本文選自《物理》2020年第6期

如果說地球是人類的搖籃，那么太陽系就是人類的家園。然而，雖然人類文明已經(jīng)發(fā)展了幾千年，我們對(duì)自己的家園是否真正了解呢？

什么是太陽系？從定義上講是“由太陽和圍繞它運(yùn)動(dòng)的天體構(gòu)成的體系及其所占有的空間區(qū)域”^[1]，用通俗的話講起來就是由“太陽主宰的區(qū)域”。

人類很早就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到頭頂?shù)倪@片星空。5000 多年前蘇美爾人已經(jīng)將群星劃分星座，2300 多年前戰(zhàn)國詩人寫下“天何所沓？十二焉分？日月安屬？列星安陳？”^[2]的不朽詩篇。人們還從簡(jiǎn)單的現(xiàn)象中尋找規(guī)律，繼而引發(fā)一輪又一輪的思考，最終描繪出宇宙萬物的運(yùn)行機(jī)制。

在望遠(yuǎn)鏡誕生前，我們只能依靠肉眼觀察，南北半球的星星加在一起， 總共只能看到6 千多顆星——沒錯(cuò)，確實(shí)是數(shù)得清的。由于眼睛的分辨率有限，我們認(rèn)為絕大多數(shù)星星在天上的相互位置是固定不變的，所以在中國它們被稱為“恒星”。這里的“恒”字有兩層含義，一是指星星的位置幾乎不變，二是指它們似乎是永恒的，朝代更替、歲月滄桑，它們從未消失過。在西方，也有相同的發(fā)現(xiàn)，他們認(rèn)為這些星星是被鑲嵌在一個(gè)天球背景上的。當(dāng)然現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，恒星是能通過核聚變反應(yīng)產(chǎn)生能源，發(fā)出電磁波的天體，它們與太陽是同一類天體，只不過距離十分遙遠(yuǎn)罷了。

不過，滿天的繁星中，卻有那么幾顆顯得有些“調(diào)皮”。它們的位置經(jīng)常發(fā)生變化，有時(shí)走得快，有時(shí)走得慢，有時(shí)自西向東運(yùn)行，有時(shí)則反過來。中國古人將它們稱為“行星”，并根據(jù)它們的顏色或運(yùn)行規(guī)律分別命名為辰星、太白、熒惑、歲星和鎮(zhèn)星，也就是現(xiàn)在我們所熟知的水星、金星、火星、木星和土星。同樣，古希臘人對(duì)它們也不會(huì)置之不理，而是將它們連同地球、太陽、月亮一起構(gòu)成了一個(gè)完整的系統(tǒng)，并且從“上帝視角”來解釋它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。古希臘米利都學(xué)派認(rèn)為所有星辰都圍繞地球運(yùn)行，這是符合地球上看到的直觀感受的。后來歐多克斯、亞里士多德等人對(duì)該理論進(jìn)行了完善，最終由集大成者托勒密發(fā)展成為“地心說”。

“地心說”統(tǒng)治了大約1200 年，直到16 世紀(jì)，波蘭天文學(xué)家哥白尼發(fā)表《天體運(yùn)行論》，“日心說”登上歷史舞臺(tái)。1609 年，伽利略第一次將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了天上的星星，發(fā)現(xiàn)了環(huán)繞木星運(yùn)動(dòng)的4 個(gè)衛(wèi)星，發(fā)現(xiàn)了金星的相位變化，為“日心說”提供了重要的佐證。又經(jīng)過第谷、開普勒等人的觀察與研究，人們才終于接受了“太陽是宇宙的中心”這一觀點(diǎn)。此時(shí)此刻，才算是有了“太陽系”這個(gè)概念(圖1)。

圖1 日心說示意圖(來源：安德烈亞斯·塞拉里烏斯《和諧大宇宙》)

從“地心說”到“日心說”，雖說僅僅一字之差，但這是了不起的成就，標(biāo)志著人類的宇宙觀發(fā)生了翻天覆地的變化。

太陽是太陽系中唯一的恒星，是太陽系唯一的能量來源，自然也是整個(gè)太陽系絕對(duì)的主宰。太陽的直徑約為140 萬千米，是地球的10⁹倍，質(zhì)量近2.0×10³⁰千克，是地球的33 萬倍，占據(jù)整個(gè)太陽系總質(zhì)量的99.86%。至于太陽引力所控制的范圍究竟有多大，現(xiàn)在仍然難以確定，估計(jì)至少有1 光年。

太陽系是一個(gè)精彩紛呈的世界。行星、衛(wèi)星、小行星、彗星、柯伊伯天體……數(shù)以億計(jì)的天體在圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，共同組成了一個(gè)大家庭。在望遠(yuǎn)鏡被發(fā)明以前，我們所知道的不過1 個(gè)太陽帶著6 個(gè)行星和1 個(gè)月亮。直到伽利略告訴我們，原來還有肉眼看不見的星星。于是乎，我們也不難想象，當(dāng)1781年英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾在自己家后院用自制的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了天王星，導(dǎo)致幾千年來行星數(shù)量第一次發(fā)生變化，全世界是何等震驚。此后太陽系的版圖不斷擴(kuò)張，天體數(shù)量不斷增加，隨著開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律和牛頓萬有引力定律對(duì)太陽系行星運(yùn)動(dòng)做出了準(zhǔn)確的描述，哥白尼與托勒密的模型一同退出了歷史舞臺(tái)。

今天，根據(jù)國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)的定義，太陽系擁有八大行星(圖2)，其中內(nèi)側(cè)4 個(gè)即水星、金星、地球和火星體型較小，擁有固態(tài)表面，被稱為巖石行星或固態(tài)行星，外側(cè)的木星、土星、天王星和海王星體型巨大，沒有固態(tài)表面，被稱為氣態(tài)行星。這種現(xiàn)象是必然還是偶然呢？有理論認(rèn)為，形成太陽系的原始星云盤上99%的質(zhì)量位于中心，它們不斷坍縮，溫度和密度不斷升高，最終點(diǎn)燃核聚變，形成太陽。與此同時(shí)，盤面上仍分布著大量的氣體和塵埃，在特定的位置上也形成了質(zhì)量相對(duì)較小的團(tuán)塊，它們逐漸形成行星。當(dāng)太陽形成后一千萬年左右，太陽風(fēng)將氣體和塵埃向外推開，距離太陽較近的行星便停止了生長(zhǎng)，更遠(yuǎn)的行星還有條件繼續(xù)吸積周圍物質(zhì)成長(zhǎng)得更大些。固態(tài)物質(zhì)相比于氣態(tài)更易受引力吸引而凝聚，因此，距離太陽較近的范圍容易形成巖石行星。當(dāng)遠(yuǎn)至一定程度時(shí)， 低溫環(huán)境令氫、氦、水、甲烷等物質(zhì)發(fā)生凝結(jié)，這種情況類似地球上海拔到達(dá)一定高度，空氣中的水汽會(huì)凝結(jié)成雪，這一界線被稱為“雪線”。于是，在雪線之外，氣體得到凝聚，最終形成了木星、土星、天王星和海王星。不過，它們之間還有些許差異。木星和土星主要由氫和氦組成， 從外而內(nèi)因壓力增加逐漸過渡到金屬氫， 因此嚴(yán)格來說它們并不完全是“ 氣態(tài)行星”，可稱為“ 氣體行星”；而天王星和海王星在氫、氦大氣之下的主要成分是高壓下以特殊形態(tài)存在的水、甲烷、氨等， 因此現(xiàn)在學(xué)術(shù)界也把它們稱作冰巨星。然而， 在太陽系以外， 我們發(fā)現(xiàn)了不少離恒星很近， 但質(zhì)量甚至超過木星的所謂“熱木星”，似乎暗示了行星的形成及演化遠(yuǎn)沒有我們想象的那樣簡(jiǎn)單。

圖2 等比例的太陽系(來源：Roberto Ziche)

太陽系的行星還伴有為數(shù)眾多的衛(wèi)星。除了水星和金星，其他行星都有自己的衛(wèi)星。截至2019 年10月，已發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到了205個(gè)，地球只有1 個(gè)，火星有2 個(gè)，氣態(tài)行星擁有的衛(wèi)星數(shù)十分可觀，目前占據(jù)“頭把交椅”的是土星，多達(dá)82 顆^[3]， 一舉超越了土星的79顆。此外，冥王星、鬩神星、妊神星、鳥神星等4 個(gè)矮行星總共擁有9顆衛(wèi)星^[4]。令人驚奇的是，就連小行星也有可能擁有自己的衛(wèi)星，如小行星艾達(dá)(243 Ida)、香女星(45Eugenia)等。

在火星與木星的軌道之間，有一條所謂的小行星帶。早在17 世紀(jì)初，開普勒就從“宇宙和諧”的觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為在火星與木星之間過于寬闊的地帶中應(yīng)當(dāng)有一顆未被發(fā)現(xiàn)的行星^[5]。不過，事實(shí)是那里沒有大行星，只有數(shù)不勝數(shù)的小行星。從1801 年意大利天文學(xué)家皮亞齊發(fā)現(xiàn)谷神星(當(dāng)時(shí)為第一顆小行星，現(xiàn)在被歸類為矮行星)到1807年相繼發(fā)現(xiàn)了4 顆小行星，此后經(jīng)歷了38 年的“空窗期”。正當(dāng)人們以為太陽系的空白已經(jīng)被填補(bǔ)時(shí)，小行星卻如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。隨著觀測(cè)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，幾乎每個(gè)月都能發(fā)現(xiàn)幾百個(gè)小行星。目前，國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)官方在冊(cè)的小行星數(shù)量已有958878 顆，其中545135 顆獲得了永久編號(hào)。這些數(shù)字中包含了我們非常關(guān)心的近地小行星22798 顆，其中約2098 顆對(duì)地球有著潛在危險(xiǎn)^[6]。小行星的體型差異巨大，最大的小行星是灶神星，直徑約520 千米，最小的直徑只有幾米。據(jù)估算，直徑1 千米以上的小行星數(shù)量或許有幾百萬顆，體積更小的恐怕真的稱得上不計(jì)其數(shù)了，但是想發(fā)現(xiàn)它們實(shí)在是太困難了。不過，雖然多，但質(zhì)量卻很小，天文學(xué)家預(yù)計(jì)主帶小行星的質(zhì)量總和僅有月球的3%^[7](圖3)。

圖3 小行星大小與數(shù)量的估算(來源：Marco Colombo，Density Design Research Lab)

太陽系到底有多大？邊界在何方？事實(shí)上這是個(gè)極難回答的問題。在冥王星被“降級(jí)”前，我們一般把太陽系邊界劃到冥王星。而現(xiàn)在， 可以有這樣幾種做法：

第一種，以海王星的軌道半長(zhǎng)徑為界， 約30.1天文單位(1 天文單位為日地平均距離， 約1.4960億千米)。這個(gè)范圍涵蓋了幾乎所有的行星、小行星、衛(wèi)星， 此范圍以外的質(zhì)量總和已經(jīng)可以“ 忽略不計(jì)”。

第二種， 以柯伊伯帶為界，遠(yuǎn)至約50-70 天文單位?？乱敛敲兰商m裔天文學(xué)家， 他與愛爾蘭天文學(xué)家埃齊沃斯一同根據(jù)太陽系星云演化理論， 提出海王星以外星云物質(zhì)分布已經(jīng)相當(dāng)稀疏， 不足以形成大行星， 只能形成為數(shù)眾多的小行星或彗星這樣的小天體。果然，我們?cè)诤Ｍ跣擒壍酪酝獍l(fā)現(xiàn)了1300 多個(gè)小行星，但是它們的分布范圍、構(gòu)成等與主帶小行星存在明顯差異，因而被稱為柯伊伯天體，如今我們認(rèn)為冥王星也屬于其中一員。相比于火星與木星之間的小行星帶，柯伊伯帶更疏散、更寬廣。海王星以內(nèi)的天體，相互間軌道傾角最多不超過7°，而柯伊伯帶天體的軌道傾角則達(dá)到了±15°，至于柯伊伯帶到底有多大，仍然是個(gè)未知數(shù)。

第三種，以太陽風(fēng)粒子能到達(dá)的區(qū)域?yàn)榻纾钸h(yuǎn)可能為100-150天文單位。太陽在釋放光的同時(shí)，也在源源不斷地噴射出帶電粒子，主要成分是質(zhì)子和電子，這就是太陽風(fēng)。研究認(rèn)為，在距離太陽較近的地方，太陽風(fēng)能輕易掙脫太陽的引力，幾乎沿徑向傳播，而在遠(yuǎn)離太陽的地方顯得“后勁不足”。太陽風(fēng)會(huì)跟隨太陽自轉(zhuǎn)帶動(dòng)的引力場(chǎng)，沿著所謂“阿基米德螺線”向星際空間輸送。當(dāng)與星際物質(zhì)不期而遇時(shí)，太陽風(fēng)便迅速減弱，駐足不前，形成日球?qū)?。由于太陽正在以每?63 千米的速度繞銀心旋轉(zhuǎn)^[8]，因此日球?qū)硬⒉皇且粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)的球面，而是“前方”略有壓縮，“后方”略有伸展。美國航天局熱衷于這一概念，以此界定太陽系的范圍。根據(jù)“旅行者”1號(hào)和“旅行者”2號(hào)發(fā)回的數(shù)據(jù)，來自太陽的帶電粒子已經(jīng)顯著低于來自星際空間的帶電粒子(宇宙射線)(圖4)，因此美國航天局宣布它們分別于2012 年8 月25 日和2018年11 月5日先后飛出太陽系^[9]。

圖4 “旅行者”2 號(hào)的位置及太陽系范圍示意圖(來源：NASA)

第四種，奧爾特云，距離太陽遠(yuǎn)至大約5-20 萬天文單位，比日球?qū)舆h(yuǎn)得多。荷蘭天文學(xué)家奧爾特和范沃爾康提出，最古老的彗星是由太陽系剛剛誕生時(shí)的殘留物質(zhì)形成的，它們分布在一個(gè)球形區(qū)域內(nèi)，當(dāng)受到臨近恒星引力擾動(dòng)時(shí)，這些彗星離開原來的位置，沿著一條拋物線軌道進(jìn)入太陽系內(nèi)部空間，如果受行星引力影響，軌道也可能變成橢圓或雙曲線(圖5)。奧爾特還認(rèn)為這一結(jié)構(gòu)中的彗星總量可能是1000 億顆，但是空間巨大，分布稀疏，再加上它們自身結(jié)構(gòu)松散，密度很低，總質(zhì)量或許還不到地球的1/10。很多已知彗星的表現(xiàn)在一定程度上支持了他們的觀點(diǎn)，大多數(shù)天文學(xué)家相信這個(gè)“彗星倉庫”確實(shí)存在，也認(rèn)為將其作為太陽系邊界才更合理。然而，奧爾特云究竟有多遠(yuǎn)、有多大，卻依然是個(gè)謎。研究認(rèn)為它的范圍可以從5000天文單位延伸到50000 天文單位(約0.79 光年)^[10]，也有認(rèn)為最遠(yuǎn)可達(dá)20萬天文單位(約3.16 光年)^[11]。

圖5 紅色線條分別表示來自柯伊伯帶和奧爾特云的彗星軌道(來源：ESO/L. Cal?ada)

既然太陽系存在那么多天體，那么它會(huì)不會(huì)顯得格外擁擠??？答案是否定的(圖6)。我們不妨把太陽系縮小10 億倍——這是一個(gè)相當(dāng)大的縮比了——在這樣一個(gè)模型中，各主要天體是如何分布的呢(表1)？

圖6 太陽系行星按距離的真實(shí)比例排列(來源：X-Trails)

表1 太陽系主要天體尺度與距離對(duì)照表

首先， 太陽是一個(gè)直徑為139.27 厘米的圓球，比呼啦圈大一些，與五年級(jí)學(xué)生的身高差不多。而離太陽最近的水星，和一顆綠豆差不多大小，與“太陽”相距58 米左右；地球成了距離“太陽”149.6米外的一顆小葡萄；行星巨人木星相當(dāng)于一顆柚子，離“太陽”達(dá)到778.6 米；天王星的出現(xiàn)讓太陽系的直徑擴(kuò)大了整整一倍，而柯伊伯帶距離“太陽”已在10千米開外。

這些行星之間幾乎就是空蕩蕩的一片，就連小行星帶，恐怕事實(shí)也會(huì)顛覆我們的想象。在1:1000000000 的太陽系模型中，我們假定小行星的平均直徑為1 千米，總數(shù)為1000 萬個(gè)，那么它們會(huì)分布在離“太陽”平均距離約400 米，寬度為181 米的圓環(huán)中，好比是每個(gè)1 微米的顆粒( 我們所熟知的PM2.5 是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 微米的顆粒物)享用著4.75 立方米的空間。換作真實(shí)尺度下，相當(dāng)于每個(gè)小行星周圍78萬千米范圍內(nèi)空無一物！

我們的太陽系是如此之美，各種天體琳瑯滿目。我們的太陽系是如此之大，用盡一生也未必能逛完。雖然迄今為止人類的足跡尚未走出區(qū)區(qū)40 萬千米的范圍，不過，令我們感到欣慰的是，人類已經(jīng)派出去許許多多探測(cè)器，它們已經(jīng)造訪了太陽、月球、行星、彗星、小行星、柯伊伯天體，覆蓋了太陽系的所有天體類型，甚至在火星、月球周圍，部署了多顆人造衛(wèi)星或陸面巡視器，可以做到7×24 的持續(xù)觀測(cè)，讓它們享受了和地球一樣的“待遇”。我們有理由相信，有朝一日，人類足跡一定可以遍布整個(gè)太陽系。