46億年前，銀河系中某個不起眼的地方正在孕育著什麼？星系中瀰漫的氫和氦以及固體塵埃開始凝聚並在形成分子，由於無法承載自身的質量，這一新形成的分子雲便開始了坍縮，在不斷加熱和混合的過程中，一顆恆星誕生了——它就是我們的太陽。
目前我們還不確切知道到底是什麼觸發了這一過程，也許這一切都源自於近鄰恆星爆炸死亡時所產生的激波……然而據我們所知，太陽是唯一的。從誕生太陽的薄盤中形成了8顆行星，一開始這些行星之間沒有什麼顯著的「差異」，最終在太陽旁的第3顆行星上出現了生命；而這些生命也開始探索他們所在的太陽系，但時至今日依然有6個太陽系的未解之謎有待解答。
太陽系是如何形成的？
如果看一眼太陽系的行星，你也許會認為這些行星不是太陽「親生」的，而是被「領養」的。可已有的事實表明，這些行星確實存在某種血緣關係，都是從坍縮形成太陽的分子雲中形成的。你也許會認為不同的天體在太陽系中的分布是無章可循的，但其實目前的太陽繫結構已經達到了平衡的狀態，添一分則嫌「胖」，減一分則嫌「瘦」。那麼這一精巧的結構是如何形成的呢？
組成太陽系的4顆小行星
在太陽形成的時候，它消耗了原始太陽星雲中99．8％的物質。按照目前被廣為接受的理論，剩下的物質在引力作用下形成了一個圍繞新生恆星的氣體塵埃盤。當這個盤中的塵埃顆粒繞太陽運動時，彼此之間會發生碰撞，並且漸漸地聚合長大。在盤的最內部，由於太陽的核反應已經被點燃，高溫使得只有金屬和高熔點的含矽礦物才能倖存下來。這樣一來，也限制了塵埃可聚合的大小，這一區域中的小天體最終凝聚形成了內太陽系的4顆體型較小的巖質行星——水星、金星、地球和火星。
在這一區域之外則沒有類似的限制。在「雪線」以外的區域，甲烷和水都是以固態的形式出現，行星可以長得更大，並且可以在太陽的熱量把氣體驅散之前吸積氣體分子(主要是氫)。這就是木星和土星這樣的氣態巨行星以及溫度更低的巨行星天王星和海王星的最終形成過程。這也是天文學家預計這些行星在流體的表層之下有一個巖石核心的原因。
到目前為止一切都是直接的。法國蔚藍海岸天文臺的亞歷山德羅·莫比德利(Alessandro Morbidelli)說，但當你要深入其中的細節時問題就來了，吸積模型就是一個很好的範例。沒有人確切知道米級的巖石是如何聚合成10千米級的小天體的，由於小型固體天體受到其周圍氣體壓力的作用，最終在聚合之前便落入了太陽。最近提出的一種可能性是：氣體中局部湍流提供的低壓使得小巖石最終併合到了一起。
氣態巨行星也有類似的問題。它們的巖石核心必定是在有氣體的情況下聚合而成，然後才能吸積氣體；而在其他行星系統中也發現了非常靠近恆星的類木行星。這些行星的大小和木星相仿，但是軌道半徑卻和地球的差不多，甚至更小。如果在太陽系形成的早期也有一顆木星質量的行星運動到了太陽系的內部，儘管還沒有確定的結論，但諸如地球這樣的內行星都會被散射出太陽系。
按照美國科羅拉多大學的菲爾·阿米蒂奇(Phil Armitage)的說法，沒有證據顯示太陽系上演過類似的情況。如果說過大的月亮是某種暗示的話，那麼它也只是說明了內太陽系在巖質行星形成的最初1億年中一直處於「動蕩不安」的狀態，但是很快一切就都安定了下來。根據莫比德利及其同事所提出的理論，在太陽形成之後的幾億年，在木星和土星引力的「強強聯合」作用下，天王星和海王星被推到了距離太陽更遠的地方並佔據了現在的位置，由此引發了外太陽系的重組和膨脹，一些小天體會就此撞向木星；而另一些則會被木星的強大引力拋射出太陽系。在整個太陽系外圍及宇宙的深處，這些未被吸積的殘骸聚集到了一起形成了設想中的奧爾特雲(一個假設包圍著太陽系的球體雲團，其中布滿著不少不活躍的彗星，距太陽約5萬～10萬個天文單位)。
太陽系最近的一次引力散射效應的集中體現，就是它們對火星和木星之間小行星帶的擾動，由此引發了40億年前(太陽形成之後5～6億年)出現的晚期大規模轟擊。在這期間，大量的小天體撞擊了地球和月亮，但從那以後構成太陽系的天體便又重新恢復了平靜，進入了一種精巧的平衡狀態——這無疑對地球上的生命起源和演化來說是「無價」的。
為什麼太陽和月亮在天空中看似一樣大？
日全食是最壯麗的自然景觀之一。如果你一輩子都呆在一個地方，那麼至少可以目睹一次日全食。如果你運氣好的，也許可以看到兩次。在日全食發生時，月亮可以完全遮擋住太陽的光芒。只有透過月面上的山谷才能有一線光線透過來，形成絢麗的「貝利珠」(貝利珠是日全食開始或結束時，太陽光從月面邊緣的山脈縫隙中透射而出形成的)。
這一切要歸功於太陽和月亮的「大小」是如此的契合。太陽的直徑大約是月亮的400倍，而太陽到我們的距離也正好是月亮的400倍。兩者的「此消彼長」就使得太陽和月亮在天空中看上去一樣的大小，這在太陽系中的8顆行星和已知的166顆衛星中絕無僅有的；而地球也是目前已知唯一擁有生命的行星，難道這也純屬巧合？
絕大部分天文學家的觀點是肯定的，但也許這些數字背後還隱藏著不為人知的一些「天機」。我們的月球是「與眾不同」的；而類似木星、土星、天王星和海王星這樣的巨行星的衛星則是通過兩種方式形成的，它們要麼形成於由行星引力維繫的物質盤中——類似微縮版的太陽系，要麼就是由行星的引力俘獲而來。火星的兩顆衛星火衛一和火衛二就被認為是通過第二種方式形成的；而火星也因此成為了內太陽系唯一具有兩顆天然衛星的行星。
相對於地球來說，月亮遠遠大於前者，因此無法通過這兩種方式中的任意一種形成。行星科學家相信月球的形成只有一種解釋：在太陽系的最初1億年裡，小天體在太陽系裡橫行，其中一個火星大小的天體撞上了地球。這一碰撞完全改變了地球，由此撞擊出的大量物質最終形成了個頭偏大的月球。
更重要的是，月亮對於地球上的生命來說是一種恩惠。由於來自其他天體的引力作用，地球在繞其自轉軸轉動的同時也會自然地擺動；而月球無形的引力則抑制住了這種擺動，防止了地球自轉的不穩定性以及由此造成的災難性氣候變化。這對於地球上的生命來說則是至關重要的。
地球處於太陽旁的「宜居帶」中，在這個帶中行星可以保持充沛的液態水。這無疑是承載生命的最重要因素，但一個大到足以引發日全食的月亮的存在可能也是關鍵的因素。如果真是這樣的話，這將為在其他行星上搜尋生命產生重要的影響。
由於是在撞擊中形成的，因此月亮正在以每年3．8釐米的速度漸漸地遠離地球。2億年前月亮要比現在看上去大得多，可以「輕而易舉」地遮擋住整個太陽；而對於幾億年之後的地球居民來說，由於月球變得太「小」，因此不會再有日全食發生。
我們看似很幸運地位於兩者之間：形成於撞擊的月球正在遠離我們，與此同時它又惠及著地球上的生命。如果你足夠幸運地在有生之年經歷過一次日全食，請想像一下這一可能：也許正是這樣一個月亮才使你有幸站在那裡目睹日全食的發生。
日全食的景象——日冕
是否存在X行星？
如果說太陽系就像一張網，那麼我們並不了解這張網上的所有結點。傳聞在太陽系黑暗的深處潛藏著X行星，它是一顆如火星甚至地球這麼大的冰冷行星。
自從1930年發現冥王星以來，X行星將會是太陽系最重要的「擴編」。2006年國際天文學聯合會為行星設立了三條標準：圍繞太陽轉動、在自引力下呈近似球形且質量足夠大能清空其軌道附近的區域，並由此將冥王星降級為矮行星。冥王星的「失利」源於第三條，因為它只是眾多柯伊伯帶天體(是太陽系形成時遺留下的一些團塊。在45億年前，有許多這樣的團塊在更接近太陽的區域繞著太陽轉動，它們互相碰撞，有的就結合在一起，形成類地行星及氣態巨行星的固體核)中的一個，這些冰質天體都分布在海王星以外30～50天文單位之間的區域裡(1天文單位等於地球到太陽的平均距離)。
有意思的是，對柯伊伯帶的研究預示著可能確實有X行星的存在。一些柯伊伯帶天體的軌道可以延伸到距離太陽非常遠的地方；而另一些的軌道則是長橢圓形的並且和大行星的軌道互相垂直。「這些特殊的軌道可能就是一顆大質量遙遠天體攝動的結果，」美國夏威夷大學行星科學家羅伯特·傑迪克(Robert Jedicke)說。
傑迪克的這一觀點遠沒有在科學家之間達成共識。儘管很難解釋觀測到的柯伊伯帶天體的所有性質，但是巨行星軌道的向外遷移確實可以解釋一些柯伊伯帶天體的奇特軌道。
經過20多年在大片天區中的搜尋，迄今已發現了超過1000顆的柯伊伯帶天體。但是這些大天區的巡天只能發現大而明亮的天體，而用於尋找小而暗弱天體的長時間曝光巡天只能覆蓋較小的天區。如果有一顆火星大小的天體位於距離太陽100天文單位的地方的話，那麼它可以輕而易舉地躲過地面上的偵察。
這一狀況馬上就要被改寫了。2008年12月，全景巡天望遠鏡和快速反應系統(Pan－STARRS)的首架原型機在夏威夷投入使用；不久，裝備有全世界最大的140億像素數位相機的4架望遠鏡就將開始搜尋天空中任何閃爍或者運動的目標，其主要目的是尋找對地球具有潛在威脅的小行星，而那些外太陽系的居民也難逃它的「法眼」。
彗星來自何方？
很少有「宇宙來客」能像彗星那樣使人類對它既敬畏又恐慌，特別是肉眼可見的哈雷彗星，在猶太教法典上就有「每70年出現一次的星星會讓船長們犯錯」一詞，包括1066年黑斯廷斯戰役之前哈雷彗星猶如厄運的徵兆出現在了天際。
哈姆雷特彗星
然而現代科學對彗星則採取了更多實證的觀點。彗星是塵埃和冰的聚合體，在大橢圓軌道上繞太陽運動。當它們靠近太陽時，由於太陽風的吹拂而形成了壯觀的彗尾。現在我們甚至還知道它們發源自海王星軌道以外的柯伊伯帶。
但是這裡也存在著問題。諸如1997年造訪地球的海爾－波普彗星，它們難得會出現在我們的天空中。因為它們的軌道非常長，因此不可能來自柯伊伯帶。許多天文學家對此的結論是，我們已知的太陽系被一個巨大的、由冰質天體組成的暈所包圍，這些天體是幾十億年前在巨行星的引力作用下被從太陽附近「驅逐」到這裡的。
這一片天空中的「荒漠」被稱為「奧爾特雲」，用以紀念1950年第一個提出它的荷蘭天文學簡·奧爾特(Jan Oort)。這個包圍著太陽系的球形物質暈還從來沒有被觀測到過，但如果長周期彗星確實發源於此的話，那麼奧爾特雲一定是非常巨大的，它所延伸的範圍可以達到柯伊伯帶外邊界的大約1000倍。在這樣遙遠的距離上，它不再會受到太陽系行星的影響，相反銀河系和近鄰恆星對它的作用成為了主導。
奧爾特雲可能就存在於我們的太陽系向星際空間過渡的某個地方。
不幸的是，如果要在奧爾特雲中搜尋X行星的話，那將是一個夢魘。對於望遠鏡來說，它太暗弱、太遙遠也太小了。同樣不幸的是，由此我們也錯過了通過統計和估算這些天體的大小來重建太陽誕生地並且一窺形成巨行星原始物質的機會。
到目前為止，有關這些原初物質的信息都來自彗星和最大的柯伊伯帶天體，因為它們被認為具有類似的組成。「這就像是『瞎子摸象』，」美國西南研究所的行星科學家哈爾·利維森(Hal Levison)說。
儘管如此，但說不定在幾十年之後人們就能描繪出這頭「大象」的全貌了。奧爾特雲中的天體會使遙遠恆星變暗或者發生衍射。雖然這些衍射所持續的時間只有幾分之一秒，但是天文學家將採用已經用於柯伊伯帶天體上的技術來測量這些天體的大小和距離。儘管地球大氣湍流造成的閃爍使得地面上的望遠鏡無法探測到它們，不過未來空間望遠鏡巡天應該可以發現大量的奧爾特雲天體。
除此之外還存在著其他的問題。根據目前已知的長周期彗星的數目和軌道估計，奧爾特雲中含有千億個直徑大於1千米的天體，它們的總質量可以達到地球的幾倍。利維森說，這麼多的物質超出了目前的太陽系形成理論可解釋的範圍，說明還需要對我們現有的模型進行細緻的檢查。
太陽系是唯一的嗎？
自1992年發現了第一顆繞其他恆星轉動的行星以來，已經發現了大約280顆太陽系外行星；而這其中的絕大部分和我們的太陽系大相逕庭。這些太陽系外行星主要是通過它們的引力對恆星的擾動而被發現的。行星越小，它對恆星的影響也越小。因此目前的技術還無法探測到類地行星對恆星所產生的擾動。
絕大多數已知的太陽系外行星的大小和木星或者海王星相仿的氣態巨行星，它們到各自恆星的距離也只有幾個天文單位。據估計，大約6％～7％的類太陽恆星具有類似的行星；而恆星具有和木星類似距離的氣態巨行星的概率目前還不得而知。原因是它們繞恆星轉動一圈大約要花上10年甚至更長的時間，因此對它們引力擾動的測量也要花上至少這麼長的時間。
按照太陽系形成的標準圖像，氣態巨行星不會形成於非常靠近恆星的地方，因為恆星的熱量會阻礙較大的巖質核心的形成。另外，太陽系中行星的軌道都是近圓的，而這些太陽系外氣態巨行星的軌道卻都是長橢圓的。也許這就是答案：絕大多數的行星系統具有比我們的太陽系更變化多端的歷史。
哈勃望遠鏡觀察到的太陽系外行星
在知道觀測極限之前，我們很難得到確定的結論。「也許在我們眼中太陽系的歷史已經是夠『血腥』的了，因為這是我們能看到的唯一樣本，」科羅拉多大學的阿米蒂奇說。而兩個高靈敏度的空間行星探測計劃將幫助我們降低這樣的不確定性：一個是2006年12月發射的由法國主導的「科羅」外星行星探測器，另一個是計劃於2009年3月發射的美國航空航天局(NASA)的「克卜勒」探測器。
預計可以發現10個左右的「超級地球」——質量為地球幾倍的行星。如果有關太陽系形成的理論是正確的話，這些巖質行星應該和我們的地球非常相似。這取決於大氣中溫室效應和雲的冷卻作用，即兩顆行星Gliese 581c和d到它們恆星的距離可以使其表面有液態水存在。
還有其他的線索也表明巖質行星要比我們所想像的更普遍。2008年NASA「斯必澤」空間望遠鏡的觀測顯示，年輕恆星周圍塵埃的碰撞直接和行星形成有關，而且巖質行星的形成率可以達到20％～60％。
但斯必澤空間望遠鏡對老年恆星周圍塵埃的觀測則顯示，形成可承載生命的巖質行星的前景並不那麼樂觀。10個太陽系外行星系統有9個含有比太陽系更多的塵埃，在某些情況下甚至可以達到太陽系的20倍甚至更多；而行星形成過程是一個在恆星誕生之後1億年內就應該完成的短暫過程，因此這些塵埃可能是盤中的彗星彼此劇烈碰撞的殘骸。
幸運的是，我們的內太陽系有一個忠實的守衛者。距離更遠的巨行星——尤其是木星——通常會在彗星有機會進入內太陽系之前就把它們給散射出去了。
「最終，『太陽系是否唯一』這個問題還有待我們在觀測到了類地太陽系外行星和其外圍更遠的巨行星之後才能回答，」美國亞利桑那大學的喬納森·盧寧(Jonathan Lunine)說，「但目前我們還無法簡單而正確地回答這個問題。」
太陽系最後將如何終結？
我們生活在一個無助的時代。因為早在最初的1億年裡行星便已經形成，現在行星都在有序地繞太陽轉動，而太陽也在穩定地燃燒，生命也在太陽旁的第3顆行星上繁衍生息。一切都很平靜。
但這份平靜並不是永遠的，在平靜的背後還隱藏著「危機」。
我們的太陽終有一天是會死亡的，當然這是在大約60億年之後；但是在那之前事情就會變得越來越棘手。目前穩定的太陽繫到時就會陷入混亂，即便是最小的不規則性也會隨著時間累積，最終改變行星的軌道。從現在到太陽死亡，計算發現出現災變的可能性大約是2％。火星有可能太靠近木星，進而被拋射出太陽系。如果我們「背」到極點的話，狂奔的水星也會和地球相撞。
與此同時，太陽也會慢慢地變亮。在20億年裡，太陽就有可能會殺死地球表面的所有生命。而另一方面，如果火星仍然處於現在的位置的話，就會出現宜人的氣候。即使現在的火星是死氣沉沉的，但到時候就會生機盎然。
然而這一切也不會永遠存在。當太陽的核心氫耗盡時，太陽的整體結構就會發生重大的變化，其體積會漸漸地膨脹到目前的100萬倍，成為一顆紅巨星。而按照最新的數值模擬，當太陽成為紅巨星時就會吞噬水星、金星，可能還有地球。
此時佔據整個天空的太陽會把火星變成煉獄，而土星和木星冰冷的衛星則會開始煥發出生機。由於已經具備了豐富的有機分子，因此土星的衛星土衛六特別有希望。在紅巨星的加熱下，曾經冰封的土衛六會浸浴在全球性的氨水海洋中，而這一海洋中的「機會分子」也許會形成生命。
屆時，任何漂浮在這些衛星表面的生物會看到和我們截然不同的天空：銀河系也許已經和近鄰的仙女星系發生了碰撞，正在形成「銀河仙女星系」；而由此觸發的大規模恆星形成過程又孕育了新一代的行星系統，並且照亮了天空。
如果在太陽系晚期還會出現生命的話，這些生命持續的時間都不會很長。在度過了短暫的紅巨星階段以後，太陽內部的核反應最終會停止，並拋射出其外部包層且收縮成一顆白矮星；而經歷了短暫溫暖期的土衛六會再一次被冰封，木星和土星等外太陽系天體會繼續圍繞已變成白矮星的太陽轉動幾百億年，直到由來自內部或者外部的某種因素打破這一「平衡」。
太陽系的未來並不確定
不過太陽系的未來還是不確定的，有一種微小的可能性是太陽系整個會被「甩」出銀河仙女星系。在空曠的星系際空間裡，行星可以免受「掠食者」的襲擊，它們會繼續繞著太陽轉動，但是它們的能量會被引力波漸漸地帶走。於是，行星會一個接一個地「掉」向中心已經變成黑矮星的太陽，並且以一陣劃破黑暗的閃光結束它們的一生。
（本文選自《世界科學》雜誌，獲得授權發表）
科壇春秋（2015上海十大科普微信公眾號）
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