給孩子講天文第一節 銀河系 太陽系

銀河系就是太陽系所在的星系。我們太陽系大家族就是在這個星系之中。晚上我們看到的天河，就是它的最密集部分。在銀河系裡有著上千億顆各種星星，其中包括太陽及其家屬在內，其次是星際星體和塵埃、星雲、星團等。如果我們站在銀河系外來觀看的話，整個銀河系就像包在「棉絮團」它的四周比較扁平，中間部分隆起。

在太陽周圍的空間里，有一些天體在太陽的引力作用下，按橢圓軌道繞著太陽運動。太陽和圍繞它運動的這些天體，構成了一個大家庭，稱為太陽系。

太陽系的成員包括太陽和九顆大行星、已證實的66顆天然衛星、已正式編號的3000多顆小行星、為數眾多的彗星、流星體以及散布在行星際空間的稀薄氣體和塵埃等物質。

太陽

太陽是太陽系的中心天體，是離我們最近的一顆恆星。太陽系的九大行星和其他天體都圍繞它運動。太陽與地球的平均距離為14960萬公里，半徑為69．6萬公里，為地球半徑的109倍，體積為地球的130萬倍，質量為地球的33萬倍（占整個太陽系質量的99．86％），平均密度為1．4克／厘米3。太陽具有強大的吸引力，是控制太陽系天體運動的主要力量源泉。

太陽是一個熾熱的氣體球，表面溫度約6000℃，愈向內部溫度愈高，中心溫度高達1500萬K。在這樣的高溫高壓下，太陽中心區不停地進行著氫核聚變成氦核的熱核反應，產生巨大的能量。太陽每秒鐘釋放出約4×1033爾格的能量，相當於0．5億億億馬力；其中只有二十二億分之一的能量輻射到我們的地球，是地球上光和熱的主要來源。

太陽是銀河系中的一顆普通恆星，位於銀道面之北的獵戶座旋臂上，距銀心約2．3光年，它以每秒250公里的速度繞銀心轉動，公轉一周約需2．5億年。太陽也在自轉，其周期在日面赤道帶約25天；兩極區約為35天。通過對太陽光譜的分析，得知太陽的化學成分與地球幾乎相同，只是比例有所差異。太陽上最豐富的元素是氫，其次是氦，還有碳、氮、氧和各種金屬。據推算，太陽的壽命約為100億年，目前已度過約50億年。

行星

沿橢圓軌道環繞太陽運行的、近似球形的天體叫行星。太陽系有九大行星，按距離太陽的次序是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。冥王星離太陽最遠，其軌道直徑約120億公里；天文學家認為太陽系的疆界可能比這個範圍還要大得多。

九大行星按它們距離太陽的遠近分為內行星和外行星兩群：水星、金星、地球和火星為內行星；木星、土星、天王星、海王星、冥王星為外圍行星。若按它們的質量、大小和結構特徵，則分為類地行星和類木行星兩類。體積小而密度大、自轉慢、衛星少的行星與地球相似，稱為類地行星，如水星、金星、火星稱為類地行星；體積大而密度小，自轉相當快、衛星多的行星稱為類木行星，土星、天王星、海王星和冥王星都是類木行星。

行星本身不發射可見光，以其表面反射太陽光而發亮。在星空背景上，行星有明顯的相對移動。這種移動都沿著黃道進行。九大行星中，最先被人們知道的是水星、金星、火星、木星和土星。太陽系中的另外三顆行星是在發明天文望遠鏡後發現的。1781年英國F．W．赫歇耳發現天王星；法國的勒威耶和英國的亞當斯各自推算出海王星的位置，1846年由德國的伽勒所觀測到；冥王星則是1930年由美國的湯博發現。

衛星

圍繞行星運動的天體叫衛星。月球就是地球的衛星，它像一個忠實的衛士一樣，既繞著地球運動，又伴隨著地球一起繞太陽運動。除了水星和金星之外，太陽系的其他行星周圍都有衛星。到目前為止，連月球在內，太陽系中共發現66顆衛星：地球1顆，火星2顆，木星16顆，土星23顆，天王星15顆，海王星8顆，冥王星1顆。

衛星與行星一樣，本身不發射可見光，以其表面反射太陽光而發亮。較大的小行星，如第532號大力神小行星及18號小行星也有衛星。從20世紀50年代起，人類先後發射了一批衛星，稱為「人造衛星」。大多為人造地球衛星，也有人造月球衛星和人造行星衛星等等。

彗星

太陽系中比較特殊的成員。環繞太陽運行或行經太陽附近的雲霧狀天體。絕大部分彗星都沿著很扁的橢圓軌道繞太陽運行。彗星的結構比較複雜，一般說來，中央密集而明亮的固體部分叫彗核，由一些「冰塊」（冰凍的水、甲烷、氨等）石頭和塵埃組成。核的四周被一種雲霧狀的物質包圍著，叫做彗發。彗核和彗發合成彗頭。

1970年，人造衛星在地球大氣層外觀測兩顆明亮的彗星，發現彗頭周圍還有一層直徑達1000萬公里的氫雲，當彗星逐漸接近太陽時，太陽輻射壓力和太陽風把彗星蒸發出來的氣體物質推向和太陽相反的方向，形成了彗尾。

彗星繞太陽運動的軌道一般分為三類：拋物線、雙曲線和橢圓。在拋物線或雙曲線軌道上運行的彗星叫做「非周期彗星」，它們接近太陽一次就一去不復返了。在橢圓軌道上運動的彗星稱為「周期彗星」，周期最短的三年多；最長的可以到1000多年。現在發現的彗星有1600多顆。

小行星

小行星是太陽系裡的小天體，它們大多分布在火星、木星軌道之間的小行星帶中，從1801年義大利天文學家皮亞齊發現第一顆小行星起，小行星的發現至今只有200多年的歷史。

按照提丟斯一波得定則，1781年3月，著名天文學家威廉·赫歇耳在英國意外地發現了天王星，它幾乎就在定則給出的距離上，從而有力地支持了提丟斯一波得定則，更激發了人們尋找新行星的興趣。

1801年元旦之夜，人們沉浸在辭舊迎新的歡樂中。義大利西西里島巴勒莫天文台台長皮亞齊，為編製一本星表而做巡天觀測時，發現了一個在火星和木星之間遊動的陌生天體，後來計算它的軌道正好與要找的行星吻合，被命名為穀神星。因當時測得的半徑只有400多公里（幾經重新測定，現在的精確數值略大於1000公里），不能和大行星相比，所以叫做小行星。

翌年3月，德國天文愛好者奧伯斯發現了第二顆小行星——智神星，除了稍小一點兒，它在好些方面與穀神星伯仲難分。接著又連續發現了婚神星和灶神星。19世紀末開始用照相方法尋找小行星之前，已發現322顆小行星。此後小行星的發現逐年增多，特別是近年來由於探測技術及軌道計算方法都有了很大的改進，每年發現的小行星數竟達二三百顆。據統計，到1994年底被正式編號命名的小行星已達5300多顆。天文學家推測，太陽系內小行星大約有50萬顆。

按照國際慣例，新發現的小行星先給予臨時命名，在發現年代之後加兩個拉丁字母，第一個表示發現的時間，以半個月為單位，按字母順序排列，第二個則表示在這段時間內發現的次序，也按字母順序排列。新發現的小行星算出軌道後，再經過兩個以上不同沖日年代的觀測，方能得到正式編號和永久命名。發現者享有對小行星的命名權。設在美國史密松天文台的國際小行星中心，負責收集所有的小行星的觀測資料，並進行系統的軌道認證和編號。

最早發現的小行星大多以古希臘、羅馬的神話人物命名，後來的許多小行星常常冠以天文學家或城市的名字。1928年，我國著名天文學家張鈺哲在美國葉凱士天文台發現了1125號小行星，他將這顆小行星命名為中華，這是中國人發現的第一顆小行星，時至今日，紫金山天文台已累積發現了幾百顆新小行星，到1994年底正式編號和命名的有120多顆。

歷史上發現小行星最多的是萊因馬齊，他共發現了246顆小行星，其次是首先把照相技術引進小行星觀測的德國天文學家沃爾夫，他以發現231顆小行星的記錄位居第二。

小行星的直徑很小，在天文學家所獲得的幾百顆小行星半徑值中，只有幾顆較大、較近的小行星是直接測量的，其他都是用光度法、紅外波和偏振法測定的。測量表明，直徑在50公里以上的小行星大約有560顆，絕大多數小行星的直徑都在1公里以下。

至於小行星的質量，除1號穀神星、2號智神星和4號灶神星外，所有的小行星質量都是由它們的直徑和假定的密度推算出來的，僅有數量級的概念。一般認為小行星總質量值為1000億噸，其中穀神星大約佔總質量的一半。

小行星的反照率取決於它們的化學組成和表面狀況。由於小行星表面各部分的反照率不同，再加上自轉，使小行星的亮度產生周期性的變化。根據亮度變化曲線，可測出小行星的自轉周期和自轉軸的取向，並推測它們的形狀。從目前已知自轉狀況的200多顆小行星看來，自轉周期多數在4～16小時，平均為11．47小時。自轉軸的取向是隨機分布的。直徑大於100公里的小行星的形狀一般比較規則，接近球形，直徑小於100公里的小行星形狀則是各種各樣的，有的呈長柱形，有的猶如啞鈴，還有的甚至像是兩塊石塊粘在一起的。

我國紫金山天文台從50年代末開始對小行星的光電觀測，已發表了數十條小行星光度曲線，其中有些是在國際上首次發表的，由於觀測質量高，被國外觀測者廣泛採用。

小行星的公轉軌道都是橢圓的，大約有95％的小行星軌道半長徑在2．17～3．64天文單位之間，這一空間區域稱為小行星的主環帶，位於主環帶里的小行星稱為「主帶小行星」。

一小部分小行星離群索居，形成幾個特殊的群體。軌道半徑大於3．3天文單位的稱為遠距小行星，其中最著名的是脫羅央群，它們的軌道半徑和木星的一樣大。從太陽望去，有一些位於木星之前60°，有一些位於木星之後60°，前者叫「希臘群」，後者叫「純脫羅央群」。

另一個特殊群體是近距小行星，它們的軌道近日點深入到內太陽系，有的甚至跑進地球軌道以內，稱為近地小行星。按照軌道近日點的距離和半長徑的數值特徵，近地小行星又被劃分成阿莫爾型、阿波羅型和阿登型。阿莫爾型小行星的軌道特徵是近日距都在火星軌道之內——1．02～1．3天文單位，半長徑1．39～4．23天文單位，偏心率0．062～0．574，傾角2．2°～52．1°，小行星直徑為0．3～38.5公里。現已發現這類小行星有70多顆。阿波羅小行星的軌道特徵是近日距小於1．017天文單位，而半長徑大於1天文單位，因有一段軌道與地球軌道非常靠近甚至相交，而引起天文學家的特別關注。這類小行星已發現了100多顆。阿登型小行星的軌道半長徑都小於1天文單位，近日距也小於1天文單位，遠日距略大於1天文單位。這種小行星為數不多，目前僅發現10顆左右。因它們的軌道與地球近似，周期也相差不多，所以比阿波羅型小行星更受到重視。

一些近地小行星在大行星的攝動下，軌道會和地球軌道相交，從而有可能與地球相撞。在過去的幾十億年中，這種事件可能確實發生過。通過空間遙感技術，在地球上已發現了100多個隕石坑，其中91處推測是小行星撞擊造成的。據科學家考證，1976年吉林隕石雨的母體就是接近火星軌道的阿波羅型小行星的一個碎塊。最近美國科學家提出，導致6500萬年前恐龍滅絕的也是一顆隕落的阿波羅型小行星。

雖然小行星撞擊地球造成的危害很大，但是這種機率是微乎其微的。研究表明，直徑10公里大小的小行星平均1億年左右才會與地球相撞一次，地球每百萬年受到三次較小的小行星的撞擊，但其中只有一次發生在陸地上。為了預防這種不測事件，一些國家正在考慮發射專門監測近地小行星的人造地球衛星，及早發現並排除它們。

1978年6月7日，美國天文學家麥克馬洪在觀測532號大力神小行星掩恆星時，發現它有一顆衛星，命名為1978（532）I，這是天文學家第一次發現小行星有衛星。532號小行星和其衛星的直徑分別為243公里和45．6公里，彼此相距977公里。半年後，天文學家又從18號郁神星掩恆星的資料中發現它也有衛星。這對小天體的中心距為460公里，直徑分別為135公里和37公里，倘若這是一顆同步衛星，那麼在郁神星上看來，這個「月亮」的角直徑可達5°24′，視面積幾乎是我們月球的120倍。以後，又在重新處理過去的一些小行星掩星資料時發現若干小行星也有衛星，其中包括2號智神星、6號春神星、9號海神星、12號凱神星等，大概有三四十顆。

1980年，美國天文學家利用光斑干涉測量的新技術證明2號智神星確實存在一顆衛星，但是，對於小行星是否有衛星的問題一直懸而未決，一些持反對意見的天文學家認為，人類已經發射了那麼多空間探測器，但迄今未發現一顆小行星的衛星，所以小行星有衛星的結論缺乏觀測證據。另外，小行星衛星在天體系統中屬於什麼層次，能否與月球或木衛等相提並論現在也沒有定論。

1989年發射的木星探測器「伽利略」在1991年10月飛過第951號小行星加斯帕，圓了天文學家近探小行星的夢想。1993年8月，「伽利略」掠過第243號小行星艾達，進行了多項觀測記錄。1994年2月，天文學家分析「伽利略」發回的資料，發現艾達附近有一顆比它小得多的衛星，並在英國學術周刊《自然》上發表了艾達與衛星的合影、衛星的放大圖像。此後，「伽利略」又發回更新的成像和光譜資料。據此，天文學家估計艾達衛星的直徑為1．5公里，發現時距小行星僅100公里，天文學家認為，這是確切發現小行星有衛星的第一例。

小行星雖然很小，但是它們在以往的天文學研究中卻曾起過重要的作用。譬如，1873年，德國天文學家伽勒利用8號花神星沖日，1877年英國天文學家吉爾利用4號灶神星沖日測定日地距離，都得到了精確的結果。1930～1931年，433號愛神星大沖時，國際天文學聯合會組織了空前規模的國際聯測，得到了三角測量所能達到的最精確的日地距離數值—14958萬公里。

另外，利用小行星還可以測定行星的質量。當某顆小行星接近大行星時，大行星對它的攝動作用必然影響其軌道，從它軌道的微小變化中可以算出行星的實際質量。1870年，天文學家利用29號愛姆菲特列塔接近木星時所測得的木星質量為太陽質量的1／1047，今天天文學家仍在採用這個數值。水星、金星、土星、火星等行星的質量均是用小行星測定的，測出的值有相當高的準確度。

為了改進和提高星表的精度，國際天文學聯合會組織十幾個天文台對穀神星等10顆小行星進行長期的監測和歸算，從實際的數據及已知的軌道根數求得黃道和天赤道的準確位置。

小行星還為研究太陽系起源和演化提供重要線索。按照現代太陽系形成理論，太陽系是在46億年前由一團混沌星雲凝聚而成的。而當初星雲形成太陽系的具體過程已無法從地球和其他行星上找到痕迹了，只有小行星和彗星還保留著許多太陽系形成初期的狀態，因此，它們被天文學家稱為太陽系早期的「活化石」。

另外，小行星的研究對於發展人類航天事業，保護地球環境，開發宇宙都有重要的意義。特別是近地小行星，它們既是潛在的礦物資源，又是小行星中最容易實現航天近探的目標，「伽利略號」宇宙飛船已於1991年10月29日掠過951號小行星加斯帕，從距離1600公里處飛近的探測器，可以清楚地看到這顆小行星表面50米的細節特徵。飛船上的近紅外測繪分光儀所作的初步測量表明，加斯帕的形狀很不規則，有可能是由一個大的母體中分裂出來的，是一顆金屬型小行星。這是宇宙飛船探測的第一例小行星。目前，義大利已制定了一個以皮亞齊命名的近地小行星航天探測計劃，準備近探433號愛神星。

太陽系新貌

1957年10月4日，第一顆人造地球衛星發射成功，開闢了人類探測太陽系的新時代。1959年前蘇聯宇宙飛船繞月飛行，開始了現代太陽系天體表面的研究。它拍攝了月球背面照片，第一次把月球的另一面展示在人們面前。1962年12月14日，美國「水手2號」到達金星附近，揭開了行星近距離探測的新篇章。從那時起，行星探測器紛紛升上天空。至今，對金星作近距離空間考察的探測器已達30個，有一個探測器測量了水星的地形；17個探測器飛到火星附近；測量地球和月亮的探測器就更多了。美國還先後發射了「先鋒」 10號、 11號和「旅行者」 1號、 2號考察外行星。截至1989年8月25日「旅行者2號」飛近海王星，太陽系的九大行星已有八個被行星探測器考察過了。目前，太陽系的4個內行星表面狀況已初步了解，一大批衛星的地形也現端倪。行星探測器向地球傳回成千上萬張照片和考察數據，為我們描繪出太陽系天體的一些新貌。

本世紀50年代以來，人造衛星和向月飛行的航天器，開闢了觀測地球的新途徑。同步衛星在離地面36000公里高空，拍攝到清晰的地球照片。最為精彩的是「阿波羅17號」在向月球飛行中所拍攝的地球照片。只見藍色的地球，上面海洋陸地都輪廓分明，浩浩蒼穹，地球出現在天上。

過去，人們認為地球的形狀是個圓球或像個桔子。通過人造衛星的觀測，發現地球是一個不規則的球體，赤道以南比赤道以北高7．6米，南極高地心距離比北極短15．2米。地球的形狀像個梨，梨柄在北極；梨底在南極。在60年代，空間探測器還發現，由於太陽風的影響，地球磁場被壓縮成一個彗星狀的區域（磁層），在這個區域里，有兩條高能帶電粒子的輻射帶——范艾倫帶。

1969年7月21日，美國的「阿波羅11號」宇宙飛船把第一批宇航員送上了月球，實現了人類登月的夙願。宇航員利用帶去的月球車，在月面上進行了多學科的考察，收集到270多千克月岩和土壤的樣品。通過分析這些樣品，發現月岩的化學成分與地球岩石基本相似，沒有發現可生存的月球有機物，也不存在古微生物的證據。在月球上還發現有地震那樣的月震，但月震很弱，最大的月震只有1～2級。通過測定月球的放射性元素，得知月球和地球同齡，它們都有46億歲了。

空間探測結果告訴我們，月球已不是唯一布滿環形山的天體了。水星、金星、火星的表面都很像月球，環形山星羅棋布，既有高山，也有平原。火星上的奧林匹斯火山口，是太陽系中最大的火山口，直徑為600多公里。探測器發回的信息告訴我們，土衛四和土衛五上的環形山，多得與月球不相上下。

金星探測器為我們描述了金星風光：金星天空（雲）是橙黃色的，金星的大部分表面都覆蓋著一層「浮土」。金星表面的溫度是460℃左右，氣壓約為地球的90倍。在金星上，既有山脈也有峽谷，一條2000多公里長的大裂縫，自南向北穿過金星赤道，裂縫最深的地方有2900米左右。這是目前在太陽系天體上發現的一條最大的裂縫。

金星上空閃電頻繁，每分鐘達20多次，有一次竟持續了15分鐘。土星的大氣中也常常是電光閃閃，雷聲隆隆，「旅行者2號」曾記錄到數千次威力比地球上強烈數萬倍的閃電。

自從1877年義大利天文學家斯基帕雷利提出火星運河以來，火星上的水一直為人們所關注。1973年，美國天文學家休古寧注意到火星赤道以南的「太陽湖」地區異常明亮，他認為是有水存在。後來「海盜號」飛船發現那裡上空的水蒸汽也比別的地方豐富。經天文學家們研究，並從該地區的雷達探測發現，在一個直徑為300～500公里地帶，雷達回波隨季節而變化，這也是水的特徵。「水手號」還發現火星表面有乾涸的河床。科學家們認為，火星表面雖然現在沒有水，但在古代卻存在過海洋。

在對太陽系行星研究中，進度較大的是火山。1979年3月，「旅行者1號」發現木衛一上至少有8座活火山活動，其中有一座正以每小時1600公里的速度噴發著氣體和固體物質，噴發物的高度達480公里。以後又發現木衛二和海衛一有活火山活動。除活火山外，在太陽系固體行星表面上複雜的地形形成過程中，火山起著相當重要的作用。

本世紀上半葉，除了地球磁場外，其他行星是否存在磁場，是行星物理學研究的一個新課題。20多年來，大量空間飛行器攜帶著磁場計、太陽風粒子譜儀和帶電粒子望遠鏡飛到行星附近進行近距離的直接探測。現在，除冥王星外，其他八大行星都被宇宙飛船考察過了。這些空間飛行器發回地球的數據表明，地球、木星、土星都具有極強的磁場；水星的磁場較地球、木星、土星的弱一些；金星的磁場比地球弱得多；火星存在磁場，但有無固有磁場目前尚無定論。此外，「旅行者2號」在天王星和海王星附近也進行了磁場測量，結果表明這兩顆大行星都有磁場存在。行星存在磁場，磁場與行星周圍運動物質相互作用，便可以形成一種特殊區域——磁層。磁層中有等粒子體套、尖點、等離子體片、輻射帶和等粒子體層等。地球磁層里有內外兩個輻射帶，分別由質子和電子組成。空間飛行器發回的數據表明，水星、木星、土星都具有磁層；金星和火星的磁層面目尚不很清楚；天王星和海王星也可能有磁層存在。

地球上有極光，其他行星上是否也有極光？過去有人認為木星上也會有極光，但探測了20多年，一直未發現。1979年，「旅行者1號」發現木星背著太陽的一面，有長達三萬多公里的極光，在地球以外第一次探測到太陽系天體上的極光。

土星曾以它有光環繚繞而被稱為最美麗的行星。土星光環是怎樣組成的呢？1980年11月，「旅行者1號」在飛近土星時，對土星光環進行了「面對面」的考察。原來，土星光環平面內有100～1000條大小不等的環，環內還有環，很像唱片上的紋路。有些光環還像髮辮那樣互相扭結在一起，難解難分。土星光環是由無數顆大小不等的微粒組成的。

現在，土星已不是唯一有光環的行星了。1977年，美國、中國、印度、南非等國的天文學家在觀測天王星掩恆星時，意外地發現天王星也有光環。1979年3月，「旅行者1號」考察木星時，發現木星也有一條寬達數千公里、厚約30公里的光環。1989年8月，「旅行者2號」飛到海王星附近探測時，發現海王星也存在光環。經研究，太陽系九大行星中，4個類木行星（木星、土星、天王星和海王星）均有光環結構；4個類地行星（水星、金星、地球和火星）則一顆都沒有光環。冥王星離我們太遠，它有沒有環仍然是一個謎。

1979年以後，宇宙飛船先後訪問了土星，相繼發現了土星的一些新衛星。現在發現土星共有23顆衛星，是太陽系中最大的一個家族。木星有16顆衛星，是第二大家族。「旅行者」1號和2號在行星際空間的大旅行，使地面基地觀測已知的33顆太陽系天然衛星增加到66個，極大地豐富了人類關於太陽系天體的知識寶庫。