太陽系的生與死

太陽系是人類的故鄉，但它卻有太多謎團讓我們困惑。

從太陽系的誕生到滅亡，從太陽、行星到彗星，每個謎團都和我們息息相關，令我們對太陽系充滿了一探究竟的衝動。

大約46億年前，在銀河系一塊並不顯眼的位置上，醞釀著一起大事件，瀰漫在那裡的氫氣、氦氣以及少量的固體塵埃開始凝聚。

由於無法抵抗自身的引力，這一新形成的星雲坍縮了。

在高溫的混沌之中，誕生了一顆恆星，這就是我們的太陽。

我們至今仍無法確切地知道，是什麼觸發了這一過程，或許這一切源自鄰近一顆恆星在臨死前的大爆發中傳來的衝擊波。

但無論如何，這並非是一件稀罕的事情。

自銀河系大約在130億年前誕生以來，此類事情已發生過無數次，而且至今還一再發生。

作為一顆恆星，太陽實在是太普通不過了。

然而，據我們目前所知，這又是宇宙中獨一無二的大事件。

在隨後的日子裡，從圍繞太陽的塵埃盤裡，誕生了八顆行星；其中的一顆——地球，因得天時地利的優勢，生命在它上面得以湧現；又經過數十億年，其上進化出智慧生命。

得益於造化的鬼斧神工，今天我們可以悠然站在這裡發問——

謎一：太陽系是如何形成的？

初看太陽系的這些行星，它們的個頭和條件是如此迥異，以至於你會認為它們是依次被太陽「收養」下來的，之間並沒有「血緣」關係。

但事實上並非如此。

太陽系形成的歷史告訴我們，它們是有著「血緣」關係的親兄弟，都源自同一個母腹——坍縮形成太陽的同一團星雲。

它們之間的關係是如此密切，以至於今天你要是移走一個，或者添加一個，整個太陽系的面貌就要完全改觀。

那麼，如此精巧的結構是怎麼形成的呢？

當太陽形成的時候，它用盡了近99.8%的星雲物質。

根據目前普遍接受的理論，剩餘物圍繞太陽形成了一個薄薄的塵埃盤，仿佛它的一條腰帶。

當塵埃繞太陽轉的時候，通過碰撞漸聚漸大。

在盤的最內側，太陽的輻射使那裡的溫度變得異常高，只有金屬和矽酸鹽礦物這樣一些高熔點的材料才能以固體的形式存在。

這就限制了那些地方的天體所能達到的最大尺寸，於是在內太陽系，產生了4顆相對較小的岩石態行星：水星、金星、地球和火星。

而對於處在太陽系外層的行星，卻沒有那麼嚴格的限制。

在那裡，甲烷和水都能以固態的形式存在，所以那裡的行星個頭可以變得很大，形成像木星和土星這樣的氣態巨行星；在更冷的環境下，還形成了冰質的巨行星——天王星和海王星。

不論氣態巨行星還是冰質巨行星，它們都擁有一個岩石質的內核。

到目前為止，一切都進展順利。

但當涉及某些具體的細節時，問題就來了。

首先，沒有人確切地知道尺寸在幾米量級的大石頭是如何熔合，形成量級以10千米計的行星的。

按理說，這些大石頭應該會不停地與周圍氣體發生摩擦，失去動能，在熔合成一個更大的天體之前，將一個個栽進太陽里去。

最近一個新理論看來有望解決這一難題。

它認為，由於氣體的擾動形成了低氣壓的渦流，這些大石頭聚集在渦流中，在碰撞中熔合，於是形成了更大的天體。

同樣的問題也困擾著氣態巨行星的形成，它們的固態核必定也是在有氣體存在的情況下熔合而成的，這些氣體後來被吸積，變作了它們的「外套」。

太陽系在形成之後，還曾經歷過一段動盪不安的時期。

在別的行星系統中，人們觀察到一個被稱為「熱木星」的現象：一些行星個頭猶如木星般大小，但到它們的「太陽」的距離卻只有日地距離那麼短。

目前科學家還不清楚，在太陽系的早期，木星或者土星是否曾一度處在更靠近太陽的位置，後來才遷移出來。

若是確有其事，那麼內太陽系必定發生過一場大的動盪。

根據一項理論，在太陽誕生後幾億年，外太陽系（太陽系中，小行星帶以外的區域叫外太陽系；小行星帶介於火星和木星之間）經歷過一次重組和擴張。

在這一過程中，由於木星和土星在軌道上的某次巧合（那種狀態下，它們對某個天體的合力最強），於是在強大的引力的推動下，天王星和海王星移到了它們今天所在的遙遠位置上。

途中散布的一些小天體墜進了木星，甚至有一些因墜毀時發生激烈碰撞，碰撞後濺射出來的碎片又被拋到了太陽系的深處。

這些殘骸被認為組成了設想中的奧爾特雲（參見謎四）。

離我們最近的一次外太陽系劇變或許還在位於木星和火星之間的小行星帶上引起了一場騷動，導致大約40億年前，也就是太陽誕生之後5到6億年，大量隕石對地球的狂轟濫炸。

但自那時以後，組成太陽系的天體都趨於微妙的穩定和平衡，不用說，這給地球上的生命帶來不可估量的好處。

謎二：為什麼太陽和月亮在天空中看起來差不多大？

日全食是大自然中最輝煌的片刻之一。

在日全食達到鼎盛時，太陽和月球重合得如此之好，以至於只有非常微弱的太陽光才能穿越月球表面崎嶇的山谷傳到地球上來，產生讓人驚嘆的鑽石閃光般的效果。

這一切都要歸因於一個驚人的巧合：太陽的直徑是月球直徑的400倍，但它離開地球的距離恰是月球的400倍。

兩個因素相互抵消的結果是，太陽和月球在天空中看起來幾乎一般大。

這在太陽系八大行星和已知的166顆衛星中是獨一無二的。

而且地球又恰好是太陽系中唯一的生命避風港，這難道僅僅是巧合嗎？

毫無疑問，多數天文學家會說是巧合。

但也許事情沒那麼簡單。

要知道我們的月球在某些方面的確與眾不同。

通常認為，那些外太陽系行星譬如木星、土星、天王星和海王星的衛星，是通過兩種途徑形成的：一種是太陽系形成的「縮小」版，即行星周圍的塵埃凝聚成了衛星；另一種是行星靠自己的引力俘獲路過的小行星，把它變為了自己的衛星。

火星的兩顆衛星——火衛一和火衛二，就認為是通過第二種途徑得來的，這兩顆火星的衛星也是內太陽系中除地球的月亮之外唯一的兩顆衛星。

但相對地球來說，我們的月球似乎個頭大了點，以至於不能通過上述兩種途徑形成。

目前廣為接受的關於月球起源的解釋是：在太陽系形成之後的第一個1億年，一顆火星般大小的行星撞上了地球。

這次大撞擊不僅在很大程度上重塑了地球，大量濺射出去的碎片最終還凝聚成了月球。

如此大的月球對於地球生命來說是一個莫大的福祉。

當地球繞著自己的軸轉動的時候，由於受太陽等天體引力的影響，它天然具有搖擺的傾向。

而月球的引力像一隻看不見的手，悄悄地把搖擺制止了；否則，隨著時間的推移，自轉的不穩定將導致地球表面氣候的劇烈變化，生命的生存將變得困難得多。

所以，擁有一個特別大的月球——大到足可以產生日全食——或許是生命起源的一個非常重要的因素。

由於月球是在撞擊中，由濺射出去的碎片形成的，這些碎片依然保有向外飛的慣性，所以月球一直在遠離我們，現在的速度大約是每年3.8厘米。

恐龍看到的日全食與我們看到的不盡相同：2億年前，月球離地球太近了，足以把整個太陽都遮住，所以在日全食鼎盛時，不會有任何光線透過月球傳到地面上來。

同樣，未來幾百萬年後，地球上的居民再也沒機會看到日全食了，因為那個時候月球離地球太遠，在天空中沒法遮住整個太陽。

由此看來，我們的幸運是兩個因素共同作用的結果：由於撞擊形成的月球正在遠離，如今剛好處於合適的距離上；同時也由於在這一時期，地球上剛好已經進化出了智慧生命（這一點也一樣受惠於月球的存在）。

如果你有幸下次看到日全食，可要想到這一點哦。

謎三：還存在未知的行星嗎？

當我們在前文中說「在太陽系中添加或者減少一個行星，都會讓整個系統大為改觀」時，我們是在自認為對太陽系的各部分了如指掌的情況下說這番話的。

但有一個傳聞說，潛藏在太陽系離我們非常遙遠的地方，還有一顆至今未被發現、像地球或者火星般大小的行星X。

如果未知行星X真的被發現了，那它將是自1930年冥王星被發現以來，加入太陽系的最重要的新成員。

2006年國際天文學會投票把冥王星從行星的行列趕出去，降級為矮行星時，為判別太陽系的行星設立了三個標準：它必須繞太陽公轉；它的引力必須強到足以把自身塑造成近似球形；它的質量必須足夠大，能夠掃清自己軌道上別的小天體。

冥王星沒有滿足第三個條件，所以就降級了，如今它只是柯依伯帶上的眾多天體之一，這些天體距海王星軌道大約30到50天文單位（1天文單位相當於地球到太陽的距離）。

任何新的天體要想被承認是行星，都必須首先在柯依伯帶上掃清自己的軌道。

然而有趣的是，正是對柯依伯帶的研究，暗示著或許還存在有未知行星：一些柯依伯帶上的天體具有非常扁平的橢圓軌道，而另一些，則軌道平面幾乎與多數行星公轉的軌道平面成90度角，它們行為如此詭異，或許是因為受到一個質量很大、距離遙遠的天體的擾動。

不過，目前天文學家們並沒有對此達成共識。

因為假設在太陽系形成的早期，有一顆巨行星緩慢地朝外遷移（參見謎一），也能解釋柯依伯帶上某些天體的反常軌道。

在過去20年里，科學家搜索了大片的天空，並且已經發現了1000多個位於柯依伯帶上的天體。

但這樣大面積的搜尋只能發現那些大的、明亮的天體。

一個像火星般大小的天體，要是處於100天文單位位置，就很容易躲過探測。

但這一切很快就會改變。

目前，四個裝備著世界上最大像素攝像機的天文望遠鏡，在搜索天空中任何閃爍或者移動的天體。

雖然它們的主要目標是發現潛在的飛向地球的隕石，但外太陽系的天體也一樣逃不過它們的「眼睛」。

如果發現又一顆新行星，那將是一件激動人心的事情。

它將佐證科學家目前關於太陽系演化的理論，甚至還是我們邁向太陽系更深處的一塊「墊腳石」（參見謎四）。

謎四：彗星從哪兒來？

宇宙中很少有天體像彗星那樣引起人們敬畏的，特別是肉眼能看得見的哈雷彗星，歷史上許多次人們把哈雷彗星的出現視為世界末日的到來。

但我們現在知道，彗星其實是一類由冰和塵埃組成的天體，它們以極扁的橢圓軌道繞太陽公轉，壯觀的彗尾則是因冰塊蒸發，又受到太陽風吹拂而形成的。

我們甚至知道彗星來自海王星軌道外的柯依伯帶。

但是有一個問題。

某些彗星，像1997年一掃而過的海爾-波普彗星，在我們的天空中出現的次數太罕見了，它們的軌道一定非常長，以至於超出了柯依伯帶。

天文學家對此的結論是，我們目前已知的太陽系實際上被一群冰質的「流浪漢」天體包裹著。

這些天體則是幾十億年前緊鄰太陽的星雲盤水分蒸發，受巨行星的吸引逃逸到太陽系外層空間凝結而成的。

這個太空中的「西伯利亞」我們現在稱之為「奧爾特雲」。

是丹麥天文學家奧爾特在1950年首先提出的。

這個包裹太陽系近乎球體的彌散結構，還從來沒被觀察到過，但如果長周期彗星確實來自於此的話，它一定非常遼闊，比柯依伯帶外層還遠1000多倍。

在如此遙遠的距離，影響它運動的已不再是太陽系的行星，而是銀河系和附近的恆星了。

奧爾特雲外無疑身處太陽系的最外圍，它的外面就是空無一物的虛空。

對於天文學家來說，計算和估計組成奧爾特雲天體的尺寸，將有助於重建太陽剛誕生時的圖景，或許還可以幫助他們一窺形成巨行星的那些原始碎片。

然而不幸的是，如果說尋找未知行星X已經不容易，那麼發現奧爾特雲就更加困難了。

它離我們太遙遠，太暗淡，而且組成它的天體又過小，很難被我們觀察到。

迄今，關於奧爾特雲的信息都來自「迷路」的彗星，這就好比從鯨魚露出水面的一爿鰭來推測它長什麼樣子一樣。

不過即使這樣，要描繪出「鯨魚」的其他部分也將為時不遠。

奧爾特雲里的天體可以散射來自遙遠恆星的光，而使恆星稍變得黯淡，這叫「掩食」。

儘管這種現象只持續幾分之一秒鐘，但天文學家卻能利用這一現象來測量它們的大小和距離。

目前由於受到地球大氣的干擾，儘管在地面探測遙遠的奧爾特雲天體還不可能，但未來空間望遠鏡應該能夠勝任。

此外，還有另一些謎有待解決。

譬如，迄今長周期彗星的數量和軌道暗示著奧爾特雲包含上萬億個直徑達千米甚至更大的天體，總質量可達地球的好幾倍。

但這麼多的物質超出了目前太陽系形成理論可解釋的範圍，難道我們對太陽系形成的解釋是錯誤的？

謎五：太陽系是獨一無二的嗎？

自從1992年以來，天文學家已經甄別出了280顆太陽系外行星。

它們多數不像我們的地球，不過這並不奇怪，其實是由目前探測技術的局限性造成的：行星繞恆星轉時，恆星也要繞著它們共同的質心轉動。

當然，一般來說由於恆星和行星的質量懸殊，恆星轉動的幅度非常小。

於是在我們看來，恆星就會發生周期性的「擺動」。

目前，多數情況下天文學家就是通過觀察恆星的擺動來推測行星的存在的；但行星越小，恆星的擺動就越輕微，假如行星像地球那麼輕，那恆星的擺動幾乎難以探測。

目前發現的大多數太陽系外行星都是像木星或者海王星那樣的氣態巨行星，不同點是，它們離自己的「太陽」很近，只相當於日地之間的距離。

離母恆星距離更遠的行星目前還沒被發現，因為這類行星需要10多年或者更長的時間才能完成一個周期，而採用上述辦法很少能堅持觀測這麼長時間。

根據標準的太陽系形成理論，氣態巨行星不應該在那麼靠近恆星的位置出現，因為恆星的輻射會阻止較大岩石質核的形成（參見謎一）。

不過有一點或許能解開這一謎團：儘管我們太陽系中的行星軌道都近似圓形，但這些太陽系外巨行星的軌道卻是高度扁平的橢圓形，這說明大多數行星系統看來都有過比太陽系更加動盪的歷史，一些當初距離比較遠的巨行星，為了競爭生存空間，或許曾經把對手擠進一些更近、更奇特的軌道。

有很多證據表明，岩石質行星比我們最初設想的要普遍得多。

2008年美國宇航局利用空間望遠鏡發現，在年輕恆星周圍，岩石質行星的形成率可達20%到60%。

即使岩石質行星這麼普遍，但要在其上發現生命的前景卻沒那麼樂觀。

天文學家對圍繞老年恆星的塵埃雲的觀測表明，在10個恆星系統中，有9個看起來比我們的太陽系有著更多的塵埃，有些甚至是太陽系的20倍還多，這些塵埃很可能是彗星碰撞留下的。

從地球上的經驗我們知道，行星過於頻繁地受到彗星碰撞，對生命的生存是十分不利的。

我們的存在，很大程度上得益於一些重量級「巨人」的把守：遙遠巨行星，尤其是木星的引力，在彗星侵入到內太陽系之前就改變它們的軌道，從而把它們驅逐出去。

要判斷太陽系在宇宙中是否唯一，既需要找到地球大小的太陽系外行星，又要找到離開母恆星更遠的巨行星，因為這正是太陽系的兩個特點。

但目前這兩個問題都沒解決，所以這個問題我們現在還不好回答。

謎六：太陽系將如何終結？

我們生活在太陽系活動相對平靜的時期。

太陽系最騷動不安的時期發生在最初的1億年，行星就是那個時候形成的（參見謎一），此後，還可能發生過巨行星遷移和那些躲過木星阻擋的彗星的轟炸等大事件，但這一切也已經離我們很遙遠了。

如今太陽在穩定地燃燒，行星像鐘錶針一樣繞著太陽轉，生命在地球上按部就班地繁衍著，在太陽系中幾乎沒什麼大事發生。

但這一切不會永遠持續下去。

有些不愉快的事情註定要打破這令人舒適的安寧。

首先，從現在數起，大約60億年後，太陽將趨於死亡。

這看起來似乎還很遙遠，但在這之前事情就已經變糟了。

今天太陽系平靜的背後其實已經埋下了混亂的種子。

即便是最輕微的不規則，隨著時間的推移也會逐漸積累，最終改變行星的軌道。

從現在到太陽的最後日子，據計算大概有2%發生大災禍的機率。

譬如說火星也許會太靠近木星，被引力甩出太陽系；假如我們特別晦氣，水星甚至還會撞到地球上來。

與此同時，太陽將變得越來越明亮。

在20億年內，它的輻射將可能摧毀地球上的生命。

另一方面，火星如果那時還在，將會擁有一個相對舒適的氣候環境。

雖然它今天死氣沉沉，但終有一天會變得生機盎然。

當太陽上的氫燃盡後，整個結構就會發生劇烈的變化。

它將慢慢膨脹，變成一顆紅巨星，體積將是現在的上百萬倍，不僅吞食掉水星和金星，甚至還有地球。

那時，火星也壽終正寢了。

但土星和木星目前的那些冰質衛星，或許會相繼成為生命的庇護所。

土星的一顆大衛星——泰坦，將是生命理想的棲居之地，它上面現在就有了許多有機分子。

紅巨星散發的熱量將讓泰坦表面的固態水和氨融化，而這些有機分子也許最終會進化出生命。

任何從這些星球上進化出來的生命將看到與我們所見完全不同的天空。

到那時，銀河系或許已經與我們的鄰居仙女座相撞，合成了一個大星系，在新的星系裡，恆星不斷地形成，將把整個天空照亮。

這些恆星將是孕育新一代「太陽系」的搖籃。

但太陽系中，任何在我們之後孕育出來的生命，它們存在的時間都不會太長。

太陽在短時間內變成紅巨星後，它將漸漸熄滅，把外殼拋卻後，最終變成一顆白矮星。

短時間內曾經舒適宜人的泰坦，將再一次被冰封上。

雖然木星和土星將會在軌道上繼續運行上百億年，但天王星和海王星卻會被木星和土星驅逐出太陽系，或者被路過的某顆恆星掠走。

未來的事總是不確定的，也許會發生另外一種情況，整個太陽系在銀河系和仙女座碰撞中，被拋了出去，在空無一物的虛空中流浪。

這樣，行星們避免了被恆星擄掠走的命運，將繼續繞著逐漸變得暗淡的太陽轉，直到它們的能量被漸漸消耗（根據廣義相對論，轉動的物體會輻射引力波，一部分能量被引力波帶走）。

最後，它們沿著螺旋軌跡一頭栽進太陽，以一道劃破黑暗的閃光結束它們的一生。

那個時刻，誕生於太陽系的人類會在哪裡？