宇宙到底有多大（二）太陽系：冰與火的國度

        舉目四望宇宙總讓人生出幾分不安。在一個叫作太陽的中年矮恆星旁邊，它的第三大岩體行星就是我們的棲身之所。太陽又身處於一個叫做銀河系的棒旋星系中。而銀河系不過是宇宙里幾十億個星系中的一個。但是，這個在宇宙中微不足道的小小星球卻是我們已知唯一一處存在生命的地方。正是這一點點與眾不同又讓我們振作起來。太陽系裡有生命賴以為生的家園——地球。不過，在未來幾十年，我們或許還能找到其它有生命跡象的行星——可能是火星，也可能是木衛二。雖然太陽系可能並不是唯一一個有生命的地方，但要想在其它行星系統中找尋生命存在的確鑿證據可謂難上加難。

       太陽系的總質量約為1.0013倍太陽質量。其中，位於小數點左邊的數字是太陽自身的質量，右邊的數字的73%是木星貢獻的。剩餘的部分則是太陽系內其它天體的質量總和，包括地球、其它行星、衛星、矮行星、大小各異的小行星和彗星，還有塵埃和冰晶。所以，就算把太陽系視為由木星和物質遺迹構成的系統也不算過分。

       照亮天空的恆星——太陽為整個太陽系帶來光和熱，同時也是太陽系的質量中心。它就像一個引力錨，把太陽系的所有天體都約束在一起。這樣，在銀河系中穿行的時候，整個系統也不至於分散。我們根據熱量的分布，自然而然地把太陽系分成截然不同的兩個區域：一個熾熱、明亮又擁擠；另一個則冰冷、黑暗，但是幅員遼闊。下面就讓我們看看它們是如何構成一個整體的。

2012年6月5日，美國宇航局的太陽動力學觀測站（Solar Dynamics Observatory）捕捉到金星凌日的畫面。250多年前，天文學家首次利用金星凌日測量太陽系的距離尺度。（圖片來源：NASA/GSFC/SDO）

       太陽發出的光需要8分多鐘才能傳播到地球。太陽和地球之間的平均距離是1億4千960萬公里。我們的太陽系之旅才剛剛開始，用日常的距離單位就已經很不方便了。因此，天文學家用「天文單位」（簡稱AU）來衡量距離。日地間的平均距離就定義為1個天文單位。

       距離太陽最近的是水星，其平均間距是日地距離的39%（即0.39個天文單位）。不過，水星繞太陽公轉的軌道很古怪——在太陽系八大行星中，數它的軌道橢率最大。也就是說，它與太陽時近時遠。當水星離太陽最遠時（即軌道的遠日點），它們的間距是0.467個天文單位；而離太陽最近時（即軌道近日點），間距只有0.308個天文單位。 如果你那時正好在水星上，你會發現太陽看起來比你在地球上看到的大3.2倍。

       那時，水星的表面溫度也將達到400攝氏度，足以使鉛融化。由於太陽的炙烤，再加上太陽發出的粒子流的轟擊，水星的直徑只有地球直徑的38%，僅能夠保留住微薄的大氣。但有越來越多的證據表明，水星雖然位於太陽系熾熱區域的最前端，其地表卻有水冰。

      1992年，波多黎各阿雷西沃天文台的天文學家朝水星的極地發射雷達波。雷達回波顯示，在幾個終年不見陽光的環形山的底部有能夠反射雷達波的沉積物。早在幾十年前，天文學家就已經從理論上提出，撞擊水星的彗星和小行星可能是水冰的提供者。在太陽永遠照不到的極地環形山中，這些水冰可能保存至今。2012年，美國宇航局的信使號衛星（MESSENGER）證實了這些環形山確實有富含氫的土層，與存在水冰的判斷一致。月球極地區地表下面的水冰可能也是這麼來的。

美國宇航局的信使號衛星（MESSENGER）和地基雷達測繪發現，在水星地表，一些終年不見陽光的環形山中有高反射率的物質——可能是水冰。（圖片來源：NASA/JHU APL/CIW）

       我們旅行的下一站是金星。它不僅個頭與地球差不多（是後者的95%），其質量、密度、引力場和化學構成也與地球十分相似。儘管如此，它的地面平均溫度卻高達462攝氏度。雖然金星不像水星距離太陽那麼近（金星與太陽的間距是0.72個天文單位），但在最糟糕的時候，金星甚至比水星還要炎熱。這是因為金星有一層厚厚的大氣，而且大氣里幾乎全部是吸熱的二氧化碳氣體。

前蘇聯的Verena衛星至今保持著在金星上工作時間最長的紀錄——2小時零7分。從它傳回的照片中，我們可以看到四周散布著類似玄武岩的岩石。在照片的底部，我們還可以看到衛星本體的一部分。（圖片來源：NASA HISTORY OFFICE）

       此外，金星的大氣壓是地球海平面大氣壓的92倍，相當於我們在海下1000米處感受到的壓力。這更加使得金星不那麼友好。環境如此惡劣，也無怪乎登陸金星的探測器最多只能堅持2個多小時就報廢了。地基和空間探測器藉助雷達繪圖向我們展示了金星的奇特地貌。它是除地球以外，太陽系裡唯一一個已知有活火山的行星。2015年，歐洲空間局的「金星快車」（Venus Express）探測器繪製了金星的地表熱分布圖。科學家們發現，沿Ganiki Chasma斷裂帶分布著好幾個830攝氏度的高溫區域，呈現出的地貌特徵與地球上的火山十分相似。他們還觀測到這些區域的溫度會間歇性地突然升高，然後又降低，可能是火山正在噴發的緣故。

最近，天文學家在金星表面發現了一些在短時間內迅速升溫，隨後又再度降溫的區域。最有可能的解釋是那裡有火山噴發。（圖片來源：E. SHALYGIN, ET AL. (2015)）

宜居區

       我們接下來要造訪的就是地球——我們甜美的家園，也是太陽系裡唯一一個地表有水流動的行星。我們知道，對生命來說，水不可或缺。天文學家用這個概念定義一顆恆星的「宜居區」——即行星上可能有液態水的軌道距離，以此證認可能存在我們熟知的生命形態的系外行星。雖然這個定義尚有爭議（或許有些生命體在除了水以外的其它液體中也能存活；或者生命體可以在地表之下生活），但它卻是一個出發點。保守估計，太陽系的宜居區範圍是0.99至1.69個天文單位。如果更樂觀一點，我們可以把這個範圍擴大到0.75至1.84個天文單位。不過，無論採用哪一個範圍，乾旱的金星都不在宜居區內，火星卻置身其中，而且一般認為後者在很久以前要比現在更溫暖，也更潮濕。

這是DSCOVR眼中的地球。DSCOVR是一個由美國宇航局、美國空軍、美國國家海洋和大氣管理局共同參與的合作研究項目，負責實時監測太陽風。這張照片是遠在一百萬公里之外的DSCOVR送給我們的驚喜。（圖片來源：NASA）

火星與太陽的距離為1.5個天文單位。它一直被視為太陽系裡最有可能存在生命的行星。但它的個頭只有地球的一半大小，其表面引力也只及後者的38%，因此，這顆紅色的行星無力支撐厚重的大氣，而後者能夠幫助保留地表的液態水。在頭十億年里，火星的上層大氣慢慢消散於太空中，偶而造訪的小行星更是把火星大氣的大部分氣體都給趕跑了。當大氣變得足夠稀薄，火星冷卻下來，地表的水凍結成我們今天見到的冰川和冰蓋。如今，火星的平均大氣壓只有地球海平面平均大氣壓的0.6%。在火星的冬季，極地的溫度可以降至零下126攝氏度。在如此寒冷的環境中，大氣中近30%的二氧化碳氣體凝結成雪落到地面，極地的地表因此覆蓋著一層乾冰。儘管只有南極有永久性乾冰蓋，但兩極的層狀沉積物中都有水冰。多虧了探測器的測繪，我們掌握了火星上水冰的最低庫存量。如果這些冰融化，火星表面（假設地表光滑）將被21米深的水所覆蓋。根據近期的研究結果，在43億年前，火星上的水量可能比北冰洋還要大。如果這些水覆蓋整個火星的話，將比今天極地水冰融化形成的汪洋還要深6.5米。

在火星的Deuteronilus Mensae山區，台地的底部呈現出一些奇怪的紋理。天文學家認為，這可能是隱藏在塵土和岩石下面的水冰迅速融化形成的。（圖片來源：ESA/DLR/FU BERLIN (G. NEUKUM)）

      有朝一日，火星可能會被太陽吞噬。太陽的光度正在逐漸增加，宜居區也隨之不斷外移。大約10億年後，地球將置身於宜居區內邊界之外，難逃被太陽烈焰炙烤的噩運。不過，當太陽演化至紅巨星階段時，火星將會享受幾十億年的舒適時光。對火星來說，夏天到了——雖然大部分的水都已消散在太空中，卻是它最舒適、宜居的時候。

岩石塊

       接下來是小行星帶。與海王星外面的柯伊伯帶一樣，它也是岩體和冰狀物質遺迹盤的殘骸。而太陽系的物質遺迹盤正是孕育行星的地方。與好萊塢電影里描述的情況相反，小行星帶里物質稀疏。它的總質量還不及月球質量的5%，而且其中的三分之一全都集於穀神星一身。穀神星是小行星帶里最大的天體，也是那裡唯一的一顆矮行星。緊隨其後的是灶神星、智神星和健神星，這三者加起來一共佔了小行星帶質量的一半。

美國宇航局的曙光號（Dawn）探測器在矮行星穀神星表面發現了一些亮斑。這些斑點可能是鹽或者水冰。自發現以來，它們一直是令天文學家著迷的研究對象。（圖片來源：NASA/JPL-CALTEC/UCLAMPS/DLR/IDA）

       小行星帶始於2.06個天文單位。木星每繞太陽公轉一周，小行星帶里的天體就轉四周。天文學家把這個比例稱為4:1軌道共振關係。只要小行星的軌道周期是木星軌道周期的整數倍，巨大的木星就能輕而易舉地干擾這些小石塊，迅速（以天文時間尺度來說）地改變它原來的軌道。2:1共振關係——當木星公轉一周時，小行星公轉兩周——標定了小行星帶的外邊界（位於3.27個天文單位）。雖然小行星帶是太陽系裡小行星最密集的區域，但還有不少小行星流浪在外，這都是木星的「功勞」。在過去十年里，約有十幾顆小行星因其獨特的行為吸引了天文學家的注意，這說明我們對這個「岩石帶」還缺乏了解。

圍牆之外

       彗星的軌道橢率很大。當它們沿著軌道朝太陽飛奔而來時，通常只有在進入3個天文單位以內時，天文學家才開始看到它們日漸增強的活動。在這個距離上，彗星表面的水冰開始快速升華，直接變成氣體，甚至噴出能夠反射太陽光的塵埃流。因此，用它來劃分太陽系內側的溫暖區與外側的冰冷區很合適。

       從這個距離處再往外走，行星個個都是大塊頭，其質量、密度和化學構成也與內太陽系的行星很不相同。由於太陽系內側溫度較高，內太陽系行星失去了較多的揮發性物質，所以，它們是由岩石和金屬構成的，而外太陽系的巨行星們則主要由氫——最輕的元素構成。位於5.2個天文單位處的木星既是小行星帶的幕後主宰，也是太陽系成員中質量最大的。它的質量是地球質量的318倍，直徑是後者的11倍。接近兩倍距離遠處（9.6個天文單位）的是土星。它的質量是地球質量的95倍，直徑是後者的9.5倍。

       氫佔了這兩顆行星的體積的90%以上。自幾十億年前形成至今，它們一直在自身引力的作用下收縮、冷卻。因此，它們散發出的熱量比從太陽那裡吸收的還要多。兩顆行星的大氣層基本上是無底的，逐漸從氣態過渡到液態，甚至隨著深度的增加，還出現了導電的液態氫。它們的內部是否有類似地球大小的固態核，與它們的形成過程有關。美國宇航局的朱諾號（Juno）木星探測器預計在2016年7月飛抵木星。屆時，它將精準測量木星的引力場，確定其內是否有固態核。

       更遠處的一對巨行星性質比較相似。它們分別是位於19個天文單位處的天王星和30個天文單位遠的海王星。兩者的大氣層主要由氫構成，質量略小，只佔其總質量的20%。它們的總質量分別是地球質量的15和17倍。但它們的組成物質大部分都是重元素——可能有碳、氧、氮和硫。科學家們認為這些元素是行星在吸積冰狀物質遺迹時收集起來的，所以，他們有時也把它們叫做「冰巨星」。兩個行星的個頭約比地球大四倍。

環繞著繪架座β星的圓盤類似於太陽系的柯伊伯帶。那裡聚集著太陽系誕生時遺留下來的灰塵和物質遺迹。（圖片來源：NASA/ESA/D. GOLIMOWSKI AND H. FORD (JHU)/D. ARDILA (IPAC)/J. KRIST (JPL)/M. CLAMPIN (GSFC)/G. ILLINGWORTH (UCO/LICK)/ACS SCIENCE TEAM）

       柯伊伯帶位於30至50個天文單位處，外形酷似甜甜圈。它之所以是這麼個形狀，海王星功不可沒。事實上，天文學家認為，海王星最大的衛星——海衛一就是一個被捕獲的柯伊伯帶天體（Kuiper Belt Object，簡稱KBO）。與它的岩體同類——位於火星和木星之間的小行星帶一樣，柯伊伯帶也是太陽系巨大的物質遺迹盤的殘骸。在科伊伯帶內，軌道共振關係可以保護帶內天體免遭海王星的干擾。位於39個天文單位處的冥王星是柯伊伯帶里最明亮的天體。它與海王星結成2:3的軌道共振關係，即當冥王星繞太陽轉兩圈時，海王星已經轉了三圈。此外，還有其它共振關係構成穩定的組合。凡是共振關係不受青睞的KBO將被掃地出門，並在海王星的干擾下，向內或者向外運動到傾斜角更大、橢率更高的軌道上去。恩克彗星（2P/Encke）和丘留莫夫-格拉西緬科彗星（67P/Churyumov-Gerasimenko）——歐洲空間局「羅塞塔」（Rosetta）衛星的觀測對象——可能就是被踢出來的KBO碎塊，並在與木星發生多次相互作用後，被後者牢牢地控制著。

海王星最大的衛星——海衛一可能是一個被捕獲的柯伊伯帶天體。上圖展現了探測器看到的景象，藍色的海王星出現在背景中。海衛一表面不僅有冰火山，還有風吹過粗糙地表的氮霜所留下的條紋痕迹。（圖片來源：NASA/JPL/USGS）

歐洲空間局的「羅塞塔」（Rosetta）探測器正在仔細研究類似丘留莫夫-格拉西緬科彗星（67P/Churyumov-Gerasimenko）這樣的天體。它們可能受到木星或者另一顆大質量行星的引力拉扯，才跑到現在這個極端的軌道上運動。（圖片來源：ESA/ROSETTA/NAVCAM）

       現在，美國宇航局的新視野號（New Horizons）探測器已經飛過冥王星。科學家們希望它在穿越柯伊伯帶、飛出太陽系時，收集更多KBO的細節信息。美國宇航局的旅行者1號（Voyager 1）飛船目前位於132個天文單位處，從某種意義上講，它已經完成了這項工作。既然它已經離開了日球層頂——太陽風（帶電粒子流）受到星際介質的阻礙而形成的磁場氣泡，那麼它現在探測到的粒子絕大多數都來自於星際空間。從旅行者1號所在的位置看，太陽就是一個小小的光點，其亮度比在地球上看到的滿月還要明亮24倍。然而，旅行者1號還要不停地走上幾千年，才能走到太陽系最大的結構體面前。

新視野號（New Horizons）探測器已在2015年7月飛過冥王星。人類如今已經探索過太陽系的每一個行星了。上圖展示了冥王星和它的衛星——冥衛一。兩者的大小和間距都已按比例縮放過了。（圖片來源：NASA/JHUAPL/SWRI）

       那就是奧托雲，約有1萬億顆彗星生活在這個以太陽為中心的球殼形區域中。奧托雲從5000個天文單位一直延伸到10萬個天文單位遠——即1.6光年，是我們與比鄰星（距離我們最近的恆星）距離的40%。天文學家認為奧托雲形成於太陽系早期，當時離太陽較近的冰狀物都被行星甩到了外太陽系。如今，它們需要花3千萬年才能繞太陽轉一周。不過，太陽對它們的引力束縛非常微弱，其它作用力——例如銀河系不規則的物質分布形成的引力場、路過的恆星和大質量分子雲——對它們都有強烈的影響。這些拉扯最終改變了彗星的軌道，使它們直奔著太陽飛去。對它們來說，自打被踢到外太陽系以來，這還是頭一次。這些具有「新運動特徵」的彗星在橢率極高、傾角各異的軌道上運動。行星的引力能把它們轉變為短周期彗星。天文學家認為，著名的哈雷彗星就是其中一例。

       在奧托雲的邊緣，彗星只要受到一點點拉扯就能逃到星際空間中去，絕不會比它們飛向內太陽系更困難。出逃的彗星可能會繞著另一顆恆星旋轉。也許有一天，我們還能遇見從另一個行星系統的奧托雲中跑出來的彗星。天文學家心裡清楚，這種事雖然截至目前還從未發生過，但一定有可能發生。