太阳系

太阳系形成于大约46亿年前,由一团旋转的星际气体和尘埃云在引力作用下坍缩而成。太阳位于其中心,是一颗中年主序星,拥有整个系统总质量的约99.86%。几乎所有其他天体都围绕太阳运行,组织成一个相对平坦的平面,称为黄道面,这是原始星云坍缩并扁平化成盘状的几何结果。

太阳系按同心圆带状区域排列。距离太阳最近的是四颗小型岩质类地行星:水星、金星、地球和火星。在它们之外是主小行星带,随后是两颗气态巨行星木星和土星,两颗冰巨星天王星和海王星,然后是一条称为柯伊伯带的冰质残留物带。更远处,延伸到数万个天文单位,是假想的奥尔特云,一个被认为是长周期彗星来源的球形冰质天体壳层。

太阳系拥有国际天文学联合会承认的五颗矮行星,以及数百颗围绕行星和矮行星运行的天然卫星。这些天然卫星中包括围绕地球运行的月球,它已成为一个多世纪以来集中科学研究的目标,并且仍是地球之外唯一有人类踏足过的世界。连同数十亿颗较小的小行星、彗星和流星体,这些天体填充了行星之间的空间。

整个系统嵌入在日球层中,这是一个由太阳风形成的磁化气泡,抵御着星际气体。太阳风最终在对抗中失败的边界称为日球层顶,从等离子体物理学的实际意义上讲,它通常被认为是太阳系的边缘。在它之外是星际空间,旅行者1号和旅行者2号探测器正在那里航行。

关于太阳系起源的主流科学理论是星云假说,该假说认为太阳系在约46亿年前从一团巨大的、缓慢旋转的气体和尘埃分子云中凝结而成。该云的局部区域,可能受到附近超新星冲击波的触发,在自身引力作用下坍缩。在坍缩过程中,角动量守恒使云层旋转加快并扁平化成一个旋转的原行星盘。盘中心变得足够致密和炽热,点燃了氢聚变,形成了年轻的太阳。

在盘内,微小的尘埃和冰粒相互碰撞并粘在一起,通过静电力然后引力逐渐积聚成数百米然后数千米直径的微行星。微行星合并成原行星,原行星继续沿其轨道清扫碎片。盘内的温度梯度解释了为什么内太阳系产生了致密的岩质富金属世界,而外围区域由于挥发性冰可以凝结,产生了被广泛卫星系统环绕的巨大气态和冰巨星。

行星形成后,来自放射性衰变、残余吸积能量和引力收缩的内部热量驱动了分化:较重的金属下沉形成铁核,较轻的硅酸盐上浮形成岩质地幔和地壳。内行星的最终组装过程非常剧烈。一个称为后期重轰炸期的阶段,大约在41亿至38亿年前,大量小行星和彗星撞击年轻世界,在水星、月球和火星上留下了至今仍可见的撞击坑记录。其他假说,包括捕获模型和木星与土星早期迁移的大远足情景,是对星云图景的修正而非替代,仍是月球与行星研究所等机构的活跃研究领域。

太阳是一颗G型主序星,一颗由核心氢聚变成氦提供能量的黄矮星。每秒钟,它将约6亿吨氢转化为氦,释放的能量逐渐穿过辐射区和对流区向外传递,最后从可见表面或光球层以阳光的形式逸出。太阳年龄约46亿年,正处于其预期主序生命周期的大约一半,之后预计将膨胀成红巨星,最终以行星状星云的形式抛出外层,留下白矮星残骸。

光球层上方是色球层,再往外是日冕,这是一个稀薄但极其炽热的外层大气,温度达数百万度。日冕是太阳风的来源,太阳风是向四面八方流动的连续带电粒子流,在整个太阳系运行的日球层内开辟出空间。太阳的磁活动遵循约11年的周期,其特征是太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射的数量和分布变化。太阳风暴可能干扰卫星运行、电网和地球上的无线电通信,这就是为什么美国国家航空航天局和空间望远镜科学研究所等机构使用地面和太空观测台持续监测太阳的原因。

四颗内行星是小型岩质富金属世界,具有固体表面、稀薄大气或根本没有大气,以及很少或没有卫星。水星是最小的行星,也是距太阳最近的行星,几乎没有大气层,经历极端的温度波动,从当地正午约430摄氏度到夜间约零下180摄氏度。其布满陨石坑的表面保留了早期太阳系撞击的记录。金星比地球稍小,笼罩在由二氧化碳和硫酸云组成的浓密大气中。金星上的失控温室效应使表面温度达到约464摄氏度,热到足以熔化铅,尽管水星离太阳更近,金星仍是太阳系中表面温度最高的行星。

地球是第三颗行星,是已知唯一承载生命的世界。它拥有氮氧大气、丰富的液态水、活跃的板块构造、强大的内部磁场和一颗大型天然卫星。其表面约71%是海洋,气候由大气圈、水圈、冰冻圈和生物圈之间的相互作用塑造。火星是第四颗行星,大小约为地球的一半,拥有稀薄的二氧化碳大气、明显的极地冰盖、季节性沙尘暴,以及太阳系中最大的火山奥林匹斯山,高出周围平原约22千米。火星的机器人探索正在进行中,美国国家航空航天局、欧洲航天局、印度空间研究组织和中国国家航天局运营的轨道器、着陆器和漫游车都在调查该行星的地质、气候历史和过去微生物生命的可能性。

木星是太阳系中最大的行星,质量是所有其他行星总和的两倍多。它主要由氢和氦组成,没有通常意义上的固体表面;其可见的云层在巨大深度处转变为金属氢层和致密的核心。木星最著名的特征是大红斑,这是一个比地球还大的反气旋风暴,至少从19世纪以来就被持续观测到,尽管近几十年来明显缩小。该行星拥有95颗或更多已确认的卫星,包括伽利略·伽利莱在1610年发现的四颗大型伽利略卫星:木卫一,太阳系中火山活动最活跃的天体;木卫二,在冰壳下拥有全球性地下海洋;木卫三,太阳系中最大的卫星,也是已知唯一能产生自身磁场的卫星;以及木卫四,一个布满陨石坑且地质平静的世界。

土星是第六颗行星,是一颗气态巨行星,以其壮观的环系统而闻名,环由水冰颗粒组成,大小从微米到数米不等。环的厚度相对于其宽度非常薄,目前被认为在地质时间尺度上相对年轻。土星拥有146颗或更多已确认的卫星,是所有行星中最多的,包括土卫六,太阳系中第二大卫星,也是唯一拥有浓厚大气的卫星,以及土卫二,一颗小型冰质卫星,通过南极附近的裂缝从地下海洋喷出水冰和有机分子羽流。美国国家航空航天局和欧洲航天局联合的卡西尼-惠更斯任务于2004年至2017年运行,改变了对土星系统的理解。

天王星和海王星形成了一个独特的行星亚类,称为冰巨星。与木星和土星不同,它们含有比例上多得多的水、甲烷和氨,这些挥发性物质被行星科学家称为"冰"。天王星由威廉·赫歇尔于1781年发现,是第一颗用望远镜发现的行星。它的极端轴倾角约98度使其显著,导致该行星在绕太阳运行时侧身翻滚,使每个极点经历长达数十年的持续阳光照射,随后是长达数十年的黑夜。天王星拥有一个微弱的环系统和28颗已知卫星,其中几颗以威廉·莎士比亚和亚历山大·蒲柏作品中的人物命名。

海王星是第八颗也是最远的行星,在被观测到之前就通过数学预测了。1846年,乌尔班·勒威耶和约翰·柯西·亚当斯根据天王星轨道的异常独立计算出其位置,不久后在柏林天文台用望远镜确认。海王星是一个深蓝色世界,拥有在太阳系任何地方测得的最强风速,速度超过每小时2,000千米。它拥有16颗已知卫星,其中最大的海卫一以逆行方向运行,被认为是从柯伊伯带捕获的天体。1977年发射的旅行者2号仍然是唯一访问过任一冰巨星的航天器,两者都是美国国家航空航天局、欧洲航天局和日本宇宙航空研究开发机构提议的未来旗舰任务的优先目标。

2006年,国际天文学联合会通过了行星的正式定义,要求天体围绕太阳运行,质量足够大以使其自身引力将其拉成近乎圆形,并清除其轨道周围的其他天体。一个新类别"矮行星"被创建,用于满足前两个标准但不满足第三个标准的天体。国际天文学联合会目前承认的五颗矮行星是位于主小行星带的谷神星;柯伊伯带已知最大天体冥王星;与冥王星大小相当的离散盘天体阋神星;以及较小的柯伊伯带天体妊神星和鸟神星。

冥王星的重新分类仍是公众和在较小程度上科学界争论的话题,冥王星从1930年发现到2006年投票一直被视为第九大行星。一些行星科学家,包括美国国家航空航天局新视野号任务团队成员,该任务于2015年飞越冥王星,主张采用更广泛的、基于地球物理学的行星定义,这将恢复冥王星的地位并将许多其他天体添加到列表中。加州理工学院地质与行星科学系等机构进行的调查已经确定了数十颗进一步的候选矮行星,随着对外太阳系更深入的望远镜调查的进行,这一数字预计还会上升。

太阳系包含约290颗已确认的天然卫星或称月球,分布在行星和矮行星之间,随着新的小型和遥远卫星被探测到,这一数字几乎每年都在上升。在八大行星中,水星和金星没有卫星,地球有一颗,火星有两颗名为火卫一和火卫二的微小类捕获天体,四颗巨行星加起来占已知所有卫星的绝大多数。地球的月球是太阳系中第五大天然卫星,也是人类亲自访问过的地球之外唯一的世界。

木星的伽利略卫星包括木卫三,其直径大于水星行星,是已知唯一能产生自身磁场的卫星,以及木卫二,其地下海洋使其成为寻找地外生命的主要目标。土星的卫星土卫六拥有浓厚的氮-甲烷大气、液态甲烷和乙烷的地表湖泊和河流,以及类似地球上水循环的碳氢化合物循环。同样在土星的土卫二,从地下海洋通过南极附近的裂缝主动喷射水和有机化学物质。海王星的海卫一是一颗被捕获的柯伊伯带天体,具有地质活动,冥王星的卡戎相对于冥王星如此之大,以至于两者围绕冥王星本体外的共同重心运行,这种配置有时被描述为双矮行星。除这些主要天体外,数百颗小型不规则卫星,可能是被捕获的小行星和彗星,在遥远的、通常高度倾斜和逆行的轨道上围绕巨行星运行。

在火星和木星轨道之间是主小行星带,一个环形区域,包含数百万个岩质和金属天体,从尘埃颗粒到矮行星谷神星,后者占该带质量的约三分之一。小行星是从未凝结成行星的微行星的幸存残余物,它们的生长受到木星引力影响的阻碍。在主小行星带之外,两大群称为特洛伊群的小行星与木星共享轨道,聚集在引力稳定的L4和L5拉格朗日点。近地天体是轨道使其接近地球轨道的小行星和彗星,由美国国家航空航天局行星防御协调办公室和包括欧洲航天局在内的合作伙伴组织持续跟踪。

彗星是小型冰质天体,当太阳加热使其表面冰升华时释放气体和尘埃,产生熟悉的彗发和彗尾。短周期彗星的轨道周期少于约200年,通常被认为起源于柯伊伯带和相关的离散盘。长周期彗星遵循高度拉长的轨道,周期为数千到数百万年,被认为是被过往恒星和银河系潮汐从遥远的奥尔特云引力扰动出来的。流星体是较小的岩质或金属碎片;那些进入地球大气层并燃烧的是流星,幸存到达地面的碎片是陨石。2013年发生在俄罗斯车里雅宾斯克地区上空的车里雅宾斯克空爆,以及1908年发生在中西伯利亚的更大规模通古斯事件,提醒人们撞击仍在发生,并且仍是包括美国地质调查局天体地质科学中心在内的机构认真研究的主题。

海王星轨道之外是柯伊伯带,一个广阔的盘状冰质天体库,从距太阳约30至50个天文单位延伸。柯伊伯带以荷兰裔美国天文学家杰拉德·柯伊伯命名,是大多数短周期彗星的来源,包含大量小型冰质世界,包括矮行星冥王星、妊神星和鸟神星。离散盘是一个相关且动力学上更活跃的种群,其轨道可以延伸到数百个天文单位之外,包括矮行星阋神星,可能是所谓半人马小行星的来源,这些冰质天体目前正穿越巨行星区域。

远在柯伊伯带之外,在距离约2,000到可能200,000个天文单位的范围内,是假想的奥尔特云,一个巨大的大致球形冰质天体壳层,被认为是长周期彗星的来源。奥尔特云是一个理论构想。还没有奥尔特云天体在原位被直接观测到,但其存在是从长周期彗星轨道的统计数据推断出来的。一些研究人员还提出在遥远的外太阳系存在一颗未被发现的大质量行星,有时称为第九行星,以解释遥远柯伊伯带天体轨道中明显的聚集现象;这一提议仍然是推测性的,是包括加州理工学院和麻省理工学院地球、大气与行星科学系在内的团队正在积极搜索的主题。

对太阳系的系统性机器人探索始于20世纪50年代末,并在20世纪下半叶迅速加速。先驱者10号和先驱者11号探测器分别于1972年和1973年发射,成为首批穿越小行星带并访问木星和土星的航天器。美国国家航空航天局于1977年发射的旅行者1号和旅行者2号任务完成了对外太阳系的大巡游。旅行者2号仍然是唯一访问过天王星和海王星的航天器,两艘旅行者号都已穿越日球层顶进入星际空间,从太阳磁泡之外传回数据。

后来的旗舰任务包括1995年至2003年在木星的伽利略轨道器、2004年至2017年在土星的卡西尼-惠更斯任务,以及新视野号,它于2015年7月首次近距离飞越冥王星,并于2019年飞越小型柯伊伯带天体天涯海角。火星从20世纪70年代起就被一系列不间断的轨道器、着陆器和漫游车探索,包括美国国家航空航天局的勇气号、机遇号、好奇号和毅力号漫游车,它们在火星表面总共运行了数十年。朱诺任务自2016年以来一直在环绕木星运行,贝皮科伦坡号作为欧洲航天局和日本宇宙航空研究开发机构的联合任务正在前往水星的途中,欧洲航天局的JUICE航天器正在前往木星冰质卫星。

太阳系探索日益国际化。除美国国家航空航天局和欧洲航天局外,重要的行星任务还由日本宇宙航空研究开发机构执行,其隼鸟号和隼鸟2号探测器从两颗小行星带回了样本;印度空间研究组织,其月船任务和火星轨道探测器任务使该机构成为主要的行星参与者;以及中国国家航天局,其嫦娥计划已在月球正面和背面着陆,其天问一号任务在火星上放置了一辆漫游车。美国阿尔忒弥斯计划旨在让人类重返月球并建立持续的月球存在,作为最终载人探索火星的一步,这一目标以各种形式得到多个国际合作伙伴的共同支持。

太阳系是银河系中估计2,000亿至4,000亿个行星系统之一,银河系是我们的宇宙家园,一个棒旋星系。太阳位于一个称为猎户臂或猎户支的次要螺旋特征中,距银河系致密中心区域约26,000光年,大约位于银河系中心和可见盘边缘的中间。太阳及其世界家族每225至250百万年绕银河系中心运行一次,这段时间有时被称为一个银河年。在太阳系的整个历史中,只过去了大约20个银河年。

太阳目前位于本地星际云内,这是一个位于更大、更热结构本地泡内的温暖、弥散气体的小区域。距太阳最近的恒星是比邻星,一颗距离约4.24光年的红矮星,已知至少拥有一颗地球大小的行星,位于可能存在液态水的区域。了解太阳系如何融入这个更大的银河系背景是空间望远镜科学研究所、英国皇家天文学会和史密森尼国家航空航天博物馆等机构的活跃研究领域,它提供了比较系外行星系统发现的框架。从这个意义上说,太阳系既深刻熟悉,又是银河系中正在进行的无数类似实验之一。

所有CountryReports内容的详细引文、数据参考和机构来源列在来源页面上。以下航天机构、研究中心和科学机构是我们关于太阳系内容所依赖的主要权威机构。每个链接都指向该机构的主页。

航天机构

• 美国国家航空航天局太阳系探索 — 来自美国国家航空航天局的任务页面、行星数据和教育资源。
• 美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL) — 许多行星机器人任务的运营者,包括旅行者号、卡西尼号、火星漫游车和朱诺号。
• 欧洲航天局(ESA) — 欧洲航天局涵盖水星、火星、彗星、太阳和木星冰质卫星的科学计划。
• 日本宇宙航空研究开发机构(JAXA) — 隼鸟号小行星样本返回任务的发起者和贝皮科伦坡号的合作伙伴。
• 印度空间研究组织(ISRO) — 月船月球任务、火星轨道探测器任务和正在进行的行星计划。
• 中国国家航天局(CNSA) — 嫦娥月球计划、天问火星任务和外行星探索计划。

研究中心和天文台

• 美国地质调查局天体地质科学中心 — 行星制图、命名和撞击危害研究。
• 月球与行星研究所(LPI) — 行星科学学术资源,包括太阳系形成参考著作。
• 空间望远镜科学研究所(STScI) — 哈勃和詹姆斯·韦伯太空望远镜的科学操作,包括太阳系观测。
• 麻省理工学院地球、大气与行星科学系 — 行星内部、大气和小天体研究。
• 加州理工学院地质与行星科学系 — 外太阳系天体和第九行星假说的许多研究所在地。

博物馆和专业协会

• 史密森尼国家航空航天博物馆 — 关于太阳系探索的展览、陨石收藏和公众教育材料。
• 国际天文学联合会(IAU) — 天文学命名的权威机构,以及定义行星和矮行星类别的组织。
• 英国皇家天文学会 — 行星科学和天文学同行评审期刊和出版物。

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