自人类历史开端以来，我们这个物种就展现出对周围环境非同一般的好奇心。对周遭环境的兴趣，驱使着无数探险家探索地球上的大山、丛林、沙漠和海洋。早期人类也表现出对夜空的强烈兴趣，尤其对占据宇宙一个小小角落的恒星和行星的兴趣。古代文明就我们的宇宙环境发展出了详细的解释框架，建构了复杂的、往往出乎意料地准确的模型以解释它的运行。

17 世纪 10 年代，望远镜在欧洲被创造出来，肉眼观察（眼睛只能对有限的光波和颜色做出反应）被放大工具取代，这样，早期天文学家就可以更详细地研究附近的天体，也可以发现此前无从知晓的更遥远的目标。从伽利略开始，17 世纪的观测者很快就发现了木星和土星的卫星。18 世纪和 19 世纪，更强大的望远镜被制造出来，天文学家在 1781 年首次直接观测了天王星，1846 年又观测了海王星。

到 19 世纪晚期，新的摄影技术被用于天文学。胶卷经过长时间曝光（通常几个小时），就能够存蓄来自天体的光线，因此，胶卷的使用，使得我们可以永久性地记载比肉眼（即便使用了望远镜）所能见到的更暗淡的恒星和星云（反射附近恒星之光线的发光气体或尘埃云团）。正如我们在第 1 章了解到的，天文学家也学会了使用分光镜，它能够将来自遥远地方（比如恒星）的光线分解成不同的颜色或“频率”。

毫不奇怪，我们的太阳系对所有文化和所有时代的人类都具有巨大吸引力，因为它简直是我们的宇宙社区。在不断扩张的宇宙的整体框架中，尽管我们的宇宙环境相当模糊不清，不过，它对于生活在其中的我们有着相当大的魅力，正如我们着迷于自己所在的地区、大陆和地球的物理环境那样。我们不断尝试解答宇宙环境的一些重要问题，比如太阳和其他行星是如何以及何时形成的，科学家已经发展了日益精密的一系列技术，它们为建构本章的叙述提供了证据。

太阳系起源的证据

三种观测工具尤其有助于科学家积累大量证据来证明当下行星形成的理论。它们是地基望远镜、轨道望远镜以及无人驾驶航天器。另外，放射测年也让研究者能够精确地确定太阳系和地球历史上许多事件的年代。

地基望远镜

从 17 世纪早期到相当晚近，科学家主要依靠地基望远镜来建构关于太阳系起源的令人信服的描述。尽管可信度强，而且精密度也在增加，但是地基望远镜在处理一些问题时显得很吃力，比如光污染（即人类创造的多余的、干扰的光线）。

轨道望远镜

20 世纪后半期，新技术发展起来，天文学家由此可以深入宇宙最遥远的角落。如同 20 世纪的其他技术进步一样，火箭技术也是为了在二战中占有军事优势而发展起来的，它使得人类首次能够直接访问太空。到 20 世纪 60 年代，火箭被用来将望远镜发射到太空。这些“移动的天文台”被送到绕地球飞行的卫星上。通过摆脱地球表面的光和其他大气污染，这些飞翔的望远镜让我们可以观察到电磁辐射的光谱全景：从最长的无线电波到最短的伽马射线。高度精密的传感材料（尤其是硅，一种耐热的惰性元素）被用来探测最广泛波长范围的辐射。把大型硅相机安置在巨大的轨道望远镜上，人类就可以直接观测宇宙许多地区的真实面貌，这在人类历史中尚属首次。

1970 年发射的乌呼鲁号 X 射线探测卫星是刺透宇宙最幽暗角落的早期重要探测卫星之一。通过绘制 X 射线的天空图景（换言之，通过展示天空在 X 射线频率上看起来是什么样的），过去发生爆炸的数百颗巨大恒星的残留物被发现，另外还发现了黑洞的第一个直接证据。现在，天文学家通过利用钱德拉 X 射线望远镜（the Chandra X-ray observatory）和欧洲航天局发射的多镜面牛顿射线天文望远镜（XMM-Newton）收集的信息，来构建宇宙的高分辨率 X 射线图像。

在所有的轨道望远镜中，最突出的是美国航空航天局（NASA）的哈勃太空望远镜（HST），它于 1990 年 4 月 25 日由一架航天飞机送上太空，大小与一辆校车相当，每 97 分钟绕地球旋转一周。然而，在发射成功后数日内，哈勃太空望远镜传回地面的图像非常模糊。美国航空航天局的科学家很快找出了原因——主镜出现了一个主要失误，它的一条边不平，偏差是人类一根头发宽度的 1/50！1993 年，“奋进号”太空飞船追上哈勃太空望远镜，增加一架照相机来修正镜面出现的问题。1997 年 2 月，哈勃太空望远镜得到第二次维修，上面安装了红外线摄谱仪（参见图 2.1）。当在地球大气层之外运行时，它记录了超清晰的图像，我们的太空知识也彻底改观。哈勃太空望远镜向天文学家传回的图像，能够达到 0.1 弧秒分辨率（1 弧秒是 1 度的微小部分，是测量分辨率的标准单位）。科学家相信，在未来几十年，巨大的轨道干涉仪可以将分辨率精确到十亿分之一弧秒。

图 2.1　哈勃太空望远镜。

卫星天文学已经改变了我们的太空知识。非凡的哈勃太空望远镜已经收集了大量关于太阳系和宇宙的数据资料

无人驾驶航天器

过去 40 年，许多无人驾驶航天器被送入太空，基本上它们永远都不会返回地面。通过这些航天器发回来的数据，科学家就能够更详细地探究我们的太阳系。无人驾驶航天器提供的讯息不但可以驳斥旧理论，也有助于创建新理论。

长期存在的理论认为火星表面存在人工运河，一些从事探索的无人驾驶航天器驳斥了这些理论，证明这些沟渠是自然形成。航天器对火星的探测，开始于 1965 年美国航空航天局发射的“水手 4 号”探测器。1971 年，“水手 9 号”被送入围绕火星旋转的永久性轨道，在一年之内，它有效地拍摄了这颗行星整个表面的图片。这种摄像考察发现了火星上的奥林匹斯山（Olympus Mons），即太阳系最巨大的火山，也发现大量看起来像干涸河床的地形。1976 年，为了探测火星上是否曾经存在过生命，美国航空航天局让宇宙飞船的两个分离舱在火星表面不同地点着陆，不过，它们没有发现任何有机物质的痕迹。

20 年之后，火星“探路者号”也在火星表面着陆，很快又有火星“全球勘探者号”的发射，后者被送入火星周围的轨道，并且在十年间向地面输送了大量清晰的图片。之后，火星漫游者“勇气号”和“机遇号”也在这颗行星表面着陆。自 2003 年以来，在这些艰苦地形上面工作的探测器就将图像从火星表面传送回来，并且在那里进行地质实验。迄今为止，它们还没有在那里发现残留水的任何迹象。不过，火星表面有关于腐蚀的证据，包括大洪水和河流网络的痕迹，这证明，在过去某个时候，火星上存在某种液体。尽管液态水是显而易见的候选答案，不过，也存在其他解释，包括在液态二氧化碳爆炸的推动下，气体、尘埃和岩石发生干冷的喷发。

2008 年 5 月 25 日，“凤凰号”探测器在火星最北端一个地方登陆，开始在那里探寻微生物生命和水的证据。“凤凰号”收集的数据表明，在火星的历史上（一直到现代），液态水一直与火星表面相互作用，同时，火星上的火山活动一直持续到相对较近的地质时代，即几百万年前。2012 年 8 月 6 日，美国航空航天局将“好奇号”成功地送入巨大的盖尔坑（Gale Crater）。就大小和重量来看，“好奇号”分别是“勇气号”和“机遇号”的 2 倍和 5 倍，它的目的在于考察火星在过去和当下有多宜居。它已经开始研究这颗行星的气候和地质，尤其考察火星表面河流流过的证据，它现在收集的一些数据，或许有助于未来载人宇宙飞船登陆的计划。

金星的大小与地球最接近，它也成为太空探测器探测的目标。第一个探索金星的太空探测器，是美国航空航天局于 1962 年发射的“水手 2 号”，它记录了金星的表面温度：高达 300 摄氏度。1965－1975 年间，苏联发射了 15 个不同的金星太空探测器，大部分未到达目的地或者在金星表面坠毁。不过，尽管金星温度极高，还是有 5 个平稳登陆（通过使用石棉降落伞），并且记载了表面温度：达到令人震惊的 460 摄氏度！1990－1992 年间，美国航空航天局的“麦哲伦号”探测器观察了金星的两次完整自转（每一次自转需要 243 天），同时绘制出金星整个表面的地形图，从中可以看到上面有很多火山口和火山体系。

美国航空航天局“航海家 1 号”和 2 号的探索，完成了无人驾驶航天器两次最重要的太空考察。这两个探测器于 1977 年发射，并且利用了我们太阳系中四大气态行星——木星、土星、天王星和海王星——罕见地出现在一条直线的时机，这种现象每 175 年才会出现一次。这样，两个探测器就能够获得来自每颗行星的引力场的速度帮助，这意味着，它们能够以高达 56000 千米/小时的速度从一颗行星飞向另一颗行星！即便如此，“航海家 2 号”抵达天王星花了 9 年，抵达海王星花了 12 年。到 2010 年，航海家探测器已经抵达太阳系边缘，依照计划，2020 年之后，它们会从那里不断将数据送回地球。

无人驾驶太空探测器的使用，可以持续提供关于我们在太阳系的近邻的信息，它们是基地观测技术无法提供的。2007 年 12 月，围绕土星旋转的“卡西尼号”无人太空飞船证明，土星环与太阳系一样古老，即 45 亿年。这就驳斥了早先提出的理论（一定程度上基于“航海家号”提供的数据），即这些光环可能形成于最近 1 亿年，其成分是陨石猛烈撞击月球产生的碎片。

确定太阳系的年龄

正如我们在导论中了解到的，自 20 世纪 50 年代中期以来，天文学家在尝试理解太阳系的时候，就已经使用了放射测年法。放射测年法通过测量放射衰变的速度，来断定岩石之类物质的年代。这种技术为科学家提供了关于过去的确定日期，它已经成为我们所说的精密计时革命的核心。放射测年表明，地球存在了大约 45 亿年，地球历史上（从其形成到现在）其他重要的日期在年代学上也得以确定。结果表明，太阳系中大多数天体的形成时间与地球差不多。

当科学家对同位素中原子核的自发性分解或衰变——这种过程被称为放射性——了解得越来越多时，放射测年的原理就被发现。我们由第 1 章得知，一个原子的原子核由质子和中子构成；在同位素中，原子核丧失的是中子，而不是质子或围绕原子核旋转的电子。科学家把不稳定的、具有放射性的同位素称为母体（parent），把通过衰变而形成的同位素称为子体产物（daughter products，又称为衰变产物）。比如，当放射性母体铀-238 衰变时，它会经历许多阶段，最终形成稳定的子体产物铅-206。

这个衰变过程是有规律的，也可以进行统计学上的测量。20 世纪 50 年代，科学家意识到，放射性提供了一种可靠的方式可以用来测量含有放射性同位素的岩石和其他矿物的年龄。放射测年之所以变得可能，是因为许多同位素的衰变速度可以得到精确测量，在正常环境下，这种速度显然不会发生变化。

科学家以半衰期（half-life）这个单位来表示放射性衰变的速度，半衰期是指一个元素的放射性原子衰变至原来数量一半所用的时间。本质上而言，当母体和子体产物一样时，就经历了一个半衰期。当母体原子剩下 1/4，3/4 衰变为子体产物时，母－子比率 1∶4 告诉我们，两个半衰期已经过去了。当一个样品中母－子比率达到 1∶15 时，四个半衰期过去了。因此，如果一个特定同位素的半衰期是 100 万年，那么比率 1∶15 告诉我们，已经过了四个半衰期，而样品必然有 400 万年古老。许多放射性同位素存在于自然之中，其中五种尤其有助于测定与地球史联系在一起的事件的年代。铀－238 半衰期为 45 亿年，衰变形成子体产物铅－206。铀－235 半衰期为 7.13 亿年，衰变形成子体产物铅－207。钍－232 半衰期为 141 亿年，衰变形成子体产物铅－208。铷－87 半衰期非常长，为 470 亿年，衰变形成锶－87。最后，钾－40 半衰期为 13 亿年，衰变形成子体产物氩－40。

事实证明，在上述五种放射性同位素中，钾－40 衰变形成氩－40 的用途最广，尽管钾－40 的半衰期长达 13 亿年，它在测定 10 万年以内的矿物年代上仍然很有帮助。然而，它的使用存在一些问题，因为除非矿物自形成以来整个时期都处于一个封闭系统中，否则就无法获得正确的年代。如果岩石一生中都暴露在高温之下，那么，它就会丧失氩气，我们因而无法获得正确的年代。科学家通过使用新鲜的、未风化的样品来避免这个错误的发生。

在测定晚近事件的年代方面，最有用的同位素是碳－14，它是碳元素的放射性同位素。碳－14 的半衰期比较短，只有 5730 年，这使得它非常适合用来测定人类史和最近的地质史的年代。碳－14 存在于高层大气中，这个同位素能够结合在二氧化碳中，二氧化碳又能被生命有机体吸收。当植物或动物死亡时，碳－14 逐渐衰变形成氮－14，衰变的速度可以统计测量出来。尽管碳－14 只是在测定包括树木、骨头和棉花纤维在内的有机物质的年代上非常有用，不过，事实证明，对于考古学家、人类学家、历史学家和地质学家来说，它是一种十分可靠的纪年方案，因此，发现碳－14 用途的化学家威拉德·F·利比（Willard F. Libby）在 1960 年获得了诺贝尔奖。

这些非常可靠的原理和技术已经产生了许多年，放射测年成为许多领域科学家必不可少的工具。天文学家、宇宙学家和地质学家都用这种技术来测定月球岩石、小行星以及地球岩石的年代，通过这种方法，他们为太阳系和地球的历史提供了精确的年表。

太阳：推动我们世界的能量

太阳对我们极其重要，不过，它只不过是一颗非常普通的恒星。天文学家已经发现了一些庞大的恒星，它们的质量大约是太阳的 100 倍，这些恒星往往在几百万年内就耗尽它们可以利用的原料，然后在超新星大爆炸中经历灾难性的死亡（参见第 13 章）。相反，太阳已存在约 100 亿年。这种相对的“常态”，或许意味着可能有能够维持生命的其他行星的存在。也就是说，如果太阳及其行星的形成过程没什么特别之处，那么，这种过程可能很常见，适用于其他几十亿颗恒星和太阳系。

我们知道，和所有恒星一样，太阳也是在一个巨大的分子星云塌缩中形成的。塑造了我们太阳系的星云，出现于大约 50 亿年之前，它或许非常类似于天文学家一直在观测的另一个星云，即更晚近出现于银河系猎户座的星云（参见图 2.2）。这个星云与地球的距离大约是 1600 光年，宽度达几百光年，这样，它很容易被现代天文学家发现。对猎户座星云的分析表明，它的成分大约为氢 70%、氦 27%、氧 1%、碳 0.3% 以及氮 0.1%。天文学家认为，该星云总共包含大约 92 种自然化学元素，它们混合在一起，这非常类似于在太阳及其行星中发现的化学元素的混合。1993 年以来，在这个星云中已经发现了几百颗正在形成的恒星，大部分恒星周围是可能形成行星的尘埃光圈（吸积盘）。猎户座星云提供了一个极好的视角，我们由此可以观察可能导致我们太阳系出现的过程。

图 2.2　猎户座星云。

哈勃太空望远镜观测到的猎户座星云。这就是我们太阳系形成的方式吗？

我们的行星（译者注：地球）围绕太阳旋转，这两个天体的构成成分是一样的，尽管元素比例完全不同。太阳光到达地球需要 8 分钟，穿越 15000 万千米，不过，它温暖了地球，使得液态水和生命有机体的存在成为可能。如果没有太阳，地球温度将是零下 240 摄氏度，生命也不会存在。地球临近太阳至关重要，太阳的庞大体积（地球的 100 万倍）同样如此。宇宙学家布莱恩·斯威姆（Brian Swimme）说道：

这个巨大的火球让地球上所有生命的存在成为可能。我发现，真正令人着迷的，乃是太阳发出这种光的方式。在它的核心，它正在将氢转变成氦。在那种变化中，它把自己一部分质量转化为能量。每一秒钟，400 万吨太阳质量被转化成这种光。① 

太阳系的形成：早期阶段

许多世纪以来，科学家都尝试着解释太阳系的起源。18 世纪，德国哲学家伊曼努尔·康德（Immanuel Kant，1724－1804）和法国数学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯（Pierre Simon Laplace，1749－1827）分别独立指出，肯定有一个太阳星云（由气体和尘埃构成的扁平而旋转的圆盘，就像前面猎户座星云中观察到的一样）在太阳周围凝聚起来，行星由此得以创造。这个理论经受住时间的考验，现在已经成为广为接受的解释，尽管就行星的形成过程来说，还有一些问题依旧悬而未决。

这个理论认为，太阳星云形成于一个分子星云的高密度内核，分子星云在引力的压力下塌缩，这个过程也可能是一颗超新星的冲击波触发的。当塌缩开始时，分子星云温度升高，旋转并自转，然后物质落入到一个圆盘——它形成于正在发展的原太阳（proto-sun）的周围。旋转的圆盘释放出大量能量（由碰撞的原子产生），圆盘中心的温度或许高达 1700 摄氏度！接近中心的尘埃微粒会蒸发，不过，在太阳星云的外部区域，星际分子、微粒和冰状物会保留下来。最终，太阳星云开始冷却，分子和固体微粒重新形成，尽管旋转的圆盘依然由 98.5% 的气体和只占 1.5% 的尘埃组成。不过，最近对一些陨石——现在我们已经知道，它们形成于太阳系出现的最初 300 万年以内——成分的分析表明，在太阳形成之后 100 万年到 200 万年之间，太阳系附近一颗超新星所创造的大量的铁涌入太阳系。

在太阳星云的后续故事中，固体微粒和气体的分布十分重要。太阳星云内部包含硅酸盐和铁化合物，外层则是大量二氧化碳、水和原来的分子星云残留下来的其他星际微粒。当下行星的构成和位置也反映了这种分布，靠近中心的类地行星主要由硅酸盐和金属之类坚硬矿物构成，外部行星（从木星开始）主要由氢、氦和水构成。

最终，内部区域的物质旋转速度逐渐变慢，这样，它就被吸引到离原太阳中心质量更近的一个漩涡中。这个向心流动由大大小小（从 1 厘米到 1 米）的物体碎片组成而凸显出来，这些碎片可能以 100 万千米/年的速度向原太阳靠近。一些物质会落入太阳，不过，大多数幸存下来形成了坚硬的类地行星。为何不是所有物质都落入太阳呢，这是太阳星云理论未能解答的问题之一，尽管这个问题可能与旋转圆盘的离心力（离心力倾向于让物质远离中心）有关。

这个过程开始 10 万年之后，太阳可能达到它最终的质量，塌缩结束，圆盘内的动荡也平息下来。这个时刻就是太阳系的零纪元（age zero）。球粒状陨石（chondrites，来自小行星带的原始矿物）放射测年已经为此确定了一个精确的年代。2007 年 12 月，加州大学戴维斯分校的研究者通过对一颗碳质球粒状陨石（carbonaceous chondrite）的取样分析，指出太阳系已经存在 45.68 亿年。

在过去的 10 年左右，银河系其他区域也发现了大量质量相对较小的年轻恒星，它们周围仍然有尘埃光圈（最初的吸积盘的残留物）。天文学家也发现暴风从许多这类恒星逃逸出来，它们比当下从太阳逃逸的太阳风更强劲。科学家现在意识到，恒星不仅仅散发辐射，也源源不断地释放粒子，这或许是恒星的膨胀压力引起的；这些粒子喷射就被称为恒星风。被发现发射这种强大星风的第一颗恒星是金牛座的 T 星，此后，这种风也就被称为金牛座 T 型星风。当吸积盘不再直接供养恒星时，星风似乎就出现了；它们是如此强劲有力，以至于在几百万年内驱散了大量恒星风。当星风与圆盘内部边缘发生碰撞时，太阳的增长过程也就结束了。只有圆盘内最重的物体未受到 T 型星风的影响，因为它们的质量大得足以抵制星风。

地球地壳的氢和氦含量极少，而巨大的气体行星的轨道上含有大量氢和氦，这个结果也是金牛座 T 型星风导致的。这种强烈的太阳风将较轻的元素（比如氢和氦）吹向木星和土星轨道。这不但解释了地壳主要由重元素组成，也解释了气体巨星的巨大体积。

当太阳的增长过程被金牛座 T 型星风终结之时，太阳也已经吸收了原来太阳星云的几乎所有物质。未被吸收的只是微小一部分，大概占 0.1%。这些微小的残留物与我们后面的内容相关，因为它们被用来创造我们太阳系中包括地球在内的所有其他天体。

行星的形成：吸积

天文学家怎样解释太阳星云中的残留物是如何形成行星的呢？以某种方式成功地避免卷入太阳的较大物体（直径达到 10 千米），被称为星子（planetesimal）。星子之间的引力促使许多星子以椭圆形轨道旋转，这样，它们之间就会定期发生猛烈碰撞。尽管这些猛烈撞击导致许多星子的崩溃，不过，其他一些星子经由引力凝聚在一起，这个过程被称为吸积（accretion），这个词语所描述的，乃是星体通过粒子碰撞和聚集而体积增大的过程。迄今为止，天文学家还没有完全理解最终导致星子形成的吸积过程。主要的问题在于，当微小的粒子（直径只有几厘米）相互碰撞时，它们往往碎裂或反弹起来，这意味着必定有其他某种机制促使这些相互撞击的粒子凝结在一起。最新研究的关注点在于，到底是太阳星云的动荡创造了高密度的区域（它们增强了引力），还是运动速度放缓的气体创造的牵引力引起了物质的堆积（它们可以凝结成为稳定的星子）。

巨大的天体获得了更强大的引力场，并且清扫了轨道上更多的残余物，就像滚雪球一样，这些实体的大小一直在增长（或发生吸积现象）。计算机模型表明，大约经过 1 万年之后，几百万颗较小物体通过持续不断的撞击，就会形成几百个星子，其中一些与我们月球差不多大小。这些星子会在巨大的薄光圈（就像土星环那样）中绕太阳旋转，它们周围则是厚厚的气体星云。

在接下来 1000 万年到 1 亿年之间，持续不断的星子碰撞导致数量更少的原行星的出现，这些行星的大小与今天我们太阳系的类地行星相似，每一个都在自己的轨道面运行。这样，在经过 1 亿年的激烈碰撞之后，最终带来了引力和轨道的平静，这就是今天太阳系的特点。然而，来自月球的证据表明，在 41 亿年到 38 亿年前之间，月球和靠内部的行星可能曾受到偏离轨道的小行星或彗星的灾难性撞击。

这个模型解释了靠近太阳的类地行星的形成，但是，在解释我们太阳系外层的大型气体行星时，它没有那么成功。在比较外部的区域，温度非常低，以至于主要由氢和氦构成的星子也包含了大量的雪水（water snow）。星子（它们最终形成巨大的外部行星）能够以某种方式从星云收集大量其他物质，其中包括较轻气体和固体。

对这种活动做出的标准解释就是，像类地行星一样，这些巨大行星的内核可能是通过撞击而形成，当内核变得越来越大时，它们就把周围星云的气体和冰凝结起来。这些巨大行星不断增加的质量导致失控的吸积（runaway accretion），即增长一直持续，直到每颗行星轨道上的气体被一扫而光才停下来。另一个理论——引力不稳定模型——认为，这些巨大的行星或许在几千年中直接从那个圆盘中形成，在圆盘中，一些区域由于引力作用而塌缩。

卫星的形成

早在 1610 年，伽利略就利用自己新发明的望远镜发现了木星的四颗卫星。现代望远镜已经发现，木星周围实际上有好几十颗小卫星，它们构成类似于太阳系行星体系的微型行星体系。太阳系内侧行星之间只有少数的卫星，而那些巨大的行星有它们自己的光环体系。其中土星环（也是伽利略发现的）是迄今为止发现的最大、也是最著名的。这些光环由固体粒子构成，粒子大小不等，包括尘埃粒子、大石块乃至小卫星（参见图 2.3）。

图 2.3　“航海家 2 号”与土星环。

当天文学家设法让无人驾驶太空探测器“航海家 2 号”穿过土星环时，他们对早期太阳星云的面貌有了清晰的认识。他们一度认为，土星环是由气体构成的，当这个微小的无人驾驶航天器离土星足够近时，他们意识到，土星的主环是由紧紧挤压在一起的不断撞击的物体（小到尘埃微粒，大到小卫星大小的物体）构成，这类似于吸积阶段太阳系的早期状态。在紧要关头，它们能够改变“航海家 2 号”的航道，从而让它在宇宙碰撞中免于毁坏

20 世纪 70 年代之前，地球卫星（即月球）的形成是一个谜，此后，科学家开始提出各种解释。今天，标准的理论认为，大约 44.5 亿年之前，地球与火星大小的天体发生碰撞。撞击力如此之大，以至于一股巨大的蒸汽和熔岩喷射而出，其中一些落入地球周围轨道上。吸积过程说明这些物质凝聚形成月球的形状。一开始，月球的轨道可能非常靠近地球，不过，距离后来慢慢扩大，直到今天这副模样。现在，由于月球轨道速度非常缓慢地增加，月球以每年 5 厘米的速度远离地球。

月球并没有大气层，这意味着，与地球表面相比，它的表面更不容易遭到侵蚀。结果，与其他天体碰撞造成的伤痕，即月球上众多的陨石坑，实际上自月球外壳稳固以来就原封不动保留在那里。通过对宇航员从月球带回的岩石进行放射测年，它们大约有 44.5 亿年历史。布满陨石坑的月球表面证明，太阳系形成的最后阶段是十分暴烈的。残留的碎片和残余的星子击打着行星及其卫星的表面，直到大多数物质被吸收到我们今天所见的行星体系之中。

近来，美国航空航天局和世界上其他一些政体（包括中国、欧盟和俄国）宣布，在月球上实施更多载人飞船登陆计划是可能的，这或许是在月球建立某种永久性人类定居点的前奏。月球最南端将是最理想的着陆点，因为那里不仅有可能存在冰，而且是月球表面最可能常年有阳光照射的地方。

月球曾经对地球产生了重要影响，它还会继续产生这种影响。地球在其形成的早期阶段，地轴发生倾斜，因为在形成过程中，地球与大型天体发生了多次碰撞（或许这种碰撞也导致了月球的形成）。月球的存在阻止这种倾斜变得更明显。这种倾斜导致了地球上比较稳定的四季。如果没有地轴的倾斜，那么，温带和热带之间的温差会更大，四季也会变得更加严酷；然而，如果倾斜得太厉害，气候环境就会变得毫无秩序。在月球的影响下，地轴倾斜的幅度恰好使得生命可以在地球出现。

月球也引发了海洋潮汐，由此形成湿润和干旱地区的交替，古代四足动物，或者说有四肢的脊椎动物，如棘螈（Acanthostega）和鱼石螈（Ichthyostega），在 3.8 亿年前开始从海洋生活向陆地生活的演进（在第 3 章讨论）。潮汐力延缓了早期地球的快速自转，这样，每一天的时间由 12 小时延长到 24 小时。月球与地球以多种方式密切联系在一起，这种关系深刻而又积极地（从人类的视角来看）影响了地球的环境。

今天的行星系

行星系的构成：四个类地行星，即水星、金星、地球和火星；外层四大行星，即木星、土星、天王星和海王星；以及其他较小天体，如卫星以及无数颗小行星（参见图 2.4）。

图 2.4　我们太阳系的行星。

太阳系的行星形成于太阳周围原来太阳星云的不同轨道环上。由太阳中心往外看，地球是太阳的第三颗行星（图片左边）。未按比例绘制

长期以来，冥王星被当作距离太阳最远的行星，不过，2006 年 8 月，冥王星丧失了行星名号，当时，国际天文学联合会（IUA）将它降格归入“矮行星”行列。依照这个组织的新规则，行星必须满足如下三个标准，一个行星是这么一个天体：（a）处于绕太阳运转的轨道上；（b）质量足够大，使得它的自引力（self-gravity）足以克服刚体的各种力（rigid body forces），从而呈现出流体静力学的均衡状态（接近于球体）；（c）清除了轨道附近的区域。第三个标准致使冥王星降级，它在柯伊伯带（the Kuiper Belt）与许多其他天体一起运转，柯伊伯带是海王星之外的一条彗星环，也是一个未能形成行星的吸积盘的残留物。20 世纪 90 年代晚期，数百万颗微小的、冰封的星子在柯伊伯带上被发现。

外层巨大的行星周围的卫星系统，是微型吸积盘形成的产物，这个过程类似于太阳系形成过程。太阳系内侧的类地行星主要由硅酸盐构成，内核主要是铁。事实上，地壳的 90% 是硅酸盐，它们是形成岩石的矿物，主要成分是硅和氧（下一部分我们将讨论地球形成目前这种结构的过程）。金星和地球的质量非常接近，不过，金星的大气层更厚，也没有遭受地球受到的那种猛烈撞击（这种撞击形成了月球）。火星要小很多，质量只有地球的 1/10 多一点，水星的质量还不到火星的 1/2（参见图 2.5）。

图 2.5　行星的相对大小。

比较地球与土星或巨大的木星的大小

探寻其他太阳系和行星

20 世纪 90 年代之前，天文学家始终有所怀疑，认为太阳系的形成或许是恒星周围很常见的现象，但是他们无法对这种过程进行直接观测。在过去 20 年，这种怀疑被证明是正确的，他们已经可以直接观察数量众多的恒星，它们周围有尘埃和物质环，也具有自身的太阳系。我们太阳系之外被观察到的第一颗行星，被称为系外行星（exoplanet），它是瑞士职业天文学家于 1995 年发现的。业余天文学家也为这种探究做出了重要贡献：仅仅在 2002 年，对我们太阳系之外的宇宙进行探究的后院天文学家，发现了大约 31 颗新的系外行星。不过，对这些发现做出最重要贡献的，还是像美国航空航天局之类的大型太空机构。

美国航空航天局的哈勃太空望远镜的发现表明，距离地球极其遥远的恒星有大量行星围绕它们旋转。美国航空航天局用来探索行星的开普勒探测器于 2009 年发射升空，它无疑会提供更多的相关信息。开普勒探测器的任务就是对天鹅座附近超过 15 万颗恒星进行观测，寻找凌日行星（planetary transits）的证据。迄今为止，被发现的系外行星超过 1000 颗，其中大多数与木星体积相当。它们离我们的距离以数光年计，因此，科学家无法观测它们表面的细节；他们至多能够探测与它们的存在、质量以及轨道宽度等相关的间接证据。不过，通过把这些观测到的证据与我们太阳系的理论模型和知识结合起来，这些遥远行星更复杂的图像就显现出来了。最新的研究表明，这类行星许多物理上很活跃，拥有可以支撑生命的大气和气候。

加利福尼亚（尤其圣何塞附近的里克天文台）、夏威夷、智利以及澳大利亚等地探寻系外行星的天文学家也一直使用基地望远镜进行观测，他们相互合作，密切监测着大约 2000 颗恒星。这些研究者发现了许多系外行星，不过，通过基地望远镜寻找行星仅仅是个开始。长期计划包括为智能航天器（比如开普勒探测器）装备数字照相机，然后派遣它们进行远程考察，为那些绕遥远恒星旋转的行星拍照。不过，实际上，将航天器送到 10 光年至 12 光年之外的太空所需要的技术，可能还需要好几个世纪才能开发出来。在此之前，地球上专业、业余天文学家以及智能航天器还将继续努力探索，以期发现与我们太阳系相近的太阳系和行星。