太阳系六大谜

汪　琳

编译汪琳

在46亿年前，银河系的一个并不起眼的偏僻处所正酝酿着一个事件：一些无足轻重的小杂碎——氢、氦，还有一些固体尘埃，它们开始聚集并形成一块分子云；这块分子云最终因无法承受自身重量而发生坍塌；在紧随而来的混沌之中，一颗恒星诞生了，它就是我们的太阳。科学家至今仍不清楚究竟是什么原因引发了这一过程，或许是因为附近一颗恒星的爆发性死亡悸动所发出的震波?

对银河系来说，太阳的诞生无论如何都算不上非同凡响的大事件，因为自银河系在大约130亿年前形成以来，像这样的事件已发生了无数次。我们今天透过天文望远镜也能观察到，在银河系的遥远之地，类似的事件依然在接连不断地发生。对于恒星这个整体而言，太阳不过是一颗寻常之星。

然而，对我们人类来说，太阳的诞生意义深远。从太阳形成后剩下的一个薄薄的物质圆盘里，八颗行星诞生了，它们被太阳的引力所俘获，在各自的轨道上运行。其中有一颗行星因其所在的轨道，使之无论是跟太阳还是跟其余七个行星伙伴之间的关系都特别和谐。最终，生命在这颗行星上出现了。这颗行星就是我们的地球。

在科学家的眼里，太阳系依然是一个充满谜团的星系。以下是最有代表性的六大谜题。

1太阳系是怎样构建的?

对于太阳系的众行星，你多半会认为它们是一家人，而且是一个一个被领养来的，彼此之间没有直系亲属关系。但事实并非如此：太阳系的诞生故事表明，这八颗行星是货真价实的亲兄弟，它们都创生于因自身坍塌而形成太阳的那一块分子云。你或许还会认为，这八颗各自独立、特点迥异的行星是随机分布在太阳系中的，它们的排列并无秩序或理由可言。那你再一次错了：如果把当今太阳系中的任何一块拿走，或者在太阳系中“添砖加瓦”，整个太阳系将立刻秩序大乱，地球生命也将随之灰飞烟灭。既然这样，我们自然要问：太阳系如此精密的“建筑结构”是从何而来的呢?

当太阳形成时，它已吞噬了自己周围的分子云的大约99.8％。根据天文学家们广为认可的假设，在太阳形成之后残余的一点点分子云在太阳引力作用下，形成了_一个由气体和尘埃组成的、环绕新近形成的太阳的上腹部运行的薄薄圆盘。随着圆盘中的尘埃颗粒围绕太阳运行，颗粒之间发生碰撞，逐渐聚合成较大的物体。

在这个圆盘的最里面区域，太阳中氢的点燃和燃烧使得太阳周围非常炽热，只有熔点很高的金属和硅矿物质才能保持固态，因此在这片区域中的天体只能达到一定的大小，于是便最终形成了位于内太阳系的四颗岩质行星(统称内行星)——冰星、金星、地球和火星。

在距离太阳远一点的地方，或者说在甲烷和水也能保持固态的地方'上述限制就没那么严格了一行星能发育得个头更大，大到足以开始积累气体分子(主要是氢)，且赶在日益强大的太阳耀斑撕裂这些分子之前。于是，形成了气态巨行星——木星和土星。而在距离太阳更遥远、更寒冷的地方，则形成了冰态巨行星——天王星和海王星。这正是天文学家期待在这些行星的液体表面下发现岩石内核的原因。

上述太阳系的形成过程可谓简单明了。然而，在说到某些细节问题时，“累积模式”就说不过去了。首先，科学家迄今仍不清楚直径1米的圆石究竟是怎样聚合成直径数十米的天体的。按理说，每个小固体物都会遭到其周围气压的连续猛击，还等不到它们聚在一起就已被推向太阳了。针对这个难题，最近有科学家提出：气体湍流会产生低气压涡旋，在这种涡旋中或许能最终聚合圆石。

类似问题也困扰着气态巨行星：它们的固体内核必定是在气体中聚合而成的，但这些气体却是在后来才累积起来的，这岂不成了先有毛后有皮?在太阳系以外的行星系统中，这类气态巨行星被弹向母恒星是显而易见的。现已观察到的一些太阳系以外的行星大如木星，但其与母恒星的距离却只相当于地球跟太阳之间的距离甚至更近，行星表面温度很高，难怪这些太阳系外的行星被称为“热木星”。

如果在太阳系早期产生了“热木星”，那么地球和其他内行星很可能早就被弹出太阳系了。在太阳系中，至今尚未观察到发生过这类“放逐”的明显痕迹。不过，假如个头明显偏大的月球算是一个被“放逐”的证据的话，那么在岩质行星聚合形成后的最初1亿年里，内太阳系的确是一个动荡之地，只不过它很快就平静了下来。有科学家提出，在太阳诞生后的几亿年中，外太阳系曾发生过位置重排和扩张，尤其是当时木星轨道和土星轨道的接近造成了巨大的引力推挤，最终将天王星和海王星推至它们如今所处的遥远轨道上。沿途散落的一些小天体则坠向木星，最终被木星的强大引力以一定的角度弹出太阳系。在深空中，这些未经吸积的碎片最终聚集成为奥尔特云。

太阳系早期的这种强烈的引力推拉，很可能曾对木星和火星之间的小行星带造成剧烈扰动，造成大批小行星“脱缰”而出，其中一部分在大约40亿年前(太阳形成5亿年～6亿年后)猛烈撞击地球。不过，在那以后，构成太阳系的天体就逐渐进人-种平静而敏感的平衡状态，这对于人类来说有着无法估量的好处。

2太阳和月亮在天空中为何一般大?

这是自然剧场上演的最辉煌的场景之一。如果你一生都呆在地球表面的某一个地方，就有可能观赏到一次这样的场景；如果你特别幸运、特别长寿，就有可能观赏到两次。不过，如此辉煌的场景一一日全食的确值得一等。在日全食发生时，太阳和月球的大小是如此完美地吻合，太阳光几乎被月球完全遮挡，只有透过月面崎岖山谷的些微光线到达地球，从而创造出惊人的“钻戒”效应。

一切源于惊人的巧合——太阳的直径约为月球的400倍，距离地球也比月球远400倍。于是，两者在天空中看起来就是一样大小。在太阳系八颗行星和166颗已知卫星当中，这可是独一无二的现象。而地球又是已知唯一存在生命的行星。那么，这一切真的只是巧合吗?

大多数天文学家的回答是：几乎可以确定只是巧合。为什么不能完全肯定呢?光看数字还不能说明问题。月球的确与众不同。木星、土星、天王星和海王星等大型外行星的许多卫星，据认为都拥有以下两种起源方式之一：行星引力场中圆盘物质的吸积，就跟太阳系行星自身的形成方式一样；经过行星的小天体被行星引力所俘获，成为行星的卫星，火星的两颗小卫星——德莫斯(火卫二)和福波斯(火卫一)可能就是这么得来的，这两者也是内太阳系中除月球外仅有的卫星。

然而，月球的个头对于地球来说实在是太大了，因此上述两种说法都无法解释月球的起源。天文学家相信，对于月球的起源只有一种解释：在太阳系形成后的1亿年里，大量无拘无束的碎片天体在内太阳系中横冲直撞，当时一个火星大小的天体撞向地球，这次撞击从本质上重塑了地球，同时撞出大量残骸，这些残骸最终聚合形成胖得过了头的月球。

巨大的月球对于地球上的生命来说，简直

就是一大福音。随着地球自转，地球有一个天然的倾向，就是摇晃，这是因为其他天体(例如太阳)对地球施加的拉力不同所致。而月球引力的无形之手温柔地纠正了这种摇晃，阻止了因地球自转轴不稳定所引发的地面气候随时间剧变。可以想见，假如这种摇晃不被纠正的话，生命恐怕就很难在地球上出现了。

对地球生命来说，地球在太阳系中的位置意义重大。太阳周围有着十分广袤的区域，而地球恰恰处在距离太阳既不太远、又不太近的位置上，也就是处在母恒星周围最适合生命存在的“可居住区”内。要是地球距离太阳再远一些，因为接收不到足够的阳光，温度不够，水就变成了冰；要是地球距离太阳再近一些，水就会因温度过高而气化、消失。正是因为所在的地带刚刚好，所以地球上就有了充沛的液态水，这是造就地球生命的最主要因素。

而一颗巨大的卫星——大到能导致日全食的卫星——月球的存在，对地球生命来说或许也同样意义重大。这一点，对于我们寻找外星生命而言应该很有启发。也就是说，行星与母恒星之间的距离，以及行星与其卫星之间的关系，是在寻找外星生命时应该考虑的两个重要因素。

自从月球在撞击中形成以来，它一直在稳步地远离地球，目前的离开速度是每年大约3.8厘米。恐龙当年所看到的日全食跟我们今天看到的肯定不同：2亿年前的月球距离地球要近得多，所以当时的月球在天空中是能完全遮盖太阳的。同样，再过几亿年之后，地球上的居民(不一定是人哦)就无缘观赏到日全食了_这是因为天空中的月亮届时看上去将太小太小。

看来，幸运的我们是两大时间段偶合的结果：一个是在撞击中形成的月球的后退，另一个是智能生命在地球上的演化。大大的月球，或许正是你我能活在世上的根本原因之一。

3X行星到底在哪里?

如果我们已经很了解太阳系的精细结构，那么我们就应该很清楚太阳系里究竟有些什么。然而，长期以来在天文学界一直有一种未经证实的传言：在太阳系的某个阴暗角落里，隐藏着一个迄今为止一直未露面(未被人类找到)的世界——X行星。据推测，x行星是一个冰冻天体，大小跟火星相仿，甚至跟地球一般大。

倘若真的找到了x行星，它无疑将成为自1930年发现冥王星以来对太阳系最重要的补充。当国际天文学联合会在2006年投票决定将冥王星从行星降格为矮行星之时，该联合会为太阳系行星资格确立了三个标准：其一，它必须环绕太阳运行；其二，它的引力必须足以让自己成为近似球形；其三，它的质量必须大到能清空自己轨道上的一切其他大小天体。冥王星之所以被逐出太阳系行星行列，主要原因就是它不符合第三个标准。事实上，冥王星只是柯伊伯带中的众多冰质天体之一。柯伊伯带是海王星轨道以外距离太阳30～50个天文单位(1个天文单位等于地球与太阳之间距离)的一个带状区域，其间分布着大量冰质天体。

一个太阳系天体如果有资格成为行星，那它显然不应该置身于柯伊伯带当中，而应该孑然一身。但恰好是对柯伊伯带的研究，暗示了x行星的存在。一些柯伊伯带天体环绕太阳运行的轨道十分“怪异”：有些十分扁长，有些则非常陡峭，几乎垂直于所有主要行星的轨道。假如真的存在一颗大质量的遥远天体——X行星，它的扰动或许就能解释这些柯伊伯带天体为什么具有“怪异”的运行轨道。那么，x行星真的存在吗?这至今仍是一个颇富争议的话题。虽然巨行星早期的缓慢向外迁徙也可以解释柯伊伯带天体的奇异轨道，但却不能解释柯伊伯带天体的其他所有已观察到的特性。

天文学家在过去20年里对天空进行了大范围扫描，以寻找缓慢移动的天体。迄今，他们已发现了超过1000个柯伊伯带天体。不过，这类大范围调查只能发现那些大而亮的天体，能够发现小而暗天体的长时间曝光技术只能覆盖小片天空。假如有一个火星大小的天体，它距离地球100个天文单位，那么从地球上看去它非常暗弱，因而很难被探察到。

这种尴尬状况或许很快就会改观。2008年12月，“全景调查望远镜和快速反应系统”(简称Pan-STARRS)的首个雏形在美国夏威夷的哈利卡拉天文台投入使用。不久后，四部装备有全球最大型数字照相机的Pan-STARRS射电望远镜，将开始搜寻天空中闪烁或移动的任何东西。这项计划的主要目的是寻找那些有可能危及地球的小行星，但外太阳系的其他天体届时也难逃Pan-STARRS的火眼金睛。

假如到时候果然找到了太阳系的一颗遥远的大天体，其意义将非同寻常。而对这个x行星的唯一解释是：在太阳系历史的很早期，这类大天体就已经形成，但后来它们被巨行星的引力驱赶到了遥远的地方。

4彗星究竟从何而来?

在太阳系的众多天体中，彗星是最令人敬畏的“幽灵”。尤其引人注目的是哈雷彗星，它上一次在内太阳系露面已经是1986年的事了。在《犹太法典》中，哈雷彗星是“一颗每70年出现一次的星，它的出现总是会让船长犯错”。1066年，哈雷彗星的出现被认为是黑斯廷斯战役(1066年10月14日，哈罗德国王的军队和诺曼底公爵威廉一世的军队在英国海峡城市黑斯廷斯地域进行的一场交战，哈罗德国王最终战死)的前兆；1456年，据说教皇开除了哈雷彗星的教籍。

现代科学早已破除了迷信。诸如哈雷彗星这样的彗星，其实都是尘埃和冰的混合物。它们以极扁的椭圆形轨道环绕太阳运行，在与来自太阳的带电粒子的迎面相撞中生发出壮观的尾巴——彗尾。科学家甚至还弄清楚了彗星的来源：它们是被海王星和天王星逐出自己原有轨道的柯伊伯带天体。

但这里有一个问题，诸如海勒－波普这样的彗星(海勒一波普彗星曾在1997年飞经地球)，它们在地球上空出现的频率实在太低，这意味着它们的轨道一定很长，那它们怎么可能起源于柯伊伯带呢?

天文学家普遍相信，我们已知的太阳系实际上从各个方向被一个由冰质天体构成的稀薄光晕所包围；数十亿年前，巨行星的引力将这些冰质天体从太阳附近抛到了这个光晕(实际上相当于一个天球层)地带。这个“太空西伯利亚”就是天文学家所称的“奥尔特云”。这个名字取自荷兰天文学家简·奥尔特，正是他在1950年提出了这个光晕存在的可能性。这个仅存在于天文学家的假想中的环绕太阳系的弥漫光球谁都没有见过，但从长周期(即每过很长时间才飞经地球一次)彗星的特点来看，奥尔特云一定非常巨大，延伸至比柯伊伯带的外沿还远大约1000倍。在如此遥远的距离上，根本不可能是路过的行星将彗星抛向太阳，而很可能是银河系及附近恒星的引力之手在操纵彗星。换句话说，奥尔特云才有可能是太阳系的真正边缘。

计算和估计奥尔特云中的天体的大小，或许有助于我们重建太阳诞生地的图景，或许可以为我们提供未经“污染”的原始材料，正是像这样的材料构成了巨行星。不幸的是，寻找x行星都那么困难，要想发现奥尔特云简直就

是痴心妄想。即便真的存在奥尔特云，它也太暗弱、太遥远了且它的成员小到让望远镜根本无法看见。

迄今为止，有关奥尔特云的唯一信息来自那些“迷途”的彗星和大的柯伊伯带天体，两者的构成相似，也应该跟奥尔特云的天体构成相似。当然，由此推测奥尔特云颇有点像“盲人摸象”。已观察到的长周期彗星的数量和轨道暗示，奥尔特云中应该包含数百万兆(百万兆是百万的立方)个直径在1000米以上的天体，它们的总质量是地球质量的好几倍。如果真是这样，就比目前的太阳系形成模式所需的原始材料明显要多。换句话说，现有的太阳系形成模式就需要大大修改了。

5太阳系真是独一无二吗?

自1992年发现第一颗环绕另一颗恒星运行的行星以来，迄今天文学家已确认了大约280个太阳系以外的恒星一行星系统，其中大多数都跟太阳系大不相同。这也不足为怪。随着行星环绕其母恒星运动，行星引力会导致母恒星发生微小晃动，科学家正是通过探察恒星的这种晃动来间接证实行星存在的。行星越小，母恒星所发生的晃动自然也就越小。因此，要想运用目前已有的探测技术探察到太阳系以外的像地球这样的轻质行星，简直就是不可能的，因为它们对母恒星施加的影响实在太轻微。换句话说，目前探测到的太阳系以外的行星都是巨无霸。

在目前已知的太阳系以外的行星中，大多数都是和木星或海王星一般大小、公转轨道却又距离母恒星很近(只有几个天文单位)的气态巨行星。根据太阳系形成过程的标准模型，气态巨行星不应该是在距离母恒星这么近的地方形成的，因为母恒星的高热意味着不可能有足够的固体材料来形成巨行星所需的石质大内核。然而，太阳系行星的轨道几乎都呈圆形，而许多太阳系以外的巨行星的轨道却是极扁的椭圆形，这或许能解释“高热与石质内核”这一对矛盾：大多数恒星一行星系统看来都拥有比太阳系动荡得多的演化史，在这些系统中，当初原本距离母恒星较远的巨行星们为争夺生存空间而相互碰撞，最终被碰进了离母恒星较近的“怪异”轨道。

事实真是这样吗?在了解现有观测的局限之前，天文学家还难以下定论。有天文学家指出，上述的“动荡”推测是源于我们认为太阳系本身就有过十分动荡的历史，而实际上就算我们对太阳系情况的推断是完全正确的，也不能肯定其他恒星一行星系统的情况也一样，因为太阳系只不过是恒星一行星系统大家族中的一员而已，我们怎么能一叶障目呢?不过，两项在太空中进行的高灵敏度观测一一由法国于2006年12月发射的“科洛特号”飞船和美国宇航局于2009年3月发射的“开普勒号”飞船，将有助于减少以上的不确定性。

“科洛特号”和“开普勒号”会带给我们什么样的发现?这还很难说，因为就算它们避开地球的大气扰动在空间进行“原汁原味”的观测，要想精细探测太阳系以外的状况也并非易事，也需要时日。不过，已知的十来个“超级地球”预示了这两艘飞船可能的探测结果。所谓“超级地球”，是指太阳系以外的那些质量仅几倍于地球的行星。假如太阳系行星的形成过程能够在太阳系以外推而广之，那么这些“超级地球”就应该是像地球一样的岩石世界。其中有两颗“超级地球”——“葛里斯581c”和“葛里斯581d”尤其令人关注。和地球一样，它们与母恒星之间的距离也很合适，也处在“可居住区”以内，由此推测这两颗行星表面很可能也存在液态水。假如这两颗行星上面的温室效应合适，又有成分合适的大气存在，那么这两颗行星上面说不定会像地球一样存在生命。

有其他迹象暗示，虽然已观测到的太阳系以外的岩石行星很少，但它们的数量未必就少。2008年，美国宇航局的“斯皮策”太空望远镜发现在年轻恒星附近有尘埃，这暗示了跟行星形成过程有关的碰撞，同时暗示大约20％～60％的恒星周围有岩石行星环绕。然而，“斯皮策”发现在古老恒星周围同样也有尘埃环绕，这又使找到其他支持生命、环境平和的岩石行星的前景变得暗淡。在其他恒星一行星系统中，十之有九看来都比太阳系更加“尘云密布”。因为行星形成过程相对较短，据信一般都发生于恒星形成后1亿年里，那么这些尘埃就有可能是这些恒星一行星系统后期发生的灾难性彗星碰撞的残骸。幸好我们的内太阳系是个例外，把那些“重量级拳手”全都挡在了门外。这要归功于距离太阳遥远的巨行星尤其是木星，常常是在彗星有机会进入内太阳系捣乱之前，木星的强大引力就把它们弹射到其他地方去了。难怪天文学家说，木星是地球的保护神，我们应该感谢木星。

我们要为自己生在地球感到幸运。但终极问题是：地球究竟是不是太空中唯一的生命之星?虽然很多天文学家倾向于认为宇宙中充满生命世界，但是在找到太阳系以外跟地球一般大小的行星之前，科学家不敢对太阳系以外的生命可能性下任何结论，况且光有这样的“地球”还不行，生命还得有像木星这样远离母恒星的巨行星来保驾护航。一位著名天文学家在回答“太阳系以外究竟有没有生命”这个问题时如此说：“最简单、最诚实的答案就是一一我们仍不知道。”

6一切将怎样结束?

我们真是生活在一个“无趣”的时代。自从太阳系行星在太阳形成后1亿年间的动荡不安中孕育出世以来，除了巨行星的早期迁徙和近期发生的彗星撞木星大戏(1994年7月16日～22日，苏梅克一列维9号彗星的超过20块碎片相继撞击木星，场面十分壮观)外，太阳系中似乎什么都没有发生过一行星们按部就班地环绕太阳运行，就像钟表指针的走动一样呆板、单调；太阳平稳地燃烧，生命平静地活动。

然而，这样的平静不可能永远延续，就像生命最终不可能不死一样。太阳当然也会死亡，时间是在从现在起大约60亿年后。不过，在太阳死之前很久，太阳系中的一切可能已经变得很糟。如今太阳系的平稳运行，可能正孕育着大混乱的种子。哪怕最微小的不规则也能随着时间而累积，逐渐改变太阳系行星的现行轨道。从现在到太阳死亡日之间，据计算有差不多2％的概率会发生巨灾。火星可能会飘移得距木星太近，最终被抛出太阳系。如果我们非常不幸运，鲁莽的水星也可能会一头撞向地球。

与此同时，太阳会缓慢变亮。在今后20亿年内，单是太阳的高热就可能杀灭地球表面的生物。另一方面，假如届时火星还在那里的话，它终有一天会获得温暖的气候，生命必定会在火星上兴旺发达一—尽管如今的火星看上去一片死寂，了无生命(火星上面是否存在生命目前仍在调查中)。

生命仍然无法永续。当太阳内核燃尽自己的氢时，太阳的结构将发生本质性的改变。太阳将缓慢膨胀，一直胀大到现在的100万倍以上，从而变成一颗红巨星。这颗巨星将吞噬水星和金星，而根据最新模拟结果，它甚至会吞没地球。

被满天的太阳强光炙烤，火星表面会越来越发红，火星将确定无疑地死去。而土星和木星的冰质卫星将纷纷解冻，春水长流，春意盎然。生命尤其可能在土星的巨大卫星泰坦(土卫六)上诞生，因为它上面本来就有液态甲烷，而红巨星的热量可能会让如今冰封的泰坦表面最终变成水和氨的世界，有机分子在其中就可能形成生命。

到时候，这些站在外太阳系卫星表面的“外星人”举目观天时，一定会看到一个完全不同的天空。那时，银河系很可能已跟自己的近邻仙女座(星系)发生了碰撞，形成一个合并的“银仙座”，在那里，暴烈的恒星形成大潮开始了，新一代恒星一行星系统随之诞生，天穹将又一次被点亮：

就算到时候地球生命仍然能逃过浩劫，也一定持续不了多久。太阳变成红巨星之后，其内部熔炉终将停止运转，太阳将抛掉自己的外层，缩小成为一颗小小的白矮星。短暂转暖的泰坦星将再度冰封，其母行星土星和外太阳系的其他行星一样，将继续环绕已成白矮星的太阳运行数百亿年，直到发生“内讧”或被太阳系以外的天体“歼灭”。事实上，木星和土星最终也都可能将自己的轻质量伙伴行星逐出太阳系。天王星和海王星或其他经过的星球，届时则可能赶走甚至灭掉其他任何行星，包括巨大的木星。

当然，未来永远都不确定，太阳系还可能有其他的结局。一种微小的概率是，整个太阳系最终可能被完整无缺地逐出银仙座。到了空旷的星系际空间后，行星们将再也不用担心自己被欺负。在那里，行星们可以继续环绕已经变暗的母恒星运行，直到它们自己的能量枯竭，引发行星逐渐旋转着靠近太阳。最后，行星们将一个接一个地撞向已成为黑矮星的太阳。一阵最后的闪耀之后，那里的太空将变得漆黑一片，就像什么也没有发生过。就这样，太阳系全然终结，即所谓万事万物都有尽头。然而，太阳系虽然死了，无数个新的“太阳系”(恒星一行星系统)又出生了，它们最终也会死亡……周而复始的过程就这样在相对永恒的宇宙中上演。宇宙死亡时又是什么场景呢?不用去想了，那实在是很久很久(久得无法计量)以后的事了。

事实上，太阳系之死也是很久远的事。我们完全无意引发杞人忧天，而只是介绍科学家在分析宇宙天体发展趋势时的新奇思路。这一点，务请读者朋友们注意。