高中地球科学/太阳系导论
- 描述太阳系的歷史觀點。
- 列出行星的名字，並描述它們繞太陽的運動。
- 解釋太陽系的形成過程。
人們並不總是了解我們太陽系中的所有天體。古希臘人知道五顆行星。他們不知道這些天體是什麼；他們只是注意到它們的移動方式與恆星不同。它們似乎在天空漫遊，改變它們相對於恆星背景的位置。事實上， “行星”這個詞來自希臘語，意思是 “漫遊者”。他們用神話中的神明來命名這些天體。我們現在使用的行星名稱是這些希臘名稱的羅馬等效名稱：水星、金星、火星、木星和土星。
古希臘人認為地球是宇宙的中心，如圖 25.1 所示。這種觀點被稱為宇宙的地心模型。地心意指 “以地球為中心”。地心模型還描述了天空或天體，它由一組彼此疊放的球體組成。天空中的每個天體都附著在其中一個球體上，並隨著球體旋轉而繞地球運動。從地球向外，這些球體包含了月球、水星、金星、太陽、火星、木星、土星和一個包含所有恆星的外球體。行星看起來比恆星運動得快得多，因此希臘人將它們放在地球附近。
如今，功能強大的望遠鏡實際上可以看到我們太陽系中行星的表面。儘管最近的恆星的直徑比地球大數百倍，但遙遠的恆星看起來像是無法分辨的小點。
地心模型對我們來說可能看起來很奇怪，但在當時，它非常有效。它解釋了為什麼所有恆星看起來每天繞地球旋轉一次。它還解釋了為什麼行星的運動方式不同於恆星，也彼此不同。地心模型的一個問題在公元 150 年左右由天文學家托勒密解決。有時，有些行星看起來會向後移動（逆行），而不是像往常一樣向前繞地球運動。托勒密通過使用一個圓形系統來描述行星的運動來解決這個問題（圖 25.2）。在托勒密的系統中，行星在一個叫做本輪的小圓圈上運動。這個圓圈又圍繞地球在一個叫做均輪的大圓圈上運動。托勒密版的地球中心模型非常有效，以至於它成為宇宙公認的模型長達一千多年。
托勒密的地心模型運作得很好，但它很複雜，而且偶爾在預測行星運動時會出現錯誤。在公元 16 世紀初，尼古拉·哥白尼提出了一個不同的模型，其中地球和其他所有行星都繞太陽運轉。由於這個模型將太陽放在中心，因此被稱為宇宙的日心模型。日心意指 “以太陽為中心”。圖 25.3 顯示了日心模型與地心模型的比較。哥白尼的模型解釋行星的運動與托勒密的模型一樣好，但它不需要像本輪和均輪那樣複雜的添加。
儘管哥白尼的模型比托勒密的模型更簡單，但它仍然不能完美地描述行星的運動。問題是，像托勒密一樣，哥白尼仍然認為行星在完美的圓圈上運動。在哥白尼之後不久，約翰內斯·開普勒完善了日心模型。他提出行星圍繞太陽的運動呈橢圓形（橢圓形），而不是圓形。這個模型完美地匹配了觀測結果。
由於人們習慣了將地球視為宇宙的中心，因此日心模型最初沒有得到廣泛認可。然而，當伽利略·伽利雷在 1610 年第一次將望遠鏡指向天空時，他做出了一些驚人的發現。他發現木星有衛星繞它運行。這是第一個證據表明天體可以繞地球以外的天體運行。他還發現金星有像我們月亮一樣的相位。金星的相位提供了直接證據證明金星繞太陽運行。伽利略的發現導致更多人接受宇宙的日心模型。從地球中心觀點轉變為太陽中心觀點的轉變被稱為哥白尼革命。
在天文學中，開普勒行星運動定律是三條描述行星繞太陽運動的科學定律。1. 行星的軌道是一個以太陽為兩個焦點之一的橢圓。2. 連接行星和太陽的線段在相等的時間間隔內掃過相等的面積。[1] 3. 行星軌道週期的平方與其軌道長半軸的立方成正比。
今天，我們知道我們的太陽系只是整個宇宙中一個微不足道的一部分。地球和太陽都不是宇宙的中心——事實上，宇宙沒有真正的中心。然而，日心模型確實準確地描述了我們的太陽系。在我們對太陽系的現代觀點中，太陽位於中心，行星在橢圓軌道上繞太陽運行。行星不發射自己的光，而是反射來自太陽的光。
從哥白尼、開普勒和伽利略時代以來，我們對太陽系的了解越來越多。我們發現了另外兩顆行星（天王星和海王星）、四顆矮行星（穀神星、妊神星、冥王星和鬩神星）、超過 150 顆衛星，以及許多小行星和其他小型天體。
圖 25.4 顯示了太陽和圍繞太陽運行的主要天體。有八顆行星。從太陽向外，它們是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。太陽只是一顆與其他恆星相比普通的恆星，但它是太陽系中最大的天體。太陽的質量是太陽系中其他所有天體總質量的 500 多倍！表 25.1 更準確地給出了太陽和行星相對於地球的尺寸數據。
| 天体 | 质量（相对于地球） | 直径（相对于地球） |
|---|---|---|
| 太阳 | 333,000 个地球质量 | 109.2 个地球直径 |
| 水星 | 地球质量的 0.06 倍 | 地球直径的 0.39 倍 |
| 金星 | 地球质量的 0.82 倍 | 地球直径的 0.95 倍 |
| 地球 | 1.00 地球质量 | 1.00 地球直径 |
| 火星 | 0.11 地球质量 | 0.53 地球直径 |
| 木星 | 317.8 地球质量 | 11.21 地球直径 |
| 土星 | 95.2 地球质量 | 9.41 地球直径 |
| 天王星 | 14.6 地球质量 | 3.98 地球直径 |
| 海王星 | 17.2 地球质量 | 3.81 地球直径 |
那么，行星到底是什么呢？简而言之，行星是一个围绕恒星运行的大型圆形天体。在我们的太阳系中，这个恒星就是太阳。卫星是指围绕行星运行的天体。
“冥王星不是行星吗？”你可能想知道。冥王星在 1930 年被发现时，被认为是第九颗行星。当我们第一次看到冥王星时，我们的望远镜实际上将冥王星及其卫星卡戎看作一个更大的天体。随着望远镜的改进，我们意识到冥王星有卫星，而且冥王星比我们想象的要小得多！随着像冥王星一样的天体的发现，以及其中一颗甚至比冥王星更大的天体厄里斯在 2006 年的发现，天文学家们对行星的定义进行了改进。根据新的定义，行星必须
- 围绕恒星运行
- 足够大，其自身的重力使其呈球形
- 足够小，本身不是一颗恒星
- 已清除其轨道区域的较小天体
满足前三个标准但不满足第四个标准的天体被称为矮行星。大多数天文学家现在认为冥王星是一颗矮行星，与谷神星和厄里斯一起。即使在天文学家决定改变行星定义之前，冥王星的许多方面也与我们太阳系中的其他行星不符。
图 25.4 显示了太阳和行星的正确相对大小。但是，相对距离是不正确的。图 25.5 显示了轨道的相对大小。左上角的图像显示了内行星的轨道。左上角的图像还显示了小行星带，一个位于火星和木星轨道之间的小天体集合。右上角的图像显示了外行星的轨道。这个右上角的图像还显示了柯伊伯带，另一个位于海王星轨道之外的天体群。一般来说，离太阳越远，从一个行星轨道到下一个行星轨道的距离就越大。
在图 25.5 中，你可以看到行星的轨道几乎是圆形的。事实上，轨道并不完全是圆形的，而是略微椭圆形的。冥王星的轨道是一个更长的椭圆。一些天文学家认为冥王星是被海王星拖入其当前轨道的。
开普勒发现的另一件事是行星绕太阳运行一周所用时间（这也称为“轨道周期”）与太阳到行星距离之间的关系。因此，如果已知行星的轨道周期，则可以确定行星绕太阳运行的距离。这就是我们测量我们太阳系中其他行星距离的方法。
太阳系中的距离通常以天文单位 (AU) 为单位。一个天文单位定义为地球到太阳的距离。1 AU 大约等于 1.5 亿公里，或 9300 万英里。表 25.2 显示了行星到太阳的距离（轨道平均半径）以 AU 为单位。该表还显示了每颗行星自转一周所需的时间（一天的长度）以及每颗行星完成绕太阳运行一周所需的时间（一年的长度）；特别是，请注意金星相对于地球的旋转速度有多慢。
| 行星 | 到太阳的平均距离 (AU) | 一天的长度（以地球日为单位） | 一年的长度（以地球年为单位） |
|---|---|---|---|
| 水星 | 0.39 AU | 56.84 天 | 0.24 年 |
| 金星 | 0.72 | 243.02 | 0.62 |
| 地球 | 1.00 | 1.00 | |
| 火星 | 1.52 | 1.03 | 1.88 |
| 木星 | 5.20 | 0.41 | 11.86 |
| 土星 | 9.54 | 0.43 | 29.46 |
| 海王星 | 30.06 | 0.67 | 164.8 |
行星受重力作用而保持在它们的轨道上。想象一下用绳子在圆周运动中挥动一个球。如果你放开绳子，球会沿着直线飞出去。但是，绳子拉球的力使球保持圆周运动。行星的运动非常相似，只是拉动行星的力是行星和太阳之间引力的吸引力。
每个物体都受到其他每个物体的引力吸引。两个物体之间的引力大小取决于物体质量的大小以及它们之间的距离。当你坐在朋友旁边时，你和你朋友之间存在引力，但它太弱了，你无法察觉。为了使引力足够强，至少其中一个物体必须有很大的质量。你可以感觉到你和地球之间的引力，因为地球有很大的质量。这种引力使你不会从地面漂浮起来。从太阳到行星的距离非常大。但是，太阳和每颗行星之间的引力非常大，因为太阳和行星都是非常大的天体。引力也使卫星保持在行星周围的轨道上。
月球围绕地球运行，地球-月球系统围绕太阳运行。但是地球和月球并不是唯一围绕太阳运行的天体。还有其他行星和更小的天体，例如小行星、流星体和彗星，它们也围绕太阳运行。太阳系由太阳和所有因重力而绕太阳运行的天体组成。
自 1990 年代初以来，天文学家发现了其他星系，其中行星围绕着除我们自己的太阳之外的恒星运行（被称为“太阳系外行星”或简称为“系外行星”）。尽管现在已经直接成像了一些系外行星，但绝大多数系外行星都是通过间接方法发现的。一种技术涉及检测恒星沿我们的视线周期性地朝我们移动和远离我们的非常轻微的运动（也称为恒星的“径向速度”）。这种周期性运动可以归因于围绕恒星运行的行星（或有时是另一颗恒星）的引力拉力。另一种技术涉及测量恒星的亮度随时间的变化。当一颗行星穿过它所围绕的恒星前方（或“凌星”）时，会发生恒星发出的光的短暂、周期性减少，从而暂时遮挡了一些星光。截至 2010 年 2 月，已确认了超过 420 颗系外行星，而且以越来越快的速度不断发现新的系外行星。
我们还没有提到太阳系的两个关键特征。首先，所有行星几乎都位于同一个平面上，或像扁平圆盘一样的区域。其次，所有行星都以相同的方向绕太阳运行。这两个特征是太阳系形成方式的线索。
关于太阳系形成的最被广泛接受的解释被称为星云假说。根据该假说，太阳系是在大约 46 亿年前从一个巨大的气体和尘埃云——星云——的坍缩中形成的。星云主要由氢和氦构成，但也有一些较重的元素。
星云在重力的作用下聚集在一起。随着星云的坍缩，它开始旋转。随着星云的进一步坍缩，旋转速度加快，就像花样滑冰运动员在旋转时将手臂拉到身体两侧时旋转速度会加快一样。这种效应被称为“角动量守恒”，以及重力、压力和辐射的复杂效应，导致星云形成圆盘形状，如图 25.6 所示。这就是所有行星都位于同一个平面上的原因。
随着重力将物质拉入圆盘的中心，中心处的密度和压力增加。当中心处的压力足够高，以至于在中心开始发生核聚变反应时，一颗恒星诞生了——太阳。
同时，圆盘的外部分正在冷却。圆盘中的小尘埃颗粒开始聚集在一起。这些团块相互碰撞并与其他团块合并。较大的团块被称为星子，它们用自己的重力吸引较小的团块。最终，星子形成了我们今天在太阳系中发现的行星和卫星。
外行星——木星、土星、天王星和海王星——是在远离太阳的地方，由氢、氦、水、氨和甲烷等较轻的物质凝结而成的。在木星及其以外的地方，那里非常寒冷，这些物质可以形成固体颗粒。但在靠近太阳的地方，这些相同的物质是气体。因此，内行星——水星、金星、地球和火星——是由致密的岩石形成的，即使靠近太阳，这些岩石也是固体。
- 太阳系由太阳及其所有受太阳引力束缚的天体组成。
- 太阳系中有八颗行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。谷神星、妊神星、冥王星和阋神星被认为是矮行星。
- 古希腊人相信地心宇宙模型，以地球为中心，其他一切天体围绕地球运行。
- 哥白尼、开普勒和伽利略推广了日心宇宙模型，以太阳为中心，地球和其他行星围绕太阳运行。
- 行星受引力作用，以椭圆轨道围绕太阳运行。
- 星云假说描述了太阳系大约在 46 亿年前是如何从一个巨大的气体和尘埃云中形成的。
- 星云假说解释了为什么所有行星都位于同一个平面上，并以相同的方向围绕太阳运行。
- “地心”是什么意思？
- 描述地心宇宙模型和日心宇宙模型。
- 开普勒的日心模型与哥白尼的日心模型有何不同？
- 按离太阳由近到远的顺序，列出八颗行星的名称。
- 以前被认为是行星，但现在被认为是矮行星的物体是什么？
- 是什么让行星和卫星保持在轨道上？
- 太阳系有多大？
- 用星云假说解释为什么所有行星都以相同的方向围绕太阳运行。
- 地心模型
- 古希腊人使用的模型，将地球置于宇宙的中心。
- 日心模型
- 哥白尼提出的模型，将太阳置于宇宙的中心。
- 卫星
- 围绕一个更大天体运行的天体。
- 星云
- 星际气体和尘埃云。
- 星云假说
- 假说认为我们的太阳系是从一个旋转的气体和尘埃云，也就是星云中发展而来的。
- 行星
- 围绕恒星运行的圆形天体，它已经清除其轨道上的较小物体。
- 太阳系
- 太阳及其所有由于引力而绕太阳运行的天体。
- 您是否认为太阳系中的所有行星都是由相似的材料构成的？为什么或为什么不？
- 行星通常分为两组：内行星和外行星。您认为这两组中分别有哪些行星？每组的成员有什么共同点？