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行星
來源:互聯網

行星(Planet)通常指自身不發光,環繞著恒星天體,其公轉方向常與所繞恒星的自轉方向相同,行星需要達到一定的質量,才能通過自身引力成為球形,且清空軌道附近的小天體,而自身不能發生恒星的核聚變反應。2006年,國際天文學聯合會行星定義為:在環繞太陽的軌道上運行;具有足夠質量來克服剛體應力以達到流體靜力平衡的形狀(近于球體);必須足夠大,以至于它的引力能夠清除其軌道附近的近鄰天體。關于行星定義的爭議仍未完全消除,特別是圍繞如何處理像冥王星這樣位于邊緣區域的天體,天文學界仍在不斷討論中?!靶行恰保≒lanet)一詞,來自希臘語,意思為“游蕩”。

行星起源于太陽周圍散布的塵埃顆粒,它們經過不斷碰撞、合并融合最后形成行星。太陽系中的行星可分為類地行星(近日行星)和氣態巨行星遠日行星)。類地行星富含巖石、金屬;類木行星則是氣體(氫氣、氦氣等)占比更高。行星以橢圓軌道繞太陽運行,其周期的平方與其距太陽平均距離的立方成正比。大多數行星都有大氣層。類地行星的巖石表面上有相對稀薄的大氣層,氣態巨行星的大氣層則非常深厚。八個行星中,木星磁場最強,土星海王星以及天王星也擁有比地球強的磁場,水星磁場非常微弱,火星幾乎沒有磁場。類木行星由于自身引力較大,所以衛星數量比類地行星多。

科學家采用了多普勒效應探測法以及相互關技術對行星進行探測。截至2024年9月,已經認證約5756顆系外行星,候選體約11000例。銀河系中存在至少有與恒星數量級相同的行星數量,為千億顆量級,因此已發現的系外行星僅是冰山一角。在探測器方面,有金星一號、勇氣號火星探測器、航行者號、卡西尼號、新野號等。它們不僅收集了有關行星的地質、磁性和化學成分等數據,還發現了許多矮行星,以及太陽系外行星。歷史上發生過許多與行星有關的事件(水星凌日、火星大沖、小行星爆炸、行星對齊等)。研究行星可以幫助人們更進一步了解地球以及尋找其他可以支持生命存在的星球。

定義

行星的定義

國際天文學聯合會于2003年第25屆大會之后,執行委員會組建了一個由7人組成的行星定義專業委員會。這個新建的組織經過兩年的研討,于2006年7月向第26屆大會鄭重提交了一份 《行星定義 》決議草案,并于8月24日大會通過了 “行星系科學委員會”修訂的《行星定義》和《冥王星定義 》共兩個決議。

《行星定義 》包含了行星的定義 、矮行星的定義和太陽系小天體的定義:

冥王星定義 》:根據行星的定義,冥王星是矮行星,又是外海王星天體的一個新類型中的原型。

系外行星的定義

國際天文學聯合會于2001年頒布了系外行星的定義,并在2003年進行了修改。其表述如下:

命名

“行星”這個詞可以追溯到古希臘人,他們相信地球靜止在宇宙的中心,而天空中的物體則圍繞地球旋轉。希臘語“asters Planetai”的意思是“流浪的星星”,它描述了與數周和數月相比,在天空中移動的微小光線比星星更引人注目。當時,這些流浪之星相當于水星、金星、火星、木星土星。原本的行星一詞還包括月亮和太陽,但不包括地球;現代科學意義上的“行星”源自1630年代的英語。

第一批行星是由大約5000年前生活在美索不達米亞地區(今伊拉克)的蘇美爾人首次命名的。后來人們根據每個行星的特性用羅馬和希臘眾神的名字為其命名。地球太陽系中唯一一顆不以希臘羅馬神命名的行星。文藝復興時期西方學術界使用的名字是Tellus Mater或Terra Mater,拉丁語為“大地母親”,即古羅馬宗教和神話中的大地女神。

一些羅馬人遵循從美索不達米亞傳入希臘埃及的信仰,巴比倫人選擇將一周中的每一天分配給公認的古代七顆行星之一(后來希臘人和羅馬人也采用了同樣的制度),因此,他們以火星、水星、木星金星土星,以及月亮和太陽(最初被認為是行星)的名字來命名這七天。

天文學家用非常古老的符號來表示太陽、月亮以及其他行星,水星的符號來自神話中水星的保護神商業之神墨丘利的拄杖;金星的符號是維納斯的手鏡,代表著愛和美;火星的符號是戰神瑪爾斯的矛和盾,他是火星的保護神;木星的符號來源于其保護神朱庇特,朱庇特的希臘名字為宙斯(Zeus),于是木星的符號為Zeus第一個字母Z的草寫;土星的符號是命運之神的傳統屬性“時間鐮刀”的扭曲圖像。這些符號從9世紀起開始使用。天王星海王星的符號要晚很久,因為這兩顆顆行星中最早被發現的天王星也是在18世紀才被發現。天王星的符號是在一個圓上畫出一個H,以紀念其發現者威廉·赫歇爾(Herschel);海王星的符號是海神波塞冬三股叉

七曜又稱七政、七緯、七耀,是中國古代對日(太陽)、月(太陰)與金??(太白)、木(歲星)、水(水星)、火(熒惑)、土(填星、鎮星)七大星座的一種總稱,?是古人觀測天文現象的重要指標。這七個星球在《黃帝內經》中亦常有出現。以日、月為陰陽,其它五星代表五行。這五顆星不是隨便定義和命名的,古人仰首觀天時,這五顆星在人頭頂均衡的分面在東、南、西、北和中五個位置,相應于地上五行,并相互影響,其演變規律相同,因此得名?!妒酚?·天官書》中記載:"天有五星,地有五行。"

《尚書·舜典》記載:“在璇璣玉衡以齊七政?!?a href="/hebeideji/8051094979556216859.html">孔穎達注疏:“七政,其政有七。于璣衡察之,必在天者,知七政謂日月與五星也。”

西漢時代,《史書·歷書》記載:蓋皇帝考定星歷,建立五行,起消息,正閏余,于是有天地神祇物類之官,是謂五官。

發現歷史

早期發現

巴比倫文明

對于行星的發現,?已知的最早??(公元前1600年,巴比倫)文字記錄,內容涉及行星觀測及其運行軌道,日、?月全食發生的時間,以及其他天文現象。人們發現天空中的絕大多數星星仿佛構成一 幅固定不變的圖畫,隨天穹周而復始地轉動著。這些固定的星星叫作“恒星”。同時有5顆亮星卻總是在眾星構成的圖形間游移不定, 沿著復雜的路徑在群星之間自西向東徐徐穿行。古人所知的5顆行星,就是水星、金星火星、木星土星。

古希臘羅馬天文學

根據古希臘天文學家的說法,地球宇宙的中心。月球、太陽、恒星和五顆已知的行星——水星金星、火星、木星和土星——繞地球旋轉。這種宇宙觀被稱為“地心宇宙論”。希臘人還發現行星并不總是朝同一個方向移動。有時它們會放慢速度、停下來,甚至向西移動一段時間(幾周到幾個月),然后再恢復通常的向東方向。他們將這種向后運動稱為“逆行運動”。

為了解釋行星的運動,佩爾加的阿波羅尼烏斯提出了本輪和均圓的理論:每顆行星都圍繞一個稱為本輪的圓運行,而本輪的中心在另一個稱為均輪的圓上圍繞地球運行。這兩種運動都以均勻的速度進行,當行星靠近地球時,在本輪的內部,就會發生逆行。

中世紀天文學

公元前300年左右,薩摩斯島的天文學家阿里斯塔克斯第一個提出日心宇宙論:太陽是宇宙的中心而不是地球。但是在那個時期有關地心說的已知證據與該理論相悖,所以很少受到關注。直到16世紀,波蘭天文學家尼古拉·哥白尼重新審視了這個想法。哥白尼注意到水星金星總是在太陽附近的某個地方,而火星、木星土星則可以在半夜看到。于是提出“日心說”:行星都繞著太陽轉動,地球也是一顆繞著太陽運轉的行星;月亮是地球的衛星,直接繞著地球轉。行星離太陽由近到遠的次序為: 水星、金星、地球、火星、木星和土星。太陽同它的全部“隨從”一起構成了太陽系。但大多數中世紀晚期和文藝復興早期的天文學家不接受哥白尼的日心說。

快速發展

16世紀末,站在哥白尼一邊的伽利略·伽利雷用望遠鏡觀測木星,發現了四個明顯圍繞木星而不是地球運行的衛星。他還發現金星有相位,而且新月相位的金星比凸月相位的金星大得多——這與地心說的觀點相悖。1610 年,他在《星空信使》上發表了他的發現。

17世紀初,德國天文學家約翰尼斯·開普勒(Johannes Kepler )發現了行星運動三定律,然而開普勒并不明白行星為什么會這樣運動。半個多世紀后,艾薩克·牛頓(Isaac Newton)又在探究這些定律的基礎上發現了萬有引力定律。原來,行星之所以像開普勒描述的那樣運動,是由于它們與太 陽之間的萬有引力在起作用。

1781年,威廉·赫歇爾(William?Herschel)發現了天王星。約翰?·柯西?·亞當斯(John?Couch?Adams)是英國的一位天文學家和數學家,他在1843年預言海王星的存在。1846年,德國天文學家約翰?·戈特弗里?德?·伽勒?(Johann?Gottfried?Galle),?根據法國數學家奧本?·?尚?·約瑟夫奧本·勒維耶(?Urbain?Jean?Joseph?Le?Verrier)的計算,證實了海王星確實存在。

鼎盛時期

小行星的發現

1801年元旦之夜,意大利天文學家朱塞普·皮亞齊(Giuseppe Piazzi)發現了 “谷神星”(這是第一顆被發現的小行星),并根據提丟斯-博德定律定義其為行星。谷神星比其他七顆行星小得多,即使是當時最強大的望遠鏡也無法觀測到其視圓面。后來隨著海王星的發現,提丟斯-波德定律被推翻。天文學家威廉·赫歇爾于1802年首次創造了“小行星”一詞后,人們又相繼發現了3顆小行星智神星、灶神星和朱諾星。到1845年,柏林的業余天文學家卡爾·亨克 (Karl Hencke) 又發現了第五顆小行星義神星(Astrea),其視星等為10等。1847年又發現了三顆小行星,此后每年都有新的發現。整個19世紀發現了數百個小行星。后來天文學家根據“行星爆炸論”將這些小天體與彗星、行星衛星歸為一類。

1930年初,美國的洛厄爾天文臺的員工湯博發現了冥王星,21世紀以前,冥王星都被算作大行星,隨著柯伊伯帶區域的發現,人們對冥王星的身份提出了質疑。2006年國際天文學聯合會發布了冥王星為矮行星。

荷蘭裔美國天文學家杰拉德·柯伊伯(Gerard Peter Kuiper)于1951年推測從海王星軌道外側直到離太陽上百天文單位處,還散布著巨量的小天體。這個區域稱為“柯伊伯帶”。2002年研究人員發現一個直徑可能超過600千米的外海王星天體,取名 Quaoar。最后被劃歸為小行星一族,編號為50000, 中文名定為 “創神星 ”。 2003 年,又觀測到另一個海外天體,暫時名2003UB12 ,后取名“塞德娜 ”(Sadna)。直徑估計超過1000千米,軌道十分扁橢,近日距76天文單位,遠日距960天文單位,公轉周期11500地球年,經過爭議后,可能歸屬是柯伊伯帶天體。同年,又發現一個暫時名為2003UB313的天體,發現者于2005宣布,根據初步測定,直徑約2400千米,近日距38天文單位,遠日距97天文單位,公轉周期560地球年 。同時宣稱,它是第十行星,并取名 “齊娜 ” (Xena)。但是究竟如何歸屬,說法不一 。2006年9月13日,國際天文學聯合會將其正式命名為Eris(漢語為閱神星)。到此確定的矮行星冥王星、 閱神星、谷神星妊神星鳥神星

系外行星的發現

20世紀90年代,隨著太空望遠鏡的出現,天文學家通過對一些恒星進行觀測研究,發現了疑似系外行星的“伴星”,天文學家認為這些伴星可能是圍繞恒星公轉的太陽系外行星。1992年,亞歷山大·沃爾茲森與弗里爾探測到脈沖星PSR1257+12 脈沖到達時間存在周期性的變化,從而發現了圍繞著這顆毫秒脈沖星公轉的2顆質量分別為4.3M⊕ (M⊕ 表示地球質量)和3.9M⊕的伴星PSR 1257+12c、 d;在后續的觀測中,亞歷山大·沃爾茲森又發現了另外1顆質量為0.02M⊕的行星PSR1257+12b。1995年,梅厄與 迪迪?!た迤?/a>通過監測一批K型和G型矮行星的視向速度變化,發現了第一顆圍繞類太陽恒星公轉太陽系外行星飛馬座51b;這項重大的發現意味著系外行星探索時代的開始。

2000年,亨利等人與沙博諾等人分別獨立發現了存在凌星現象的系外行星HD 209458b,這顆與飛馬座51b類似的系外行星,同樣也是圍繞一顆類太陽恒星公轉。但由于系外行星距離地球太遠而且本身不發光,地基望遠鏡對系外行星的探測能力有 限,自1992年發現首顆太陽系外行星,到2009年開普勒望遠鏡發射前,人類僅發現400余顆系外行星。2009年開普勒太空望遠鏡的發射使太陽系外行星發現的數量提高了1個量級,擴充了系外行星的研究樣本。開普勒式望遠鏡在2018年11月結束了探測系外行星的使命。同年4月,凌星法系外行星搜尋衛星凌日系外行星勘探衛星發射升空。截止到2020年11月10日,通過采用不同的探測儀器與方法,天文學家共發現并確認了4301顆系外行星。

形成與演化

原始星云團演化成以恒星太陽為中心的星云盤后,星云盤中的氣態物質和塵埃,在太陽的引力與慣性離心力的合力作用下,克服氣體阻力,向赤道面沉降;同時,各塵埃顆粒之間還會因為隨機地運動發生碰撞而結合成較大的顆粒,這個過程叫“碰撞吸積”。就這樣,顆粒一邊沉降,?一邊長大,經過約10??~106年的時間,顆粒沉降到赤道面的附近,在星云盤內形成薄薄的“塵層”。

當塵層物質密度足夠大時,在局部擾動下,會出現引力不穩定性,物質很快向密度大的地方集聚。于是塵層瓦解為許多粒子團。?當各粒子團的密度使得團內粒子間的引力大于太陽潮汐瓦解力時,各粒子團就可以靠自吸引而收縮,很快集聚成固體物塊—星子。星子間的碰撞結合,以及因星子引力足夠強而可以吸積周圍更多的顆粒物時,星子便迅速成長,最大的星子便成為“星胚(星胎)"。

星胚形成后,小的星子和其他的固體顆粒形成小的天體,在或多或少有些規則的軌道上,繞著星胚運轉。它們經常交叉,頻繁碰撞。根據沖擊的猛烈程度,小天體或被擊碎,或又聚合。之后就是一個競爭的時期。其間,星胚依靠自己的引力優勢,不斷地吸引小天體;而某些天體的質量也不斷增加,最大的吸引最小的。隨著質量的增加,其各自的重力場也在不斷增加,以致星胚和最大的小天體上發生大量的流星體墜落。最終,星胚形成行星,最大的小天體形成繞行星運轉的衛星

太陽膨脹后 ,它會吞掉水星 ,很可能一并吞掉金星 。太陽會吞噬地球的現在的軌道 ,但由于太陽的質量損失和更弱的引力 ,會使行星的軌道向外移動 。如果僅僅如此 ,金星和地球可能會逃離火海,但最近的研究認為 ,地球可能還是會因為與太陽的散逸層潮汐作用而被吞噬。

隨著太陽風的風速巨幅增加 ,行星物質丟失使其軌道發生混亂:部分行星彼此相撞 ,另一部分被拋離太陽系 ,剩下的則會被潮汐作用而撕裂。這時,太陽成為一顆白矮星 ,一種非常致密的天體 ,由簡并態的碳和氧組成 ,是其最初質量的54%,但只有地 球大小 。最初的光度約為現在太陽光度的100倍 ,由于達不到碳和氧的核聚變溫度 ,它將逐漸冷卻 。 隨著太陽的衰亡 ,它的引力隨著它的質量丟失而減弱 。如果金星地球火星在這時候還存在 ,它的軌道會大約位于1.4、1.9和 2.8AU,速度減慢 。 所有的行星將成為昏暗的和寒冷的 ,沒有任何形式的生命 。

性質與特征

物理性質

行星中氣態巨行星質量體積都比較大,一般為地球的幾十倍到幾百倍,密度為地球的1/5左右,沒有固體的表面,外層主要是由汽態物質組成. “類地行星”質量體積密度都跟地球差不多或比地球小 ,都有一層堅硬的外殼。其具體參數如下:

軌道性質

行星以橢圓軌道太陽運行,這表明行星與太陽之間的距離在其軌道上略有變化。行星到太陽的距離與地球到太陽的距離進行比較:內行星(水星到火星)都非常接近。外行星(木星及更遠的行星)更加分散。行星周期的平方與其距太陽平均距離的立方成正比,這意味著行星距離太陽越近,繞太陽運行所需的時間就越少。行星在橢圓軌道上運行時會改變其速度:根據開普勒第二定律,當它越接近太陽時,它的移動速度就越快。行星通常在幾乎同一平面上圍繞太陽旋轉,除了水星(以及柯伊伯帶天體、冥王星)之外,行星繞太陽運行的速度與地球軌道的距離只有幾度。軌道性質具體如下:

大氣層

大多數行星都有大氣層。類地行星的巖石表面上有相對稀薄的大氣層,水星僅有微量大氣。氣態巨行星的大氣層非常深,并且沒有真正的固體表面,大氣更濃稠。大氣主要成分如下

磁場

地球的磁場保護地球免受來自太陽的高能帶電粒子的轟擊。如果沒有了磁場,臭氧層將會受到來自太陽的粒子的嚴重破壞,大氣層會被逐漸剝離而逃逸到外層空間。人們能夠在地球磁北極和磁南極看到太陽風的影響,當這些來自太陽的高能帶電粒子與空氣中的分子發生碰撞時,就會產生極光。水星有一個非常微弱的磁場。金星幾乎沒有磁場,并且在太陽風的影響下持續緩慢地失去其厚重的大氣。火星同樣沒有全球性的磁場。盡管火星相比于金星處于與太陽更安全的距離,但前者的大氣仍持續受到太陽風的破壞。地質學研究表明,火星曾經擁有過像地球那樣的磁場,但磁場隨著火星內核的冷卻而逐漸消失了。后來火星表面只有一些小面積的、中等強度的磁場。其它四顆氣態巨行星擁有最強的磁場:其中為首的是木星,其磁場強度幾乎是地球的20000倍;土星天王星海王星的磁場強度則是地球上的幾十到幾百倍不等。

衛星

類地行星中,水星金星沒有衛星,地球有一顆衛星,火星有兩顆衛星。類木行星由于自身引力較大,衛星數量相對較多。如果把已經確認和有待確認的都算在內,木星有27顆衛星,土星有62顆衛星,天王星有27顆衛星,海王星有13顆衛星。這些衛星大小不一,形態各異?;鹦堑男l星并非球體,其呈現不規則形狀。太陽系中最大的衛星是木星的衛星木衛三。

太陽系中的其他天體

太陽系中其他天體包括矮行星(已知有的谷神星冥王星、閱神星、妊神星、鳥神星等)和小行星灶神星、健神星、554、中國星、小行星1125星等以及其他柯伊伯帶分布的巨量小天體)。

矮行星

矮行星因不具有可以清除相似軌道上其他天體的特點而被歸納為矮行星。冥王星直徑約2300km,??比月球略小一些,位于柯伊伯帶,到太陽的平均距離約5×10?km,?幾乎是地球到太陽距離的40倍。由于軌道呈橢圓形,它的遠日點距離會大于39.5AU,??近日點距離29.7AU。?它環繞太陽運行的速度只有地球的1/6,加上遠離太陽,因而要花248個地球年才能圍繞太陽一?圈。冥王星表面溫度為~230°C左右?。表面主要含有氮氣一氧化碳。

谷神星位于木星與火星之間,其距太陽2.77AU,?公轉周期為4.60?a,?直徑為948km,?自轉周期為9.075h,?質量約8.7×1020kg?。通過哈勃空間望遠鏡觀測,推測其具有由巖石組成的內核和細塵埃構成的外層。閱神星比冥王星稍大,根據哈勃空間望遠鏡的觀測結果顯示:其直徑約(2398±97)?km,但到太陽的平均距離是冥王星距日距離的3倍,約97AU,?軌道周期為558年,表面有甲烷冰。

鳥神星直徑大約是冥王星的四分之三,遠日距為53.074AU,?近日距為38.509AU,?屬于傳統柯伊伯帶天體,軌道傾角為28.96°,軌道偏心率為0.159。光譜特征顯示鳥神星的表面有甲和乙烷存在,可能還覆蓋有固態氮?。妊神星位于經典柯伊伯帶典型軌道,軌道周期為285年,形狀奇特,呈長橢球狀,類似于豐滿的大雪茄,橢球直徑分別為1960?km,?1518km,996km,?具有罕見的高速自轉、高密度和高反照率等特點。光譜觀測資料表明,妊神星表面66%~80%被結晶水覆蓋,可能還含有氫氰酸或層狀硅酸鹽等物質,從而?使之具有高反照率特征。

小行星

形成與演化

關于小行星的形成有很多假說:

現在小行星所在的宇宙空間,即所謂的小行星帶,大體上是2.1~3.6天文單位,相當于3~5億多千米的范圍,在這區域中的物質,在其早期演化的過程中,由于種種原因,不存在形成大行星的條件,只形成了小行星。

現在是小行星帶的“原始星云”的這部分空間,所包含的物質大概比其他地方少,甚至要少的多,它缺乏自行凝聚成行星的條件,同時卻成為“補充”木星質量的天然和良好物質“倉庫”。在木星強大引力的作用下,這部分空間中的物質,就為木星作了貢獻。這里原本就不豐富的物質損失達99.9%,剩下的少量物質,由于缺乏成為大行星的基本條件,就只能一直以為數眾多、但都不大的“半成品”呈現。

科學家從最初發現幾顆小行星開始,提出多種行星爆炸為眾多小行星的假說,但都難以成立:若小行星來自爆炸的行星,那么各小行星的軌道應交于爆炸點,但實際上并非如此,而且爆炸碎塊也不會是谷神星那樣的球形;如果沿著行星爆炸、小行星、石隕石??母體這一演化過程,則隕石的巖石礦物應跟嚴重演化的地球物質相似,但實非如此,隕石物??質一般呈現的演化相當?。恢鲙⌒行堑目傎|量遠小于一顆行星質量,如果大的行星爆炸把大量物質轉移遠處(如拋出太陽系),那么無法說明所需的能量;為什么火星木星軌道之間的行星爆炸,而其他行星不爆炸呢。

彗星的揮發物損失掉,留下殘核成為小行星。這種可能性是有的。如(944)Hidago、(2060)Chiron?可能是彗星殘核。但是,絕大多數彗星都是質量比一般小行星小的,而且彗星軌道如何演化成小行星軌道的沒有得到證實。

戴文賽的太陽系起源學說論證了小行星是行星形成過程的半成品。星云盤的溫度分布決定了木星區發生冰物質凝聚,而小行星形成區處于冰物質從不凝聚過渡到凝聚,因為木星區的固態原料多,形成的初始星子就較大且生長快,這些星子之間的引力攝動使得部分大星子的軌道變為穿過小行星形成區,吸積而帶走小行星區的物質及小星子。于是,小行星區的原料大大減少了,使得星子生長停頓在半成品狀態,不能形成大的行星,而僅殘留下半成品的小行星。穿過小行星區的大星子也攝動那里的小行星而?使它們的軌道變為多樣化,更容易發生相互碰撞而碎裂成小的小行星。

性質

小行星不僅數量龐大,其物理性質也非常復雜多樣。隨著大行星的遷移和攝動作用,原始小行星歷經撞擊演化過程, 質量逐漸分散于不同軌道位置。軌道周期與木星軌道周期成整數比的小行星軌道在木星軌道共振作用下變得不穩定, 形成小行星軌道半長軸分布的稀薄帶。這些不穩定的小行星軌道偏心率增大,被驅逐出主帶,遷移至近地軌道, 成為近地小行星。而與大行星的軌道共振也可產生穩定的軌道區域,例如位于日木系統L4、L5穩定拉格朗日點附近的木星特洛伊小行星,與木星軌道成3:2平運動共振的希爾達家族小行星。

主帶小行星的等效直徑分布從數米到數百千米。其中,直徑大于100km的小行星仍保留著原始小行星的結構和物理性質, 直徑小于100km的小行星則被認為是原始小行星撞擊演化的產物。 從同一原始小行星分裂的碎片具有著相似的化學組成和軌道分布。小行星撞擊后生成碎片的非主軸方向的旋轉角速度分量將在其后的演化過程中衰減, 最終形成繞最大慣量主軸自旋的小行星。

系外行星

形成與演化

主要參考太陽系形成理論—恒星星云假說:?一般認為,行星就是在原恒星盤中孕育誕生的。同時,?圍繞類似木星的巨行星的形成,有兩種比較流行的模型:引力不穩定模型和核吸積模型。

性質

太陽系外行星系統不僅和太陽系有很大的差別,系外行星之間也是千差萬別的。2011年凱普勒衛星觀測到的Kepler-11行星系統是一個與太陽系有著很大共同點的行星系統。?該行星系統是由6顆行星圍繞著一個質量約為太陽質量0.95倍的恒星組成的,它的行星軌道與太陽系行星一樣是近共面的,但不同的是它們的軌道都比較靠近主星,幾乎都在水星軌道以內。HD80606行星系統中的HD80606b行星偏心率約0.934,??凱普勒還曾經發現過一顆類地巖石行星開普勒-10b,它的質量為地球質量的3.3~5.7倍,?半徑為地球的1.4倍,但由于軌道距離主星非常近,因此表面溫度比較高(超過1300℃)且公轉周期比較短(約為0.84天),這種環境不適宜生命存在。

?HAT-P-7b行星的軌道與其主恒星赤道面的夾角近86°,并且非常靠近主星,這也與太陽系存在著極大的差異。?Gamma?Cephei?b行星的質量約為木星質量的1.8倍,距離其主恒星2.6AU,它的發現對現有的行星形成理論提出了挑戰。主星Gamma???Cephei是一組密近雙星中的一個,現有的理論認為由于密近雙星之間相互的擾動,小星子很難在2AU處形成較大的行星。

觀測與探測

如果行星要滿足人類居住條件,首先這些行星需要圍繞一顆能夠輻射熱量和光線的恒星運行。并且這顆恒星能為生命的發展提供合適的溫度和能量產生的條件。但是,當一顆不發光的行星旁邊有一顆明亮的恒星(如太陽)時,科學家就不能直接探測到該行星,因為行星反射的光線會被明亮恒星的光線所掩蓋。因此需要研究出間接的方法來探測行星的存在。

業余觀測

無需光學輔助即可看到五顆行星:水星、金星、火星、木星土星。這些是古人所知道的經典行星。對于火星、木星、土星、天王星、海王星,最好的觀測時間是在它們每年位于“沖日”位置時,此時地球經過該行星和太陽之間。沖日行星會在太陽落山時升起,整夜可見。對于金星和水星,當它們位于最大角距(最大角距是當它們與太陽的距離最大時)附近時最容易被看到。

專業觀測

通過望遠鏡觀察水星的最佳時間是當它位于其距角之一時,要么是東部早晨天空中太陽的最西邊,要么是傍晚天空中太陽的最東邊。水星的最佳觀賞時間是在中午,此時水星位于天空的高處。觀察水星時,需使用黃色或橙色濾光片來減少天空的藍光

金星是一顆比水星更容易用望遠鏡觀察的行星。其大氣層的特征包括從塵土飛揚的陰影到亮點。尋找以地球赤道為中心的巨大C形或Y形特征。然后可以通過 #47(紫羅蘭色)濾鏡和8英寸望遠鏡發現。

用高倍率望遠鏡觀察火星:火星地形云是由風吹過火星山脈和火山時產生的水形成的,如果要觀察地形云可使用#80A(藍色)或#47(紫色)濾鏡。還可以用望遠鏡觀察火星早晨和傍晚的云(火星上日出和日落時出現的明亮、孤立的表面霧斑)。一般傍晚的云通常更大、數量更多。為了獲得最佳視圖,可使用藍色或紫色濾鏡。

除了太陽和月亮之外,可觀測到的細節最豐富的天體木星。即使是使用小望遠鏡也能觀察到木星赤道兩側的幾條深色條紋——南北赤道帶。藍色濾鏡可以銳化明亮的云特征,紅色濾鏡可顯示木星赤道沿線的細節,并增強主要帶的對比度

可通過8英寸望遠鏡觀測土星,土星區域呈灰白色、板巖灰色或黃色。土星帶看起來呈藍灰色、棕色和紅色。這些特征可通過紅色、橙色或黃色濾鏡觀察。偶爾出現的亮斑通過#58(綠色)濾鏡看起來效果最好。

通過小型望遠鏡可觀察到綠色的天王星,由于其快速旋轉而呈現出近似橢圓形的圓盤。天王星移動緩慢,大約需要 44 天才能移動滿月的寬度。

使用雙目望遠鏡或望遠鏡找到海王星是不成問題的。在沖日時,它會呈現出一個小的藍色圓盤,其亮度約為 7.7 等。

科學探測

探測方法

多普勒效應探測法

當能發光的恒星地球移動時,它的光譜將會向短波長、高頻率移動(稱為藍移),而當它遠離地球時,光譜會向長波長、低頻率移動(稱為紅移)。而當行星圍繞著恒星運行時,行星的引力會影響恒星的運動——恒星沿著由行星軌道引起的橢圓軌道運動,所以恒星有時候向地球移動,有時候遠離地球。恒星相對于地球運動方向的變化會引起恒星光譜線的變化。總的來說,這意味著可以通過測量恒星光譜線的多普勒頻移,來間接推斷出圍繞恒星運行的行星的存在。

互相關技術

在對感興趣的恒星進行測量時,不是只關注一條譜線的偏移,而是關注多普勒效應導致的所有譜線的集體偏移。為此,科學家使用了稱為CORAVEL分光光度計的設備。CORAVEL光譜儀中有一塊帶孔的平板,這些孔正好位于科學家預期來自特定恒星的光線中出現暗譜線的位置。所有通過這些孔的透射光都被送到一臺探測器上。當恒星的暗譜線正好位于孔的前面時,研究人員檢測到的透射光最少。然而,如果由于太陽系外行星影響了恒星的運動而產生了多普勒頻移,那么相對于板上的孔的位置,成千上萬條光譜線的位置將同時移動,通過孔的透射光量將會增加。在發生這種多普勒頻移后,需要移動平板,使孔再次與暗譜線對齊,這樣探測器檢測到的透射光又會變到最少。

通過測量恒星在其軌道上兩個位置的吸收光譜線,并移動平板使兩次檢測到的光量都變到最小,研究人員就知道平板在第一個最小值(恒星的第一個位置)和第二個最小值(恒星的第二個位置)之間移動了多少。正是由于太陽系外行星的存在,導致恒星光譜線發生多普勒頻移,研究人員才觀察到了平板在兩個暗譜之間的移動。通過計算恒星譜線的多普勒頻移,結合其他測量,研究人員便可以了解探測到的系外行星的特征。

探測

1962 年,?金星一號 (Venera I)?成為第一艘飛越行星的航天器。1962年,?水手2號是第一艘發回數據的航天器。1978年,?先鋒2號向金星表面發射了較小的探測器。同時兩個探測器在著陸后幸存下來并發回了數據。信使號航天器(2004-2015)繞水星軌道運行了四年。它收集了有關水星地質、磁性和化學成分的數據。

勇氣號火星探測器機遇號火星探測器是2004年著陸的雙胞胎火星探測車。他們的全景相機拍攝了高分辨率的 360°景觀視圖。他們還有一個機械臂,其作用很像人類的手臂,可以伸出來抓取巖石和土壤樣本進行分析。火星好奇號火星探測器探測器擁有尋找水、能源和碳所需的所有儀器。

接下來先驅者10號先驅者11號、旅行者1號探測器、旅行者2號探測器、伽利略號木星探測器卡西尼號、新視野等探測器分別為木星、土星、天王星海王星、冥王星以及柯伊伯帶的探測起到了作用。伽利略號木星軌道探測器執行了八年的探測任務。卡西尼號從2004年,就已經開始圍繞土星和它的衛星進行飛行探測,傳送回很多太陽系的照片,揭示了很多土星及周圍天體的細節特征。1977年發送的旅行者1號和旅行者2號是美國航空航天局周期最長的兩個任務。

2015年,美國宇航局的新地平線號探測器對冥王星及周邊地區進行了持續六個月的飛掠探測任務,這次任務發現表明未被人類發現的衛星還不止一個。

開普勒宇宙飛船主要用來尋找繞其他恒星運行的類地行星。其發現了2600多顆太陽系外行星。航天器基本上是一個單一儀器—一個專門設計的直徑孔徑為1米的望遠鏡和圖像傳感器陣列,該望遠鏡鏡子的直徑為1.4米。開普勒通過觀察凌日或行星從恒星前面穿過時恒星亮度的微小下降來探測行星。

重大事件

1993年11月6日及1999年11月15日,分別發生了“水星凌日”現象。水星凌日就是當水星運行到太陽地球之間時,在太陽圓面上會看到一個小黑點自東向西緩慢穿過。歷史上從1963年~2003年共出現過50次水星凌日現象。

2003年8月27日,發生了“火星大沖”現象,這時火星與地球相距不到5576萬千米,是5萬年來地球最接近火星的一次。“沖”是外行星隔著地球同太陽相對,當外行星運動至與合(外行星和太陽在同一個方向)相反的位置,正好使地球位于外行星與太陽中間,這種位置稱為“沖”。當外行星到達沖的位置時,太陽剛落山它就從東方升起,整夜都可以觀察到。

行星對齊是罕見天文現象中最罕見的。根據太空科學家的說法,火星、水星金星木星土星和月球的下一次排列將在2040年發生。上一次行星排列是在 2011 年 5 月,當時木星、水星和金星以適當的方式排列對齊。

2022年3月12日凌晨5點23分,一顆直徑約2米的小行星2022EB5闖入地球大氣層,在冰島附近海域上空解體爆炸。人類歷史上對小行星闖入預警事件發生過五次,前4次都是由美國望遠鏡系統發現的,這次是由位于匈牙利、編號為K88的雙魚座天文臺發現的。

每隔30個地球年,土星北半球就會發生一場巨大的風暴。并且每秒大約會發生10次閃電。一段時間后,當它凝結時,就會轉變為雷暴。這些雷暴比過去在地球上遇到的風暴強一萬倍。這種罕見的天文事件被稱為白色大雷暴。

2017年9月15日 據中國之聲《新聞縱橫》報道,北京時間15日傍晚,卡西尼號執行來自美國航空航天局(NASA)的最后一條指令:自我焚毀。這艘20世紀末的行星際飛船,點燃推進器,一頭扎進土星大氣層,與它探測了13年的氣態巨行星融為一體。這樣做是為了避免“污染”可能存在生命的土衛二以及土衛六

2023年4月25日,“中國航天日”首屆深空探測(天都)國際會議上,與會專家透露了未來中國深空探測的多項規劃。比如建設月球科研站,探測行星、彗星,防御小行星,探索太陽系邊際。

學術研究

克羅狄斯·托勒密提出了地心說,并利用托勒密體系對火星進行研究,在他的研究里,火星沿一個點運轉,其運動軌跡形成的圓形稱為本輪。

由于行星和恒星的運動非常重要,四大文明古國人開發了一套復雜的幾何系統預測行星的運動。被稱為地理之父的希臘人埃拉托斯特尼使用幾何學來計算地球周長尼古拉·哥白尼提出了日心說(其靈感來源于薩摩斯島的阿里斯塔克斯),并且通過對行星運動的觀察來支持他這一想法。伽利略·伽利雷利用自己設計的望遠鏡證實了哥白尼的日心說。

約翰尼斯·開普勒提出行星圍繞太陽沿橢圓軌道運動,太陽所在的位置就是橢圓形的兩個焦點中的一個。同時開普勒還研究出行星在沿其軌道圍繞太陽運動的過程中進行變速運動。

德國天文學家威特發現愛神星與地球最接近的時候不到2400萬千米,于是其成為測量太陽視差的最好對象。洛韋耳根據天王和海王兩行星運動上未能解說的殘余攝動,說明了冥王星的存在,這些殘余攝動很是微小,但是卻足夠大略地指出應該在天空中某一區域去尋找冥王星。

馬克斯·普朗克太陽系研究所“行星大氣”研究小組使用亞毫米光譜方法對金星、地球、火星木星、土星、天王星、海王星土衛六以及太陽系外行星等的大氣層(成分、結構、動力學、化學、循環、演化)進行研究。他們對行星大氣進行觀察,并通過密集的模型進行計算和驗證。該小組研究的主題還有太陽系及其他行星的環流模式和輻射傳輸的全球建模和火星大氣中水和二氧化碳的循環以及沙塵暴的觀測和建模等。

杰森豪爾赫與羅賓·華茲華斯合作,對早期火星上的溫室氣體變暖進行了建模。火星表面的現代特征,如峽谷、三角洲和湖床,表明火星過去存在液態水,但它的氣溫為什么可以支持液態水存在仍然是個謎。杰森豪爾赫與羅賓·華茲華斯使用一維輻射對流模型,向模擬的火星大氣中添加新的溫室氣體,并分析該氣體對火星表面溫度、傳出長波輻射和大氣輻射平衡的影響。

蘇黎世大學劍橋大學研究人員通過模擬來研究行星的發展和磁場的形成,他們研究出一種混合網格粒子方法,該方法創建了一個“虛擬自適應網格”,使研究人員能夠同時結合磁場、流體動力學和重力對行星的質量和重力進行計算。

羅賓遜天文臺研究小組開發了不同復雜度的大氣模型(1D、2D、3D)來模擬太陽系中金星、地球、火星、土衛六的大氣層和可居住性,并評估它們的大氣/氣候隨時間的演變。

生命的可能

從地球與地球生命這個模板來看,行星生命形成與存在的制約條件有:

太陽系的行星系統中唯有地球位于太陽系的宜居帶內,火星則最接近太陽系的宜居帶,與地球之間存在最多的相似之處。但是火星因為質量比地球略小,逐漸失去了自己的大氣層,剩下的大氣層十分稀薄,不足以支持智慧生命的生存和發展。

美國宇航局于2017在太陽系外發現了一個擁有七顆巖石行星的恒星—TRAPPIST-1,其中有三顆行星位于該恒星的宜居帶內,這些行星的溫度意味著存在液態水的可能,并且可能會有生命存在。

相關文化

四大文明古國,人們認為一周七天分別由七顆行星控制(那時把太陽和月亮算作行星):周一是月亮(占星學中的月亮代表一個人的養育和情感本能),周二是火星(火星象征著自信能量的原則),周三是水星(水星掌管人們的心態),周四是木星(木星代表豐富、繁榮和擴張原則),周五是金星(金星代表愛、和諧、金錢和財產),周六是土星(土星代表承諾和責任),周天是太陽(太陽與活力有關,是生命的核心給予者)。

在占星學上提到了十顆行星,并且這十顆行星代表一個人的十個組成部分(人相當于太陽系)。

《薄伽梵歌》中將行星分為三部分:“urdhva-loka”(最高)、“madhya-loka”(中)和“adho-loka”(較低)。該書講述了上三行星系的居民幾乎沒有任何疾病,也沒有身體的衰老,也沒有任何恐懼感。隨著行星系統向下推進,壽命和生活水平會降低,疾病和焦慮也會增加。

一部名為《哈里瓦姆薩》的經典中,對行星有這樣的描述:“人類居住的行星系統之上是天空。天空之上是繞軌道運行的太陽,它是天上行星系統的入口點。太陽是宇宙的中心,那些通過苦修而提升的行星就從這里開始。所有這些行星都位于物質世界內,并受到杜爾加女神的控制,因此被稱為德維達瑪?!?/p>

電影《星際迷航》《太空堡壘卡拉迪加》以及《星球大戰》以行星及其他星球為背景,并表達了單一行星物種最終注定要滅絕。

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