初识宇宙世界（四）太阳系的结构与起源
太阳系是一个以太阳为中心天体的天体系统。说太阳是太阳系的中心天体，是因为太阳系的一切成员都在环绕太阳公转。太阳之所以会成为太阳系的中心天体，是因为它的质量占到了太阳系总质量的99.9％，具有足够大的引力，使太阳系的一切天体都环绕它运行。太阳是太阳系中唯一的一颗恒星。除了太阳外，太阳系的其他主要成员是行星和卫星。
人类对太阳系的认识过程
在古代，由于人类对天体的了解很少，因而他们便用神话来弥补这些空白。当时人类对“天”和“地”的认识的核心思想，就是“地心说”和“地球静止说”。古埃及人认为，天空是女神纳特（Nut）的化身，她弯着她那缀满群星的身子，俯临于地球之上。在她的身上，有一条河在流动，太阳神拉（Ra）每天在河上从东向西走去，日落时降入冥府。古印度人认为，地球是由位于四只大象背上的四根柱子支撑着，而大象又是站在一个大龟的背上。围绕着这一切的是一条大蛇，太阳、月亮和星辰都附着在蛇皮上。在古代中国，有三种天地结构学说。一是盖天说，认为天像一个硕大的斗笠，扣在像一个盘子的地上，日月星辰附着在斗笠上旋转，转近了就看得见，转远了就在人的视野中消失了。二是浑天说，认为天像一个蛋壳，地像蛋中的蛋黄，浮在水上或被气托着，位于天球的中央，天体都随蛋壳式的天球运转，太阳转到地上就是白天，转到地下就是黑夜。三是宣夜说，认为天体都自然漂浮在虚空中。
公元前600年以来，希腊科学开始繁荣起来，其中最重要的内容之一就是天文学。古希腊人试图借助于模型来表示他们的看法，最先企图建立一个内在一致的天体运动模型的希腊思想家是毕达哥拉斯。他正确地推论出地球、月亮和其他天体是球形的，并提出天体是缀在围绕静止不动的地球周围的一些更大的同心球上的，天体运动就是这些球体各自独立地旋转的结果。这些圆球的运动，形成了天空的和谐，称作“圆球的音乐”，这种音乐只能为那些有才能的人听到。后来的古希腊天文学家观察到，天空中有五颗最亮的星，像月亮和太阳一样改变着它们的位置。他们称之为行星（原意为“游荡者”），并给这五颗行星起名为水星、金星、火星、木星和土星。为了说明行星的运动，经过几代人的努力，最后托勒密建立了一个以地球为中心的宇宙模型，用它可以极精确地说明所有观测到的天体运动，并能预言太阳、月亮或任何一颗行星未来某个日期的位置，从而也使他成为最后一位伟大的地心理论家。托勒密的模型不仅赢得了一般认识和科学见解的拥护，而且与很快被人们所接受的人类在宇宙中的地位的见解相协调。随着基督教的成长，对于灵魂的关心占据主要地位，地球被看做是上帝与魔鬼争夺人类灵魂的舞台。把地球当做物质及精神的中心似乎是恰当的。l3世纪，圣托玛斯（st.ThomasAquinas）把托勒密模型纳入他的思想体系，而圣托玛斯的哲学不久即被作为罗马天主教的正式教旨。这样一来，地心说在古代欧洲十分盛行，统治时期长达千年之久，而日心说就成了异端邪说。
托勒密体系提出仅300年之后，即为日心模型所代替。推翻托勒密古老体系，是曾经影响西方世界思想的巨大变革的一个结果。在哲学、艺术和科学中，许多长期以来确立的思想，由于这个改革而发生极大的动摇。这次发生于15一17世纪的巨大变革，被后人称为文艺复兴。敢于与官方教条持对抗见解的，是15世纪的红衣主教库萨的尼古拉（Nicolasof Cusa）。他认为地球是运动的，但是从未公开发表过这些观点。获得普遍承认的日心体系的第一个模型是由波兰医生兼业余天文学家哥白尼在其《天体运行论》一书中提出的。但由于害怕被批评，直到临终他才出版此书，并在序言中声明日心模型只不过是计算行星将来位置的一个方便的方法，不应该把它看做真正的事实。尽管如此，该模型不久即被证明是知识界的一颗炸弹，那些很快认识到该模型简单明了、说理性强的数学家尤其感到震惊。之后，部分天文学家对哥白尼体系进行了研究和改进，其中以丹麦天文学家第谷（TychoBrahe）的工作最为突出。以他留下的大量行星运动数据为基础，数学家开普勒画出了椭圆形的火星轨道，并证明太阳位于椭圆的一个焦点之上，进而发表了他的研究结果：行星运动三定律。1609年，意大利数学和物理学家伽利略（GalileoGalilei）制成他的第一架望远镜，使日心体系有了有力的证据，并使天文学进入了望远镜时代。基于对天体的观测，伽利略先后写出了《星际使者》和《关于两大世界体系的对话》两本著作。这两本著作，尤其是后者，使他遭受了宗教裁判所的酷刑和审判，但对普及哥白尼和开普勒提出的太阳系模型起到了巨大作用。
太阳系的组成部分
太阳是一个多成分的天体系统，有恒星、行星、矮行星、卫星、小行星、彗星、流星，以及行星际气体和尘埃物质。
太阳系是一个以太阳为中心天体的天体系统。说太阳是太阳系的中心天体，是因为太阳系的一切成员都在环绕太阳公转。太阳之所以会成为太阳系的中心天体，是因为它的质量占到了太阳系总质量的99.9％，具有足够大的引力，使太阳系的一切天体都环绕它运行。太阳是太阳系中唯一的一颗恒星。除了太阳外，太阳系的其他主要成员是行星和卫星。
行星 是环绕恒星运转的天体，而卫星是环绕行星运转的天体。环绕太阳运转的行星有8颗，即通常所称谓的“八大行星”，自太阳向外依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星，它们是太阳系的主要成员。太阳系的空间直径为1.2×1010km，在银河系中属于中等。八大行星均近似地在一个平面上沿固定的轨道环绕太阳运转。八大行星的体积和质量差异很大，最大的木星的直径达143000km，质量达1.9×1027kg，而最小的水星的直径仅有4878km，质量仅有3.3×1023kg，前者分别是后者的29.3倍和5780倍。
小行星 是沿着固定轨道绕太阳运转的小天体。由于它们绕着太阳公转，故属于行星类天体，而体积又远小于八大行星，故称为小行星。太阳的小行星大多位于火星和木星的轨道之间，形成了一个环状的小行星带。小行星的数量巨大，有70万颗以上。目前已经掌握运行轨道并被编号命名的小行星已有10万余颗，其中有1000余颗是我国天文学家发现的。小行星的体积很小，最大的直径也仅相当于月球直径的1/5，其余的一般在50～70km以下，小的仅有200m。
卫星 是沿着固定轨道绕行星运转的天体。在八大行星中，除了水星和金星之外，其余的6颗行星均有自己的卫星。拥有卫星最多的行星是木星，有61颗卫星绕其而行。土星也有31颗卫星。月球是地球唯一的一颗卫星。（注：由于观测技术的提高，不断有新的卫星被发现，所以不同时期的资料会有数据上的差异。最新数据请参阅网络资料和相关书籍。）
彗星 是绕太阳运转或行经太阳附近的云雾状天体。彗星大多由冰物质组成，质量约1015kg的数量级。平时彗星只有一个彗核，是不可见的。当彗星接近太阳时，在太阳引力的作用下，分为彗头和彗尾两部分，彗头又分为彗核、彗发和彗晕。彗核由冻结的气体和尘埃所组成，几乎集中了彗星的全部物质。彗发是彗核周围的弥漫气体，彗晕则是彗发外围的巨大的氢气层。彗尾是彗星漫长的蒸气状尾部，出现在彗头的背日方向，形如扫帚，因而彗星又称为“扫帚星”。彗星在距太阳3个天文单位时，在望远镜中呈一模糊光点，不足2天文单位时开始有彗尾，彗尾达到最长时约102km，但密度仅有10-18大气压。彗尾有离子彗尾和尘粒彗尾两类。前者平直，由失去一个电子的一氧化碳组成，呈蓝色；后者弯曲，由直径约10-4cm的尘粒组成，呈黄色。彗星的运行轨道有椭圆、抛物线、双曲线之别，其中将椭圆轨道的彗星称为周期彗星，将公转周期短于200年的称为短周期彗星。彗星的质量因彗发和彗尾的形成而逐渐消耗，其寿命平均为几千个公转周期。最著名的彗星是哈雷彗星。1682年11月22日晚，这颗特大的彗星像一把倒挂的大扫帚，突然出现在伦敦的夜空，引起了人们的极大恐慌。1750年英国天文学家哈雷（EdmondHalley）在研究这颗彗星1682年的轨道时，发现它的轨道与1531年和1607年的两颗彗星的轨道惊人地相似，从而推论它们是同一颗彗星，它的出现周期为76年，并预言它的下次出现时间为1758年。1758年圣诞夜，人们找到了这颗彗星。1759年春，它通过了自己的近日点。对这颗星的计算和预言的成功，是天文学史上的一个惊人的成就。为了纪念哈雷的这一功绩，人们把这颗彗星命名为哈雷彗星。除去一次例外，间隔75～76年的哈雷彗星重返，自公元前240年以来，一直是有记录的。1910年哈雷彗星出现时，太阳、哈雷彗星、地球依次位于一条直线上，因而天文学家预测它的彗尾将扫过地球。这又一次引起了许多人的极大恐慌，认为世界末日即将来临。然而，彗尾的物质极其稀薄，密度仅为地球表面大气密度的十亿亿分之一，虽然地球从它的尾部穿过，但是地球没有受到任何影响。哈雷彗星最近一次光临地球上空是在1986年。
太阳系的起源
第一个“科学的”太阳系起源的理论是由法国哲学家和数学家笛卡儿（ReneDescartes）于1644年提出的，他使太阳系的形成由神学问题变为科学问题。他认为太阳系是由天空中某个质量很大的不断旋转的气体在尘埃圆盘中形成的，物质聚集在这个巨大的旋涡的边缘，从而形成了太阳、行星和较小的天体。在以后的300年里，由于当时观测数据非常稀少，而出现了大量的解释太阳系起源的理论。这些理论大致可分为偶遇假说、后继形成假说和星云假说三类。
1.偶遇假说
偶遇假说认为，从太阳附近经过的一颗巨大天体从太阳拉出一条物质，随即形成了行星，从而形成了太阳系。1975年布封（GeorgelouiseLeclercdeBuffon）提出了太阳系形成的第二种理论，认为有一个质量巨大的彗星飞近太阳并同太阳相撞，击溅出来的物质后来凝聚成行星及卫星，从而形成了太阳系。按照这种思路，金斯（Jeans）和捷弗里斯（Jef-ferys）先后于1916年和1929年提出，一颗从太阳附近经过的恒星，从太阳上拉出一条形如雪茄烟但两端较尖的长而细的长条物质，这个长条物质部分返回太阳，部分分裂成几段，逐渐凝聚成行星，在中间形成的行星最大，两端的则较小，它们并进入围绕太阳的轨道不断运动
偶遇假说存在两个问题，因而引来反对意见。第一，恒星在宇宙空间中分布的密度很低，两个相遇遥远的恒星偶然相距并引起解体的可能性几乎是零。太阳邻域中的恒星之间的距离关系，类似于相隔650km远的一些乒乓球，其中两个发生碰撞的机会是极小的。而且银河系中约1％～10％的恒星都有行星，把数目如此众多的行星都解释为恒星偶然相遇而形成的，实在难以令人相信。第二，太阳物质密度较小，来自于太阳内部的气体由于散热，几乎会立即膨胀和消散掉或重新落入太阳，所以不会凝聚成行星。因而，这种理论目前已很少有人拥护。
2.后继形成假说
后继形成假说认为，太阳首先形成，而后俘获一团星际空间中的星际物质，这团物质后来形成行星，从而形成了太阳系。虽然恒星确有可能俘获星际物质，但是这些物质不可能在后来凝聚并形成与太阳自转同向、在同一个平面内绕太阳运行的行星，难以相信行星和卫星一下子突然形成，并且这类理论无法解释为什么太阳的自转速度如此之小。因此，这类理论虽然过去曾有不少人拥护，但现在遭到摒弃。
3.星云假说
星云假说认为太阳和行星是由星际物质同时形成的，故而又称为同时形成理论。该假说最早由康德于1755年提出。他认为，最初曾有一团巨大的由冷气体构成的圆盘状星云缓慢地绕中心轴自转，这团致密的尘埃和气体凝团在正在收缩的太阳星云中生成。这团气体云以不同的部分为核心，相互吸引和积累而长大，位于外部的形成行星和卫星，位于中部的则凝聚形成了太阳。
1796年，拉普拉斯（PieneSimondeLaplace）提出了一个改进的方案。他认为，围绕中心轴自转的星云在其各部分相互引力作用下不断收缩的同时，其转速也越来越快，最后自转速度增长使该云团的外层摆脱了引力的束缚，结果从主体抛出了一系列的环。随着收缩过程的进行，连续的环在距中心较近的距离上断开，终于形成了行星和卫星。
星云说自康德提出以后，经受住了时间的考验，200多年间未受到挑战，成为关于太阳系起源所有理论中最著名的一个。尽管后来有许多人对该理论的某些前提提出修正，但它仍是现代模型的基础，现代提出的关于太阳系起源的假说大都属于星云说。
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