太陽系的主體部分,它們是由外圈的4個巨型星和內圈的4個巖石行星組成的,它們構成了太陽系最基本的結構,這些控制著不同軌道並且佔據著特定區域空間的、大小不一的行星對地球以及地球上的人類都有著密切的關係,那麼太陽系的基本結構外面是什麼呢?
從第8顆行星 「海王星」向外的廣袤區域
根據提丟斯-波德的定律在39.5個天文單位的位置上應該還會出現一個天體。果然在1930年美國天文學家克萊德·威廉·湯博(Clyde William Tombaugh 1906年2月4日 – 1997年1月17日)在離太陽59億公裡遠的地方發現了「冥王星」,這顆天體又符合了這個神奇的「提丟斯-波德定律」,但是冥王星的軌道是一個非常扁的橢圓,偏心率較大,這使得它甚至稍微穿越了一點海王星的軌道,也就是說提丟斯-波德的定律在這兒不嚴謹了。
圖解:提丟斯-波德定律
起初,天文學家錯估了冥王星的質量,以為冥王星比地球還大,所以被認定為「行星」。然而,經過進一步觀測,發現它的直徑只有2300公裡,比地球小得多,甚至比月球還小,只有月球的2/3。冥王星還有一顆伴星叫「卡戎」,直徑約為1200公裡,比冥王星的一半還大,因此卡戎並不是繞著冥王星旋轉,而是和冥王星一起相互圍繞著一個共同的引力中心旋轉,但是由於冥王星比卡戎的體積大一些,所以它們相互旋轉的時候,引力中心會傾向於冥王星這邊,因此它們會像一對男女舞伴在跳華爾茲,顯然是大體積的冥王星帶著小體積的卡戎轉圈,當然這裡是最寒冷的舞場了,這裡的溫度只有零下190度,最終由於冥王星的體積不夠大,因此人們把冒用了一個世紀行星待遇的冥王星的行星資格取消了,重新把冥王星這樣的天體定義為——「矮行星」。
圖解——左:冥王星 / 右:卡戎
由於沒有探測器直接近距離觀察冥王星,目前現在還不完全知道它表面的成分,只能用光譜去粗略地分析,冥王星上面的那些明亮的部分都是一些固態的氣體,很可能是大量的氮以及少量的甲烷和一氧化碳。由於冥王星離太陽非常遠,它的表面溫度極低,幾乎達到了零下190度,所以它的構成和一般的巖石行星不同,它用大量的凍結氣體構築了自己的地貌。在冥王星上甚至它的環形山都是由不同的氣體凍結形成的,這些環形山顏色會很豐富,因為很多氣體凍結之後會呈現出不同的色彩,這或許是太陽系外觀最華麗的環形山了。
圖解:冥王星
有一段時間人們以為冥王星是太陽系的邊界了,但是在上個世紀50年代,一個叫柯伊伯的法國人推論在太陽系邊緣的冥王星之外會有一個冰封的物質帶。1992年人們果然發現了第1個在這個物質帶裡的天體,接著就有約1000個這樣的天體被逐漸發現,直徑從數公裡到數千公裡不等,於是人們就把這個區域的天體以法國人柯伊伯的名字命名,統稱為——「柯伊伯帶」。柯伊伯帶的天體總數很可能超過幾百萬顆,它們都被密集的阻擋在海王星軌道之外。
圖解:柯伊伯帶
不久之後,又在柯伊伯帶裡又發現了一顆更大的、類似冥王星的天體——「齊娜」。齊娜與太陽的平均距離為97個天文單位,是冥王星與太陽距離的兩倍,齊娜直徑比冥王星大,大約是冥王星的1.5倍,比月球略小一些,但基本上是同一個級別,在太陽系依然屬於矮行星級的尺寸。
冥王星和齊娜可以說是柯伊伯帶的天體,但它們是比較大的柯伊伯帶天體,它們具有比一般的柯伊伯帶天體更大的能量,從它們的運動軌跡看,它們似乎很想竄到太陽系的內行星圈裡去。冥王星的軌道偏心率是0.25,更遠的齊娜偏心率則達到0.44,它們都在幾乎相同的點上靠近海王星軌道,但是無論冥王星和齊娜如何再想往裡竄,它們也無法真正越過海王星的攔截,海王星作為巨行星的最後一道閘門,首當其衝地維護著太陽系內部空間的秩序,海王星把冥王星、齊娜以及所有柯伊伯帶的天體都擋在了外面,其實整個柯伊伯帶都是被太陽系的巨型星趕出去的。
早期的柯伊伯帶可是地球生命工程的參與者,因為彗星就是柯伊伯帶的主要產品
在柯伊伯帶區域裡有兩種天體:
一種是冷的族群叫做「冷族」、一種是熱的族群叫做「熱族」、這兩族天體原來是分開的,「熱族」大概形成在木星附近,而「冷族」則是在海王星附近形成,柯伊伯帶的天體相當於是太陽系的原生態物質,它們是不允許在太陽系的中心地帶存在的,因此它們最終被遷了出去,在這個過程中,太陽系的巨行星們就是「清潔工」,它們依靠自己強大的引力共振作用,把柯伊伯帶這個混亂的原生態物質堆放的位置與地球之間的距離大大地推遠了,至少推遠了40億公裡。或許正因為這樣,柯伊伯帶的天體大大減少了對地球的騷擾,地球生命才能安靜地度過幾十億年的演化歷程。
不過早期的柯伊伯帶可是地球生命工程的參與者,因為彗星就是柯伊伯帶的主要產品,而彗星對地球生命誕生的貢獻起過重要的作用,在太陽系早期的時候,彗星還要比今天多幾百倍,太陽系很多天體上的傷痕累累的環形山,大部分都是彗星的撞擊形成的,不過這些彗星雖然以十分粗魯的方式給星球添了很多創傷,但實際上它們都是「空投的大禮包」,因為這些彗星都是宇宙中的高檔物質,它們的組成主要是水以及很多和原始生命相關的物質成分。某種意義上說,作為基本條件的前提,地球上誕生生命就離不開彗星,因為原始地球形成的時候,由於高溫,自己身上原始的水資源都被破壞了,因此地球上的水基本上都是彗星送來的。
不要以為偶然幾顆彗星能給地球帶來多少水,實際上早期的送水規模比今天大多了,因為早期水庫「柯伊伯帶」離地球比今天近多了,這個大水庫幾乎就在地球的附近,也就是說在地球的早期,彗星的數量非常多,這有利於早期地球海洋的形成以及生命的創造,但是後來生命誕生了,彗星這種過於簡單粗暴的送水方式,不利於生命穩定地演化了,於是太陽系就由木星和土星軌道的共振作用逐漸地把柯伊伯帶的「熱族天體」向外趕,同時天王星和海王星也隨之繼續將柯伊伯帶的「冷族天體」向外推,直到今天的位置。隨著柯伊伯帶的外移,彗星就越來越少,而地球上已經誕生的生命也就越來越安全了,太陽系的巨型星的動態居然是如此的配合地球的生命演化,這不得不讓人類驚嘆宇宙的神奇。
柯伊伯帶是太陽系的最後邊疆嗎?
依然不是,太陽系的疆域非常大,它的真正邊緣是更為遙遠的「奧爾特雲」。
「比鄰星的奧爾特雲」與「太陽系的奧爾特雲」在恆星的級別上會相互影響
「奧爾特雲」是50億年前形成太陽系的星雲殘餘物質,或者說它們是太陽系的原生土壤,它們也是巖石和冰塊,只不過數量遠比柯伊伯帶多的多,這個原生土壤在太陽系外圍構成了一個特大彗星區,那裡約有1,000億顆彗星,像巨蛋蛋殼一樣包裹著太陽系,這個奧爾特雲構成的蛋殼延伸得非常遙遠,它們幾乎可以延伸到兩光年以外的地方,也就是大於200,000億公裡遠的地方,可以說已經幾乎達到了其它恆星的實力範圍了。
太陽系周圍的鄰居太陽系各個角度大約有20~30顆恆星,在10光年之內大約有12顆恆星:最近的是「比鄰星」和「南門二」,它們都是和太陽差不多的恆星,它們離太陽系大約是4.3光年和4.5光年。距離太陽系稍微遠一點的還有「天狼星」以及其它大約7~8顆恆星。太陽系的奧爾特雲的邊緣離這些恆星已經比較近了,甚至和「比鄰星的奧爾特雲」的邊界接壤,因此「太陽系的奧爾特雲」就會遭到周邊恆星引力擾動,這些恆星的引力會施加到「比鄰星的奧爾特雲」上面,產生恆星級別的潮汐力,也就是一種振蕩,在這種振蕩的幹擾下,「比鄰星的奧爾特雲」就會彈射出一些天體飛向太陽系的內圈變成彗星,這些彗星的物質也可能到達地球,甚至 「比鄰星的奧爾特雲」與「太陽系的奧爾特雲」在恆星的級別上會相互影響。
在以往的歷史上,曾經有一些恆星可能離太陽系比較近,從而導致某種特定的情況下,另一些恆星的奧爾特雲會和「太陽系的奧爾特雲」交疊,那麼其它恆星的彗星就可能進入太陽系,甚至到達地球。或者兩顆恆星之間的彗星會相互形成交叉周期,把另一顆恆星的物質信息帶給太陽系,所以在某種意義上說,地球生命的活動和演化不僅和自己的太陽有關係,而且甚至和其他恆星的存在也有一定的關係的。遙遠眨眼的星星居然會如此對我們的生活在宏觀上產生影響,宇宙的確太神奇了。這些恆星現在和我們的距離還不算太近,但是科學家告訴我們,這些恆星將對太陽系也是在運動的,它們中有一些會逐漸地靠近太陽系,距離甚至會近到足以影響「奧爾特雲」的程度。
一顆最危險的恆星叫「葛利斯710」,這是一顆位於「巨蛇座」的10等橙矮星,距離地球大約63光年,天文學家大約10年之前注意到了這顆平凡的恆星,它正在開足馬力奔向太陽系,估計大約150萬年之後,「葛利斯710」將通過距離太陽僅僅1.3光年的地方,這就意味著這顆恆星會進入「太陽系的奧爾特雲」的內部,這是一顆相當於一半太陽質量的恆星,如果這顆恆星真的到達計算的位置,那麼它將造成比正常情況多10000倍的彗星進入與地球相交的軌道,這就意味著太陽系將面臨一個超級彗星雨,它將會給地球以及生命帶來可怕的災難。以往很可能太陽系也面臨類似的事件,也就是突然遭遇巨大數量的彗星襲擊,或許在地球的演化世界上,一些重大的災變都可能和這樣的事件有關聯,比如恐龍的突然滅絕等等。
「奧爾特雲」就是一個不可預知的災難因素,雖然它的發生的概率比較低,但是只要發生一次就可能給地球生命帶來重創。不過今天彗星已經很少了,基本上不會對地球造成威脅,更多的人會把它們當做是一種風景。彗星在我國古代被認為是「掃把星」,以其拖著長尾巴在天空飛過而得名,這是因為彗星大部分都是冰裹著的巖石,它們一旦接近太陽就會蒸發,形成美麗而飄逸的蒸汽「彗發 」,由於其特殊的形態掠過天空時十分壯觀美麗,一直引起人們的關注。我國最著名的描寫彗星的詩作是唐代著名詩人李賀創作的,他曾經在《夢天》裡面以:「遙望齊州九點菸,一泓海水杯中瀉描。」描寫了彗星出現在湛藍色夜空時的情景,可謂出神入化。彗星的實地探測長期以來,人們只是用望遠鏡觀測彗星,只能對它們進行光譜的分析,為了更深入的了解彗星,了解這種神秘的曾經對地球的歷史有過重大影響的天體,美國宇航局NASA對彗星有過一次實地探測,也就是用探測器接近彗星並撞擊,從而真正獲得最直接的彗星信息。美國宇航局NASA選擇了一顆名為「坦普爾1號 」的彗星,這是一顆特短周期的彗星,它的軌道周期僅有5.5年左右,「坦普爾1號 」位於小行星帶與木星之間,但是它卻與小行星帶內的物質截然不同,它形成於柯伊伯帶,在飛向太陽的過程中受到大行星引力的逐層影響,從而改變了軌道,最終混跡在小行星帶與木星之間的位置上穩定下來,因為這顆彗星離地球比較近,而且人類已經觀測這顆彗星100多年 了,對它也是比較熟悉的,美國宇航局NASA追蹤拍攝並且撞擊這顆彗星 。
即便這樣一顆離地球比較近的彗星,要想追到它也是非常有難度的,從地球出發最終到達這顆彗星並且撞擊,就相當於是從中國沿著一個像針孔一樣小的隧道飛到美國那麼難。美國宇航局NASA的科學家設想通過撞擊「坦普爾1號 」彗星的彗核,使其內部物質暴露出來,以供科學家研究,彗核中含有太陽系出生時遺留的物質,通過撞擊來更深入地測定彗星的化學組成。在2005年7月4日,美國宇航局NASA開始實行這個計劃,發射深度撞擊探測器,這個探測器經過半年左右的飛行進入小行星帶,在這個充滿各種小天體的空間裡,尋找到「坦普爾1號 」彗星,這個「深度撞擊探測器」由兩個部分組成:一是:飛行器。二是:外部由銅合金加固的撞擊器。
圖解:深度撞擊探測器在靠近「坦普爾1號 」的彗核時,飛行器將撞擊器彈射出去,飛行器則在距彗星約500公裡外的安全位置觀測撞擊全過程。「坦普爾1號 」彗星的光譜圖顯示,它的低溫含有冰的區域是在靠近尾部的地域,這裡的物質比較複雜和豐富一些,於是撞擊就選擇在這個區域,撞擊非常的成功,撞擊的地點準確的落在了設計的區域,深度撞擊是彗核表面的細粉狀碎屑騰空而起,在這些漫天飛舞的碎屑中居然包含有水、二氧化碳和有機物,這只是人類抓住的第1顆彗星,它的存在至少證明了有為數不少的彗星是真的存在著水和有機物的,也許生命真的起源於彗星。
屬於「太陽系」的故事「奧爾特雲」是太陽系的邊疆,既然找到了太陽系的邊疆,那麼現在我們終於可以完整地看一看太陽系的故事了。50億年前太陽系剛剛形成的時候,我們的生命家園還只是一片混沌,就像是一個巨大的蛋蠢蠢欲動地為孕育生命做著準備,最終在這一片混沌之中,太陽系在熾熱中誕生,各種天體·包括地球也誕生了,但是誕生的時候就像一個熔煉的過程,所有的星球都從火焰中成長出來,經過這樣的浴火而生之後,它們全部面臨一個共同的問題,就是——乾旱。
生命是不可能誕生在乾旱之中的,於是一個巨大的送水工程就開始了,從宏觀上看,太陽系的整個結構就如同是一個複合系統的高壓水槍,柯伊伯帶和奧爾特雲就以彗星的形式向地球所在的太陽系核心位置澆水,直到把地球澆灌成了一個水球,並誕生了生命,而當地球出現了生命之後,太陽系又在巨行星的作用下不斷地擴大,讓那些提供彗星的物質逐漸地遠去給地球的生命提供越來越安定的生存環境,這就是完整的太陽系故事,這個故事來自完整意義上的生命的搖籃。太陽系的邊疆比我們想像的遠得多,它的物質儲備也比我們想像的多得多,而且太陽系的結構幾乎每一部分都直接或間接地和地球上的人類有關聯。現在人類的一艘探測器正在穿越太陽系,現在已經飛過了太陽系所有的行星以及「柯伊伯帶」,預計再過500多年它就能接近奧爾特雲真正到達太陽系的邊疆,而後它還會超越奧爾特雲真正進入太陽系以外的空間,這將是地球生命第1次用自己的工具刺透孕育自己的搖籃的最外層的殼,或許這是真正意義的象徵人類的文明的飛躍,讓我們一起祝福它——「旅行者1號」。