰撞、或是經過天體的引力作用、或是星系潮汐。
塞德娜和內奧爾特雲

望遠鏡看見的塞德娜望遠鏡看見的塞德娜

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年才能完成一周的巨大、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,所以認為它不是離散盤或柯伊伯帶的成員。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,軌道周期3,420年的2000 CR105,[78]和近日點在21 天文單位,遠日點在1,000 天文單位,軌道周期12,705年的(87269) 2000 OO67。布朗命名這個族群為「內奧爾特雲」,雖然它遠離太陽但仍較近,可能是經由相似的過程形成的。[79] 塞德娜的形狀已經被確認,非常像一顆矮行星。

疆界

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。奧爾特雲向外延伸的程度,大概不會超過50,000天文單位。儘管發現的塞德娜,範圍在柯伊伯帶和奧爾特雲之間,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。在太陽系的未知地區仍可能有所發現。

16 太陽系 -宇宙起源說

關於宇宙的起源,現在普遍認同的是「大爆炸」模型。儘管我們不能百分之百肯定這個模型百分之百正確,但到目前為

太陽系宇宙起源
止,這個模型依然是最科學合理的。在沒有足夠的證據推翻它之前,我們還是用這個模型來闡述宇宙的起源。
從大爆炸3分鐘以後經過約70萬年,宇宙的溫度降到3000K,電子與原子核結合成穩定的原子,光子不再被自由電子散射,宇宙由混沌變得清澈。然後又過了一段時間,當然這段時間長達幾十億年,中性原子在引力作用下逐漸凝聚為原星系,原星系聚在一起形成等級式結構的星系集團。與此同時,原星系本身又分裂形成無數的恆星。因為強大的引力,恆星熾烈地燃燒自己的核燃料;併合成碳、氧、硅、鐵等重元素。在恆星生命即將結束時,通過爆發形式噴射出包含重元素的氣體和塵埃。這些氣體和塵埃又構成新一代恆星的原料;在某些恆星周圍急劇降溫的氣體和塵埃會坍縮成一個旋轉的物質團。這些物質團通過相互吸引碰撞和融合,最後形成無數個小行星、大行星。 

大約50億年前,我們的太陽系還是一團緩慢旋轉的氣體雲。由於自身的引力效應或附近超新星爆發的能量衝擊效應,這塊氣體雲開始坍縮,至密的核心變為原始太陽,周圍旋轉的氣體和塵埃,形成一個薄盤。隨著時間的推移,這塊薄盤逐漸分裂為大量的物質團。這些物質團的大部分慢慢的坍縮凝固成今天的小行星和彗核,另一部分通過碰撞合併形成現在的大行星及其衛星,比如地球和月亮。 
太陽系的八大行星,按照距離太陽的由遠及進的順序是:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。
在靠近太陽的一些行星上,只有難熔的岩狀物能留存下來,氣體和冰水類物質都揮發掉了;所以類地行星質量較小,密度較高。相反,在離太陽系較遠的一些行星上,由於溫度很低,冰類物質不能融化,在那裡可以形成質量較大,密度較低的類木行星。因為引力大小的緣故,較大的類木行星比較小的類地行星能吸引到更多的原始物質團,因而衛星較多。象木星一樣的行星環是衛星形成后留下來的原始碎片,而彗星則是在太陽系邊界處積聚的原始物質。    

太陽系是由受太陽引力約束的天體組成的系統,它的最大範圍約可延伸到1光年以外。太陽系的主要成員有:太陽(恆星)、八大行星(包括地球)、無數小行星、眾多衛星(包括月亮),還有彗星、流星體以及大量塵埃物質和稀薄的氣態物質.在太陽系中,太陽的質量占太陽系總質量的99.8%,其它天體的總和不到有太陽的0.2%。太陽是中心天體,它的引力控制著整個太陽系,使其它天體繞太陽公轉,太陽系中的八大行星(水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星)都在接近同一平面的近圓軌道上,朝同一方向繞太陽公轉。 

17 太陽系 -天文數據

天體名稱 距離(*AU) 半徑(比較地球)  質量(比較地球)   軌道傾角(度)   軌道偏心率  傾斜度  密度(g/cm3)
 太陽 0109  332,800  --- --- --- 1.410 
 水星0.390.38 0.05 7 0.2056 0.1° 5.43
 金星 0.72 0.95 0.89 3.394 0.0068 177.4° 5.25
 地球 1.0  1.00 1.00 0.000 0.0167 23.45° 5.52
 火星 1.5 0.53 0.11 1.850 0.0934 25.19° 3.95
木星 5.2 11.0 318 1.308 0.0483 3.12°  1.33 
土星 9.5 9.5 95 2.488 0.0560 26.73° 0.69
天王星 19.2 4.0 17 0.774 0.0461 97.86° 1.29
海王星 30.1 3.9 17 1.774 0.0097 29.56° 1.64
註:*AU,為一種天文單位,地球到太陽之間的距離為一AU。  

八顆行星中,一般把水星、金星、地球和火星稱為類地行星,它們的共同特點是其主要由石質和鐵質構成,半徑和質量較小,但密度較高。把木星、土星、天王星和海王星稱為類木行星,它們的共同特點是其主要由氫、氦、冰、甲烷、氨等構成,石質和鐵質只佔極小的比例,它們的質量和半徑均遠大於地球,但密度卻較低。作為矮行星的冥王星是特殊的一顆行星。 行星離太陽的距離具有規律性,即從離太陽由近到遠計算,行星到太陽的距離(用a表示)a=0.4+0.3*2n-2(天文單位)其中n表示由近到遠第n個行星(詳見上表) 地球、火星、木星、土星、天王星、海王星的自轉周期為12小時到一天左右,但水星、金星、冥王星自轉周期很長,分別為58.65天、243天和6.387天,多數行星的自轉方向和公轉方向相同,但金星則相反。 除了水星和金星,其它行星都有衛星繞轉,構成衛星系。
在太陽系中,現已發現1600多顆彗星,大多數彗星是朝同一方向繞太陽公轉,但也有逆向公轉的。彗星繞太陽運行中呈現奇特的形狀變化。 太陽系中還有數量眾多的大小流星體,有些流星體是成群的,這些流星群是彗星瓦解的產物。大流星體降落到地面成為隕石。 太陽系是銀河系的極微小部分,它只是銀河系中上千億個恆星中的一個,它離銀河系中心約8.5千秒差距,即不到3萬光年。太陽帶著整個太陽系繞銀河系中心轉動。可見,太陽系不在宇宙中心,也不在銀河系中心。 太陽是50億年前由星際雲瓦解后的一團小雲塌縮而成的,它的壽命約為100億年呢!  

18 太陽系 -相關數據

公轉的歷史的數據
 

 星體  編號    公轉主星     距主星距離  公轉周期  傾斜角  心率 發現者  發現日期
太陽 - - - - -- ---- 
水星   I     太陽 57910 87.97 7.00 0.21 -- --
金星II   太陽 108200 224.70 3.39 0.01 -- --
地球III  太陽 149600 365。26 0.00 0。02 -- --
火星IV   太陽 227940 686.98 1.85 0.09 -- --
木星V 太陽 778330 4332.71 1.31 0.05 -- --
土星VI 太陽 1429400 10759.50 2.49 0.06 - -
天王星VII 太陽 2870990 30685.00 0.77 0.05 赫歇耳 1781
海王星 VIII 太陽 4504300 60190.00 1.77 0.01 亞當斯  1846
冥王星  IX  太陽 5913520 90800 17.15  0.25  Tombaugh 1930
    



 星體 編號 公轉主星 距主星距離 公轉周期 傾斜角 離心率 發現者 發現日期 別稱
月球  I  地球  384  27.32      23.50 0.05 --- --- Luna (a, 0)

 星體  編號 公轉主星 距主星距離   公轉周期傾斜角   離心率 發現者發現日期  別稱
 Phobos  I  Mars 9 0.32 1.00  0.02  Hall 1877 
 Deimos  II Mars 23 1.26    1.80  0.00 Hall 1877 (b)

 
 星體 編號 公轉主星 距主星距離公轉周期  傾斜角離心率  發現者 發現日期 別稱
anymede   XVI 木星 128 0.29  0.00    0.00 Synnott 1979 1979 J3
Adrastea   XV  木星 129 0.30  0.00   0.00 Jewi(1)   1979 1979 J1
Amalthea   V  木星 181 0.50 0.40 0.00 Barnard 1892  
Thebe    XIV 木星 222 0.670.80   0.02 Synnott  1979 1979J2
Io  I 木星 4221.77    0.04  0.00  伽利(2) 1610 
Europa II 木星 671 3.55   0.47    0.01  伽利(2) 1610  
Ganymede III 木星 1070 7.15   0.19    0.00 伽利(2) 1610 
Callisto IV 木星 1883 16.69     0.28  0.01 伽利(2) 1610 
Leda XIII 木星 11094 238.72    27.00 0.15Kowal  1974 
Himalia VI 木星 11480 250.57  28.00   0.16   Perrine  1904 
Lysithea X 木星 11720 259.22  29.00    0.11    Nicholson 1938 
Elara VII 木星 11737 259.65 28.00     0.21   Perrine 1905 
Ananke XII 木星 21200 -631  147.00  0.17 Nicholson 1951  
Carme XI 木星 22600 -692163.00 0.21 Nicholson 1938 
Pasiphae   VIII 木星 23500  -735  147.00   0.38 Melotte 1908  
Sinope   IX  木星 23700 -758 153.00   0.28    Nicholson 1914 

19 太陽系 -太陽系之最

最大
太陽系中有17個星體的半徑大於1000千米。

這張混合圖顯示了太陽和其餘5個最大的行星的比例關係,清晰度為3200千米每點。(地球就是那個在木星與太陽之間的星球。)

這張圖顯示了地球和其餘11個大星體之間的比例關係,清晰度為100千米每點 

 星體  公轉 主星距離 半徑 質量 
 太陽     697000  1.99e30
 木星   太陽 778000 71492 1.90e27
 土星   太陽 1429000 60268 5.69e26
 天王星  太陽 2870990 25559 8.69e25 *
 海王星     太陽 4504300 24764 1.02e26 *
 地球 太陽 149600 6378 5.98e24
 金星  太陽 108200  6052   4.87e24
 火星 太陽 227940 3398 6.42e23
 Ganymede      木星 1070 2631 1.48e23+
 Titan  土星 1222 2575 1.35e23+
 水星      太陽 57910 2439 3.30e23 +
 Callisto 木星 1883  2400  1.08e23
 Io     木星 422 1815 8.93e22
 月球 地球 384 1738  7.35e22
 Europa     木星 671 1569 4.80e22
 Triton 海王星   355 1353 2.14e22
 冥王星 太陽 5913520 1160 1.32e22

 最小
有13個衛星的半徑小於20千米:

 星體 公轉主星  距離  半徑 質量
 Deimos 火星 23  6  2.00e15
 Leda  木星  11094   5.68e15 
 Adrastea  木星 129  10 1.91e16 *
 Pan  土星  134  10  ?
 Phobos  火星  9  11  1.08e16 *
 Calypso 土星 295 13  ?
 Cordelia  天王星  50  13  ?
 Ananke 木星 21200 15 3.82e16
 Atlas  土星 138  15 ? 
 Telesto 土星 295 15  ?
 Helene 土星 377 16  ?
 Ophelia 天王星   54  16  ? 
 Sinope  木星  23700  18  7.77e16

 最佳生命生存點

 星體 原因
 地球  :-)
 火星  最類地行星,過去更是如此;ALH84001
 Europa 可能有液態水
 Enceladus 可能有液態水
 Titan 有複雜的化學組成,好像也有液體
 Io 有複雜的化學組成,比一般星球溫暖
 木星  遙遠溫暖,有機物豐富
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