太阳系天体

在哥白尼时代以及以后的几个世纪中，太阳系曾经是天文学研究的主要领域。从20世纪开始，由于地面观测所能获取的资料日益贫乏等原因，天文学家把注意力转向更遥远的恒星世界以及银河系以外。20世纪50年代以前，最重大的成就是发现第九大行星——冥王星。此外，还发现了9个天然卫星，它们是木卫六到木卫十二、天卫五和海卫二，以及为数众多的小行星。近30多年来，太阳系空间探测的极重要的科学成果、新发现纷至沓来，使得人类关于太阳系的旧观念迅速更新，太阳系探索已成为最活跃和最前沿的天文学科之一。载人的月球飞行和不载人的行星际探测，致使自古以来的地面观察变成了到天体上实地考察和踏勘以及就近巡视和测量。在信息的质的方面获得经典研究不可能取得的数据，在信息的量的方面超过人类几千年来所积累的资料总合。

1. 月球

月球是离我们最近的天体，但关于它的物理本原了解却很少，直至20世纪20年代，采用了天体物理方法以来，情况才有所改观。

1922～1927 年间，法国天文学家利奥用偏振方法研究月球表面的反射特性，推测月球表面覆盖着一层类似火山灰的尘土。1927年美国天文学家佩蒂特和尼柯尔孙用测辐射热计测量了月球表面的温度。20世纪50年代末，太阳系天体的空间探测的第一个天体就是月球。1959年，苏联发射第一颗月球探测器，拍摄了月球背面照片，使人类首次见到月球背面的图象景观。1959～1976年，苏联发射了“月球号”探测器24个。其中1～3号，飞向月球，实现硬着陆；4～14号，试验软着陆技术，绕月飞行，考察近月空间；15～24号，发展月球自动科学站，自动挖取岩石样品并返回地球，实现月球车的软着陆。美国于1961～1965年，发射了“徘徊者”系列7个；1966～1967年，“月球轨道环行器”系列5个；1966～1968年，“月球勘测者”系列7个，1994年又发射了“克莱门蒂娜”环月飞行器。这些探测器实现了飞临月面就近拍摄月球表面，研究近月空间和月球表面结构，发展月面软着陆技术，研究月球土壤的化学性质。1965～1972年，进行了探月的“阿波罗”计划。其中6次，共12人实现了人登月的梦想。如今，对于月球表面的物理、地理、地质等方面有了直接考察的了解，对于月球的壳、幔、核等内部分层结构，也由于在月面设置的月震波探仪仪器的运作，取得前所未有的认识。

2. 内太阳系天体

在小行星带以内的天区，称为内太阳系，其中的大行星，除地球外，有水星、金星和火星。美国1962～1973年共发射10个“水手”号行星际探测器。其中3个飞向金星，6个飞向火星，1个探测金星和水星；1975年发射探测并软着陆的火星探测器“海盗”1号和“海盗”2号；1978年发射探测金星的“先锋—金星”1号和2号。1989年，发射了绘制金星表面图的“麦哲仑”号。1992年，发射了研究火星的“观测者”号。美国和德国于1974～1976年发射2个“太阳神”探测器，他们除了进入环日轨道，考察太阳外，还研究太阳～行星关系、太阳风、行星际磁场、微流星体。苏联于1961～1983年共发射了探测金星和金星附近空间的“金星”号共16个；1962～1978年考察火星的“火星”号7个；1964～1970年考察月地空间、行星际空间和火星附近空间的“探测器”号8个；1985年发射了探测金星的“织女星”1号和2号。

3. 水星

3个多世纪的地面望远镜观测并未使人们对这颗行星有多少了解，即使是它的自转周期（58.6天）也是直到1965年用了雷达才精确地测定。然而，自从1974年3月末“水手”10号宇宙飞船飞掠水星以来，人们对于这颗行星的了解大大增加了。现在我们知道，水星的外貌像一个大型的月球——布满了环形山，没有大气，但是却有与地球类似的铁镍内核，还有比金星和火星更强的磁场。

4. 金星

由于金星覆盖着浓厚的云层，3个多世纪地面望远镜的观测并未获得金星的很多有价值的科学信息。1962年，射电天文学家用地面雷达探测金星表面结构，第一次证实金星确系逆向自转，并测出自转周期为243个地球日，比公转一周的224.7个地球日还长。关于金星的大气成分，早在1932年，美国天文学家亚当斯和小邓纳姆已从光谱中探测到二氧化碳吸收线。金星和行星际探测器进一步确认二氧化碳为金星大气的主要成分，占总含量的96%。金星表面的平均温度达730K，是一个名副其实的地狱。1989年5月4日由航天飞机送上太空的“麦哲仑”号金星探测器，于同年8月10日飞临金星，进入环绕金星的轨道，它的使命是绘制金星地形地貌图，其探测系统称为VOUR，是金星轨道成像雷达的缩称，通过分析雷达回波的强度、偏振度、时滞、多普勒频移，绘制分辨率达250米的图象。到1992年9月已完成测绘99%表面图的任务。“麦哲仑”的环金巡视发现了前所未知的金星环形山不下4000个。

5. 火星

除地球外，在太阳系各大行星中，火星大概是人类最关心，也是研究得最多的一个。17到19世纪的许多学者都相信，火星的气候对生命是很适宜的，甚至有智慧生物在这个行星上居住。尤其是1877年，意大利天文学家斯基亚帕雷利宣布发现“运河”以后，有不少天文学家投入火星的观测和研究。1894年美国天文学家洛厄尔还在亚利桑那州专门兴建了一座天文台，全力观测火星。在洛厄尔的倡导下，讨论“火星人”和“火星文明”成为一时的风尚。20世纪20到30年代。美国天文学家亚当斯和小邓纳姆通过反复的观测，证明了火星大气中的氧和水蒸气顶多只有地球上的千分之几，从而使火星上存在高级生物的说法受到严重的冲击。其实，在这之前，一些天文学家已经指出，火星“运河”可能是火星表面上的暗斑的随机排列，那些观测报告实质上只是一种光学错觉。20世纪50年代，苏联有一位天文学家分析研究了火星表面一些区域的光谱，认为火星上有耐寒植物，并建立了一门“火星植物学”。1975年8月和9月，美国“海盗”1号和“海盗”2 号宇宙飞船相继上天，经过一年的飞行，飞临火星，对它进行就近考察。1976年7月，“海盗”1号的着陆舱在预定的地点软着陆，用质谱仪分析了大气成分，气体色层分析仪测定了土壤的有机物含量，新陈代谢活动探测器作了代谢机能、气体交换和光合作用三项生物化学实验。实验结果表明，着陆点附近没有生命存在的痕迹。同年9月，“海盗”2号着陆舱在另一地带着陆，也同样没有探测到任何形式的生命。美国于1996年发射了火星探测器“环球勘测者”和“火星探路者”，它们都将于1997年秋飞临火星。前者将环绕火星飞行，勘测地形地貌；后者将在火星表面软着陆，就地探测火星早期生命之谜。

6. 小行星和小行星带

到19世纪末，已发现的小行星不足500个。到1997年初，发现并已编号的小行星超过7600个。20世纪还陆续发现了一批轨道特殊的小行星族，例如，阿波罗群、特洛伊群。迄今已有5艘行星际宇宙飞船穿越小行星带，进入外太阳系空间。1996年，首次发射了专门巡察近地小行星的探测器“NEAR”。

7. 外太阳系天体

在小行星带以外的天区，称为外太阳系，其中的大行星，已发现的共有木星、土星、天王星、海王星和冥王星。美国于1972年发射了探测木星和火星的“先锋”10号和考察木星和土星的“先锋”11号。于1977年发射了巡视木星和土星的“旅行者”1号和普查外太阳系空间的“旅行者”2号。这是人类第一次实现对外太阳系的就近探测，其中“旅行者”2号已于1989年完成巡视4个类木行星——木星、土星、天王星和海王星——的行星际大旅行。

8. 木星

木星在近代天文史上曾经占有一席特殊的位置。1610年，伽利略把他新制作的望远镜对准木星时，吃惊地发现了木星4个（最大的）卫星，这就为地球以外的行星也可能有卫星提供了第一个证据，从而彻底地推翻了各种非哥白尼天体力学的理论。

自从伽利略时代以来，天文学家们通过可见光、红外线和射电波对木星进行了仔细的研究。20世纪40年代以来，天文学家发现木星有射电辐射，第一次推测到木星上存在磁场，还有辐射带。20世纪70年代，美国航空与航天局发射了4艘探测木星及其他外行星的宇宙飞船。探测到木星规模宏大的磁层，研究了木星的大气，送回有关木星的磁场、辐射带、重力、温度、大气结构以及4颗大卫星的信息。探测了木星和4个伽利略卫星以及木卫五，拍摄了数以千计的彩色照片，特别是出乎意外地发现了木星的光环；这是继1977年春发现天王星光环后，查明的第3个带环的太阳系行星。此外，还发现了木星的3个新卫星。到1983年，已正式命名的木卫共16个。1989年由航天飞机将“伽利略”木星探测器携带上天。这个行星际飞船不是以前考察的重复，而是在更高层次上的新探测。它不仅飞掠木星，而且环绕木星飞行。“伽利略”于1995年底在到达木星附近空间后，其一部分成为木星轨道探测器，在木星的云层之上，对木星和它的几个木卫进行为期2年半的考察。“伽利略”的另一部分则成为木星着陆器，第一次实现穿透不见天日的木星大气，下降并着陆。

9. 土星

土星是空间时代来临之前，已知唯一一个带有光环的大行星。地面观测发现的土卫共10个，其中土卫六是已知唯一一个拥有大气的卫星，其大气质量比火星上大500倍，比地球上大10倍。外太阳系空间探测器发现的新天象计有：土星有磁场，其强度比木星的弱，约为木星场强的1/10。土星的磁层延伸到125万公里之遥。土星也有辐射带，区域比地球的大10倍。新发现了两条光环，证明土星光环由密度很小的物质组成，大部分是冰。土星所发散的热量是从太阳处吸收的热量的2.5倍，认为这是内核的液态氢沉入氦中而放的热。又发现了8个新土卫，使土卫的总数达到18个。

10. 天王星

1977年3月10日，按预报天王星将掩食一颗恒星，但是届时并不见掩，而是擦边而过。有幸的是，美国、中国和印度的观测资料，都出乎意料地表明，天王星虽未掩食那颗恒星，但它却被前所未知的光环所掩，从而发现了天王星也有光环。同年12月，又发生一次天王星光环掩星现象。根据这两次实测，计算出光环是由稀疏不等的碎石块组成，至少包含了9个同心环。行星际飞船“旅行”者2号于1986年飞掠天王星，进入天王星磁层，顺次飞临天卫三、天卫一、天卫五和天卫二，穿过光环平面，飞离天王星。在此会合期间，发现了10个新的天卫。查明天王星至少有11道同心光环。发现天王星磁轴与自转轴的夹角为55度，以及与木星和土星类似的磁层和辐射带。测量了天王星大气温度轮廓、压力随温度的变化、赤道到极点的温度分布。探测了电离层的射电。自转周期的新测定值是16.8±0.3小时。揭示天王星本体半径的1/2是大气、1/4是海洋。

11. 海王星

大行星的自转周期是一项基本天文量，然而，由于类木行星的可见表面是云层，而非固态结构，其日长的测定并非易事。1984年，美国设在智利的2.5米口径光学望远镜在近红外波段，测出海王星的日长是17小时50分，改进了过去的采用值。1987年，用射电方法测量了海王星磁场，其强度是木星场强的1/10。1989年，“旅行者”2号飞临海王星。确认海王星具有一厚层甲烷大气。发现有类似木星大红斑的海王星大暗斑。测出海王星的磁轴与自转轴的倾角为50度。发现海卫一上空有火山云，从而证明海卫一是太阳系中继地球和木卫一之外，第三个有火山活动的天体。发现了6个新的海卫，使海卫族总数增至8个。探测出前所未知的5个新同心光环，并指出以前地面观测发现的海王星弧环全部都是整环。

12. 冥王星

冥王星是太阳系中最后发现的行星。20世纪初，美国天文学家皮克林和洛厄尔根据天王星和海王星运动的摄动分析，预言海王星以外还存在一颗行星。美国天文学家哈马孙于1919年进行照相搜索，无所发现。1929年，洛厄尔天文台又制造了一架望远镜，专门用来寻找这颗未知的行星。1930年2月，汤博在大约同预言位置相差5o的天区发现了这颗行星。可是现在看来，冥王星的质量太小，不足以产生当初导致预言它存在的对天王星和海王星的摄动。换句话说，计算导致了冥王星的发现，但计算本身是错误的。

自从冥王星发现以来半个世纪，关于它的情况我们知道得很少，甚至连它的大小、密度和质量也不能确切知道。1978年夏天，发现了冥王星的卫星（冥卫一）。根据冥王星和冥卫一的运动，计算了冥王星的大小，它原来比水星还小。通过1984年末开始的冥王星和冥卫一的食和掩，以及1988年6月9日冥王星掩恒星的观测，测出冥王星的半径是1142士9千米，冥卫一的半径是596±17千米。还测出它们的平均密度，精度比以前的测量高5倍。此外，还发现，冥王星表面以上3200千米的高空仍有大气，其中有甲烷。表面压力为10毫巴。过去一直认为冥王星完全没有大气。

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