7.1：我们的行星系统概述

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 描述如何识别、探索和表征太阳系中的天体
• 描述太阳系中小天体的类型、它们的位置以及它们是如何形成的
• 使用与日常生活的距离对太阳系进行建模，以便更好地理解太空中的距离

太阳系 ¹ 由太阳和许多较小的物体组成：行星、它们的卫星和环以及诸如小行星、彗星和尘埃之类的 “碎片”。 数十年的观测和航天器探索表明，这些物体中的大多数是在大约45亿年前与太阳一起形成的。 它们代表了从巨大的气体和尘埃云中凝结出来的物质团块。 这片云的中心部分变成了太阳，外部部分的一小部分物质最终形成了其他物体。

在过去的50年中，我们对太阳系的了解比太空时代之前任何人都想象的要多。 除了使用强大的新型望远镜收集信息外，我们还将航天器直接送往行星系统的许多成员。 （行星天文学是我们科学中唯一可以至少以替代方式前往我们想要研究的物体的分支。） 我们的机器人探险家使用诸如 Voyager、Pioneer、Curiosity 和 Pathfinder 等令人回味的名字，飞过、绕轨或降落在每个星球上，返回的图像和数据令天文学家和公众眼花缭乱。 在此过程中，我们还研究了两颗矮行星、数百颗迷人的卫星、四个环形系统、十二颗小行星和几颗彗星（我们稍后将讨论太阳系中的较小成员）。

我们的探测器已经穿透木星的大气层，降落在金星、火星、我们的月球、土星的卫星泰坦、爱神和丝川小行星以及丘里莫夫-格拉西门科彗星（通常称为67P）的表面。 人类踏上了月球，返回了月球表层土壤样本进行实验室分析（图\(\PageIndex{1}\)）。 我们甚至在太阳系中发现了其他可能能够维持某种生命的地方。

人物\(\PageIndex{1}\)宇航员在月球上。 在这张由人类直接探索的地球以外一个地方的视图中可以看到阿波罗 15 号飞行任务中的月球着陆器和水面探测器。

查看这个追溯阿波罗任务历史的 NASA 图片库。

清单

太阳是一颗比银河系中大约 80% 的恒星亮的恒星，是迄今为止太阳系中体积最大的成员，如表所示\(\PageIndex{1}\)。 它是一个直径约140万千米的巨大球，表面有白炽气体，内部温度为数百万度。 我们将在后面的章节中讨论太阳，这是我们第一个也是研究得最好的恒星例子。

表太阳系成员的\(\PageIndex{1}\)质量

物体	占太阳系总质量的百分比
太阳	99.80
木星	0.10
彗星	0.0005—0.03（估计值）
所有其他行星和矮行星	0.04
月亮和戒指	0.00005
小行星	0.000002（估计值）
宇宙尘埃	0.0000001（估计值）

该表\(\PageIndex{1}\)还显示，行星的大部分物质实际上集中在最大的行星木星身上，木星的质量比所有其他行星的总和还要大。 几个世纪前，天文学家能够使用开普勒的行星运动定律和牛顿的引力定律来确定行星的质量，以测量行星对彼此或绕其运行的卫星的引力效应（参见 Orbits and Gravity）。 今天，我们通过跟踪它们的引力对靠近它们的航天器运动的影响，对它们的质量进行了更精确的测量。

在地球之外，古人还知道另外五颗行星——水星、金星、火星、木星和土星，还有两颗是在望远镜发明后发现的：天王星和海王星。 八颗行星都围绕太阳朝相同的方向旋转。 它们在大致相同的飞机上运行，就像汽车在巨大而平坦的赛马场上在同心轨道上行驶一样。 每颗行星都停留在自己的 “行车道” 上，沿着环绕太阳的近乎圆形的轨道行驶，并遵守伽利略、开普勒和牛顿发现的 “交通” 法规。 除了这些行星之外，我们还发现了海王星以外的更小世界，它们被称为跨海王星天体或 TNO（见图\(\PageIndex{2}\)）。 1930年第一个被发现的是冥王星，但其他的是在二十一世纪发现的。 其中一颗是厄里斯，大小与冥王星差不多，并且至少有一颗卫星（冥王星有五颗已知卫星。） 最大的 TNO 也被归类为矮行星，最大的小行星谷神星也是如此。 （矮行星将在关于戒指、卫星和冥王星的章节中进一步讨论）。 迄今为止，已经发现了超过 1750 个 TNO。

人物行星\(\PageIndex{2}\)轨道。 所有八颗主要行星都在大致相同的平面上绕太阳运行。 还显示了目前已知的五颗矮行星：厄里斯、豪美亚、冥王星、谷神星和马克马克。 请注意，冥王星的轨道不在行星的平面上。

每颗行星和矮行星还围绕穿过它的轴旋转（旋转），在大多数情况下，旋转方向与绕太阳的旋转方向相同。 唯一的例外是金星，它向后旋转非常缓慢（即逆行方向），天王星和冥王星也有奇怪的旋转，它们都围绕着几乎侧面倾斜的轴线旋转。 我们还不知道 Eris、Haumea 和 Makemake 的自旋方向。

离太阳最近的四颗行星（水星穿过火星）被称为内行星或陆地行星。 通常，月球也被作为该小组的一部分进行讨论，从而使陆地物体的总数达到五个。 （我们通常将地球的卫星称为 “月球”，使用大写字母 M，将其他卫星称为 “卫星”，使用小写字母 m。） 陆地行星是相对较小的世界，主要由岩石和金属组成。 它们都具有固体表面，以火山口、山脉和火山的形式记录了其地质历史（图\(\PageIndex{3}\)）。

图：水星\(\PageIndex{3}\)表面。 水星地球世界的麻子面孔更典型的是内行星，而不是地球的水表面。 这张用水手10号航天器拍摄的黑白照片显示了一个宽度超过400千米的区域。

接下来的四颗行星（木星到海王星）要大得多，主要由较轻的冰、液体和气体组成。 我们将这四颗行星称为木星行星（取自 “乔夫”，神话中木星的另一个名字）或巨型行星，这是它们应得的名字（图\(\PageIndex{4}\)）。 例如，木星内部可以容纳1400多个地球。 这些行星没有未来探险家可能降落的固体表面。 它们更像是广阔的球形海洋，其核心要小得多，密集得多。

图\(\PageIndex{4}\)《四大行星》... 这个蒙太奇展示了四颗巨型行星：木星、土星、天王星和海王星。 在它们下方，显示的是按比例绘制的地球。

冥王星位于该系统的外缘，它是第一个在海王星以外发现的遥远冰雪世界（2015 年，一艘名为 NASA New Horizons 任务的航天器访问了冥王星 [见图\(\PageIndex{5}\)]）。 该表\(\PageIndex{2}\)总结了有关行星的一些主要事实。

人物\(\PageIndex{5}\)冥王星特写镜头。 这张来自 “新视野” 号航天器的引人入胜的照片是在 2015 年 7 月飞过矮行星时拍摄的，显示了其一些复杂的表面特征。 圆形的白色区域被称为人造卫星平原，以人类第一艘航天器的名字命名。 （来源：美国宇航局/约翰·霍普金斯大学应用物理实验室/西南研究所对作品的修改）

表\(\PageIndex{2}\)：行星

姓名	与太阳 (AU) 的距离 ^2	革命时期 (y)	直径 (km)	质量 (10 ^23 千克)	密度 (g/cm ^3) ^3
水星	0.39	0.24	4,878	3.3	5.4
金星	0.72	0.62	12,120	48.7	5.2
地球	1.00	1.00	12,756	59.8	5.5
火星	1.52	1.88	6,787	6.4	3.9
木星	5.20	11.86	142,984	18,991	1.3
土星	9.54	29.46	120,536	5686	0.7
天王星	19.18	84.07	51,118	866	1.3
海王星	30.06	164.82	49,660	1030	1.6

示例\(\PageIndex{1}\)：比较密度

让我们比较一下太阳系几个成员的密度。 物体的密度等于其质量除以其体积。 球体（如行星）的体积 (V) 使用方程计算

\[V=\dfrac{4}{3} \pi R^3 \nonumber\]

其中\(\pi\)（希腊字母 pi）的值约为 3.14。 尽管行星不是完美的球体，但这个方程式已经足够好了。 表中给出了行星的质量和直径\(\PageIndex{2}\)。 有关选定卫星的数据，请参阅附录 G。让我们以土星的卫星 Mimas 为例，其质量为 4×1019 kg，直径约为 400 km（半径，200 km = 2×105m）。

解决方案

Mimas 的音量是

\[ \frac{4}{3} \times 3.14 \times \left( 2×10^5 \text{ m} \right)^3=3.3 \times 10^{16} \text{ m}^3 \nonumber\]

密度等于质量除以体积：

\[ \frac{4 \times 10^{19} \text{ kg}}{3.3 \times 10^{16} \text{ m}^3} =1.2 \times 10^3 \text{ kg/m}^3. \nonumber\]

请注意，这些单位中的水密度为 1000 kg/m ³，因此 Mimas 必须主要由冰而不是岩石制成。 （请注意，附录 G 中给出的 Mimas 密度为 1.2，但其中使用的单位不同。 在该表中，我们以 g/cm ³ 为单位给出密度，水的密度等于 1。 通过换算单位，你能否表明 1 g/cm ³ 等于 1000 kg/m ³？）

练习\(\PageIndex{1}\)

计算我们自己的行星地球的平均密度。 展示你的作品。 它与像 Mimas 这样的冰月的密度相比如何？ 有关数据\(\PageIndex{2}\)，请参见表。

回答

对于球体来说，

\[ \text{density } = \frac{ \text{mass}}{ \left( \frac{4}{3} \pi R^3 \right)} \text{ kg/m}^3. \nonumber\]

那么，对于地球来说，

\[ \text{density } = \frac{6 \times 10^{24} \text{ kg}}{4.2 \times 2.6 \times 10^{20} \text{ m}^3} = 5.5 \times 10^3 \text{ kg/m}^3. \nonumber\]

这个密度是 Mimas 的四到五倍。 事实上，地球是最密集的行星。

详细了解美国宇航局前往冥王星的任务，并查看冥王星卫星 Charon 的高分辨率图像。

太阳系的较小成员

大多数行星都伴随着一颗或多颗卫星；只有水星和金星单独在太空中移动。 有180多颗已知卫星绕行星和矮行星运行（较大的卫星清单见附录G），毫无疑问，还有许多其他小卫星仍未被发现。 最大的卫星和小行星一样大，同样有趣。 除了我们的月球，它们还包括木星最大的四颗卫星（以发现者的名字命名为伽利略卫星）以及土星和海王星最大的卫星（令人困惑地命名为泰坦和海卫星）。

每颗巨型行星还有由无数小天体组成的环，其大小从山脉到尘粒不等，所有这些都围绕地球赤道运行。 到目前为止，土星的明亮环是最容易看到的。 它们是太阳系中最美丽的景点之一（图\(\PageIndex{6}\)）。 但是，所有四个环形系统都引起了科学家的兴趣，因为它们的形态很复杂，受到同样绕这些巨型行星运行的卫星的拉力的影响。

图：\(\PageIndex{6}\)土星及其环。 这张 2007 年的卡西尼号图像显示了土星及其复杂的环形系统，拍摄距离约 120 万千米。 这张自然色图像是在 2.5 小时内拍摄的 36 张图像的合成图像。

太阳系还有许多其他不太显眼的成员。 另一组是小行星，它们是像微型行星一样绕太阳运行的岩体，主要位于火星和木星之间的空间中（尽管有些确实会穿过地球等行星的轨道——见图\(\PageIndex{7}\)）。 大多数小行星是在行星本身形成之前存在的太阳系初始种群的残余物。 行星中一些最小的卫星，例如火星的卫星，很可能是捕获的小行星。

图\(\PageIndex{7}\) Asteroid Eros。这张穿越地球的小行星图像由 Near-Shoemaker 航天器从大约 100 公里的高度拍摄。 这张火山口严重的表面的视图宽度约为 10 千米。 该航天器绕爱神运行了一年，然后缓缓降落在其表面。

另一类小物体主要由冰组成，由水、二氧化碳和一氧化碳等冰冻气体组成；这些物体被称为彗星（见图\(\PageIndex{8}\)）。 彗星也是太阳系形成的残余物，但它们是在遥远、凉爽的区域形成并继续（极少数例外）绕太阳运行，这些区域储存在一种宇宙深度冻结中。 这也是更大的冰冷世界的境界，称为矮行星。

图\(\PageIndex{8}\) Comet Churyumov-Gerasimenko（67P）。 这张照片显示，从罗塞塔号航天器上看，Churyumov-Gerasimenko 彗星（又称 67P）在 2015 年接近太阳。 注意气体喷射从固体表面逸出。

最后，还有无数的碎石颗粒，我们称之为宇宙尘埃，散布在整个太阳系中。 当这些粒子进入地球大气层时（就像每天有数百万粒子一样），它们会燃烧，在夜空中产生短暂的闪光，称为流星（流星通常被称为流星）。 偶尔，一些较大块的岩石或金属材料在穿过大气层后会幸存下来并降落在地球上。 任何撞击地面的碎片都被称为陨石。 （你可以在许多自然历史博物馆看到陈列的陨石，有时甚至可以从宝石和矿物经销商那里购买陨石。）

卡尔·萨根：太阳系倡导者

卡尔·萨根（Carl Sagan）是1970年代和1980年代世界上最著名的天文学家，他在职业生涯的大部分时间里都致力于研究行星，并将大量精力用于提高公众对我们可以从探索太阳系中学到什么的认识（见图\(\PageIndex{9}\)）。 萨根于1934年出生于纽约布鲁克林，年轻时就对天文学产生了兴趣；他还将科幻小说归功于他对宇宙中事物的迷恋。

图\(\PageIndex{9}\)卡尔·萨根（1934—1996 年）和尼尔·德格拉斯·泰森。 萨根是泰森成为科学家的灵感来源。

在20世纪60年代初，当许多科学家仍然认为金星可能是一个热情好客的地方时，萨根计算出金星厚厚的大气层可以像一个巨大的温室一样起作用，保持热量并极大地提高温度。 他表明，天文学家在火星上看到的季节性变化不是由植被引起的，而是由风吹的尘埃引起的。 他是许多探索太阳系的机器人任务的科学团队成员，并在促使美国宇航局在先锋号航天器上放置一块带有信息的牌匾，并在旅行者号航天器上放置音频视频记录方面发挥了重要作用，所有这些记录都注定要离开我们的太阳系然后把这些小小的地球科技传送到恒星中。

为了激发公众对行星探索的兴趣和公众支持，萨根帮助成立了行星协会，该协会现在是世界上最大的太空利益组织。 他孜孜不倦而雄辩地倡导需要近距离研究太阳系以及学习其他世界的价值，以便更好地照顾我们自己。

萨根模拟了早期地球的状况，以演示生命的一些基本组成部分可能是如何由我们星球上天然化合物的 “原始汤” 形成的。 此外，他和他的同事们开发了计算机模型，表明核战争对地球的后果将比任何人想象的还要严重（现在称为核冬假说），并证明了持续污染我们大气层的一些严重后果。

但是，萨根最出名的可能是天文学的杰出普者，也是许多科学书籍的作者，包括畅销的《宇宙》，以及几本对太阳系探索的令人回味的致敬，例如《宇宙连接》和《淡蓝点》。 他的著作《恶魔闹鬼的世界》在他于1996年去世前完成，也许是当今印刷中对伪科学和非理性的模糊思维的最佳解毒剂。 他写了一部引人入胜的科幻小说，名为《接触》，这部小说也成为一部成功的电影，但仍被许多科学讲师推荐作为接触其他地方生活的场景，这种情景比大多数科幻小说要合理得多。

萨根也是电视媒体的大师。 他的公共电视连续剧《宇宙》（Cosmos）由13个部分组成，在60个国家估计有5亿人观看，现已成为公共广播史上收视率最高的电视连续剧之一。 一些天文学家嘲笑一位花了这么多时间在公众视野中的科学家，但可以公平地说，萨根作为解释者的热情和技巧在二十世纪下半叶为天文学赢得的朋友比任何人或其他任何人都多。

自萨根去世以来的二十年中，没有其他科学家获得同样水平的公众认可。 也许最接近的是海登天文馆馆长尼尔·德格拉斯·泰森，他跟随萨根的脚步，在2014年制作了宇宙计划的更新版本。 泰森很快指出，萨根是他成为科学家的灵感来源，他讲述了萨根是如何邀请他在康奈尔大学度过一天的，当时他还是个高中生，正在寻找职业。 但是，自萨根时代以来，媒体环境已经严重分散。 猜测萨根能否调整自己的沟通风格以适应有线电视、Twitter、Facebook和播客的世界很有趣。

两个富有想象力的视频介绍了我们一直在讨论的太阳系天体。 肖恩·盖勒特的《我需要一些空间》使用美国宇航局的摄影和模型来展示我们与之共享系统的各个世界。 在更以科幻小说为导向的 Wanderer s 视频中，我们将一些行星和卫星视为未来探险家的旅游目的地，评论摘自卡尔·萨根的录音。

太阳系的比例模型

天文学涉及的尺寸和距离往往远远超过我们的平常经验。 14 亿千米（从太阳到土星的距离）对任何人来说到底意味着什么？ 用比例模型可视化如此大型的系统可能会很有帮助。

在我们的想象中，让我们使用10亿 (109) 的比例因子来构建太阳系的比例模型，也就是说，通过将每个维度除以109系数来缩小实际太阳系。 因此，地球的直径为1.3厘米，大约相当于葡萄的大小。 月球是一只豌豆，在40厘米的距离或稍微超过一英尺的距离上绕着它运行。 Earth-Moon 系统可放入标准背包中。

在这个模型中，太阳的直径接近 1.5 米，大约相当于成年人的平均身高，而我们的地球距离太阳 150 米（大约一个城市街区）。 木星距离太阳有五个街区，其直径为15厘米，大约相当于一个非常大的葡萄柚的大小。 土星距离太阳 10 个方块；天王星 20 个方块；海王星距太阳 30 个方块。 冥王星在其249年的轨道上的距离差异很大，目前刚刚超过30个方块，并且随着时间的推移越来越远。 外太阳系的大多数卫星都是围绕代表外行星的葡萄柚、橘子和柠檬运行的各种种子的大小。

在我们的比例模型中，人类被缩小到单个原子的尺寸，将汽车和航天器缩小到分子的大小。 将 Voyager 航天器送往海王星需要从地球上导航一个单个分子 —— 葡萄朝向 5 公里外的柠檬，其精度相当于蜘蛛网中一条线的宽度。

如果这个模型代表太阳系，最近的恒星会在哪里？ 如果我们保持相同的比例，最近的恒星将在数万千公里之外。 如果你在你居住的城市里建造了这个比例模型，你必须将这些恒星的代表放置在地球的另一端或更远的地方。

顺便说一下，像我们刚才介绍的那样的太阳系模型是在世界各地的城市中建造的。 例如，在瑞典，斯德哥尔摩巨大的环球竞技场已成为太阳的典范，而冥王星则在300公里外的德尔斯博小镇以一座12厘米的雕塑为代表。 另一个太阳系模型位于华盛顿的白宫和国会之间的购物中心里（也许证明它们是天壤之别？）。

太阳系中的名字

在某物有名字之前，我们人类不会感到舒服。 蝴蝶的种类、新元素和金星的山脉都需要名字才能让我们感觉自己熟悉它们。 我们如何为太阳系中的物体和特征命名？

行星和卫星以希腊和罗马神话中的神灵和英雄命名（天王星的卫星有少数例外，它们的名字取自英国文学）。 当德国移民到英国的威廉·赫歇尔第一次发现我们现在称之为天王星的行星时，他想以他的收养国国王乔治三世的名字命名乔治·西德斯（乔治之星）。 但是，这引起了其他国家天文学家的强烈抗议，以至于传统得以维持，并且从那以后一直保持不变。 幸运的是，古代万神殿里有很多小神，所以我们在巨型行星周围发现的许多小卫星留下了很多名字。 （附录G列出了较大的卫星）。

彗星通常以其发现者的名字命名（为彗星猎人提供了额外的激励）。 小行星是由他们的发现者以他们想要的几乎任何人或任何东西命名的。 最近，人们使用小行星名称来识别对天文学做出重大贡献的人，包括本书的三位原作者。

这几乎就是我们对太阳系的研究仅限于地球时所需要的全部命名。 但是现在，我们的航天器已经对许多世界进行了非常详细的调查和拍照，每个世界都有许多需要命名的特征。 为了确保在太空中命名事物保持多国性、合理性和某种尊严，天文学家将批准名称的责任交给了国际天文学联盟（IAU）的一个特别委员会，该机构包括来自每个从事天文学工作的国家的科学家。

这个国际天文学联盟委员会制定了一套命名其他世界特征的规则。 例如，金星上的陨石坑是以为人类知识和福祉做出重大贡献的女性命名的。 木星月球艾奥的火山特征一直处于火山活动状态，以许多文化神话中的火神和雷神命名。 水星火山口纪念著名小说家、剧作家、艺术家和作曲家。 在土星的卫星 Tethys 上，所有长片都以荷马伟大的史诗《奥德赛》中的角色和地点命名。 随着我们进一步探索，很可能发现太阳系中需要命名的地方比地球历史所能提供的还要多。 也许到那时，这些世界上的探险家和定居者已经准备好为他们可能（如果暂时的话）称之为家的地方命名。

你可能会惊讶地发现，行星这个词的含义最近引起了争议，因为我们发现了许多其他看起来不太像我们自己的行星系统。 即使在我们的太阳系中，行星的大小和化学性质也差异很大。 最大的争议涉及冥王星，它比其他八颗主要行星小得多。 发明矮行星类别的目的是包括冥王星和海王星以外的类似冰冷物体。 但是矮行星也是行星吗？ 从逻辑上讲，应该如此，但即使是这个简单的语法问题也一直是天文学家和公众激烈争论的话题。

摘要

我们的太阳系目前由太阳、八颗行星、五颗矮行星、近 200 颗已知卫星和许多较小的天体组成。 行星可以分为两组：内陆行星和外部巨型行星。 冥王星、厄里斯、Haumea和Makemake不属于这两个类别；作为冰冷的矮行星，它们存在于主行星系边缘的冰域中。 巨型行星主要由液体和气体组成。 太阳系中较小的成员包括小行星（包括矮行星谷神星），它们是主要在火星和木星之间发现的岩石和金属物体；彗星，主要由冷冻气体组成，通常在远离太阳的轨道上运行；以及无数较小的宇宙尘埃颗粒。 当流星在穿过我们的大气层后幸存下来并坠落到地球时，我们称之为陨石。

脚注

¹ 环绕恒星的一组行星和其他物体的通用术语是行星系统。 我们的太阳之所以被称为太阳系，是因为我们的太阳有时被称为太阳系。 因此，严格来说，只有一个太阳系；绕其他恒星运行的行星位于行星系统中。

² AU（或天文单位）是从地球到太阳的距离。

³ 我们以水的密度为 1 g/cm3 的单位给出密度。 要获得以 kg/m3 为单位的密度，请将给定值乘以 1000。

词汇表

小行星

绕太阳运行的石质或金属物体，比主要行星小，但没有证据表明存在大气层或与彗星有关的其他类型的活动

彗星

一小块围绕太阳旋转的冰冷和尘土飞扬的物质；当彗星靠近太阳时，它的一些物质会蒸发，形成一大头脆弱的气体，通常是一条尾巴

巨型星球

我们太阳系中的任何行星木星、土星、天王星和海王星，或者其他行星系统中质量和成分大致相同的行星

流星

一小块进入地球大气层并燃烧的固体物质，通常被称为流星，因为它被视为一小闪光

陨石

流星的一部分，在穿过大气层后幸存下来撞击地面

陆地星球

水星、金星、地球或火星中的任何行星；有时月球会包含在列表中