探索太阳系最近的宇宙学家想象

探索太阳系

正当宇宙学家想象宇宙最初时刻的惊心动魄、探索黑洞蒸发引起的后果、思考暗能量和它的本性时，20世纪后半叶还引进了大量更接近事实的新知识。在火箭驱动器的帮助下，人类可以通过太空船的形式送出使者，这些太空船的动力一部分是借助于太阳“翼”，实际上可以到达太阳系任何行星、卫星或小行星。以前纯粹是科学幻想的对象，现在至少部分地成了现实。人类从地球这个安全摇篮来到月球旅行，漫步于月球上，带回上面的岩石。太空船访问了几乎每一个行星揭示了成千上万的奥秘，有大的也有小的，并发现了许多卫星。有些太空航行持续到21世纪，还有更多的正在计划之中。从20世纪50年代末以来，大量图像从太阳系各个角落被发回地球。这些情景令人惊讶，各种发现激动人心。实际上我们邻近的行星及其卫星没有一个符合原先的估计。

这一切肇始于苏联人造地球卫星1号，它于1957年发射升空，绕着地球轨道独自旋转。人类第一次成了太阳系里的旅行者。绕着地球旋转的人造卫星和进入大气层的火箭探测器开始从外部向我们提供有关地球及其大气的新图景。在这之后，紧接着的是去月球的太空航行（载人和不载人）以及去太阳系几乎所有行星的不载人航行，仅仅冥王星除外。以前即使通过最大的望远镜镜头看到的也不过是微小斑点的遥远地方，现在成了坑坑洼洼布满岩石的表面，由炽热气体组成的旋转气团，处于活动期的火山熔浆以及冰冻的沙漠。这是空旷而神奇的地方，之前人类的眼睛从未如此近距离地看到过它们。在万籁俱寂的太空中，神秘的机器人呼呼地走近它们，给我们发回令人惊奇的特写照片和数据资料。一切都与过去的想象不尽相同。

土星光环和木星卫星木卫一的奇异而色彩斑斓的特写照片今天已经家喻户晓，以致我们忘记这些庞大的、正在旋转的岩石和气体离我们有多远，就在几年前，要得到这些图像还是不可能的事情。在17世纪伽利略从他的望远镜窥视到证据之前，谁也没有猜想到土星光环的存在。（当时他还不能断定这些挂在行星两侧的奇怪的“耳朵”究竟是什么——并且随着季节变化，这些耳朵会消失。）现在我们有了详尽的数据，可以了解它们的结构、大小、运动及其与行星和卫星的关系，这主要应归功于名为先驱者11号的太空船，它是1979年发射升空的，后来又在20世纪80年代发射了旅行者1号和2号。

从伽利略的时代以来，行星科学一直是依靠仪器——越来越大、越来越复杂，也越来越昂贵——现在甚至标出更高的价格，但收益也越来越大。我们实际上可以看到这些遥远世界的表面、测量它们的大气、研究它们的历史，并与地球比较，从而知道与我们自己的地球家园有关的许多知识。我们所知道的有关宇宙的机理——从大气和气象的动力学到太空中围绕地球的太阳风和辐射带的存在——不仅为我们增加了知识的基本储量，而且提供了适合地球的宝贵教训。

月球：最近的邻居

地球和月球，这一对行星和卫星，紧拴在一起舞动，围绕共同的引力中心旋转，两者中那个大的，呈现出绿、蓝、白，色彩斑斓，上面有水、有生命；小的那个，只有地球的四分之一大，无色、伤痕累累、坑坑洼洼、标记着时间的流逝。它的背面，黑暗而多坑，永远背对地球，向着群星。在遥远的过去究竟发生了什么灾难，使月球变得如此寒冷和荒凉？

1972年阿波罗17号太空行动中，身为地质学家的宇航员施密特在月球的表面上。

月球是我们最熟悉也是最神秘的太空邻居，它总是激起人类的好奇心，也是无数古代神话、传说和歌曲的主题。古人的历法就是依据它在天空中的规律性运动而定，它的相位变化标志了季节的转换。

对于科学家来说，问题有很多：月球表面究竟是什么样子？它怎么起源，又是怎样变成今天这个样子？它的地质条件如何？我们从来没有看见过的另一面是什么样子？当美国和苏联一旦拥有摆脱地球引力的能力时，月球就成了首选的理想探索之地。和望远镜与照相机一样，火箭给予人类新的工具，用它可以帮助揭开月球的许多秘密。

在1958年至1976年之间，美国和苏联向月球进行了80次太空行动，尽管只有49次按计划完成了任务，有些则永无结果。但是在这些飞行任务中——其中包括轨道飞行器、软着陆、照片会议探测器（photo session probes）、两次载人飞行以及六次宇航员着陆——带回或送回了有关这个太空最近邻居的大量信息。不久以前，对月球的新兴趣又激发了好几项新的太空行动。1994年夏天发射的克莱芒蒂娜号就是美军和宇航局的一项联合计划，送回了150万张照片，测绘了99. 9%的月球表面。激光技术还使克莱芒蒂娜号制作了一幅详细的月球地形图，并且在这个过程中，小小的太空船在月球两极遭遇了一次反射，表明有可能存在冰水。这一可能性令人震惊，既然月球上有水，这就为移民提供了有力支持，而不少政府曾经考虑过移民计划。4年后，1998年1月，美国宇航局发射了另一艘太空船月球勘探者号，任务是围绕月球运行和测绘月球，直到1999年7月，这时科学家希望在月球极地附近进行着陆，以便送回可供检测的冰水样本。令人遗憾的是，并没有检测到冰。最近，欧洲宇航局（ESA）发射了智能1号，它是一个小飞船，需经16个月的飞行才能到达月球，它的主要目的是检验太阳电驱动技术。智能1号于2003年发射，预定2004年抵达月球^[1]。 日本也在2004年发射月球探测器，中国也有登月计划。在经过大约30年的沉寂之后，月球现在又一次成了太阳系的探索目标。

行星科学家魁佩尔

美国宇航局计划极大地推动了行星科学的发展，行星科学家魁佩尔（Gerard Kniper，　1905—1973）就是早期的先行者之一，他帮助建立了一个计划，该计划从一开始就可以向科学家提供有用的信息。

魁佩尔在荷兰出生和受教育，1933年离开自己的祖国来到美国，并进入加州圣何塞附近的里克天文台。在那里他研究双星，对白矮星进行光谱搜寻。后来他到威斯康星州耶基斯天文台和它的南部前哨——得克萨斯的麦克唐纳天文台，对太阳系起源的理论作出了贡献。

第二次世界大战后，魁佩尔在射电天文学这一新领域里居于领先地位，他对行星和晚期恒星进行了光谱观测。运用这些技术，还成功地发现了土星的大卫星土卫六的大气中存在甲烷，火星的大气中存在二氧化碳。所有这些发现都有助于激起那些想知道在我们地球大气之外是不是存在或者曾经存在生命的人们的好奇心。魁佩尔还发现了围绕天王星的新卫星和围绕海王星的另一颗卫星。

魁佩尔除了担任耶基斯天文台和麦克唐纳天文台台长外，后来还创建并主持了亚利桑那大学的月球与行星实验室。他在美国宇航局担任首席研究员，负责一项太空任务（排徊者探月飞行）的科学使命，（排徊者的任务是方未来宇航员登陆月球作准备而对月球进行试验和勘测的一系列早期访问）。他还为美国宇航局早期的行星探索作出了许多科学贡献。

经过许多次的访问，我们已经知道了月球很多事情。它的年龄和地球几乎相同：大约为45亿年。氧同位素的相对丰度和比例暗示，两个星体在形成时曾互相靠得很近，不过关于形成过程的细节，各种理论说法不尽相同。月球会不会像一滴染料一样，是从地球“甩出来”的呢？要真是这样，地球必须旋转得非常之快，这个想法不乏支持者。它会不会也和地球一样，是由同样的星子（组成行星的物质）在差不多同样的时间里结合或凝聚在一起的？如果是这样，为什么不是两个“行星”而是一个？或者，会不会是当月球路过时，地球把月球“捕获”进了它的引力场？或者，也许是，在地球形成的早期，当它还处于熔融状态，内部正有许多小星子在缓慢转变时，一颗大的“残余”星子冲击了它，使得地球和星子的一部分蒸发，熔融的碎片喷撒在围绕地球的轨道上，这些碎片最终成了月球。

月球探索留给我们最重要的遗产也许是对月球更多的理解，对地球更多的欣赏，还有破解太阳系某些奥秘的关键线索。当我们近距离审视月球时，看到的只是一片荒凉的世界，这个世界太小了，其质量不足以拉住大气。月球和地球不一样，它是一个发育不良的世界，只有过去，没有发展或变化——这个世界是如此的安静（只有等到下一次撞击），以至于宇航员在它的尘埃表面上留下的脚印可能会保留100万年。如同化石可以告诉我们太阳系和地球的历史一样，我们到月球的旅行已经告诉许多关于我们自己和我们生物圈里其他成员的知识，于是我们对自己存在的稀有性留下深刻的印象。

当然，下一步，我们将转向探索最近的邻居行星——金星。

被遮掩的金星

在早晨或者在黄昏的天空中常常可以看到一个明亮的发光体，那就是金星，它是我们最近的行星邻居。有人把金星看成是地球的孪生兄弟，它的直径、大小、密度和地球差不多。两者相距仅2 600万英里，沿类似的轨道围绕太阳旋转。但奇怪的是，即使用最强大的光学望远镜也无法透过围绕在金星周围的厚厚的云雾，正是它阻挡了我们的视线。

科幻作家、天文学家和行星学家都在作种种推测。也许云层下藏着的是一个多雨炎热的行星，到处都是充满生命的海洋和丛林。我们看不见其表面，但是确信云层意味着水蒸气，而水蒸气也许意味着生命，甚至可能有智慧生命。这一想法很难打消。但是从20世纪30年代起，射电天文学和光谱学开始给出线索，如此的大气和温度不可能隐藏我们所知的生命。到了1961年，微波天文学使我们进一步认识了这颗行星的旋转方向和速率、大气温度、密度和压力以及粗略的地形学概念。但仅在第一次行星探测使命之后，我们才开始完全肯定，地球和金星有截然的不同。

在1961年至1989年之间，美国和苏联向金星发射了20多次太空飞船，大多数都是成功的。探测器探测了大气的上层、中层和底层，分析了化学特性、云层运动、压力和温度。苏联发射了几台登陆车，穿透云层，送回金星多岩平原的照片。它们传递了地面温度的读数和更多的大气分析资料，并且用轨道飞行器测绘了表面。

美国的水手10号太空船发射于1973年，1974年初在去水星的途中飞经金星，对金星作了一些有趣的观测，其中包括各种照片，其分辨率是地球拍摄的7 000倍。

1978年，美国发送两艘先锋号太空船：先锋12和先锋13。先锋13携带4台大气探测器，部署在大气的不同部分，采集温度、压力以及风向等数据。但先锋12是研究金星的主角。先锋12设计成能围绕金星运行243天，并持续十年发送科学数据。到了1988年，先锋12已经送回10万多亿比特的数据，其中包括对极端温室效应的描述，这一温室效应俘获了太阳的热，使金星的表面温度高达900°F 。

在1978年到1983年间，苏联成对地发送了6个金星探测器（金星11到金星16），大多数是登陆车。它们都送回了有价值的细节，其中包括金星地表的彩色照片、钻孔取出的土壤样品分析和地震实验资料。1984年苏联又发射了两艘太空船：织女1和织女2，上面搭载了来自好几个国家的实验装置，并且在金星任务完成后继续飞行，与哈雷彗星会合——这是第一次对彗星的访问，也是一次国际协作。

金星的温室效应

金星炽热的大气是所谓温室效应的牺牲品，这是由于金星过于靠近太阳以致无法把巨大的“热负荷”部分消散到太空中去的结果。

所有行星都从太阳中吸收太阳的辐射能量。这个能量（我们叫做太阳光）又以波长更长的红外辐射再向外发射。行星的温度取决于它吸收的太阳光和它发射的红外能之间的平衡。如果行星吸收的辐射比它释放的多，它的温度将会升高。

在金星上，厚厚的大气层严重阻碍了冷却过程，它就像一道单向大门，只许可见的太阳辐射进入，不许长波的红外辐射逃逸。大气的作用就像罐子的盖，把辐射能捕获在罐子里，使行星变热。

许多科学家担心，由于连续燃烧汽油和柴油之类的燃料，地球大气中二氧化碳的增加，也会在地球上引起像我们的近邻一样的温室效应，逐渐积累的“热”有可能急剧改变地球的气候和生态平衡。

当美国1989年向金星送出的麦哲伦号太空船1990年到达以后，根据有关金星的所有数据，一幅新的图景开始形成。尽管有一些技术困难，麦哲伦号仍然送出了极好的金星地表雷达图像，完成了金星旋转一整圈243天的雷达测绘。麦哲伦号还显示了被地壳力撕开的和被灼热的风破坏的地表，以及地壳严重变形，被强烈的火山爆发摧残的情景。

大体说来，金星的景象与想象中绿色而充满生机的行星大不相同。透过表面一层厚厚致命的硫酸云，一缕暗淡的桃色光穿透进来。微风吹拂着这块贫瘠而又充满尘埃的高原沙漠，这里的温度竟高达891°F。在上层大气中，风以217英里每小时的速率驱赶着头顶的云层，这一速度竟比金星那反常的逆向转旋还要快60倍。远处，剧烈的闪电照亮了锥形火山上方笼罩着烟雾的天空。正如美国水手　5号科学小组的技术备忘录所说：“金星似乎在提供发烫的热量、窒息的大气、沉重的压力和雾蒙蒙的天空，也许还要加上可怕的气候和恶劣的地形。”

烤焦的水星

水星像是一只小飞蛾围绕着亮光盘旋一样，是最接近太阳的一颗行星。它飞快地沿着椭圆轨道掠过极亮的太阳附近，使我们很难用望远镜观测。它的表面在几十亿年的过程中被烤焦，看来就像是备受燃烧的磨难。

但实际上，水星是一颗经受太阳烘烤，由岩石和铁组成的具有密集质量的行星。它绕太阳旋转一周，只需88个地球日，与太阳这一火炉的平均距离为5 800万英里。结果，它成了从地球上最难观测的一颗行星，只有早晨和傍晚的短时间内才有可能观测到。即使望远镜的发明也没有把水星更好地带入镜头。

1974年3月水手10号到达水星。它装备有避免太阳辐射的特殊防护，飞到距水星表面仅437英里的地方以便近距离观测。它携带了两台附有5英尺望远镜的电视摄像机，一台X频带射电传输器、红外辐射计以及紫外实验设备，向地球发回了近2 500张图片。在与水星的天空擦边而过后，太空船绕过太阳又有两次回到水星身边，在1974年9月和1975年3月发回了大量照片。

当第一批照片从水星返回时，科学家对这颗行星与月亮的酷似留下了深刻的印象。从水星被烤焦的表面坑坑洼洼，他们得出结论，水星的地质学历史在许多方面一成不变，在大约39亿年以前，曾有无数陨星对它狂轰滥炸。

实际上，月球比水星还要平整些。除了一个名叫卡洛里盆地的巨大平地以及少许其他的小块地面，整个水星遍布陨石坑。还有，当科学家相信月海（月球表面宽阔平整的黑色区域）由熔岩流造成时，大多数人对卡洛里盆地的形成却持完全不同的观点。有些证据表明，水星上曾有火山活动的遗迹，包括某些部分得到填充的盆地，但是，庞大的卡洛里盆地也许是水星历史上最奇异和最重要的事件形成的：也许是和一个巨大的小行星碰撞的结果。

行星科学家从这些证据猜测，有一个小行星——直径可能大于60英里　——在很久以前撞上了水星，夷平了跨度大约为850英里的面积。当它以315 000英里每小时的速率冲击水星时，这一庞大的抛射体永远地改变了水星的面貌，形成了陨石坑，并把陨石坑周边的山峦加高了一英里半。有些专家甚至认为，水星杂乱无章的背面，可能也是由针对水星的巨大冲击波撞击而形成的。

许多天文学家认为，这一剧烈撞击也许是行星演变过程中最后一件重大事件。再从水手10号照片的地壳破裂及其他证据判断，他们推想水星在撞击之前曾经历过明显收缩，也许是由于铁核的冷却或行星自转的减慢。此后，水星显然停止了演化。显然水星是在39亿年前那次毁坏月球的大撞击的同一时期之末“死亡”的。

水星表面的原始状态就像是一幅快照，把我们拉回到过去的时期，得以窥见太阳系演变和起源的细节。这是行星科学中的主要进展。

红色行星——火星

在我们的太阳系所有行星中，长期以来火星一直是科幻作家的最爱，也是天文学家的最爱。 自从有望远镜起，这是唯一可以看见其表面的行星，在19世纪90年代，它激起了人们种种遐想，这一切源于天文学家洛厄尔（Percival Lowell， 1855—1916）的观测——推测在火星的平原上有人工开凿的纵横交错的运河，标志着文明的存在。火星北极冰盖周期性地收缩和成长的季节性变化，激发人们幻想火星和我们地球非常相像，或许也有生机勃勃的春季和荒凉寒冷的冬季。

当探测人员第一次成功地让机器人太空船——1964年11月美国发送的水手4号——飞经火星时，结果却令人大失所望。从距火星表面6 000英里的地方飞过，第一次看到的火星似乎是平坦的，没有特色，缺乏生命迹象。1968年又有两艘水手号太空船发送，任务是掠过火星，也没有太多收获——除了暗示有火山活动和侵蚀现象——无助于加强我们对在火星表面能有所发现的期望。

然后是1973年11月13日名为水手9号的机器人探测器独自进入火星轨道，成为第一个围绕另一颗行星运行的人造天体。尽管太空船抵达后不久就遇上了尘暴，但水手9号所登陆的火星仍然使地质学家感到兴奋异常。火星被证明完全不是古老和死气沉沉的世界，而是曾经可能有过河流和火山爆发的世界。这个行星的表面温度和大气也许曾经适于至少是某些简单生命形式的生存。各种推测纷至沓来。

有一座被科学家称为奥林匹斯的火山，高出火星表面79 000英尺以上，它是太阳系中最大的山。它的底部跨度长达350英里，大到可以把整个密苏里州覆盖！还有一座巨大的峡谷叫做水手谷，也具有同样可观的规模，长度几乎相当于火星直径的六分之一，约2 800英里，宽度370英里，几乎比大峡谷长13倍，（相当于纽约至加州的距离）。在长约600英里，看来像是干河床的地方找到了水流的证据。如同水星与月球一样的情况，小行星撞击在这个过程中也起着重要作用，陨石坑的直径大于100英里。火星的照片里唯一没有出现的就是高级文明的任何证据。洛厄尔认为他看到的运河绝没有出现。没有建筑物，也没有圆盘式卫星电视天线。没有茅草屋，也没有耕过的土地。实际上，没有任何关于文明或生命的信息。

火星寰球探测者拍摄的火星隘谷图像。

然而，1974年当苏联的探测器火星6号送回有关氩含量大于预计百分比的消息时，就带来了关于大气的有趣信息。因为氩是惰性气体，大气科学家猜测，这些氩可能是大气留下的——也许是一种稠密的大气，这样才有大量的氩——至于大气中其他气体则已经与其他元素结合或者消失在太空中了。

也许，有了火星在过去某个时期曾经有过流水和稠密大气的证据，认为火星上有生命，至少在以前某个时期曾经有过生命的思想就并不完全是无效的概念。

我们怎样才能弄清真相呢？1975年有两个机器人太空船，名为海盗1号与海盗2号，从美国肯尼迪角发射台发射升空，它们的部分计划就是希望解决这个问题。每个太空船都有轨道飞行器和登陆车各一台，当它们在1976年抵达火星轨道时，登陆车脱落，离开正在围绕火星旋转和观测的轨道飞行器，靠降落伞抵达地表，两个登陆车分别降落在不同地点，以便对火星土壤取得详细资料。登陆车机器人从地表挖取土壤，进行了一系列试验。海盗号科学小组希望回答的最大问题，就是自从洛厄尔时代以来以及之前世人一直不能忘怀的问题：火星上有没有生命？回答令人失望：没有。至少在测试的地点没有，或者至少现在没有。

1988年苏联发射了研究火星卫星火卫一的太空船，但是两艘太空船都未能如期到达火星。美国发射的火星观测者号，也遭受同样命运，它本来计划在1993年到达。然而，自那以后的好几次太空飞行都非常成功：火星寰球勘测器在1996年发射，1997年抵达火星，直到2003年都还进展顺利，发回了数万张火星地形的精彩照片。这是20年来有关火星的第一次成功完成的太空任务。火星探路者号也是在1996年发射的，按设计它在1997 年7月4日降落到火星表面。火星探路者号登陆后，太空舱打开，放下世界上最远距离的遥控车。这部机器人漫游车叫做旅居者，它并不比微波炉大，沿着火星那崎岖不平的地表一路滚动，一边勘查和取样，全世界都通过电视和互联网进行实时观看。这是一次巨大的成功。

这一叫做旅居者的漫游遥控小车正在火星的地表上离开登陆车（前景所示）远去，它绕过登陆地点区域里的一块块岩石，在这里采集样品、测试和拍摄。这是火星探路者号太空任务的一部分。这辆小车由地球上的探路者号小组遥控。2003年夏天发射了类似的太空飞船。

另一艘轨道飞行器“2001火星奥德赛号”在2001年发射，它在轨道上飞行，同时继续收集数据以帮助鉴定火星土壤的成分。在经过两次失败的飞行后，美国宇航局设计了两台坚固的机器人漫游车（“精神”与“机会”）到火星漫游。两台漫游车在2004年安全到达火星，开始探测岩石和地表，它们在这里发现了曾经存在水的重要证据。欧洲航天局在2003年也发射了太空飞船“火星快车”，2004年初到达。登陆器的组成部分“小猎犬2号”被设计成专门用于搜寻火星上的生命，但遗憾的是，它在火星地表上失踪了。

关于火星还有许多问题无法回答。如果火星真的曾经有过稠密的大气，允许水以液体状态存在于它的表面，那么，这些水都到哪里去了？为什么都不见了？会不会有一些水被锁定在火星地表下的冰冻层？有多少水永久地冻结在火星北极而被保存下来了？我们确切地知道，在那里还有一些水存在。行星学家根据最新的报告判断，在火星上至少有三个区域有冰水存在：南半球火星土壤下、北冠的表面和南冠边缘附近的表面。这一冰冠的其余部分大多是“干冰”，即冷冻的二氧化碳。科学家继续猜测，这三个地区“正好是露出地面的火星冰山顶”，这是美国地质调查局的提图斯（Timothy Titus）说的。

也许火星上曾经有过快速流动的水，水流冲开了巨大的火星运河。有些科学家，包括行星地质学家卡尔（Michael Carr）和美国宇航局阿梅斯研究中心的外空生物学家麦克凯（Chris McKay）认为，火星“也许有过”更宜人的过去，那时曾经存在过非常奇异的简单生命形式，也许有朝一日我们会发现那个时期的某些蛛丝马迹或化石证据。正如优秀科学家所做的那样，机器人探测器——海盗号、它们的先行者和它们的后继者——已经回答了许多问题，但是也提出了更多的问题。

小 行 星

在太阳系里的各种轨道中，有一群奇形怪状的巨大岩石穿过空间，它们中的大多数都在所谓小行星带的区域内围绕着太阳旋转，这个小行星带处于火星与木星的轨道间。你可以把它们看成是太阳系形成时留下的“剩余物”；小行星是组成行星的原料，是太阳系的结构单元。行星学家认为，几十亿年前，正是这样一些小行星结合形成了行星。在小行星的成分中，无疑会保留大量45亿年前的秘密，如果我们能够接近它们，就有可能发现大量原始信息。

不过，有一些小行星结集在小行星带之外，还有大约1%的已知小行星，它们的轨道竟跨越一个或更多的行星轨道。例如，其中有两个叫做阿波罗和阿托恩的小行星群轨道与地球交叉。近年建立了相当可靠的证据，支持了一种设想，认为平均在每5000万年到1亿年中，会有一次地球与交叉小行星（其跨度约为6到10英里）的大碰撞事件。最近的一次小行星撞击事件，也许是恐龙遭到突然灭绝的原因，恐龙统治了地球长达1亿4000万年，只是在6500万年前才突然灭绝（见本编第五章）。在假定近年来有关这一情景所发现的证据可信的前提下，许多科学家小组认真开展了小行星的监视活动，寻找尚未发现的与地球交叉的小行星。彗星也可能与行星相撞，其中产生巨大效应的一次是1994年7月苏梅克-列维9号彗星与木星的相撞（见下节）。

也许有多至10万颗小行星，其亮度足以最终被望远镜或太空船发现，但是现在只有几千颗得到正式承认。现在知道在这里面最大的一颗叫做谷神星，其直径大约为633英里。最小的也许直径小于1英里。1991年太空飞船伽利略号飞向木星及其卫星系统，途中访问了小行星伽斯普拉，发回了第一张小行星的特写照片，测得它的长度大约10英里，宽度大约七八英里。伽利略号还访问了243艾达，发现它竟有一个　自己的卫星。从那时起对其他小行星和彗星也进行了多次访问。

根据最新的理论，大多数小行星也许是在原行星木星（在它形成的初期）的引力下形成的。木星的引力作用避免了小行星在附近组成另一颗大型行星，并且把大多数碎块留在现在的轨道上，把剩下的赶出太阳系，或者进入现在与行星交叉的路径。

巨大的木星

太阳系最大的行星木星甚得行星科学家的关注，因为它是如此之大，它的动力学是如此之像太阳，以至于它本身就形成了一个小小的“太阳系”，有至少28颗卫星围绕着它旋转。从火星越过小行星带后，木星是第一个也是最大的一个气态巨型行星。实际上，它是如此之巨大，以至于若除去太阳本身的质量，它竟承担了太阳系71%的质量。

在　20世纪四五十年代间，天文学家基于地面观测所得到的证据，开始对这一巨型天体形成现代看法。天文学家外尔德（Rupert Wildt， 1905—1976）在认识木星的结构、动力学和起源方面走在前列。在前太空时期　，最引人注　目的事实看来就是这一巨型行星更像是太阳，而不像地球。太阳系的内行星（那些在小行星带之内，靠近太阳的行星）都是固态小天体，如果有卫星的话，也只有少数几个，而远离太阳的行星则大部分是由不同的材料组合而成。除了所知甚少的冥王星之外^[2]，其他行星都是气态巨星，主要由最简单的元素氢和氦组成。这些外层行星大多还有数量庞大的卫星系统。近来的探测表明，所有这四个气态巨星——土星、木星、天王星和海王星——在其周边都有围绕着行星旋转的光环系统。考虑到内外行星之间具有这些重大差别，现代科学家开始理解为什么木星作为一个行星，它的历史与地球如此大相径庭。

自从大约45亿年前与太阳系同步形成以来，诞生于星云物质的木星和其他原型行星增长得非常快，其强大引力有利于它们抓住原始物质。因此，“构成”木星的化学元素在特性上“和太阳相似”，并且保持至今。尽管地球和内行星都是由同样的星云物质产生，但它们却不能有效地抓住像氢和氦这样的轻气体。于是两类行星经历了非常相异的演化过程。

但是，如果木星在成分上与太阳或其他恒星非常相似，为什么它不继续演化以至于变成一颗恒星呢？

回答又一次涉及木星的大小。尽管它已经大到足以保留它的类恒星组成和它的卫星家族，却没有大到足以在其内部深处开始核反应，从而触发星体爆炸。然而，木星释放的能量的确比从太阳接收的能量要多（不像固态行星）——这主要是由于行星形成过程中，剩余能量产生大量的热加上引力收缩以及其他过程造成的。

木星拥有一个由30多个卫星而组成的大家族，以其自己的本事——掀起狂暴和复杂的大气过程而引人注目。

第一艘到达木星的星际太空船是先驱者10号，于1972年发射，1983年6月13日圆满完成飞行任务，成为第一个留在太阳系的人造天体。它和它的孪生兄弟先驱者11号，送回了当时最好的数据和照片。后来在1977年，美国发射了两艘旅行者号太空船，以精彩的特写镜头拍摄了外层行星的卫星系统、光环和这些行星本身，这些图片改变了我们对四大气态巨星的认识。旅行者1号在1979年飞越木星，1980年飞越土星，使我们得以近距离窥视木星和土星。旅行者2号停靠了更多的站，1979年飞越木星，1981年飞越土星，1986年飞越天王星，以及1989年飞越海王星。到了2003年，旅行者1号已经越过了太阳系最远的边界，超过了太阳风（也叫做日光层）的外缘。

先驱者和旅行者的太空飞行第一次让科学家对木星的大红斑作了详细观察，有机会观察到那里发生的强烈大气运动。令人惊讶的是，他们发现木星也有一个光环系统，只是比土星光环薄得多，只有大约0. 6英里厚，而且是由两部分组成的，一部分约为500英里宽，另一部分则为3 200英里宽。

先驱者和旅行者太空船最惊人的发现之一是木星的伽利略卫星存在各种不同的环境。所谓伽利略卫星指的是伽利略在17世纪发现木星有四个大的内卫星。于是美国宇航局计划了一次特殊的太空飞行——伽利略号太空船，1996年6月抵达大卫星木卫三。这是美国宇航局最成功的太空飞行之一。它在7年里多次近距离掠过木星、木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。发现木卫一有强烈而且频繁变动的火山活动，木卫二和木卫三在冰面下有可能存在着液体海洋。特别是木卫二的冰面上显示有绳索状的印记，似乎是冰面重新冻结后形成的裂缝，泥泞的液体在此喷涌而出。有些科学家认为，在木卫二海洋的极端条件中，生物，可能是微生物，有可能生存，特别是如果它被木星和木卫二之间的潮力温暖的话。在地球的极端环境下，例如深海的火山口或者极地冰冠下，也发现过生命的例子。这些例子使得生物学家和地外生物学家修正原先关于生命生存条件的观念。

伽利略号太空船花了将近8年的时间，从1995年12月到2003年9月，研究木星的四个大卫星，伽利略卫星，分别叫木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。这艘太空船围绕木星转了35圈，拍摄了14000张照片。木卫二（如图所示）特别引人注目，因为科学家认为在它的冰状表面下有可能存在温暖的海洋，这样的海洋也许对生命形式的发展是有利的。

木卫三是木星系统中最亮的卫星，它也许是由岩石和冰组成的，很可能还有液体海洋。它的表面到处都是黑暗的多坑地带和新近形成的许多平行的山和谷。奇怪的是，木卫四却不存在地质活动史的线索。它的冰状厚地壳（也许厚达150英里）是太阳系中最厚实的地壳。为什么会有这么大的差别呢？

在经历多次的延期之后，伽利略号于2003年冲入木星气状地壳，从而结束其探索使命，就在这一过程中它还在报告它的发现。它的任务完成得非常成功——尽管主天线由于被卡住而在全程中都没有用上。

碰撞过程

就在1993年苏梅克（Eugene Shoemaker， 1928—1997）、他的妻子凯洛琳以及另一位天文学家列维（David Levy， 1948—　）发现了一颗彗星后，天文学家意识到，它已经分裂并会径直冲向木星。这是一个好机会　！天文学界开始全力以赴。山顶上的望远镜做好监视准备。伽利略号正在飞向木星的途中，虽然距离甚远，但也被临时征用。还用上了哈勃空间望远镜。1994年　7月的一段日子里，彗星的碎片就像一列货车，以大于　130 000英里每小时的速度猛烈撞击木星。科学家研究了碰撞的效应——木星的同温层里发生的大爆炸、极度的湍流，以及在碰撞后长期存在的黑斑。以前从未见过类似情景。这一事件提醒我们，在太阳系的早期时代，这类剧烈碰撞事件曾是家常便饭。

土星及其固态光环

夜空中的土星及其光环呈现出的宛如宝石般的明亮令人难以忘怀。伽利略第一个看到这一奇异的突出，后来证明是土星的光环，他苦苦思考它们究竟是什么。1612年，他写信给朋友说：“我的理解力不够，再加上害怕出错，使我对此倍感困惑。”实际上直到先驱者11号和两艘旅行者太空船送回特写图片，即使最强大的天文望远镜也无法为我们解开其错综复杂的结构。

我们在1979年从先驱者号知道，土星非常之冷，冷到—279°F，在光环处甚至冷到—328°F，这一现象支持土星光环基本上是由冰组成的理论。先驱者号从土星及其最大的卫星土卫六拍摄的照片虽然比较模糊，但是它们为后来的从旅行者1号和旅行者2号拍摄更新鲜、更贴近的图像做好了准备。

透过遥远的旅行者号眼睛，科学家看到的是一个色彩平淡的行星，与木星相比差远了。土星更为寒冷，这与其不同的内在机制和不同的化学反应有关。两艘旅行者号还让科学家第一次近距离看到土星的大气带和其中的湍流。它们测量到的土星上的风速达到1118英里每小时，比木星上发现的风速快四倍。再有，旅行者号证实，土星这颗巨大的多环行星产生的能量比它从太阳接收的能量多出差不多两倍，相当于1亿个大型发电站。

自从大约400年前发现土星之后，土星的光环曾经迷惑过许多天文学家，到了21世纪它们变得更为诱人，现在科学家已经发现了它们在动力学和结构上的复杂性。

再有，土星光环隐藏着大量让人吃惊的事情。这些由旋转着的固态冰状物质组成的区域原来比先前想象的还要复杂。那里并不只是天文学家从地球看到的三个环，而是一个复杂且经常变化的系统，这个系统是由成千上万相互作用的小环组成的。光环系统的直径约为249 000英里，由数以百万计的冰和雪的微小粒子组成。当领头卫星靠近光环时还使得光环结构产生扭曲现象，甚至绞成“麻花”状。尘埃那辐射状的排列看上去就像是从行星发出穿过光环的轮辐。

在土星九个已知的卫星中，最有意思的是土卫六，已经知道它是“大气型”的，因为从地球上观测，这一冰状世界具有一个由甲烷组成的大气，也许还可能存在碳氢化合物。土卫六比水星还要大，看来像是有可能曾在遥远的过去孕育过某种生命形式的样子。旅行者号发回的信息更为有趣。土卫六的大气比地球稠密一倍半，大多数是氮，只有一小部分甲烷。在旅行者号之前，人们认为地球是太阳系中唯一的情况，它的大气主要由氮组成。但实际上，土卫六的氮是地球的十倍。遗憾的是，稠密大气里的化学反应往往会产生一种类似于浓雾的状态，使土卫六表面无法被旅行者号的照相机看见，因此这颗卫星至今还有很多未知之谜。

在土卫六表面的“雾”里，以及“雾”的下面情况如何呢？由于氮一般是一种清澈的气体，大气大多由氮组成，那么，是什么构成“雾”的呢？当然，写科幻作品可以不管这些，但是科学家必须严肃地思考，烟雾会不会是某种有机雾气，其中是否也在发生几十亿年前的地球大气中曾发生过的类似化学反应。这些问题激起了如此巨大的兴趣，以至于好几个国家的太空计划，其中包括欧洲宇航局和美国宇航局，合作进行一项太空飞行任务，名字叫卡西尼/惠更斯，1997年发射升空，2004年到达土星。到达以后，惠更斯探测器将穿过土卫六的大气层，试图回答某些问题。与此同时，卡西尼探测器围绕土星旋转，详细研究这颗行星、它的光环和卫星（卫星的数目至少有31个）。

土星的最大的卫星土卫六把自己的表面藏在浓厚多云的大气下。行星学家认为这一遥远的世界也许拥有生命，如果不是现在，也许会在将来的某个时间。他们还希望能够凭借卡西尼/惠更斯号太空船（在土星上描写）以及末来的探测，发现这个神秘的卫星更多的东西。

神秘的天王星

天王星就像夜空中一颗遥远的绿色乒乓球，在1781年以前人们对它毫无所知，1781年才被威廉·赫歇尔首次看到。它的直径比地球大四倍，在遥远的轨道上围绕太阳旋转，离开太阳最近的距离是1 695 700 000英里。在旅行者号之前，人们只知道它有5个卫星。直到1977年，对它的了解依然甚少，除了知道一个奇怪的现象，那就是它的轴是“倾斜的”，倾斜度达到98度。所以，不像地球及其他行星的赤道区指向太阳的情况，天王星几乎是沿轴躺着自转的。它绕太阳一周需要84年，在此期间，每个极有42年面向太阳，然后，又有42年陷于黑暗。

就在旅行者号启程之前，1977年，有一个偶然的发现。一组天文学家正在美国宇航局的魁佩尔机载观测站进行观测，它是一架装备特殊的高空飞机，可以在地球大气的干扰区之上飞行。（现在已用另一架机载观测站代替，这个观测站叫做红外天文学同温层观测站，简称SOFIA）计划要求当天王星在一颗特定的恒星面前通过时，对它进行观测，这种方法叫做掩星法，天文学家常常用于对某个天体获取更多的信息。出乎意料的是，从天王星后面的恒星发出的光线，在通过天王星的前后，居然会稍稍变暗。难道他们已在行星的两侧发现了两个新的卫星？进一步的望远镜观测证明不是这样，而是天王星也有环！

所以，旅行者2号的主要任务之一就是对天王星光环进行贴近观察。结果发现最内侧的环距天王星云顶之上约10 000英里，11个环中的6个（其中两个是旅行者2号发现的）只有3～6英里的跨度。三个最宽的也只有10～30英里宽。更令人吃惊的是，这些环似乎主要是由大块的炭黑状物质组成，其中大多数直径在23～3 000英尺之间——比土星巨环系统的尘埃状粒子大得多。

旅行者2号还带给科学家另一不可思议的奥秘，就是天王星那奇特的磁场。太阳系其他行星的磁场大多与其旋转轴几乎平行，天王星的磁场却与它的旋转轴有55度的偏移。当这颗行星沿轴旋转时，它那偏转的磁场在空间里摇晃不定。再有，来自太阳、掠过行星的太阳风，把摇晃的磁场的远侧变成一个伸长的香蕉形。这一效应独一无二。

天王星的大气由氢、氮、碳和氧组成，大气上层熠熠生辉　——也许是紫外光——整个行星都覆盖在一层薄雾中，其中的温度都惊人地均匀。强烈的200英里每小时的风，比地球上的喷气流还强一倍，从云层上部吹来。但是旅行者2号无法穿透这层薄雾。

然而，这些卫星让科学人员大吃一惊。天卫五，最靠近天王星的卫星，给出了遥远的过去曾有过剧烈地质活动的证据。它有两种不同的地形，一种非常古老，上面布满由古老陨石坑组成的凹痕；另一种比较年轻，但相当复杂，显然是重大地质变化的结果。上面刻满奇特的类似于跑道的地形以及类似于绳索的印记。再有，尽管天卫五直径只有300英里，却有5万英尺深的峡谷——比地球上的大峡谷还要深十倍——状如在它的表面上刻下的一道路径。旅行者2号还提供了其他四个最大卫星的快照。天卫一在其年轻而复杂的表面上有宽广弯曲的山谷和峡谷。天卫二黑得像天王星的光环。天卫三有可能提供最近三四十亿年间彗星撞击的证据。天卫四和天卫五一样，显示了巨大断层结构的证据，其中有高山和陨石坑，看起来像是曾经一度被黑暗的液体淹没，然后又冻结成现在这个样子。

访问是短暂的，但当旅行者2号于1986年1月离开天王星系统时，却给科学人员留下了许多发人深省的数据。旅行者　2号向下一站，也是最后一站飞去，然后飞向太阳系的边缘。

外层巨星海王星

尽管从太阳向外数，第八颗行星海王星要比天王星离太阳更远10亿英里，但它和它的邻居在许多方面仍然极为相似。就离开太阳的距离来说，它是气态巨星中的最后一个，从地面上的望远镜看上去似乎没有特色。它的直径是地球的3. 8倍，而其质量却是地球的17. 2倍。海王星的大气几乎都是氢，加上少量的氦和甲烷，也许正是甲烷使海王星呈蓝色。有些科学家还相信，尽管甲烷的量很少，却由于吸收太阳光而影响行星的热平衡。地面测量表明，海王星发出的热多于从太阳吸收的热。有些科学家认为，这一超额热量也许是重分子逐渐沉到行星核心时所释放的能量引起的。尽管大多数行星学家认为海王星没有固态表面，但这颗行星的密度却暗示，它可能具有一个小型的坚固内核，外面覆盖着水、甲烷和氨。

但是到了　1989年　8月，当旅行者　2号掠过海王星时，永远地改变了这颗蓝色大行星及其卫星以前从未露出的真面目。在旅行者2号之前，人们只知道两个海王星卫星：海卫一，大小和地球的月亮差不多；海卫二，因其遥远、偏心的轨道使旅行者2号不可能拍摄到它的高分辨率照片。早在1989年6月，即旅行者2号抵达海王星之前两个月，它已经发现了比海卫二还要大的黑色类似冰块的另一颗卫星。当接近海王星的光环系统时，它又发现了总共五个小卫星，类似于旅行者　2号在木星和土星光环附近发现的领头卫星。

早在旅行者2号接近海王星这颗奇怪的蓝色气球时，太空船发现在它的大气里有一巨大的风暴系统，即大暗斑，其面积几乎和地球一样大。它处于与木星的大红斑同样的纬度，其相对于行星的大小也与木星上的大红斑相似。速率快到450英里每小时的狂风，使大黑斑绕着行星旋转时，看上去像是一个一头破裂的大豆荚。这只不过是几个巨大风暴系统之一，在它的顶端，还有快速移动的云团，但是让科学家感到迷惑不解的是，海王星如此远离太阳，它所得到的能量怎么能够掀起如此狂烈的风暴。

计算机模拟的画面，显示当太空船接近海王星最大的卫星海卫一时观察到的海王星。

还有，旅行者号发现的另一个重大意外是海王星的光环，从地球上看去似乎是一些不完全的弧。但是，海王星离地球的遥远距离使得要对其进行鉴别实在是极其困难，而旅行者2号确定了，尽管光环非常昏暗，它们还是完整地环绕着行星，形成了光环系统。

但是当旅行者2号掠过海王星时最激动人心的时刻也许还是体现在海王星的最大卫星海卫一。这一色彩斑驳的粉红天体看来是太阳系最冷的地方，温度大约是—400°F。海卫一看来还有冰火山，甚至也许依然处于活跃期，可以把15英里大小的冷冻氮晶体喷射到稀薄的大气里。

海王星是旅行者2号最后的一站，然后它就飞向太阳系的边缘进入银河系。这一小小的太空船及其同伴留下了大量信息与图像，随着科学家用数以百计的不同方法进行检验和分析，它们源源不断地在丰富人们的想象力。

这一切的开端？

所有这些来　自宇宙飞船的数据，大大推进了我们关于太阳系形成过程的认识。行星地质学家和物理学家继续钻研数以百万计的照片、图像和统计资料。计算机模拟帮助他们测试场景，测量碰撞的结果、温度、轨道、角度和速度。人们大多同意，太阳、地球和太阳系其他八个行星是在比45亿年前略早一点的时候，靠巨大的星际气体云（原始星云）的收缩而形成，而星际气体主要是由氢、氦和尘埃组成。但是也有科学家相信，这一切可能是从附近超新星的冲击波，或者星际爆炸开始的，冲击波穿过太空，破坏了松散的气体云原始状态的精致平衡。

不管情况怎样，一旦过程开始，收缩就会在气体云内部自然而不可避免的引力作用下继续进行下去。气体云由于剧烈的收缩和自转，成为盘状，并且外缘扁平。与此同时，聚集在中心的大量物质继续收缩，以至质量越来越重，成为演化中的太阳。

当气体云继续旋转并越来越快时，数以亿万计的尘埃微粒开始更剧烈和更频繁地碰撞，集中于盘的平面里。渐渐地这些颗粒的外形越来越大。当这些“星子”——行星及其卫星的早期祖先——达到一定规模时，他们不再仅仅依赖于偶然的碰撞来扩充自己的质量，而是靠引力招揽和吸引更多的固体物质粒子。这些“原行星”逐渐成长，大多数继续随着母星云的方向旋转。

与此同时，尽管增大缓慢并且正在收缩的太阳还没有点燃它的核反应炉，但太阳系内部的温度已经高到足以把水、甲烷和氨等物质蒸发为气体状态。这样一来，星云中不蒸发的成分如铁和硅酸盐就形成了内行星。而离原始太阳越远，温度越低，则越有利于挥发物凝聚成巨型的外行星（木星、土星、天王星和海王星），与此同时，也允许这些巨星从周围星云吸引和收集大量氢和氦之类的轻元素而不断膨胀。

随着太阳继续收缩，内核的密度和温度不断升高，当达到约1 000 × 104 K的临界温度时，开始靠氢的核聚变产生能量。一旦点火，太阳开始产生太阳风，带电的粒子流就像巨型的叶片鼓风机，把剩余的气体和尘埃颗粒驱赶出太阳系。

与此同时，依靠辐射而增温以及物质增加而产生的能量，使原始行星的核心开始熔融，形成如今所见的行星的内部结构。最后，由于太重而没有被太阳风吹走的剩余星子，在长达5亿年的轰击中不断撞击正在形成中的行星，造成的伤疤到现在还可以在大多数行星上看到。

这值不值得？

人类总是希望知道事情的机制和原因，所谓的“纯科学”全在于寻找答案和提出新问题，然后寻找新答案和观察新图像以及整合的方式。但是要寻找这些答案现在变得越来越昂贵了，许多人有理由问，我们为什么要知道这些？我们怎样才能判断，当地球上还有人因患疾病或因饥饿而死亡时，送宇宙飞船到其他行星上去，是值得还是不值得？

也许最好的回答是，与曾经生活在地球上的所有物种相比，在人类存在的这段短暂的时间里，我们在丰富和改善人类的生活方面所得到的成功，恰恰正是我们追求知识和理解的结果。在这一情况中，源于对大气、地质学、磁性和物理学与化学的其余部分所做的比较研究而得到的知识，是无法经别的渠道取得的。迄今所发现的各种事实及其复杂程度已经使科学家大感震惊，他们因此提出了许多问题，引出了无数的假设。行星探测的最直接和重要结果就是我们对自己地球的精细特性有了非常重要的新理解——意识到它的生态系统在太阳系中的独特性，并且在探讨太阳系中其他无生命和不适于生存的行星过程中得到警示。

【注释】

[1]据欧洲宇航局宣布，欧洲探测器SMART-1号（智能1号）已于格林尼治时间2006年9月3日5时42分22秒（北京时间13时42分22秒）成功撞击月球。——译者注

[2]2006年8月24日国际天文学联合会通过投票表决做出决定，取消冥王星的行星资格，而把它归属于类似小行星的“矮行星”。——译者注