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第2章 探索宇宙——神秘的太阳系(1)

太阳系是一个美丽而神秘的行星系统。我们对它有太多太多的疑问,例如太阳系是如何形成的?我们的太阳系是独一无二的吗?太阳系会如何终结呢?

太阳系是如何形成的——漫游太阳系

太阳系是由受太阳引力约束的天体组成的系统,它的最大范围约可延伸到1光年以外。

太阳系是如何形成的

太阳系的形成和太阳自身演化密不可分,太阳的形成要经历三个时期五个过程,即星云时期、变星时期和主序星时期,五个过程是冷凝收缩过程、快引力收缩过程、慢引力收缩过程、耀变过程和氢燃烧过程。而行星的形成仅仅是太阳演化过程中的副产品,也就是太阳演化到某个阶段才形成了行星和卫星等天体。这是个非常复杂的演化过程,既有规律性,又有特殊性,还有偶然性。

太阳系分为内太阳系和外太阳系。内太阳系包括水星、金星、地球、火星、小行星带、谷神星。太阳系的中部地区是气体巨星和如同行星大小的卫星,许多短周期彗星,包括半人马群也在这个区域内。此区没有传统的名称,偶尔也会被归入“外太阳系”。在海王星之外的区域,通常称为外太阳系或是外海王星区,仍然是未被探测的广大空间。这片区域似乎是太阳系小天体的世界,主要由岩石和冰组成。而太阳系所在的位置是银河系中恒星疏疏落落,被称为本星际云的区域。这是一片形状像沙漏,气体密集而恒星稀少的空间。

太阳系家族成员

太阳系里的主要成员有太阳(恒星)、八大行星(包括地球)、无数小行星、众多卫星(包括月亮),还有彗星、流星体以及大量尘埃物质和稀薄的气态物质。太阳是中心天体,它的引力控制着整个太阳系,使其他天体绕太阳公转,太阳系中的八大行星都在接近同一平面的近圆轨道上,朝同一方向绕太阳公转。地球、火星、木星、土星、天王星、海王星的自转周期为12小时到一天左右,但水星、金星自转周期很长,分别为58.65天、243天,多数行星的自转方向和公转方向相同,但金星则相反。

除了水星和金星,其他行星都有卫星绕转,构成卫星系。

银河系中极微小的成员

在太阳系中,现已发现1600多颗彗星,大多数彗星是朝同一方向绕太阳公转的,但也有逆向公转的。彗星在绕太阳运行的过程中呈现奇特的形状变化。太阳系中还有数量众多的大小流星体,有些流星体是成群的,这些流星群是彗星瓦解的产物。大流星体降落到地面成为陨石。太阳系是银河系的极微小部分,它只是银河系中上千亿个恒星中的一个。太阳系离银河系中心约8.5千秒差距,即不到3万光年。太阳带着整个太阳系绕银河系中心转动。可见,太阳系既不在宇宙中心,也不在银河系中心。太阳是50亿年前由星际云瓦解后的一团小云塌缩而成的,它的寿命约为100亿年。

太阳系会如何终结呢

我们的太阳将会灭亡,时间大约是距今60亿年左右。据科学家介绍,太阳是银河系的一颗普通恒星,距离地球14960万千米。太阳的表面温度为摄氏5770度,中心温度为摄氏1500万度。太阳是太阳系中最大的星球,向外分别为核反应区、对流层、大气层。其中核心区不停地进行热核反应,所产生的能量以辐射的方式向宇宙空间发射,成为地球上光和热的主要来源。而太阳的质量主要由75%氢和25%氦组成,同时太阳外层有不同的自转周期:赤道面25.4天自转一周;两极地区则达到36天。这种奇特现象的产生是由于太阳并不像地球一样是一个固态球体,类似的情况在气态行星上也可看到。当太阳毁灭成为一颗白矮星时,地球也将不复存在。

从1992年首次发现行星围绕另一颗恒星运转以来,目前已经识别出了280个外来的恒星系,但大多数恒星系一点也不像我们太阳系。一项最新的研究表明,我们的太阳系在人类所能知的星系中的确是非常罕有的、独一无二的天体系统。

不会“发光”的星——行星

行星是按照固定的轨道绕恒星运行、本身不发光的星球。行星在宇宙空间的运动是有一定规律的。

什么是行星

新的行星定义包括两点:行星必须是围绕恒星运转的天体;行星的质量必须足够大,它自身的重力必须和表面力平衡使其形状呈圆球。一般来说,行星的直径必须在800千米以上,质量必须在5亿亿吨以上。

关于小行星的成因,天文学家曾有种种假设。多数人认为,这些数量众多的小行星并不是一个大行星破裂的产物。在太阳系形成初期,由于某种原因,在火星和木星之间的这个空当地带,未能积聚成一颗大行星,而是产生了大批“半成品”——小行星带。现今的小行星带只是当年小行星带的小部分残余。小行星较小,一般未经历千度以上的热过程。所以作为在太阳系中长期“冷藏”的“化石”,这些小行星上保持着大量太阳系初期的信息。研究小行星带,对探索太阳系、行星演化和地球科学都有重要的意义。

18世纪,天文学家认为:在火星和木星之间一定还存在另一颗行星,因为各行星与太阳之间的距离递增有一定的规律,而火星轨道和木星轨道之间的距离很特别,有一大片环形空间。1801年,天文学家终于发现了一个小天体,直径只有770千米,像行星一样绕太阳运行,科学家将谷物女神“色列斯”的名字给了它。后来在这一区域里又发现了越来越多的小天体,被称为小行星。

不会发光的行星

行星都是自西向东绕着太阳公转的,而且大多数行星与太阳的自转方向一致,我们将其称为“同向性”。八大行星的公转轨道几乎都在同一平面上,称为“共面性”。而这八大行星中除水星以外,其余七颗的公转轨道都是接近正圆的椭圆形,又称为“近圆性”。行星本身都不会发光,它是靠反射太阳光才发亮的。

从不同角度,八大行星被分为不同的类别。地球轨道以内和以外的行星,分别称为地内行星和地外行星。小行星以内和以外的行星,分别称为内行星和外行星。外行星有时又被分为巨行星(木星和土星)和远日行星(天王星、海王星、冥王星)。除冥王星外,其余的外行星与内行星的差别十分显著,因而它们又被分别称为类木行星与类地行星。

行星们的“卫士”

在太阳系中,有好几颗行星都有自己的“卫士”,而且有些行星不止有一个“卫士”。有一些较大的小行星也有自己的“卫士”。它们统称为卫星。太阳系内已发现的卫星约有50颗。其中地球只有一颗卫星——月亮;土星的卫星最多,有20多颗。许多卫星和行星很相似,它们的运动轨道具有共面性、近圆性、同向性,并且与它们守卫的行星保持一定距离按一定规律分布着,这样的卫星称为规则卫星。不具有这些性质的卫星,称为不规则卫星。

卫星绕行星转动有两种方式,一种是和行星绕太阳运转的方向一致,称为顺行;一种是和行星绕太阳转动的方向相反,称为逆行。除公转以外,卫星本身还有自转。

如果我们说太阳系是一个精致的结构,那就有理由推测其所有构件都分布在哪里,但传言说在太阳系的黑暗区域,那里潜伏着一个未知的世界——一个冰冻天体,或许和火星或地球差不多大。

“永恒不变”的星——恒星

恒星也有自己的生命史,它们从诞生、成长到衰老,最终走向死亡。实际上构成行星和生命物质的重原子就是在某些恒星生命结束时发生的爆发过程中创造出来的。

恒星并非永恒不变

宇宙发展到一定时期,宇宙中充满均匀的中性原子气体云,大体积气体云由于自身引力的不稳定造成塌缩。这样恒星便进入形成阶段。在大体积气体云塌缩开始阶段,气体云内部压力很微小,物质在自引力作用下加速向中心坠落。随着气体压力的增大,在其内部很快形成一个足以与自身引力相抗衡的压力场,这个压力场将制止引力塌缩,并建立星坯(孕育中的恒星),星胚在各种物理化学作用下慢慢成为稳定的恒星。

恒星是由炽热气体组成的,能自己发光的球状或类球状天体。晴朗无月的夜晚,我们用肉眼大约可以看到6000多颗恒星。恒星并非不动,只是因为离我们实在太远,不借助于特殊工具和方法,很难发现它们在天上的位置变化,因此古代人认为它们是固定不动的星体。

恒星的距离,若用千米表示,数字实在太大,为使用方便,通常采用光年作为单位。1光年是光在一年中通过的距离。真空中的光速是每秒30万千米,乘一年的秒数,1光年约等于9.46万亿千米。

什么是星等

为了衡量星星的明暗程度,天文学家创造出了星等这个概念。星等用来表示天体相对亮度的数值,符号记为m。星等值越小,星星就越亮;星等值越大,星星就越暗。恒星的星等相差很大,当然这也跟恒星本身发光强弱有关,但距离我们的远近也是一个原因。

如何测定恒星的距离呢?在16世纪哥白尼公布了他的日心说以后,许多天文学家试图测定恒星的距离,但都由于它们的数值很小以及当时的观测精度不高而失败。

现在,人们测定恒星的距离常使用一些间接的方法,如分光视差法、星团视差法、统计视差法等。这些间接的方法都是以三角视差法为基础改良的。自20世纪20年代以后,许多天文学家开展这方面的工作,到20世纪90年代初,已有8000多颗恒星的距离被用照相方法测定。在20世纪90年代中期,依靠“依巴谷”卫星进行的空间天体测量获得成功,在大约3年的时间里,以非常高的准确度测定了10万颗恒星的距离。

被黑洞吞噬的恒星

黑洞是一种引力极强的天体,就连光也不能逃脱。它就像宇宙中的无底洞,任何物质一旦被吸进去就无法再逃出。而黑洞吞噬恒星,被科学家认为是目前宇宙中最神秘、最震撼的情景。黑洞仿佛魔鬼一般,只要接近它的恒星,都会在瞬间被撕碎变成发光等离子体后消失于无形之中。黑洞每隔一亿年才会吞噬一颗恒星。

如果用望远镜观测星空,经常可以看到一些恒星成双地靠在一起。其实,这两颗恒星并没有靠在一起,并且相距很远。只因都在一个视线方向,看起来就像是它们在相互环绕着转动。而这样的两颗恒星,就称为双星。组成双星的两颗恒星都称为双星的子星。其中较亮的一颗,称为主星;较暗的一颗,称为伴星。主星和伴星亮度有的相差不大,有的相差很大。

恒星死亡之后变成什么

一颗恒星能燃烧到生命的终结,将形成一个铁球,它的末日也便来临了。垂死的恒星与自身的引力作着最后抗争,但最终还是跌进了引力深渊之中。外围各层数以万亿吨计的物质以每秒几千米的速度朝自身核区坍缩,与核区发生了极为强烈的碰撞,这就是“超新星爆发”。超新星爆发产生的巨大冲击波,将恒星外围的物质抛入了广阔无垠的太空;这些物质由恒星各个燃烧阶段产生的92种元素构成。

较大质量的恒星因为自身能量无法抵消自身引力,因此这个恒星就会沿着一个奇点坍缩到无限密度无限质量,引力大到连光(光速=300000000米/秒)都无法逃脱,这些恒星就形成了黑洞。而较小质量的恒星,同样沿着一个奇点坍缩,但由于质量小,所以最终形成白矮星或中子星。

恒星的一生灿烂辉煌,它的光和热孕育了生命;它也是宇宙中神奇的炼金炉,组成我们及地球的每一个原子。

什么是三角视差法呢?就是说把被测的那个天体放于一个特大三角形的顶点,地球绕太阳公转的轨道直径的两端是这个三角形的另外两个顶点,通过测量地球到那个天体的视角,再用已知的地球绕太阳公转轨道的直径,依靠三角公式就能推算出那个天体到我们的距离了。当然,离我们稍远一点的天体,就无法用三角视差法测量它和地球之间的距离了。

目前离我们较近的天体,最远不超过100光年(1光年=9.46万亿1012千米),天文学家用三角视差法测量它们的距离。

领取“身份证”——小行星命名之路

2008年8月24日,第29届北京奥运会闭幕。同一天,国际小行星中心正式发布,中国科学院紫金山天文台1977年10月12日在金牛星座发现、国际正式编号为23408号的小行星被命名为“北京奥运星”。

聚集在火星和木星之间

小行星是太阳系内环绕太阳运行、质量和体积都比行星小得多的天体。它们主要集中在火星和木星之间的小行星带之中。截至2008年8月28日的统计数据,从1801年发现第一颗小行星至今,已经获得国际永久编号和国际命名的小行星数量分别为190128颗和14698颗。在14698颗获得国际命名的小行星中,有大约122颗是以中国人的名字命名的,另有11颗是以美籍华裔科学家或美籍华人的姓名命名的。而在122颗以中国人的名字命名的小行星中,又有43颗是以中国科学家的名字命名的。

小行星命名的历史

历史上第一颗拥有名字的小行星是由意大利天主教蒂埃蒂会修道士、数学家和天文学家皮亚齐于1801年在西西里岛上发现的。这颗小行星被命名为“谷神星”。谷神是罗马神话中掌管植物的神灵。皮亚齐最初为纪念斐迪南三世,提议用他的名字来命名,但由于这个名字对其他国家的人来说不能被接受,于是被弃用。

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