太阳系概况

第一节　太阳系概况

目前，关于太阳系产生的理论大概可以分为灾变说和演化说两大类。灾变说认为，太阳是单独生成的。当历史发展到某个比较晚的阶段时，宇宙空间内发生了某个激烈的事件，巨大的灾变形成了太阳系。而演化说则认为，太阳和行星整个系统从一开始就是以有条不紊的方式形成的，太阳系的形成是宇宙天体自然演化过程产生的结果。

一、太 阳 系

太阳系位于银河系的一个旋臂上，与银心相距约2．7万光年，在银道面以北约26光年处。太阳是所处天体系统中的中心天体，其他天体都在太阳引力控制之下。

太阳系有八颗大行星，按离太阳的平均距离从近到远，依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。除了水星和金星，其余六大行星各有数目不一的卫星绕转，目前观测到的卫星总数已超过130颗。在火星与木星轨道之间有数以万计的小行星。太阳系中已发现1600多颗彗星，尚未被发现的彗星可能有数万亿颗。

（一）太阳系的范围

在太阳系中，太阳的引力主宰其他天体的运动。理论认为，太阳引力场的作用范围延伸到无穷远。但是由于银河系（尤其是太阳近邻恒星）的引力作用，太阳引力实际控制的范围是有限的。

奥尔特云

八大行星中，离太阳平均距离最远的是海王星，在海王星轨道之外，还发现了直径比小行星大的一些小天体。再往远处，在离太阳10³～10⁵天文单位处是奥尔特云，它也处于太阳引力控制之下。理论计算表明，距太阳23万天文单位的天体都在太阳引力控制之下。实际观测了解的只是太阳系的内部区域，外部区域还有待更加深入的探测。

二、行星轨道特征

八大行星的轨道运动具有一些共同的特征，它们的轨道面几乎都与黄道面重合，这种特性称为共面性。除了水星的椭圆轨道较扁外，其他行星的轨道都近于圆形，这一特性称为近圆性。八大行星的公转运动方向、自转方向以及卫星绕行星的公转运动方向大都跟太阳自转方向相同，即跟地球从西向东自转方向一样，这一特性称为同向性。离太阳越远，行星轨道的间距越大。

1766年，德国一名中学教师提丢斯发现，以天文单位计，当时已知的六大行星（水星、金星、地球、火星、木星、土星）的轨道长半径的10倍大致构成数列：4，4＋3，4＋3×2，4＋3×2²，…4＋3×2⁵…后经德国天文学家波得对此进行了论述和总结，这一规律因而被称为提丢斯—波得定则。1781年，英国天文学家赫歇尔发现天王星离太阳19．2天文单位，跟数列预言的19．6天文单位接近，这促使人们搜寻距太阳2．8天文单位处的未知行星，结果在该距离附近发现了许多比行星小的天体组成的小行星带。

天体力学计算表明，太阳系大行星轨道在过去20亿年中基本上没有多大变化，小行星、彗星的轨道则有较大的变化。可以说，太阳系在几十亿年内基本上是稳定的。

三、太阳系的起源和演化

太阳系的起源和演化是自然科学的一个基本问题。在牛顿时代，绝对不变的自然观占主导。打开这一僵化自然观第一个缺口的是德国天文学家康德和法国天文学家拉普拉斯先后提出的两种太阳系起源的星云学说。他们认为，太阳系的各个天体都是同一原始星云在引力作用下聚集而成的。演化观的建立对自然科学和哲学的发展都有深远影响。此后，有人又先后提出过多种假说，如灾变说、陨星说、旋涡说、原行星说、电磁说等。随着观测事实的增多和理论研究的发展，太阳系起源和演化问题面临新的突破。

新的星云学说认为，太阳是在大约50亿年前由星际云瓦解后的一团小云（太阳星云）坍缩形成的。太阳星云经历约4000万年的引力收缩后，星云中央的物质形成太阳，外部物质形成行星，行星周围物质形成卫星。由地球和月球岩石及陨星的同位素鉴年法得知，地球和月球在约46亿年前的几百万年内形成。新的星云学说提出的太阳磁场促成太阳的角动量转移机制，解释了太阳系的角动量特殊分布问题，即质量大的太阳的角动量只占总角动量的1%，而质量小的其他天体的角动量之和却占99%。这也为星云学说提供了有力的证据。

四、行星与卫星

太阳系有八大行星，它们在各自的椭圆轨道上绕太阳公转。行星的质量比恒星的质量小得多，且没有内部热核反应。除了水星和金星没有卫星，其余六颗行星都有卫星环绕，卫星随行星绕太阳公转。行星和卫星的有些性质是相似的，但由于各自所处环境及自身情况不同而又各具特色。

（一）太阳系行星概况

在太阳系八大行星中，水星和金星的轨道在地球公转轨道以内，离太阳近，称为内行星；火星、木星、土星、天王星和海王星轨道在地球轨道外，统称为外行星。

八大行星分为三类：类地行星、巨行星和远日行星。类地行星是与地球相类似的行星，包括水星、地球、火星、金星。它们距离太阳近，体积和质量都较小，平均密度较大，表面温度较高，大小与地球差不多，也都是由岩石构成的。类地行星都有富铁的星核、硅酸盐的幔和外壳，表面经历了不同程度的多种地质演化。水星有类似地球的磁场，而金星和火星的磁场太弱，难以测量到。

木星和土星的质量和体积很大，但密度小，称为巨行星，它们没有固态表面，但有浓厚的大气云层，大气下层过渡到内部的液态分子氢外层，再往内是液态氢和氦的中间层，中央是岩石质星核。它们都有很强的磁场和广延的磁层。

天王星、海王星都离太阳远，称为远日行星。它们富含冰物质（主要是水冰、氨冰和甲烷冰），密度介于类地行星和巨行星之间。

除了卫星绕行星转动的轨道特性外，卫星的物理性质和行星没有本质差别，都有内核、幔和外层的结构。

（二）行星视运动

由于地球和其他行星在各自轨道上以不同速度绕太阳公转，从地球上看到的其他行星相对于遥远的恒星或太阳的视运动呈现多样的天象。

水星和金星的公转轨道比地球的小，从地球上看到它们总在太阳附近运动，水星离太阳的最大角距不超过28°，金星离太阳的最大角距不超过48°。有时可以看到水星和金星从日面经过的天象，这一天象称为凌。

外行星相对于太阳的视运动与内行星的视运动有些差别。它们离太阳的角距变化很大，没有凌天象，但会发生冲现象，即行星运行与太阳、地球处于一个平面，且行星和太阳处于地球的两侧。火星冲时离地球近，整夜可见，是观测火星的有利时期。由于地球和火星的轨道都是椭圆，每次冲时火星与地球的距离不同，距离最小的冲称为大冲。火星大冲每15年或17年发生一次。

行星相对于恒星的视运动较复杂。大多时间看到行星在众恒星之间东移，称为顺行；有时西移，称为逆行；顺行和逆行转折处称为留。

在行星运动中，在冥王星尚归在九大行星行列之中时，有时还会发生有趣的九星连珠，即九大行星会聚在较小天区的天象，有时甚至近似排列成“大十字”。这种天象都是按一定的自然规律发生并可以预报的。九星连珠天象非常少见，1982年3月10日曾发生过一次，当时九颗行星会聚在太阳一侧约96°的扇形范围内。据推算，公元2357年才会再次发生这种天象。

五星连珠发生的机会多些。1962年2月5日，五大行星和太阳、月球都大致在相同方位，又恰逢春节和日食，可谓“日月合璧，五星连珠，七曜（中国古代对日、月、五星的总称）同宫”。

（三）日食与月食

在太阳光的照射下，地球的背侧形成一个圆锥状的阴影区。若月球在望时（农历十五或十六）恰好进入地球影子内，即太阳、地球和月球几乎在一直线上，就会发生月球被地球影子遮住的月食现象。类似地，若月球在朔时恰好经过太阳和地球之间，三者几乎在一直线上，在月球影子扫过的地球区域内就可看到太阳被月球遮住的日食现象。由于月球的影子窄小，地球上仅月球影子扫过的小区域内才能看到日食，因此，定居一地的人看到日食的机会很少。

日食时月球遮住了明亮耀眼的太阳表面，是观测较暗的太阳大气的好机会。1919年，英国天文学家爱丁顿在日全食时观测到恒星视位置改变，验证了广义相对论关于星光在引力场中弯曲的预言。

（四）环绕其他恒星的行星

太阳只是一颗普通恒星，银河系中有1500亿～3000亿颗恒星，其中类似于太阳的恒星就有几亿颗。观测证实，其他恒星也有行星绕转。行星要比它绕转的恒星暗得多，直接探测这类行星极其困难，但可用间接方法来寻找它们。一种方法是利用行星对恒星的引力影响。一颗恒星和不可见伴星（行星）绕共同的质心运转，当恒星远离观测者运动时，恒星的光谱线会向红端移动，当恒星朝观测者运动时，恒星的光谱线会向蓝端移动，据此可推算出行星的轨道和质量。另一种方法是利用行星掩恒星时造成的亮度变化。当行星从恒星前面经过时，行星会遮住恒星的一部分光，从而使恒星变暗，观测这种亮度变化便可以得知这颗行星的情况。

已发现的100多颗太阳系之外的行星，跟太阳系情况不同，这些行星都是离恒星很近的巨行星。另外，还观测到100多颗恒星周围有尘埃盘或原行星盘。如绘架β星有尺度达800天文单位的尘埃盘，该恒星是离地球60光年的A型星，其年龄约2000万年，在靠近该恒星的地方可能存在类似木星的行星和彗星。在年龄小于4亿年的恒星中，约60%有尘埃盘，而在年龄大于10亿年的恒星中，约10%有尘埃盘。