太阳系

由太阳、行星及其卫星、小行星、彗星、流星体和行星际物质构成的天体系统。在太阳系中,太阳是中心天体;其他天体都在太阳的引力作用下,绕太阳公转。

太阳系概念的确立

远在古代,人们就注意到天上众星的相对位置在长时期内保持不变,称之为恒星,但有五颗亮星(金星、木星、水星、火星、土星)在众恒星间不断移动,称之为行星。在中国,这五颗行星加上太阳和月亮,总称“七曜”。

太阳系鸟瞰图

在人类对宇宙的认识中,一直存在着唯物论和唯心论、辩证法和形而上学两种相互对立的宇宙观。中国古书中记载着关于地球运动的朴素唯物论和辩证法的观点,如“天左旋,地右动”(《春秋纬·元命苞》),“地动则见于天象”(《运斗记》),“地恒动不止,人不知,譬如人在大舟中,闭牖而坐,舟行而人不觉也”(《尚书纬·考灵曜》)。公元前三世纪,古希腊学者阿利斯塔克推测太阳比地球大,认为地球绕太阳转动,而不是太阳绕地球转动。但是,从古代到中世纪,认为地球不动地居于宇宙中心的错误观念占据了统治地位。在中国,先后有“盖天说”、“浑天说”和“宣夜说”。在西方,有“九重天”的说法,认为星辰嵌在九层水晶球上,自内向外各层水晶球上嵌着月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星,第八层球上钉着所有的恒星,第九层最高天是神灵居住处;九层天和谐地绕地球转动。后来,水晶球被圆轨道所代替。公元前四世纪,古希腊学者亚里士多德虽然正确地推测地球是球形的,但他认为地球不动地居于宇宙的中心。他还坚持天体完美论,认为天上的东西与地上的迥然不同,星星都沿完美的圆轨道运行。为了解释行星相对于恒星时而东移(“顺行”)、时而西移(“逆行”)现象,古希腊学者阿波隆尼提出“本轮均轮偏心模型”,认为五大行星在较小的圆轨道(“本轮”)上作等速转动,本轮中心则在一个较大的圆轨道(“均轮”)上绕地球等速转动,但地球位于偏离均轮中心处。约在公元140年,亚历山大城的天文学家托勒密写了《天文学大成》,总结和发展了前人成果,建立了地心体系,对“本轮”和“均轮”作了一些选择,来拟合行星的运动,并编制了行星星历表,大体上与当时低精度的观测位置相符合。地心体系由于同上帝创造日月星辰和人类的宗教教义合拍,长期受宗教统治者的庇护和利用。虽然随着社会的发展,在天文观测实践中越来越暴露出地心体系的谬误,但是,这一体系仍禁锢着人们的思想,不少人只在这一体系内修修补补。

波兰天文学家哥白尼总结和分析了前人关于日、月和行星的观测资料,并根据他自己三十多年的大量观测实践,在1543年发表的《天体运行论》中提出了日心体系,即“日心地动说”。他得出结论:地球不是宇宙中心,而太阳才是宇宙中心,地球只是一颗行星,和其他行星一起绕太阳公转;日月星辰的东升西落是地球自转的反映;月亮是地球的卫星,每月绕地球转一周,同时跟着地球绕太阳公转。这是人类认识史上的一次大飞跃,把自然科学从神学中解放出来。通过实践的检验,日心地动说日益得到公认和发展。十七世纪初,伽利略用望远镜发现了木星的四个大卫星,观测到金星的盈亏等。接着,德国天文学家开普勒分析了第谷的大量观测资料,提出行星运动三定律。十七世纪八十年代,牛顿发现万有引力定律,从理论上阐明了行星绕太阳运动的规律。十八世纪初,英国天文学家哈雷计算了许多彗星的轨道,成功地预言了哈雷彗星在1759年初的再次出现。1781年F.W.赫歇耳(见赫歇耳一家)发现天王星,后来又发现天王星的卫星。1846年在用天体力学方法推算的位置附近找到了海王星。1930年又发现了冥王星。此后,又发现更多的卫星。十九世纪以来,发现了许多小行星。

太阳和行星的大小比较

十八世纪五十年代和九十年代,康德和拉普拉斯各自提出了太阳系起源的星云假说,认为太阳系有其形成发展的历史,在宇宙万物不变这种僵化的自然观上打开了缺口。这是继哥白尼之后又一重大进步,从此,太阳系起源便成为一个著名的科学问题。星际航行以来,太阳系研究进入了新的时期。

运动特征和结构特征

综合迄今为止的观测资料,得到太阳系的主要特征如下:

(1)在太阳系中,太阳的质量占太阳系总质量的绝大部分(99.8%),其他天体的质量总和只有太阳的约0.2%。太阳的引力控制着整个太阳系,使其他天体绕太阳公转。除了太阳之外,太阳系主要成员是九大行星(水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星),在这个意义上说,太阳系是一个“行星系”。九大行星分为性质不同的三类:类地行星(水星、金星、地球、火星)、巨行星(木星、土星)和远日行星(天王星、海王星、冥王星)。太阳是有热核能源辐射的发光恒星,其他天体都没有核能源辐射(巨行星有红外辐射热源),主要被太阳光照射而发亮。

(2)九大行星都在接近同一平面的近圆形轨道上,朝同一方向绕太阳公转,这就是行星轨道运动的共面性、近圆性和同向性。但各行星轨道并不是完全共面,而是对不变平面(见拉普拉斯不变平面)有不大的倾角;轨道也不是正圆,而都是偏心率不大的椭圆;其中冥王星和水星的倾角和偏心率较大。太阳也朝同一方向自转,太阳赤道面对不变平面倾角为5°56┡。

(3)三类行星的平均密度分布特点是:类地行星大,远日行星次之,巨行星小;行星的大小和质量的分布特点是:巨行星大,类地行星和远日行星小。

(4)行星同太阳的距离具有规律性,由提丢斯-波得定则表述。

(5)地球、火星、木星、土星、天王星和海王星的自转周期为几小时到一天左右(见等周律),但水星、金星和冥王星自转周期很长,分别为58.65天、243天和6.387天。多数行星的自转方向与公转方向相同,但金星则相反,而天王星和冥王星的自转轴与轨道面交角很小,呈现侧向自转。

(6)在太阳系中,质量占99.8%以上的太阳的角动量只占1%左右;而质量不到0.2%的其他天体的角动量总和却占99%左右,这就是太阳系角动量的特殊分布问题。

(7)除了水星和金星,其他行星都有卫星绕转,构成卫星系。现已确知,九大行星共有34个卫星,这些卫星又分为“规则卫星”和“不规则卫星”两类。此外,还发现木星、土星和天王星有环(见行星环)。

(8)在火星和木星轨道之间,有许多小行星,其质量总和约等于地球的万分之四,而且质量越小的数目越多。它们的轨道倾角和偏心率彼此相差较大,自转周期多为2小时到16小时。小行星可分为性质不同的两类:石质的和碳质的。此外,在地球轨道附近、木星轨道附近甚至土星和天王星轨道之间也发现有小行星。还发现几颗小行星也有卫星。

(9)已发现约1,600颗彗星,它们的轨道倾角和偏心率彼此相差很大,有些彗星的轨道是抛物线,甚至是双曲线。有些彗星(主要是长周期彗星和非周期彗星)是逆向公转的。彗星绕太阳运行中呈现奇特的形状变化,在不大的彗核周围有雾状彗发,走近太阳时生出长长的彗尾。

(10)太阳系中还有数量众多的大小流星体,有些流星体是成群的,称为流星群,已证实一些流星群是彗星瓦解的产物(见流星雨)。大流星体降落到地面成为陨石。陨石又分为石陨石、铁陨石和石铁陨石三大类。陨石中含有许多种矿物岩石,还发现了有机物。

此外,行星际还有稀疏的微尘粒和气体,集中于黄道面附近,产生黄道光。太阳不断地向行星际抛出等离子体,构成太阳风,它们耦合着磁场。有时这种抛射很猛烈,对行星、卫星和彗星等有相当大的影响。

太阳系在宇宙中的地位

九大行星所占的空间范围,其半径不到50天文单位,即使认为在离太阳10~15万天文单位处存在“彗星云”,作为太阳系的半径,整个太阳系也只是更大的天体系统──银河系的极微小部分。离我们最近的恒星(半人马座比邻星)的距离有20多万天文单位。太阳只是银河系中上千亿个恒星中的一个,它离银河系中心约10千秒差距,偏离银道面北约 8秒差距。太阳带着整个太阳系绕银河系中心转动。可见,太阳系不在宇宙中心,也不在银河系中心。

参考书目
  1. 弗拉马利翁著,李珩译:《大众天文学《(第一、二分册),科学出版社,北京,1965。(C.Flammarion,Astronomie Populaire,Flammarion Cie,Paris,1955.)
  2. F.L.Whipple,EarthMoon and Planets3rd ed.,Harward Univ.Press,Cambridge,1968.
  3. G.O.Abell,Exploration of the Universe,3rd ed., Holt, Rinehart and Winston,New York,1975.
  4. G.P.Kuiper.B.N.Middlehurst,The Solar System,Vol.I-Ⅳ,Univ.of Chicago Press,Chicago,1953~1963.

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