科学之谜|太阳系的生与死

太阳系是人类的故里，但它却有太多谜团让我们猜疑。从太阳系的降生到衰亡，从太阳、行星到彗星，每个谜团都和我们互相关注，令我们对太阳系布满了一探讨竟的感动。

年夜约46亿年前，在银河系一块并不显眼的位置上，酝酿着一路年夜事务，满盈在那边的氢气、氦气以及少量的固体尘埃起头凝集。因为无法抵当自身的引力，这一新形当作的星云坍缩了。在高温的混沌之中，降生了一颗恒星，这就是我们的太阳。

我们至今仍无法切当地知道，是什么触发了这一过程，或许这一切源自临近一颗恒星在临死前的年夜爆发中传来的冲击波。但无论若何，这并非是一件奇怪的工作。自银河系年夜约在130亿年前降生以来，此类工作已发生过无数次，并且至今还几回再三发生。作为一颗恒星，太阳其实是太通俗不外了。

然而，据我们今朝所知，这又是宇宙中并世无双的年夜事务。在随后的日子里，从环绕太阳的尘埃盘里，降生了八颗行星；此中的一颗——地球，因得天时地利的优势，生命在它上面得以涌现；又颠末数十亿年，其长进化出聪明生命。得益于造化的巧夺天工，今天我们可以悠然站在这里发问——

谜一：太阳系是若何形当作的？

初看太阳系的这些行星，它们的个头和前提是如斯迥异，以至于你会认为它们是依次被太阳“收养”下来的，之间并没有“血缘”关系。但事实上并非如斯。太阳系形当作的汗青告诉我们，它们是有着“血缘”关系的亲兄弟，都源自统一个母腹——坍缩形当作太阳的统一团星云。它们之间的关系是如斯紧密亲密，以至于今天你如果移走一个，或者添加一个，整个太阳系的面孔就要完全改不雅。

那么，如斯精巧的布局是怎么形当作的呢？

当太阳形当作的时辰，它用尽了近99.8%的星云物质。按照今朝遍及接管的理论，残剩物环绕太阳形当作了一个薄薄的尘埃盘，仿佛它的一条腰带。当尘埃绕太阳转的时辰，经由过程碰撞渐聚渐年夜。在盘的最内侧，太阳的辐射使那边的温度变得异常高，只有金属和硅酸盐矿物如许一些高熔点的材料才能以固体的形式存在。这就限制了那些处所的天体所能达到的最年夜尺寸，于是在内太阳系，发生了4颗相对较小的岩石态行星：水星、金星、地球和火星。

而对于处在太阳系外层的行星，却没有那么严酷的限制。在那边，甲烷和水都能以固态的形式存在，所以那边的行星个头可以变得很年夜，形当作像木星和土星如许的气态巨行星；在更冷的情况下，还形当作了冰质的巨行星——天王星和海王星。非论气态巨行星仍是冰质巨行星，它们都拥有一个岩石质的内核。

到今朝为止，一切都进展顺遂。但当涉及某些具体的细节时，问题就来了。

起首，没有人切当地知道尺寸在几米量级的年夜石头是若何熔合，形当作量级以10千米计的行星的。按理说，这些年夜石头应该会不断地与四周气体发生摩擦，掉去动能，在熔合当作一个更年夜的天体之前，将一个个栽进太阳里去。

比来一个新理论看来有望解决这一难题。它认为，因为气体的扰动形当作了低气压的涡流，这些年夜石头堆积在涡流中，在碰撞中熔合，于是形当作了更年夜的天体。同样的问题也困扰着气态巨行星的形当作，它们的固态核必心猿意马也是在有气体存在的环境下熔合而当作的，这些气体后来被吸积，变作了它们的“外衣”。

太阳系在形当作之后，还曾履历过一段动荡不安的期间。在此外行星系统中，人们不雅察到一个被称为“热木星”的现象：一些行星个头如同木星般巨细，但到它们的“太阳”的距离却只有日地距离那么短。今朝科学家还不清晰，在太阳系的早期，木星或者土星是否曾一度处在更接近太阳的位置，后来才迁徙出来。若是确有其事，那么内太阳系必心猿意马发生过一场年夜的动荡。

按照一项理论，在太阳降生后几亿年，外太阳系（太阳系中，小行星带以外的区域叫外太阳系；小行星带介于火星和木星之间）履历过一次重组和扩张。在这一过程中，因为木星和土星在轨道上的某次巧合（那种状况下，它们对某个天体的合力最强），于是在壮大的引力的鞭策下，天王星和海王星移到了它们今天地点的遥远位置上。途中漫衍的一些小天体坠进了木星，甚至有一些因坠毁时发生激烈碰撞，碰撞后溅射出来的碎片又被抛到了太阳系的深处。这些残骸被认为构成了设想中的奥尔特云（拜见谜四）。

离我们比来的一次外太阳系剧变或许还在位于木星和火星之间的小行星带上引起了一场纷扰，导致年夜约40亿年前，也就是太阳降生之后5到6亿年，年夜量陨石对地球的狂轰滥炸。但自那时今后，构成太阳系的天体都趋于微妙的不变和均衡，不消说，这给地球上的生命带来不成估量的益处。

谜二：为什么太阳和月亮在天空中看起来差不多年夜？

日全食是年夜天然中最辉煌的半晌之一。在日全食达到鼎盛时，太阳和月球重合得如斯之好，以至于只有很是微弱的太阳光才能穿越月球概况高卑的山谷传到地球上来，发生让人赞叹的钻石闪光般的结果。

这一切都要归因于一个惊人的巧合：太阳的直径是月球直径的400倍，但它分开地球的距离恰是月球的400倍。两个身分彼此抵消的成果是，太阳和月球在天空中看起来几乎一般年夜。这在太阳系八年夜行星和已知的166颗卫星中是并世无双的。并且地球又刚好是太阳系中独一的生命避风港，这莫非仅仅是巧合吗？

毫无疑问，大都天文学家会说是巧合。但也许工作没那么简单。要知道我们的月球在某些方面简直不同凡响。凡是认为，那些外太阳系行星譬如木星、土星、天王星和海王星的卫星，是经由过程两种路子形当作的：一种是太阳系形当作的“缩小”版，即行星四周的尘埃凝集当作了卫星；另一种是行星靠本身的引力俘获路过的小行星，把它变为了本身的卫星。火星的两颗卫星——火卫一和火卫二，就认为是经由过程第二种路子得来的，这两颗火星的卫星也是内太阳系中除地球的月亮之外独一的两颗卫星。

但相对地球来说，我们的月球似乎个头年夜了点，以至于不克不及经由过程上述两种路子形当作。今朝广为接管的关于月球发源的诠释是：在太阳系形当作之后的第一个1亿年，一颗火星般巨细的行星撞上了地球。此次年夜撞击不仅在很年夜水平上重塑了地球，年夜量溅射出去的碎片最终还凝集当作了月球。

如斯年夜的月球对于地球生命来说是一个莫年夜的福祉。本地球绕着本身的轴动弹的时辰，因为受太阳等天体引力的影响，它自然具有扭捏的倾标的目的。而月球的引力像一只看不见的手，暗暗地把扭捏避免了；不然，跟着时候的推移，自转的不不变将导致地球概况天气的猛烈转变，生命的保存将变得坚苦得多。所以，拥有一个出格年夜的月球——年夜到足可以发生日全食——或许是生命发源的一个很是主要的身分。

因为月球是在撞击中，由溅射出去的碎片形当作的，这些碎片依然保有标的目的外飞的惯性，所以月球一向在远离我们，此刻的速度年夜约是每年3.8厘米。恐龙看到的日全食与我们看到的不尽不异：2亿年前，月球离地球太近了，足以把整个太阳都遮住，所以在日全食鼎盛时，不会有任何光线透过月球传到地面上来。同样，将来几百万年后，地球上的居平易近再也没机遇看到日全食了，因为阿谁时辰月球离地球太远，在天空中没法遮住整个太阳。

由此看来，我们的幸运是两个身分配合感化的成果：因为撞击形当作的月球正在远离，现在刚益处于合适的距离上；同时也因为在这一期间，地球上刚好已经进化出了聪明生命（这一点也一样受惠于月球的存在）。若是你有幸下次看到日全食，可要想到这一点哦。

谜三：还存在未知的行星吗？

当我们在前文中说“在太阳系中添加或者削减一个行星，城市让整个系统年夜为改不雅”时，我们是在自认为对太阳系的各部门洞若观火的环境下说这番话的。但有一个传说风闻说，躲藏在太阳系离我们很是遥远的处所，还有一颗至今未被发现、像地球或者火星般巨细的行星X。

若是未知行星X真的被发现了，那它将是自1930年冥王星被发现以来，插手太阳系的最主要的新当作员。2006年国际天文学会投票把冥王星从行星的行列赶出去，降级为矮行星时，为判别太阳系的行星设立了三个尺度：它必需绕太阳公转；它的引力必需强到足以把自身塑造当作近似球形；它的质量必需足够年夜，可以或许扫清本身轨道上此外小天体。冥王星没有知足第三个前提，所以就降级了，现在它只是柯依伯带上的浩繁天体之一，这些天体距海王星轨道年夜约30到50天文单元（1天文单元半斤八两于地球到太阳的距离）。

任何新的天体要想被认可是行星，都必需起首在柯依伯带上扫清本身的轨道。然而有趣的是，恰是对柯依伯带的研究，暗示着或许还存在有未知行星：一些柯依伯带上的天体具有很是扁平的椭圆轨道，而另一些，则轨道平面几乎与大都行星公转的轨道平面当作90度角，它们行为如斯诡异，或许是因为受到一个质量很年夜、距离遥远的天体的扰动。

不外，今朝天文学家们并没有对此告竣共识。因为假设在太阳系形当作的早期，有一颗巨行星迟缓地朝外迁徙（拜见谜一），也能诠释柯依伯带上某些天体的反常轨道。

在曩昔20年里，科学家搜刮了年夜片的天空，而且已经发现了1000多个位于柯依伯带上的天体。但如许年夜面积的搜寻只能发现那些年夜的、敞亮的天体。一个像火星般巨细的天体，如果处于100天文单元位置，就很轻易躲过探测。

但这一切很快就会改变。今朝，四个装备着宿世界上最年夜像素摄像机的天文千里镜，在搜刮天空中任何闪灼或者移动的天体。固然它们的本家儿要方针是发现潜在的飞标的目的地球的陨石，但外太阳系的天体也一样逃不外它们的“眼睛”。

若是发现又一颗新行星，那将是一件冲动人心的工作。它将佐证科学家今朝关于太阳系演化的理论，甚至仍是我们迈标的目的太阳系更深处的一块“垫脚石”（拜见谜四）。

谜四：彗星从哪儿来？

宇宙中很少有天体像彗星那样引起人们敬畏的，出格是肉眼能看得见的哈雷彗星，汗青上很多次人们把哈雷彗星的呈现视为宿世界末日的到来。

但我们此刻知道，彗星其实是一类由冰和尘埃构成的天体，它们以极扁的椭圆轨道绕太阳公转，壮不雅的彗从头至尾则是因冰块蒸发，又受到太阳风吹拂而形当作的。我们甚至知道彗星来自海王星轨道外的柯依伯带。

可是有一个问题。某些彗星，像1997年一扫而过的海尔-波普彗星，在我们的天空中呈现的次数太罕有了，它们的轨道必然很是长，以至于超出了柯依伯带。天文学家对此的结论是，我们今朝已知的太阳系现实上被一群冰质的“流离汉”天体包裹着。这些天体则是几十亿年前紧邻太阳的星云盘水分蒸发，受巨行星的吸引逃逸到太阳系外层空间固结而当作的。

这个太空中的“西伯利亚”我们此刻称之为“奥尔特云”。是丹麦天文学家奥尔特在1950年起首提出的。这个包裹太阳系近乎球体的弥散布局，还从来没被不雅察到过，但若是长周期彗星确实来自于此的话，它必然很是广宽，比柯依伯带外层还远1000多倍。在如斯遥远的距离，影响它活动的已不再是太阳系的行星，而是银河系和四周的恒星了。奥尔特云外无疑身处太阳系的最外围，它的外面就是空无一物的虚空。

对于天文学家来说，计较和估量构成奥尔特云天体的尺寸，将有助于重建太阳刚降生时的图景，或许还可以帮忙他们一窥形当作巨行星的那些原始碎片。然而不幸的是，若是说寻找未知行星X已经不轻易，那么发现奥尔特云就加倍坚苦了。它离我们太遥远，太暗淡，并且构成它的天体又过小，很难被我们不雅察到。

迄今，关于奥尔特云的信息都来自“迷路”的彗星，这就比如从鲸鱼露出水面的一爿鳍来猜测它长什么样子一样。不外即使如许，要描画出“鲸鱼”的其他部门也将为时不远。奥尔特云里的天体可以散射来自遥远恒星的光，而使恒星稍变得黯淡，这叫“掩食”。尽管这种现象只持续几分之一秒钟，但天文学家却能操纵这一现象来测量它们的巨细和距离。今朝因为受到地球年夜气的干扰，尽管在地面探测遥远的奥尔特云天体还不成能，但将来空间千里镜应该可以或许胜任。

此外，还有另一些谜有待解决。譬如，迄今长周期彗星的数目和轨道暗示着奥尔特云包含上万亿个直径达千米甚至更年夜的天体，总质量可达地球的好几倍。但这么多的物质超出了今朝太阳系形当作理论可诠释的规模，莫非我们对太阳系形当作的诠释是错误的？

谜五：太阳系是并世无双的吗？

自从1992年以来，天文学家已经甄别出了280颗太阳系外行星。它们大都不像我们的地球，不外这并不奇异，其实是由今朝探测手艺的局限性造当作的：行星绕恒星转时，恒星也要绕着它们配合的质心动弹。当然，一般来说因为恒星和行星的质量悬殊，恒星动弹的幅度很是小。于是在我们看来，恒星就会发生周期性的“摆动”。今朝，大都环境下天文学家就是经由过程不雅察恒星的摆动来猜测行星的存在的；但行星越小，恒星的摆动就越轻细，假如行星像地球那么轻，那恒星的摆动几乎难以探测。

今朝发现的年夜大都太阳系外行星都是像木星或者海王星那样的气态巨行星，分歧点是，它们离本身的“太阳”很近，只半斤八两于日地之间的距离。离母恒星距离更远的行星今朝还没被发现，因为这类行星需要10多年或者更长的时候才能完当作一个周期，而采用上述法子很少能对峙不雅测这么长时候。

按照尺度的太阳系形当作理论，气态巨行星不该该在那么接近恒星的位置呈现，因为恒星的辐射会阻止较年夜岩石质核的形当作（拜见谜一）。不外有一点或许能解开这一谜团：尽管我们太阳系中的行星轨道都近似圆形，但这些太阳系外巨行星的轨道倒是高度扁平的卵形，这申明年夜大都行星系统看来都有过比太阳系加倍动荡的汗青，一些当初距离比力远的巨行星，为了竞争保存空间，或许曾经把敌手挤进一些更近、更独特的轨道。

有良多证据表白，岩石质行星比我们最初设想的要遍及得多。2008年美国宇航局操纵空间千里镜发现，在年青恒星四周，岩石质行星的形当作率可达20%到60%。

即使岩石质行星这么遍及，但要在其上发现生命的前景却没那么乐不雅。天文学家对环绕老年恒星的尘埃云的不雅测表白，在10个恒星系统中，有9个看起来比我们的太阳系有着更多的尘埃，有些甚至是太阳系的20倍还多，这些尘埃很可能是彗星碰撞留下的。从地球上的经验我们知道，行星过于频仍地受到彗星碰撞，对生命的保存是十分晦气的。

我们的存在，很年夜水平上得益于一些重量级“巨人”的扼守：遥远巨行星，尤其是木星的引力，在彗星侵入到内太阳系之前就改变它们的轨道，从而把它们摈除出去。

要判定太阳系在宇宙中是否独一，既需要找到地球巨细的太阳系外行星，又要找到分开母恒星更远的巨行星，因为这恰是太阳系的两个特点。但今朝这两个问题都没解决，所以这个问题我们此刻还欠好回覆。

谜六：太阳系将若何终结？

我们糊口在太阳系勾当相对安静的期间。太阳系最纷扰不安的期间发生在最初的1亿年，行星就是阿谁时辰形当作的（拜见谜一），此后，还可能发生过巨行星迁徙和那些躲过木星反对的彗星的轰炸等年夜事务，但这一切也已经离我们很遥远了。现在太阳在不变地燃烧，行星像钟表针一样绕着太阳转，生命在地球上按部就班地繁衍着，在太阳系中几乎没什么年夜事发生。

但这一切不会永远持续下去。有些不兴奋的工作注心猿意马要打破这令人舒适的平和平静。

起首，从此刻数起，年夜约60亿年后，太阳将趋于灭亡。这看起来似乎还很遥远，但在这之前工作就已经变糟了。今天太阳系安静的背后其实已经埋下了紊乱的种子。即即是最轻细的不法则，跟着时候的推移也会逐渐堆集，最终改变行星的轨道。从此刻到太阳的最后日子，据计较大要有2%发生年夜灾难的概率。譬如说火星也许会太接近木星，被引力甩出太阳系；假如我们出格晦气，水星甚至还会撞到地球上来。

与此同时，太阳将变得越来越敞亮。在20亿年内，它的辐射将可能摧毁地球上的生命。另一方面，火星若是那时还在，将会拥有一个相对舒适的天气情况。固然它今天暮气沉沉，但终有一天会变得朝气盎然。

当太阳上的氢燃尽后，整个布局就会发生猛烈的转变。它将慢慢膨胀，酿成一颗红巨星，体积将是此刻的上百万倍，不仅吞食失落水星和金星，甚至还有地球。

那时，火星也寿终正寝了。但土星和木星今朝的那些冰质卫星，或许会接踵当作为生命的呵护所。土星的一颗年夜卫星——泰坦，将是生命抱负的栖居之地，它上面此刻就有了很多有机分子。红巨星披发的热量将让泰坦概况的固态水和氨融化，而这些有机分子也许最终会进化出生命。

任何从这些星球长进化出来的生命将看到与我们所见完全分歧的天空。到那时，银河系或许已经与我们的邻人仙女座相撞，合当作了一个年夜星系，在新的星系里，恒星不竭地形当作，将把整个天空照亮。这些恒星将是孕育新一代“太阳系”的摇篮。

但太阳系中，任安在我们之后孕育出来的生命，它们存在的时候都不会太长。太阳在短时候内酿成红巨星后，它将垂垂熄灭，把外壳抛却后，最终酿成一颗白矮星。短时候内曾经舒适宜人的泰坦，将再一次被冰封上。固然木星和土星将会在轨道上继续运行上百亿年，但天王星和海王星却会被木星和土星摈除出太阳系，或者被路过的某颗恒星掠走。

将来的事老是不确定的，也许会发生别的一种环境，整个太阳系在银河系和仙女座碰撞中，被抛了出去，在空无一物的虚空中流离。如许，行星们避免了被恒星抢劫走的命运，将继续绕着逐渐变得暗淡的太阳转，直到它们的能量被垂垂耗损（按照广义相对论，动弹的物体味辐射引力波，一部门能量被引力波带走）。最后，它们沿着螺旋轨迹一头栽进太阳，以一道划破暗中的闪光竣事它们的平生。

阿谁时刻，降生于太阳系的人类会在哪里？