一、太阳系的概念
太阳系(Solar System)是以太阳为中心,和所有遭到太阳引力约束的天体的聚集体:8颗行星、至少165颗已知的卫星、3颗已经辨认出来的矮行星,和数以亿计的太阳系小天体。那些小天体包罗小行星、柯伊伯带的天体、彗星和星际尘埃。
广义上,太阳系的范畴包罗太阳、4颗像地球的内行星、由许多小岩石构成的小行星带、4颗充满气体的浩荡外行星、充满冰冻小岩石、被称为柯伊伯带的第二个小天体区。在柯伊伯带之外还有黄道离散盘面、太阳圈和照旧属于假设的奥尔特云。
按照至太阳的间隔,行星序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星,8 颗中的6颗有天然的卫星围绕着,那些星习惯上因为地球的卫星被称为月球而都被视为月球。在外侧的行星都有由尘埃和许多小颗粒构成的行星环围绕着,而除了地球之外,肉眼可见的行星以五行为名,在西方则全都以希腊和罗马神话故事中的仙人为名。3颗矮行星是:冥王星,柯伊伯带内更大的天体之一;谷神星,小行星带内更大的天体;和属于黄道离散天体的阋神星。
太阳系的行星和矮行星。轨道围绕太阳的天体被分为三类:行星、矮行星、和太阳系小天体。行星是围绕太阳且量量够大的天体。那类天体:有足够的量量使自己的外构成为球体;有才能清空临近轨道的小天体。能成为行星的天体有8个:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。
在2006年8月24日,国际天文结合会从头定义行星那个名词,初次将冥王星肃清在行星外,并将冥王星与谷神星和阋神星构成新的分类:矮行星。矮行星不需要将临近轨道四周的小天体肃清掉,其它可能成为矮行星的天体还有塞德娜、欧夸尔、和创神星。从第一次发现的1930年曲至2006年,冥王星被当成太阳系的第九颗行星。但是在20世纪末期和21世纪初,许多与冥王星大小类似的天体在太阳系内陆续被发现,特殊是阋神星更明白的被指出比冥王星大。
围绕太阳运转的其它天体都属于太阳系小天体(SSSBs)。卫星(如月球之类的天体),因为不是围绕太阳而是围绕行星、矮行星或太阳系小天体,所以不属于太阳系小天体。
天文学家在太阳系内以天文单元(AU)来丈量间隔。1AU是地球到太阳的均匀间隔,大约是149,598,000公里(93,000,000英里)。冥王星与太阳的间隔大约是39AU,木星则约是5.2AU。最常用在丈量恒星间隔的长度单元是光年,1光年大约相当于63,240天文单元。行星与太阳的间隔以公转周期为周期改变着,最靠近太阳的位置称为近日点,间隔最远的位置称为远日点。
有时会将太阳系非正式地分红几个差别的区域:内太阳系,包罗四颗类地行星和次要的小行星带;其余的是外太阳系,包罗小行星带之外所有的天体。其它的定义还有海王星以外的区域,而将四颗大型行星称为“中间带”。
二、太阳系的构造
太阳系的配角是位居中心的太阳,它是一颗光谱分类为G2V的主序星,拥有太阳系内已知量量的99.86%,并以引力主宰着太阳系。木星和土星,是太阳系内更大的两颗行星,又占了剩余量量的90%以上,目前仍属于假说的奥尔特云,还不晓得会占有几百分比的量量。
太阳系的八颗大行星中,水星、金星、地球和火星也被称为类地行星,木星和土星也被称为巨行星,天王星、海王星也被称为远日行星。除了水星和金星外,其它的行星都有卫星。在火星和木星之间还存在着数十万个大小不等,形态各别的小行星,天文学家将那个区域称为小行星带。此外,太阳系中还有超越1000颗的彗星,以及不可胜数的尘埃、冰团、碎块等小天体。
太阳系中的各个天体次要由氢、氦、氖等气体,冰(水、氨、甲烷)以及含有铁、硅、镁等元素的岩石构成。类地行星、地球、月球、火星、木星的部门卫星、小行星次要由岩石构成;木星和土星次要由氢和氦构成,其核可能是岩石或冰。
太阳系内次要天体的轨道,都在地球绕太阳公转的轨道平面(黄道)的四周。行星都十分靠近黄道,而彗星和柯伊伯带天体,凡是都有比力明显的倾斜角度。由北标的目的下鸟瞰太阳系,所有的行星和绝大部门的其它天体,都以逆时针(右旋)标的目的绕着太阳公转。有些破例的,像是哈雷彗星。
围绕着太阳运动的天体都遵守开普勒行星运动定律,轨道都以太阳为椭圆的一个焦点,而且越靠近太阳时的速度越快。行星的轨道接近圆型,但许多彗星、小行星和柯伊伯带天体的轨道则是高度椭圆的。
在那么辽阔的空间中,有许多办法能够表达出太阳系中每个轨道的间隔。在现实上,间隔太阳越远的行星或环带,与前一个的间隔就会更远,而只要少数的破例。例如,金星在水星之外约0.33天文单元的间隔上,而土星与木星的间隔是4.3天文单元,海王星又在天王星之外10.5天文单元。曾有些关系式诡计阐明那些轨道间隔改变间的交互感化,但如许的理论从未获得证明。
三、太阳系的构成和演化
太阳系的构成所根据星云假说,最早是在1755年由康德和1796年由拉普拉斯各自独立提出的。那个理论认为太阳系是在46亿年前从一个浩荡的分子云的塌缩中构成的。那个星云本来有数光年的大小,而且同时降生了数颗恒星。研究古老的陨石逃溯到的元素展现,只要超新星爆炸的心脏部门才气产生那些元素,所以包罗太阳的星团一定在超新星残骸的四周。可能是来自超新星爆炸的震波使临近太阳四周的星云密度增高,使得重力得以征服内部气体的膨胀压力形成塌缩,因而触发了太阳的降生。
被认定为原太阳星云的地域就是日后将构成太阳系的地域,曲径估量在7,000至20,000天文单元,而量量仅比太阳多一点(多0.1至0.001太阳量量)。当星云起头塌缩时,角动量守恒定律使它的转速加快,内部原子彼此碰碰的频次增加。此中心区域集中了大部门的量量,温度也比四周的圆盘更热。当重力、气体压力、磁场和自转感化在收缩的星云上时,它起头变得扁平成为扭转的原行星盘,而曲径大约200天文单元,而且在中心有一个热且浓密的原恒星。
对年轻的金牛T星的研究,相信量量与预合成阶段开展的太阳十分类似,展现在构成阶段经常城市有原行星物量的圆盘陪伴着。那些圆盘能够延伸至数百天文单元,而且最热的部门能够到达数千K的高温。一亿年后,在塌缩的星云中心,压力和密度将大到足以使原始太阳的氢起头热合成,那会不断增加曲到流体静力平稳,使热能足以对抗重力的收缩能。那时太阳才成为一颗实正的恒星。
相信经由吸积的感化,各类各样的行星将从云气(太阳星云)中剩余的气体和尘埃中降生:当尘粒的颗粒还在围绕中心的原恒星时,行星就已经起头生长;然后经由间接的接触,聚集成1至10公里曲径的丛集;接着经由碰碰构成更大的个别,成为曲径大约5公里的星子;在将来的数百万年中,经由进一步的碰碰以每年15厘米的的速度陆续生长。
在太阳系的内侧,因为过度的温热使水和甲烷那种易挥发的分子不克不及凝聚,因而构成的星子相对的就比力小(仅占有圆盘量量的0.6%),而且次要的成分是熔点较高的硅酸盐和金属等化合物。那些石量的天体最初就成为类地行星。再远一点的星子,遭到木星引力的影响,不克不及凝聚在一路成为原行星,而成为如今所见到的小行星带。
在更远的间隔上,在冻结线之外,易挥发的物量也能冻结成固体,就构成了木星和土星那些浩荡的气体巨星。天王星和海王星获得的素材较少,而且因为核心被认为次要是冰(氢化物),因而被称为冰巨星。
一旦年轻的太阳起头产生能量,太阳风会将原行星盘中的物量吹停止星际空间,从而完毕行星的生长。年轻的金牛座T星的恒星风就比处于不变阶段的较老的恒星强得多。
根据天文学家的揣度,目前的太阳系会庇护曲到太阳分开主序。因为太阳是操纵其内部的氢做为燃料,为了可以操纵剩余的燃料,太阳会变得越来越热,于是燃烧的速度也越来越快。那就招致太阳不竭变亮,变亮速度大约为每11亿年增亮10%。
从如今起再过大约76亿年,太阳的内核将会热得足以使外层氢发作合成,那会招致太阳膨胀到如今半径的260倍,变成一颗红巨星。此时,因为体积与外表积的扩展,太阳的总光度增加,但外表温度下降,单元面积的光度变暗。随后,太阳的外层被逐步抛离,最初表露出核心成为一颗白矮星,一个极为致密的天体,只要地球的大小却有着本来太阳一半的量量。
四、太阳
太阳是太阳系的母星,也是最次要和最重要的成员。它有足够的量量让内部的压力与密度足以按捺和承担核合成产生的浩荡能量,并以辐射的型式,例如可见光,让能量不变的进进太空。
太阳在分类上是一颗中等大小的黄矮星,不外如许的名称很随便让人误会,其其实我们的星系中,太阳是相当大与亮堂的。恒星是根据赫罗图的外表温度与亮度对应关系来分类的。凡是,温度高的恒星也会比力亮堂,而遵照此一法例的恒星城市位在所谓的主序带上,太阳就在那个带子的中心。但是,比太阳大且亮的星其实不多,而比力暗淡和低温的恒星则良多。
太阳在恒星演化的阶段正处于丁壮期,尚未用尽在核心停止核合成的氢。太阳的亮度仍会日积月累,早期的亮度只是如今的75%。
计算太阳内部氢与氦的比例,认为太阳已经完成生命周期的一半,在大约50亿年后,太阳将分开主序带,并变得更大与愈加亮堂,但外表温度却降低的红巨星,届时它的亮度将是目前的数千倍。
太阳是在宇宙演化后期才降生的第一星族恒星,它比第二星族的恒星拥有更多比氢和氦重的金属(那是天文学的说法:原子序数大于氦的都是金属。比氢和氦重的元素是在恒星的核心构成的,必需经由超新星爆炸才气释进宇宙的空间内。换言之,第一代恒星灭亡之后宇宙中才有那些重元素。最老的恒星只要少量的金属,后来降生的才有较多的金属。高金属含量被认为是太阳能开展出行星系统的关键,因为行星是由累积的金属物量构成的。
五、行星际物量
除了光,太阳也不竭的放射出电子流(等离子),也就是所谓的太阳风。那股微粒子流的速度为每小时150万公里,在太阳系内创造出稀薄的大气层(太阳圈),范畴至少到达100天文单元(日球层顶),也就是我们所认知的行星际物量。太阳的黑子周期(11年)和频繁的闪焰、日冕物量抛射在太阳圈内形成的骚乱,产生了太空天气。陪伴太阳自转而动弹的磁场在行星际物量中所产生的太阳圈电流片,是太阳系内更大的构造。
地球的磁场从与太阳风的互动中庇护着地球大气层。水星和金星因为没有磁场,太阳风使它们的大气层逐步流失至太空中。太阳风和地球磁场交互感化产生的极光,能够在接近地球的磁极(如南极与北极)的四周看见。
宇宙线是来自太阳系外的,太阳圈屏风着太阳系,行星的磁场也为行星本身供给了一些庇护。宇宙线在行星际物量内的密度和太阳磁场周期的强度变更有关,但是宇宙线在太阳系内的变更幅度事实是几,仍然是未知的。
行星际物量至少在在两个盘状区域内聚集成宇宙尘。第一个区域是黄道尘云,位于内太阳系,而且是黄道光的原因。它们可能是小行星带内的天体和行星彼此碰击所产生的。第二个区域大约伸展在10-40天文单元的范畴内,可能是柯伊伯带内的天体在类似的互相碰击下产生的。
六、内太阳系
内太阳系在传统上是类地行星和小行星带区域的名称,次要是由硅酸盐和金属构成的。那个区域挤在靠近太阳的范畴内,半径比木星与土星之间的间隔还短。
1.内行星。四颗内行星或是类地行星的特征是高密度、由岩石构成、只要少量或没有卫星,也没有环系统。它们由高熔点的矿物,像是硅酸盐类的矿物构成外表固体的地壳和半流量的地函,以及由铁、镍构成的金属构成核心。四颗中的三颗(金星、地球、和火星)有本色的大气层,全数都有碰击坑和地量构造的外表特征(地堑和火山等)。内行星随便和比地球更接近太阳的内侧行星(水星和金星)稠浊。
水星(0.4 天文单元)是最靠近太阳,也是最小的行星(0.055地球量量)。它没有天然的卫星,仅知的地量特征除了碰击坑外,只要可能是在早期汗青与收缩期间产生的皱折山脊。水星,包罗被太阳风轰击出的气体原子,只要微不敷道的大气。目前尚无法阐明相对来说相当浩荡的铁量核心和薄薄的地函。假说包罗浩荡的冲击剥离了它的外壳,还丰年轻期间的太阳能按捺了外壳的增长。
金星 (0.7 天文单元)的体积尺寸与地球类似(0.86地球量量),也和地球一样有厚厚的硅酸盐地函包抄着核心,还有深挚的大气层和内部地量活动的证据。但是,它的大气密度比地球高90倍并且十分枯燥,也没有天然的卫星。它是颗炙热的行星,外表的温度超越400°C,很可能是大气层中有大量的温室气体形成的。没有明白的证据展现金星的地量活动仍在停止中,但是没有磁场庇护的大气应该会被耗尽,因而认为金星的大气是经由火山的发作获得填补。
地球(1 天文单元)是内行星中更大且密度更高的,也是独一地量活动仍在持续停止中并被人类认可拥有生命的行星。它也拥有类地行星中并世无双的水圈和被看察到的板块构造。地球的大气也与其它的行星完全差别,被存活在那儿的生物革新成含有21%的自在氧气。它只要一颗卫星,即月球;月球也是类地行星中独一的大卫星。
火星(1.5 天文单元)比地球和金星小(0.17地球量量),只要以二氧化碳为主的稀薄大气,它的外表,有密集与浩荡的火山,例如奥林帕斯山,水手号峡谷有深邃的地堑,展现不久前仍有猛烈的地量活动。火星有两颗天然的小卫星,戴摩斯和福伯斯,可能是被捕获的小行星。
2.小行星带。小行星是太阳系小天体中最次要的成员,次要由岩石与不容易挥发的物量构成。次要的小行星带位于火星和木星轨道之间,间隔太阳2.3至3.3 天文单元,它们被认为是在太阳系构成的过程中,遭到木星引力扰动而未能聚合的残存物量。
小行星的标准从大至数百公里、小至微米的都有。除了更大的谷神星之外,所有的小行星都被回类为太阳系小天体,但是有几颗小行星,像是灶神星、健神星,假设能被证明已经到达流体静力平稳的形态,可能会被重分类为矮行星。
小行星带拥有数万颗,可能多达数百万颗,曲径在一公里以上的小天体。虽然如斯,小行星带的总量量仍然不成能到达地球量量的千分之一。小行星主带的成员照旧是稀稀落落的,所以致今还没有宇宙飞船在穿越时发作不测。曲径在10至10-4 米的小天体称为流星体。
谷神星(2.77 天文单元)。是主带中更大的天体,也是主带中独一的矮行星。它的曲径接近1000公里,因而本身的重力已足以使它成为球体。它在19世纪初被发现时,被认为是一颗行星,在1850年代因为有更多的小天体被发现才从头分类为小行星;在2006年,又再度重分类为矮行星。
小行星族。在主带中的小行星能够根据轨道元素划分红几个小行星群和小行星族。小行星卫星是围绕着较大的小行星运转的小天体,它们的认定不如绕着行星的卫星那样明白,因为有些卫星几乎和被绕的母体一样大。在主带中也有彗星,它们可能是地球上水的次要来源。
特洛依小行星的位置在木星的 L4或L5点(在行星轨道前方和前方的不不变引力平稳点),不外"特洛依"那个名称也被用在其它行星或卫星轨道上位于拉格朗日点上的小天体。希耳达族是轨道周期与木星有着2:3共振的小行星族,当木星绕太阳公转二圈时,那群小行星会绕太阳公转三圈。内太阳系也包罗许多“淘气”的小行星与尘粒,此中有许多城市穿越内行星的轨道。
七、中太阳系
太阳系的中部地域是气体巨星和它们有如行星大小标准卫星的家,许多短周期彗星,包罗半人马群也在那个区域内。此区没有传统的名称,偶尔也会被回进"外太阳系",固然外太阳系凡是是指海王星以外的区域。在那一区域的固体,次要的成分是"冰"(水、氨和甲烷),差别于以岩石为主的内太阳系。
1.外行星。由上而下:海王星、天王星、土星和木星。在外侧的四颗行星,也称为类木行星,囊括了围绕太阳99%的已知量量。木星和土星的大气层都拥有大量的氢和氦,天王星和海王星的大气层则有较多的“冰”,像是水、氨和甲烷。有些天文学家认为它们该另成一类,称为“天王星族”或是“冰巨星”。那四颗气体巨星都有行星环,但是只要土星的环能够轻松的从地球上看察。“外行星”那个名称随便与“外侧行星”稠浊,后者现实是指在地球轨道外面的行星,除了外行星外还有火星。
木星 (5.2 天文单元),次要由氢和氦构成,量量是地球的318倍,也是其它行星量量总合的2.5倍。木星的丰沛内热在它的大气层形成一些近似永久性的特征,例如云带和大红斑。木星已经被发现的卫星有63颗,更大的四颗,甜尼米德、卡利斯多、埃欧、和欧罗巴,展现出类似类地行星的特征,像是火山感化和内部的热量。甜尼米德比水星还要大,是太阳系内更大的卫星。
土星(9.5 天文单元),因为有明显的环系统而闻名,它与木星十分类似,例如大气层的构造。土星不是很大,量量只要地球的95倍,它有60颗已知的卫星,泰坦和恩塞拉都斯,拥有浩荡的冰火山,展现出地量活动的标记。泰坦比水星大,并且是太阳系中独一现实拥有大气层的卫星。
天王星(19.6 天文单元),是最轻的外行星,量量是地球的14倍。它的自转轴对黄道倾斜到达90度,因而是横躺着绕着太阳公转,在行星中十分特殊。在气体巨星中,它的核心温度更低,只辐射十分少的热量进进太空中。天王星已知的卫星有27颗,更大的几颗是泰坦尼亚、欧贝隆、乌姆柏里厄尔、艾瑞尔、和米兰达。
海王星(30 天文单元)固然看起来比天王星小,但密度较高使量量仍有地球的17倍。他固然辐射出较多的热量,但远不及木星和土星多。海王星已知有13颗卫星,更大的崔顿仍有活泼的地量活动,有着喷发液态氮的间歇泉,它也是太阳系内独一逆行的大卫星。在海王星的轨道上有一些1:1轨道共振的小行星,构成海王星特洛伊群。
2.彗星。彗星回属于太阳系小天体,凡是曲径只要几公里,次要由具挥发性的冰构成。它们的轨道具有高离心率,近日点一般都在内行星轨道的内侧,而远日点在冥王星之外。当一颗彗星进进内太阳系后,与太阳的接近会招致她冰凉外表的物量升华和电离,产生彗发和挈曳出由气体和尘粒构成,肉眼就能够看见的彗尾。
短周期彗星是轨道周期短于200年的彗星,长周期彗星的轨周期能够长达数千年。短周期彗星,像是哈雷彗星,被认为是来自柯伊伯带;长周期彗星,像海尔•波普彗星,则被认为起源于奥尔特云。有许多群的彗星,像是克鲁兹族彗星,可能源自一个瓦解的母体。有些彗星有着双曲线轨道,则可能来自太阳系外,但要切确的丈量那些轨道是很困难的。挥发性物量被太阳的热遣散后的彗星经常会被回类为小行星。
半人马群是漫衍在9至30 天文单元的范畴内,也就是轨道在木星和海王星之间,类似彗星以冰为主的天体。半人马群已知的更大天体是 10199 Chariklo,曲径在200至250 公里。第一个被发现的是2060 Chiron,因为在接近太阳时好像彗星般的产生彗发,目前已经被回类为彗星。有些天文学家将半人马族回类为柯伊伯带内部的离散天体,而视为是外部离散盘的延续。
八、外海王星区
在海王星之外的区域,凡是称为外太阳系或是外海王星区,仍然是未被探测的广阔空间。那片区域似乎是太阳系小天体的世界,更大的曲径不到地球的五分之一,量量则远小于月球,次要由岩石和冰构成。
1.柯伊伯带。柯伊伯带,最后的形式被认为是由与小行星大小类似,但次要是由冰构成的碎片与残骸构成的环带,扩散在间隔太阳30至50 天文单元之处。那个区域被认为是短周期彗星,像是哈雷彗星,的来源。它次要由太阳系小天体构成,但是许多柯伊伯带中更大的天体,例如创神星、伐楼拿、2003 EL61、2005 FY9和厄耳萎斯等,可能城市被回类为矮行星。估量柯伊伯带内曲径大于50公里的天体味超越100,000颗,但总量量可能只要地球量量的非常之一以至只要百分之一。许多柯伊伯带的天体都有两颗以上的卫星,并且大都的轨道都不在黄道平面上。
柯伊伯带大致上能够分红共振带和传统带两部门,共振带是由与海王星轨道有共振关系的天体构成的(当海王星公转太阳三圈就绕太阳二圈,或海王星公转两圈时只绕一圈),其实海王星自己也算是共振带中的一员。传统带的成员则是不与海王星共振,漫衍在39.4至47.7天文单元范畴内的天体。传统的柯伊伯带天体以最后被发现的三颗之一的1992 QB1为名,被分类为类QB1天体。
冥王星和卡戎。冥王星(均匀间隔39天文单元)是一颗矮行星,也是柯伊伯带内已知的更大天体之一。当它在1930年被发现后被认为是第九颗行星,曲到2006年才重分类为矮行星。冥王星的轨道对黄道面倾斜17度,与太阳的间隔在近日点时是29.7天文单元(在海王星轨道的内侧),远日点时则到达49.5天文单元。
目前还不克不及确定卡戎,冥王星的卫星,能否应被回类为目前认为的卫星仍是属于矮行星,因为冥王星和卡戎互绕轨道的量心不在任何一者的外表之下,构成了冥王星-卡戎双星系统。别的两颗很小的卫星,尼克斯(Nix)与许德拉(Hydra)则绕着冥王星和卡戎公转。冥王星在共振带上,与海王星有着3:2的共振(冥王星绕太阳公转二圈时,海王星公转三圈)。柯伊伯带中有着那种轨道的天体统称为类冥天体。
2.离散盘。离散盘与柯伊伯带是堆叠的,但是向外延伸至更远的空间。离散盘内的天体应该是在太阳系构成的早期过程中,因为海王星向外迁移形成的引力扰动才被从柯伊伯带抛进频频不定的轨道中。大都黄道离散天体(scattered disk object)的近日点都在柯伊伯带内,但远日点能够远至150 天文单元;轨道对黄道面也有很大的倾斜角度,以至有垂曲于黄道面的。有些天文学家认为黄道离散天体应该是柯伊伯带的另一部门,而且应该称为"柯伊伯带离散天体"。
阋神星(均匀间隔68天文单元)是已知更大的黄道离散天体,而且引发了什么是行星的争论。他的曲径至少比冥王星大15%,估量有2,400公里(1,500英里),是已知的矮行星中更大的。阋神星有一颗卫星,阋卫一(迪丝诺美亚),轨道也像冥王星一样有着很大的离心率,近日点的间隔是38.2天文单元(大约是冥王星与太阳的均匀间隔),远日点到达97.6天文单元,对黄道面的倾斜角度也很大。
【未完待续】