太阳系是银河系中的一个恒星系统,大约诞生于 50 亿年前。太阳位于太阳系的中心,质量大约是太阳系全部质量的 99.86%,在万有引力的作用下,将太阳系中的其它物质聚集在一起,形成一个天体系统。太阳系的直径约为 15 万亿千米,不过其质量主要集中于 45 亿千米的范围内,即太阳与行星运动的范围内。
除了恒星太阳,太阳系中还有包括地球在内的行星及其卫星、矮行星及其卫星、小行星及其卫星、彗星、陨星和星际物质等。在银河系中,像太阳系这样的星系有 2000 亿至 4000 亿个。太阳系距离银河系的中心约 2.5~2.8 万光年,处于银河系的猎户臂上,围绕着银河系的中心旋转,公转周期约是 2.25 至 2.5 亿年。在银河系中,离太阳系最近的星系是半人马座的比邻星系,太阳到比邻星的距离是 4.24 光年。
太阳系中的行星共有 8 颗,按距离太阳由近到远的顺序排列依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。通常以小行星带为界,将太阳系分为内太阳系和外太阳系。在外太阳系中,海王星以外的区域包括柯伊伯带和奥尔特云,这一区域内的天体被称作外海王星天体。太阳风所影响的区域范围像个球体,叫做日球层,半径超过 100 个天文单位,以外就是星际空间。
二、太阳系的边界探索(一)日球层顶与太阳风影响范围太阳风由太阳释放的带电粒子流组成,在太阳系中如同一个保护罩,阻挡着宇宙中的有害射线。当太阳风与星际介质相遇时,便停止扩张,这个相遇的边界就是日球层顶。日球层顶被认为是太阳系的边缘之一,其半径超过 100 个天文单位。2018 年,航海者 2 号进入这个边界时,记录到的温度高达 49427℃。科学家认为,那个高温区域是由太阳向外吹出的太阳风形成并维持的一个稀薄的等离子体层,就像一个巨大的泡泡一样包裹着太阳系。由于太阳风到达日球层顶处时减弱,那里也聚集着大量向太阳系内挤的星际物质。日球层顶在朝向星际风的方向,到太阳的距离是日地距离的 120 倍,而在相反方向它与太阳的距离是日地距离的 350 倍。这堵 “围墙” 是我们的护盾,阻挡了 70% 的星际宇宙射线,使地球上的生物免遭巨量辐射的伤害。
(二)柯伊伯带与奥尔特云柯伊伯带属于太阳系原始星盘的外围,是太阳系主行星区域与外围残留星云(奥尔特云)的交界地带。柯伊伯带距离太阳约 30 天文单位以上,这里太阳引力和土星、木星、天王星、海王星这些巨型行星的影响力互相作用。柯伊伯带由许多微星和原始星盘碎片构成,冥王星也处于这个区域。柯伊伯带大致位置在木星、土星、天王星、海王星、冥王星轨道之外,这里充满了微小冰封的物体,是太阳系最为宝贵的活化石。
奥尔特云是一个包裹整个太阳系的球体云团,直径达两光年。奥尔特云是由众多的彗星组成,它们是早期太阳系形成时,外围留下来的剩余物质。太阳占据了整个太阳系总质量的 99.86%,其他则形成了八颗行星和上百颗卫星以及数不清的小行星,而柯伊伯带以外的空间物质便形成了奥尔特云。在这里,彗星们依然能受到太阳的引力影响,因此科学家定义为奥尔特云就是太阳系的边界。奥尔特云非常之大,距离太阳约有 50000~100000 个天文单位,也就是半径长达 1 光年,换算下来大约是 9.46 万亿公里。目前尚未有人类制造的空间探测器抵达奥尔特云,以旅行者 1 号的速度,也要在 300 年后才会到达奥尔特云,要穿越它更需要 3 万年的时间。
三、海王星轨道与太阳系边界对比海王星作为太阳系中距离太阳最远的行星,其轨道距离太阳约 30 天文单位,这个距离在我们的认知中已经相当遥远。然而,当以太阳系边界的定义来看时,海王星的位置仅仅是太阳系广阔空间中的一小部分。
太阳系的边界至少延伸至 50000 天文单位,这个距离是海王星轨道距离的约 1667 倍。如此巨大的比例差异让人惊叹不已,也让我们深刻认识到太阳系的庞大。海王星虽然是目前已知的太阳系中最远的天体之一,但它仍然位于奥尔特云的内部。
奥尔特云是一个由冰冷的小行星和彗星组成的巨大云团,其范围甚至比柯伊伯带还要广。奥尔特云围绕着太阳系外围,仿佛一个巨大的保护罩,将太阳系中的天体包裹其中。海王星在奥尔特云的内部,距离太阳系真正的边缘还有很长的距离。
以数据为例,1 天文单位约为 1.496 亿千米,海王星距离太阳约 30 天文单位,即约 44.88 亿千米。而太阳系边界至少为 50000 天文单位,相当于约 74800 亿千米。这样的距离差距,使得海王星在太阳系的广阔空间中显得微不足道。
这也意味着,我们对太阳系的认识还远远不够。太阳系的边界如此遥远,我们对其的探索也面临着巨大的挑战。目前,人类制造的空间探测器尚未抵达奥尔特云,以旅行者 1 号的速度,也要在 300 年后才会到达奥尔特云,要穿越它更需要 3 万年的时间。这让我们更加深刻地认识到太阳系的广阔和人类探索宇宙的艰难。
四、太阳系结构与奥尔特云的关系(一)太阳及八大行星轨道与奥尔特云从图中可以看出,八大行星中最外侧的海王星轨道距离太阳约 30 天文单位。而太阳系边界则延伸至至少 50000 天文单位,这个广阔的范围包括了庞大的奥尔特云。在这个结构中,太阳作为核心,以其强大的引力维系着八大行星的运转。然而,与奥尔特云相比,八大行星所在的区域显得相对渺小。奥尔特云占据了太阳系外围绝大部分的空间,其巨大的规模让人难以想象。
(二)冥王星轨道、柯伊伯带与奥尔特云柯伊伯带和奥尔特云的分布。柯伊伯带位于冥王星轨道外侧,这里充满了各种微小的冰封天体,是太阳系原始星盘的一部分。而奥尔特云则包含了柯伊伯带在内的所有太阳系天体,其范围之广远超柯伊伯带。冥王星在这个结构中,虽然已经处于太阳系的边缘地带,但仍然位于奥尔特云的内部。奥尔特云就像一个巨大的保护罩,将太阳系中的所有天体都包裹其中。
(三)海王星轨道、柯伊伯带与奥尔特云海王星作为距离太阳最远的行星,其轨道距离太阳约 30 天文单位,然而在太阳系的整体结构中,这仅仅是冰山一角。柯伊伯带在海王星轨道外侧,充满了各种小天体。而奥尔特云则是太阳系最外围的区域,由冰冷的小行星和彗星组成。奥尔特云占据了太阳系外围的绝大部分空间,其实际范围远比图中所示要广得多。
我们可以清晰地看到奥尔特云在太阳系结构中的重要地位。它不仅占据了太阳系外围的大部分空间,还将太阳系中的所有天体都包裹在其中,形成了一个巨大的天体系统。奥尔特云的存在,让我们对太阳系的大小和结构有了更深刻的认识。
五、太阳光照与太阳系范围(一)太阳光在太阳系中的传播及亮度变化太阳是太阳系的核心,它发出的光向各个方向传播。然而,就像任何形式的能量一样,太阳光离源头越远就越弱。到达一个特定物体的光量取决于该物体与太阳之间的距离,以及任何其他可能存在的障碍,如行星、卫星或小行星。在火星轨道上,太阳的强度只有地球上的一半左右;在木星,只有十分之一;当我们到达冥王星时,那里的阳光强度只有地球上的 1/1600。这意味着,在太阳系的外围,太阳的光线非常微弱。例如,矮行星冥王星在海王星之外的柯伊伯带轨道上运行,它离太阳太远,无法接收到太多的直射阳光。
(二)反射光对太阳系边缘物体的照亮作用虽然太阳光在太阳系边缘很微弱,但太阳的光并不是太阳系中唯一的照明来源。太空中的物体可以反射光线,就像镜子一样。事实上,太阳系中的大多数行星、卫星和小行星都会将大量的太阳光反射回太空。正是这些反射光使我们能够在地球上看到这些物体。因此,即使是在太阳系边缘的物体也可以被太阳的光间接照亮。比如,冥王星的表面覆盖着冰,这些冰会将部分太阳光反射回太空。正是这种反射光使我们能够看到冥王星和其他柯伊伯带天体。
(三)太阳光无法完全照亮整个太阳系的结论虽然太阳光并不能均等地照亮整个太阳系,但来自太空物体的反射光意味着即使是最遥远的物体也能被看到。然而,当我们离太阳越远时,反射光的数量就会减少,这使得我们更难看到太阳系外的物体。尽管如此,太阳的光仍然是太阳系的主要能量来源,没有它,我们所知道的生命就不会存在。太阳发出的光在传播过程中会受到各种因素的影响,而太阳系的广阔也使得太阳光照无法完全覆盖每一个角落。但正是这种复杂的光照情况,构成了我们丰富多彩的太阳系世界。
六、人类对太阳系的探索历程(一)天文望远镜观测太阳系18 世纪,德国哲学家伊曼纽尔・康德提出太阳系起源于巨大气体尘埃云的假说,后由法国数学家皮埃尔 - 西蒙・德・拉普拉斯进一步发展,如今这一假说已成为天文学界共识。1609 年,意大利天文学家伽利略・伽利莱发明了世界上第一个天文望远镜,由此人类开始利用望远镜观测太阳系。人类通过肉眼其实就能看到太阳系中的五大行星,分别是水、金、火、木和土星,只是分辨率的高低问题。天文望远镜的角分辨率取决于口径,口径越大,极限分辨角越小,能够看到的细节就越多。市面上比较流行的天文望远镜主要是口径 80 毫米的折射镜和口径 150 毫米的牛顿反射式望远镜。用 150 毫米的反射镜可看到距离地球最近的五大行星的外观,木星条纹、土星光环、火星极冠、金星表面都是可以看到的。
(二)发射人造卫星1957 年 10 月 4 日,苏联发射了斯普特尼克一号,这是人类发射的第一颗人造卫星。人类自工业革命以来,科技迅速增长,让我们更加了解了整个太阳系。通过天文望远镜,我们发现了太阳系中各种奇怪,甚至可能存在生命的行星。天文望远镜虽然强大但对于人类来说还不够,于是人类相继发射了数个外太空探测器,想要一览和探索太阳系边缘的景象。就这样,旅行者 1 号与旅行者 2 号探测器被相继发射,旅行者 1 号于 2012 年越过了日光层或者日光层边缘,它是历史上第一次走向星际空间的探测器。旅行者 2 号于 2019 年离开日光层,成为继旅行者 1 号之后进入星际空间的第二个人造物体。目前旅行者 2 号距离地球约 180 亿公里,看似遥远的距离,如果以光速从地球到它此时的位置仅仅需要大约 16.5 个小时。旅行者 2 号大约需要 300 年才能到达奥尔特云内部边缘,并且可能需要 3 万年才能飞越它。
(三)进入外太空1961 年 4 月,尤里・加加林乘坐苏联的东方一号太空飞船进入外太空,成为首个进入外太空的人类。人类对太阳系的探索从未停止,从最初运载火箭首次进入太空,再到后来的月球探索、火星探索、宇航员出舱行走,均是人类对太空进行的探索工程。目前人类所居住的地球属于太阳系,是一个受太阳引力约束在一起的天体系统。1976 年,美国宇航局的海盗号轨道飞行器进入火星轨道,拍摄到了火星的第一张近景照片。1977 年,美国宇航局局发射了 “旅行者 1 号” 和 “旅行者 2 号” 宇宙飞船,探索太阳系最遥远的地方,并最终进入星际空间。
(四)太阳系起源假说及探索关于太阳系的起源从第一个假说 “星云说” 的提出至今已有四十多种假说,根据行星物质来源可以众多假说分为三种,分别是灾变说、俘获说、共同形成说。俘获说和共同形成说都涉及到星云,通常我们又把这两种假说统称为 “星云说”。随着人类科技的不断进步,我们对宇宙、对太阳系的了解越来越多,随着了解的深入我们并没有揭开那层神秘的面纱,反而迎来了越来越多的疑问。人类对太阳系起源的探索仍在继续,相信总有一天各种假说都会变成实锤。