第二章_宇宙中的行星-行星地球_

第二章 宇宙中的行星 内容提要

一、 太阳系的特征

1.太阳系组成的特点

太阳系（solar system）是由太阳、8颗大行星、卫星以及无数的小行星、彗星及陨星组成的。据估计太阳的质量占了整个太阳系99.85%，而行星的总质量只占0.15%。

由于太阳引力的作用，每个行星都有一个椭圆形的运动轨道，它们具有相同的运动方向。最靠近太阳的水星有最快的轨道运动速度（48公里/每秒），最短的运动周期（88天）。离太阳最远的冥王星(己被开除)轨道运动速度5公里/每秒，周期248年。

（1）类地行星与类木行星特征

类地行星有水星、金星、地球及火星，离太阳较近。它们的共同特征是密度大（>3.0克/立方厘米）、体积小、自转慢、卫星少，内部成分主要为硅酸盐，具有固体外壳 。

类木行星有木星、土星、天王星、海王星，离太阳较远。它们的共同特征是其密度小（平均密度相当于1.5倍水的密度），而且类木行星都有很厚的大气圈，其表面特征很难了解，一般推断它们都具有与类地行星相似的固体内核。

二大类行星最明显的区别是它们的大小，最大的类地行星（地球）的直径只有最小的类木行星（海王星）直径的1/4，而地球的质量仅为海王星的1/17，因此类木行星也常称为巨星。

（2）组成二大类行星的物质特点

组成二大类行星的物质依据它们的熔点可分为三种：气体、岩石、冰。 ①气体 主要是氢、氦，它们的熔点接近绝对零度（-273ºC）或可能更低的温度。 ②岩石 主要是硅酸盐矿物和金属铁，熔点超过700ºC。

③冰 还包括NH3、CH4、CO2、H2O，熔点居中（如水的熔点为0ºC）。

类地行星主要组成有岩石、金属物质和少量的气体。类木行星含有大量的气体（主要是氢和氦）及数量变化的冰（主要是水、氨、甲烷），这些特点使类木行星具有较低的密度。

（3）宇宙速度的几个概念和意义

①第一宇宙速度（V1）

航天器沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度，也叫环绕速度。第一宇宙速度两个别称为航天器最小发射速度和航天器最大运行速度。按照力学理论可以计算出 V1＝7．9公里／秒。

航天器在距离地面表面数百公里以上的高空运行，地面对航天器引力比在地面时要小，故其速度也略小于V1。

②第二宇宙速度（V2）

当航天器超过第一宇宙速度V1达到一定值时，它就会脱离地球的引力场而

成为围绕太阳运行的人造行星，这个速度就叫做第二宇宙速度，亦称脱离速度。按照力学理论可以计算出第二宇宙速度V2＝11．2公里／秒。

由于月球还未超出地球引力的范围，故从地面发射探月航天器，其初始速度不小于10．848公里／秒即可。

③第三宇宙速度（V3）

从地球表面发射航天器，飞出太阳系，到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度，就叫做第三宇宙速度，亦称逃逸速度。按照力学理论可以计算出第三宇宙速度V3＝16．7公里／秒。

需要注意的是，这是选择航天器入轨速度与地球公转速度方向一致时计算出的V3值；如果方向不一致，则所需速度就要大于16．7公里／秒了。可以说，

航天器的速度是挣脱地球乃至太阳引力的唯一要素，目前只有火箭才能突破宇宙速度。

④第四宇宙速度（V4）

预计物体具有110 km/s～120km/s的速度时，就可以脱离银河系而进入河外星系，这个速度叫做第四宇宙速度。

行星保持大气的能力取决于行星的温度和质量。简单地讲，当气体分子的运动速度达到“脱离速度”时，气体将逃逸行星。 地球上任何的物质包括岩石，当运动速度达到为11公里/每秒的速度时，将离开地球进入太空。

（4）类木行星为何拥有浓密的大气层？

①类木行星有较大的表面重力，它比地球有一个较高的“脱离速度”（21公

里/每秒-60公里/每秒）。

②又由于类木行星远离太阳，表面温度较低。具有较低温度的气体是难以获得较高的“脱离速度”的，因而类木行星拥有较浓密的大气层。

（5）为什么月球表面缺乏大气层？

月球具有较小的表面重力和相对较温暖的星球，具有较小表面重力的月球有较低的“脱离速度”，是不能够维持最重的气体的；较温暖的月球表面气体容易获得较高的运动速度，因此月球表面缺乏大气层。

2.太阳系的起源

太阳系形成至今至少有46亿年，这一点已被公认。太阳系由何而来？有五十多种不同的假设，大致可归结为两大阵垒：灾变说和星云说。灾变说认为太阳系是在一次突然的巨大的剧变中产生的，太阳的形成先于行星和卫星；而星云说则认为整个太阳系包括太阳都是由同一块星云物质凝聚而形成的。

（1）灾变说（布丰灾变说和金斯灾变说）。

在十九世纪末到二十世纪四、五十年代大约出现过二十多种不同的灾变说。最早的灾变说是法国动物学家布丰（Buffon）在1745年提出的。

①布丰灾变说：布丰认为太阳形成后，曾经有一个彗星“掠碰”（擦边而过）到它，使太阳自转起来，同时碰出了不少物质。这些物质一部分落回太阳，一部分脱离太阳的引力飞走了，还有一部分则绕太阳旋转起来，后来形成了行星。 根据现在对彗星的认识，这种观点显然是不成立的，但在布丰的时代，彗星被认为是质量巨大的天体。

②金斯灾变说：最著名的灾变说是英国天文学家金斯（Jeans）于1916年提出的。金斯认为当另一颗恒星接近太阳时，在太阳的正面产生了很大的潮；它的反面的潮比正面的小得多并很快衰落。正面的潮很大，物质被经过的恒星拉出来形成一个长条。在这一恒星离开太阳时，长条内形成了所有的行星。长条的中部较粗，两头较细，所以，由中部物质形成的木星、土星较大。

（2）星云说（康德微粒假说和拉普拉斯假说）。

德国哲学家康德（I .Kant）（1755）和法国数学家拉普拉斯（Laplace）（1796）二位科学家独立提出了太阳系起源的“星云假说”。他们都从科学的角度来说明太阳系的一些主要特征，都认为太阳系是由一团“星云”物质通过万有引力等自

然规律作用而逐渐形成的。康德学说（1755年）比拉普拉斯学说（1796年）早41年提出，当时康德的观点是以匿名形式发表的，而且仅仅只印了几十本，其中哲理多于科学，因而鲜为人知。直到拉普拉斯用数学和力学定律再一次提出该学说时才使它风靡一时，并取得了空前的成功。

①康德“微粒假说”：宇宙中散布着微粒状的弥漫物质，称为原始物质。原始物质在万有引力的作用下，较大的微粒吸引较小的微粒，并逐渐聚集加速，结果在弥漫物质团的中心形成巨大的球体，即原始太阳。周围的微粒在向太阳这一引力中心垂直下落时，一部分因受到其他微粒的排斥而改变了方向，便斜着下落，从而绕太阳转动。最初，转动有不同的方向，后来有一个主导方向占了上风，便形成一扁平的旋转状星云。云状物质后又逐渐聚集成不同大小的团块，便形成行星，行星在引力和斥力共同作用下绕太阳旋转。

②拉普拉斯假说：太阳系是由一个灼热的气体星云冷却收缩而成的。原始的灼热星云呈球状，直径比今天太阳系直径大得多，缓慢地自转着；由于冷却而收缩，其自转速度逐渐变快，同时因赤道附近的离心力最大，故星云逐渐变扁。一旦赤道边缘的离心力大于星云对它的吸引力，赤道边缘的气体物质便分离出来，形成一个旋转的气环。由于星云继续冷却收缩，上述过程重复发生，又形成另一个旋转的气环，最终形成了与行星数相等的气环（称拉普拉斯环）。星云的中心部分最后形成太阳，各环在绕太阳旋转的过程中逐渐聚集形成行星。行星也同样发生上述作用形成卫星。土星的光环可能就是由尚未聚集成卫星的许多质点构成的。

康德的假说可以解释行星的运行轨道具有共面性、近圆性、同向性等特点，但解释不了太阳系的角动量来源。拉普拉斯的假说同样能解释行星运行轨道的各项特点，以及组成太阳、行星和卫星的元素一致性，也能解释太阳系角动量的由来，但解释不了角动量分配的特点。

目前人们已经探知宇宙中许多星云的温度并不高，收缩不是由于冷却，而是由于吸引力引起的；星云在收缩过程中，温度不是降低而是升高的。

（3）太阳系起源的其他假说：

①1945年德国物理学家魏扎克(Weizcker) 提出的“旋涡学说”，强调了湍流在太阳系形成中的作用。这个理论不但能说明行星的公转和自转，而且能够说

明行星间的距离。

②1955年英国的“霍伊尔（F.Hoyle）假说”。

③1962年～1976年瑞典的阿尔文（H .Alfven）和我国已故的著名天文学家戴文赛于1977年～1978年提出的“新星云说”。

④20世纪60年代，前苏联天体力学家Safronov 的“星子假说”，该学说自上世纪70年代以来得到了快速的发展，至今已发展成了一个被当今科学界广泛接受的“星子碰撞吸积”理论。

3.地球卫星的特征

月球是地球的唯一卫星。体积约为地球的1/49，质量约为地球的1/81，月球的直径为3475千米，约1/4地球的直径。月地间的平均距离为384400千米。 月球的平均密度为3.34克/立方厘米，只有地球平均密度的0.6倍，故月球的引力较地球小，月球内部铁核较小可以来解释这些特点。

月岩的年龄为31到46亿年，月球上没有更年轻的岩石。说明月球的地质活动至今仍停留在星球演化的早期阶段。月球周围没有磁场，月球上没有发生过为地球所特有的造山运动。

（1）月球的表面特征

月球表面存在二种不同的地形：月海和月山（高地）。月球的正面是高地和月海各一半。而月背表面主要由高地和撞击坑组成，少量的月海且相对较小，到现在为止，宇航员没有在月背上着陆过，只是轨道飞船对其进行了考察。

月海是月球表面较光滑的、呈现黑暗的区域。月海中并没有水，也没有曾经有水的迹象，由于它有较平滑的底面和像玄武岩一样黑色的岩石，比粗糙的月山（高地）反射较少的阳光。近距离地观察月海发现，月海中有数千个细小的撞击坑，并且这些坑是月球上熔岩硬结后被撞击形成的。这说明月球上曾经有过火山喷发。

月山是月球上比较粗糙的、较明亮的高地。高地分布的区域中最高的月峰接近于8公里，仅比珠峰低1公里。

月球表面没有水、没有大气、没有生物，因此也没有像地球那样的侵蚀和搬运作用以及在水中的沉积作用。

（2） 陨石坑（Craters)

陨石坑是月球表面上最明显的特征，而且数量众多，较大的陨石坑直径250公里。大多陨石坑是由陨石群快速撞击形成的，这一现象说明太阳系早期阶段陨石撞击作用比现在要频繁得多。较年轻的陨石坑周围呈现放射状亮纹条带，这些放射状条带向处延伸可达数百公里，这些条带是由最初从撞击坑中弹出的岩屑物质、撞击过程中形成的玻璃珠，以及撞击过程中形成的更小的、次一级的陨石坑组成的。而地球上能够被识别的陨石坑仅有“一打”，月地之间的这一差异应归结于：（1）地球存在大气层；（2）形成于地球早期历史阶段的陨石坑痕迹己被侵蚀作用和构造作用所消除。

月球是第一留下人类足迹的天体。1969年7月21日美国宇航员阿姆斯特朗在首次登上月球。1969年7月21日—1972年12月14日，Apollo六次访问月球（第七次访问没有能够在月球上着陆），每次二个宇航员着陆在月球上几天，对其进行考察研究，第三个宇航员留在轨道舱中。当留在月球表面上宇航员完成工作后，通过BUG回到轨道舱中飞回地球。Apllo的宇航员们共采集了2000多个月岩和土壤样品带回地球，这些样品的重量达400公斤。

（3）月壤（Regolith）

月壤是一种浮土，是指松散的岩石矿物，不含水和有机物质，主要由火成岩石、玻璃珠和细粒的月球灰尘（Lunar Dust)组成。

在月海中，Apollo宇航员观察到的月壤厚度超过3米，因此认为较老的月山上的覆盖物应更厚些。

4.八大行星的特点

（1）水星(Mercury)

水星是一颗最靠近太阳的一颗行星，也是最热的、围绕太阳运动速度最快的（Innermost , Hot , and Quick）行星。水星上的一天（从黎明到黄昏）等于176个地球日（在太阳系中是最长的），比水星的一年（88个地球日）还要长。

宇宙探测器对水星的考察使人类对水星有了许多新认识：

①水星的直径为4880 千米（略大于月球），平均密度为5.4克/立方厘米，其外层密度为3克/立方厘米，因此推断它具有直径约3600 千米的金属内核。

②宇宙探测器传回的影像显示，水星表面陨石坑非常密集。目前己知的最大的撞击坑称为Caloris盆地，直径达1300千米，其中充满了玄武质熔岩。但熔

岩流无任何变形（这说明水星曾有过岩浆活动，但是并未伴随构造运动）。水星没有岩石圈板块运动的迹象。

③水星上缺乏大气圈，它吸收了大部分的阳光，仅反射 6% 进入太空。白天水星地面温度超过427C(超过了铅的融化温度)，晚上水星表面温度又猛降到-173ºC（足可以使氪凝结）。水星是一颗具有最大日温差的行星。

（2）金星（Venus）

除日月之外，金星是天空中最亮的天体，也是距地球比较近的行星。金星的大小、质量和密度都与地球的非常接近，比任何其它的行星更接近于地球。它的内部结构也很可能像地球有固体的外壳、幔层和部分是液体的核构成，金星被称为“地球的双胞胎”。

金星表面被稠密的灰黄色的云层所笼罩，因此不可能用轨道宇宙飞船获得金星表面的照片。无人驾驶的宇宙探测器多次在金星上着陆，传回的无线电信息及雷达地势测量的大量资料显示：金星的大气层主要由CO2和大约3%的N2构成。金

星的大气层非常稠密，大气压力相当于地球的90倍。金星有很厚的大气层，它表面非常热，温度高达460ºC ，稠密的CO2大气层象在温室层顶上盖了一层厚厚

的毯子，它让25%阳光到达表面；稠密的大气层又阻止了金星表面吸收的热反射回天空中，结果导致金星表面的“温室效应”。

金星密度与地球的非常接近，它很可能具有像地球一样的铁质内核，而且内核中至少有一部分是熔融状态。然而金星却不具备象地球这样的磁场，其原因很可能是因为金星的自转速度太慢（ 243天），不足以引起液态内核的明显运动。

1982年宇宙探测器Veneras 13号和Veneras14号着陆在金星表面上，每个都有二台照相机，共拍了四张照片，其中包括了第一张金星表面的彩照。黑白照片显示了金星表面是一块不毛之地，彩照显示其表面的岩石像地球上玄武岩流。Veneras 还分析了金星表面的土壤、化学成分很类似于地球表面的土壤。有科学家推测，金星的演化还处在类似于地球演化的早期阶段，其特点是具有岩浆活动、地幔对流及岩石圈板块的运动。另外一种意见认为，金星的演化已超过了地球的演化，金星的现在代表了地球的未来。

研究金星有助于预测地球的发展，究竟何种意见更符合实际，还有待于对金星作进一步考察和研究。

（3）火星（Mars）

火星在夜空中发出特殊的红光（The Red Planet），引人注目。它是离地球最近的行星，也是太阳系中表面环境与地球最为相似的行星。火星的直径为6787千米，质量为地球的1/10 ；火星的公转周期大约相当于地球的两年（687天），火星上的一天仅比地球长41分钟。

火星上不仅有类似地球的四季之分，还可明显地区分出“五带”（即热带、南、北温带；南、北寒带）。火星是一颗比地球更为寒冷的行星，其温差范围很大，在赤道区（热带）的昼夜温度在20℃～ -80℃之间；最寒冷的极区温度变化于-70℃ ～-140℃。

火星火星大气的密度是地球的1/100，95%为二氧化碳。火星的极地有“冰”帽（主要为二氧化碳干冰），随着季节的变化，冰帽的范围发生周期性扩大与收缩。火星上大气层非常稀薄，但火星上盛行风暴作用。 1971年当水手9号宇宙探测器临近火星时，火星上刮着持续达数月之久的沙暴。

宇宙探测器Vinking1（海盗1）号及Vinking2（海盗2）号着陆的区域是一片红褐色的石块与风成沙的松散堆积物，显示了火星上地貌非常类似地球上沙漠地貌。由着陆器进行的化学分析显示：这两地区均存在着粘土及硫酸盐矿物（很可能是石膏），这表明火星上风化作用很显著。

火星上至少有20个巨大的盾状火山以及更多较小的火山。奥林匹斯是最大的盾状火山，它的基部直径达600千米，高度27千米，火山口的直径为80千米，表明火星内部有长期活动的岩浆源，如此巨大的火山是在地球上没有的，其熔岩量超过了夏威夷火山岛链熔岩体积的总和。此外，奥林匹斯火山锥的坡上很少见有陨石坑，说明此火山的年龄不老，可能不超过一亿年。

火星上另一种重要地貌特征是峡谷，Valles Marineris 即为一大峡谷，它由一系列的巨大地堑组成,其长度可以横贯整个中国。它的形成究竟是因火星外壳上拱而发生张裂，还是由于壳下岩浆流出后导致壳层塌陷，尚难定论。

现在火星表面没有水，但火星表面发育有流水侵蚀的遗迹，并且有些谷地的特点与地球上由间隙性沙漠河流被切割的特点相类似，有的谷地呈蛇曲状，有的呈辫状分叉。2004年发射的凤凰号和机遇号火星漫游探测器发现了火星表面的土壤下面有蛋白石矿物存在，科学家认为水也许有可能在火星表面的松散层之下

有冰土，其中埋藏着固态水。由此推测火星：火星的过去可能与现在情况相反（过去是气候温暖，洪水横溢的）。

（4）木星（Jupiter）

木星是太阳系中最大的行星，其质量是地球的318倍（是所有其它行星、卫星和小行星总质量的2.5倍），体积超过地球的1300倍，但密度较小。木星被浓密气体所包围，大气主要由氢、氦、氨、甲烷组成。木星自转快，它的一天还不到10小时。由于离心力的作用，赤道上有一个明显可见的隆起部分。

木星有非常强的磁场和较强的放射场。和地球不同，从木星表面辐射回空中的热要比木星从太阳那里得到的热要多，这多余的热可能来源木星形成的原有的热和重力收缩热。如果木星质量再大一些，其内部温度就会增高到足以使其产生热核聚变的程度，它就会转变为另一个太阳。

大红斑（the Great Red Spot）是木星的一个特征，它大到足以圈下二个地球。1660年人们对这块大红斑作了首次描述，直至现在人们还一直在观察它，它已经改变了颜色和形状，但它却从来没有完全消失过。大红斑可能类似于地球上的大风爆。木星上的风从西吹到东，速度达360km/h，航海1号曾经观察到木星上的这种风爆。

宇宙探测器“先驱者”（10号1973年，11号1974年）和航海者（1号1979年，2号1980年）对木星进行的探测使科学家们对木星有了更详细的了解。木星可能是石质的内核，内核外面有二层氢液态层，再向外是数百公里厚的木星的大气层（其中90%是氢，10%是氦和微量的其它元素）。木星表面看起来有亮—暗的彩色条带覆盖其表面，且平行于赤道，科学家认为：亮带是上升的气体，暗带是下沉的气体，硫和硫化物使木星表面呈现黄—桔黄色的色彩。木星的外层包裹着相当稠密的、不透明的、湍动的气体。飞速的自转和变化着的表面特征，使它成为最迷人的行星之一。

（5）土星（Saturn）

土星与太阳的距离比木星几乎远一倍，达14.3亿千米，公转周期29.5年，自转周期比11小时稍长。因自转快，它也相当扁。土星与木星相比，成分相似，但体积较小些。土星的密度只有0.68克/立方厘米。土星内部也有能源，辐射出的能量是吸收能量的2.5倍。

①土星的环带

土星具有十分巨大的环带，这是极为特征的现象。环带宽10,000千米，厚仅100余米，从8,900,000 千米外拍摄到它发出桔色与蓝色的光。

土星的环带由无数较小的环组成，每个环包含有数百万个小自尘土、大到直径为10米的质点。质点围绕土星作环状轨道运动，似乎都是土星的卫星。

质点主要是由冰组成的，混杂有氧化铁，故呈现桔黄色。1695年从望远镜中就已发现了土星的环带，而且1980年“旅行者号”宇宙探测器还对它进行了考察，现在仍不知道土星的环带是怎样形成的。

不太明显的环带也见于木星、天王星以及海王星。因而环带的成因是太阳系形成学说必须加以研究的问题。

②土星的卫星

在1900前就己经发现土星有9颗卫星。后来，用望远镜和宇宙飞船又发现

了更多的卫星，至少有17颗 ，其中最大、最有趣的一颗卫星是蒂坦（Titan）。

蒂坦体积比水星还大，是太阳系中仅有的具有丰富大气层的卫星。它的 大气的主要成分和地球很相似，90%—99%是氮。此外大气中还含有少量的乙炔、乙烯等其它气体，这使得大气呈不透明的桔色烟雾。

（6）天王星（Uranus）

18世纪的1781年3月13日，出生于德国的英国天文学家威廉·赫歇尔（F.W. Herschel，恒星天文学之父）偶然发现了太阳系第七颗大行星，这一发现使人们第一次突破了太阳系以土星为界的范围，在天文学上具有深远的意义。

天王星也是一颗大行星，直径是地球的近4倍，体积是地球的60多倍。围绕太阳公转一周为84年，因此它在星座间的位置变化很慢。天王星距太阳的距离约为地球距太阳的19倍，据测算其表面温度在零下200摄氏度以下。

天王星独特之处（与其它行星不一样）是 “躺着自转”的，即它的自转轴与轨道平面法线的交角为97度55分，自转周期为15.5小时。

1977年3月，天王星正好掩食了一颗恒星（即挡住了恒星的光），天文学

家抓住这罕见的天文现象进行观测，结果发现天王星也有象土星那样美丽的光环，光环中包含有大大小小的9条环带。后来发现的木星也有环，人们推测海王星也有环，行星环是几个较大行星的共同特征。

（7）海王星（Neptune）

18世纪的天文学家利用牛顿的万有引力定律己经能够准确地预告行星在天空中的位置，但用同样的方法来计算天王星的位置，却老是跟观测结果不太符合，这颗古怪的行星总是偏离它应走的路线，为什么呢？

1840年贝塞尔大胆地提出一种假设，认为天王星的轨道之外可能有一颗未知的行星在影响着天王星的运动。天文学家亚当斯（英国）和勒威耶（法国）在1845—1846年各自独立计算出了这颗假设的行星的运行路线和位置，德国天文学家伽勒紧接着在理论预告的位置上发现了这颗未知的行星，因此，海王星被称作“笔尖下发现的海王星”。海王星的发现使哥白尼学说和牛顿力学得到了最好的证明 。

海王星比地球大近4倍，距太阳的距离是地球和太阳距离的30倍；表面温度在零下200摄氏度以下；自转一周约16小时，公转一周约为165年。公转时间长，四季变化十分缓慢。

（8）冥王星

海王星发现以后，一些天文学家就分析推算在海王星以外可能还有一颗未知的新行星。1905年美国天文学家洛威完成了对未知新行星的运行轨道的预测推算，并用照相方法进行搜寻，但一直没有结果。

1916年洛威去世后，他所创建的洛威尔天文台继承了他的遗愿继续收寻。1930年2月18日，汤波（C.W.Tombaugh）终于在检查一批星象照片时发现了这颗新行星。按天文学的传统，给这颗新行星起了一个罗马神话中神灵的名字—“冥王星”，意思是“地狱”里的“阎罗王”。

冥王星的体积比水星还小，质量仅为地球的0.003倍，远比其他行星小。绕太阳公转一周要248年。从冥王星上看，太阳只是一个耀眼的光点，因此冥王星是一个十分阴冷黑暗的世界。估计它向阳的一面的温度在零下220摄氏度左右（约50K）。1978年发现了冥的卫星Charon，人们怀疑它是否有行星资格的异议才得到了澄清。Charon的半径约为425千米，是冥王星质量的 3% 。

（9）冥王星被开除的原因

按照国际天文学联合会的定义，一个天体要被称为行星，需要满足三个条件：①围绕太阳公转；②质量大到自身的引力足以使它变成球体；③清除了其公转轨

道周围的天体。

2006年8月24日国际天文学联合会将冥王星归为矮行星。冥王星被降级的原因是因为没法满足第三个条件，但是国际天文学联合会的公告并没有对此多加解释。于是媒体自做主张，声称是因为冥王星的轨道与海王星的轨道存在交叉，所以不能满足清除了其公转轨道周围的条件。

真正让冥王星的地位出现危机的是“库伊伯带”的发现。在1951年，美国天文学家库伊伯推测在海王星之外存在许多小天体，它们是短期彗星的来源。自1992年以来，天文学家的确在这个区域陆续发现了几百个小天体，这个区域因此被称为“库伊伯带”。而冥王星也位于“库伊伯带”，不过是“库伊伯带”天体中比较显著的一个。许多天文学家相信冥王星其实就是一颗大彗星，如果它的轨道靠近太阳的话，也会出现彗尾。

5.太阳系中其他成员的特点（提丢斯-波得定则、小行星带、慧星、流星、陨石）。

（1）天文单位（Au）

日地平均距离称1天文单位，日地距离最小值为0.983天文单位， 1 天文单位 = 1.496108 km。

（2）提丢斯--波得定则

十八世纪，德国数学家提丢斯(Johannes Titius)提出一个能十分精确地表示出各行星之间相对距离的数字关系公式。

波得—提丢斯定则：αn = 0.4 + 0.3×2 n - 2 （天文单位） n取值随距太阳远近分别为：负无穷大、2、3、4、5 „„„

这个公式由柏林天文台台长波得(Johann Bode) 1772年公布于众，被称为提丢斯—波得法则。

提丢斯——波得法则的验证

按公式，在n=5的地方缺一颗行星（后来发现了小行星带）；本世纪30年代发现的冥王星距离应该是n=10，但实际上仍接近于n=9，冥王星现在己定论归为矮行星（前己述）。

（3）小行星带

火星与木星之间的距离似乎太大了些，信奉“宇宙和谐”的开普勒曾在他的著作中对此作过专门的讨论，他的结论是：“在火星和木星之间还应该有一颗行星存在”。

1618年开普勒发表了第三定律：任何二个行星围绕太阳公转周期的平方比（年）等于它们与太阳平均距离的立方比（天文单位），即：

(木星公转周期/地球公转周期) =(木星与太阳距离/地球与太阳距离) 。 例如：（木星公转周期 / 1 年） = (5.2Au / 1Au)

（木星的周期） = 140 年

木星的公转周期 ≈ 12 年

开普勒第三定律认为：距离太阳越远的行星，它的运动周期越长，有二个原因是：①运动轨道较长；②运动速度比其它离太阳较近的行星慢。

根据提丢斯--波得定则，在火星、木星之间的2.8天文单位处应当有颗行星，但在那个距离上没有行星存在。而从1801年以来却发现了大量直径在0.1千米到500千米范围内的小天体（小行星）在那一带绕太阳运行（这样的天体轨道被算出的迄今已有3000多颗）。据推测这些也只不过是少数样本(也许只占5％）。3颗最亮小行星是谷神星、智神星和灶神星，它们的半径分别大约为385、245和195千米。半径大于0.1千米的所有小行星的总质量大概小于地球质量的千分22323

之一，因此小行星对行星系的质量贡献微不足道。有人认为，小行星带是太阳系形成时没能演化成行星的物质；或认为小行星带是一颗破碎了的行星的残余。

（4）彗星

彗星的长长的明亮稀疏的彗尾，曾给人们留下过很深的印象，认为彗星很靠近地球，似乎就在我们的大气范围之内。

1577年第谷指出，当从地球上不同地点观察时，彗星并没有显出方位不同，因此他正确地得出了慧星必定离我们很远。每当彗星接近太阳时，它的亮度迅速地增强。彗星大部分的时间运行在离太阳很远的地方，只有当它们接近太阳时才能见到。彗星的轨道沿着被高度拉长的椭圆运动，而且太阳是在这椭圆的一个焦点上。发育完全的慧星由慧核、慧发和慧尾三部分组成。

大约有40颗彗星公转周期相当短（小于100年），历史上第一个被观测到相继出现的同一天体是哈雷彗星。哈雷对历史上出现过的24颗慧星进行比较，他发现1456年、1531年、1607年及1682年四次出现的慧星轨道非常相似，因此推测它是同一颗慧星，并用牛顿定律推算它的周期为76年，预言1758年这颗慧星将再次归来。

1758年12月底（哈雷去世后16年），拖着长长尾巴慧星如期出现，轰动了全世界。为了纪念哈雷，这颗被命名为“哈雷慧星”。以后这颗星星又曾在1834、1910、1986年多次出现。

（5）流星与陨石

①流星

除行星、卫星、慧星以外，还有无数小物质和尘埃，它们统称为流星物质（流星体或微流星体）。绕日运行的流星体进入地球大气层，因与大气摩擦而在8 0公里～120公里的高空灼热发光，从而在星空中划出一道光迹而迅速流失，这短暂而光辉的一刹那为它赢得了“流星”这个名称，其中特别明亮像火球的被称为“火流星”。

流星体密集成群、沿同一轨道环绕太阳公转，当这些流星群与地球相遇时，观察者将看到流星接二连三地从某一天区“发射”出，并向四下奔去，这就是壮观的“流星雨”。

②陨石和陨石的成分

在相当稀罕的情况下，有些特别大的流星体进入大气层，而没有被完全烧毁直至到达地面即称为陨石。陨石落地时都在地面上留下陨石坑。每年降临地球的流星物质总量在10万吨以上（大部分是不产生可见光的微流星体），迄今为止，全世界收集到陨星样品己近3000次，世界上最大的一块石陨石重1770公斤（1976年3月8日陨落于吉林省），我国新疆曾降一块陨铁重30吨，居世界第三。 陨石所含的元素地球都有，但陨石中的矿物特征和地球上的有一些差异：

陨石中有的金属态铁、镍，而地壳中几乎不存在；陨石中常见矿物为无水的，而地壳中常见矿物是含水的，这些差异表明陨石是在高温还原状态下形成的。球粒陨石中所含有的圆形玻璃质球粒，其成分就反映了太阳系形成初期原始行星的成分。

陨石的类型有：（a）石陨石，约94％，相当于地幔成分。（b）石铁陨石，约占1.5％。（c）铁陨石，约占4.5%，相当于地核的成分。陨石的同位素年龄约为46亿年。

一般认为（a）铁陨石来自大流星的核，石陨石来自核周围的幔。（b）陨石原来可能是位于火星与木星之间的小行星，它们因偏离轨道而被抛出来，小行星本身可能是以前行星的碎片。因此，太阳系内其他天体的成分和地球的成分应有其相似性。

③陨石坑

对月球、火星等星体表面陨石坑的研究表明，在地球和其他行星形成的早期都应有大量陨石坠落及大量的陨石坑形成，但由于内外动力地质作用，老的陨石坑不易保存下来。目前地球上的陨石坑有美国亚利桑那巴林格陨石坑、阿拉伯的瓦白（Warba）陨石坑、魁北克克利尔沃特东西（二湖）陨石坑、非洲南部和澳大利亚中部的陨石坑等。如美国Arizona的巴林格陨石坑（The Barringer Meteorite Crater）直径约1300米，深达200米，科学家认为它形成距今2.5 ～5万年。

二、太阳系以外的星系

1.星际物质

在星际空间存在着稀薄的、主要由气体和尘埃构成的物质，这些星际物质称为星云（Nebular，Latin for “Cloud”)。星云是稀薄的、弥漫状的物质，温

度约10～100K，密度约10～10-24-23 g/cm3，即相当于1cm中有1～10个氢原子。3

这些气体、尘埃的密度非常低，但质量是非常巨大的，天文学家之所以对星云有极大的兴趣，是因为星云是形成恒星和行星的基本物质。

如果星际物质接近于非常热的恒星，它将会发光，这种星云称为“亮星云”。 有二种主要类型的亮星云：发射星云(emission nebular)、反射星云(reflection nebular)。

①发射星云

主要由大量的氢组成的巨大的气体团块，它们吸收置于它们内部或邻近恒星发射的紫外光后，其能量以可见光的形式重新发射出来，由紫外光转变成的可见光称为荧光。最有名的发射星云是猎犬座中弥漫状的星云。用双目望远镜可以很容易地观察到它。

②反射星云

指仅仅反射其附近恒星的光的星云。一般认为反射星云由大量稠密的星际尘埃构成。当这种稠密的星际尘埃离恒星较远，不能被恒星照亮时就成为暗星云。

2.恒星的演化

（1）恒星的诞生

星云中99%是气体，其中3/4质量的物质是氢，处于电中性或电离态，其余的是氦和一些比氦更重的元素。1%是一种特殊的尘埃，这些尘埃颗粒非常小，直径约为10/1000cm。

星云的某些区域还存在气态化合物分子，如H2、CO等。如果星云包含的物质足够多，那么它在动力学上就是不稳定的。在外界扰动的影响下，星云会向内收缩并分裂成较小的团块，经过多次的分裂、收缩，逐渐在团块中心形成了致密的核。当核区的温度升高到氢氦聚变反应可以进行时，一颗新恒星就诞生了。

（2）主序星

恒星以氢氦聚变为主要能源的发展阶段称为恒星的主序阶段（主序星）。这是一个相对稳定的阶段，向外膨胀和向内收缩的两种力大致平衡，恒星基本上不收缩也不膨胀。这也是恒星的青壮年期，恒星在这一阶段停留的时间占整个寿命的90%以上。

主序阶段的时间长短与其质量有关。质量越大，光度越大，能量消耗也越快，

停留在主序阶段的时间就越短。恒星质量等于太阳的15倍、5倍、1倍、0.2倍时，处于主序阶段的时间分别为一千万年、七千万年、一百亿年和一万亿年。

目前的太阳是一颗主序星，年龄为46亿多年，还要50亿年才会转到另一个演化阶段。太阳的质量、温度和光度都居中，是一颗相当典型的主序星。

（3）红巨星与红超巨星

当恒星的氢消耗殆尽形成氦球，氢氦聚变热核反应无法继续。恒星中心被压缩，温度上升。紧贴核的氢氦混合气体受热，热核反应重新开始。这时氦球增大，氢燃烧层向外扩展，星体外层受热膨胀，恒星由主序阶段向红巨星或红超巨星转化。

质量高于4倍太阳质量的大恒星在红巨星阶段由核放出来的能量未明显增加，但其半径却增大了好多倍，因此表面温度由几万开降到三、四千开，成为红超巨星。质量低于4倍太阳质量的中小恒星进入红巨星阶段时表面温度下降，光度却急剧增加。

预计太阳在红巨星阶段将大约停留10亿年时间，光度将升高到今天的好几十倍。到那时侯，地面的温度可能将升高到今天的两三倍，北温带夏季最高温度将接近100℃。

（4）白矮星

白矮星是中小质量的恒星演化到晚年时才形成的。恒星的核反应停止或接近尾声时，恒星向内收缩直至与引力势均力敌，收缩才停止，白矮星便形成。

白矮星发光的原因：收缩过程中释放出很大的能量使白矮星白热化，表面温度高达1万摄氏度以上（约维持80亿年左右）。

以后白矮星将逐渐冷却、变暗，最终变成体积更小、密度更大、完全不能发光的黑矮星。

（5）超新星

大质量恒星内部引力极强，当内部燃料耗尽、燃烧停止时，星球不是慢慢地收缩，而是突然地坍缩。坍缩所引起的内部压力是如此巨大以致于球壳无力承受而发生爆炸，恒星向外放射出极大的能量，闪耀出异常明亮的光芒。光度可能突增到太阳光度的上百亿倍，成为太空中的一颗亮星——超新星。

银河系中最著名的超新星爆炸是发生在1006年、1054年、1572年和1604年。恒星经过超新星爆炸后就彻底解体了，大部分物质化为一股云烟和许多碎块

飘散到太空中，剩下的物质则迅速坍缩为很小的中子星或黑洞。

（6）中子星

中子星的前身一般是一颗质量比太阳大的恒星。坍缩过程中产生巨大的压力，不仅原子外壳被压碎，连原子核也被压破了，质子和中子被挤出，质子和电子结合成中子，最后所有的中子挤到一起，形成中子星。

中子星的直径只有10公里，质量却和太阳差不多，是一种密度比白矮星还高的超密恒星。

（7）黑洞

从理论上推算，中子星有质量上限，最大不能超过大约3倍太阳质量。超新星爆发剩余物质超过 3倍太阳质量，还将继续坍缩下去。最后这团物质收缩到很小的时候，它附近的引力就大到足以使运动最快的光子也无法摆脱它的束缚。 天体不可能向外界发出任何信息，而且外界对它探测所用的任何媒介，包括光子在内，一贴近它就不可避免地被它吸进去。 天体本身不发光并吞下包括辐射在内的一切物质，就像一个漆黑的无底洞，所以这种特殊的天体就被称为——黑洞。

3.恒星的生命周期

（1）小质量恒星的生命周期

星云→原恒星→主序星→白矮星→黑矮星

（2）中等质量恒星的生命周期（如太阳）

星云→原恒星→主序星→红巨星→恒星状星云→白矮星→黑矮星

（3）大质量恒星的生命周期

星云→原恒星→主序星→红超巨星→超新星爆炸→中子星（或黑洞）

4.银河系

太阳是银河系（Milky Way galaxy）中1000亿颗恒星中的一颗，用肉眼能够看到的每颗星都属于银河系。银河的形状像一个巨大的、薄的、中间凸出的凸透镜。它的直径约120，000光年，它的最厚的部位约20，000光年，太阳距银河系的中心约30，000光年。

5.星系

星系的三种类型：螺旋状星系、椭圆状星系、不规则状星系

6.红移

光是电磁波，当光源远离观测者时，接受到的光波频率比其固有频率低，即向红端偏移，这种现象称为“红移”。当光源接近观测者时，接受到的光波频率比其固有频率高，相当于向蓝端偏移，称为“蓝移”。

7.宇宙大爆炸

20世纪有两种“宇宙模型”比较有影响是稳态理论和大爆炸理论。

（1）稳态理论

若干世纪以来，很多科学家认为宇宙除去一些细微部分外，基本没有什么变化，宇宙不需要一个开端或结束，即使是在科学家发现了宇宙正在膨胀之后，这种想法也没有被放弃。

托马斯.戈尔德(Thomas Gold)，赫尔曼.邦迪(Herman Bondi)及弗雷德.霍伊尔(Fred Hoyle)于40年代后期提出稳态理论。

稳态理论认为：物质正以恰当的速度不断创生着，这一创生的速度刚好与因膨胀而使物质变稀的效果相平衡，从而使宇宙中的物质密度维持不变 。这种状态从无限久远的过去一直存在至今，并将永远地继续下去。

宇宙在任何时候，平均来说始终保持相同的状态。稳态理论所要求的创生速率很小，每100亿年中，在一立方米的体积内大约创生1个原子。稳态理论的优点之一是它的明确性，它非常肯定地预言宇宙应该是什么样子的。也正因如此，它很容易遭受观测事实的质疑或反驳。当宇宙背景辐射被发现后，这一理论基本上已被否定。

（2）大爆炸理论

20世纪20年代后期，爱德温·哈勃(Edwin Hubble)发现了“红移”现象，说明宇宙正在膨胀。60年代中期，阿尔诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)发现了“宇宙微波背景辐射”。这两个发现给大爆炸理论以有力的支持，大爆炸理论己广泛地为人们所接受。

①宇宙微波背景辐射

1948年美国科学家阿尔弗和赫尔曼预言：宇宙大爆炸产生的残余辐射，由于宇宙的膨胀和冷却，如今所具的温度约为5K（绝对零度 0 K=-273ºC）。

当时这个预言并没有引起人们的重视。1965年，美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工程师阿尔诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊

(Robert Wilson) 正在为跟踪一颗卫星，而在校准一台很灵敏的无线电天线时，十分意外地发现这台接收器中存在着无法阐明的噪声(后来被认为是宇宙辐射场)。与此同时，普林斯顿大学由罗伯特·迪克(Robert Dicke)领导的一个科学家小组也已独立地重新发现了阿尔弗和赫尔曼早先作过的预言，并设计了一台探测器来搜索大爆炸的残余辐射。罗伯特·迪克他们听说了贝尔实验室这台接收器中存在着无法阐明的噪声，并立即将它解释为源自大爆炸的残余辐射，如果它是热辐射，那么它所具有的能量就相应于2.7K的温度（这与阿尔弗和赫尔曼富于灵感的估计非常接近，这被称为"宇宙微波背景辐射"）。

“宇宙微波背景辐射”的存在，给大爆炸理论以有力的支持。威尔逊（美国天文学家，1936）和彭齐亚斯（美国天体物理学家，1933）因发现宇宙微波背景辐射印证大爆炸理论的成就而同获公元1978年诺贝尔物理学奖。 ②关于大爆炸理论

宇宙起始于发生在100亿年 ～200亿年前的一个极小，却包含了宇宙中全部物质的奇点的瞬间爆发。大爆炸理论的基础是广义相对论及大尺度上宇宙中物质分布的均匀性。宇宙的年龄是通过寻找最早的天体或测量宇宙膨胀的速度来测定的。

③大爆炸理论事实

大爆炸理论的结论与一些重要的观测事实相一致。(a)星系辐射的“红移”现象。（b）宇宙中氦、氘、锂的丰度。这三种元素被认为在宇宙的最初三分钟内首先形成。（c）宇宙微波背景辐射。（d）在遥远的星云中，宇宙微波背景辐射的温度更高些（这是由于光速有限，我们看到的遥远星云处于更早的时期，那时宇宙的密度比现在大，也比现在更热。）