太阳系

有八颗行星、五颗矮行星、超过百颗卫星和数不清的小行星、彗星围绕着巨大的太阳运行。四颗岩质行星在内太阳系形成了一个紧密的“家庭”。穿过小行星带，巨大的气态外行星因为远离太阳的热量而迅速成长。每一个行星的轨道几乎都和地球的运行轨道共面，这个平面被称为黄道，只有现在被认为是矮行星的冥王星是一个例外。

图注：在内太阳系（上图）和外太阳系（下图）图中，圆形的网格代表黄道面，同心圆半径代表行星与太阳的距离，单位为天文单位AU（即地球到太阳的平均距离，大概1.5亿公里）。径向线则标记黄经。其他行星和矮行星的运行轨道和地球轨道平面的位置关系用线条的虚实表示，若轨道在上方用实线表示，在下方则用虚线表示。

太阳系的一切源于45亿年前宇宙中的一团巨大星云。而今天，我们看到的则是一些行星绕着一个再普通不过的恒星周而复始地运行。那么，这个巨大的星云是如何变成今天这个样子的？仔细观察我们熟悉的太阳系，这些问题的线索就在天体的运行规律中：行星的轨道几乎在一个平面上，所有行星的运行方向相同，距离太阳较近的行星都是质量较小的岩质行星，而距离太阳较远的行星都是气态巨行星。从18世纪开始，科学家们就开始致力于解释这些规律，其中对此做出最大贡献的就是法国物理学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（1749-1827）。

据拉普拉斯推测，重力会使一个星云产生一些和早期的太阳系类似的现象。在夜空中，这些像碎云一样的亮斑随处可见，通过望远镜,我们很容易观测到。拉普拉斯提出了这些星云产生一个像太阳系一样的行星系统的过程，这被称为星云假说。时至今日，随着人们对星云假说认识的不断深入细化，星云假说已经成了较为成熟的理论。

要理解太阳系的形成，让我们先来看看产生它的那团星云。和其他星云一样，早期的太阳系也是由大爆炸不久后产生的元素——氢和氦，和少量由大质量恒星合成的元素组成。现代天文学认为，超新星爆发时，附近的星云就会因为受到挤压而产生一些物质更为集中的区域。这些物质集中的区域由于具有更大的引力，使得附近的物质向中心聚集。最终长达数十光年的星云开始破裂并聚集为一些质量更集中的小区域，其中的一小团星云最终形成了我们的太阳系，它被称作原太阳星云。随着气体向中心塌缩，星云开始旋转。对于星云是如何形成行星系统的模型，拉普拉斯认为太阳系的形成过程温和平静，太阳的引力和热辐射造就了整个太阳系，并且太阳系从形成至今变化不大。我们将要看到，在过去的几年中，人们对太阳系形成过程到底有多“平静”的认识有了翻天覆地的变化。

冰与火

当然，引力永远不会消失。在原太阳星云形成之后，引力作用会继续影响整个恒星系统。当系统内部继续坍缩的时候，有两件重要的事情会发生：其一便是星云中大部分物质会向中心聚集并最终形成一颗叫作太阳的恒星；其二便是当物质向中心集中的时候，其转速也将加快，就像滑冰运动员收起手臂的时候转速会加快一样。在这种大部分物质向中心聚集以及其转速加快的情况下，系统内部各种力的作用——引力、压力、离心力甚至磁场作用力——都在发生着变化。这种变化使得没有被吸入初生太阳的物质变得扁平并开始围绕太阳旋转。当整个系统最终形成圆盘的时候，太阳系的雏形便诞生了。

圆盘形成之后，由于附近物质的作用，太阳的温度开始升高。在火星和木星轨道之间，其温度高到挥发性物质，如水、甲烷等无法以固态形式存在。在这个区域以外，这些挥发性物质以固态形式存在，科学家们称两个区域的分界线为“雪线”。而内太阳系的物质不同于“雪线”以外的外太阳系。所以，距离太阳较近的行星被称为“类地行星”，而距离太阳较远的行星被称为“类木行星”。

帮助我们了解早期太阳系形成过程的一个主要工具是大型计算机，即将太阳系中各种力的分布和太阳释放的能量输入加以模拟。前文中对于早期太阳系的描述即基于这些模拟计算。

类地行星

让我们将目光投向类地行星。由于引力和能量的共同作用，内太阳系的挥发性物质几乎全部逸散，内太阳系的行星是由铁、镍、硅酸盐石等高熔点物质组成的。当这些物质围绕太阳运行的时候，它们相互碰撞、挤压，逐渐形成了从石头到山脉大小的岩石，被称为“星子”。这些星子最终聚集在一起形成了行星。

20世纪90年代之前，人们普遍认为行星自形成以来就与现在的轨道和状态相差无几。然而，计算机模拟的结果告诉我们这个模型的偏差，其结果令人惊讶。计算结果表明，内太阳系由数十个月球大小的形成星球的“胚胎”环绕太阳。就像一场不可思议的台球比赛一样，星体的“胚胎”互相撞击、融合，有的发生碎裂，有的小块脱离太阳系。就像我们将要看到的那样，地球的卫星——月球就是由一次撞击形成的，科学家们认为另外一次撞击导致水星的外壳被剥离，仅剩下一个内核，就像我们现在看到的那样。

如果不考虑一些细节的话，这场内太阳系的台球比赛结束之后，内太阳系仅剩四颗行星——水星、金星、地球和火星，就像我们现在看到的那样。

巨行星

与此同时，在“雪线”之外则是另一片景象。由于这里有更多不受干扰行星形成原料，与类地行星相比，外太阳系的星子生长得更快。巨大的质量使得行星吸引周围更多的氢和氦。这些行星即成了所谓的气态巨行星，特别是木星和土星，它们是太阳系内最大的两个行星。

后续的过程和类地行星相比更加复杂。巨行星木星和土星像上面描述的那样迅速成长了起来。显然，下面的两个行星——天王星和海王星形成时间更晚且形成时比现在距离太阳更近。它们同样形成于太阳童年将巨量粒子流吹向宇宙空间的时期，这种外流将太阳系的大量原初氢和氦剥离太阳系。因此，这两个行星的长得更小且与木星、土星拥有不同的化学组分。实际上，为了强调这种区别，它们更多被人称作冰巨行星而不是气态巨行星。

这四颗气态巨行星和剩余的星子一样都在它们各自的轨道上运行，靠引力维持着各自的形状。在大概5亿年之后，木星和土星进入了科学家们称为“2:1共振”的运行状态，即木星每围绕太阳转两圈，土星围绕太阳转一圈。引力对于行星位置的影响是巨大的。海王星的轨道被推向外层，就像一个保龄球一样，海王星冲向了剩余星子组成的原行星盘中。此时太阳系的原行星盘大致延伸到今天天王星轨道的附近，但当这种行星的迁移完成后，一直到现今，冥王星轨道的星子都被清空了。

海王星迁移所产生的另一个影响是使木星更靠近太阳了，这种移动使得木星和火星之间的小行星带发生了扰动。许多物质被射向太阳系外的空间，这些物质也会或多或少分布在小行星带上。这些物质的位置发生变化的结果是在数亿年的时间内，内太阳系的每一个天体都曾经遭受过严重的撞击。科学家们将其称为“晚期重轰击”。时至今日，我们还可以在没有大气的水星和月球上面看到撞击的痕迹，尽管地球上的撞击痕迹可能因风化已经消失殆尽。

无论如何，在过去的数十年中，天文学家逐渐弄清了早期太阳系并不是像拉普拉斯想象的那样平静地逐渐坍缩。但一旦内部激烈的碰撞结束，太阳系就成了一个井然有序，可以预测其走向的地方，这也是我们开始迈出宇宙旅行的第一步。

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地球的形成

人们经常会问科学家们是如何了解数十亿年前地球形成时期发生的事情的。那么就让我们从一个小环节窥探一下整个故事——行星分异出核、幔和壳等结构的过程。弄清行星的形成过程是一个引人入胜的科学探索故事。

故事开始于太阳系刚刚诞生时，太阳系还是一片尘埃云的时候。由尘埃构成的云气中含有一定数量的铪-182原子（铪是一种罕见金属，通常状况下为银灰色有金属光泽的固体）。这些原子核不稳定，会逐渐衰变为稳定的钨-182（钨，主要用于制作白炽灯灯丝），其半衰期约9000年。最为有趣的是，铪-182富集在地壳层中，而钨-182则富集在铁、镍组成的内核中。这就意味着如果钨-182随着铁迅速沉积到内核中，铪-182会留在地幔中并最终衰变，地幔中会出现大量的钨-182。而如果铪-182在完全衰变之后才开始沉积，最终钨-182几乎全部位于内核中。

通过比较地幔中钨-182和陨石中钨-182的含量，科学家们确认了地核形成于太阳系形成后的3千万年。这就是科学家们探索太阳系形成过程中的一个小问题。

年轻的恒星周围，形成行星的尘埃

带内行星

质量较小的岩质行星组成了内太阳系。这些行星都有次生大气（在这些行星形成之后产生），但是水星上几乎检测不到。在水星和月球上都有早期撞击产生的撞击坑，而地球和金星上早期活动的痕迹已经被气候、火山和板块运动磨平了。

图注：带内行星的轨道从灼热的水星一直延伸到寒冷的火星。水星以极快的速度围绕太阳周而复始地运行，其两个半球呈现冰火两重天。灼热的金星被一层能够留住绝大多数太阳能量的大气包裹，具有严重的温室效应。地球所固有的独特位置使得它成了一个适宜居住的地方，水在地球上可以以液态形式存在。也有证据表明，寒冷的火星也曾经有过一段时间是更加温暖舒适的。这些行星在太空时代就已经被研究得较为透彻了，每一个类地行星都已经被宇宙飞船造访并被仔细地测绘过。

火星

与太阳的平均距离：227,900,000千米

近日点：206,620,000千米

远日点：249,230,000千米

公转周期：687日

平均公转速度：24.1千米/秒

平均温度：-65℃

自转周期：24.6小时

赤道直径：6,972千米

质量（地球质量=1）：0.107

密度：3.93 克/立方厘米

表面重力（地球=1）：0.38

已知天然卫星：2颗

最大卫星：火卫一、火卫二

图像来源：火星全球探勘者号

地球

与太阳的平均距离：149,600,000千米

近日点：147,090,000千米

远日点：152,130,000千米

公转周期：365.2日

平均公转速度：29.8 千米/ 秒

平均温度：15℃

自转周期：23.9小时

赤道直径：12,756千米

质量：5,973,600,000,000,000,000,000吨

密度：5.52 克/立方厘米

表面重力（地球=1）：0.38

已知天然卫星：1颗

最大卫星：月球

图像来源：伽利略号轨道卫星

金星

与太阳的平均距离：108,200,000千米

近日点：107,480,000千米

远日点：108,940,000千米

公转周期：224.7日

平均公转速度：35 千米/秒

平均温度：464℃

自转周期：243日

赤道直径：12,104千米

质量（地球质量=1）：0.816

密度：5.24 克/ 立方厘米

表面重力（地球=1）：0.91

已知天然卫星：无

图像来源：麦哲伦探测器

水星

与太阳的平均距离：57,900,000千米

近日点：46,000,000千米

远日点：69,820,000千米

公转周期：88日

平均公转速度：47.9千米/ 秒

平均温度：167℃

自转周期：58.7日

赤道直径：4.879千米

质量（地球质量=1）：0.055

密度：5.43 克/立方厘米

表面重力（地球=1）：0.38

已知天然卫星：无

图像来源：信使号水星探测器

水星 卡路里盆地背侧

水星表面被严重撞击过，但至少40%的表面是平原，因为在历史上它曾经有火山猛烈喷发的时期。

关键词

北部平原：一个平坦广阔的平原

北斋环形山：著名的辐射纹状环形山

德彪西环形山：年轻、明亮的辐射纹状环形山

图注：水星全球拼接图的数据来源于信使号水星探测器最新的研究。科学家们修饰并整合了超过22,000张图片，填补了之前水手10号探测器测绘的不完整之处，得到了这颗行星的完整地图。

水星 卡路里盆地侧

水星的这一侧因卡路里盆地而显得十分重要，平坦的平原显示过去的火山活动。

关键词

卡路里平原：卡路里盆地的平原，太阳系内最大的环形山之一。

贝多芬盆地：为由被喷出的物质覆盖的古老的陨石撞击盆地。

英雄断崖：一个长达300千米的悬崖

图注：水星以环形山著称，其环形山以艺术家、作家、作曲家和画家的名字命名。水星还有断崖、平原、山谷和山脉其他地貌等。

水星是距离太阳最近的行星，这就意味着地球上的观察者总是在太阳附近发现这颗行星。在白天，行星的光芒被太阳所掩盖，所以我们只能当太阳落下后，在黄昏看到这颗行星。这颗星不可能在夜空中升得太高，只是因为在夜晚水星位于观察者的对侧。和金星一样，对于观察者来讲水星也总是以晨星或昏星存在。肉眼直接观测水星的记录可以追溯到公元前14世纪，是亚述人记述的，而到了4世纪，希腊人才意识到他们在清晨和黄昏看到的星实际上是一颗星。

古罗马人给了水星一个特别的称谓，他们将水星命名为跑得很快的众神信使（大概是因为水星在夜空中的快速移动让人想到了这位神的速度）。一个非常有意思的事情就是古巴比伦人将这颗星命名为“拿布”，即神庙中神的信使，大概就是因为同样的原因。

冰火两重天

水星的质量较小，其质量只有地球的5%，其表面的大气也早已在太阳的炙烤下消失殆尽。就像我们的月球一样，水星是一个死气沉沉的世界，内部没有由地质活动引发的造山运动，外部也没有大气侵蚀它的表面。水星的标志和月球一样，有那些很久以前撞击留下的无声见证——环形山。这颗行星每176个地球日绕轴自转一圈，每88天绕太阳转一圈。因此，水星的每个地方白天都面向太阳的阳光，而晚上则暴露在寒冷的空间中。

正如大家所想，水星如此靠近太阳，它表面的温度可以非常高——它面向太阳一侧的赤道可以达到427℃，高于金属铅的熔点。不过大家可能想不到的是，在午夜，水星可以达到-173℃。究其原因，当一个地方进入夜晚的时候，由于没有大气覆盖来维持热量，白天积累的热量迅速辐射到太空中，温度迅速下降。（准确地说，水星表面有一层非常薄的原子，科学家们称之为“外逸层”。这层原子由表面物质挥发而来，最终将飘入空间。）

环形山的世界

和月球一样，水星没有大气，其环形山存在了相当长的时间。其中最大的是卡路里盆地，直径长达1,600千米，几乎可以确定这是来源于一场剧烈的撞击。实际上，在卡路里盆地的正对面是一片被称为“奇怪地形”的丘陵。一些科学家认为这片区域产生于卡路里盆地诞生时的冲击波。水星上很多环形山和月球上的一样，都有一个平整的表面。有一种说法认为，这些平整的区域是因为岩浆的流动所形成的，其岩浆是撞击本身带来的。环形山之间是起伏的山脉，代表着水星现存最古老的地形。这些平原在山脉间纵横交错，可能是水星在冷却的时候表面产生褶皱的原因（你可以想象当苹果干瘪时候上面褶皱）。

水星的剖面图呈现其结构。这颗行星有一个被500-700千米厚的幔层包裹的巨大内核。最外层是100-300千米厚的外壳。

和其他岩质行星一样，水星也是一个充满石头的世界。水星上有微小的磁场，其强度大约是地球的百分之一；可能和地球一样，水星磁场内部也有一个巨大的铁核——大家可以把它想象成一个巨大的磁铁。

实际上，基于下文介绍的探测器所收集的大量数据，科学家们认为水星有一个异常大的铁核，体积占据超过水星总体积的42%。为了解释这种异常的组成，于是一些新的理论诞生了。其中最流行的是，当分化过程结束之后，水星在大约40亿年前的后期重轰炸期被一个巨大的星子撞击。这次撞击使得水星很大一部分较轻的外壳被剥离，剩余中间部分的铁核比例增大；另外一种解释就是水星形成于太阳稳定之前，在水星形成时太阳的剧烈活动将较轻的物质剥离。在这种情况下，水星一开始就形成了一个富含铁的环境。

水星探测器

由于水星距离太阳过近，用地面望远镜观测水星十分困难。事实上，大部分水星细节的信息来源于两个探测器。第一个探测器——水手10号，它在1974年曾到达水星并在其燃料用尽之前三次飞掠水星。现在，这个探测器有可能在绕日旋转，当你阅读这篇文章的时候它正在做着不采集数据的飞掠。

另一个探测器是信使号探测器，2004年发射于卡纳维拉尔角。在造访金星和地球之后，于2008年1月14日第一次飞掠水星。2011年3月18日，它进入水星轨道，开始传回这颗行星表面、地貌和磁场信息细节的数据。它发出了超过70,000张水星表面山脉和环形山的图片。科学家们希望这个探测器能够提供有关水星异常的密度和内部结构的答案。预计2019年，欧洲航天局将会发射一个叫作“比皮科伦坡”的探测器到达水星，代表着下一轮对于水星的探测。

最后，在离开这颗行星之前，我们必须提一下它对于现代科技所做出的贡献。和其他行星一样，水星绕日轨道也是椭圆形的，其距离太阳最近的点叫作近日点。由于其他行星的引力作用，科学家们认为每次其他行星靠近的时候，水星轨道就会有微小的移动——想象一下，每次靠近太阳的时候，水星的椭圆轨道都会移动一小段距离。19世纪末期，计算结果表明水星轨道的移动距离比用简单的引力效应计算结果更大——实际上，水星轨道大约每100年移动43角秒。1915年，爱因斯坦发表了广义相对论。事实证明，广义相对论可以精确解释水星近日点移动的问题。所以，这颗行星成了目前最新引力理论的一个检验工具。

水星的“奇怪地形”

尽管水星肉眼可见，但只有在信使号探测器发射后，我们才能看到水星的细节。水星是一个没有空气的世界，所以地貌一旦形成就不会再被侵蚀。这就意味着这颗行星的历史可以通过从未改变的地貌而得到。

目前水星上最具标志性的特征是卡路里盆地，一个直径长达1,600千米的环形山。形成卡路里盆地的那次撞击发生于38亿年前，大致就是月球因撞击而形成月海的时间。卡路里盆地是太阳系中最大的环形山之一。这次撞击的威力可以从被抛出物形成的1.6千米高的边缘看出。更为有趣的是，在卡路里盆地的对侧有一片被科学家称为“奇怪地形”的丘陵。这片区域就是由形成卡路里盆地的那次撞击形成的。关于这片区域的形成，目前有两种理论解释：一种理论是撞击形成的地震波经过整个水星的传递后在另外一侧聚集，将原有的地貌破坏；另一种理论是撞击抛出的物质在水星另一侧降落，就形成了我们今天看到的不规则地貌。

一次剧烈的撞击形成了卡路里盆地

金星 西半球

在令人窒息的大气之下，金星的地形复杂多变。

关键词

阿特拉斯区：一个早期的熔岩流。

马特火山：金星上最高的火山。

泽米纳冕状物：金星最陡地形中一个半球形地貌。

图注：在令人窒息的二氧化硫云之下，金星的表面无法在轨道上被看到。NASA的麦哲伦计划使用合成孔径雷达技术透过云层以探测其表面。这些数据被采集后立即传回地球，分析其数据即可得到高解析度的模型，并用颜色表示我们从上方看这些金星地貌的样子。

金星 东半球

阿芙洛狄忒高原，大约半个非洲大小，位于赤道区域。

关键词

阿芙洛狄忒高原：金星上一个巨大的高原

麦克斯韦山脉：高达11,000米的山脉

阿耳忒弥斯冕状物：金星上最大的半球形地貌

图注：科学家几乎将金星上所有的地貌都命名为女神或知名女性的名字。其中最大的地貌以重要女神的名字命名（如伊什塔尔高原和阿芙洛狄特高原）。此外，金星上还有其他地貌，如火山、平原和相对较为年轻的环形山等。

做为距离太阳第二近的星球，金星经常被称为地球的“孪生姐妹”。实际上，金星也是和地球质量最接近的行星——它的质量是地球质量的85%。和水星一样，金星也只能在清晨或傍晚被我们观测到。金星的名字也来源于罗马众神。金星是罗马众神中的爱神，很多古老的文明也有相似的观点——如古巴比伦人，将这颗星命名为“Ishtar”，即希望女神。除了月球之外，金星是夜空中最明亮的天体，甚至在城市灯光下人们依然能够看到金星。或许是因为金星实在是太明显了，它也是被误认为是UFO天体次数最多的星球。

金星大致用225天的时间绕太阳一周，但金星的自转却非同寻常。如果我们从太阳系的上方看，太阳系内所有行星的公转方向都是逆时针；绝大多数自转方向与公转方向相同，从上方看同样是逆时针。在太阳系成为日后形成行星的圆盘后，这种自转方式就已经确定了。然而，金星的自转是逆向的而且金星的一“天”长达243个地球日，在所有行星中自转速度最慢。科学家们认为导致金星如此异常的原因是在金星形成时期的一次撞击。

直到20世纪后期，除了知道其和地球相似外，天文学家对金星了解甚少。这是因为金星表面的浓云永远都遮挡着金星本身。后来，20世纪60年代，美国和苏联开始系统地向金星发射探测器，第一步环绕或飞掠金星，然后着陆并探测金星本身。1962年水手2号飞掠金星，并用微波和红外线探测了这颗行星。这时我们才知道金星表面非常热，温度高达462℃，甚至比水星还要热，尽管金星与太阳的距离大于水星。

金星表面的高温让人感到惊异。在20世纪中期的科幻小说中，金星经常被描述成一个温度较高，气候湿润，适合人类移民的地方。但是，探测器传回的初步数据已经足以把金星从太阳系宜居行星的名单中清除。

金星探测器

1966年苏联发射的金星3号在金星上撞击着陆。这次探测的目的是着陆并传回数据，但探测器降落时被金星浓密的大气烧毁。1967年，强度更高的金星4号进入金星大气层并传回数据，但由于降落伞使得其降落速度过慢，探测器在抵达目的地之前电量耗尽。最后，1970年，金星7号以更小的降落伞对抗大气压，成功降落并传回数据。后来又有一些探测器成功着陆，一般都是在被金星表面极端环境摧毁之前，在一小时内传回数据。

1978年，美国先驱者金星探测器使用雷达技术穿透云层，制作了第一张金星地图。随后美国和苏联继续对金星进行探测。1989年，根据麦哲伦号的雷达图，人们制作了前所未有的金星三维表面图。2005年，欧洲航天局发射了金星快车探测器，于2006年进入金星极轨道，此后一直传回金星戏剧性的大气活动。

金星内部剖面图。核心部分主要成分为固态铁，幔层较厚，外壳较薄——大约为地壳厚度的一半。金星浓密的大气导致的温室效应使得金星成为太阳系内最热的行星。

炽热，剧毒，火山林立

金星的大气几乎是纯净的二氧化碳——含量超过95%——其余的部分为氮气。其大气压力约为地球海平面附近的92倍。这种压力就像在地球上1千米深的海平面下一样。也难怪第一个探测器会坠毁。科学家们设想金星早期曾经有海洋，但是在太阳的炙烤下，海洋蒸发殆尽。没有了海洋吸收二氧化碳，二氧化碳的浓度就像火山喷发一样上升。这个星球经历了不可控制的温室效应，最终温度升高到今天这样。

由于金星有浓密的大气，金星上各个地方的温度几乎相等。金星上的风速很低（每小时只有十几千米），但是由于大气过于浓密，在金星表面站立十分困难——想象一下“微风”就像潮水而非微风一样涌来吧。

金星的云主要由二氧化硫和硫酸组成。金星高空的风力强劲，风速高达每小时几百千米，我们现在仍不知道是什么导致了风力如此强劲。金星会下硫酸雨，但穿过大气时即会蒸发殆尽，从未到达金星表面。通过与太阳带电粒子流复杂的相互作用，这些云也产生了微弱的磁场。金星极慢的转速使人们排除了金星形成像地球通过液态铁核形成强磁场的可能性。

据雷达地图显示，金星的地貌基本是由火山塑造的。大约80%的表面是光滑的平原，剩余部分是两片较高的“大陆”。金星表面有167个火山形成夏威夷大岛，比地球上最大的火山还要大。有证据表明，金星上的很多火山依然活跃。

金星的平原上有星星点点的环形山，其中大部分没有被侵蚀。科学家们认为这表明了大约5亿年前，金星经历过一次“地形重塑”事件，岩浆流将旧的表面覆盖，产生了我们现在看到的平原，并为撞击的陨石创造了一个新的表面。这个模型显示，随着时间的推移，金星地面温度逐渐上升，壳层开始松动，大致每亿年左右就会形成一个新的表面。我们没有发现水星上有这种不定期发生的“地形重塑”，不过这表明了太阳系重要的一点：我们遇到的每一个世界都与其他世界迥然不同，这个世界有新的地理环境，新的大气环境，新的现象。如果我们比较金星和我们下一个将要造访的星球——地球，就会发现这个道理的正确性。

地球 西半球

地球是太阳系内唯一一个表面持续变化的行星。

关键词

安第斯山脉：由构造板块俯冲产生

冰岛：大西洋中脊的最北端

太平洋：地球独有地貌——海洋之一

图注：卫星地图为我们提供了地球上湖泊、山脉、沙漠和森林的细节，展示了地球的每一个角落。我们把视角转向从海洋深处窥视，用全球海底地形数据创建一个无法从表面看到的海洋地壳作为代表。

地球 东半球

在东半球，干旱的地区与森林和河谷的绿色形成鲜明对比。

关键词

挑战者号海渊：地球上的最低点，位于海平面下10,971米

喜马拉雅山脉：地球上最高的山脉

南极洲：最冷的大陆，最大的沙漠

图注：尽管人类文明用政治疆界来划分领土并将大陆划分为大洲，但地球本身并无此界限。海洋占据了世界总面积的2/3。陆地的边界代表着现在的海平面高度，但大陆本身在海平面下以山谷和山脊连接。

显然，我们对于地球的了解比对太阳系内其他行星的了解多得多。然而如果把地球当成行星和卫星众多的太阳系内的一员，我们还有很多需要研究的地方。地球与其他世界有什么不同？有两个重要的区别：第一，地球是最大的岩质行星。就像我们将要看到的那样，地球的体积会随着其表面持续不断地移动、变化。第二，地球的轨道位于一个环绕太阳被称为“宜居带”的狭窄地带，宜居带指的是一个液态水可以长期存在于这个星球表面的地方。正因为如此，地球是我们知道太阳系内有生命存在的唯一星球。

在地球形成的最初5亿年时间里，可能会有出入，地球扫清了其轨道附近的碎片。如果有人站在那时的地球表面，他（她）一定会感觉到周围巨大星子的猛烈撞击。科学家们将这个时期称为大撞击时期（注意，这与后期重轰炸期不同，大撞击发生于太阳系形成早期）。每一次撞击都为新形成的行星注入能量，这种能量最终以热的形式表现。最终，地球的每一部分都熔化成液体或者被加热变软到可以自由流动，科学家们仍然对细节有争议。不过，不可否认的一个事实是早期对于行星的加热完成了行星物质的分化过程。密度大的物质，如铁，从表面沉入地球的核心，而密度小的物质则浮在上面，形成了地幔和地壳。就像沙拉酱放置了过长时间一样，地球上的物质也通过自身的重力分成两层。

地球的分化过程产生了我们赖以生存的磁场。密度较大的铁、镍沉入核心，核心的压力足以将这些原子压成固体。在核心的上方，其温度和压力只能使物质以液态形式存在。流动的液体金属核最终产生行星的磁场。

沸腾的地球

刚刚诞生的地球内部有两个热源：大撞击时期留下的余热和岩石中放射性元素的衰变。就像炉子上面的一壶水一样，行星的内部需要将热量传递到表面并辐射出去。也就像那壶水一样，地球“沸腾”了。数亿年前，地幔中的岩石启动了一次循环，热的物质从一个地方上升，冷却并在另一个地方下沉。随着沸腾的持续，在分化过程中已经上升到地球表面之下的较轻的物质被带走，就像溪流上的叶子一样。在最上方是我们称之为“坚实地面”的最轻物质的集合，就像木筏上的人一样在上方漂动。

描述这颗行星内部运作最好的方式，就是想象一壶沸水上面漂着的一层薄油。这壶热水将这层油打碎，创造出一种纵横交错的图案。同样，沸腾的地幔也将这颗行星的表面打成被我们所谓的板块。

板块构造论基于地球的表面随着地幔中岩石的运动而移动的板块构成（构造一词的英文为“tectonics”，与建筑“architect”在希腊文中同源，指建造的过程）。一些板块承载大陆，另外一些不承载大陆，但由于地球内部持续不断地沸腾，这些板块上所有的东西随着板块移动并重构这个星球的表面。比如，曾经有过一个时期，所有的大陆像巨大的项链一样集中在赤道附近，这片聚集在一起的大陆被称为盘古大陆，而其他行星并非如此运转。水星和火星（我们的月球也一样）足够小，在很久之前热量已经散失殆尽，现在已经完全凝固。而对于金星来说，虽然火山的活动是金星的一个标志，但金星依然过小，无法完成板块构造。

地球的剖面图显示地球的中心有一个铁-镍内核，外面是由相同物质构成的液态层。这两层被较厚的地幔和外层的地壳覆盖。

宜居带

地球被天文学家称为恰好最宜居住行星——不冷不热、温度极为精确地落在宜居区域。在过去的40亿年中，太阳的亮度提高了三分之一，在这个过程中，地球总是能够把气温调节到水的凝固点和沸点之间。这也就意味着液态水能够一直在其表面存在。就像我们将要在本章前边看到的那样，液态水的存在被认为是进化出生命的必要前提。假如地球比现在距离太阳更近，或许地球会沿着金星一样的轨迹发展，失控的温室效应会将生命扼杀在摇篮中。假如地球比现在距离太阳更远，或许地球会冻成一个冰球，生命也将不复存在。

每一个恒星的周围都有一个窄带，在这个窄带内行星表面温度在水的凝固点和沸点之间。这个窄带被称为恒星的宜居带（Continuous iy Habitabie Zone，缩写为CHZ）。地球就在宜居带内，这也就是地球上能够诞生生命的原因。

生命的存在改变了整个星球。比如在地球上，大气层内活跃氧气的增加就是生命新陈代谢的结果，许多生命的演生过程打破了岩石，创造出泥土。天文学家们正在其他恒星宜居带上类似于地球的行星上寻找生命的标志。

地图显示了地球的板块。由于地幔的缓慢搅动，板块开始移动，地球内部放射性元素的衰变带来的能量驱动了这种搅动。太阳系所有的行星中，地球的地貌因运动而不断变化。

地球的第一次测量

和我们在小学时学到的内容不同，古人早就知道地球是圆的，到了哥伦布航海的时代，人类已经知道这件事情达千年之久了。实际上，在公元前240年左右，古希腊昔兰尼地理学家，著名的亚历山大图书馆馆长埃拉托色尼就已经完成了第一次地球半径的测量。他知道在夏至的正午，太阳光穿过赛伊尼（今阿斯旺）的一口井，代表太阳直射。与此同时他测量了由亚历山大市已知高度的一根柱子投下的影子。通过这些测量和一些几何知识，他得出了亚历山大和赛伊尼之间的距离是地球周长的1/50。他如何确定这两个城市之间的距离是一个永远的未解之谜，但他首次报道了地球的周长——252,000个赛跑场的长度。

不过问题在于，古代有很多赛跑场的标准长度，就像现在有法定英里（1英里=5,280英尺）和海里（1海里=6,076英尺）一样。所有的体育场都是180米左右——足球场的2倍，埃拉托色尼最可能的测量结果为地球的周长是47,000千米，现代测量结果显示地球的周长接近40,000千米。他可能同样用了这个数据去测量地球和太阳之间的距离。

月球 正面

月球的正面总是对着地球——以广阔灰暗的平原著称。

关键词

阿波罗11号着陆点

亚平宁山脉

风暴洋：月球上最大的平原

图注：作为太阳系内我们最近的邻居，早在古代人们就已经制作了月表地图，月球是我们了解最多的伙伴。地形图显示月球勘测轨道飞行器拍摄的数千张照片的衔接处有马赛克缝隙。

月球 背面

月球的背面总是背对着地球，在太空时代之前人类从未看到。

关键词

阿波罗：巨大的降落试验地。

加加林环形山：以第一位飞上太空宇航员的名字命名

月球南极，可能有水冰

图注：月球的背面满目疮痍，布满了亿万年前就已经形成的环形山，绝大多数环形山以科学家、探险家和宇航员的名字命名。月球整个表面异常干旱，细碎的岩石组成了风化层。

月球，我们从孩童时代就十分熟悉，是夜空中最亮的天体。它每27天多绕地球转一圈同时自转一周。这就意味着它保持一面对着地球。用天文学术语来说，月球已经被地月之间复杂引力和潮汐锁定。我们会看到太阳系的卫星中，这种现象十分普遍。这种复杂的引力作用使得月球以每个世纪4厘米的速度远离地球。

人们对月球的科学研究有很长的历史。古希腊、中国和古印度的天文学家都认识到月光是月亮反射太阳光而来的，而亚里士多德认为月球位于地球和天球之间。公元2世纪天文学家克罗狄斯·托勒密延伸了古希腊天文学家的工作，估算了地月距离和月球的体积，与现代测量结果只有百分之几的差距。

1609年，伽利略用他新制的望远镜获得的信息制作了一张月表地图，显示了山脉、平原和环形山。月球和地球有相似的地形地貌，这件事情使人们开始质疑旧的理论地心说，因为旧的理论认为月球是一个平坦光滑的球面。而在地球上从未看到的月球背面是苏联的月球3号首次绘制出来的，美国和苏联的无人探测器都是在这一年登陆月球表面。

一小步

“冷战”激起的太空竞赛导致了1969年人类第一次踏上月球，当尼尔·阿姆斯特朗从阿波罗11号的梯子上走下去的时候，说出了他那句著名的话：“对一个人来说,那是一小步,对人类来说,却是一个巨大的飞跃。”从科学的角度看，最重要的是在6次登月的过程中，宇航员们带回了380千克用于科研的月球土壤，其中一些可以追溯到太阳系最初的时候。

在1972年阿波罗计划结束之后，只有无人探测器抵达月球。美国、印度、日本、中国以及欧洲航天局在过去几十年间曾经对月球进行探索。

月球的结构

我们现在知道月球和地球一样，都诞生于45亿年前。科学家们曾经对形成过程争论许久。一个基本的问题就是月球的密度明显比地球密度小，是因为月球的铁核非常小。是什么原因使得同样形成于行星云的地球和月亮最终差异如此之大？

月球的剖面图。月球有一个被厚厚的月幔包裹的铁质的体积较小的内核，外面布满岩石的死气沉沉的世界。因为月球没有大气，所以环形山一旦形成，永不消失。

目前公认的理论是在地球形成的初期（分化之后），地球和一个火星大小的天体（分化过程同样已经完成）发生碰撞。这次碰撞剥离了地球一大块低密度的地幔和一些喷射出来的物质，和一些其他天体一起绕着地球旋转。这时，类似于构造岩质行星的吸积过程开始起作用，月球就是这些环绕的天体形成的。虽然月球只是太阳系内第五大卫星，但月球是与它的行星关系最密切的。它的半径是地球的1/4，而质量是地球的1/81。

地球密度最大的部分（铁质地核）并没有对月球的组成做出贡献，这就能够解释为什么地球和月球密度差距如此之大。年轻的月球和地球一样经历了分化的过程，所以内部同样有一个铁质内核，但由于上述原因内核比地球的小得多。月球的正面（地球上能够看到的一面）的主要地貌是占据1/3的广阔黑暗的平原（背面没有多种多样的地貌）。这些平原被称为月海，因为早期的天文学家认为它们是海洋。月球上有大量的岩浆流出，规模最大的一次要追溯到30-35亿年前。月球表面较亮的部分通常被认为是高原，它们较为古老，大致形成于44亿年前，代表着月球冷却时第一批结晶的岩石。月海和高原一起组成了我们熟悉的、在晴朗的夜晚看得到的“玉兔”。

月面

环形山，千百万年来板块运动撞击的结果，点缀着月球的表面。月球没有大气，凝固的世界中没有地质活动，环形山一旦形成便永远存在。于是，今天在月球上便有了成百上千座环形山。

事实上，能够引起月球表面变化的唯一原因是新的陨石撞击。小的撞击破坏了表面的岩石，产生了小的玻璃状的碎片，接合在一起（你可以想象一下潮湿的糯米）。这种物质叫作月壤，除了陡峭的表面，我们还可以在其他任何地方发现。在古老的高原上约10-20米厚，而在月海中约3-5米厚。

因为人们经常设想在月球建立临时基地甚至殖民月球。曾有一段时间，月球上有没有水的问题催生了很多科幻小说。在月球上寻找水最好的地点是月球极地的撞击坑。因为这些地方从来没有暴露在太阳下。2009年，印度第一次月球探索，月球一号探测器找到了月球表面水反射的太阳光。几周之后，美国月球陨坑观测和遥感卫星（LCROSS）投射了一个皮卡车大小的撞击器，从撞击碎片可以看出上面有足够的水来填充一个小型蓄水池。

在离开月球之前，我们不得不澄清几个关于月球的误解：

·没有显著的证据表明，满月之夜进入精神病房的人比其他时候更多。

·没有证据表明月球的背面有外星人的UFO。

·地平线附近的月亮更大是一种视觉错觉。读者可以自己核实一下，当月亮出现在地平线附近的时候记录月亮大小，几个小时之后月亮升高后再对比一下。你会发现两种情况下月亮大小相差无几。

时间与潮汐

每个人都知道潮汐形成的原因是月球的引力在拉海水。但是关于潮汐，有两件稍微复杂一些的事情。一件事情就是一天有两次潮汐而不是一次，另一件事就是潮涨发生于月球位于地平线上而非恰好位于头顶，所以潮汐并不是月球吸引朝向月球那一面的海水那样简单。因为在这种情况下，潮汐每天发生一次而且潮涨应该发生在月球恰好位于头顶的时候。

我们知道月球围绕着地球旋转，但实际上，月球和地球共同围绕着地月之间的一个点，我们称之为质量中心。当地球围绕着质量中心旋转的时候，转动引发的离心力引起了第二次潮涨，这与第一次由于月球重力引起的潮涨正好相反。这就是为什么每天会有两次潮汐。

潮涨发生在月球在地平线附近而非恰好位于头顶，是因为地球上的海洋相对较浅——平均深度只有5千米。这就意味着地球转动的过程中，潮涨不可能一直保持在月球下面，会落后。如果海洋有97千米深，潮涨会延后12个小时，在月球位于头顶之时发生。

火星 西半球

火星是一个充满神奇的世界：高耸的火山、苍茫的峡谷、光滑的平原和破旧的环形山。

关键词

奥林匹斯山脉：巨大的盾状火山

水手谷：一个长达4,000千米，深达8千米的峡谷

克里斯平原：一个有火星曾经被水侵蚀证据的平原

火卫一：这个形状不规则的卫星每3天绕火星一周，距离火星表面仅6,000千米。这个卫星的最长轴只有28.6千米。

图注：这张火星的彩色嵌合影像显示了从轨道上用肉眼看火星的样子。这张照片是由美国国家航空航天局（NASA）的火星环球探测器传回的数千张照片拼成的，火星表面尽是布满岩石的荒凉地带，独一无二的火星红色和火星土壤被标记出来。在极地，凝固的冰盖覆盖了火星的表面，随火星季节的变化增加或减少。

火星 东半球

火星北部比布满环形山的南部更为平坦。

关键词

大瑟提斯高原：较低的玄武岩火山

希腊平原：巨大的深度撞击盆地

北方大平原：含水冰的高度较低的平原

火卫二：火星最小的卫星，距离火星表面23,460千米。天文学家尚不清楚火卫一和火卫二的形成原因，它们可能是被火星引力俘获的小行星，也可能是火星共生的星子碎片被抛射出去的。

图注：两位著名的天文学家——欧仁·安东尼亚第和乔范尼·夏帕雷利。基于他们的观测，19世纪下半叶，他们制作了火星地图。他们用古典神话中的名字为火星地貌命名，确立了国际天文学联合会对火星和大多数太阳系其他天体命名的先例。

火星——距离太阳第四远的行星，是除了地球之外被探索得最多的行星。在科幻小说中，有关火星的描述比其他任何星球都要多。在英文中，火星（Mars）一词代表战神。火星总是有一个红色的表面，因为表面布满了氧化铁（铁锈的主要成分）。火星比地球小，其半径是地球的一半，质量是地球的11%。因为质量较小，火星在很久以前就失去了大气层，现在只有一层主要成分为二氧化碳的稀薄大气。火星表面的大气压大致相当于地球海拔35千米处的大气压力。

火星的自转轴倾角与地球几乎相同，所以这颗红色的行星和地球一样都有四季变化。然而火星上的一年大致相当于地球上的两年，所以每个季节长度也是地球上季节长度的2倍。和地球一样，火星的半球进入冬季之后，其极地是没有阳光的，但在火星的极地，空气中大量的二氧化碳凝固成固态二氧化碳厚壁，即地球上的干冰。当太阳照射极地干冰层的时候，干冰即消失。干冰下面是水冰组成的极冠。火星北半球极冠的水冰比地球上格陵兰岛上的一半略少。

火星的北半球由岩浆流构成，相对平坦，而南半球有古老的陨石撞击坑。现有的理论认为历史上火星曾经有遍布南北半球的海洋——可能是海水蒸发后，由于火星质量过小，已经逸散到宇宙空间。科学家们认为，火星最新形成的海洋在北半球。如果我们移步南半球，在我们进入布满环形山的南半球之前，先要经过一个过渡地带（一位科学家认为这是海滩地带）。

山峰和山谷

火星表面很多显著的地貌只有在宇宙飞船传回的数据中可以看到，与地球上的某些地貌有些相似。有两件事情特别值得关注：火星上的死火山奥林匹斯山脉是太阳系内已发现的最大火山，奥林匹斯山脉高达27千米，大致是珠穆朗玛峰的3倍高；水手峡谷是一个大约4,000千米长、7千米深的峡谷（美国的大峡谷大约为450千米长，2千米深）。

火星上的水

1877年，意大利天文学家乔范尼·夏帕雷利制作了第一张火星细节地图。他用望远镜看到了火星表面的条纹，将其称为“通道”。但在翻译成英文的时候被译成了“运河”，使得人们认为火星上有生命存在。美国天文学家帕西瓦尔·罗威尔继承了夏帕雷利的工作，他的《火星——生命的栖息地》（Mars as the Abode of Life）将火星宜居的观念带入公众视野。罗威尔不但声称看到了运河而且报道了他们如何根据季节填水或排水。

这种看似美丽实际上并不正确的理论在当时传播开来并不时流行了一段时间。火星是已经灭亡的文化栖息地，地球是繁荣文化的栖息地，而炎热潮湿的金星则代表着未来。我们现在知道罗威尔的“运河”实际上是一种错觉，而他的结论是基于人们看到随机组合图片时产生的错觉（可以想象一下罗尔沙赫氏测验）。

火星剖面图。和月球一样，火星也没有地质活动。火星有一个主要由铁构成的固态内核和一个幔层。火星的外壳平均厚50千米，比地球的地壳更厚。

现代火星探索始于1964年水手4号飞掠火星和1971年水手9号获得详细数据。令科学家们最感到惊奇的是宇宙飞船传回了火星的峡谷照片。火星的峡谷就像地球上普通的河流一样。这是我们认为火星表面曾经存在液态水的第一个确凿证据，现在这一观点已经被科学界普遍承认。

公众眼中关于火星探索最大的事件是1976年的海盗1号和海盗2号。火星表面的图片一度成了初期互联网上的大事件，在世界的各大报纸杂志上也可以看到。

1996年发射的火星全球探勘者号是火星探索史上的一次重要事件。在十年环绕火星飞行的过程中，宇宙飞船描绘了一张火星表面的细节图。1997年，第一个机器人索杰纳登陆火星。这是它第一次在其他行星表面漫游，而且工程师为它开发了利用气袋缓冲降落后放气使火星车移动的技术。在一个月的探索之后，索杰纳传回了三批数据，为未来火星探测器的长期任务开了先河。

人们第一次发现火星表面曾经有水流动的证据是人们发现火星南部高地上有沟壑，就像地球上的运河一样。

现代的探索

21世纪，探索火星的探测器组成了一支舰队。除了NASA的计划，欧洲航天局，俄罗斯、中国和芬兰的计划也正在或即将实施。最为引人注目的是在2004年精神号和机遇号两辆火星车登陆火星。这两辆火星车探索了火星的岩石和矿物，确认了曾经有一段时间火星表面有液态水流过。

我们本来期待两辆火星车工作几个月，但两辆火星车竟工作了六年之久——这令建造它们的工程师们也感到十分惊异。科学家们将火星车能够工作如此长的时间与火星表面的沙尘和风暴使得太阳能板表面能够没有沙粒，可以容许火星车全功率工作联系在了一起。2010年，精神号陷入深沙中，在耗费了很长一段时间将它从深沙中解放出来后，精神号成了一个静止的观测站。与此同时，机遇号已经在火星表面行走了至少20公里。

再一次的火星探索是在2011年，火星科学实验室发射。一个名为好奇号、甲虫车大小的火星车，携带了6个国家的科学仪器。这次计划最重要的部分是寻找火星表面的有机分子以确认火星是否曾经或现在有微生物。人们也期待它能够提供确认火星未来是否能够孕育生命的证据。当然，这也是人们殖民火星的前奏和那些科幻小说作者梦想的实现。

好奇号在火星表面巡弋的艺术想象图。好奇号发射于2011年，是NASA迄今为止最先进的火星车，其主要任务是确定火星现在及过去是否曾经有过适宜生命存在的条件。好奇号并不直接搜寻生命的痕迹，而是搜寻火星表面与生命相关的化学和矿物学线索。

火星上的脸

我们或许也需要着手处理一下超市收银员们从小道消息了解到的火星计划的唯一结果——火星上的脸。1976年7月25日，海盗1号宇宙飞船围绕火星公转，拍摄它的姐妹飞船海盗2号的可能着陆点。在这颗行星北半球的“海岸带”，即北部平原与南部环形山的某地，一张低分辨率的照片显示了一张脸正凝视着飞船，四面环绕着埃及式的金字塔。控制中心的科学家笑了——澄清了这是一个错觉——但是NASA一些好事的公务员认为将这张照片传播出去是一个吸引公众对火星探测注意力的一个绝好方案。

于是，笔者猜测，过了几年之后，火星上的脸成了边缘科学的典型代表。比如，我可以想到小报消息头条公开宣布那张脸是摇滚巨星埃维斯·普里斯利。

不过到了1998年火星环球探测器再次造访火星并传回了清晰度更高的照片（光线也不同）。就像预期的那样，这张脸消失了，随后几个任务也得出了相同的结论。尽管这近乎一场闹剧，但火星上的脸已经成为“洛厄尔运河”一类的，那些一厢情愿关于这颗红色星球的幻想。

将太阳系内类地行星和类木行星分成两个区域的是一条环带，即小行星带。在我们开始介绍小行星带之前，我们必须澄清两个误解：首先，小行星带几乎是完全空旷的，而不是大家在电影中看到的那样是一个拥挤的、布满石块的地方。宇宙飞船可以不用考虑小行星的影响飞越小行星带。事实上，太空旅行中遇到小行星的概率已经被证实大约是十亿分之一。其次，小行星带并不是一颗行星发生爆炸的结果——它只有一颗行星碎片的很小一部分质量。行星爆炸的理论在19世纪风行一时，灵感可能来自于氪星，想象中超人的故乡。

第一颗小行星被发现于1801年。由于当时的望远镜拍到了一张点状的小行星照片，这个模糊的类似于恒星的光点就有了它们的名字（小行星英文“asteroid”由希腊文“starIike”而来）。第一颗小行星谷神星就这样毫无意外地被发现了，它是小行星带中最大的，直径大约950千米。谷神星是小行星带中唯一一颗可以通过重力使自身成为球形的天体——它各个部分的引力将其塑造成这个形状——它集中了小行星带大约1/3的质量。准确地说，它是一颗矮行星。其余小行星带上所有天体都是不规则形状的。现已证实有大约200个小行星直径超过100千米，可能有超过一百万颗小行星直径超过1千米。

不是所有小行星都在小行星带中。一些小行星的轨道使得它们进入到火星和地球轨道的内侧——这提高了它们与其他行星发生碰撞的可能性。

小行星带的形成

在太阳系形成的时候，星子聚集过程同样在小行星带发生，与内太阳系类似。如果没有木星，现在小行星带的位置应该形成一颗行星。一种理论是由于大行星引力的作用使得距离较近的星子加速，所以它们要么被木星的引力影响而脱离小行星带，要么互相碰撞而碎裂。无论如何，在木星的影响下，行星无法形成。

事实上，计算模型显示，原初小行星带中的大部分物质在太阳系形成初期的500万年即被抛射出去，其余部分在后期重轰炸期被驱逐出太阳系。在早期，星子中的矿物受到撞击所带来的热量、放射性核素的衰变和与地球结构形成时相同的分化作用的影响。研究这些古老的天体能够为太阳系的形成提供一丝线索。

小行星的探索

从1972年开始，很多探测器——如先驱者号、旅行者号和尤利西斯号探测器——已经成功飞越小行星带，但无一试图拍摄沿途遇到的小行星。从那时开始，我们从飞往其他目标的宇宙飞船上获得了大量图片——如去往木星途中的伽利略号，去往土星途中的卡西尼号。近地小行星会合点（Near Earth Asteroid Rendezvous，缩写为NEAR）在2000年进入了近地小行星爱神星的轨道。2010年，日本隼鸟号探测器经过了为期7年、长达50亿千米的飞行登陆丝川小行星后返回。尽管飞船进入地球大气层时被烧毁，带回小行星样品的样品返回包却在澳大利亚安全着陆。分析结果表明该小行星确实可以追溯到太阳系形成早期。

2007年NASA黎明号的任务于2011年进入灶神星轨道，在2015年继续造访谷神星。它的使命是研究这些天体的一些细节，人们希望了解到更多关于太阳系如何形成的知识。

本书统一按照标准译名规范将crater译为“环形山”，但由于环形山有多种成因，不仅包括流星撞击形成的撞击坑（impact crater），也可能是其他地质活动形成的圆形塌陷地貌，如火山口（volcanic crater），故正文部分只在强调撞击成因时译为撞击坑，其他情况依然按照标准译名规范译为环形山。——译注

目标：地球

6,500万年前的一天，恐龙正在进行它们的日常生活时，一块直径约12千米大的岩石从天空疾驰而过。这颗携带着成千上万倍核武器能量的小行星撞向墨西哥尤卡坦半岛，撞击出了一个直径长达180千米，深达数千米的撞击坑。这次撞击和撞击抛射出来的陨石碎片导致了一系列事件的发生并消灭了地球上2/3的动植物，包括恐龙在内。这是一次大规模的灭绝事件。这次恐龙和其他物种的灭绝只是我们星球历史上发生过的很多事件之一。

更近一些的事情是在1908年，一块直径达数十米的岩石从天而降，在西伯利亚的通古斯河上空发生爆炸。这场冲击估计有千倍于“二战”时期原子弹的能量，将附近距爆炸中心长达70公里的树林夷为平地。

这两件事情凸显了一个重要的事实：地球是太阳系的一部分，偶尔出现的小行星撞击事件提醒了我们这件事情。当你看流星的时候可以验证这一点——那是鹅卵石大小的陨石在空气中燃烧。

事实上，类似于导致恐龙灭绝的小行星撞击事件预计大约1亿年发生一次，而小规模撞击发生频率更高——直径1千米的小行星每7万年撞击一次，而直径140米的小行星每3万年撞击一次。“通古斯大爆炸”事件大约几个世纪发生一次。直径5-10米的陨石大约一年能够进入地球大气层一次，但通常在高空即会爆炸，危害很小（如果有的话）。

2005年，人们开始认识到这些撞击所带来的危险，美国国会指示NASA在2020年前将地球附近90%的可探测小行星、彗星和其他潜在危险物体编目造册（不过由于资金短缺这一计划可能不会如期完成）。这个计划是重要的，因为我们无法假定我们足够幸运，只有发生在人烟稀少地区的撞击才会造成严重影响。如果我们发现一颗小行星瞄着我们过来了，我们会怎么做，我们还不确定。尽管我们曾经在电影中看到这样的情节，然而我们对一颗致命小行星会作何反应，现在仍然只能推测。

撞击地球

带外行星

带外行星中的木星和土星已经被研究得十分透彻。伽利略号探测器让我们更加了解了木星的卫星，并揭示了木星这颗太阳系中最大行星的特征。正在工作中的卡西尼-惠更斯号探测器继续回传着土星及其卫星的数据，并对土卫六（又称泰坦星）格外关注。目前仅有旅行者号拜访过的其他那些带外行星，仍有许多未解之谜。

图注：四颗带外行星和矮行星冥王星的特征是距离远，公转周期长。庞大的木星是最大的巨行星，亦是首颗带外行星，距离太阳5个天文单位以外；冥王星轨道最遥远处距离太阳超过48个天文单位。木星以其巨大质量将小行星带维持在其轨道以内，并且会俘获一些来访的彗星。气态巨行星不像带内行星，它们拥有许多天然卫星，总共超过160颗。

海王星

至太阳的平均距离：4,495,100,000千米

近日距离：4444,450,000千米

远日距离：4545,670,000千米

公转周期：163.84年

平均公转速度：5.4千米/秒

平均温度：-200℃

自转周期：16.1小时

赤道直径：49,528千米

质量（地球质量为1）：17.1

密度：1.64 克/立方厘米

表面重力（地球表面重力为1）：1.12

已知卫星：13颗

最大的卫星：海卫一（特里同）

图片：旅行者二号

天王星

至太阳的平均距离：2,872,500,000千米

近日距离：2,741,300,000千米

远日距离：3,003,620,000千米

公转周期：83.81年

平均公转速度：6.8千米/秒

平均温度：-195℃

自转周期：17.2小时

赤道直径：51,118千米

质量（地球质量为1）：14.5

密度： 1.27 克/立方厘米

表面重力（地球表面重力为1）：0.89

已知卫星：27颗

最大的卫星：天卫三（泰坦妮亚），天卫四（奥 伯龙），天卫二（昂布瑞尔），天卫一（艾瑞尔）

图片：哈勃空间望远镜

木星

至太阳的平均距离：778,600,000千米

近日距离：740,520,000千米

远日距离：816,620,000千米

公转周期：11.87年

平均公转速度：13.1千米/秒

平均温度：-110℃

自转周期：9.9小时

赤道直径：142,984千米

质量（地球质量为1）：317.8

密度：1.33 克/立方厘米

表面重力（地球表面重力为1）：2.36

已知卫星：65颗

最大的卫星：木卫三（伽倪墨得斯），木卫四 （卡利斯托），木卫一（艾奥），木卫二（欧罗巴）

图片：卡西尼轨道探测器

土星

至太阳的平均距离1,433,500,000千米

近日距离：1,352,550,000千米

远日距离：1,514,500,000千米

公转周期：29.44年

平均公转速度：9.7千米/秒

平均温度：-140℃

自转周期：10.7小时

赤道直径：120,536千米

质量（地球质量为1）：95.2

密度：0.69 克/立方厘米

表面重力（地球表面重力为1）：0.92

已知卫星： 62颗

最大的卫星： 土卫六（泰坦），土卫五（瑞 亚），土卫八（伊阿珀托斯），土卫四（狄俄 涅），土卫三（忒堤斯）

图片：卡西尼轨道探测器

木星

木星不像带内行星，它没有遍布环形山、山峦或者峡谷的岩质表面。木星复杂而汹涌的大气层时刻变化着。

关键词

北热带暗条：气体温暖而下降的深色条纹。

南热带亮带：气体寒冷而上升的明亮区域。

大红斑：比地球大的反气旋，形成时间也比地球更早。

图注：美国国家航天航空局（NASA）的卡西尼号飞船在执行研究土星任务的途中拍摄到了这幅超精细的木星拼接照片。来自行星高速自转的离心力导致气态的大气层在极地地区变得扁平而在赤道地区膨胀。狂风在行星表面四处游荡，毫无障碍，因此它们比地球上观测到的大部分事物都要快得多。肆虐了数个世纪的庞大风暴被分成相邻的不同条带——深色而温暖的暗条和明亮而寒冷的亮带。

1 一些赭褐色色调和温暖的暗条通常是在大气层中一些低压气体下沉的区域形成。暗条和亮带碰撞之处，形成大量湍流区域，从而产生了木星大气中高速而剧烈的风暴系统。

2 木星的亮带颜色比较浅，而且比周围寒冷，是高压的上升气体。

3大红斑：大红斑类似于飓风，大小足以容纳三个地球。地球上的风暴是低压气体抬升的结果，然而这个旋涡却是由于高压气体下沉旋转而形成的。大红斑由这颗大质量行星内部的高温所驱动，而且从未遇到固态的地形破坏它的稳定性。这个风暴自从400年前人们使用望远镜观察木星起就一直存在着。

木星的磁层行星周遭的磁场与地球的相似，但强度却是地球的两万倍还多。它从太阳风中捕获带电粒子，形成辽阔而强烈的辐射带。木星磁层的影响类似于地球的范艾伦带，但要强大得多，任何无保护措施的飞船会迅速受到具有破坏性的辐射。

木星是太阳系第五颗行星，亦是最大的一颗行星：木星的质量是其他行星质量总和的两倍半还多。从望远镜中观察，木星非常漂亮，有着色彩斑斓的条纹，还有一群环绕其周围的小卫星。木星作为第一颗气态巨行星，展现了一些带外行星异乎寻常的特性。首先，木星没有真正的“表面”，在木星的大气中降落，就像是陷在了一杯奶昔之中，随着周围环境从气态变化为液态，再变化到泥泞的状态，密度也在逐渐增加。我们不会遇到任何我们可以称之为固体表面的事物，也许只有抵达接近木星的中心，我们才会遇到。

气态行星的第二个特点是：处于巨大行星内部的如此高压之下，行星内部的物质可以被迫变成一种异乎寻常的形式。这意味着气态巨行星的内部结构我们未曾见过。温度亦然：从木星云层顶端最低-148℃的低温，到木星核心大约24,000℃的高温—比太阳表面还要炽热。

金属的海洋

重力测量表明木星可能会有非常小的岩质核心，大概约是地球质量的20-40倍。核心周围是一层被称作金属氢的奇异物质。我们通常认为氢是气态的，或者在非常低的温度下，是通常意义上的液态。木星核心的压力如此之大，以至于原子被迫变成一种具有金属性的流体状态（若你想象不出金属的流体状态，请类比于水银）。金属氢在地球上极其罕见，却是木星举足轻重的组成部分。金属氢壳层外面是通常意义上的液态氢：氢原子由于行星内部巨大的压力而被迫聚集在一起。氢的这两种状态并没有明确的过渡，没有我们可以谓之为表面的分界层。

我们用现有的观点绘制的木星剖视图。木星是不同寻常的，因为它岩质的核心被一层金属氢所包围，在地球上不存在天然的这种物质。它是由于木星内部的超高压力而存在于此的。

暗条和亮带

我们通常看到的“木星”是木星大气层的外部。行星的最外层几乎全部由氢和氦构成（比重分别为75%和24%）。色彩斑斓的条带是由距顶端50千米处相当复杂的云系结构形成的。木星的大气有两类云层：一类是从木星大气深层涌升的物质混合着下层物质，当遇到太阳紫外线的照射时会改变颜色，这就是我们所看见的深色条带或所谓的暗条。另外一类是明亮条带，我们称之为亮带，它有上升的氨冰晶云，视野上遮住了深色的低层。偶然可见的最深层则呈现蓝色。

一般我们会认为，在地球上，不同纬度的风向普遍不同——例如热带地区的风自东向西，高纬度地区的风则是自西向东。木星上亦是如此。然而木星高速的自转（自转周期大约10小时）和巨大的尺寸产生了比地球更多的反转条带。这和我们上面讨论过的复杂的云系动力学，共同揭示了为何我们观察这颗行星会有如此色彩斑斓的条带。

木星云层涡旋的特写镜头，由旅行者1号拍摄，凸显了被称作大红斑的巨大风暴。

契合其行星之王的角色，木星拥有非常强烈的磁场，是地球强度的2万倍。木星的磁场最可能由金属核心的运动形成。强磁场将太阳释放的带电粒子偏转，产生了弓形激波。四颗最大卫星的轨道处在这个磁场的保护区域。

也许木星最引人注目的特征是大红斑——南半球的一个巨大风暴。大红斑最早于1665年被发现，在1831年由天文学家素描记录下来。大红斑非常庞大，以至于将整个地球放入其中都毫无问题。一些理论学家认为它可能是这个行星上的一处永久特征。有意思的是，在20世纪末，天文学家观测到木星上一处兴许是相似的却更小的风暴，被呼作小红斑。

拜访木星

木星在夜空中非常明亮。伽利略在1610年首次使用望远镜观测这颗行星，亦是首次记录这颗行星拥有卫星。许多探测器都会在抵达目的地前飞掠木星，包括发射于2007年飞往冥王星的新视野号。旅行者号在1979年发现，就像所有的类木行星，木星也拥有行星环系。木星的三个环似乎是临近卫星喷出的尘埃形成的。

与木星相关的主要探测器是伽利略号，发射于1989年，在1995年进入木星轨道，之后在1995年释放了一个探测器进入木星大气。探测器在木星大气中下降，并且在它被表面[取气压1巴处作为起算高度(相当于地球的海平面)。—译注]以下153千米处的大气压力摧毁之前上传了几乎整整一个小时的数据。7年里，环绕木星的伽利略号探测器采集了木星及其卫星的大量珍贵数据。2003年，探测器通过精准撞向木星大气而结束了使命，这是为了避免污染其卫星木卫二的任何可能，科学家相信在那里可能会发现生命。

2011年8月，NASA发射了最新的木星探测器—朱诺号，已于2016年抵达木星。这艘太阳能动力的探测器将沿极轨环绕这颗巨行星33周，研究湍动的大气层、磁场和强引力场。

木星遭受重创

天文学史上最壮观的事件之一发生在1994年7月。舒梅克-列维彗星撞击木星（习惯上彗星以发现者命名），让地球上观测到这一宇宙奇观的人们大饱眼福。

这颗彗星于1993年在环绕木星的轨道上首次被发现。计算表明它在一年前就已被行星的引力场捕获并且破裂成碎片。随着碎片将要撞击木星的可能性越来越大，所有天文学家可用的天文设备——无论基地的还是空间的——都指向了这一颗巨行星，期望撞击能够掀起木星的大气层，让科学家们有机会一窥木星的外部云层之下有些什么。

7月16号之后的六天，观测者观察到了不少于21次撞击。伽利略号探测器近距离观察到了发生在行星另一面的实际的碰撞，哈勃太空望远镜则拍摄到了壮观的图像。最初的撞击产生了火球，掀起的木星大气的高度可达地球半径。撞击之后科学家观察到了硫等元素，但是与预期相反的是几乎没有观测到水。科学家仍然在研究碰撞时的数据，完善他们关于太阳系最大行星的理论。

木星的卫星 木卫一

在木星强大的引力和伽利略卫星的挤压推拉之下，潮汐加热使得木卫一成为太阳系中火山最活跃的天体。

关键词

普罗米修斯火山口：大而活跃的火山。

洛基火山口：火山洼地。

马夫伊科火山口：含硫化合物致使木卫一的表面呈橙色。

图注：NASA的伽利略号探测器拍摄到的木卫一的真彩景象，细致描绘了黄色、富含硫黄的地貌以及超过400座活火山。大型火山口是木星地貌的主要组成部分，它们是以神话中火神、雷神或者太阳神的名字来命名的。

木星的卫星 木卫二

科学家们认为，木星以及其卫星的潮汐力作用产生的热量，足以让木卫二冰面之下有液态水存在。

关键词

阿伦混沌：可能位于液态湖泊之上的斑驳区域。

安德洛革俄斯条纹：木卫二的诸多裂痕之一。

皮威尔环形山：白色冰块所包围的年轻的环形山。

图注：伽利略号探测器在执行任务期间所做的这项细致研究，试图收集一些证明木卫二地表下可能存在海洋的证据。大型的线型地貌是冰面的主要组成部分，暗线特征被认为是冰壳的裂痕。

木星的卫星 木卫三

巨大的木卫三是木星的第三颗卫星，也是太阳系中最大的卫星。巨大的木卫三跟水星相比使得水星都相形见绌。

关键词

伽利略区：覆盖木卫三表面40%平坦而含冰的区域。

修女沟槽：覆盖木卫三表面60%槽形或褶皱的区域。

特罗斯环形山：一处撞击坑，木卫三表面的撞击坑都很浅，大概是因为表面是柔软的冰质。

图注：伽利略号探测器还研究了木卫三含冰而遍布撞击坑的表面，本页这幅图描绘了用肉眼观看木卫三时它将呈现的样子。科学家们通过挖掘那些居住在从美索不达米亚到黎凡特也就是肥沃新月地带的古人的神话故事，来命名这颗卫星的地貌特征。

木星的卫星 木卫四

木卫四是太阳系中第三大卫星，亦是遭受陨石撞击最严重的卫星。

关键词

瓦尔哈拉盆地：巨大的、多环的撞击盆地。

高莫坑链：链状撞击坑，也许是同一个天体撞击而成。

布兰环形山：辐射带明亮的撞击坑。

图注：NASA的伽利略号探测器揭示了木卫四岩质的、伤痕累累的表面，这是它激烈演化历史的证据。其地形是用北欧神话中的人物和地点来命名的。

木星拥有至少65颗卫星，多数卫星是不规则的岩块，一些直径只有几千米。这些卫星的共同点是它们都是被俘获的小行星。事实上，只有八颗木星的卫星符合卫星应有的典型形象：形状呈球体并在行星的赤道面上围绕其公转。其中四颗小卫星的轨道距离木星非常近，这四颗小卫星或许是木星环尘埃的来源。在我们来看，最重要的木星卫星是另外的四颗，即伽利略卫星。

木星最大的四颗卫星被称作伽利略卫星，这是因为1610年伽利略将他的设备指向木星系统时，这些卫星首次出现在望远镜的视野中。它们的发现在科学史上起了重大作用：它们的存在对当时盛行的亚里士多德的宇宙观是一种巨大的冲击。亚里士多德认为每个实物都有试图向宇宙中心（在他的体系中是地球）移动的内在性质。当一位17世纪的哲学家观察到苹果下落，他会将下落归因于苹果趋向于宇宙中心的内在性质。但现在出现了伽利略卫星，甘愿完全环绕木星而运动，远离所谓的宇宙中心。也许地球并不如古人所认为的那样，在大尺度体系中占据着重要地位。

无论如何，如今我们观察到的这些卫星，是存在于我们太阳系这个世界多样性的体现。每一颗卫星都是独一无二的，也各有各的故事。事实上，其中的木卫三比水星还要大，倘若它不环绕木星公转而是环绕太阳公转的话，它就会被归类为单独的一颗行星。

按照惯例，木星的卫星都由神祇朱庇特的情人或者后代的名字命名（如果你了解那些神话的话，你会知道朱庇特的那些事儿给我们在列表中提供了可不止65个可能的名字）。对我们而言，了解一下其中两颗最有趣的卫星就足矣了，它们是木卫一和木卫二。

木卫一

看起来像一张比萨饼的木卫一，是伽利略卫星中最靠里的那颗卫星。它比月亮稍大，也是太阳系中第四大的卫星。木卫一表面色彩缤纷是因为它表面有超过400座活火山，喷射出多种硫化物，这些硫化物为表面染上了橙色和黄色。这些火山使得木卫一成为我们已知地质最活跃的天体。

1979年，两艘“旅行者”号探测器飞掠木卫一时所发现火山的存在着实让科学家们感到惊讶。地球上的火山是地幔深处热能涌出的结果，一部分热量是放射性衰变产生的。木卫一实在太小而无法以这种方式产生热能。科学家们很快就意识到除了放射线以外，还可用其他的途径加热这颗卫星。由于其他卫星的引力影响，木卫一的轨道并不是圆形的。因此木卫一到木星的距离在持续变化，继而这颗卫星受到木星的引力也在持续变化。这就意味着木卫一不断地被压缩扭曲，就如同一片被来回弯折的金属一样会变热，这颗卫星也会变热。木卫一大面积的火山就是我们所谓的潮汐加热造成的结果。

木星的卫星木卫一的剖视图。这颗卫星拥有铁镍质的星核，以及延伸至表面的岩石质幔。在木星引力场反复挤压之下，木卫一成了太阳系中火山活动最活跃的天体。

木卫二

木卫二第一眼看上去并不太能吸引我们的注意力。它比月球稍小，平坦的冰面上暗痕交错。

关于木卫二最重要的事，也是未来空间探测的焦点之一，就是构成其表面厚厚的冰层之下，极有可能存在液态水的海洋。木卫二像木卫一一样，轨道为椭圆形，也会受到潮汐加热的作用。计算表明，即使表面温度低至-220℃，潮汐作用所产生的热能足以在冰冻的地表下维持液态水层。由于水可以导电，木卫二穿越木星磁场时，它改变磁场和巨行星周围大量带电粒子的效应，会立刻被伽利略号轨道探测器探测到。木卫二的一些大型撞击坑似乎包含着新近结冰而形成的平坦区域（大概是由于上涌的液态水），再加上伽利略号对卫星重力场的测量结果，种种确凿的迹象表明，木卫二像地球一样拥有大量的液态水。如今的理论是在数十千米厚的冰层之下，有着可达地球上海洋水量两倍的海洋。

当然，这就带给我们关于生命的问题。我们认为地球上的深海热泉口会有生命存在：大概木卫二也会有类似的热泉口，这意味着微生物生命可能也会在那里繁衍生息。更有意思的是，最新的计算表明木卫二表面存在着粒子碰撞的过程，该过程会增加其海洋的氧气含量。这相应地增大了存在更加复杂的生命体的可能性，也许会有类似于鱼类的生命存在。

因此有很多发射探测器到木卫二的提议。计划于2020年发射升空，NASA-ESA（欧洲空间局）合作推动的木卫二-木星系统任务（EJSM，又被称作拉普拉斯）似乎是目前深度探索木卫二的一个计划。未来更深入的探索是一些蓝天计划，发射一些机器人着陆器到木卫二表面，然后凿穿表面的冰层，自行探索那里的海洋。

敬请期待！

木卫二内部剖面图。它是四颗伽利略卫星中最小的一颗，有着金属的核以及岩石质幔。覆盖其上的是水层（可能是液态的），最外面是冰壳。

土星

这颗气态巨行星是我们裸眼可见的最远的行星。

关键词

北温带亮带北区：气体上升的区域。

北温带暗条北区：气体下沉的区域。

赤道：高速自转的土星在赤道地区隆起。

图注：这是NASA的卡西尼号探测器拍摄的照片，可见土星暗淡但清晰的条纹。土星和更大一些的木星类似，大气都被分为亮带和暗条。

1土星上层大气被分为亮条和暗带。亮条和暗带中的疾风由这颗行星高速自转驱动。

2由土星高速自转的速度提供能量，土星上的疾风在以地球上不可想象的速度呼啸。赤道地区测量到的最快的风速超过每小时1,800千米。

3超过每小时35,500千米的自转速度引起土星赤道地区的隆起。土星赤道地区的直径比两极地区之间的距离要多出近12,000千米。

虽然相较木星强大的磁场要弱一些，但土星磁场的强度也是地球磁场强度的许多倍。土星的磁轴和自转轴几乎完全重合，这点在太阳系中很不寻常，科学家们对此还未能做出解释。

土星的卫星 土卫一

小而遍布环形山的土卫一是最靠近土星的卫星。

关键词

赫歇尔环形山：大型撞击坑。

奥赛深谷：土卫一上的众多深谷之一。

廷塔哲链坑：链状撞击坑。

图注：卡西尼号探测器揭示了这颗遍布撞击坑的小卫星。大多数撞击坑是用托马斯·马洛礼爵士的《亚瑟王之死》一书中的人名来命名的。延伸近土卫一直径三分之一的赫歇尔环形山是以这颗卫星的发现者的名字来命名的。

土星的卫星 土卫二

和木星的卫星木卫二一样，含冰的土卫二的地表下也可能存在着液态海洋。

关键词

南极：观测到有羽状的气柱从南极喷薄而出。

迪亚尔平原：辽阔、平坦的含冰区域，使得土卫二表面有着很高的反射率。

安达卢斯沟槽：沟槽的存在意味表面发生过移动。

图注：卡西尼号探测器揭示了土卫二有水从大裂隙中喷出表面。这些水凝结、覆盖在土卫二上，令这颗卫星表面非常明亮。土卫二上的地貌特征以《天方夜谭》一书理查德·伯顿爵士译本中的人名或地名命名。

土星的卫星 土卫三

伤痕累累的小卫星土卫三主要由水冰构成。

关键词

奥德修斯环形山：巨型撞击盆地，几乎跟土卫三的2/5一样大。

伊萨卡深谷：大型深谷，起源未知。

珀涅罗珀环形山：大型环形山。

图注：依据NASA的卡西尼号探测器测出的数据绘制的这幅地图表明，土卫三曾有过地质活动极其活跃的时期。土卫三上的地貌特征由荷马的《奥德赛》一书中的名称命名。奥德修斯环形山是北半球最显著的地貌特征。

土星的卫星 土卫四

土卫四体积很小，表面遍布裂隙和环形山，每2.7个地球日围绕土星公转一周。

关键词

帕拉蒂尼深谷：狭长且边缘陡峭的深谷系统。

伊万德环形山：土卫四表面最大的环形山。

狄多环形山：和埃涅阿斯环形山相称的主要环形山，并在其之上。

图注：依据卡西尼号探测器测出的数据绘制的这幅详细地图中可见土卫四表面遍布环形山。大型冰崖横贯整个东半球。土卫四的地貌特征由维吉尔的《埃涅阿斯纪》一书中的名称命名。

土星的卫星 土卫五

多冰的土卫五是土星的第二大卫星，表面布满了环形山和冰崖。

关键词

蒂拉瓦环形山：大型撞击盆地。

因克托米环形山：年轻撞击盆地，有着清晰的辐射纹。

亚姆希深谷：长的冰谷。

图注：这幅全球拼接地图用卡西尼号探测器测得的数据绘制的。土卫五和土卫三以及土卫四的组成相似，其地表主要是大型环形山和狭长的裂谷。土卫五的地貌特征是用世界各地创世神话中的众神的名字命名的。

土星的卫星 土卫六

土卫六是土星最大的卫星，亦是太阳系中唯一一个拥有大气的卫星。

关键词

上都亮区：多山、多峡谷的地带。

安大略湖：液态烃的浅湖泊。

香格里拉暗区：惠更斯探测器着陆点。

图注：卡西尼号探测器穿透土卫六浓密的大气层，研究这颗独一无二的卫星的地形。土卫六上地貌特征的命名来源多样，但最大的区域——台地区域——是用神话中神圣而奇迹之地的名称来命名的。

土星的卫星 土卫八

土卫八表面被明显分为了亮暗两种色调，这大概是由温度较高的前导半球喷发遗留的暗色物质所致。

关键词

托特罗萨山脉：高达10千米的群山。

安杰利尔环形山：直径500千米的撞击盆地。

卡西尼区：暗色区域。

图注：这幅全球拼接地图是由卡西尼号探测器测得的数据绘制的。暗色区域以土卫八的发现者——天文学家乔凡尼·卡西尼的名字命名，其他地貌特征以《罗兰之歌》多萝西·赛耶斯译本中的名称命名。

土星是太阳系第六颗行星，亦是裸眼可见最远的行星。（晴好天气下，天王星理论上也应裸眼可见。——译注）土星是一颗结构与木星相似的气态巨行星。我们认为它有一个相当于地球10—20倍大小的岩质核，外面被金属氢层包围着。再往外是液态的氢氦混合物，最外层是气态的大气层。相较于木星，土星不那么醒目，尽管土星也有类似（尽管暗淡一些）的条带状云系结构。这些云似乎是由水冰、氨化合物以及氨晶体所构成，厚达数十千米。我们观察这颗行星时所见到的就是这些云。

土星的风是其大气层中的显著特征，有记录的最高风速高达每小时1,800千米。在这颗行星上，还曾突然出现过一个被称为大白斑的短暂风暴系统。这一风暴在每个土星年（约30个地球年）土星北半球夏至前后出现。大白斑和木星的大红斑外观相似，首次于1876年被观测到，此后被断断续续观测到。

土星像木星一样，拥有强有力的大型磁场，因此如地球一般，土星的两极闪耀着极光，这是带电粒子沿着磁力线螺旋运动所致的。

拜访土星

科学家们除了用望远镜观测土星，还发射了不少探测器到土星。1979年至1982年，先驱者号探测器和旅行者号探测器在向太阳系外行进时飞掠了这颗行星，在此过程中发现了一些新的卫星，并识别出土星环的一些新特征。此后，卡西尼号探测器于1997年发射升空，2004年抵达并进入土星轨道。可以说，我们对土星及其卫星还有土星环的绝大部分深入认识都来自卡西尼号探测器，在你阅读至此时，该探测器仍在土星轨道上工作并传回数据。

事实上，科学家们观察土星时，很少关心这颗行星本身，他们更关注土星华丽的环系（我们将在下一部分进行探讨）以及它的卫星。土星和木星一样，拥有一个庞大的卫星家族——迄今已经发现了62颗卫星，其中53颗已有官方名称。和木星的情况类似，许多卫星都非常小，一些卫星甚至直径不足一千米。仅有13颗卫星直径超过50千米。在这些大卫星中，最为科学界所关注的两颗是土卫六和土卫二。

土卫六

土卫六于1655年由丹麦天文学家克里斯蒂安·惠更斯（1629-1695）发现。土卫六略大于水星，是太阳系中唯一拥有明显大气层的卫星，也可能是太阳系中唯一一个我们可以窥见与数十亿年前地球上生命诞生相关的化学物质的地方—这就是土卫六能成为科学探测的焦点的原因。

我们认为土卫六厚厚的冰层之下有着岩质的核，或许还存在水和氨组成的海洋。土卫六的大气层中主要成分是氮气，由于云层的遮挡，我们无法直接从外部窥见其表面，因此像金星一样，直到探测器造访，土卫六才肯露出它的真面目。

土星的结构剖面图，这是我们目前关于土星内部结构的最新认识。像木星一样，土星可能有一颗被金属氢所包裹的岩质核，最外层是由流体的氢和氦构成的。

卡西尼号于2004年7月抵达土星，几个月之后向土卫六的大气层中释放了惠更斯号探测器。（卡西尼号近距离飞掠这颗卫星超过60次。）通过降落伞缓冲成功软着陆之后，惠更斯号探测器传回了土卫六表面的首张图像。令人讶异的是，土卫六的表面看上去竟然和地球表面非常相似！正如一位研究人员所说：“土卫六的陌生之处在于它熟悉得让人感到诡谲。”

事实上，土卫六的赤道地区覆盖着和撒哈拉沙漠一般辽阔的沙丘，还零星散落着岩质山丘，极地地区则是大型的液态湖泊，其中一个比北美五大湖之一的安大略湖稍大，于是就以后者的名称命名。

土卫六和地球的相似之处主要在于以下两点：首先，土卫六非常寒冷，其表面温度徘徊在-180℃左右。其次，在这么低的温度下，一些我们原本熟悉的物质变成了陌生的状态。譬如，水冰和花岗岩一样坚硬，在相对温暖惬意的地球上以气态存在的甲烷，则变成了液态。在观察土卫六的过程中，我们发现，那些熟悉的物理或化学过程，有一些陌生的物质参与其中。

举个例子，土卫六的高层云主要成分是类似甲烷或者乙烷（甲烷的同系物）的烃分子，这些分子和阳光中的紫外线反应生成了雾霾层，就像天气糟糕时的洛杉矶那挥之不去的雾霾一样。这些烃分子所构成的“雨”降落在土卫六表面上，形成赤道地区的“沙砾”。（一位研究者将这种物质比作一堆咖啡残渣。）这些湖泊的主要成分是液态甲烷，这些甲烷就像地球上的水一样，在土卫六的大气中凝结、降雨，以形成一些似曾相识的地表特征。

科学家们关注土卫六是因为烃分子是有机分子，这正是我们认为的与地球上生命诞生有关的分子相似的物质。我们会在讲述彗星那章看到，有机分子的产生是从无生命的物质中诞生生命的第一步。我们希望通过研究土卫六上正在进行的这些过程，来更多地了解40亿年前的地球上生命是如何诞生的。

艺术家想象中的卡西尼号探测器进入土星轨道的场景。卡西尼号探测器发射于1997年，2004年抵达土星，是有史以来最大最复杂的探测器之一。2004年12月，惠更斯号探测器被释放到土卫六的大气层中。卡西尼号探测器是由欧洲16个国家和NASA共同合作研制的探测器，如今仍在环绕着土星进行观测，并继续传输着数据。

土卫二

土卫二是土星的第六大卫星，很早就以其水冰构成的表面为人所知。2005年，卡西尼号在这颗卫星的南极地区观测到间歇喷泉的喷发，间歇喷泉中存在着液态水。就像木星的卫星木卫一一样，土卫二也很可能被土星的潮汐力作用加热。进一步的研究表明，在这颗卫星的冰面之下可能存在液态水的海洋。尽管科学界对地下海洋是否存在仍有争论，但如果真存在的话，土卫二会和木卫二一样成为我们太阳系中生命可能栖息的地方。

漂浮的世界

土星能漂浮在水中

太阳系中的行星密度千差万别，地球密度最大，土星密度最小。任何天体的密度衡量的是它里面能装多少“东西”，或者严格来说，密度就是单位体积内包含多少质量。水的密度是每立方厘米1克，我们通常以此为标准来衡量其他物体的密度。如果把水的密度视为1，那么铁的密度大约是7.9，地球的密度大约是5.5。有趣的是，冰的密度大约是0.92，比水的密度还要小些。这就解释了为什么冰能浮在湖泊和池塘的表面——因为任何密度比1小的物质都会漂浮在水上。

测量行星的密度要求我们先测量出行星的质量和体积，后者要容易一些。如果我们知道这颗行星距我们有多远，它看上去视圆面有多大，我们就可以求出它的半径。据此，我们就可以，并通过简单的几何学知识计算出体积。测量质量要稍稍难一点，但是如果这颗行星有卫星，我们就可以通过观测卫星的轨道计算出行星的质量。

当应用这种办法计算土星的质量时，我们就会发现，土星的体积是地球的764倍，质量是地球的95倍。换算成密度大约是0.69，比水的密度还小，甚至比太阳的密度还小。如果你能找到足够大的海洋，土星肯定能漂浮在上面！

土星光环

从诸多小环到大型光环A环、B环和C环。土星光环被许多大小不一的环缝所分开。

关键词

卡西尼环缝：土星环系中最大的环缝。

土卫十六和土卫十七：小的牧羊卫星（牧羊犬卫星指清空了某个环缝的卫星。最近的研究认为，土卫十六和土卫十七二者中，只有土卫十六才是牧羊犬卫星，土卫十七其实并不是。——译注）。

卡西尼号环平面交叉处：卡西尼号轨道器飞越过的环缝。

土星的光环是太阳系中最华丽的，至少也是最壮观的天体结构。土星光环主要由环绕土星的大块水冰构成。在地球上，只通过小型望远镜就可以观察到它们因为反射太阳光所产生的美轮美奂的景致。和许多太阳系内的天体一样，1610年，伽利略通过望远镜首次发现土星光环。由于他的设备在如今的标准下看起来还比较粗糙，以至于他看到的光环就像是土星两侧的小点一样。他也因此把光环错认为卫星，还一度描述土星长着“耳朵”。直到1655年，丹麦天文学家克里斯蒂安·惠更斯使用了改良的望远镜，才确认这两只“耳朵”就是环绕在这颗行星周围的光环。

尽管如今我们已经知道所有的巨行星都有环系，但土星环仍然是太阳系中最大、最完整的。这些光环自发现之日起，就一直激发着人类无尽的想象。例如，1837年英国牧师托马斯·迪克出版的《天体风景—行星系统所呈现的奇迹，表明神之完美与多个世界》（CeIestiaI Scenery）一书，不仅有着夸张的书名，书中估计居住在土星环上的人口数量高达8,141,963,826,080！

对这位可尊可敬的牧师来说，不幸的是， 18-19世纪的科学计算清晰地表明：土星光环不可能是固态的，像宇宙中的呼啦圈似的，也不可能是液态的。因为在这两种情况下，施加于光环的力就不可能稳定。早期的科学家就知道，光环是环绕着土星的颗粒物的集合。其实，现在我们知道，光环主要是由大小从几厘米宽的冰碎片到数米宽的冰砾构成的。最令人惊讶的事情是，尽管光环看起来非常显著而壮观，但实际上却十分薄。估计光环的平均厚度仅有10米左右，大约仅仅是普通两层楼那么高。

环、小环与环缝

在科学家们了解了一些最基本的环系动力学理论知识的同时，天文学家们利用望远镜发现了一些环的结构。1675年，意大利天文学家乔凡尼·卡西尼（1625-1712）发现这些环并不是单个连续的环，而是在不同的部分之间存在着暗缝。迄今为止，在这些环缝中，最大的一个被称为卡西尼环缝。其实，从地球上观测，光环中有两个主要的环缝，将整个光环分为三部分。这些光环以异常缺乏想象力的方式被命名为A环、B环和C环。尔后一些新发现的环继续按字母表顺序被依次命名到G环，其中一些同时以那些最影响它们的卫星名字来命名。尽管一些微弱的尘埃环距离土星数百万千米，主环则延伸自距离土星中心大约74,000千米至137,000千米的地方。（作为参考，我们的月球距离地球375,000千米远。）

土星光环依据发现顺序按照字母表顺序命名，环缝则以发现它的天文学家名字命名。这些环缝似乎是受到土星许多卫星的引力影响而维持的。

从1980年旅行者号探测器的飞掠，到2004年卡西尼号探测器的抵达，我们对于土星环的了解已经有了很大的提升。现在，我们知道这些光环的结构其实很复杂，成百上千个环缝分隔出许多小环。而这些环缝并不是完全空着的，仅仅是其中的物质极其稀疏而已。这些环缝似乎是受土星卫星一系列的引力影响而维持的。在某些情况下，离土星近的卫星仅仅是清出一条缝隙；而在其他很多情况下，这种过程更加复杂。但总之，维持这些环的结构依赖于这些卫星及其引力的双重影响。

艺术家想象中的构成土星环的冰砾。光环中的这些颗粒实际上十分微小，也就是卵石到巨砾那么大。土星的卫星扮演着牧羊人的角色，因为它们的引力会将这些微粒维持在狭窄的轨道内。

一种可能的例外是所谓的“轮辐”现象，该现象被探测器断断续续地观测到。这是一些在光环上移动的线状特征，线条的明暗取决于阳光从那些“轮辐”上是被反射还是穿透而过。我们认为“轮辐”可能是由在土星表面的风暴中所产生的因静电而悬浮在环面上的细小尘埃微粒组成的。

某颗卫星的残骸？

最后，我们来关注一下如此之大的环系是如何形成的。目前最流行的理论是，这些微粒是一颗古老的卫星遗留下的碎屑。光环中物质的含量和在许多土星现有卫星中发现的相似。该理论的不同说法有，这颗卫星因为距离土星过近或者遭遇了一场碰撞而破碎。如果碰撞理论成立的话，土星光环就可能成为40亿年前太阳系晚期重轰炸期的另一处遗迹。

天王星

遥远而依然神秘的天王星，1986年之后就不再有探测器前去探访。

关键词

北极：到2028年，天王星的北极会正朝太阳。

云：天王星上所观测到的云会向夏季的北半球移动。

大气层的颜色：甲烷吸收红光，使得天王星呈现蓝绿色。

图注：天王星在太阳系中独一无二的是，它的自转轴倾斜了98°。也许这是因为在遥远的过去，有一颗地球大小的天体，剧烈撞击天王星所导致的。这幅旅行者2号拍摄的全球拼接图像中的蓝绿色调是由其大气中的甲烷所致的。

1 天王星的自转轴和公转平面几乎是平行的，因此可以被认为是“躺着”自转的。当天王星公转时，它总有一个极区被阳光照亮，而另外一个极区则是黑暗的。天王星公转一周大约需要84个地球年，所以每个极区都有42年的白昼和紧随其后的42年黑夜。

2 天王星大气层中的甲烷气体吸收了可见光中的红光，因此只有蓝光被反射出来，使得天王星呈现出独特的蓝绿色。

3 尽管被高层云所遮掩，天王星的大气层与木星、土星一样，也是由暗条和亮带所构成。科学家们利用对非可见波段的观测来研究天王星的大气层。

不同于地球的磁轴和自转轴有11°的夹角，天王星的磁轴和自转轴竟然有59°的夹角。另一件令人感到迷惑的事情是，天王星的磁轴并未穿过这颗行星的中心。

天王星的卫星 天卫五和天卫一

小不点天卫五的地形是太阳系中最破碎的地形之一。天卫一也许尚有近期的地质活动。

关键词

维罗纳断崖：诸多峭壁和峡谷中的一个。

阿尔丁冕状物：充满沟槽的地形，可能是由于位于更温暖的冰层之上。

克奇纳深谷：可能是由断层作用形成的峡谷。

图注：由于旅行者号仅仅是飞掠过天王星系，所以探测器只研究得到每颗卫星的南半球。天卫一上的地名取自亚历山大·蒲柏的《秀发劫》。天卫五上的地名则取自莎士比亚的《暴风雨》。

天王星的卫星 天卫二和天卫三

谜一般深色的天卫二有着古老的表面。天卫三是天王星最大的卫星，可能依然有着活跃的地质活动。

关键词

旺达环形山：一个有着诡异的明亮边缘的撞击坑，可能是因为结霜或者撞击沉积物所致。

墨西拿深谷：长达1500千米的峡谷。

胡西雍断崖：400千米长的年轻断崖。

图注：同天卫一和天卫五一样，旅行者号只能观测到每颗卫星的南半球。天卫二昂布瑞尔是蒲柏的《秀发劫》一书中的人物，其地名则是用神话故事里的一些精灵的名字命名的。天卫三的地名取自莎士比亚戏剧中的人名和地名。

海王星

多冰的海王星闪耀着亮蓝色的光，轨道有时在冥王星之外。

关键词

反气旋：大气层中一处曾出现又消失了的大型风暴。

风：高纬度的风以超音速呼啸着。

云带：南半球的云带在近40年的夏季中一直在增加。

图注：海王星只被旅行者号拜访过，这幅海王星的图像就是基于那次测量的数据。在富含氢氦的大气层中，行星内部的热能扰动产生了活跃的天气现象。这里的风极快。

1 海王星的大气层和其他带外行星一样，被分为暗带和亮条。这颗行星独一无二的地方在于，它的风是向东移动的，和海王星的自转轴相反。

2 一些科学家通过研究旅行者号拍摄的海王星照片，认为这个深色点特征并不像木星的大红斑，它不是一个风暴。它的尺寸忽大忽小，可能是大气层中高云层的一处大型空洞。自从哈勃太空望远镜开始观测这颗蓝色的行星之后，这处特征就消失了。

3 旅行者2号飞掠海王星，在1989年8月24日最接近这个行星系。探测器从这颗行星云层上空5,000千米处掠过。几乎所有关于海王星的详细信息都源于这次飞掠。

海王星与木星和土星相似，辐射出的热能比它从太阳那里获得的要多。目前科学家尚未了解其中原因。

海卫一

海卫一是海王星最大的卫星。表面温度只有－240℃的海卫一甚至比冥王星还要寒冷。

关键词

南极：该区域有冰冻的氮和甲烷构成的冰盖。

冰火山：深色条纹可能是冰火山所喷发出的沉积物。

甜瓜形地表：这幅放大的细节图显示了海卫一冰冻而变形的表面。

图注：旅行者号在飞出太阳系的途中飞掠了海卫一，传回了这颗卫星的局部图像。关于这颗卫星的地表特征，科学家用一些与水相关的名称为其命名。冰火山喷发的物质散落在其表面，有些科学家认为喷发出的可能是氮。

我们对于太阳系中最末的两颗行星所知甚少，所探亦甚少。它们可能形成于比现在的轨道离太阳更近一些的位置。尽管彼此相似，但它们和气态巨行星木星和土星迥然不同。天王星和海王星的大气中含有许多天文学家所谓的“冰”的物质，这些“冰”是由水、氨和甲烷混合凝结而成。因此它们还被称为冰巨行星。这些冰巨行星的体积介于类地行星和气态巨行星之间。比如海王星的质量是地球的17倍，却只有木星的十九分之一。

我们认为高空云层之下，天王星和海王星有着相似的结构。它们都有着由氢、氦和甲烷所构成的大气层，越接近表面越稠密。尽管没有明确定义的表面，大气层到了某个面就逐渐过渡为由相同物质组成的高温液态。因为行星内部的超高压使得这些液体非常热；由于距离太阳太远，这与太阳能没太多关联（将这类混合物称作“冰”是天文学术语的习惯，即便它们是一些数千度高温下的高密度液体）。这两颗行星非常靠近中心的位置，是一个约有地球大小的小岩质核心。天王星和海王星如同所有的气态巨行星一样，有许多卫星和环系。

行星的倩影

关于这些冰巨星，最有趣的事情就是发现它们的经过。

其实，天王星在正式被发现之前，就已经被观测到了很多次。但它实在太暗淡了，而且移动得太慢了，以至于人们一直误认为它是一颗恒星。英国天文爱好者威廉·赫歇尔首次意识到这是一个错误，这颗暗淡的移动速度极慢的天体实际上是颗行星。赫歇尔出生于德国，是巴斯一个小教堂的首席风琴手。他在闲暇时间自己制作望远镜并观测天空。1781年3月13日，他通过望远镜看到了一个奇怪的天体。起初，他认为这可能是颗彗星，可之后的计算表明，这颗天体是太阳系中的一颗行星，而赫歇尔也成了有明确记录的历史上第一位发现新行星的人。（赫歇尔想要以纪念乔治三世之名，将这颗行星命名为乔治之星。该名称并不受人们欢迎，但赫歇尔还是从乔治三世那里得到了一生的赞助。）

如今关于天王星的大部分信息，我们都是从旅行者2号探测器在1986年飞掠天王星时获得的。甲烷（天然气）是天王星大气层中第三丰富的成分，它使得这颗行星呈现蔚蓝色。然而，天王星更引人注目的性质是它的自转轴：天王星的自转轴和公转平面近乎平行，其自转轴倾斜了98度，这意味着这颗行星在“躺着”自转，这可能是由这颗行星形成不久后遭遇的一次撞击导致的。天王星环绕太阳公转一周需要84个地球年，因此每个极区会被阳光照射42年，紧随其后的是42年的黑夜。

天王星有27颗卫星，均以莎士比亚笔下的人物来命名，例如天卫一（艾瑞尔）和天卫五（米兰达）。天王星还有13个窄环。

天王星的剖面图。这颗冰巨星比木星和土星要小一些，有一个岩质的核，一个冰质的幔层，外面覆盖着气态的氢和氦。天王星的大气层厚达其半径的20%。

狂风星球

如果说天王星的发现带着点观测上的机缘巧合，海王星的发现则完全是严谨计算的成果。随后在对天王星的再度跟踪观测中发现，实际观测的位置和引力定律所预测的位置开始出现差异。两位青年天文学家，英国的约翰·柯西·亚当斯和奥本·勒维耶，开始各自思考这些偏差是不是因为有另外一颗离太阳更加遥远的未知行星的引力作用。经过一系列复杂的操作之后，柏林天文台的天文学家们将他们的望远镜指向了预测的未知行星所在的方向。终于，1846年9月23日，约翰·伽勒观测并记录到这颗我们如今称之为海王星的行星。

不同于天王星，海王星自转轴的倾角和地球相似，所以海王星四季分明。1989年，旅行者2号在探访了天王星之后继续拜访了海王星，揭示了海王星表面的大型风暴。这些被称作大黑斑、小黑斑以及被偕称为“滑板车”的风暴（“滑板车”是海王星上一片运动很快的、三角形的云的谐称。——译者注），和木星的大红斑外表相似，但它们似乎只持续了几个月而不是数个世纪。海王星有着太阳系中最强劲的风——速度达每小时2,100千米。

海王星如同天王星一样拥有窄环，这些环以一些典型的法文名字命名，例如自由、平等和博爱。

天王星（背景处）及其细环，和它五颗最大卫星示意图。这些卫星从左至右分别是天卫二、天卫五、天卫四、天卫三和天卫一。

海卫一

海王星和所有巨行星一样，有许多卫星（目前已发现的有13颗），但其中有一颗卫星鹤立鸡群。海卫一非常大，比冥王星都大，大到它自身的引力足以将自己塑造成球形。但有趣的是，作为太阳系中的大卫星，海卫一的公转方向和海王星的自转方向相反（天文学家称之为逆行轨道）。这一事实表明这颗卫星并不是与海王星一同形成的，而是在别的地方形成，之后又被海王星俘获的。现在我们认为海卫一像冥王星（我们将在下一部分探讨）一样，其实最初形成于柯伊伯带。科学家认为海卫一有一个覆盖着冻结氮的岩质核心，而且是太阳系最寒冷的天体之一，其表面温度仅仅比绝对零度高约40℃。冻结氮的间歇泉可能会从它的表面喷涌而出。

海王星的剖视图，展现了它地球大小的岩质核，水和氨构成的高密度幔层，以及由氢、氦和甲烷构成的气态大气层。外大气层极其寒冷而多风。

还记得冥王星吗？它曾经是一颗行星。其实，过去很长的一段时间里，学生们学到的都是：冥王星是太阳系中最靠外的一颗行星。然而在2006年，新闻头条突然铺天盖地地报道冥王星被“降级”了。这世界究竟是怎么了？神奇的是，我们可以通过拜访20世纪20年代后期美国堪萨斯州的一处农场来回答这个问题。一个叫作克莱德·汤博的年轻农家男孩，彼时刚刚过了他20岁生日。他用在旧机器中觅得的零件组装成了一台小型的望远镜。汤博用他的新设备观测并绘制了一些火星表面的素描图，然后将这些寄到美国亚利桑那州佛拉格丝塔夫市的罗威尔天文台，想请那里的职业天文学家给予指点。

汤博的素描图给罗威尔天文台的天文学家们留下了深刻的印象，因此他们决定雇佣汤博为助手，请他来到亚利桑那州，交给他的是搜寻X行星的项目。

简要来说，当时人们认为（当然我们现在知道这是错误的）观测到的海王星轨道的偏差，表明在离太阳非常远的地方，应该还有一颗围绕太阳公转的未知行星存在着，一群天文学家称之为X行星。搜索X行星是一个相当简单而乏味的过程。天文学家会每隔几周拍一次相同天区的照片，然后查找有没有像是行星的天体刚好移过。多么无聊的工作，最适合让那些新雇员去做了。

随着时间的流逝，汤博一边拍摄星空（在没有月亮的晚上），一边查看底片。1930年2月18日，当项目进行了6个月的时候，他辛勤的工作终于有了回报。这颗我们如今称之为冥王星的天体现身了，就像行星一样在底片上移动。经过三周的检核工作—这用如今的标准来看，这实在是太漫长了—罗威尔天文台的科学家们正式公布发现了一颗新行星，汤博也成了极少数新世界的发现者之一。遥远而寒冷的新行星有一个和它极其相配的名字，即希腊神话中的冥界之神，这个名字是一位11岁的英国女学生威妮夏·伯尼通过牛津大学联系到罗威尔天文台提议的。

冥王星之谜

然而，不久之后，许多关于冥王星的问题浮出水面。首先，它的公转平面相对于其他行星的公转平面非常倾斜。其次，它的轨道有点诡异，比如在1977-1999年，冥王星到太阳的距离比海王星到太阳的距离还短。最后，1978年的详细观测表明，冥王星有一颗巨大的卫星，这颗卫星最终被命名为冥卫一，意思是冥河上将灵魂摆渡到冥界的船夫。（除了冥卫一，现在我们知道冥王星还有三颗小卫星：冥卫二、冥卫三和一颗在2011年发现的未命名的小卫星。）冥卫一的发现让科学家们可以借此计算冥王星的质量，结果算得冥王星的质量比月球还要小。也就是说，如果你在地球上用体重秤称重显示100公斤，在冥王星上就相当于只显示8公斤了。按照理论，我们预测在那儿本该有一颗气态巨行星，但我们却只发现了一个小的岩质的冰冻世界。因为以上这些因素，在20世纪下半叶，冥王星始终被认为是一个诡异的天体——它就在那里，但没人愿意真正地探讨它。

但谜团还是接踵而来。理论学家通过计算（计算方法将在下一部分介绍）得知，太阳系并不止步于冥王星，而是延伸到一个名为柯伊伯带的岩质残骸环带。我们将在下一部分进行详细探讨，不过这里，我们可以先简单了解一下，帕洛玛天文台的天文学家迈克·布朗。2005年，他发现了一个巨大的类行星天体在冥王星轨道外环绕太阳公转。最终这个天体用希腊神话中纷争与不和女神的名字命名为阋神星，它其实比冥王星还要大。此后，天文学家在柯伊伯带中又陆续发现了几颗类行星天体，我们期待着还能找到更多天体。

类冥天体

现在我们来回顾一下2006年8月在布拉格举办的那次国际天文学联合大会吧！在会议的最后一天，通过投票，冥王星被定为矮行星，虽然2400位参与者中只有400多人参与了投票。此后，所有在柯伊伯带新发现的类行星都被归为类冥天体。这样分类的原因在于，我们将冥王星归入带内行星失败了，最终意识到冥王星其实是属于一个全新的类别。它是第一个类冥天体而不是最后一颗行星，是新的开始而不是结束。

冥王星可能的结构剖视图。哈勃太空望远镜观测的结果表明它的50%-70%是岩质核心，剩下的是冰。在冥王星的低温之下，氮和甲烷这类物质都凝结成固态。

新视野号探测器

2006年，新视野号探测器在卡纳维拉尔角发射升空，2015年7月15日飞掠冥王星。当新视野号探测器飞掠这颗行星时，所有的设备最接近冥王星的观测时间只有一个小时左右（当然在此前后很长时间里也会采集数据）。执行该任务的科学家打趣地把这段时间称作“铂金一小时”（观测站的一位科学家跟我说，NASA理应得到更多的钱而不是黄金）。讽刺的是，在新视野号探测器发射不久，冥王星就被“降级”为矮行星了。它大概是唯一一个原本是为了探索一颗行星，最终却未曾改变航向，而是转而探索一颗类冥天体的探测器了。

艺术家想象中的新视野号探测器邂逅冥王星和冥卫一。该探测器于2006年发射升空，于2015年抵达冥王星。科学家们期待能够在探测器到达时，发现一些下着成分是冰冻甲烷（天然气）的雪，因为冥王星现在离太阳越来越远了。

行星科学家希望新视野号探测器抵达那里时，发现的是一个奇异的天体。它稀薄的大气层由氮、甲烷和一氧化碳构成。随着冥王星的轨道越来越靠近太阳，这些物质由表面冻结的冰升华为大气层中的气体，当它远离太阳时又恢复。1989年，冥王星抵达近日点（距离太阳最近处）后，开始以248年的公转周期远离太阳。当你阅读至此时，冥王星表面可能正下着甲烷雪呢。

除了一些科学载荷，新视野号探测器还带了一些其他的东西，比如一面美利坚合众国的国旗，一枚绘有一架航天飞机发射升空的佛罗里达州25美分纪念币，还有一些其他纪念品。此外，政府部门所做的最酷的决定之一就是，探测器上有一名远离家乡、来自堪萨斯农场的男孩——克莱德·汤博的部分骨灰。

克莱德·汤博

克莱德·汤博和一架1928年制成的望远镜

“我最好还是看下表，这将是一个历史性的时刻。”

1997年我有幸采访到了当时还健在的克莱德·汤博。那时他是位于拉斯克鲁斯的新墨西哥州立大学的荣誉教授。他开着一辆黄色皮卡货车在校园里转悠，戴着一顶棒球帽。这大概就是我采访的那些学生都叫他“酷男”的原因。

汤博跟我讲了罗威尔天文台聘用他的故事（“天哪，连那些扔下的干草都会大吃一惊”），还有发现冥王星时的反应。（“我的天哪。”然后他略带沉重地思考了一下：“我最好还是看下表，这将是一个历史性的时刻。”）

最令我好奇的是在他发现冥王星之后的故事。他意识到自己想要从事天文学工作，于是他以学生身份进入了堪萨斯州立大学。那些教授是如何面对他们班里有一位著名科学家的呢？“我和那些教授关系不错，”汤博回忆说，“但是他们不让我去学天文学导论，害得我少了五个小时的学分！”

晚餐后天朗气清，汤博主动邀请我去看看他后院的望远镜。那真是一段奇妙的经历，戴着皮帽的汤博就像是《指环王》里面的巫师，为我指点一个美丽的新世界。我们观测了月球上的环形山，土星的光环以及木星的卫星。汤博指着这架望远镜如数家珍：“这条轴是从1910年的别克上弄下来的，那个支架是从奶油分离器上弄下来的。”我突然意识到，正是那架望远镜开启他的事业之路，最终引领他发现冥王星！

“你打算把它捐赠给史密松天文台吗？”我问。

他笑了。“他们想要来着，但现在还不行。我还没组装好呢！”

慧星总是个麻烦。在古代，它们的出现被认为是凶兆。举个例子，1066年诺曼人入侵英格兰时，天空中就有一颗彗星出现了。（这颗彗星预示了撒克逊人的灾难，却给诺曼人带来了好运。）在17世纪的科学界，彗星还是一个麻烦。在艾萨克·牛顿所描述的机械宇宙中，行星就像是表针一样有序地运动，合理的自然定律是驱动它们的齿轮。在这个宇宙中，这些在天空中时隐时现的不速之客并没有容身之地。

如今我们对彗星的了解源于牛顿和他的朋友—后来的英国皇家天文学家爱德蒙·哈雷（1656-1742）的一顿晚餐。据说哈雷曾询问牛顿，如果这些彗星是实物，符合牛顿万有引力定律的话，它们的轨道应该是什么样的。事实上，牛顿那时已经解开了这些问题，但是还未将结果发表出来。他告诉哈雷，这些彗星会沿着椭圆轨道穿越太阳系。得知了这些，哈雷检验了26颗彗星的数据。令他惊讶的是，竟然有三颗遵循的是相同轨道。很明显的推断是，这些并不是三颗不同的彗星，而是一颗彗星回归了三次。哈雷认为，一些彗星有着极其椭圆的轨道，它们周期性地接近地球。他预测了这颗特别的彗星，如今称之为哈雷彗星，它会在1758年回归。在那年的圣诞夜，一位德国天文爱好者观测到了这颗彗星。这对于牛顿的机械宇宙来说是一项重大胜利。

此后，史学家们追溯到了公元前240年，他们在中国和古巴比伦的记录上也找到了哈雷彗星的观测记录。这颗彗星上次光临地球是在1986年，而下一次将在2061年。

天文学家弗雷德·惠普尔正借助一个实物模型来描述关于彗核的“脏雪球”结构理论。绘制在黑板上的图表明一些物质正从彗星上升华而出。

脏雪球

如今我们对彗星的最佳描述是美国天文学家弗雷德·惠普尔（1906-2004）在20世纪50年代所提出的。他的理论被赋予了一个耳熟能详的名字——脏雪球理论。该理论被证明是一个较为准确的描述。（后来发射于2004年的罗塞塔号探测器对67P彗星的观测已经更新了这个脏雪球理论，所以现在看来脏雪球理论已经有些粗糙了。——译注）

彗星的核心，就是从直径几十千米的彗星向内几百米以内的地方，称作彗核。彗核主要是混有尘埃和矿物颗粒的水冰，伴有一些令人意想不到的痕量组分，像甲烷和氨，甚至在某些情况下，还含有一些氨基酸之类的复杂分子。

当一颗彗星离太阳非常远的时候，彗核基本上被寒冷的宇宙空间冻得很瓷实。接近太阳后，它就会变热，彗核中的挥发性物质就开始升华。这时就产生了两个新的结构：彗核周围稀薄的大气层（称作彗发）和彗尾，后者是我们最能和彗星联想起来的结构。其实，彗星有两条彗尾。其中一条彗尾的主要成分是彗核处升华产生的气体。太阳风，即从太阳喷发出的粒子，对这些气体施压，吹出这条彗尾。因此，这条彗尾总是指向太阳的反方向。另外一条彗尾是由其表面抛出的尘埃构成的。这些尘埃大多数处在彗星的轨迹上，就像一只满身是泥的狗在客厅地毯上拖出的痕迹。

彗星通常被分为长周期彗星和短周期彗星。短周期彗星的周期短于200年。我们认为它们源于海王星轨道之外，被称为柯伊伯带的地方。我们知道一些长周期彗星的周期长达成千上万年。我们认为长周期彗星的起源更加遥远，是在称作奥尔特云的地方，那是一个冰冷而遥远的天体的聚集之处。

天文学家们记载了数以千计的彗星，大约每年都有一颗离地球很近，裸眼可见。不过它们中的大多数都非常暗淡，极其不明显。大约每10年有一颗彗星会亮到裸眼轻易可见。1997年的海尔-波普彗星就是最近的一个实例。不幸的是，哈雷彗星上次的回归并不引人注目，它仅仅就像是一颗暗淡的恒星，下次的回归亦如此。一颗彗星若想非常明显，它必须在彗尾最亮的时候从离地球很近的地方掠过，这些要求并不那么容易满足。

探测器与彗星

20世纪末，探测器首次造访彗星，有的飞掠彗星，还有一个探测器从彗尾采集了一些物质带回了地球。总共有十多次这样近距离的邂逅，下面我们看看其中两个，深度撞击号和星辰号。

2005年，深度撞击号（之后重新被命名为EPOXI）释放了一个探测器，在坦普尔1号彗星表面撞出了一座环形山。通过追踪那些撞击溅射物，科学家们能够证实彗星表面的尘埃层下面主要是水冰。

星尘号探测器于1999年发射升空，在2004年飞越维尔德2号彗星的彗尾。探测器用特殊的材料采集了彗尾的物质，并于2006年用返回舱带回地球。这次任务的结果在天文学界引起了轰动，因为它们表明彗星内所含的物质颗粒只可能在高温下形成，支持了太阳系形成之初比我们所认为的更加混乱这一观点。

最后，我们需要知道，一些科学家认为那些富含水且混杂着有机分子的彗星可能在早期地球的形成中有着举足轻重的地位。一些科学家认为，地球海洋中的水、甚至生命诞生所需的分子都是曾经的彗星带来的。

若本书付梓于20年前，我们关于太阳系的探讨就会止步于此：冥王星是最外侧的行星。而如今，我们知道这些行星仅仅是个起点，实际上，太阳系能深入到非常遥远的空间，比我们曾想象的远得多。

为了便于理解这意味着什么，我们就需要改变观察所使用的尺度。科学家们常用天文单位（AU）来探讨太阳系中的距离尺度。天文单位是地球到太阳的平均距离，大约1.5亿千米，也就是8光分（1光分表示光在真空中1分钟内所走过的路程，约为17,987,547.48千米。——译注）。使用这个单位测量距离时，火星大约距太阳1.5个天文单位，木星大约是5.2个天文单位，而海王星则大约是30个天文单位。

太阳系从距离太阳大约55个天文单位的海王星，一直向外延伸到名为柯伊伯带的巨大环形结构（想象一下八大行星都在一个甜甜圈的环状内部）。该结构以丹麦天文学家杰拉德·柯伊伯的名字命名，他是在1951年最早计算出该带性质的科学家之一。

柯伊伯带主要由太阳系形成之后剩余的星子构成，一位作家称之为“遗弃物的聚集地”。这个带最有可能是太阳系形成初期原行星盘——天王星和海王星向外迁移到如今轨道后残存的遗迹。如今它只是当初的一部分，总共质量还不到地球质量的10%。自1992年以来，科学家利用望远镜，已经在柯伊伯带发现了超过1000个天体，而且有望发现更多。现在看来，冥王星是被发现的第一个柯伊伯带天体，而不是最后一颗行星，另外我们认为海王星的卫星海卫一是一个被俘获的柯伊伯带天体。

一个名为泛星计划（全景巡天望远镜和快速回应系统）的巡天项目仍然在用望远镜进行观测。它始于2008年，使用一台坐落在夏威夷海勒卡拉山顶的望远镜进行观测。泛星计划的首要任务是定位那些对地球有潜在威胁的小行星和彗星。它带来的副产品是绘制了一幅天空中暗弱天体的详尽星图，包括柯伊伯带天体。

柯伊伯带外面的“甜甜圈”则是由离心率高的天体所构成的稀疏区域，称作（黄道）离散星盘，向外延伸大约100个天文单位。离散星盘中的天体不像柯伊伯带天体有着稳定的轨道，它们的轨道可以进入30个天文单位以内，这时它们就会受到海王星的引力作用。我们认为大多数短周期彗星最开始都源于离散星盘。

矮行星

提到柯伊伯带，就不能不提那些在海王星轨道外发现的天体。其中一个是阋神星，它比冥王星大些，实际上属于离散星盘。天文学家迈克·布朗和他在帕洛玛天文台的团队于2005年发现了这颗矮行星，最开始人们用电视人物齐娜作为其昵称。目前阋神星距离太阳大约97个天文单位，远在柯伊伯带以外，是目前已知太阳系最遥远的天体。

另外一个神奇的发现是矮行星赛德娜。2003年，赛德娜由布朗的团队发现，比冥王星略小，却有着诡异的轨道。目前距离太阳88个天文单位的赛德娜，轨道半径从未小于过76个天文单位。因此，它的轨道离行星和柯伊伯带都非常遥远。天文学家们算得它到太阳最远的距离达到惊人的975个天文单位，比我们现在探讨的任何天体都要遥远。这件事让布朗相信，赛德娜可能根本就不是来自离散星盘，而可能是首个奥尔特云天体。这就将我们引入太阳系的最后部分。

奥尔特云

1950年，丹麦天文学家扬·奥尔特认为太阳系的边缘有一处彗星的聚集区。他的论据非常简单明了：彗星不可能一直存在着，它们每次光临太阳或者受行星的引力影响时都会损失一些质量。奥尔特认为，直至今日我们还能观测到彗星的事实就说明，一定有一个地方在不断形成新的彗星，那个地方应当位于冥王星之外。

如今我们认为这处聚集地是太阳系边缘的一大片云，并将其命名为奥尔特云。它延伸自几千个天文单位直至至少50,000个天文单位，兴许更远。奥尔特云有两部分，内部是延伸至20,000个天文单位的环形部分，外部是稀疏的球层。我们认为奥尔特云是原行星盘剩余的部分。该盘中的天体可能在离太阳更近的地方形成，但在40亿年前太阳系大变革时期向外迁移到了如今的位置。

艺术家想象中的柯伊伯带中的类冥天体赛德娜，在这里，遥远的太阳就如同一颗明亮的星星。我们从望远镜中看到的赛德娜表面就是红色的，但是这幅想家图中画在轨道上的这颗卫星尚未得到证实。

奥尔特云也许是那些周期超过200年的长周期彗星形成之处。1997年，光临地球的海尔-波普彗星就是一个长周期彗星的近期实例。神奇的是，哈雷彗星也是。尽管它现在是一颗周期约72年的彗星，但我们认为它源于奥尔特云，之后受行星的引力影响变为了如今的短周期轨道。多数彗星的周期短于200年，这就是所谓的短周期彗星，我们认为它们源于离散星盘。

由于其遥远而神秘的特点，关于那些更大的可能来自奥尔特云的天体的起源有许多天马行空的想法。一些人认为它们是从一颗路过的恒星的奥尔特云中被俘获的。至此，我们已经探索完自己的宇宙后院，这是我们的第一层“宇宙”。下面开启恒星世界之旅吧！