科學之謎|太陽系的生與死

太陽系是人類的故里，但它卻有太多謎團讓我們猜疑。從太陽系的降生到衰亡，從太陽、行星到彗星，每個謎團都和我們互相關注，令我們對太陽系布滿了一探討竟的感動。

年夜約46億年前，在銀河系一塊并不顯眼的位置上，醞釀著一路年夜事務，滿盈在那邊的氫氣、氦氣以及少量的固體塵埃起頭凝集。因為無法抵當自身的引力，這一新形當作的星云坍縮了。在高溫的混沌之中，降生了一顆恒星，這就是我們的太陽。

我們至今仍無法切當地知道，是什么觸發了這一過程，或許這一切源自臨近一顆恒星在臨死前的年夜爆發中傳來的沖擊波。但無論若何，這并非是一件奇怪的工作。自銀河系年夜約在130億年前降生以來，此類工作已發生過無數次，并且至今還幾回再三發生。作為一顆恒星，太陽其實是太通俗不外了。

然而，據我們今朝所知，這又是宇宙中并世無雙的年夜事務。在隨后的日子里，從環繞太陽的塵埃盤里，降生了八顆行星；此中的一顆——地球，因得天時地利的優勢，生命在它上面得以涌現；又顛末數十億年，其長進化出聰明生命。得益于造化的巧奪天工，今天我們可以悠然站在這里發問——

謎一：太陽系是若何形當作的？

初看太陽系的這些行星，它們的個頭和前提是如斯迥異，以至于你會認為它們是依次被太陽“收養”下來的，之間并沒有“血緣”關系。但事實上并非如斯。太陽系形當作的汗青告訴我們，它們是有著“血緣”關系的親兄弟，都源自統一個母腹——坍縮形當作太陽的統一團星云。它們之間的關系是如斯緊密親密，以至于今天你如果移走一個，或者添加一個，整個太陽系的面孔就要完全改不雅。

那么，如斯精巧的布局是怎么形當作的呢？

當太陽形當作的時辰，它用盡了近99.8%的星云物質。按照今朝遍及接管的理論，殘剩物環繞太陽形當作了一個薄薄的塵埃盤，仿佛它的一條腰帶。當塵埃繞太陽轉的時辰，經由過程碰撞漸聚漸年夜。在盤的最內側，太陽的輻射使那邊的溫度變得異常高，只有金屬和硅酸鹽礦物如許一些高熔點的材料才能以固體的形式存在。這就限制了那些處所的天體所能達到的最年夜尺寸，于是在內太陽系，發生了4顆相對較小的巖石態行星：水星、金星、地球和火星。

而對于處在太陽系外層的行星，卻沒有那么嚴酷的限制。在那邊，甲烷和水都能以固態的形式存在，所以那邊的行星個頭可以變得很年夜，形當作像木星和土星如許的氣態巨行星；在更冷的情況下，還形當作了冰質的巨行星——天王星和海王星。非論氣態巨行星仍是冰質巨行星，它們都擁有一個巖石質的內核。

到今朝為止，一切都進展順遂。但當涉及某些具體的細節時，問題就來了。

起首，沒有人切當地知道尺寸在幾米量級的年夜石頭是若何熔合，形當作量級以10千米計的行星的。按理說，這些年夜石頭應該會不斷地與四周氣體發生摩擦，掉去動能，在熔合當作一個更年夜的天體之前，將一個個栽進太陽里去。

比來一個新理論看來有望解決這一難題。它認為，因為氣體的擾動形當作了低氣壓的渦流，這些年夜石頭堆積在渦流中，在碰撞中熔合，于是形當作了更年夜的天體。同樣的問題也困擾著氣態巨行星的形當作，它們的固態核必心猿意馬也是在有氣體存在的環境下熔合而當作的，這些氣體后來被吸積，變作了它們的“外衣”。

太陽系在形當作之后，還曾履歷過一段動蕩不安的期間。在此外行星系統中，人們不雅察到一個被稱為“熱木星”的現象：一些行星個頭如同木星般巨細，但到它們的“太陽”的距離卻只有日地距離那么短。今朝科學家還不清晰，在太陽系的早期，木星或者土星是否曾一度處在更接近太陽的位置，后來才遷徙出來。若是確有其事，那么內太陽系必心猿意馬發生過一場年夜的動蕩。

按照一項理論，在太陽降生后幾億年，外太陽系（太陽系中，小行星帶以外的區域叫外太陽系；小行星帶介于火星和木星之間）履歷過一次重組和擴張。在這一過程中，因為木星和土星在軌道上的某次巧合（那種狀況下，它們對某個天體的合力最強），于是在壯大的引力的鞭策下，天王星和海王星移到了它們今天地點的遙遠位置上。途中漫衍的一些小天體墜進了木星，甚至有一些因墜毀時發生激烈碰撞，碰撞后濺射出來的碎片又被拋到了太陽系的深處。這些殘骸被認為構成了設想中的奧爾特云（拜見謎四）。

離我們比來的一次外太陽系劇變或許還在位于木星和火星之間的小行星帶上引起了一場紛擾，導致年夜約40億年前，也就是太陽降生之后5到6億年，年夜量隕石對地球的狂轟濫炸。但自那時今后，構成太陽系的天體都趨于微妙的不變和均衡，不消說，這給地球上的生命帶來不成估量的益處。

謎二：為什么太陽和月亮在天空中看起來差不多年夜？

日全食是年夜天然中最輝煌的半晌之一。在日全食達到鼎盛時，太陽和月球重合得如斯之好，以至于只有很是微弱的太陽光才能穿越月球概況高卑的山谷傳到地球上來，發生讓人贊嘆的鉆石閃光般的結果。

這一切都要歸因于一個驚人的巧合：太陽的直徑是月球直徑的400倍，但它分開地球的距離恰是月球的400倍。兩個身分彼此抵消的成果是，太陽和月球在天空中看起來幾乎一般年夜。這在太陽系八年夜行星和已知的166顆衛星中是并世無雙的。并且地球又剛好是太陽系中獨一的生命避風港，這莫非僅僅是巧合嗎？

毫無疑問，大都天文學家會說是巧合。但也許工作沒那么簡單。要知道我們的月球在某些方面簡直不同凡響。凡是認為，那些外太陽系行星譬如木星、土星、天王星和海王星的衛星，是經由過程兩種路子形當作的：一種是太陽系形當作的“縮小”版，即行星四周的塵埃凝集當作了衛星；另一種是行星靠本身的引力俘獲路過的小行星，把它變為了本身的衛星。火星的兩顆衛星——火衛一和火衛二，就認為是經由過程第二種路子得來的，這兩顆火星的衛星也是內太陽系中除地球的月亮之外獨一的兩顆衛星。

但相對地球來說，我們的月球似乎個頭年夜了點，以至于不克不及經由過程上述兩種路子形當作。今朝廣為接管的關于月球發源的詮釋是：在太陽系形當作之后的第一個1億年，一顆火星般巨細的行星撞上了地球。此次年夜撞擊不僅在很年夜水平上重塑了地球，年夜量濺射出去的碎片最終還凝集當作了月球。

如斯年夜的月球對于地球生命來說是一個莫年夜的福祉。本地球繞著本身的軸動彈的時辰，因為受太陽等天體引力的影響，它自然具有扭捏的傾標的目的。而月球的引力像一只看不見的手，暗暗地把扭捏避免了；不然，跟著時候的推移，自轉的不不變將導致地球概況天氣的猛烈轉變，生命的保存將變得堅苦得多。所以，擁有一個出格年夜的月球——年夜到足可以發生日全食——或許是生命發源的一個很是主要的身分。

因為月球是在撞擊中，由濺射出去的碎片形當作的，這些碎片依然保有標的目的外飛的慣性，所以月球一向在遠離我們，此刻的速度年夜約是每年3.8厘米。恐龍看到的日全食與我們看到的不盡不異：2億年前，月球離地球太近了，足以把整個太陽都遮住，所以在日全食鼎盛時，不會有任何光線透過月球傳到地面上來。同樣，將來幾百萬年后，地球上的居平易近再也沒機遇看到日全食了，因為阿誰時辰月球離地球太遠，在天空中沒法遮住整個太陽。

由此看來，我們的幸運是兩個身分配合感化的成果：因為撞擊形當作的月球正在遠離，現在剛益處于合適的距離上；同時也因為在這一期間，地球上剛好已經進化出了聰明生命（這一點也一樣受惠于月球的存在）。若是你有幸下次看到日全食，可要想到這一點哦。

謎三：還存在未知的行星嗎？

當我們在前文中說“在太陽系中添加或者削減一個行星，城市讓整個系統年夜為改不雅”時，我們是在自認為對太陽系的各部門洞若觀火的環境下說這番話的。但有一個傳說風聞說，躲藏在太陽系離我們很是遙遠的處所，還有一顆至今未被發現、像地球或者火星般巨細的行星X。

若是未知行星X真的被發現了，那它將是自1930年冥王星被發現以來，插手太陽系的最主要的新當作員。2006年國際天文學會投票把冥王星從行星的行列趕出去，降級為矮行星時，為判別太陽系的行星設立了三個尺度：它必需繞太陽公轉；它的引力必需強到足以把自身塑造當作近似球形；它的質量必需足夠年夜，可以或許掃清本身軌道上此外小天體。冥王星沒有知足第三個前提，所以就降級了，現在它只是柯依伯帶上的浩繁天體之一，這些天體距海王星軌道年夜約30到50天文單元（1天文單元半斤八兩于地球到太陽的距離）。

任何新的天體要想被認可是行星，都必需起首在柯依伯帶上掃清本身的軌道。然而有趣的是，恰是對柯依伯帶的研究，暗示著或許還存在有未知行星：一些柯依伯帶上的天體具有很是扁平的橢圓軌道，而另一些，則軌道平面幾乎與大都行星公轉的軌道平面當作90度角，它們行為如斯詭異，或許是因為受到一個質量很年夜、距離遙遠的天體的擾動。

不外，今朝天文學家們并沒有對此告竣共識。因為假設在太陽系形當作的早期，有一顆巨行星遲緩地朝外遷徙（拜見謎一），也能詮釋柯依伯帶上某些天體的反常軌道。

在曩昔20年里，科學家搜刮了年夜片的天空，而且已經發現了1000多個位于柯依伯帶上的天體。但如許年夜面積的搜尋只能發現那些年夜的、敞亮的天體。一個像火星般巨細的天體，如果處于100天文單元位置，就很輕易躲過探測。

但這一切很快就會改變。今朝，四個裝備著宿世界上最年夜像素攝像機的天文千里鏡，在搜刮天空中任何閃灼或者移動的天體。固然它們的本家兒要方針是發現潛在的飛標的目的地球的隕石，但外太陽系的天體也一樣逃不外它們的“眼睛”。

若是發現又一顆新行星，那將是一件沖動人心的工作。它將佐證科學家今朝關于太陽系演化的理論，甚至仍是我們邁標的目的太陽系更深處的一塊“墊腳石”（拜見謎四）。

謎四：彗星從哪兒來？

宇宙中很少有天體像彗星那樣引起人們敬畏的，出格是肉眼能看得見的哈雷彗星，汗青上很多次人們把哈雷彗星的呈現視為宿世界末日的到來。

但我們此刻知道，彗星其實是一類由冰和塵埃構成的天體，它們以極扁的橢圓軌道繞太陽公轉，壯不雅的彗從頭至尾則是因冰塊蒸發，又受到太陽風吹拂而形當作的。我們甚至知道彗星來自海王星軌道外的柯依伯帶。

可是有一個問題。某些彗星，像1997年一掃而過的海爾-波普彗星，在我們的天空中呈現的次數太罕有了，它們的軌道必然很是長，以至于超出了柯依伯帶。天文學家對此的結論是，我們今朝已知的太陽系現實上被一群冰質的“流離漢”天體包裹著。這些天體則是幾十億年前緊鄰太陽的星云盤水分蒸發，受巨行星的吸引逃逸到太陽系外層空間固結而當作的。

這個太空中的“西伯利亞”我們此刻稱之為“奧爾特云”。是丹麥天文學家奧爾特在1950年起首提出的。這個包裹太陽系近乎球體的彌散布局，還從來沒被不雅察到過，但若是長周期彗星確實來自于此的話，它必然很是廣寬，比柯依伯帶外層還遠1000多倍。在如斯遙遠的距離，影響它活動的已不再是太陽系的行星，而是銀河系和四周的恒星了。奧爾特云外無疑身處太陽系的最外圍，它的外面就是空無一物的虛空。

對于天文學家來說，計較和估量構成奧爾特云天體的尺寸，將有助于重建太陽剛降生時的圖景，或許還可以幫忙他們一窺形當作巨行星的那些原始碎片。然而不幸的是，若是說尋找未知行星X已經不輕易，那么發現奧爾特云就加倍堅苦了。它離我們太遙遠，太暗淡，并且構成它的天體又過小，很難被我們不雅察到。

迄今，關于奧爾特云的信息都來自“迷路”的彗星，這就比如從鯨魚露出水面的一爿鰭來猜測它長什么樣子一樣。不外即使如許，要描畫出“鯨魚”的其他部門也將為時不遠。奧爾特云里的天體可以散射來自遙遠恒星的光，而使恒星稍變得黯淡，這叫“掩食”。盡管這種現象只持續幾分之一秒鐘，但天文學家卻能操縱這一現象來測量它們的巨細和距離。今朝因為受到地球年夜氣的干擾，盡管在地面探測遙遠的奧爾特云天體還不成能，但將來空間千里鏡應該可以或許勝任。

此外，還有另一些謎有待解決。譬如，迄今長周期彗星的數目和軌道暗示著奧爾特云包含上萬億個直徑達千米甚至更年夜的天體，總質量可達地球的好幾倍。但這么多的物質超出了今朝太陽系形當作理論可詮釋的規模，莫非我們對太陽系形當作的詮釋是錯誤的？

謎五：太陽系是并世無雙的嗎？

自從1992年以來，天文學家已經甄別出了280顆太陽系外行星。它們大都不像我們的地球，不外這并不奇異，其實是由今朝探測手藝的局限性造當作的：行星繞恒星轉時，恒星也要繞著它們配合的質心動彈。當然，一般來說因為恒星和行星的質量懸殊，恒星動彈的幅度很是小。于是在我們看來，恒星就會發生周期性的“擺動”。今朝，大都環境下天文學家就是經由過程不雅察恒星的擺動來猜測行星的存在的；但行星越小，恒星的擺動就越輕細，假如行星像地球那么輕，那恒星的擺動幾乎難以探測。

今朝發現的年夜大都太陽系外行星都是像木星或者海王星那樣的氣態巨行星，分歧點是，它們離本身的“太陽”很近，只半斤八兩于日地之間的距離。離母恒星距離更遠的行星今朝還沒被發現，因為這類行星需要10多年或者更長的時候才能完當作一個周期，而采用上述法子很少能對峙不雅測這么長時候。

按照尺度的太陽系形當作理論，氣態巨行星不該該在那么接近恒星的位置呈現，因為恒星的輻射會阻止較年夜巖石質核的形當作（拜見謎一）。不外有一點或許能解開這一謎團：盡管我們太陽系中的行星軌道都近似圓形，但這些太陽系外巨行星的軌道倒是高度扁平的卵形，這申明年夜大都行星系統看來都有過比太陽系加倍動蕩的汗青，一些當初距離比力遠的巨行星，為了競爭保存空間，或許曾經把敵手擠進一些更近、更獨特的軌道。

有良多證據表白，巖石質行星比我們最初設想的要遍及得多。2008年美國宇航局操縱空間千里鏡發現，在年青恒星四周，巖石質行星的形當作率可達20%到60%。

即使巖石質行星這么遍及，但要在其上發現生命的前景卻沒那么樂不雅。天文學家對環繞老年恒星的塵埃云的不雅測表白，在10個恒星系統中，有9個看起來比我們的太陽系有著更多的塵埃，有些甚至是太陽系的20倍還多，這些塵埃很可能是彗星碰撞留下的。從地球上的經驗我們知道，行星過于頻仍地受到彗星碰撞，對生命的保存是十分晦氣的。

我們的存在，很年夜水平上得益于一些重量級“巨人”的扼守：遙遠巨行星，尤其是木星的引力，在彗星侵入到內太陽系之前就改變它們的軌道，從而把它們擯除出去。

要判定太陽系在宇宙中是否獨一，既需要找到地球巨細的太陽系外行星，又要找到分開母恒星更遠的巨行星，因為這恰是太陽系的兩個特點。但今朝這兩個問題都沒解決，所以這個問題我們此刻還欠好回覆。

謎六：太陽系將若何終結？

我們糊口在太陽系勾當相對安靜的期間。太陽系最紛擾不安的期間發生在最初的1億年，行星就是阿誰時辰形當作的（拜見謎一），此后，還可能發生過巨行星遷徙和那些躲過木星反對的彗星的轟炸等年夜事務，但這一切也已經離我們很遙遠了。現在太陽在不變地燃燒，行星像鐘表針一樣繞著太陽轉，生命在地球上按部就班地繁衍著，在太陽系中幾乎沒什么年夜事發生。

但這一切不會永遠持續下去。有些不興奮的工作注心猿意馬要打破這令人舒適的平和平靜。

起首，從此刻數起，年夜約60億年后，太陽將趨于滅亡。這看起來似乎還很遙遠，但在這之前工作就已經變糟了。今天太陽系安靜的背后其實已經埋下了紊亂的種子。即即是最輕細的不法則，跟著時候的推移也會逐漸堆集，最終改變行星的軌道。從此刻到太陽的最后日子，據計較大要有2%發生年夜災難的概率。譬如說火星也許會太接近木星，被引力甩出太陽系；假如我們出格晦氣，水星甚至還會撞到地球上來。

與此同時，太陽將變得越來越敞亮。在20億年內，它的輻射將可能摧毀地球上的生命。另一方面，火星若是那時還在，將會擁有一個相對舒適的天氣情況。固然它今天暮氣沉沉，但終有一天會變得朝氣盎然。

當太陽上的氫燃盡后，整個布局就會發生猛烈的轉變。它將慢慢膨脹，釀成一顆紅巨星，體積將是此刻的上百萬倍，不僅吞食失落水星和金星，甚至還有地球。

那時，火星也壽終正寢了。但土星和木星今朝的那些冰質衛星，或許會接踵當作為生命的呵護所。土星的一顆年夜衛星——泰坦，將是生命抱負的棲居之地，它上面此刻就有了很多有機分子。紅巨星披發的熱量將讓泰坦概況的固態水和氨融化，而這些有機分子也許最終會進化出生命。

任何從這些星球長進化出來的生命將看到與我們所見完全分歧的天空。到那時，銀河系或許已經與我們的鄰人仙女座相撞，合當作了一個年夜星系，在新的星系里，恒星不竭地形當作，將把整個天空照亮。這些恒星將是孕育新一代“太陽系”的搖籃。

但太陽系中，任安在我們之后孕育出來的生命，它們存在的時候都不會太長。太陽在短時候內釀成紅巨星后，它將垂垂熄滅，把外殼拋卻后，最終釀成一顆白矮星。短時候內曾經舒適宜人的泰坦，將再一次被冰封上。固然木星和土星將會在軌道上繼續運行上百億年，但天王星和海王星卻會被木星和土星擯除出太陽系，或者被路過的某顆恒星掠走。

將來的事老是不確定的，也許會發生別的一種環境，整個太陽系在銀河系和仙女座碰撞中，被拋了出去，在空無一物的虛空中流離。如許，行星們避免了被恒星搶劫走的命運，將繼續繞著逐漸變得暗淡的太陽轉，直到它們的能量被垂垂耗損（按照廣義相對論，動彈的物體味輻射引力波，一部門能量被引力波帶走）。最后，它們沿著螺旋軌跡一頭栽進太陽，以一道劃破暗中的閃光竣事它們的平生。

阿誰時刻，降生于太陽系的人類會在哪里？