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【蝶】-特殊註記-物理- 《前一篇 回他的日記本 後一篇》 【紅。紫】-天體.物理~
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篇名: 【蝶】-特殊註記-天文-
作者: 莫非 日期: 2012.06.20  天氣:  心情:
分類:天文學年表
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本分類包含下列9個頁面,共有9個頁面。
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太陽系天體發現時間列表
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這是數百年來太陽系內所發現的衛星的時間列表。

為了比較,天王星、海王星、冥王星的發現時間都包括在內。最初的六個小行星也都被包括在內,之後,每年都有新的小行星發現,而開始的四個至少在1851年之前都被看作是行星。

歷史上,衛星的名字總是在發現之後才有的。

在下面的表格中,衛星會以粗體字呈現,而行星,無論是主要的還是小行星,只要是繞著太陽公轉的都會以斜體字呈現。表的排列是以公告或出版品上登載的時間來排序,日期會附註以下的標示:

i:為取得第一幅影像的日期(攝影等等)。
o:第一次觀察的時間,或經由望遠鏡攝影而在底片上發現的實際日期。
p:為公告或刊登在出版物的日期。(排序的依據)

註:標有*號的衛星,其發現情況比較複雜;有些要用幾年時間才能確認,有時更中途失去蹤影,後來才再被確認。又有些明明已被航海家拍攝到,但要待多年後才被發覺。
目錄

1 色碼
2 望遠鏡發明之前
3 17世紀
4 18世紀
5 19世紀
6 20世紀
7 21世紀
8 參考文獻
9 參見
10 外部鏈結

色碼

為便於區分行星、矮行星和他們的衛星,將配以不同的底色:
行星 矮行星
水星 木星和衛星 穀神星
金星 土星和衛星 冥王星 和衛星
地球和月球 天王星和衛星 鬩神星和衛星迪絲諾美亞
火星和衛星 海王星和衛星
望遠鏡發明之前
望遠鏡發明之前
名稱 影像 參考/註解
太陽
Sun920607.jpg
在托勒密系統,地球被視為宇宙的中心,七顆行星各自在不同距離的軌道上繞著地球。希臘的斯多噶學派認為依序是:月球、水星、金星、太陽、火星、木星和土星,但太陽和月球不是行星,地球也被排除在行星之外。
水星
Mercuryglobe1.jpg
在哥白尼的《天體運行論》(De Revolutionibus Orbium Coelestium, 1543)太陽是宇宙的中心,地球像其他行星一樣,都繞著太陽公轉,依序是水星、金星、地球、火星、木星和土星。
金星
Venus-real.jpg
地球
The Earth seen from Apollo 17.jpg
火星
Mars Valles Marineris.jpeg
木星
Jupiter.jpg
土星
Saturn-cassini-March-27-2004.jpg
月球
Moon merged small.jpg
在哥白尼體系,月球已不再是行星而是地球的衛星,並且是唯一繞著地球而不繞著太陽公轉的天體。
17世紀
17世紀
日期 名稱 影像 參考/註解
1610年代
o: 1610年1月7日
p: 1610年3月13日 木衛四
Callisto.jpg
由伽利略發現。[1]這四顆衛星合稱伽利略衛星。伽利略衛星是人類最早確認圍繞除地球外的星體運行的天體。
這四顆衛星中的一顆(可能是木衛三)可能被中國戰國齊天文學家甘德所發現。[2]
木衛一
Io highest resolution true color.jpg
木衛二
Europa-moon.jpg
o: 1610年1月11日
p: 1610年3月13日 木衛三
Ganymede g1 true.jpg
1650年代
o:1655年3月25日
p:1656年3月5日 土衛六
Titan in natural color Cassini.jpg
惠更斯發現。[3]惠更斯先在1655年6月13日將他的發現做成字謎送出,稍後才出版成小冊《De Saturni luna Observatio Nova》,全文詳見Systema Saturnium (1659年7月)。
1670年代
o:1671年10月25日
p:1673年 土衛八
Iapetus by Voyager 2 - enhanced.jpg
卡西尼發現。[4]
o: 1672年12月23日
p: 1673年 土衛五
Rhea (moon) thumb.jpg
1680年代
o: 1684年3月21日
p: 1686年4月22日 土衛三
Tethys cassini.jpg
卡西尼發現。[5]
與早先發現的兩顆一起,卡西尼稱這些衛星為Sidera Lodoicea。

在他的著作Kosmotheôros (在作者過世後才在1698年出版),惠更斯有如下的敘述:你看見木星的四顆和土星的五顆衛星,都在各自的軌道上。"


土衛四
Dione.jpg
日期 名稱 影像 參考/註解
18世紀
18世紀
日期 名稱 影像 參考/註解
1780年代
o: 1781年3月13日
p:1781年4月26日 天王星
Uranus.jpg
赫歇爾 [4]. 赫歇爾在1781年4月16日首度報告他的發現,但起初他以為是彗星: Account of a Comet. By Mr. Herschel, F. R. S.; communicated by Dr. Watson, Jun. of Bath, F. R. S.,英國皇家學會會報,Vol. 71, pp. 492-501.
o:1787年1月11日
p:1787年2月15日 天衛三 赫歇爾, 新發現二顆衛星繞著喬治星 , 英國皇家學會會報Vol. Vol. 77, pp. 125-129, 1787
天衛四
Voyager 2 picture of Oberon.jpg
o:1789年8月28日 [5]
p:1789年11月12日 土衛二
Enceladus from Voyager.jpg
赫歇爾, 發現土星的第六和第七顆衛星,並論土星的環、大氣層、自轉軸和他的橢球體,英國皇家學會會報Vol. 80, pp. 1-20, 1790 (read November 12, 1789).
o: 1789年9月17日
p:1789年11月12日 土衛一
Mimas moon.jpg
日期 名稱 影像 參考/註解
19世紀
19世紀
日期 名稱 影像 參考/註解
1800年代
o: 1801年1月1日
p: 1801年 穀神星
Ceres Hubble sing.jpg
朱塞普·皮亞齊.他在1801年1月24日寫給天文學家的信中首度公布了它的發現,第一份出版品是在1801年9月的Monatliche Correspondenz。
o: 1802年3月28日 智神星 奧伯斯.
o: 1804年9月1日 婚神星
Juno mpl anim.gif
卡爾·哈丁.
o: 1807年3月29日 灶神星
Vesta-HST.jpg
奧伯斯.
1840年代
o: 1845年12月8日 義神星 亨克(Hencke)
o: 1846年9月23日
p:1846年11月13日 海王星
Neptune.jpg
伽勒和勒維耶 [6] [7]
o: 1846年10月10日
p:1846年11月13日 海衛一
Triton moon mosaic Voyager 2 (large).jpg
拉塞爾 [8]
o:1848年9月16日
p:1848年10月 土衛七
Hyperion.jpg
邦德, 邦德, 拉塞爾 [9] [10]
1850年代
o:1851年10月24日 天衛一
Ariel (moon).jpg
拉塞爾 [11]
天衛二
Umbriel (moon).jpg
1870年代
o: 1877年8月12日 火衛二
Deimos-viking1.jpg
阿薩夫·霍爾 [12] [13] [14] [15]
o: 1877年8月18日 火衛一
Phobos moon (large).jpg
1890年代
o:1892年9月9日
p:1892年10月4日 木衛五
Amalthea PIA02532.png
巴納德 [16]
i: 1898年8月16日
o: 1899年3月17日 土衛九
Phoebe cassini.jpg
皮克林 [17] [18]
日期 名稱 影像 參考/註解
20世紀
20th century
日期 名稱 編號 影像 參考/註解
1900年代
i: 1904年12月3日
p: 1905年1月6日 木衛六
Himalia.png
珮倫 [19] [20] [21] [22]
i:1905年1月2日
p: 1905年2月27日 木衛七 珮倫 [23] [24] [25]
i: 1908年1月27日
o:1908年2月28日
p:1908年3月1-6日 木衛八 梅洛帝 [26] [27]
1910年代
i: 1914年7月21日 木衛九 賽斯·尼克爾森 [28]
1930年代
i: 1930年1月23日
o: 1930年2月18日
p: 1930年3月13日 冥王星 湯博 [29]
i:1938年7月6日 木衛十 賽斯·尼克爾森 [30]
i: 1938年7月30日 木衛十一 賽斯·尼克爾森 [31]
1940年代
i:1948年2月16日 天衛五
Miranda.jpg
古柏 [32]
i:1949年5月1日 海衛二
Nereid-Voyager2.jpg
古柏 [33] [34]
1950年代
i:1951年9月28日 木衛十二 賽斯·尼克爾森 [35]
1960年代
i:1966年12月15日 土衛十* S/1966 S 2
Janus moon.jpg
都爾福斯 [36] [37] [38] [39] [40] [41]
(都爾福斯可能錯認了Epimetheus)
i:1966年12月18日 土衛十一* S/1980 S 3 Epimetheus.jpg 沃克 [42]
1970年代
i: 1974年9月11日
p:1974年9月20日 木衛十三 柯瓦爾 [43] [44] [45] [46]
i:1975年9月30日
p:1975年10月3日 木衛十八* S/1975 J 1 柯瓦爾 [47] [48] [49]
(發現之後失蹤)
i:1978年4月13日
o: 1978年6月22日 冥衛一 S/1978 P 1 克里斯蒂 [50] [51]
i:1979年7月8日
p:1979年11月23日 木衛十五 S/1979 J 1
Adrastea.jpg
朱維特, 丹尼爾遜 / 航海家2號 [52] [53] [54] [55]

[56] [57]
1980年代
日期 名稱 編號 影像 參考/註解
i:1980年2月19日 土衛十* S/1980 S 1
Janus moon.jpg
[58] [59] [60] [61] [62]
(由航海家1號確認)
i: 1980年2月26日 土衛十一* S/1980 S 3
Epimetheus.jpg
[63] [64] [65] [66] [67]
(由航海家1號確認)
i: 1980年3月1日 土衛十二 S/1980 S 6
Helene moon.jpg
拉克斯、勒肯裘斯 [68] [69] [70] [71]
i:1980年3月13日 土衛十四 S/1980 S 25
Calypso moon.jpg
帕什庫、塞德曼、巴姆、柯瑞 [72] [73]
i: 1980年4月8日 土衛十三 S/1980 S 13
Telesto cassini closeup.jpg
史密斯、Reitsema、拉生、方登、航海家1號 [74] [75]
i:1979年3月5日
p:1980年4月28日 木衛十四 S/1979 J 2
Thebe.jpg
辛諾特、航海家1號 [76] [77]
i:1979年3月4日
p:1980年8月26日 木衛十六 S/1979 J 3
Metis.jpg
辛諾特、航海家1號 [78]
o:1980年10月 土衛十五 S/1980 S 28
Atlas moon.jpg
泰瑞羅、航海家1號 [79]
o:1980年10月
p:1980年10月31日 土衛十六 S/1980 S 27
Prometheus moon.jpg
柯林斯、航海家1號 [80]
土衛十七 S/1980 S 26
Pandora moon.jpg
柯林斯、航海家1號 [81]
i: 1981年5月24日
p: 1981年5月29日 海衛七* S/1981 N 1
= S/1989 N 2
Larissa 1.jpg
Reitsema、哈伯德、Lebofsky、陶倫, 航海家2號 [82] [83]
i:1985年12月30日 天衛十五 S/1985 U 1
Uranus moon puck.gif
辛諾特、航海家2號 [84]
i:1986年1月3日 天衛十一 S/1986 U 2 辛諾特、航海家2號 [85] [86]
天衛十二 S/1986 U 1 辛諾特、航海家2號 [87] [88]
i:1986年1月9日 天衛九 S/1986 U 3 辛諾特、航海家2號 [89] [90]
i:1986年1月13日 天衛十 S/1986 U 6 辛諾特、航海家2號 [91] [92]
天衛十三 S/1986 U 4 辛諾特、航海家2號 [93] [94]
天衛十四 S/1986 U 5 辛諾特、航海家2號 [95] [96]
i:1986年1月20日 天衛六 S/1986 U 7 泰瑞羅、航海家2號 [97]
天衛七 S/1986 U 8 泰瑞羅、航海家2號 [98]
i:1986年1月23日 天衛八 S/1986 U 9 史密斯、航海家2號 [99]
i:1989年6月16日
p:1989年7月7日 海衛八 S/1989 N 1
Proteus Voyager 2 (big).jpg
辛諾特、航海家2號 [100]
i:1989年7月28日
p:1989年8月2日 海衛五 S/1989 N 3 辛諾特、航海家2號 [101]
海衛六 S/1989 N 4 辛諾特、航海家2號 [102]
i:1989年9月18日
p:1989年9月29日 海衛四 S/1989 N 5 泰瑞羅、航海家2號 [103]
海衛三 S/1989 N 6 泰瑞羅、航海家2號 [104]
1990年代
日期 名稱 編號 影像 參考/註解
i: 1981年8月22日
p:1990年7月16日 土衛十八* S/1981 S 13
Pan cassini.jpg
蕭瓦特、航海家2號 [105]
i:1981年8月23日
p: 1995年4月14日 土衛三十三* S/1981 S 14 戈登、墨瑞和Beurle [106]

[107]
i:1997年9月6日
p: 1997年10月31日 天衛十六 S/1997 U 1 葛萊德曼、尼科爾森、伯恩斯, Kavelaars [108]
天衛十七 S/1997 U 2 葛萊德曼 、尼科爾森、伯恩斯, Kavelaars [109]
i:1986年1月18日
p:1999年5月18日 天衛二十五* S/1986 U 10 卡高斯卡、航海家2號 [110]
i: 1999年7月18日 天衛十九 S/1999 U 1 Kavelaars、葛萊德曼、霍爾曼, Petit、紹爾 [111]
天衛二十 S/1999 U 2 葛萊德曼、霍爾曼、Kavelaars、Petit、紹爾 [112]
天衛十八 S/1999 U 3 霍爾曼、Kavelaars、葛萊德曼 、Petit、紹爾 [113]
2000年代
日期 名稱 編號 影像 參考/註解
i:1999年10月6日
p:2000年7月20日
木衛十七 S/1999 J 1 Scotti, Spahr, McMillan, Larsen, Montani, Gleason, Gehrels [114] [115]
i:2000年8月7日 土衛十九 S/2000 S 1 Gladman [116] [117]
土衛二十 S/2000 S 2 Gladman [118] [119]
土衛二十四 S/2000 S 5 Gladman [120] [121]
i:2000年9月23日 土衛二十九 S/2000 S 3 Gladman, Kavelaars [122] [123]
土衛二十一 S/2000 S 4 Kavelaars, Gladman [124] [125]
土衛二十二 S/2000 S 6 Kavelaars, Gladman [126] [127]
土衛三十 S/2000 S 7 Gladman, Kavelaars [128] [129]
土衛二十七 S/2000 S 8 Kavelaars, Gladman [130] [131]
土衛二十五 S/2000 S 9 Gladman, Kavelaars [132] [133]
土衛二十八 S/2000 S 10 Kavelaars, Gladman [134] [135]
土衛二十三 S/2000 S 12 Gladman, Kavelaars [136] [137]
i:2000年11月9日
p:2000年12月19日 土衛二十六 S/2000 S 11 Holman, Spahr [138] [139]
i:2000年11月21日
p:2000年11月25日 木衛十八* S/2000 J 1 Sheppard, Jewitt, Fernández, Magnier (Rediscovered) [140] [141]
日期 名稱 編號 影像 參考/註解
21世紀
21世紀
日期 名稱 編號 影像 參考/註解

i: 2000年11月23日
p: 2001年1月5日
木衛二十三 S/2000 J 2 謝柏德,大衛 C. 傑維特,斐南德,麥格尼爾,達姆,埃文斯 [142] [143] [144]
木衛二十四 S/2000 J 3
木衛二十五 S/2000 J 4
木衛二十二 S/2000 J 5
木衛二十六 S/2000 J 6
木衛二十七 S/2000 J 7
i: 2000年11月25日
p: 2001年1月5日 木衛十九 S/2000 J 8 謝柏德,傑維特,斐南德,麥格尼爾,達姆,埃文斯 [145] [146]
木衛二十 S/2000 J 9
i:2000年11月26日
p: 2001年1月5日 木衛二十一 S/2000 J 10 謝柏德,傑維特,斐南德,麥格尼爾,達姆,埃文斯 [147] [148]
i: 2000年12月5日
p: 2001年1月5日 S/2000 J 11 謝柏德,傑維特,斐南德,麥格尼爾,達姆,埃文斯 [149] [150]
日期 名稱 編號 影像 參考/註解
i: 2001年12月9日
p: 2002年5月16日 木衛三十 S/2001 J 3 謝柏德,傑維特,克萊納 [151] [152]
木衛三十二 S/2001 J 4
木衛三十六 S/2001 J 5
木衛三十七 S/2001 J 8
i: 2001年12月10日
p: 2002年5月16日 木衛二十八 S/2001 J 1 謝柏德,傑維特,克萊納 [153] [154]
i: 2001年12月11日
p:2002年5月16日 木衛二十九 S/2001 J 2 謝柏德,傑維特,克萊納 [155] [156]
木衛三十八 S/2001 J 6
木衛三十三 S/2001 J 7
木衛三十五 S/2001 J 9
木衛三十四 S/2001 J 10
木衛三十一 S/2001 J 11
i: 2001年8月13日
p: 2002年9月30日 天衛二十一 S/2001 U 1 霍爾曼,卡弗拉斯,米利薩夫列維奇 [157] [158]
i: 2002年10月31日
p: 2002年12月8日 木衛四十三 S/2002 J 1 謝柏德,米奇,謝,陶倫,湯瑞 [159] [160]
日期 名稱 編號 影像 參考/註解
i:2002年7月23日
p:2003年1月13日 海衛十一 S/2002 N 2 霍爾曼,卡弗拉斯,格拉夫,弗雷澤,米利薩夫列維奇 [161] [162]
i:2002年8月10日
p:2003年1月13日 海衛九 S/2002 N 1
i: 2002年8月11日
p: 2003年1月13日 海衛十二 S/2002 N 3
i: 2003年2月5日
p: 2003年3月4日 木衛四十七 S/2003 J 1 謝柏德,傑維特,克萊納,斐南德,謝 [163] [164]
S/2003 J 2
S/2003 J 3
S/2003 J 4
i: 2003年2月6日
p: 2003年3月4日 S/2003 J 5 謝柏德,傑維特,克萊納,斐南德,謝 [165] [166]
木衛四十五 S/2003 J 6
i: 2003年2月8日
p:2003年3月4日 木衛四十一 S/2003 J 7 謝柏德,傑維特,克萊納,斐南德,謝 [167] [168]
木衛三十九 S/2003 J 8 謝柏德,傑維特,克萊納,斐南德 [169] [170]
i: 2003年2月6日
p:2003年3月7日 S/2003 J 9 謝柏德,傑維特,克萊納,斐南德 [171] [172]
S/2003 J 10
木衛四十四 S/2003 J 11
i: 2003年2月8日
p: 2003年3月7日 S/2003 J 12 謝柏德,傑維特,克萊納,斐南德 [173] [174]
i: 2003年2月5日
p: 2003年4月11日 土衛三十一 S/2003 S 1 謝柏德,傑維特,克萊納 [175]
i:2003年2月9日
p:2003年4月11日 木衛四十八 S/2003 J 13 謝柏德,傑維特,克萊納 [176]
i: 2003年2月8日
p: 2003年4月11日 木衛四十九 S/2003 J 14 謝柏德,傑維特,克萊納 [177]
i: 2003年2月6日
p: 2003年4月11日 S/2003 J 15 謝柏德,傑維特,克萊納,斐南德 [178]
S/2003 J 16 葛萊德曼,謝柏德,傑維特,克萊納,卡弗拉斯,Petit,阿倫 [179]
i: 2003年2月8日
p: 2003年4月11日 S/2003 J 17 葛萊德曼,謝柏德,傑維特,克萊納,卡弗拉斯,Petit,阿倫 [180]
i: 2003年2月6日
p: 2003年4月11日 S/2003 J 18 葛萊德曼,卡弗拉斯,Petit,阿倫,謝柏德,傑維特,克萊納 [181]
i: 2003年2月6日
p: 2003年4月30日 S/2003 J 19 葛萊德曼,謝柏德,傑維特,克萊納,卡弗拉斯,Petit,阿倫 [182] [183]
i: 2003年2月9日
p: 2003年4月30日 木衛四十六 S/2003 J 20 謝柏德,葛萊德曼,卡弗拉斯,Petit,阿倫,傑維特,克萊納 [184] [185]
i: 2003年2月6日
p: 2003年5月30日 木衛四十 S/2003 J 21 謝柏德,傑維特,克萊納,葛萊德曼,卡弗拉斯,Petit,阿倫 [186] [187]
i: 1986年1月18日
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Methone (frame 15).jpg
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土衛三十三 S/2004 S 2
=S/1981 S 14
S2004s2 040601.jpg
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S2004 S 3 - PIA06115.png
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Polydeuces.jpg
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S2004 S6.jpg
帕科 et al. / 卡西尼-惠更斯

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日期 名稱 編號 影像 參考/註解
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土衛四十二 S/2004 S 8
土衛四十 S/2004 S 9
土衛三十六 S/2004 S 10
土衛三十七 S/2004 S 11
S/2004 S 12
S/2004 S 13
土衛四十三 S/2004 S 14
土衛三十八 S/2004 S 15
i: 2004年12月13日
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土衛三十九 S/2004 S 18
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PIA06237.jpg
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Xenaandgabrielle.jpg
Brown,Trujillo and Rabinowitz
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Chin,Conrad,Hartman,Johansson,Lafon,Rabinowitz,
Stomski,Summers,Trujillo, and Wizinowich [221]
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冥衛三 S/2005 P 1
日期 名稱 編號 影像 參考/註解
i: 2004年12月12日
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p: 2006年6月26日 S/2006 S 3
S/2006 S 4
土衛四十六 S/2006 S 5
S/2006 S 6
土衛四十八 S/2006 S 7
土衛四十七 S/2006 S 8
日期 名稱 編號 影像 參考/註解
i: 2006年1月5日
o: 2007年1月16日(?)
p: 2007年4月13日 土衛五十二 S/2007 S 1 謝柏德,傑維特,克萊納 [227]
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i: 2004年6月
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p: 2007年7月18日 土衛四十九 S/2007 S 4 Cassini-Huygens [229]
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i: 2011年6月28日
p: 2011年7月20日 冥衛四 S/2011 (134340) 馬克·肖華特(Mark Showalter)等 [231]
日期 名稱 編號 影像 參考/註解
參考文獻

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^ 席澤宗:伽利略前二千年甘德對木衛的發現,天體物理學報1981年第1期
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^ [1]. 卡西尼發表這兩顆衛星的發現: Découverte de deux nouvelles planètes autour de Saturne (Sébastien Mabre-Cramoisy, Paris, 1673),(英文版[2] )意思為:英國和法國皇家學會的卡西尼在巴黎皇家天文台觀測時,在土星旁發現兩顆新行星。英國皇家學會會報8 (1673), pp. 5178-5185.
^ 卡西尼在1686年4月22日發表這兩顆衛星的發現:依據[3] Journal Des Scavans 1686年4月22日的抽印本:卡西尼最近在巴黎的皇家天文台所做的觀測,使土星的衛星又增加了兩顆。, 英國皇家學會會報16 (1686-1692) pp. 79-85.

Gazetteer of Planetary Nomenclature
Scott Sheppard s Giant Planet Satellite Page
JPL Natural Satellite Discovery Data

參見

天然衛星
木星的衛星
土星的衛星
天王星的衛星
海王星的衛星
衛星名字列表
太陽系年表

外部鏈結

City of Hudson s Natural Satellite Page
Gazetteer of Planetary Nomenclature
Scott Sheppard s Giant Planet Satellite Page
JPL Natural Satellite Discovery Data
James L. Hilton, When Did the asteroids Become Minor Planets?


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太陽系
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太陽系的主要成員:由左至右依序為(未依照比例)海王星、天王星、土星、木星、小行星帶、太陽、水星、金星、地球和月球、火星,在左邊可以看見一顆彗星。

太陽系是以太陽為中心,和所有受到太陽的重力約束天體的集合體:8顆行星、至少165顆已知的衛星[1]、5顆已經辨認出來的矮行星和數以億計的太陽系小天體。這些小天體包括小行星、古柏帶的天體、彗星和星際塵埃。

廣義上,太陽系的領域包括太陽,4顆像地球的內行星,由許多小岩石組成的小行星帶,4顆充滿氣體的巨大外行星,充滿冰凍小岩石,被稱為古柏帶的第二個小天體區。在古柏帶之外還有黃道離散盤面和太陽圈,和依然屬於假設的歐特雲。

依照至太陽的距離,太陽系內的行星依序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。8顆行星中的6顆有天然的衛星環繞,在太陽系外側的行星還被由塵埃和許多小顆粒構成的行星環環繞著。除地球外,在地球上肉眼可見的行星以五行為名,其餘則與西方一樣,全都以希臘和羅馬神話故事中的神仙為名。五顆矮行星是冥王星,古柏帶內已知最大的天體之一鳥神星與妊神星,小行星帶內最大的天體穀神星,和屬於黃道離散天體的鬩神星。
目錄

1 名詞解釋
2 概述和結構
3 形成和演化
4 太陽
4.1 行星際物質
5 內太陽系
5.1 內行星
5.2 小行星帶
6 中太陽系
6.1 外行星
6.2 彗星
7 外太陽系
7.1 古柏帶
7.1.1 冥王星和凱倫
7.2 離散盤
7.2.1 鬩神星
8 最遠的區域
8.1 日球層頂
8.2 歐特雲
8.2.1 塞德娜和內歐特雲
8.3 範圍
9 星系的關聯
9.1 鄰近的區域
10 發現和探測
10.1 望遠鏡的觀測
10.2 太空船的觀測
10.3 載人探測
11 研究太陽系
12 其他行星系
13 太陽與八大行星數據表
14 其他資料
15 參考文獻
16 參見
17 外部連結

名詞解釋

參見:行星定義

太陽系的行星和矮行星。圖中唯大小依照比例,距離未依比例。

軌道環繞太陽的天體被分為三類:行星、矮行星、和太陽系小天體。

行星是環繞太陽且質量夠大的天體。這類天體:

有足夠的質量使本身的形狀成為球體;
有能力清空鄰近軌道的小天體。

能成為行星的天體有8個:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。

在2006年8月24日,國際天文聯合會重新定義行星這個名詞,首次將冥王星排除在大行星外,並將冥王星與穀神星和鬩神星組成新的分類:矮行星。[2] 矮行星不需要將鄰近軌道附近的小天體清除掉,其他可能成為矮行星的天體還有塞德娜、厄耳枯斯、和創神星。從第一次發現的1930年直至2006年,冥王星被當成太陽系的第九顆行星。但是在20世紀末期和21世紀初,許多與冥王星大小相似的天體在太陽系內陸續被發現,特別是鬩神星更明確的被指出比冥王星大。

環繞太陽運轉的其他天體都屬於太陽系小天體。[3]

衛星(如月球之類的天體),由於不是環繞太陽而是環繞行星、矮行星或太陽系小天體,所以不屬於太陽系小天體。

天文學家在太陽系內以天文單位(AU)來測量距離。1AU是地球到太陽的平均距離,大約是149,598,000公里(93,000,000英里)。冥王星與太陽的距離大約是39AU,木星則約是5.2AU。最常用在測量恆星距離的長度單位是光年,1光年大約相當於63,240天文單位。行星與太陽的距離以公轉週期為周期變化著,最靠近太陽的位置稱為近日點,距離最遠的位置稱為遠日點。

有時會將太陽系非正式地分成幾個不同的區域:「內太陽系」,包括四顆類地行星 和主要的小行星帶;其餘的是「外太陽系」,包含小行星帶之外所有的天體。[4] 其它的定義還有海王星以外的區域,而將四顆大型行星稱為「中間帶」。[5]
概述和結構
克萊門汀太空船從月球背面觀看在陽光下的黃道面,圖中的天體由左至右依序為水星、火星和土星。

太陽系的主角是位居中心的太陽,它是一顆光譜分類為G2V的主序星,擁有太陽系內已知質量的99.86%,並以引力主宰著太陽系。[6]木星和土星,是太陽系內最大的兩顆行星,又佔了剩餘質量的90%以上,目前仍屬於假說的歐特雲,還不知道會佔有多少百分比的質量。[7]

太陽系內主要天體的軌道,都在地球繞太陽公轉的軌道平面(黃道)的附近。行星都非常靠近黃道,而彗星和古柏帶天體,通常都有比較明顯的傾斜角度。
太陽系內天體的軌道(由左上方順時針拉遠觀看)。

由北方向下鳥瞰太陽系,所有的行星和絕大部分的其他天體,都以逆時針(右旋)方向繞著太陽公轉。有些例外的,像是哈雷彗星。

環繞著太陽運動的天體都遵守克卜勒行星運動定律,軌道都以太陽為橢圓的一個焦點,並且越靠近太陽時的速度越快。行星的軌道接近圓型,但許多彗星、小行星和古柏帶天體的軌道則是高度橢圓的。

在這麼遼闊的空間中,有許多方法可以表示出太陽系中每個軌道的距離。在實際上,距離太陽越遠的行星或環帶,與前一個的距離就會更遠,而只有少數的例外。例如,金星在水星之外約0.33天文單位的距離上,而土星與木星的距離是4.3天文單位,海王星又在天王星之外10.5天文單位。曾有些關係式企圖解釋這些軌道距離變化間的交互作用(參見提丟斯-波得定則),但這樣的理論從未獲得證實。
形成和演化

主條目:太陽系的形成與演化、恆星演化和行星的形成

藝術家筆下的原行星盤

太陽系的形成據信應該是依據星雲假說,最早是在1755年由康德和1796年由拉普拉斯各自獨立提出的。 [8] 這個理論認為太陽系是在46億年前從一個巨大的分子雲的塌縮中形成的。這個星雲原本有數光年的大小,並且同時誕生了數顆恆星。[9] 研究古老的隕石追溯到的元素顯示,只有超新星爆炸的心臟部分才能產生這些元素,所以包含太陽的星團必然在超新星殘骸的附近。可能是來自超新星爆炸的震波使鄰近太陽附近的星雲密度增高,使得重力得以克服內部氣體的膨脹壓力造成塌縮,因而觸發了太陽的誕生。[10]

被認定為原太陽星雲的地區就是日後將形成太陽系的地區, [11] 直徑估計在7,000至20,000天文單位,[9][12] 而質量僅比太陽多一點[13]。當星雲開始塌縮時,角動量守恆定律使它的轉速加快,內部原子相互碰撞的頻率增加。其中心區域集中了大部分的質量,溫度也比周圍的圓盤更熱。[9] 當重力、氣體壓力、磁場和自轉作用在收縮的星雲上時,它開始變得扁平成為旋轉的原行星盤,而直徑大約200天文單位,[9] 並且在中心有一個熱且稠密的原恆星。[14][15]

對年輕的金牛T星的研究,相信質量與預融合階段發展的太陽非常相似,顯示在形成階段經常都會有原行星物質的圓盤伴隨著(質量約為0.001至0.1太陽質量)[13],這些圓盤可以延伸至數百天文單位,並且最熱的部分可以達到數千K的高溫[16]。
哈柏的獵戶座大星雲原恆星影像,寬一光年的恆星育嬰室,非常像我們的太陽剛誕生時的原始星雲。

一億年後,在塌縮的星雲中心,壓力和密度將大到足以使原始太陽的氫開始熱融合,這會一直增加直到流體靜力平衡,使熱能足以抵抗重力的收縮能。這時太陽才成為一顆真正的恆星。[17]

相信經由吸積的作用,各種各樣的行星將從雲氣(太陽星雲)中剩餘的氣體和塵埃中誕生:

當塵粒的顆粒還在環繞中心的原恆星時,行星就已經開始成長;
然後經由直接的接觸,聚集成1至10公里直徑的叢集;
接著經由碰撞形成更大的個體,成為直徑大約5公里的星子;
在未來的數百萬年中,經由進一步的碰撞以每年15公分的的速度繼續成長。[18]

在太陽系的內側,因為過度的溫暖使水和甲烷這種易揮發的分子不能凝聚,因此形成的星子相對的就比較小(僅佔有圓盤質量的0.6%),[9] 並且主要的成分是熔點較高的矽酸鹽和金屬等化合物。這些石質的天體最後就成為類地行星。再遠一點的星子,受到木星引力的影響,不能凝聚在一起成為原行星,而成為現在所見到的小行星帶。[19]

在更遠的距離上,在凍結線之外,易揮發的物質也能凍結成固體,就形成了木星和土星這些巨大的氣體巨星。天王星和海王星獲得的材料較少,並且因為核心被認為主要是冰(氫化物),因此被稱為冰巨星。[20][21]

一旦年輕的太陽開始產生能量,太陽風(見下段)會將原行星盤中的物質吹入行星際空間,從而結束行星的成長。年輕的金牛座T星的恆星風就比處於穩定階段的較老的恆星強得多。[22][23]
太陽演化過程的藝術畫。從左到右依次為主序星、紅巨星和白矮星。

根據天文學家的推測,目前的太陽系會維持直到太陽離開主序。由於太陽是利用其內部的氫作為燃料,為了能夠利用剩餘的燃料,太陽會變得越來越熱,於是燃燒的速度也越來越快。這就導致太陽不斷變亮,變亮速度大約為每11億年增亮10%。

從現在起再過大約76億年,太陽的核心將會熱得足以使外層氫發生融合,這會導致太陽膨脹到現在半徑的260倍,變為一顆紅巨星。[24] 此時,由於體積與表面積的擴大,太陽的總光度增加,但表面溫度下降,單位面積的光度變暗。

隨後,太陽的外層被逐漸拋離,最後裸露出核心成為一顆白矮星,一個極為緻密的天體,只有地球的大小卻有著原來太陽一半的質量。[25]
太陽

主條目:太陽

由地球所見的太陽。

太陽是太陽系的母星,也是最主要和最重要的成員。它有足夠的質量讓內部的壓力與密度足以抑制和承受核融合產生的巨大能量,並以輻射的型式,例如可見光,讓能量穩定的進入太空。

太陽在分類上是一顆中等大小的黃矮星,不過這樣的名稱很容易讓人誤會,其實在我們的星系中,太陽是相當大與明亮的。恆星是依據赫羅圖的表面溫度與亮度對應關係來分類的。通常,溫度高的恆星也會比較明亮,而遵循此一規律的恆星都會位在所謂的主序帶上,太陽就在這個帶子的中央。但是,比太陽大且亮的星並不多,而比較暗淡和低溫的恆星則很多。[26]
赫羅圖,主序帶由右下延伸至左上。

太陽在恆星演化的階段正處於「壯年期」,尚未用盡在核心進行核融合的氫。太陽的亮度仍會與日俱增,早期的亮度只是現在的75%。[27]

計算太陽內部氫與氦的比例,認為太陽已經完成生命週期的一半,在大約50億年後,太陽將離開主序帶,並變得更大與更加明亮,但表面溫度卻降低的紅巨星,[28] 屆時它的亮度將是目前的數千倍。

太陽是在宇宙演化後期才誕生的第一星族恆星,它比第二星族的恆星擁有更多比氫和氦重的金屬(這是天文學的說法:原子序數大於氦的都是金屬。)。[29] 比氫和氦重的元素是在恆星的核心形成的,必須經由超新星爆炸才能釋入宇宙的空間內。換言之,第一代恆星死亡之後宇宙中才有這些重元素。最老的恆星只有少量的金屬,後來誕生的才有較多的金屬。高金屬含量被認為是太陽能發展出行星系統的關鍵,因為行星是由累積的金屬物質形成的。[30]
行星際物質

主條目:行星際物質

太陽圈電流片。

除了光,太陽也不斷的放射出電子流(電漿),也就是所謂的太陽風。這股微粒子流的速度為每小時150萬公里, [31] 在太陽系內創造出稀薄的大氣層(太陽圈),範圍至少達到100天文單位(日球層頂),也就是我們所認知的行星際物質。 太陽的黑子週期(11年)和頻繁的閃焰、日冕物質拋射在太陽圈內造成的干擾,產生了太空氣候。[32] 伴隨太陽自轉而轉動的磁場在行星際物質中所產生的太陽圈電流片,是太陽系內最大的結構。[33]
在軌道中看見的南極光。

地球的磁場從與太陽風的互動中保護著地球大氣層。水星和金星因為沒有磁場,太陽風使它們的大氣層逐漸流失至太空中。 [34] 太陽風和地球磁場交互作用產生的極光,可以在接近地球的磁極(如南極與北極)的附近看見。

宇宙線是來自太陽系外的,太陽圈屏障著太陽系,行星的磁場也為行星自身提供了一些保護。宇宙線在行星際物質內的密度和太陽磁場週期的強度變動有關,但是宇宙線在太陽系內的變動幅度究竟是多少,仍然是未知的。[35]

行星際物質至少在在兩個盤狀區域內聚集成宇宙塵。第一個區域是黃道塵雲,位於內太陽系,並且是黃道光的起因。它們可能是小行星帶內的天體和行星相互撞擊所產生的。[36] 第二個區域大約伸展在10-40天文單位的範圍內的古柏帶,帶內的天體可能是在相似的互相撞擊下產生的。[37][38]
內太陽系

內太陽系在傳統上是類地行星和小行星帶區域的名稱,主要是由矽酸鹽和金屬組成的。這個區域擠在靠近太陽的範圍內,半徑比木星與土星之間的距離還短。
內行星

主條目:類地行星

內行星。由左至右依序為水星、金星、地球、和火星(大小合乎比例)。

四顆內行星或是類地行星的特點是高密度、由岩石構成、只有少量或沒有衛星,也沒有環系統。它們由高熔點的礦物,像是矽酸鹽類的礦物組成表面固體的地殼和半流質的地函,以及由鐵、鎳構成的金屬組成核心。四顆中的三顆(金星、地球、火星)有實質的大氣層,全部都有撞擊坑和地質構造的表面特徵(地塹和火山等)。內行星容易和比地球更接近太陽的內側行星(水星和金星)混淆。

水星

主條目:水星
水星(0.4 天文單位)是最靠近太陽,也是最小的行星(0.055地球質量)。它沒有天然的衛星,僅知的地質特徵除了撞擊坑外,只有大概是在早期歷史與收縮期間產生的皺摺山脊。[39] 水星,包括被太陽風轟擊出的氣體原子,只有微不足道的大氣。[40] 目前尚無法解釋相對來說相當巨大的鐵質核心和薄薄的地函。假說包括巨大的衝擊剝離了它的外殼,還有年輕時期的太陽能抑制了外殼的增長。[41][42]

金星

主條目:金星
金星 (0.7 天文單位)的體積尺寸與地球相似(0.82地球質量),也和地球一樣有厚厚的矽酸鹽地函包圍著核心,還有濃厚的大氣層和內部地質活動的證據。但是,它的大氣密度比地球高90倍而且非常乾燥,也沒有天然的衛星。它是顆炙熱的行星,表面的溫度超過400°C,很可能是大氣層中有大量的溫室氣體造成的。[43] 沒有明確的證據顯示金星的地質活動仍在進行中,但是沒有磁場保護的大氣應該會被耗盡,因此認為金星的大氣是經由火山的爆發獲得補充。[44]

地球

主條目:地球
地球(1 天文單位)是內行星中最大且密度最高的,也是唯一地質活動仍在持續進行中並被人類承認擁有生命的行星,直徑12756km(赤道半徑 6378 km )。它也擁有類地行星中獨一無二的水圈和被觀察到的板塊結構。地球的大氣也與其他的行星完全不同,被存活在這兒的生物改造成含有21%的自由氧氣。[45] 它只有一顆衛星,即月球;月球也是類地行星中唯一的大衛星。

火星

主條目:火星
火星(1.5 天文單位)比地球和金星小(0.11地球質量),只有以二氧化碳為主的稀薄大氣,它的表面,有密集與巨大的火山,例如奧林帕斯山,水手號峽谷有深邃的地塹,顯示不久前仍有劇烈的地質活動。火山最高高度超過20000米。[46] 火星有兩顆天然的小衛星,戴摩斯和福伯斯,可能是被捕獲的小行星。[47]

小行星帶

主條目:小行星帶

小行星的主帶和特洛伊小行星。

小行星是太陽系小天體中最主要的成員,主要由岩石與不易揮發的物質組成。

主要的小行星帶位於火星和木星軌道之間,距離太陽2.3至3.3天文單位,它們被認為是在太陽系形成的過程中,受到木星引力擾動而未能聚合的殘餘物質。

小行星的尺度從大至數百公里、小至微米的都有。除了最大的穀神星之外,所有的小行星都被歸類為太陽系小天體,但是有幾顆小行星,像是灶神星、健神星,如果能被證實已經達到流體靜力平衡的狀態,可能會被重分類為矮行星。

小行星帶擁有數萬顆,可能多達數百萬顆,直徑在一公里以上的小天體。[48] 儘管如此,小行星帶的總質量仍然不可能達到地球質量的千分之一。[49] 小行星主帶的成員依然是稀稀落落的,所以至今還沒有太空船在穿越時發生意外。

直徑在10至10−4 米的小天體稱為流星體。[50]
穀神星

穀神星
穀神星 (2.77天文單位)是主帶中最大的天體,也是主帶中唯一的矮行星。它的直徑接近1000公里,因此自身的重力已足以使它成為球體。它在19世紀初被發目前,被認為是一顆行星,在1850年代因為有更多的小天體被發現才重新分類為小行星;[51] 在2006年,又再度重分類為矮行星。

小行星族
在主帶中的小行星可以依據軌道元素劃分成幾個小行星群和小行星族。小行星衛星是圍繞著較大的小行星運轉的小天體,它們的認定不如繞著行星的衛星那樣明確,因為有些衛星幾乎和被繞的母體一樣大。

在主帶中也有彗星,[52] 它們可能是地球上水的主要來源。

特洛依小行星的位置在木星的 L4或L5點(在行星軌道前方和後方的不穩定引力平衡點),不過「特洛依」這個名稱也被用在其他行星或衛星軌道上位於拉格朗日點上的小天體。 希耳達族是軌道週期與木星有著2:3共振的小行星族,當木星繞太陽公轉二圈時,這群小行星會繞太陽公轉三圈。

內太陽系也包含許多「淘氣」的小行星與塵粒,其中有許多都會穿越內行星的軌道。
中太陽系

太陽系的中部地區是氣體巨星和它們有如行星大小尺度衛星的家,許多短週期彗星,包括半人馬群也在這個區域內。此區沒有傳統的名稱,偶爾也會被歸入「外太陽系」,雖然外太陽系通常是指海王星以外的區域。在這一區域的固體,主要的成分是「冰」(水、氨和甲烷),不同於以岩石為主的內太陽系。
外行星

主條目:類木行星

由上而下:海王星、天王星、土星和木星。

在外側的四顆行星,也稱為類木行星,囊括了環繞太陽99%的已知質量。木星和土星的大氣層都擁有大量的氫和氦,天王星和海王星的大氣層則有較多的「冰」,像是水、氨和甲烷。有些天文學家認為它們該另成一類,稱為「天王星族」或是「冰巨星」。[53] 這四顆氣體巨星都有行星環,但是只有土星的環可以輕鬆的從地球上觀察。「外行星」這個名稱容易與「外側行星」混淆,後者實際是指在地球軌道外面的行星,除了外行星外還有火星。

木星
木星 (5.2 天文單位),主要由氫和氦組成,質量是地球的318倍,也是其他行星質量總和的2.5倍。木星的豐沛內熱在它的大氣層造成一些近似永久性的特徵,例如雲帶和大紅斑。木星已經被發現的衛星有63顆,最大的四顆,甘尼米德、卡利斯多、埃歐、和歐羅巴,顯示出類似類地行星的特徵,像是火山作用和內部的熱量。[54] 甘尼米德比水星還要大,是太陽系內最大的衛星。

土星
土星(9.5 天文單位),因為有明顯的環系統而著名,它與木星非常相似,例如大氣層的結構。土星不是很大,質量只有地球的95倍,它有60顆已知的衛星,泰坦和恩塞拉都斯,擁有巨大的冰火山,顯示出地質活動的標誌。[55] 泰坦比水星大,而且是太陽系中唯一實際擁有大氣層的衛星。

天王星
天王星(19.6 天文單位),是最輕的外行星,質量是地球的14倍。它的自轉軸對黃道傾斜達到90度,因此是橫躺著繞著太陽公轉,在行星中非常獨特。在氣體巨星中,它的核心溫度最低,只輻射非常少的熱量進入太空中。[56] 天王星已知的衛星有27顆,最大的幾顆是泰坦尼亞、歐貝隆、烏姆柏里厄爾、艾瑞爾、和米蘭達。

海王星
海王星(30 天文單位)雖然看起來比天王星小,但密度較高使質量仍有地球的17倍。他雖然輻射出較多的熱量,但遠不及木星和土星多。[57] 海王星已知有13顆衛星,最大的崔頓仍有活躍的地質活動,有著噴發液態氮的間歇泉,[58] 它也是太陽系內唯一逆行的大衛星。在海王星的軌道上有一些1:1軌道共振的小行星,組成海王星特洛伊群。

彗星

主條目:彗星

海爾·波普彗星。

彗星歸屬於太陽系小天體,通常直徑只有幾公里,主要由具揮發性的冰組成。 它們的軌道具有高離心率,近日點一般都在內行星軌道的內側,而遠日點在冥王星之外。當一顆彗星進入內太陽系後,與太陽的接近會導致她冰冷表面的物質昇華和電離,產生彗髮和拖曳出由氣體和塵粒組成,肉眼就可以看見的彗尾。

短週期彗星是軌道週期短於200年的彗星,長週期彗星的軌週期可以長達數千年。短週期彗星,像是哈雷彗星,被認為是來自古柏帶;長週期彗星,像海爾·波普彗星,則被認為起源於歐特雲。有許多群的彗星,像是克魯茲族彗星,可能源自一個崩潰的母體。[59] 有些彗星有著雙曲線軌道,則可能來自太陽系外,但要精確的測量這些軌道是很困難的。[60] 揮發性物質被太陽的熱驅散後的彗星經常會被歸類為小行星。[61]

半人馬群

半人馬群是散佈在9至30 天文單位的範圍內,也就是軌道在木星和海王星之間,類似彗星以冰為主的天體。半人馬群已知的最大天體是10199 Chariklo,直徑在200至250 公里。[62] 第一個被發現的是小行星2060,因為在接近太陽時如同彗星般的產生彗髮,目前已經被歸類為彗星。[63] 有些天文學家將半人馬族歸類為柯伊伯帶內部的離散天體,而視為是外部離散盤的延續。[64]
外太陽系

在海王星之外的區域,通常稱為外太陽系或是外海王星區,仍然是未被探測的廣大空間。這片區域似乎是太陽系小天體的世界(最大的直徑不到地球的五分之一,質量則遠小於月球),主要由岩石和冰組成。
古柏帶

主條目:古柏帶

古柏帶所有已知天體的位置,並標示出四顆外行星的位置。

古柏帶,最初的形式被認為是由與小行星大小相似,但主要是由冰組成的碎片與殘骸構成的環帶,擴散在距離太陽30至50 天文單位之處。這個區域被認為是短週期彗星,像是哈雷彗星,的來源。它主要由太陽系小天體組成,但是許多古柏帶中最大的天體,例如妊神星、鳥神星被歸類為矮行星,另外創神星、伐樓拿、和厄耳枯斯等也可能被歸類為矮行星。估計古柏帶內直徑大於50公里的天體會超過100,000顆,但總質量可能只有地球質量的十分之一甚至只有百分之一。[65] 許多古柏帶的天體都有兩顆以上的衛星,而且多數的軌道都不在黃道平面上。
以圖解顯示的傳統的古柏帶和軌道共振。

古柏帶大致上可以分成共振帶和傳統帶兩部分,共振帶是由與海王星軌道有共振關係的天體組成的(當海王星公轉太陽三圈就繞太陽二圈,或海王星公轉兩圈時只繞一圈),其實海王星本身也算是共振帶中的一員。傳統帶的成員則是不與海王星共振,散佈在39.4至47.7天文單位範圍內的天體。[66] 傳統的古柏帶天體以最初被發現的三顆之一的1992 QB1為名,被分類為類QB1天體。[67]
冥王星和凱倫

冥王星(平均距離39天文單位)是一顆矮行星,也是古柏帶內已知的最大天體之一。當它在1930年被發現後被視為第九顆行星,直到2006年才被定義為矮行星。冥王星的軌道對黃道面傾斜17度,與太陽的距離在近日點時是29.7天文單位(在海王星軌道的內側),遠日點時則達到49.5天文單位。
冥王星和已知的三顆衛星。

目前還不能確定凱倫,冥王星的衛星,是否應被歸類為目前認為的衛星還是屬於矮行星,因為冥王星和凱倫互繞軌道的質心不在任何一者的表面之下,形成了冥王星-凱倫雙行星系統。另外兩顆很小的衛星,尼克斯(Nix)與許德拉(Hydra)則繞著冥王星和凱倫公轉。 冥王星在共振帶上,與海王星有著3:2的共振(冥王星繞太陽公轉二圈時,海王星公轉三圈)。古柏帶中有著這種軌道的天體統稱為類冥天體。 [68]
離散盤

主條目:黃道離散天體

黑色:黃道離散天體,藍色:類QB1天體(傳統的),綠色:類冥天體(共振軌道)。
鬩神星和衛星鬩衛一。

離散盤與古柏帶是重疊的,但是向外延伸至更遠的空間。離散盤內的天體應該是在太陽系形成的早期過程中,因為海王星向外遷徙造成的引力擾動才被從古柏帶拋入反覆不定的軌道中。多數黃道離散天體( scattered disk object)的近日點都在古柏帶內,但遠日點可以遠至150 天文單位;軌道對黃道面也有很大的傾斜角度,甚至有垂直於黃道面的。有些天文學家認為黃道離散天體應該是古柏帶的另一部分,並且應該稱為「古柏帶離散天體」。[69]
鬩神星

鬩神星(平均距離68天文單位)是已知最大的黃道離散天體,並且引發了甚麼是行星的辯論。他的直徑至少比冥王星大15%,估計有2,400公里(1,500英里),是已知的矮行星中最大的。[70] 鬩神星有一顆衛星,鬩衛一(迪絲諾美亞),軌道也像冥王星一樣有著很大的離心率,近日點的距離是38.2天文單位(大約是冥王星與太陽的平均距離),遠日點達到97.6天文單位,對黃道面的傾斜角度也很大。
最遠的區域

太陽系於何處結束,以及星際介質開始的位置沒有明確定義的界線,因為這需要由太陽風和太陽引力兩者來決定。太陽風能影響到星際介質的距離大約是冥王星距離的四倍,但是太陽的洛希球,也就是太陽引力所能及的範圍,應該是這個距離的千倍以上。
日球層頂
航海家進入日鞘。

主條目:日球層頂和太陽圈

太陽圈可以分為兩個區域,太陽風傳遞的最大速度大約在95天文單位,相當於冥王星軌道的三倍之處。此處是終端震波的邊緣,也就是太陽風和星際介質相互碰撞與衝激之處。太陽風在此處減速、凝聚並且變得更加紛亂,形成一個巨大的卵形結構,也就是所謂的日鞘,外觀和表現得像是彗尾,在朝向恆星風的方向向外繼續延伸約40 天文單位,但是反方向的尾端則延伸數倍於此距離。太陽圈的外緣是日球層頂,此處是太陽風最後的終止之處,外面即是恆星際空間。[71]

太陽圈外緣的形狀和形式很可能受到與星際物質相互作用的流體動力學的影響,[72] 同時也受到在南端佔優勢的太陽磁場的影響;例如,它的形狀在北半球比南半球多擴展了9個天文單位(大約15億公里)。在日球層頂之外,在大約230天文單位處,存在著弓激波,它是當太陽在銀河系中穿行時產生的。[73]

還沒有太空船飛越到日球層頂之外,所以還不能確知星際空間的環境條件。而太陽圈如何保護在宇宙射線下的太陽系,目前所知甚少。為此,人們已經開始提出能夠飛越太陽圈的任務。[74][75]
歐特雲
藝術家描繪的古柏帶和假設中的歐特雲。

主條目:歐特雲

理論上的歐特雲有數以兆計的冰冷天體和巨大的質量,在大約50,000天文單位,最遠可達100,000天文單位的距離上包圍著太陽系,被認為是長週期彗星的來源。它們被認為是經由外行星的引力作用從內太陽系被拋至該處的彗星。歐特雲的物體運動得非常緩慢,並且可以受到一些不常見的情況的影響,像是碰撞、或是經過天體的引力作用、或是星系潮汐。[76][77]
望遠鏡看見的塞德娜。
塞德娜和內歐特雲

塞德娜是顆巨大、紅化的類冥天體,近日點在76 天文單位,遠日點在928 天文單位,12,050年才能完成一週的巨大、高橢率的軌道。米高·布朗在2003年發現這個天體,因為它的近日點太遙遠,以致不可能受到海王星遷徙的影響,所以認為它不是離散盤或古柏帶的成員。他和其他的天文學家認為它屬於一個新的分類,同屬於這新族群的還有近日點在45 天文單位,遠日點在415 天文單位,軌道週期3,420年的2000 CR105,[78] 和近日點在21 天文單位,遠日點在1,000 天文單位,軌道週期12,705年的(87269) 2000 OO67。布朗命名這個族群為「內歐特雲」,雖然它遠離太陽但仍較近,可能是經由相似的過程形成的。[79] 塞德娜的形狀已經被確認,非常像一顆矮行星。
範圍

參見:假想星體

我們的太陽系仍然有許多未知數。考量鄰近的恆星,估計太陽的引力可以控制2光年(125,000天文單位)的範圍。歐特雲向外延伸的程度,大概不會超過50,000天文單位。[80] 儘管發現的塞德娜,範圍在古柏帶和歐特雲之間,仍然有數萬天文單位半徑的區域是未曾被探測的。水星和太陽之間的區域也仍在持續的研究中。[81] 在太陽系的未知地區仍可能有所發現。
星系的關聯
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太陽系在銀河中的位置。


太陽系位於一個被稱為銀河系的星系內,直徑100,000光年,擁有約二千億顆恆星的棒旋星系。[82] 我們的太陽位居銀河外圍的一條旋渦臂上,稱為獵戶臂或本地臂。[83] 太陽距離銀心25,000至28,000光年,在銀河系內的速度大約是220公里/秒,因此環繞銀河公轉一圈需要2億2千5百萬至2億5千萬年,這個公轉週期稱為銀河年。[84]

太陽系在銀河中的位置是地球上能發展出生命的一個很重要的因素,它的軌道非常接近圓形,並且和旋臂保持大致相同的速度,這意味著它相對旋臂是幾乎不動的。因為旋臂遠離了有潛在危險的超新星密集區域,使得地球長期處在穩定的環境之中得以發展出生命。[85] 太陽系也遠離了銀河系恆星擁擠群聚的中心,接近中心之處,鄰近恆星強大的引力對歐特雲產生的擾動會將大量的彗星送入內太陽系,導致與地球的碰撞而危害到在發展中的生命。銀河中心強烈的輻射線也會干擾到複雜的生命發展。[85] 即使在太陽系目前所在的位置,有些科學家也認為在35,000年前曾經穿越過超新星爆炸所拋射出來的碎屑,朝向太陽而來的有強烈的輻射線,以及小如塵埃大至類似彗星的各種天體,曾經危及到地球上的生命。[86]

太陽向點(apex)是太陽在星際空間中運動所對著的方向,靠近武仙座接近明亮的織女星的方向上。[87]
鄰近的區域
藝術家想像的本星系泡。

太陽系所在的位置是銀河系中恆星疏疏落落,被稱為本星際雲的區域。這是一個形狀像沙漏,氣體密集而恆星稀少,直徑大約300光年的星際介質,稱為本星系泡的區域。這個氣泡充滿的高溫電漿,被認為是由最近的一些超新星爆炸產生的。[88] 在距離太陽10光年(95兆公里)內只有少數幾顆的恆星,最靠近的是距離4.3光年的三合星,半人馬座α。半人馬座α的A與B是靠得很近且與太陽相似的恆星,而C(也稱為半人馬座比鄰星)是一顆小的紅矮星,以0.2光年的距離環繞著這一對雙星。接下來是距離6光年遠的巴納德星、7.8光年的沃夫359、8.3光年的拉蘭德21185。在10光年的距離內最大的恆星是距離8.6光年的一顆藍白色A型星,質量約為太陽2倍,與天狼B星(白矮星)互繞著旋轉的天狼星。在10光年範圍內,還有距離8.7光年,由兩顆紅矮星組成的鯨魚座UV,和距離9.7光年,孤零零的紅矮星羅斯154。[89] 與太陽比較相似、並離我們最近的單獨恆星是距離11.9光年的鯨魚座τ,質量約為太陽的80%,但光度只有60%。[90]
發現和探測

主條目:地心說和日心說

數千年來的人類,除了少數幾個例外,都不相信太陽系的存在。地球不僅被認為是固定在宇宙的中心不動的,並且絕對與在虛無飄渺的天空中穿越的對象或神祇是完全不同的。當哥白尼與前輩們,像是印度的數學與天文學家阿耶波多第(Aryabhata)和希臘哲學家阿里斯塔克斯(Aristarchus),以太陽為中心重新安排宇宙的結構時,仍是在17世紀最前瞻性的概念,經由伽利略、克卜勒和牛頓等的帶領下,才逐漸接受地球不僅會移動,還繞著太陽公轉的事實;行星由和支配地球一樣的物理定律支配著,有著和地球一樣的物質與世俗現象:火山口、天氣、地質、季節和極冠。

最靠近地球的五顆行星,水星、金星、火星、木星和土星,是天空中最明亮的五顆天體,在古希臘被稱為「πλανήτης」(行星,意思是漫遊者),已經被知道會在以恆星為背景的天球上移動,這就是「行星」這個名詞的由來。天王星在最亮時雖然也能用肉眼看見,但仍然逃過了裸眼的觀測,直到1781年才被發現。
望遠鏡的觀測

主條目:太陽系年表

艾薩克·牛頓的望遠鏡複製品

太陽系的第一次探測是由望遠鏡開啟的,始於天文學家首度開始繪製這些因光度暗淡而肉眼看不見的天體之際。

伽利略是第一位發現太陽系天體細節的天文學家。他發現月球的火山口,太陽的表面有黑子,木星有4顆衛星環繞著。[91]惠更斯追隨著伽利略的發現,發現土星的衛星泰坦和土星環的形狀。 [92] 後繼的卡西尼發現了4顆土星的衛星,還有土星環的卡西尼縫、木星的大紅斑。[93]

愛德蒙·哈雷認識到在1705年出現的彗星,實際上是每隔75-76年就會重複出現的一顆彗星,現在稱為哈雷彗星。這是除了行星之外的天體會圍繞太陽公轉的第一個證據。[94]

1781年,威廉·赫歇耳在觀察一顆它認為的新彗星時,戒慎恐懼的宣布在金牛座發現了彗星。事實上,它的軌道顯示是一顆行星,天王星,這是第一顆被發現的行星。[95]

1801年,朱塞普·皮亞齊發現穀神星,這是位於火星和木星軌道之間的一個小世界,而一開始他被當成一顆行星。然而,接踵而來的發現使在這個區域內的小天體多達數以萬計,導致他們被重新歸類為小行星。[96]

到了1846年,天王星軌道的誤差導致許多人懷疑是不是有另一顆大行星在遠處對它施力。埃班·勒維耶的計算最終導致了海王星的發現。[97] 在1859年,因為水星軌道的近日點有一些牛頓力學無法解釋的微小運動(「水星近日點進動」),因而有人假設有一顆水內行星祝融星(中文常譯為「火神星」)存在;但這一運動最終被證明可以用廣義相對論來解釋,但某些天文學家仍未放棄對「水內行星」的探尋。

為解釋外行星軌道明顯的偏差,帕西瓦爾·羅威爾認為在其外必然還有一顆行星存在,並稱之為X行星。在他過世後,他的羅威爾天文台繼續搜尋的工作,終於在1930年由湯博發現了冥王星。但是,冥王星是如此的小,實在不足以影響行星的軌道,因此它的發現純屬巧合。就像穀神星,他最初也被當作行星,但是在鄰近的區域內發現了許多大小相近的天體,因此在2006年冥王星被國際天文學聯合會重新分類為矮行星。[97]

在1992年,夏威夷大學的天文學家大衛·朱維特和麻省理工學院的珍妮·劉發現1992 QB1,被證明是一個冰冷的、類似小行星帶的新族群,也就是現在所知的古柏帶,冥王星和凱倫都被是其中的成員。[98][99]

米高·布朗、乍德·特魯希略和大衛·拉比諾維茨在2005年宣布發現的鬩神星是比冥王星大的離散盤上天體,是在海王星之後繞行太陽的最大天體。[100]
太空船的觀測

主條目:太陽系探索時間線

藝術家筆下的先鋒10號,它在1983年飛越冥王星的軌道,最後的訊息是在2003年傳送回來的,當時的距離大約是82天文單位。這艘35歲高齡的太空船目前正以每小時27,000公里的速度遠離太陽。[101]

自從進入太空時代,許多的探測都是各國的太空機構所組織和執行的無人太空船探測任務。

太陽系內所有的行星都已經被由地球發射的太空船探訪,進行了不同程度的各種研究。雖然都是無人的任務,人類還是能觀看到所有行星表面近距離的照片,在有登陸艇的情況下,還進行了對土壤和大氣的一些實驗。

第一個進入太空的人造天體是前蘇聯在1957年發射的史潑尼克一號,成功的環繞地球一年之久。美國在1959年發射的探險家6號,是第一個從太空中送回影像的人造衛星。

第一個成功的飛越過太陽系內其他天體的是月球1號,在1959年飛越了月球。最初是打算撞擊月球的,但卻錯過了目標成為第一個環繞太陽的人造物體。水手2號是第一個環繞其他行星的人造物體,在1962年繞行金星。第一顆成功環繞火星的是1964年的水手4號。直到1974年才有水手10號前往水星。
暗淡藍點是航海家1號從60億公里外拍攝的地球影像(圓圈中的點)。條狀的光紋是來自太陽的繞射光芒(延伸到框架的左邊)。

探測外行星的第一艘太空船是先鋒10號,在1973年飛越木星。在1979年,先鋒11號成為第一艘拜訪土星的太空船。航海家計畫在1977年先後發射了兩艘太空船進行外行星的大巡航,在1979年探訪了木星,1980和1981年先後訪視了土星。航海家2號繼續在1986年接近天王星和在1989年接近海王星。 航海家太空船已經遠離海王星軌道外,在發現和研究終端震波、日鞘和日球層頂的路徑上繼續前進。依據NASA的資料,兩艘航海家太空船已經在距離太陽大約93天文單位處接觸到終端震波。[71][102]

還沒有太空船曾經造訪過古柏帶天體。而在2006年1月19日發射的新視野號將成為第一艘探測這個區域的人造太空船。這艘無人太空船預計在2015年飛越冥王星。如果這被證明是可行的,任務將會擴大以繼續觀察一些古柏帶的其他天體。[103]

在1966年,月球成為除了地球之外第一個有人造衛星繞行的太陽系天體(月球10號),然後是火星在1971年(水手9號),金星在1975年(金星9號),木星在1995年(伽利略號,也在1991年首先飛掠過小Gaspra),愛神星在2000年(會合-舒梅克號),和土星在2004年(卡西尼號-惠更斯號)。信使號太空船在2011年3月18日開始第一次繞行水星的軌道;同一時間,黎明號太空船將設定軌道在2011年環繞灶神星,並在2015年探索穀神星。

第一個在太陽系其它天體登陸的計畫是前蘇聯在1959年登陸月球的月球2號。從此以後,抵達越來越遙遠的行星,在1966年計畫登陸或撞擊金星(金星3號),1971年到火星(火星3號),但直到1976年才有維京1號成功登陸火星,2001年登陸愛神星(會合-舒梅克號),和2005年登陸土星的衛星泰坦(惠更斯)。伽利略太空船也在1995年拋下一個探測器進入木星的大氣層;由於木星沒有固體的表面,這個探測器在下降的過程中被逐漸增高的溫度和壓力摧毀掉。
載人探測

載人的探測目前仍被限制在鄰近地球的環境內。第一個進入太空(以超過100公里的高度來定義)的人是前蘇聯的太空人尤里·加加林,於1961年4月12日搭乘東方一號升空。第一個在地球之外的天體上漫步的是美國宇航員尼爾·阿姆斯特朗,它是在1969年7月21日的阿波羅11號任務中,於月球上完成的。美國的太空梭是能夠重覆使用的太空船,前蘇聯也曾經開發太空梭並已完成一次的無人太空梭升空任務,蘇聯瓦解後,俄羅斯無力繼續維護任其荒廢。第一個空間站是前蘇聯的禮炮1號。在2004年, 太空船1號成為在私人的基金資助下第一個進入次軌道的太空船。同年,美國總統喬治·布希宣布太空探測的遠景規劃:替換老舊的太空梭、重返月球、甚至載人前往火星,但這計畫在幾年後遭到終止。
研究太陽系

對太陽系的長期研究,分化出了這樣幾門學科:

太陽系化學:空間化學的一個重要分科,研究太陽系諸天體的化學組成(包括物質來源、元素與同位素豐度)和物理-化學性質以及年代學和化學演化問題。太陽系化學與太陽系起源有密切關係。
太陽系物理學:研究太陽系的行星、衛星、小行星、彗星、流星以及行星際物質的物理特性、化學組成和宇宙環境的學科。
太陽系內的引力定律:太陽系內各天體之間引力相互作用所遵循的規律。
太陽系穩定性問題:天體演化學和天體力學的基本問題之一

其他行星系

主條目:太陽系外行星

雖然學者同意另外還有其他和太陽系相似的天體系統,但直到1992年才發現別的行星系。至今已發現幾百個行星系,但是詳細材料還是很少。這些行星系的發現是依靠都卜勒效應,通過觀測恆星光譜的周期性變化,分析恆星運動速度的變化情況,並據此推斷是否有行星存在,並且可以計算行星的質量和軌道。應用這項技術只能發現木星級的大行星,像地球大小的行星就找不到了。

此外,關於類似太陽系的天體系統的研究的另一個目的是探索其他星球上是否也存在著生命。
太陽與八大行星數據表
太陽與八大行星數據表(順序以距離太陽由近而遠排列)
衛星數截至2006年5月,距離與軌道半徑以1天文單位(AU)為單位。 天體 赤道半徑
(km) 偏率
赤道重力
地球=1 體積
地球=1 質量
地球=1 比重
軌道半徑
(AU) 軌道傾角
(度) 赤道傾角
(度) 公轉周期
(地球年) 自轉周期
(地球日) 已發現衛星數
太陽 696000 0. 28.01 1304000 333400 1.44 -- -- 7.25 約兩億兩千六百萬(繞銀河系) 25.38天(赤道)/37.01天(南北兩極) --
水星 2440 0. 0.38 0.056 0.055 5.43 0.3871 7.005 ~0 88天 59天 0
金星 6052 0. 0.91 0.857 0.815 5.24 0.7233 3.395 177.4 225天 243天 0
地球 6378 0.0034 1.00 1.00 1.000 5.52 1.0000 0.000 23.44 365天 24小時 1
火星 3397 0.0052 0.38 0.151 0.107 3.93 1.5237 1.850 25.19 687天 24小時37分鐘 2
木星 71492 0.0648 2.48 1321 317.832 1.33 5.2026 1.303 3.08 11.86年 9小時50分鐘 63
土星 60268 0.1076 0.94 755 95.16 0.69 9.5549 2.489 26.7 29.46年 10小時39分鐘 60
天王星 25559 0.023 0.89 63 14.54 1.27 19.2184 0.773 97.9 84.01年 17小時14分鐘 23
海王星 24764 0.017 1.11 58 17.15 1.64 30.1104 1.770 27.8 164.82年 16小時06分鐘 13
最左側是太陽,向右依序為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星與海王星
其他資料

太陽系內眾多包含固態表面,而其直徑超過1公里的天體,它們的總表面積達17億平方公里。

有人認為太陽其實是一個雙星系統的主星,在遙遠的地方存在著一個伴星,名為「涅米西斯」(Nemesis,有譯作復仇女神)。該假設是用作解釋地球出現生物大滅絕的一些規則性,認為其伴星會攝動系內歐特雲中的小行星和彗星,使其改變軌道衝進太陽系,增加撞擊地球的機會並出現定期生物滅絕。[來源請求]
參考文獻

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參見

太陽系天體列表
根據運行軌道
根據質量
根據半徑
太陽系的行星表
衛星發現時間列表
行星定義
天文符號
太陽系全家福
行星系
太空移民

外部連結

太陽與行星常數表 - 臺北市立天文教育館
太陽系圖片集 - NASA網站(英文)
太陽系探險 - NASA網站(英文)
九大行星縱覽先知 - 一個太陽系的信息搜集與整理的網站
Celestia 一個免費的宇宙空間三維實時虛擬軟體 (OpenGL)
太陽系行星新定義 - 新華網快訊

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太陽系

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太陽
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汉漢▼
本文介紹的是太陽系內的恆星。關於與「太陽」同名的其他主題,詳見「太陽 (消歧義)」。
太陽 Sun symbol.svg 太陽
觀測資料
與地球
平均距離 1.496×108 km
以約光速8分19秒
視星等(V) −26.74 [1]
絕對星等 4.83 [1]
光譜類型 G2V
金屬量 Z = 0.0122[2]
角直徑 31.6′ – 32.7′ [3]
軌道特性
與銀河系核心
平均距離 ~2.5×1017 km
26000光年
銀河的周期 (2.25–2.50)×108 a
速度 ~220 km/s (環繞銀河系中心的軌道)
~20 km/s(相對於在星際間鄰近恆星的平均速度)
~370 km/s[4](相對於宇宙微波背景)
物理特性
平均直徑 1.392×106 km [1]
109 × 地球
赤道半徑 6.955×105 km [5]
109 × 地球[5]
赤道圓周 4.379×106 km [5]
109 × 地球[5]
扁率 9×10−6
表面積 6.0877×1012 km2 [5]
11,990 × 地球[5]
體積 1.412×1018 km3 [5]
1,300,000 × 地球
質量 1.9891×1030 kg[1]
333,000 × 地球[1]
平均密度 1.408×103 kg/m3 [1][5][6]
密度 中心(模型):1.622×105 kg/m3 [1]
光球底部:2×10−4 kg/m3
色球底部:5×10−6 kg/m3
日冕(平均):1×10−12 kg/m3 [7]
赤道表面重力 274.0 m/s2 [1]
27.94 g
28 × 地球[5]
逃逸速度
(從表面) 617.7 km/s [5]
55 × 地球[5]
溫度 中心(模型):~1.57×107 K [1]
光球(有效):5,778 K [1]
日冕: ~5×106 K
光度
(L太陽) 3.846×1026 W [1]
~3.75×1028 lm
~98 lm/W 發光功效
平均強度
(I太陽) 2.009×107 W•m−2•sr−1
自轉特性
傾角 7.25° [1]
(對黃道)
67.23°
(對銀河平面)
赤經
北極[8] 286.13°
19h 4min 30s
赤緯
北極 +63.87°
63°52 North
恆星自轉週期
(在赤道) 25.05天 [1]
(在緯度16°) 25.38天[1]
25d 9h 7min 12s [8]
(在極區) 34.4天[1]
自轉速度
(在赤道) 7.189×103 km/h [5]
光球的組成(依質量)
氫 73.46%[9]
氦 24.85%
氧 0.77%
碳 0.29%
鐵 0.16%
氖 0.12%
氮 0.09%
矽 0.07%
鎂 0.05%
硫 0.04%
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太陽是位於太陽系中心的恆星,它幾乎是熱電漿與磁場交織著的一個理想球體[10][11]。其直徑大約是1,392,000公里,相當於地球直徑的109倍;質量大約是2×1030千克(地球的330,000倍),約佔太陽系總質量的99.86%[12]。 從化學組成來看,太陽質量的大約四分之三是氫,剩下的幾乎都是氦,包括氧、碳、氖、鐵和其他的重元素質量少於2%[13]。

太陽的恆星光譜分類為G型主序星(G2V)。雖然它是白色的,但因為在可見光的頻譜中以黃綠色的部分最為強烈,從地球表面觀看時,大氣層的散射使天空成為藍色,所以它呈現黃色,因而被非正式的稱為「黃矮星」[14][15]。 光譜分類標示中的G2表示其表面溫度大約是 5778K(5505 °C),V則表示太陽像其他大多數的恆星一樣,是一顆主序星,它的能量來自於氫融合成氦的核融合反應。太陽的核心每秒鐘燃燒6億2000萬公噸的氫。太陽一度被天文學家認為是一顆微小平凡的恆星,但因為銀河系內大部分的恆星都是紅矮星,現在認為太陽比85%的恆星都要明亮[16][17]。太陽的絕對星等是 +4.83,但是由於其非常靠近地球,因此從地球上看來,它是天空中最亮的天體,視星等達到−26.74[18][19]。太陽高溫的日冕持續的向太空中拓展,創造的太陽風延伸到100天文單位遠的日球層頂。這個太陽風形成的「氣泡」稱為太陽圈,是太陽系中最大的連續結構[20][21]。

太陽目前正在穿越銀河系內部邊緣獵戶臂的本地泡區中的本星際雲。在距離地球17光年的距離內有50顆最鄰近的恆星系(最接近的一顆是紅矮星,被稱為比鄰星,距太陽大約4.2光年),太陽的質量在這些恆星中排在第四[22]。 太陽在距離銀河中心24,000至26,000光年的距離上繞著銀河公轉,從銀河北極鳥瞰,太陽沿順時針軌道運行,大約2億2500萬至2億5000萬年遶行一周。由於銀河系在宇宙微波背景輻射(CMB)中以550公里/秒的速度朝向長蛇座的方向運動,這兩個速度合成之後,太陽相對於CMB的速度是370公里/秒,朝向巨爵座或獅子座的方向運動[23]。

地球圍繞太陽公轉的軌道是橢圓形的,每年1月離太陽最近(稱為近日點),7月最遠(稱為遠日點),平均距離是1億4960萬公里(天文學上稱這個距離為1天文單位)[24]。以平均距離算,光從太陽到地球大約需要經過8分19秒。太陽光中的能量通過光合作用等方式支持著地球上所有生物的生長[25],也支配了地球的氣候和天氣。人類從史前時代就一直認為太陽對地球有巨大影響,有許多文化將太陽當成神來崇拜。 對太陽的正確科學認識進展得很慢,直到19世紀初期,傑出的科學家才對太陽的物質組成和能量來源有了一點認識。直至今日,人類對太陽的理解一直在不斷進展中,還有大量有關太陽活動機制方面的未解之謎等待著人們來破解。
目錄

1 特徵
1.1 核心
1.2 輻射帶
1.3 對流帶
1.4 光球
1.5 大氣層
1.5.1 溫度極小區
1.5.2 色球
1.5.3 過渡區
1.5.4 日冕
1.5.5 太陽圈
1.6 磁場
2 化學構造
2.1 個別電離的鐵族元素
2.2 太陽和行星的質量分化的關係
3 太陽週期
3.1 太陽黑子和太陽黑子週期
3.2 可能的長週期
4 生命周期
5 陽光
6 在銀河系中的位置和運動
7 理論上的問題
7.1 太陽微中子問題
7.2 日冕高溫問題
7.3 年輕太陽黯淡問題
7.4 現在的異常
8 觀測的歷史
8.1 早期的了解和語源
8.2 科學認識的發展
8.3 太陽太空任務
9 觀測和成效
10 術語
11 太陽伴星
12 人類文化中的太陽
12.1 太陽的重要性
12.2 太陽與神話
13 參見
14 註解
15 參考資料
16 延伸閱讀
17 外部鏈結

特徵
太陽上出現的C-3級閃焰(在左上角的白色區域),一個太陽海嘯(右上,波狀的結構)和多個絲狀的磁力線從恆星表面離開。
太陽結構的圖解:
1. 核心
2. 輻射層
3. 對流層
4. 光球
5. 色球
6. 日冕
7. 黑子
8. 米粒
9. 日珥

太陽是一顆G型主序星,佔太陽系總質量的99.8632% 。太陽的形狀接近理想的球體,估計扁率只有900萬分之一[26],這意味著極直徑和赤道直徑的差別不到10公里。由於太陽是由電漿組成,並不是固體,所以他的赤道轉得比極區快。這種現象稱作較差自轉,其原因是從太陽核心向外伸展的溫度變化,引發的太陽物質的對流運動。這些物質攜帶著一部份從黃道北極看是逆時鐘的太陽角動量,因而重新分配了角速度。實際的轉動周期在赤道大約是25.6天,在極區是33.5天,但是因為地球在環繞太陽時,不斷改變公轉軌道的角度,使得太陽赤道自轉的視運動大約是28天[27]。這種緩慢旋轉作用的離心力在赤道的效應不及太陽重力的1,800萬分之一,即使是行星產生的潮汐力也因為太微弱而對太陽的形狀起不了作用[28],但大質量的木星仍使核心偏離中心達一個太陽半徑。

太陽是富金屬星[note 1][29]。太陽的形成可能是一顆或多顆鄰近的超新星激震波所致。[30]這個猜測是基於太陽系中高度的重元素含量。在太陽系中,重金屬元素如金和鈾的含量遠高於被稱為貧金屬恆星高豐度。表面上看來這些元素只會由超新星產生的吸能核反應,或第二代恆星內部的核遷變而產生[29]。

太陽沒有像固態行星一樣明確的界線,並且它外面的氣體密度是隨著中心距離的增加呈指數下降[31]。然而太陽也有明確的結構劃分。一般定義太陽的半徑為從它的中心到光球邊緣的距離。光球只是氣體層的上層,因為太冷或太薄而輻射出大量可見光,並且因此成為肉眼最容易看見的表面[32]。

太陽的內部不能被直接觀察到,對電磁輻射也是不透明的。但是,正如地球上通過研究地震波來揭露地球的內部結構,日震學中也可藉由在太陽內部的壓力波(人耳聽不見的次聲波)來測量和明確太陽內部的結構[33]。太陽的深層內在構造也可以通過電腦建模等理論工具來研究。
核心

主條目:太陽核心

太陽型恆星的橫截面圖(NASA)。

太陽的核心是指距離太陽的中心不超過太陽半徑的五分之一或四分之一的區域[34],核心內部的物質密度高達150 克/立方公分[35][36],大約是水密度的150倍,溫度接近1,360萬K。相較之下,太陽表面的溫度大約只有5,800K。根據太陽和太陽風層探測器任務最近的資料分析,太陽核心的自轉速率比輻射帶等其它區域要快[34]。太陽形成後的大部分的時間裡,核融合的能量是經過一系列被稱為質子-質子鏈反應的過程產生的;這個過程將氫變成氦 [37],只有少於2%的氦是經由碳氮氧循環產生的。

核心是太陽內唯一能經由核融合產生大量熱能的區域,99%的能量產生在太陽半徑的24%以內,而在30%半徑處,融合反應幾乎完全停止。太陽的外層只是被從核心傳出的能量加熱。在核心經由核融合產生的能量首先需穿過由內到外接連的多層區域,才能到達光球層,然後化為光波或粒子的動能,散逸到外層的宇宙空間去[38][39]。

太陽核心每秒大約進行著9.2×1037次質子-質子鏈反應。這個反應是將4個自由的質子(氫原子核)融合成氦原子核(α粒子),每秒大約有3.7×1038個質子成為α粒子(太陽擁有的自由質子大約有8.9×1056個),相當於大約每秒6.2×1011千克[39]。每次氫原子核聚合成氦時,大約會有0.7%的質量轉化成能量[40]。因此,太陽的質能轉換速率為每秒鐘426萬噸(質量轉變為輻射能的形式離開,參考質能等效性),釋放出384.6 佑瓦特(3.846×1026 W)的能量[1],這相當於每秒鐘產生919.2×1010 萬噸TNT炸藥爆炸的能量。

太陽核心的核融合功率隨著與太陽中心的距離增大而減小,理論模型估計,在太陽的中心,核融合的功率密度大約是76.5 瓦/每立方米[41]。相較於氫彈的能量產生密度,這只相當於爬蟲類的新陳代謝率[note 2]太陽的巨大功率輸出不是由於其能量輸出密度高,而是因為它規模巨大。

太陽核心的核融合是在自我修正下達到平衡:速率只要略微提升,就會造成核心的溫度上升,壓強增大,更能抵抗外圍物質的壓力,因此核心會膨脹,從而降低核融合速率,修正之前核融合速率增加所造成的擾動;而如果反應速率稍微下降,就會導致溫度略微下降,壓強降低,從而核心會收縮,使核融合的速率又再提高,回復到它之前的水平[42][43]。

核融合產生的γ射線(高能量的光子流)從太陽核心釋放出來後,只要經過幾微米就會被太陽中的電漿吸收,然後再以較低的能量隨機地輻射向各個方向。因此,在不斷反覆的吸收和再輻射中,光子流要經過漫長的時間才能到達太陽表面。估計每個光子抵達太陽表面需要10,000年至170,000年的時間[44]。

在穿過對流帶,進入透明的光球表面時,光子就以可見光的型態散逸。每一股γ射線在核心產生的在逃逸入太空之前,都已經轉化成數百萬個可見光頻率的光子。核心的核融合時也釋放出微中子,但是與光子不同的是它很難與其它的物質交互作用,因此幾乎是立刻就從太陽表面逃逸出去。多年來,測量到來自太陽的微中子數量都只有理論數值的三分之一,因而產生了太陽微中子問題。這個差異直到2001年發現微中子振盪才獲得解決:太陽發出的微中子數量一如理論的預測,但是微中子探測器偵測到的少了2⁄3,這是因為在被偵測時微中子改變了它們的味[45]。
輻射帶

從大約0.25至0.7太陽半徑處,太陽物質是熱且稠密的,只以熱輻射就將將核心的炙熱充分的向外轉移[46]。在這個區域內沒有熱對流;同時隨著與中心距離的增加,溫度也從7,000,000K降至2,000,000K,這種溫度梯度小於絕熱下降率,因此不會造成對流[36]。能量的傳輸依賴輻射——氫和氦的離子發射的光子,但每個光子被其它的離子再吸收之前,只能傳遞很短的距離[46]。從輻射帶的底部至頂端的密度下降達到百倍(從20公克/立方公分降至只有0.2公克/立方公分)[46]。

輻射帶和對流帶之間形成的一個過渡層叫差旋層(tachocline)。它是均勻旋轉的輻射帶和較差自轉的對流帶之間有著急遽轉變工作狀態的區域,結果造成巨大的切變——當接連的平面層滑過另一個時的條件[47]。在上面的對流帶發現的流體運動,從這一層的頂端至底部慢慢的消失,與輻射帶頂段平靜的特徵相匹配。目前這還是一個假說(參見太陽發電機),在這一層內的磁發電機產生太陽的磁場[36]。
對流帶

太陽的外層,從它的表面向下至大約200,000公里(或是70%的太陽半徑),太陽的電漿已經不夠稠密或不夠熱,不再能經由傳導作用有效的將內部的熱向外傳送;換言之,它已經不夠透明了。結果是,當熱柱攜帶熱物質前往表面(光球),產生了熱對流。一旦這些物質在表面變冷,它會向下切入對流帶的底部,再從輻射帶的頂部獲得更多的熱量。在可見的太陽表面,溫度已經降至5,700K,而且密度也只有0.2公克/立方公分(大約是海平面密度的六千分之一)[36]。

在對流帶的熱柱形成在太陽表面上非常重要的,像是米粒組織和超米粒組織。在對流帶的亂流會在太陽內部的外圍部分造成"小尺度"的發電機,這會在太陽表面的各處產生磁南極和磁北極[36]。太陽的熱柱是貝納得穴流,因此往往像六角型的稜鏡[48]。
光球
太陽的有效溫度或黑體溫度(5777K)是一個相同大小的黑體,在產生完全輻射的功率時所對應的溫度。

主條目:光球

太陽可見的表面,光球,在這一層下面的太陽對可見光是不透明 [49],在光球之上可見光可以自由的傳播到太空之中,而它的能量可以完全從太陽帶走。透明度的變化是因為會吸收可見光的 H−離子數量減少[49]。相反的,我們看見的可見光是電子與氫再作用產生H−離子時產生的[50][51]。 光球的厚度只有數十至數百公里的厚度,只是略比球的空氣不透明了些。因為光球上半部分的溫度比下半部的低,因此太陽盤面的影像會呈現中央比周圍的邊緣或周邊明亮的現像,這一種現象稱為周邊昏暗 [49]。陽光有著近似於黑體的光譜,穿插著數千條來自光球之上稀薄的原子吸收線,指示其溫度大約是6,000K。光球的粒子密度大約是1023米−3(大約是地球大氣層在海平面粒子密度的0.37%,但是光球中的粒子是電子和質子,所以空氣的平均質量只是58倍)[46]。

在研究光球可見光譜的早期,發現有些吸收譜線不能符合地球上任何已知的化學元素。在1868年,諾曼·洛克假設這些吸收譜線是一種新元素造成的,他以希臘的太陽神為依據,將之命名為氦,而在25年之後才在地球上分離出氦元素[52]。
大氣層

參見:日冕及冕圈

日全食,於短暫的全食階段可以用肉眼看見太陽的日冕。

太陽光球以上的部分統稱為太陽大氣層[49],跨過整個電磁頻譜,從無線電、可見光到伽瑪射線,都可以觀察它們,分為5個主要的部分:溫度極小區、色球、過渡區、日冕、和太陽圈[49]。太陽圈,可能是太陽大氣層最稀薄的外緣,並且延伸到冥王星軌道之外與星際物質交界,交界處稱為日鞘,並且在那兒形成剪切的激波前緣。色球、過渡區、和日冕的溫度都比太陽表面高[49],原因還沒有獲得證實,但證據指向阿爾文波可能攜帶了足夠的能量將日冕加熱[53]。
溫度極小區

太陽上溫度最低的地區稱為溫度極小區,大約在光球上方500 公里,溫度大約是4,100 K[49]。這一部分的溫度低到可以維持簡單的分子,像是一氧化碳和水,並且可以從檢出它們的吸收譜線[54]。
色球

在溫度極小區之上是一層大約2,000 公里厚,主導著譜線的吸收和發射[49]。因為在日全食的開始和結束時可以看見彩色的閃光,因此稱為色球,名字來自希臘的字根chroma,意思就是顏色[46]。色球層的溫度隨著高度從底部逐步向上提升,接近頂端的溫度大約在20,000 K [49]。在色球的上層部分,氦開始被部分的電離 [55]。
過渡區
這張影像是使用日出衛星的光學望遠鏡在2007年1月12日拍攝的,顯示出因為磁場極性的不同自然的電漿連接成纖維的區域。

在色球之上,是一層薄至大約只有200公里的過渡區,溫度從色球頂端大約200,000K上升至接階近1,000,000K的日冕溫度[56]。溫度的上升使氦在過渡區很容易就被完全的電離,這可以大量減少電漿的輻射冷卻[55]。過渡區沒有明確的出現高度,它形成一種環繞著色球的光輪,外型很像針狀體和暗條,並處於持續不斷的渾沌運動[46]。從地球表面很難看到過渡區,但在太空中使用對電磁頻譜的超紫外線靈敏的儀氣很容易觀察到[57]。
日冕

主條目:日冕

日冕是太陽向外擴展的大氣層,它的體積比太陽本身大了許多。不斷擴展的日冕在太空中形成太陽風,充滿了整個的太陽系[58]。日冕的低層非常靠近太陽的表面,粒子的密度環繞在 1015–1016米−3[55][note 3],日冕和太陽風的平均溫度大約是1,000,000–2,000,000 K;而在最高溫度的區域是8,000,000–20,000,000 K[56]。日冕的溫度雖然很高,但密度很低,因此所含的熱量很少。雖然還沒有完整的理論可以說明日冕的溫度,但至少已經知道有一部分熱是來自磁重聯 [56][58]。
太陽圈

主條目:太陽圈

太陽圈,從大約20太陽半徑(0.1天文單位)到太陽系的邊緣,這一大片環繞著太陽的空間充滿了伴隨太陽風離開太陽的電漿。他的內側邊界是太陽風成為超阿耳芬波的那層位置-流體的速度超過阿耳芬波[59]。因為訊息只能以阿耳芬波的速度傳遞,所以在這個界限之外的亂流和動力學的力量不再能影響到內部的日冕形狀。太陽風源源不斷的進入太陽圈之中並向外吹拂,使得太陽的磁場形成螺旋的形狀[58],直到在距離太陽超過50天文單位之外撞擊到日鞘為止。在2004年12月,航海家1號已穿越過被認為是日鞘部分的激波前緣。兩艘航海家太空船在穿越邊界時都偵測與記錄到能量超過一般微粒的高能粒子[60]。
磁場

參見:恆星磁場

太陽圈電流片延伸到太陽系外,結果是來自太陽的旋轉磁場影響到星際物質中的電漿[61]。

太陽是磁力活躍的恆星,它支撐一個強大、年復一年在變化的磁場,並且大約每11年環繞著太陽極大期反轉它的方向[62]。太陽磁場會導致很多影響,稱為太陽活動,包括在太陽表面的太陽黑子、太陽閃焰、和攜帶著物質穿越太陽系且不斷變化的太陽風[63]。太陽活動對地球的影響包括在高緯度的極光,和擾亂無線電通訊和電力。太陽活動被認為在太陽系的形成和演化扮演了很重要的角色[64]。

太陽因為高溫的緣故,所有的物質都是氣體和電漿,這使得太陽的轉速可能在赤道(大約25天)較快,而不是高緯度(在兩極約為35天)。太陽因緯度不同的較差自轉造成它的磁場線隨著時間而糾纏在一起,造成磁場圈,從太陽表面噴發出來,並觸發太陽形成系距性的太陽黑子和日珥 (參見磁重聯)。隨著太陽每11年反轉它本身的磁場,這種糾纏創造了太陽發電機和11年的太陽磁場活動太陽週期[65][66]。

太陽磁場野車出了太陽本身,磁化的太陽風電漿攜帶著太陽的磁場進入太空,形成所謂的行星際磁場[58]。由於電漿只能沿著磁場線移動,離開太陽的行星際磁場起初是沿著徑向伸展的。因位在太陽赤道上方和下方離開太陽的磁場具有不同的極性,因此在太陽的赤道平面存在著一層薄薄的電流層,稱為太陽圈電流片 [58]。太陽的自轉使得遠距離的磁場和電流片旋轉成像是阿基米德螺旋結構,稱為派克螺旋[58]。行星際磁場的強度遠比太陽的偶極性磁場強大。太陽50-400μT的磁偶極 (在光球) 隨著距離的三次方衰減,在地球的距離上只有0.1 nT。然而,依據太空船的觀測,在地球附近的行星際磁場視這個數值的100倍,大約是5nT[67]。
化學構造

組成太陽的化學元素主要是氫和氦,以質量計算它們在太陽光球中分別佔74.9%和23.8%[68]。所有的重元素,在天文學中稱為 金屬 ,只佔不到總質量的2%,含量最豐富的是氧(大約佔太陽質量的1%)、碳(0.3%)、氖 (0.2%)、和鐵(0.2%)[69]。

太陽繼承了形成它的星際物質中的化學成分:在太陽中的氫和氦來自太初核合成,金屬是由前一代恆星經由恆星核合成產生的,並在太陽誕生之前完成恆星演化將產物返回星際介質中的[70]。光球的化學成分通常被認為是與原始太陽系的組成相當[71]。然而,自從太陽形成,氦和重元素已經遷移出光球,因此現在光球中只有微量的氦,並且重元素也只有原始太陽的84%,而原恆星的太陽71.1%是氫,27.4%是氦,1.5%是金屬[68]。

在太陽內部的部分,核融合將氫轉化成氦已經修改了組成,所以太陽的最內層大約有60% 是氦,金屬的豐度則沒有改變。因為內部是輻射帶,沒有對流 (參見之前的結構),沒有核融合的產物從核心上升進入光球[72]。

前面所述的太陽重元素豐度通常都是使用分光術測量太陽表面的光球,和測量隕石中沒有被加熱溫度熔化的豐度。這些隕石被認為保留了恆星太陽的組成,因此沒有受到重元素的汙染。這兩種方法的結果是一致的[13]。
個別電離的鐵族元素

在1970年代,許多的研究聚焦在太陽鐵族元素的豐度[73][74]。雖然進行了一些重大的研究,但是直到1978年發現超精細結構之前,對鐵族元素(例如:鈷和錳)的豐度測定仍很困難[73]。

基本上,在1960年代就已經完成對鐵族元素振子強度的第一次完整測量[75],並且在1976年改進了振子強度的計算[76]。在1978年,得到了個別電離的鐵族元素豐度[73]。
太陽和行星的質量分化的關係

許多的作者都曾考慮過惰性氣體和同位素在太陽和行星之間的組成存在的質量分化[77],例如行星的氖和氙與同位素在行星和太陽之間的相關性[78]。然而,至少在1983年,仍然普遍的認為整個太陽的成分如同大氣層的組成[79]。

在1983年,才宣稱太陽本身的分化是造成行星和太陽風植入惰性氣體之間的分化關係[79]。
太陽週期

主條目:太陽黑子和太陽週期表

太陽黑子和太陽黑子週期
在過去30年測量的太陽週期變化。

當使用適當的過濾觀察太陽時,通常最能立刻看見的特徵就是太陽黑子,因為那是溫度較低而明確出現比周圍黑暗的區域。太陽黑子是強磁場的區域,對流受到強量磁場的抑制,減少了從高熱的內部傳送到表面的能量。磁場造成大量的熱進入日冕,形成的活動區是激烈的太陽閃焰和日冕物質拋射的來源。最大的太陽黑子有數萬公里的直徑[80]。

在太陽上可以看見的太陽黑子數量並不是固定的,它以11的週期變化,形成所知的太陽週期。當太陽黑子週其進展時,太陽黑子的數量會增加,並且初系的位置也逐漸接近太陽的赤道,史波勒定律就是描述這種現象。太陽黑子通常都以磁性相異的形式成對出現,每一個太陽週期的前導黑子磁性會交替的改變,所以當一個太陽週期是磁北極前導,下一個太陽週期就是磁南極前導[81]。
在過去大約250年觀測的太陽黑子數量,顯示出大約11年的太陽週期。

因為太陽的光度與磁場活動有直接的關係,太陽週期不僅對太空天氣有很大的影響,對地球的氣候也有重大的影響[82]。太陽活動極小往往和低溫連繫再一起,而超過平均長度的週期則與高溫相關聯。在17世紀,太陽週期似乎完全停止了數十年,在這段期間只觀測到少數幾個太陽黑子。那個時代稱為蒙德極小期或小冰期,歐洲經歷了很冷的溫度[83]。分析樹木的年輪發現更早的一些極小期,並且也顯現出與全球的溫度低於平均溫度的期間相符合[84]。
可能的長週期

最近有理論宣稱在太陽合新的磁性不穩定導致週期為41,000年或100,000年的變異。這可以對冰河期和米蘭科維奇循環提供更好的解釋[85][86]。
生命周期

太陽是在大約45.7億年前在一個坍縮的氫分子雲內形成[87]。太陽形成的時間以兩種方法測量:太陽目前在主序帶上的年齡,使用恆星演化和太初核合成的電腦模型確認,大約就是45.7億年[88]。這與放射性定年法得到的太陽最古老的物質是45.67億年非常的吻合[89][90]。 太陽在其主序的演化階段已經到了中年期,在這個階段的核融合是在核心將氫融合成氦。每秒中有超過400萬噸的物質在太陽的核心轉化成能量,產生微中子和太陽輻射。以這個速率,到目前止太陽大約轉化了100個地球質量的物質成為能量,太陽在主序帶上耗費的時間總共大約為100億年[91]。

太陽沒有足夠的質量爆發成為超新星,替代的是,在約50億年後它將進入紅巨星的階段,氦核心為抵抗重力而收縮,同時變熱;緊挨核心的氫包層因溫度上升而加速聚變,結果產生的熱量持續增加,傳導到外層,使其向外膨脹。當核心的溫度達到1億K時,氦融合將開始進行並燃燒生成碳。由於此時的氦核心已經相當於一個小型「白矮星」(電子簡併態),熱失控的氦融合將導致氦閃,釋放的巨大能量使太陽核心大幅度膨脹,解除了電子簡併態,然後核心剩餘的氦進行穩定的聚變。從外部看,太陽將如新星般突然增亮5~10個星等(相比於此前的「紅巨星」階段),接著體積大幅度縮小,變得比原先的紅巨星暗淡得多(但仍將比現在的太陽亮),直到核心的碳逐步累積,再次進入核心收縮、外層膨脹階段。這就是漸近巨星分支階段[29]。
太陽的生命循環;未依照大小的比例繪製。

地球的命運是不確定的,當太陽成為紅巨星時,太陽的半徑將膨脹超越地球現在的軌道——1天文單位(149,597,870,691公尺),是現在的250倍[92]。然而,當太陽成為漸近巨星分支的恆星時,由於恆星風的作用,它大約已經流失30%的質量,所以地球的軌道會向外移動。如果只是這樣,地球或許可以倖免,但新的研究認為地球可能會因為潮汐的交互作用而被太陽吞噬掉[92]。但即使地球能逃推被太陽焚毀的命運,地球上的水仍然都會沸騰,大部分的氣體都會逃逸入太空。即使太陽仍在主序帶的現階段,太陽的光度仍然在緩慢的增加(每10億年約增加10%),表面的溫度也緩緩的提升。太陽過去的光度比較暗淡,這可能是生命在10億年前才出現在陸地上的原因。太陽的溫度若依照這樣的速率增加,在未來的10億年,地球可能會變得太熱,使水不再能以液態存在於地球表面,而使地球上所有的生物趨於滅絕[92][93]。

繼紅巨星階段之後,激烈的熱脈動將導致太陽外層的氣體逃逸,形成行星狀星雲。在外層被剝離後,唯一留存下來的就是恆星炙熱的核心——白矮星,並在數十億年中逐漸冷卻和黯淡。這是低質量與中質量恆星演化的典型[94][95]。
陽光

主條目:陽光

陽光是地球能量的主要來源。太陽常數是在距離太陽1天文單位的位置(也就是在或接近地球),直接暴露在陽光下的每單位面積接收到的能量,其值約相當於1,368 W/m2(瓦每平方米)[96]。經過大氣層的吸收後,抵達地球表面的陽光已經衰減-在大氣清澈且太陽接近天頂的條件下也只有約1,000 W/m2[97]。

有許多種天然的合成過程可以利用太陽能-光合作用是植物以化學的方式從陽光中擷取能量(氧的釋出和碳化合物的減少),直接加熱或使用太陽電池轉換成電的儀器被使用在太陽能發電的設備上,或進行其他的工作;有時也會使用集光式太陽能(也就是凝聚陽光)。儲存在原油和其它化石燃料中的能量是來自遙遠的過去經由光合作用轉換的太陽能[98]。
在銀河系中的位置和運動

太陽位於銀河系內側邊緣的獵戶臂,在本星際雲或古爾德帶,距離銀河中心7,500-8,500秒差距(25,000-28,000光年)的假設距離[99][100][101][102],包含在太空中的一個稀薄高溫氣體,可能是由一顆超新星殘骸傑敏卡γ射線源的本地泡[103]。本地臂和外側的下一個旋臂,英仙臂,的距離大約是6,500光年[104]。太陽,和進而的太陽系,被發現是在科學家所謂的星系適居帶。 太陽奔赴點的方向,或是太陽向點,是太陽相對於鄰近恆星,穿越銀河系空間的運動方向。太陽在銀河系中的運動方向大約是朝向天琴座的織女星,與銀河中心在天空中分離的角度大約是60度。

太陽繞銀河的軌道大致上是如預期橢圓形,但還要加上受到銀河系的旋臂和質量分布不均勻的擾動。此外,太陽相對於銀河平面上下的擺動大約是每一週期2.7次;這非常像是一種沒有受到阻尼的簡諧振盪。有人提出太陽經過高密度螺旋臂的時間與地球上大滅絕的時刻屢屢不謀而合,或許是因為碰撞事件增加了[105]。它大約花2億2500萬至2億5000萬年完整的繞行銀河一周(一個銀河年)[106],所以在太陽過去的生命期中大概已經完整的繞行銀河20至25次了。太陽相對於銀河中心的軌道速度大約是250公里/秒[107]。以這樣的速度,太陽系大約1,190年可以旅行一光年的距離,或是7天移動1天文單位[108]。

太陽相對於太陽系質心的運動受到來自行星的攝動是複雜的。每隔數百年變換一次順行和逆行[109]。
理論上的問題
太陽微中子問題

主條目:太陽微中子問題

多年以來從地球上檢測到的太陽電子微中子數量只有標準模型預測的1⁄3到1⁄2,這種異常的結果被稱為太陽微中子問題。要解決這個問題,理論上曾試圖降低太陽內部的溫度,以解釋為中子流量的減少,或是提出電子微中子可以振盪-也就是,在他們從太陽到地球的旅途中間轉變成為無法偵測到的τ微中子和μ微中子 [110]。在1980年代建造了一些微中子觀測台,包括薩德伯里微中子天文台和神岡探測器,並盡可能的準確的測量微中子通量[111]從這些觀測的結果最終導致發現微中子有很小的靜止質量和確實會振盪[112][45]。此外,薩德伯里微中子天文台在2001年有能力直接檢測出所有的三種微中子,並且發現太陽的總微中子輻射量與標準模型符合,而依據的依然只是從地球上看到,只佔總數三分之一的電子微中子的能量[111][113]。這個比例是由米希耶夫-斯米爾諾夫-沃夫安史坦效應(也稱為物值效應)預測的,它描述微中子在物質間的振盪,而現在被重視成為這個問題的解答[111]。
日冕高溫問題

主條目:日冕

已知可見光的太陽表面(光球)只有大約6,000K的溫度,但是在其上的日冕溫度卻升高至1,000,000-2,000,000K[56]。日冕的高溫顯示它除了直接從光球傳導的熱之外,還有其他的熱能來源[58]。

人們認為加熱日冕的能量來自光球下方對流帶的亂流,並且提出兩個加熱日冕的主要機制[56]。第一個是波加熱,來自於聲音、重力或磁流體坡在對流帶產生亂流[56],這些波向上旅行並且在日冕中消散,將它們的能量以熱的形式儲存在包圍在四周的氣體內[114]。另一種是磁化熱,在光球的運動中磁能不斷的被建立,並且經由磁重聯的形式釋放能量,規模較大的是閃焰還有無數規模較小但相似的事件-毫微閃焰(Nanoflares)[115]。

目前,還不清楚波是否有效的加熱機制,但除了阿耳芬波之外,已經發現其它的波在抵達日冕前都已經被驅散或折射[116]。另一方面,阿耳芬波在日冕中不容易消散,因此目前的研究已經聚焦和轉移到閃焰的加熱機制[56]。
年輕太陽黯淡問題

主條目:年輕太陽黯淡佯謬

理論模型認為太陽在38至25億年前的代古代時期時,亮度只有現在的75%。這樣微弱的恆星不足以使地球表面的水維持液態,因此生命應該還沒有發展出來。然而,在地質上的紀錄表明當時的地球在其歷史上有相當穩定的溫度,並且年輕的地球和現在一樣的溫暖。科學家們的共識是年輕的地球大氣包含的溫室氣體(像是二氧化碳、甲烷和/或氨)的量比現在要多,而被困住的熱量足以彌補抵達地球太陽能的不足[117]。
現在的異常
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太陽目前有一些行為出現了異常[118][119]:

這是一次非比尋常的極小期,自2008年5月起,有比以往長的一段時間,太陽表面一塵不染,看不見任何一顆黑子的出現。
它比平常暗了一些;與上一次的極小期比較,在可見光波長的輸出少了0.02%,在遠紫外線波長上少了6% [120]。
在過去的20年,太陽風的速度下降了3%,溫度下降13%,密度也減少了20% [121]。
與22年前的極小期比較,它的磁場強度只有當時的一半,結果是造成充滿整個太陽系的太陽圈收縮,因此撞擊到地球和它的大氣層的宇宙射線的程度增加。

觀測的歷史

人類對太陽的觀測可以追溯到公元前2000年,在中國古代的典籍《尚書》中記載了發生在夏代的一次日食。中國古代漢字中用⊙代表太陽,表明中國很早以前就已看到了太陽黑子。《漢書·五行志》中記載了人類最早的黑子記錄:「日出黃,有黑氣大如錢,居日中央。」公元前400年,希臘人曾經看到過太陽黑子,但在歐洲被遺忘,直到1605年伽利略通過望遠鏡重新發現了它。
早期的了解和語源
這個在丹麥國家博物館中展出的雕塑可能是西元前1,350年的作品。這個由一匹馬拉著的雷鳴太陽戰車雕塑,相信在闡明北歐青銅時代的神話中佔有很重要的地位。

說文解字:日,實也,大易之精不虧,從○一象形。凡日之屬皆從日。日古文象形。

人類對太陽的最基本了解是在天空上發光的一個圓盤,當它在地平線上時創造了白天,消失時就造成夜晚。在許多古文化和史前文化中,太陽被認為是太陽神或其他超自然的現象。像是南美的印加和阿茲特克(現在的墨西哥)都有崇拜太陽的中心文化;許多古蹟的修築都與太陽現象有關,例如巨石準確的標示出冬至或夏至至點的方向 (一些知名的石柱群位於Nabta Playa、埃及、Mnajdra、馬爾他和英國的巨石陣); 紐格萊奇墓,一個史前人類在愛爾蘭的建築物,目的是在檢測冬至;在墨西哥奇琴伊察的艾爾堡金字塔設計成在春分和秋分的影子像蛇在爬金字塔的樣子。 在羅馬帝國晚期太陽的生日是在冬至之後的一個慶典假日,稱為無敵太陽,有可能就是聖誕節的前身。作為一顆恆星,從地球上看到太陽每年沿著黃道帶上的黃道繞行一圈,所以希臘天文學家認為它也是七顆行星之一;在一些語言中還用來命名一周七天中的一天[122][123][124]。
科學認識的發展
Observing The Sun.OGG
自從伽利略在1609年發現太陽黑子,我們就持續的研究太陽。

在西元前1,000年,巴比倫天文學家觀察到太陽沿著黃道的運動是不均勻的,雖然他們不瞭解為何會如此。而今天我們知道是因為地球以橢圓軌道繞著太陽運行,使得地球在接近近日點的速度較快,而在遠日點時速度較慢[125]。 第一位嘗試以科學或哲學解釋太陽的人是希臘哲學家阿那克薩哥拉,他推斷太陽是一個巨大的金屬火球,比在伯羅奔尼撒的赫利俄斯戰車還要大,同時月球是反射太陽的光[126]。他因為傳授這種異端被判決死刑而遭到囚禁,後來因為伯里克利介入調節而獲釋。埃拉托斯特尼在西元前3世紀估計地球和太陽之間的距離大約是400和80,000斯達地[note 4],其中的翻譯是含糊不清的,暗示是4,080,000斯達地 (755,000公里) 或是804,000,000斯達地(148 至153百萬公里,或0.99至1.02天文單位);後面的數值與今天所用的誤差只有幾個百分點。在西元前一世紀,托勒密估計這個距離是地球半徑的1,210倍,大約是771萬公里(0.0515 AU)[127]。

古希臘的阿里斯塔克斯在西元前3世紀最早提出行星是以太陽為中心環繞著運轉的理論,稍後得到塞琉西亞的塞琉古的認同 (參見日心說)。這在很大程度上仍是哲學上的預測,到了16世紀才由哥白尼發展出數學模型的日心系統。在17世紀初期,望遠鏡的發明使得托馬斯·哈里奧特、伽利略和其它的天文學家能夠詳細的觀察太陽黑子。伽利略做出一些已知是最早觀測太陽黑子的報告,並提出它們是在太陽的表面,而不是通過地球和太陽之間的小天體[128]。漢朝(西元前206至西元220年)的中國天文學家也對黑子持續觀測和記錄了數個世紀。伊斯蘭的伊本·魯世德也提供了12世紀的黑子描述[129]。

阿拉伯天文學的貢獻包括巴塔尼發現太陽離心率的方向變化[130],和伊本尤努斯(Ibn Yunus)多年來使用大的星盤觀察超過10,000次的太陽位置[131]。伊本·西那在1032年第一次觀測到金星凌日,他推論出金星比地球更靠近太陽[132],而伊本·巴哲則是在12世紀曾記錄觀測到兩顆行星凌日[133]。

1239年,俄羅斯的編年史中曾提到過日珥,稱其為「火舌」,1842年在一次日食中重新發現了日珥。1843年,Schwabe發現了太陽活動的11年周期,1851年在一次日食中拍攝到了第一張日冕的照片。1859年人們發現了太陽閃焰。

在1672年,喬凡尼·多美尼科·卡西尼和Jean Richer確定了火星的距離,因此可以計算出太陽的距離。艾薩克·牛頓使用三稜鏡觀察太陽光,顯示出陽光是由各種不同的顏色組合而成[134],而威廉·赫歇爾在1800年發現在超越太陽光譜的紅色部分之外,還有紅外線的輻射[135]。19世紀的光譜學使太陽研究有所進展。1824年,夫朗和斐首度發現光譜中的吸收線,最強的幾條吸收線迄今仍被稱為夫朗和斐線;將太陽光譜展開,可以發現更大量的吸收線,造成更多的顏色消失不見。1868年又在太陽光譜中發現了一種新的元素,取名為氦(helium,意為太陽神);次年又發現了新的譜線,認為是另外一種元素,定名為coronium,後來證明這只是普通元素的高電離態譜線。

在現代科學時代的初期,太陽能量的來源是個巨大的謎。凱爾文爵士建議太陽是一個正在冷卻的液體球,輻射出儲藏在內部的熱[136]。凱爾文和赫爾曼·馮·亥姆霍茲然後提出重力收縮機制來解釋能量的輸出。很不幸的,由此產生的年齡估計只有2,000萬歲,遠短於當時以地質上的發現所估計出至少3億年的時間跨度[136]。 在1890年, 約瑟夫·洛克爾在太陽光譜中發現氦,提出太陽形成和演化的隕石說[137]。

直到1904年解決的方案才被提出,拉塞福建議太陽的輸出可以由內部的熱源提供,並建議放射性衰變是這個來源[138]。不過,阿爾伯特·愛因斯坦提出的質能等價關係 E = mc2為太陽的能量來源提供了線索[139]。

1908年,美國天文學家海耳發現黑子具有很強的磁場。1930年發明了日冕儀,使得隨時觀測日冕成為可能。

在1920年,亞瑟·愛丁頓爵士建議在太陽核心的溫度和壓力導致核融合將氫(質子)合併成氦核,從質量淨變動的結果產生了能量[140]。Cecilia Payne在1925年證實氫在太陽中佔的優勢,核融合的理論概念也在1930年代由天文物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡和漢斯·貝特發展出來。漢斯·貝特仔細的計算了兩種太陽能量主要來源的核反應,在1938年提出了恆星內部質子-質子鏈反應和碳氮氧循環兩種核反應過程,闡明了太陽的能源機制。[141][142]。

最後,瑪格麗特·伯比奇在1957年發表了名為「在恆星內部的元素合成」的論文[143],這篇論文令人信服的論證出,在宇宙中絕大部分恆星內部的元素合成,都像我們的太陽一樣。

1975年Deubner奠定了日震學的基礎。
太陽太空任務

參見:太陽觀測

Moon transit of sun large.ogg
日地關係衛星B的紫外線成像照相機在校準過程中捕捉到的月球凌日[144]。

最早被設計來觀察太陽的衛星是NASA在1959年至1968年發射的先鋒5、6、7、8、和9號。這些探測器在與地球相似的距離上環繞著太陽,並且首度做出太陽風和太陽磁場的詳細測量。先鋒9號運轉的時間特別長,直到1983年5月還在傳送資料[145][146]。

在1970年代,兩艘太陽神太空船和天空實驗室的阿波羅望遠鏡架台為科學家提供了大量的太陽風和日冕的資料。太陽神1號和2號太空船是美國和德國合作,在水星近日點內側的軌道上研究太陽風[147],天空實驗室是NASA在1973年發射的太空站,包括一個由駐站的太空人操作,稱為阿波羅望遠鏡架台的太陽天文台[57]。天空實驗室首度從太陽日冕的紫外線輻射中分辨出太陽的過渡區[57]。它的發現還包括首度觀測到日冕物質拋射,然後被稱為日冕瞬變,和現在已經知道與太陽風關係密切的冕洞[147]。

在1980年,NASA發射了SMM,這艘太空船設計在太陽最活躍的期間和太陽發光率,以γ射線、X射線和紫外線觀察來自太陽閃焰的輻射。不過,就在發射之後幾個月,因為內部的電子零件故障,造成探測器進入待機模式,之後的三年它都處在這種待命的狀態。在1984年,挑戰者號太空梭在STS-41C的任務中取回這顆衛星,修復了電子零件後再送回軌道。之後,太陽極限任務在1989年6月重返地球的大氣層之前,獲得了成千上萬的影像[148]。

日本在1991年發射的陽光衛星在X射線的波長觀測太陽閃焰,任務中獲得的資料讓科學家可以分辨不同類型的閃焰,並驗證了在離開活動高峰期的日冕有著比過去所假設的更多活動和動態。陽光衛星觀測了整個的太陽週期,但是在2001年的一次日全食使它不能鎖定太陽而進入了待機模式。它在2005年以重返大氣層的方法銷毀[149]。

最重要的太陽任務之一是1995年12月2日由歐洲太空總署和美國國家航空暨太空總署共同建造和發射的太陽和太陽風層探測器 (SOHO) [57]。原本只是一個為期兩年的任務,但在2009年批准將計畫延長至2012年[150]。它證明了對2010年2月發射的太陽動力學天文台非常有用[151],SOHO位於地球和太陽之間的拉格朗日點 (兩著重力的平衡點),SOHO自發射以來,在許多波段上提供了代陽的常規觀測圖[57]。除了直接觀測太陽,SOHO還促成了大量彗星的發現,它們絕大多數都是暗淡的,在經過太陽時會被焚毀的掠日彗星[152]。

所有的這些衛星都是在黃道平面上觀測太陽,所以只能看清楚太陽在赤道附近的地區。研究太陽極區的尤里西斯號探測器在1990年發射,它先航向木星,經由這顆行星的彈射進入脫離黃道平面的軌道。無心插柳的,使它成為觀察1994年舒梅克-李維九號彗星撞木星的最佳人選。一旦尤里西斯進入預定的軌道後,它開始觀察高緯度上的太陽風和磁場強度,發現高緯度的太陽風以低於預測的705公里/秒的速度運動,還有大量的磁波從高緯度發射出來,散射了來自銀河系的宇宙射線[153]。

從光譜的研究已經熟知光球的元素豐度,但對於太陽內部的成分所知仍很貧乏。將太陽風樣本帶回的起源號被設計來讓天文學家直接測量太陽物質的成分。起源號在2004年返回地球,但是因為它的一個降落傘在重返大氣層時未能張開,使它在著陸時墜毀。儘管受到嚴重的破換,一些可用的樣本還是被從太空船的樣本返回模組艙帶回並且正在進行研究與分析[154]。

日地關係天文台(STEREO)任務在2006年10月發射,兩艘相同的太空船分別被送進在地球軌道前方和後方並逐漸遠離地球的位置上,這使得太陽和太陽現象的影像,如日冕物質拋射可以立體成像[155][156]。


其他太陽觀測衛星還有美國1998年發射的TRACE衛星、2002年發射的RHESSI衛星、2006年發射的STEREO衛星,日本在2006年發射的日出衛星(Solar-B)等。
觀測和成效
從地球表面看到的太陽

太陽非常明亮,以裸眼直視太陽在短時間內就會很不舒服,但對於沒有完全睜開的眼睛還不致於立即造成危害[157][158]。直接看太陽會造成視覺上的光幻視和暫時部分失明,只要4毫瓦的陽光對視網膜稍有加熱就可能造成破壞,使眼睛對光度不能做出正確的回應[159][160]。暴露在紫外線下會使眼睛的水晶體逐漸變黃,並且被認為還會形成白內障,但是這取決於是否經常曝露在太陽的紫外線下,而不是是否直接目視太陽[161]。儘管已經知道暴露在紫外線的環境下,會加速眼睛外層的老化和白內障的形成,當日食發生的時候還是有許多不當注視太陽所引發的日食目盲或視網膜灼傷。長時間用肉眼直接看太陽會受到紫外線的誘導,大約100秒鐘視網膜就會灼傷產生病變,特別是在來自太陽的紫外線強度較高和被聚焦的情況下 [162][163];對孩童的眼睛和新植入的水晶體情況會更為惡化(它們比成熟的眼睛承受了更多的紫外線)、以及太陽的角度接近地平、和在高緯度的地區觀測太陽。

通過將光線集中的光學儀器,像是雙筒望遠鏡觀察太陽,若沒有用濾鏡將光線做實質上的減弱和遮擋紫外線是很危險的。柔光的ND濾鏡可能不會濾除紫外線,所以依然是危險的。用來觀測太陽的衰減濾鏡必須使用專門設計的:紫外線或紅外線會穿透一些臨時湊合的濾鏡,在高亮度時一樣還是會傷害到眼睛[164]。 沒有濾鏡的雙筒望遠鏡可能會導入超500倍以上的能量,用肉眼看幾乎立即殺死視網膜的細胞,對視網膜造成傷害。在正午的陽光下,透過沒有濾鏡的雙筒望遠鏡看太陽,即使只是短暫的一瞥,都可能導致永久的失明。

因為眼睛的瞳孔不能適應異常高的光度對比,觀看日偏食是很危險的: 瞳孔是依據進入視場的總光亮,而不是依據最明亮的光來擴張。當日偏食的時候,因為月球行經太陽前方遮蔽了部分的陽光,但是光球未被遮蔽的部分依然有著與平常的白天相同的表面亮度。在完全黑暗的環境下,瞳孔可以從2mm擴張至6mm,每個暴露在太陽影像下的視網膜細胞會接收到十倍於觀看未被遮住的太陽光量。這會損壞或殺死這些細胞,導致觀看者出現小但永久的盲點[165]。對沒有經驗的觀測者和孩童,這種危害是不知不覺的,因為不會感覺到痛:它不是立即可以察覺自己的視野被摧毀。

陽光會因為瑞立散射和米氏散射而減弱,特別是當日出和日落時經過漫長的地球大氣層時[166],使得陽光有時會很柔和,可以舒服的用肉眼或安全的光學儀器觀看(只要沒有陽光會突然穿透雲層的風險)。煙霧、大氣的粉塵、和高濕度都有助於大氣衰減陽光[167]。 一種罕見的光學現象會在日出之前或日落之後短暫的出現,就是所知的綠閃光。這種閃光是太陽正好在地平線下被彎曲(通常是通過逆溫層)朝向觀測者造成的。短波長的光(紫色、藍色和綠色)被偏折的比長波長的多((黃色、橙色、紅色),但是紫色和藍色被散色的較多,留下的綠色就較容易被看見[168]。

來自太陽的紫外線具有防腐的性質,可以做為水和工具的消毒。它也會使皮膚曬傷,和其他醫療的效應,例如維生素D的生成。地球的臭氧層會使紫外線減弱,所以紫外線的強度會隨著高度的增加而加強,並且有許多生物已經產生適應的能力,包括在全球不同地區的人種有著不同的膚色變化[169]。
術語

參見:人類文化中的太陽

如同其它的自然現象,太陽在整個的人類歷史上受到許多文化的崇拜,並且是星期日這個詞的來源。依據國際天文聯合會,它在英語中的正式名稱是Sun(作為專有名詞,第一個字母要大寫)[170]。拉丁文的名稱是Sol (play /ˈsɒl/),太陽神有著相同的名稱,這是眾所周知但在英文中卻不常用到;相關的形容詞是solar[171][172]。「Sol」是太陽在許多歐洲語系中的現代用語[173]。

「Sol」這個名詞也被行星天文學家使用來表示其它行星,像是火星上的太陽日 [174]。地球的平均太陽日大約是24小時,火星上的「太陽日」是24小時39分又35.244秒[175]。
太陽伴星

有不少天文學家認為,太陽有一顆不大的伴星,並把它命名為「復仇女神星」。但這顆伴星的存在與否仍存在爭議。
人類文化中的太陽
西雅圖的至日點遊行
太陽的重要性

太陽對人類而言至關重要。地球大氣的循環,晝夜與四季的輪替,地球冷暖的變化都是太陽作用的結果。對於天文學家來說,太陽是唯一能夠觀測到表面細節的恆星。通過對太陽的研究,人類可以推斷宇宙中其他恆星的特性,人類對恆星的了解大部分都來自於太陽。
太陽與神話

在希臘神話中,太陽的保護神是阿波羅。
在中國神話傳說中,太陽是一種叫做「金烏」並有三條腿的鳥。《淮南子·本經訓》:「逮至堯之時,十日並出,焦禾稼,殺草木,而民無所食。」《竹書紀年》亦載「八年,天有妖孽,十日並出」。《山海經·海外東經》和《大荒南經》、《楚辭·天問》等亦載有此傳說。
在北歐神話中,蘇爾是駕駛日車的女神。
世界上有許多國家把太陽當作設計國旗的靈感來源,詳見太陽旗條目。

參見
恆星主題
太陽系主題

太陽系探測器列表
太陽系探索時間線
先進組合探測器
反日點
冕雲
日震學
恆星亮度列表
太陽天文學
太陽能
太陽表面融合
太陽系
太陽X射線天文學
恆星光譜
人類文化中的太陽
太陽神
太陽-地球日
尤里西斯號
起源號
太陽神號探測器
太陽輻射
太陽風
極光
氣輝
日食
太陽天文學時間表
太陽常數
太陽磁場
太陽活動
太陽活動預報
太陽同步軌道
太陽物理學
太陽自轉
恆星演化
暗能量星
黑洞


註解

^ 在天文學中,「重元素」(或「金屬」)是指除了氫和氦比以外的所有元素
^ 一個體重50公斤的成人,體積大約是0.05立方米,在太陽中心相當於13.8瓦的能量容量。在沒有壓力的情況下,一個人每天吸收和消耗的能量平均大約是285千卡,這只是大約10%的需求量。
^ 地球的大氣層在靠近海平面的粒子密度大約是2×1025 m−3。
^ 斯達地是古希臘、羅馬的長度單位,約=600希臘尺,合607英尺;賽跑場的跑道以這個長度為准〕

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^ Ham, W.T. Jr.; Mueller, H.A.; Ruffolo, J.J. Jr.; Guerry, D. III,. Solar Retinopathy as a function of Wavelength: its Significance for Protective Eyewear//Williams, T.P.; Baker, B.N.. The Effects of Constant Light on Visual Processes. 1980: 319–346. ISBN 0306403285.
^ Kardos, T.. Earth science. J.W. Walch. 2003: 87. ISBN 9780825145001.
^ Espenak, F.. Eye Safety During Solar Eclipses. NASA [2006-03-22].
^ Haber, Jorg; Magnor, Marcus; Seidel, Hans-Peter. Physically based Simulation of Twilight Phenomena (pdf). ACM Transactions on Graphics (TOG). 2005, 24 (4): 1353–1373. doi:10.1145/1095878.1095884.
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^ William Little (ed.) Oxford Universal Dictionary, 1955. See entry on "Sol".
^ "Sol", Merriam-Webster online, accessed July 19, 2009
^ 這包括葡萄牙、西班牙、冰島、丹麥、挪威、[[瑞典語|瑞典]、萊昂、 加泰羅尼亞和加利西亞。Total Solar Eclipse in Other Languages. mreclipse.com [2009-07-17].此外,祕魯的通貨 祕魯新索爾是以西班牙文的太陽命名的,像他的繼任者(前一代在1985年至1991年使用)祕魯印題(在克丘亞)。在波斯,「sol」的意思是"太陽年"。
^ Opportunity s View, Sol 959 (Vertical). NASA [2007-08-01].
^ Allison, M.; Schmunk, R.. Technical Notes on Mars Solar Time as Adopted by the Mars24 Sunclock. NASA/GISS [2007-08-01].

延伸閱讀

Thompson, M. J.. Solar interior: Helioseismology and the Sun s interior. Astronomy and Geophysics. 2004, 45 (4): 21–25.
Cohen, Richard. Chasing the Sun: the Epic Story of the Star that Gives us Life. Simon & Schuster. 2010. ISBN 1400068754.

外部鏈結
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太陽

太陽誕生於宇宙大爆炸後幾十億年的恆星爆炸
(英文) 太陽圖片集
(英文) 太陽系探險之太陽
(英文) 尤里西斯號
(英文) 起源號
Nasa SOHO (Solar & Heliospheric Observatory) satellite
National Solar Observatory
Astronomy Cast: The Sun
Looking Into the Sun – slideshow by Life magazine
A collection of spectacular images of the sun from various institutions (The Boston Globe)
Satellite observations of solar luminosity
Sun|Trek, an educational website about the Sun
The Swedish 1-meter Solar Telescope, SST
An animated explanation of the structure of the Sun (University of Glamorgan)
The Future of our sun
Solar Conveyor Belt Speeds Up –NASA– images, link to report on Science

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微中子振盪
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微中子振盪是一個量子力學現象。理論物理學家布魯諾·龐蒂科夫首先提出此猜想,他認為特定味的某一微中子可以轉化為不同的味。所探測到的微中子可能處於哪個味要由傳播中不斷改變的波形決定。微中子振盪無論對理論物理還是實驗物理而言都是相當重要的。因為這意味著微中子具有質量,這與原始的粒子物理標準模型不相吻合。

2012日3月8日,大亞灣微中子實驗國際合作組宣佈,發現最後一種微中子震盪,並且測量到其震盪機率 \sin^2 (2\theta_{13})=0.092\pm 0.017 。假若這結果成立,物理學者立可開始研究微中子與反微中子之間的不對稱性,嘗試解釋為甚麼宇宙中的物質超多於反物質。[1]
目錄

1 實驗觀測
1.1 太陽微中子振盪
1.2 大氣層微中子振盪
1.3 核反應爐微中子振盪
1.4 粒子束微中子振盪
2 理論解釋
2.1 MNS矩陣
3 參考文獻
4 相關話題
5 連結

實驗觀測

科學家應用不同的儀器對各能量級的微中子進行測量,如今微中子振盪已被多方面的實驗所證實。
太陽微中子振盪

在以美國科學家雷蒙德·戴維斯領導的Homestake實驗機中,發現觀測到的微中子流量與標準太陽模型預測的不符(太陽微中子問題)。這是實驗中人們第一次觀測到和微中子振盪有關的現象。隨後,更多基於使用放射性元素和水契忍可夫放射探測器的實驗證實了同樣的現象。直到2001年加拿大薩德伯里微中子天文台的測量結果發表[2],人們才能夠充分的證實這數量上的不符是由微中子振盪引起的。

太陽微中子的能量及一般在20兆電子伏以下,傳播距離為太陽和地球之間的距離。在5兆電子伏以上,太陽微中子的振盪通過在太陽體內的振盪而產生 MSW 作用,這與下文中將會提到的真空振盪是兩個不同的過程。
大氣層微中子振盪

早期IMB,MACRO和日本的神岡探測器均觀測到從大氣層中放射出的μ微中子與電子微中子比例的偏差。此後超級神岡探測器在此基礎上進行更為精確的測量,能量覆蓋幅度由百萬電子伏至億萬電子伏,基線長度為地球的半徑。
核反應爐微中子振盪

核反應爐實驗可以用來探測反電子微中子的振盪。此類實驗中最突出的是 KamLAND。反應爐中產生的反微中子和太陽微中子的能量級相當。此類試驗的基線長度短至數十米,長至數百公里。
粒子束微中子振盪

利用加速器產生的微中子束可使實驗相對更容易人為控制。此類的實驗觀察與大氣層微中子振盪同樣的現象,基線長度多為數百公里。微中子在此類試驗中的能量級為數十億電子伏。MINOS的最新報告指出其觀測結果與K2K及SuperK的相符合。

早期LSND機器發表了非常具有爭議性的觀測結果。新設計的MinibooNE實驗機於2007年初發表的結果駁回了LSND的所謂兩微中子模型。

正在設計中的T2K實驗將利用295公里長的基線和SuperK探測器來測量一參量\theta_{13},預期2009年開機。類似的NOvA利用810公里長的基線和MINOS探測器。
理論解釋

微中子振盪的概念與中性K子系統中的振盪相似,最早由理論物理學家布魯諾·龐蒂科夫於1957年提出。

以下將會討論到的整套原理由龐蒂科夫於1967年發表。一年後太陽微中子問題首次被觀提出。接著格利波夫(Gribov)和龐蒂科夫於1969年聯合發表了一篇著名的文章《微中子天文學與輕子電量》。
MNS矩陣

太陽和大氣層微中子試驗的觀測結果說明微中子振盪的根源在於其味特徵態與質量特徵態不完全相同。這兩種特徵態之間的關係可通過以下方程式來描述:

\left| \nu_{\alpha} \right\rangle = \sum_{i} U_{\alpha i}^{*} \left| \nu_{i} \right\rangle\,
\left| \nu_{i} \right\rangle = \sum_{\alpha} U_{\alpha i} \left| \nu_{\alpha} \right\rangle,

其中

\left| \nu_{\alpha} \right\rangle 是在某一指定味特徵態下的微中子。 α可為電子、渺子或τ子。
\left| \nu_{i} \right\rangle 是在某一指定質量特徵態下的微中子。 其中,i = 1, 2, 3
{}^*表明複共軛矩陣(如果把兩式中的矩陣參量交換,就可以得到描述反微中子的方程式)

U_{\alpha i} 通常稱為MNS矩陣(亦稱「微中子振盪矩陣」)。這與描述夸克的 CKM 矩陣 非常相似。 假設此矩陣為對等矩陣,那麼微中子的味特徵態會和質量特徵態相同。但實驗證明,事實並非如此。

如果把3味的微中子全部考慮進去,此矩陣為3×3矩陣。很多時候只考慮兩個,於是會用2×2矩陣。如果要描述多一個微中子(下文會提到),需要4×4或是更高維的矩陣。 以下為3×3矩陣[3] :

\begin{align} U &= \begin{bmatrix} U_{e 1} & U_{e 2} & U_{e 3} \\ U_{\mu 1} & U_{\mu 2} & U_{\mu 3} \\ U_{\tau 1} & U_{\tau 2} & U_{\tau 3} \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & c_{23} & s_{23} \\ 0 & -s_{23} & c_{23} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} c_{13} & 0 & s_{13} e^{-i\delta} \\ 0 & 1 & 0 \\ -s_{13} e^{i\delta} & 0 & c_{13} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} c_{12} & s_{12} & 0 \\ -s_{12} & c_{12} & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} e^{i\alpha_1 / 2} & 0 & 0 \\ 0 & e^{i\alpha_2 / 2} & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} c_{12} c_{13} & s_{12} c_{13} & s_{13} e^{-i\delta} \\ - s_{12} c_{23} - c_{12} s_{23} s_{13} e^{i \delta} & c_{12} c_{23} - s_{12} s_{23} s_{13} e^{i \delta} & s_{23} c_{13}\\ s_{12} s_{23} - c_{12} c_{23} s_{13} e^{i \delta} & - c_{12} s_{23} - s_{12} c_{23} s_{13} e^{i \delta} & c_{23} c_{13} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} e^{i\alpha_1 / 2} & 0 & 0 \\ 0 & e^{i\alpha_2 / 2} & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}, \end{align}

其中s_{12} = \sin\theta_{12},c_{12} = \cos\theta_{12},以此類推。 假如微中子是一種馬約拉納粒子(目前還不清楚),所有相位因數α1和α2均為零,並且與不參與振盪現象。假如存在微中子雙電子衰變,那麼這些因數將會影響衰變的速度。另外一個相位因數δ只有在CP不守恆時才會有非零值。理論預言微中子會違反CP守恆,但實驗上還未觀察到此現象。假如實驗證明這3×3矩陣不是對等矩陣,我們或許需要通過引入「貧微中子」(sterile neutrons)或是其他新概念來解釋試驗的數據。
參考文獻

^ 大亞灣微中子實驗發現新的微中子振盪
^ Ahmad, Q.R. et al., Physical Review Letters, 87, 1301.NASA ADS
^ Particle Data Group, Eidelman, S., et al., 2004, Physics Letters B, 592, 1. DOI:10.1016/j.physletb.2004.06.001NASA ADS arXiv:astro-ph/0406663

M.C. Gonzalez-Garcia, Y. Nir, "A review of evidence of neutrino masses and the implications", Reviews of Modern Physics 75 (2003) p.345-402.

相關話題

MSW effect
Majoron
Neutral kaon mixing

連結

All neutrino data in one plot

Maury Goodman, "The Neutrino Oscillation Industry" (2005). (Provides links to many other neutrino oscillation websites.)


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粒子
電子 | 渺子 | τ子
微中子
電子微中子 | 渺子微中子 | τ子微中子
反粒子
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行星際磁場
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行星際磁場(IMF)是指存在於太陽系行星際空間的磁場。
在行星際物質中的電漿受到太陽自轉帶著磁場轉動影響的結果,太陽圈電流片是三度空間中的一個派克螺旋波。

因為太陽風是電漿體,它有著磁流體力學的特徵,而不是單純的氣體。例如,它是良好的導電體,所以來自太陽的磁力線會隨著太陽風一起運動。太陽風的動態壓力主導著磁壓幾乎通過整個太陽系(或太陽圈),所以磁場會因為向外的運動和太陽自轉的結合,由於太陽自轉,磁力線呈螺旋狀,在黃道面上,被拉扯形成阿基米德螺線的形式(派克螺旋)。

行星際磁場具有扇形結構,在每個扇形內部,磁場方向指向或背離太陽是一致的,而兩個相鄰扇形內磁場的極向卻是相反的。

依據半球和太陽週期的相位,磁場的螺旋會向內或向外:磁場在太陽圈的南部和北部的螺旋有著一致的形狀,但是方向是相異的。這兩個磁域由一分為二的電流片分隔著(電流被限制在一個彎曲的平面內),這個太陽圈電流片有著與芭蕾舞者裙擺相似的形狀,在形狀上的變化會隨著太陽磁場大約11年的反轉週期而改變。

在行星際物質中的電漿體也反應出太陽磁場在地球軌道附近的強度,並且比當初預期的強度大了100倍。如果太空中是真空的,太陽的10-4泰斯拉磁偶極場將以距離的3次方減少為10-11泰斯拉,但是人造衛星觀測到的強度是100倍,大約是10-9特斯拉。磁流體動力學(MHD)理論預測導電體流體(也就是行星際物質)在磁場中的運動,會反過來引起磁場的電流,並且這種表現很像磁流體動力學發電機。
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太陽風
行星際磁場 · 太陽圈 · 日球層頂 · 閃焰 · 磁暴 · 日冕物質拋射 · 太陽圈電流片 · 太空天氣
人造衛星
列表 · GEOTAIL · WIND · 極地 · IMAGE · Cluster · 雙子星 · THEMIS · MMS (2014年)
研究項目
高頻主動式極光研究項目 · 南半球極光雷達實驗 · 超級雙重極光雷達網路
其他行星的磁層
水星 · 木星 · 甘尼米德 · 土星 · 天王星 · 海王星
雜項
行星環 (木星環 · 土星環 · 天王星環 · 海王星環) · 氣體環 · 流量管
參考資料

spaceweather.com
Southwest Research Institute

Shuttle.svg 行星際磁場是一個太空小作品。你可以透過編輯或修訂擴充其內容。
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星際物質
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星際物質(縮寫為ISM)是存在於星系和恆星之間的物質和輻射場(ISRF)的總稱。星際物質在天文物理的準確性中扮演著關鍵性的角色,因為它是介於星系和恆星之間的中間角色。恆星在星際物質密度較高的分子雲中形成,並且經由行星狀星雲、恆星風、和超新星獲得能量和物質的重新補充。換個角度看,恆星和星際物質的相互影響,可以協助測量星系中氣體物質的消耗率,也就是恆星形成的活耀期的時間。

以地球的標準,星際物質是極度稀薄的電漿、氣體、和塵埃,是離子、原子、分子、塵埃、電磁輻射、宇宙射線、和磁場的混合體。物質的成分是99%的氣體和1%的塵埃,充滿在星際間的空間。這種極端稀薄的混合物,典型的密度從每立方公尺只有數百到數億個質點,以太初核合成的結果來看氣體的成分,在數量上應該是90%氫和10%的氦,和其他微跡的「金屬」(以天文學說法,除氫和氦以外的元素都是金屬)。
星際物質(ISM) 成份 百分比
(體積) 溫度
(K) 密度
(原子/cm³) 狀態
分子雲 <1 % 20 - 50 102 - 106 氫分子
冷中性物質(CNM) 1-5% 50 - 100 20 - 50 中性氫原子
溫中性物質(WNM) 10-20% 6000 - 10000 0.2 - 0.5 中性氫原子
溫離子物質(WIM) 20-50% 8000 0.2 - 0.5 游離的氫
H II 區 <1% 8000 102 - 104 游離的氫
氣體暈
熱離子物質(HIM) 30-70% 106 - 107 10-4 - 10-2 高度游離的
(氫和微跡金屬)


這些介質也是造成消光與紅化的原因。當光線在穿越這些介質的旅程中,光強度的衰減程度與觀測的波長有密切的關聯,這些星際物質造成光子的散射和吸收,使得肉眼觀察的夜晚天空背景變得黑暗。在數千光年範圍內的分子雲對來自銀河盤面的背景星光造成均勻且一致的吸收,使得只有銀河盤面的一些裂縫中才有背景星光能被地球上的人類觀察到。

遠紫外線會被星際物質中性成分吸收,例如氫原子會吸收121.5奈米的波長的光線,這是來自來曼α線的能量躍遷。因此,距離地球數百光年以外的恆星,在這個波段上所發出的光便幾乎無法看見,因為在前來地球的漫長旅程中,這個波長幾乎都已經被吸收掉了。

星際物質通常可以依據溫度的差異分成三種狀態:數百萬K的高熱氣體、數千K的溫暖氣體、和數十K的冷氣體,這些狀態是這些氣體在溫度的平衡上所表現出的冷或熱。關於星際物質這三種型態的模型最初是McKee 和 Ostriker在1977年的一編論文中提出來的。經歷了過去四分之一個世紀的研究,在科學界,星際物質在這三種狀態上的相對數量仍然有相當大的爭議。

未來,對星際物質的研究重點是分子雲、星際雲、超新星殘骸、行星狀星雲、和擴散結構。
目錄

1 星雲
1.1 發現
1.2 種類
1.3 另見
2 成分
3 歷史
4 問題
5 參考資料
6 相關條目

星雲
蟹狀星雲。這個圖片混合了來自哈柏的光學數據(紅色)以及來自錢卓的X光圖片(藍色)

星雲就是散布在銀河系內、太陽系外的一堆堆非恆星形狀的塵埃和氣體(星際物質),它們的主要成份是氫,其次是氮,還含有一定比例的金屬元素和非金屬元素。近年來的研究還發現含有OH、CO和CH₄等有機分子。

最初所有在宇宙中的雲霧狀天體都被稱作星雲。後來隨著天文望遠鏡的發展,人們的觀測水平不斷提高,才把原來的星雲劃分為星團、星系和星雲三種類型。
發現

1758年8月28日晚上,當時受雇天文觀測的法國天文學家查爾斯·梅西耶在搜尋彗星的時候,在金牛座發現一個雲霧狀的斑塊。為了讓其他人不把這些天體當作彗星,他為此進行了專門的建檔。到1784年,他一共找到類似的天體103個,當年在金牛座找到的那個天體被編為M1。(參看梅西耶天體列表)

1781年,梅西耶公布了自己的發現。英國天文學家威廉·赫歇耳非常重視,並且親自逐一對梅西耶發現的這些天體進行了觀測核實。他發現其中有些天體確實是雲霧狀的,他把這些天體稱為「星雲」。
種類

以形態劃分,可分為:

瀰漫星雲
行星狀星雲
超新星殘骸。

以發光性質劃分,則可分為:

發射星雲
反射星雲
暗星雲。

有的星雲是恆星的出生地,星雲的塵埃在引力下漸漸收縮成為新的星,如獵戶座的M42星雲;也有的是老恆星爆炸後的殘骸,如天鵝座的網狀星雲。由於觀測工具的限制,歷史上,星系曾與星雲混為一談。
另見

恆星形成

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成分

星際物質包括星際氣體和星際塵埃。星際氣體包括氣態的原子、分子、電子、離子等,主要由氫元素組成,其次是氦,其元素丰度與恆星基本一致。星際塵埃是直徑大約為10-5厘米的固體顆粒,包括冰狀物、石墨、矽酸鹽等,彌散在星際氣體當中,質量大約佔星際氣體的10%。

銀河系中的星際物質主要分布在旋臂中,佔到了銀河系總質量的10%,密度大約為每立方厘米一個氫原子,這種密度其實很低,在人造的真空中都無法達到。
歷史

"星際的"這個名詞最早出現在1626年,是弗朗西斯·培根在他的文稿中使用的。他寫道:"The Interstellar Skie.. hath .. so much Affinity with the Starre, that there is a Rotation of that, as well as of the Starre." (Sylva §354–5).

自然哲學家羅伯特·博伊爾在1674年的論述中提到:"星際中的空間在享樂主義的觀點中是空無一物的"。直到19世紀,星際物質的本質才受到天文學家和科學家的注意。

在1862年,帕特孫寫道:"氣流引發的顫動,或是震動運動,是以太充塞在空中造成的。"(Ess. Hist. & Art 10)以太的觀念延續到20世紀,有些特性被描述出來。在1912年,威廉·亨利·皮克林寫道:"造成星際吸收的介質簡單的說就是乙太,他會選擇性的吸收,就如卡普坦所指出的是一些氣體的特性,還有一些自由的氣體分子,她們可能是由太陽和恆星經常不斷的釋放出來…..."

在1913年,挪威的探險家兼物理學家克利欣·白克蘭寫道:"以我們的觀點,假設空間整體充滿了電子,各種電子和離子的飛躍,似乎是自然的結果,因為我們假設恆星系統在演化的過程中,不停的將帶電的微粒拋射入太空中。因此在宇宙各處,也就是"空無一物"的太空中,都能發現物質充塞著,不僅是在太陽系和星雲之中,應該是合情合理的。(See "Polar Magnetic Phenomena and Terrella Experiments", in The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 (publ. 1913, p.720).

在1930年,塞繆爾․L․桑代克記載著: ".. 實在很難相信存在於恆星之間的巨大空間會完全的空無一物,地球的極光可能是被來自於太陽帶電粒子,從太陽輻射出來的粒子激發產生的。如果其他數以百萬計的恆星也都發射出離子,如果是毫無疑問的,那麼星系之間便不可能是絕對的真空了。"
問題

由於大量星際物質的存在,天體發射出來的光線被吸收、減弱,這稱作星際消光。此外,天體的光線還被散射,使光線變紅,這稱作星際紅化。在恆星研究中需要對星際紅化進行修正。

星際世界泛指所有在行星間(含地球)恆星間與星系間的廣大空間,距離從數億公里(行星間)至數光年(恆星間)至無限距離。通常會充塞著無數的星際物質,溫度大約零下200多度。更涵括多重宇宙平行宇宙及高維度空間與其無窮延伸
參考資料

Physical Processes in the Interstellar Medium, L. Spitzer, 1978 (New York: Wiley)
Physics of the Interstellar Medium, J. Dyson, 2nd Ed., 1997 (London: Taylor & Francis)
Wisconsin H-Alpha Mapper Survey
Pickering, W. H., "Solar system, the motion of the, relatively to the interstellar absorbing medium" (1912) Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 72, p.740
Thorndike, S. L., "Interstellar Matter" (1930) Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Vol. 42, No. 246, p.99

相關條目

星際雲
宇宙塵
擴散星際帶
星際邁射
星際紅化
日球
星系空間
星際分子列表
外太空
太陽系
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星際物質
天體
天體化學



星際雲
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星際雲是對存在於的銀河系或其他星系內以電漿或宇宙塵的型態累積成的雲氣的通用名稱。星際雲是比平均密度要大的多的星際介質的高密度區域。依據雲氣的密度、大小和溫度,在其中的氫可以是中性的(H I區)、電離的( H II區)或分子(分子雲)。中性和電離的雲有時也被稱為發散雲,而分子雲有時也稱為密度雲。
在像NGC 604這種有著大洞穴、氣體的星際雲內散布著超過200顆以上新生的恆星。這些恆星以高能量的紫外線照射著氣體,將原子激發並使電子被剝離 - 產生星雲特有的輝光。


目錄

1 化學成分
2 高速雲
3 注釋
4 參見
5 外部連結

化學成分

大型無線電望遠鏡這些分子特有的光譜掃描天空,獲得特殊頻率在天空中各處的強度分布。一些星際雲是冷並且傾向於發射出長波的電磁波頻譜,我們繪製出這些分子在星際雲內的豐度圖,可以了解星際雲的變化和構造。在熱星際雲,經常有很多化學元素的離子,它們的光譜可以在可見光和紫外線的波段上觀察到。

無線電望遠鏡也可以用不同的頻率對一個點進行掃描,記錄每一種不同類型分子的強度。頻率的峰值表示該種分子或原子目前在雲中的豐度,峰的高度與在雲中的相對百分比成正比[1]。
Diving into the Lagoon Nebula.OGG
探究礁湖星雲的內部

科學家不久前仍認為星際雲內的化學反應速率會因為低溫和低密度而進行的非常緩慢,但在星際雲中有機分子如甲醛、甲醇和乙烯醇的光譜表明在星際雲中的化學反應由尚不了解的有機化學氣相反應來進行。[2]。 CRESU 實驗[3]正在研究這些反應的速率。
高速雲

銀河系中的星際雲擁有高於星系旋轉可以解釋的高速度[4]。根據定義,這些雲的速度必須大於90kms-1的 vlsr,本地標準靜止速度vlsr是檢測中性氫的21公分線測定的[5],重元素比例通常低於銀河系內一般的星際雲。 高速雲的標示會以HVC作為字首來辨識,例如 HVC 127-41-330。
注釋

^ Project Leader Dr. Lochner. Spectra and What Scientists Can Learn From Them. Goddard Space Flight Center, NASA. November 2009 [12 Feb 2010].
^ Charles Blue. Scientists Toast the Discovery of Vinyl Alcohol in Interstellar Space. National Radio Astronomy Observatory. October 2001 [9 Feb 2010].
^ CRUST(Cinétique de Réaction en Ecoulement Supersonique Uniforme)是研究在非常低溫下化學反應的實驗。
^ Navarro, J. F., Frenk, C. S., & White, S. D. M. 1995, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 275, 720
^ Dark Matter- More Than Meets the Eye. NASA [12 Feb 2010].

參見

星際物質
星際分子列表
星雲

外部連結

High Velocity Cloud — The SAO encyclopedia.

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宇宙塵
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宇宙塵(Cosmic Dust)是由眾多細小粒子組成的一種固態塵埃,自宇宙大爆炸起,便四散在浩翰宇宙之中。宇宙塵的組成包含矽酸鹽、碳等元素以及水分,部分來自彗星、小行星等星體的崩解而產生。

宇宙塵對一個天體的誕生亦有影響,例如一個星體崩壞後所產生的宇宙塵,在經過漫長的宇宙旅程後,可能與一個正在形成的星體撞上,於是又循環成為了一個新的星體。在太陽系中,木星、土星、天王星、海王星等行星的光環,即是由於在行星初形成時,碎裂的宇宙塵未能融為星球的主體,但卻又無法擺脫行星萬有引力的牽制而產生圍繞著星球的破碎物質。
參見

行星際塵雲(Interplanetary Dust Cloud)

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銀河系天文學
宇宙
天體





太初核合成
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太初核合成(BBN)是物理宇宙學的一個概念,指宇宙在早期階段產生H-1(最常見,也是最輕的氫同位素,只有單獨的一個質子)之外原子核的過程。太初核合成在大霹靂之後只經歷了幾分鐘,相信與一些較重的同位素的形成,如氘(H-2或D)、氦的同位素(He-3和He-4)、鋰的同位素(Li-6和Li-7),的形成有密切的關係。除了這些穩定的原子核之外,還有一些不穩定的放射性同位素在太初核合成之際也形成了:氚(H-3)、鈹(Be-7和Be-8)。這些不穩定的同位素不是蛻變就是融合成前述其它的穩定同位素。(所有這些原子核通常表示為NX,此處X = 這些元素的標準名稱,N = 原子量的數值,但是這兒將簡單的標示為X-N。)
目錄

1 太初核合成的特性
2 太初核合成的序列
2.1 太初核合成的歷史
2.2 重元素
2.3 氦(He-4)
2.4 氘
3 太初核合成的觀測測試和狀態
4 非標準的太初核合成
5 相關條目
6 外部連結
6.1 一般讀物
6.2 技術專刊
7 參考文獻

太初核合成的特性

太初核合成有兩項重要的特徵:

它僅持續了大約17分鐘(從空間擴張開始的第3分鐘至第20分鐘),之後,宇宙的溫度和密度下跌至核融合所需要的。太初核合成期間的短促是很重要的,因為它防止了比鈹重的原子核生成,同時也允許未燃燒的氘存在。
它是普遍的,充斥在整個宇宙。

進行計算太初核合成作用的關鍵參數是光子與重子的比率。這個參數與宇宙早期的溫度和密度相關,能夠讓我們確定核融合發生的條件,並由此導出元素的豐度。雖然光子對重子的比率在確定元素的豐度上非常重要,但數值精確與否對整個宇宙圖型產生的變化很小。無須變動大霹靂理論本身的主要架構,太初核合成的結果以質量表示的豐度為大約75%的H-1、25%的He-4、0.01%的氘,和總量僅可供辨識的微量鋰(只有10-10),並且沒有其他的重元素。宇宙被觀測到的元素豐度與理論數值的一致性,被認為是大霹靂理論最有力的證據。

在這個領域習慣上是使用質量的百分比,因此25%的He-4意味著氦佔有25%的質量,但是He-4的原子數目僅有總數的8%。
太初核合成的序列

太初核合成開始於大霹靂開始之後的一秒鐘,當宇宙降溫至足以形成穩定的氫核和中子的重子產生過程之後。這些微粒的相對豐度只是簡單的遵循熱力學的論述,與隨著時間的過去而改變的宇宙平均溫度結合(如果與宇宙擴張的溫度變化速率比較,反應要達到熱力學上偏愛的平衡值是太慢的,豐度依然是一些特殊的不穩定平衡值)。結合熱力學和由宇宙擴張帶來的變動,可以計算在當時的溫度下,中子和氫核在數量上的相對值。這個數值是傾向氫核的,因為中子的質量較大,導致中子以15分鐘的半衰期蛻變成質子。太初核合成的一個特性是處理物質行為所遵循的物理定律和常數是很容易被理解的,並且太初核合成缺乏在宇宙早期生命中某些隨機的不確定性。另一個特點是核合成的過程取決於宇宙生命在這個階段開始的條件,與在此之前發生的一切都毫不相關。

當宇宙膨脹時溫度也隨之降低,自由中子和質子的穩定性不如氦核(He-4),因此氫核和中子有合成氦核的強烈傾向。然而,形成氦核之前必然會先形成中間產物的氘核。當核合成發生時,當時的溫度讓微粒的平均能量高於氘的束縛能;因此所有的氘在形成之後立刻又被毀壞掉(此情況稱為氘的形成瓶頸)。因此,氦核的形成被延後至宇宙的溫度低至氘能穩定的存在之後(大約是溫度在0.1百萬電子伏特),這時元素突然的爆增。緊接著,在大霹靂的廿分鐘之際,宇宙變得太涼快,以致所有的核融合都難以發生。在這個時間點上,元素的豐度被固定了,只有少數太初核合成產生的放射性產物,像是氚(H-3)繼續蛻變。[1]
核合成
Wpdms physics proton proton chain 1.svg

恆星核合成
太初核合成
超新星核合成
宇宙射線散裂

相關條目

天體物理學
核融合(Nuclear fusion)
R-過程
S-過程
核分裂

太初核合成的歷史

在1940年代,喬治·伽莫夫和拉爾夫·阿爾菲開始進行太初核合成的演算。他們與漢斯·貝特一起出版了《Alpher-Bethe-Gamow報告》,在討論會上概要的說明光子-元素如何在早期的宇宙產生。

到了1970年代,在計算太初核合成的重子密度時遇到了主要的難題,觀測到的數量少於依據擴張的速率計算所得,而這個難題在加入暗物質的假設後,大部分都被解決了。
重元素

太初核合成未能製造出比鈹重的元素,被認為是缺乏由8個核子組成的穩定原子核形成了瓶頸。在恆星,瓶頸是經由3個氦核(He-4)的碰撞生成碳(3氦過程)。然而,這個過程是非常緩慢的,需要數萬年的時間才能將足夠數量的氦轉換成碳,因此在大霹靂之後的幾分鐘內能有的貢獻是微不足道的。
氦(He-4)

不論宇宙的初始條件為何,太初核合成預測氦質量的原始豐度為25%。只要宇宙的溫度夠高,氫核和中子能夠很容易的相互轉換,而比率取決於它們的的相對質量,大約是1 個中子相對於7個質子(氫核,考慮一些中子蛻變為質子)。一旦溫度降得夠低,中子會迅速的與相等數量的質子結合成氦(He-4)。氦是非常穩定的,暨不會蛻變也不會結合成更重的原子核。所以每16個核子(2個中子14個質子)中的4個(25%)結合成氦核。可以這樣比喻,氦好比是灰燼,當一塊燃燒中的木頭有足夠數量的灰燼之後,燃燒的速率會變得緩慢甚至停止。

氦的豐度是很重要的,因為宇宙中多出來的氦可以用恆星核合成來解釋。另一方面,這也為大霹靂理論提供一個重要的測試。如果觀測到的氦豐度與25%有很大的差異,則將對此一理論提出嚴峻的挑戰。因為氦是很難蛻變的,所以這是一個特別的假設情況:如果早期的氦豐度低於25%。在幾年前,1990年代中期,觀測上得到的就是如上的情況,因而天文物理學家對太初核合成有所議論,但是進一步的觀測與大霹靂的理論是一致的。[2]


氘在許多方面都是與氦相對的,氦是非常穩定與不易蛻變的,而氘不僅非常不穩定也極易蛻變。因為氦是非常的穩定,因此兩個氘有結合成氦的強烈傾向。太初核合成未能將所有的氘轉換成氦,唯一的原因就是宇宙膨脹使溫度下降,在未全部完成前就切斷了轉換。與氦不同的結果是,氘的數量對溫度是非常敏感的,宇宙的密度越高,氘轉換成氦的數量也越多,能殘留下來的氘也越少。雖然目前仍不知道大霹靂的過程製造與殘留下多少可供辨識的氘,不過對於氘豐度的觀測,建議宇宙不是無窮的老,這與大霹靂的理論是相符的。

在1970年代,主要的努力在發現氘可能產生的程序。結果,除此之外還發現生成氘同位素的方法。問題是,當在宇宙中整體的氘濃度與大霹靂模型一致時,它顯得太高而不能與宇宙模型中假設的其他的氫核和中子一致。如果假設宇宙中包含所有的氫核和中子,以宇宙的密度,目前所觀測到的氘絕大多數都應該已經燃燒成氦(He-4)。

在觀測到的氘和觀測到的宇宙擴張速率上的不一致,導致對氘可能產生過程的深入研究。經過10年的努力之後,一致認為這些過程是不太可能的,並且現在用來解釋氘豐度的標準是宇宙不完全只有重子,還有非重子的物質(像是所知的暗物質)組成絕大部份的物質宇宙。這樣的解釋與演算的結果也是一致的,宇宙除了由為數眾多被觀測到的質子和中子組成之外,還有更多有待觀測的樹叢。

經由核合成產生氘的另一種程序是非常困難的。甚麼樣的過程需要足夠高的溫度能夠生成氘,卻又不足以產生氦,並且溫度又還要在幾分鐘之內立刻降低至不足以讓反應繼續下去,同時還要在它再發生之前,又需要清除掉已經生成的氘。

由核分裂生成氘也是困難的。這兒的問題再度是氘受到核子過程的支配,而且原子核的碰撞可能導致核子的被吸收,自由中子或是α粒子的發射。在1970年代,企圖使用宇宙射線散裂產生氘,這些企圖都失敗了,但卻意外的產生了其他的輕元素。
太初核合成的觀測測試和狀態

太初核合成的理論已經對輕元素——氘、氦(He-3和He-4)、鋰(Li-7)——的生成給了詳細的數學描述。特別是,這些理論產生精確的定量性的預測,即這些元素混合物的原始豐度。

為了驗證這些預測,必須儘可能必要的忠實重建原始豐度,例如經由觀測很少發生恆星核合成的天體(矮星系)或是觀察非常遙遠的天體(類星體),因而能看見宇宙在非常早期發展時的狀態。

如上所述,在太初核合成的標準圖形中,所有輕元素的豐度取決於所有能被觀察到的普通物質(重子)相對於輻射(光子)的比率。由於宇宙是均值的,重子對光子的比率只有單一的數值。長久以來,這意味著在太初核合成理論和觀測的對抗上,你必須問:所有對輕元素的觀測能否解釋重子對光子的唯一比率?或是更精準的說,考慮到預測和觀測兩者之間最佳的精確值,你可以要求:所有觀測到的重子對光子的比率,有沒有在一定的範圍之內?

最近,問題改變了:威爾金森微波各向異性探測器對宇宙微波背景輻射的精密觀測,給了重子對光子比率的一個獨立數值。使用這個數值,太初核合成預測的輕元素豐度與觀測的是否相符(一致)?

目前已經有資格這樣的回答問題:對氦(He-4),有很好的一致性;對(He-3)和氘(對豐度的測量)比以前要好;鋰(Li-7),觀測和預測有著相同的數量級,但還有兩倍的差異。然而,是否要重新檢討對鋰豐度的假設,不如先檢視我們在恆星物理和太初核合成的理論上,何者的缺陷較多。在這個層次上取得一致的協議或保證,才能在現在宇宙論上獲得令人感動與深思的成功:太初核合成將現代的宇宙(大約140億歲老)向前回朔至大約一秒鐘年齡的狀況下,而且結果與觀測能夠一致。[3]
非標準的太初核合成

除了標準的太初核合成理論之外,還有許多非標準的太初核合成理論,不能將它們與非標準宇宙論混淆:非標準太初核合成假設大霹靂曾經發生,但插入了其它的物理量以觀察對元素豐度的影響。這些加入的片段物理條件包括放寬或解除均質的做法,或是加入新的微粒,如有質量的微中子。

已經,並且繼續用各種不同的理由研究非標準的太初核合成。首先,最主要是歷史的影響,要解決太初核合成在理論與觀測上的不一致性。這點已經被證明是效果有限的,因為經由更好的觀測可以結絕不一致的問題;而且在很多的情況下,試圖改變太初核合成的條件,反而導致更多觀測與理論預測上的不一致。其次,在21世紀初,那些主要的非標準太初核合成理論,都需要置入未知或有風險的物理條件。例如,標準的太初核合成不需要假設異於尋常的假想微粒造成太初核合成的混亂,你加入一個假設的微粒(例如有質量的微中子)以觀察在之前太初核合成的豐度在預測和觀測非常不同的數值。這曾經有效過,因為加入的是質量極低的τ微中子。
相關條目

宇宙的最後命運

外部連結
一般讀物

Weiss, Achim. Big Bang Nucleosynthesis: Cooking up the first light elements. Einstein Online [2007-02-24].
White, Martin: Overview of BBN
Wright, Ned: BBN (cosmology tutorial)

技術專刊

Burles, Scott, and Kenneth M. Nollett, Michael S. Turner. What Is The BBN Prediction for the Baryon Density and How Reliable Is It?. Phys.Rev. D. 2001, 63: 063512. arXiv:astro-ph/0008495. Report-no: FERMILAB-Pub-00-239-A
Jedamzik, Karsten, "A Brief Summary of Non-Standard Big Bang Nucleosynthesis Scenarios". Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching.
Steigman, Gary, Primordial Nucleosynthesis: Successes And Challenges arXiv:astro-ph/0511534; Forensic Cosmology: Probing Baryons and Neutrinos With BBN and the CBR arXiv:hep-ph/0309347; and Big Bang Nucleosynthesis: Probing the First 20 Minutes arXiv:astro-ph/0307244
R. A. Alpher, H. A. Bethe, G. Gamow, The Origin of Chemical Elements, Physical Review 73 (1948), 803. The so-called αβγ paper, in which Alpher and Gamow suggested that the light elements were created by hydrogen ions capturing neutrons in the hot, dense early universe. Bethe s name was added for symmetry
G. Gamow, The Origin of Elements and the Separation of Galaxies, Physical Review 74 (1948), 505. These two 1948 papers of Gamow laid the foundation for our present understanding of big-bang nucleosynthesis
G. Gamow, Nature 162 (1948), 680
R. A. Alpher, "A Neutron-Capture Theory of the Formation and Relative Abundance of the Elements," Physical Review 74 (1948), 1737
R. A. Alpher and R. Herman, "On the Relative Abundance of the Elements," Physical Review 74 (1948), 1577. This paper contains the first estimate of the present temperature of the universe
R. A. Alpher, R. Herman, and G. Gamow Nature 162 (1948), 774
Java Big Bang element abundance calculator

參考文獻

^ Weiss, Achim. Equilibrium and change: The physics behind Big Bang Nucleosynthesis. Einstein Online [2007-02-24].
^ Bludman, S. A.. Baryonic Mass Fraction in Rich Clusters and the Total Mass Density in the Cosmos. Astrophysical Journal. December 1998, 508: 535–38 [2007-04-05].
^ Weiss, Achim. Elements of the past: Big Bang Nucleosynthesis and observation. Einstein Online [2007-02-24]. For a recent calculation of BBN predictions, see A. Coc et al.. Updated Big Bang Nucleosynthesis confronted to WMAP observations and to the Abundance of Light Elements. Astrophysical Journal. 2004, 600: 544. For the observational values, see the following articles: Helium-4: K. A. Olive & E. A. Skillman. A Realistic Determination of the Error on the Primordial Helium Abundance. Astrophysical Journal. 2004, 617: 29. Helium-3: T. M. Bania, R. T. Rood & D. S. Balser. The cosmological density of baryons from observations of 3He+ in the Milky Way. Nature. 2002, 415: 54. Deuterium: J. M. O Meara, et al.. The Deuterium to Hydrogen Abundance Ratio Towards a Fourth QSO: HS0105+1619. Astrophysical Journal. 2001, 552: 718. Lithium-7: C. Charbonnel & F. Primas. The Lithium Content of the Galactic Halo Stars. Astronomy & Astrophysics. 2005, 442: 961.

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核合成
物理宇宙學
大爆炸







水星
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水星 水星的天文學符號 水星
信使號的水星假色影像
編號
軌道參數[1]
曆元 J2000
遠日點 69,816,900 公里
0.466697 AU
近日點 46,001,200公里
0.307499 AU
半長軸 57,909,100公里
0.387098 AU
離心率 0.205630
軌道周期 87.9691 d
(0.240846 a)
周期 115.88 dWilliams, Dr. David R.. Mercury Fact Sheet. NASA. September 1, 2004 [2007-10-12].</ref>
平均速度 47.87 公里/秒
平近點角 174.796°
軌道傾角 7.005°
3.38°(對太陽赤道)
升交點黃經 48.331°
近日點參數 29.124°
衛星 無
物理特徵
平均半徑 2439.7 ± 1.0 公里[2][3]
0.3829 Earths
扁率 <0.0006[3]
表面積 7.48×107 km²
0.108 Earths[2]
體積 6.083×1010 km³
0.054 Earths[2]
質量 3.3022×1023 kg
0.055 Earths[2]
平均密度 5.427 g/cm³[2]
表面重力 3.7 m/s²
0.38 g[2]
逃逸速度 4.25 km/s[2]
自轉週期 58.646 day (58 d 15.5 h)[2]
赤道自轉速度 10.892 km/h
轉軸傾角 0.01°[4]
北極赤經 18 h 44 min 2 s
281.01°[4]
北極赤緯 61.45°[4]
反照率 0.119 (bond)
0.106 (geom.)
表面溫度
0°N, 0°W
85°N, 0°W
最小 平均 最大
100 K 340 K 700 K
80 K 200 K 380 K
視星等 達到 -1.9[4]
角直徑 4.5" — 13"[4]
大氣
成分
31.7% 鉀
24.9% 鈉
9.5% 氧原子
7.0% 氬
5.9% 氦
5.6% 氧分子
5.2% 氮
3.6% 二氧化碳
3.4% 水
3.2% 氫

水星,中國稱為辰星,是太陽系最內側和最小的行星[a],但仍比月球大1/3。在太陽系所有的行星中,水星有最大的軌道離心率和最小的轉軸傾角,每87.969地球日繞行太陽一周。水星每繞軸自轉3圈時也繞著太陽公轉2周。水星繞日公轉軌道近日點的進動每世紀多出43弧秒的現象,在20世紀才從愛因斯坦的廣義相對論得到解釋[5]。從地球看水星的亮度有很大的變化,視星等從-2.3至5.7等,但是它與太陽的分離角度最大只有28.3 °,因此很不容易看見。除非有日食,否則在陽光的照耀下通常是看不見水星的。在北半球,只能在凌晨或黃昏的曙暮光中看見水星;當大距出現在赤道以南的緯度時,在南半球的中緯度可以在完全黑暗的天空中看見水星。
目錄

1 概述
2 內部構造
2.1 水星上的鐵
3 表面地質
4 物理性質
4.1 溫度和日照情況
4.2 大氣
4.3 水星上的冰
5 磁場和磁層
6 公轉與自轉
6.1 公轉
6.2 自轉
7 水星探索
7.1 早期
7.2 美國國家航空太空局
7.3 日本和歐洲太空局
7.4 成為人類殖民地的可能
8 關於水星的科幻
9 參見
10 參考文獻
11 參考資料
12 外部鏈結

概述

由於十分接近太陽,勘測有困難度,我們對水星的所知相當有限,迄今只有兩艘太空船曾略勘水星。第一艘是1974至1975年的水手10號,只描繪了45%的水星表面圖[6]。第二艘是信使號,在2008年1月14日掠過水星,描繪了另外30%的表面[6]。信使號於2011年3月17日再度抵達水星,並且進入環繞軌道,開始對水星表面進行全面的探測。

實際上,水星在外觀上很像月球。它的表面有許多的坑穴,沒有天然的衛星,也沒有真實的大氣層;它有個巨大的鐵核,磁場強度大約是地球的1% [7]。由於有著巨大的核,它是高密度的行星。表面的溫度從90至700K(-180至430 °C)。日下點是最熱的地方,在靠近地理極的坑穴底部是溫度最低之處。

水星的觀測紀錄可以追溯到西元前3,000年的蘇美爾人,希臘的赫西俄德時代稱之為Στίλβων(拉丁化:「Stilbon 」)(「the gleaming」)和「Hermaon」。今天我們所用的名稱來自羅馬,是羅馬神話中眾神的信使墨丘利(Mercurius),相當於希臘的赫耳墨斯(Hermes)和巴比倫的Nabu。在天文學上的符號是一個古老的星占符號,一個很有風格的版本是帶著有翅膀的頭盔持著眾神手杖(caduceus)的「傳信天使」。在西元前5世紀,希臘天文學家認為水星是兩個不同的天體,這是因爲它時常交替地出現在太陽的兩側;一顆出現在日落之後,它被叫做墨丘利;另一顆則出現在日出之前,爲了紀念太陽神阿波羅,它被稱爲阿波羅。畢達哥拉斯後來指出他們實際上是相同的一顆行星。

在印度,水星被稱為「Budha」(बुध),是月亮之神(「Chandra」)的兒子;在希伯來,稱為「Kokhav Hamah」(כוכב חמה),意思是來自太陽的炎熱之星。

在中國,水星又稱為「辰星」,是五行之一。

晉書:志第二 天文中(七曜 雜星氣 史傳事驗)內提及:
「辰星曰北方冬水,智也,聽也。智虧聽失,逆冬令,傷水氣,罰見辰星。辰星見,則主刑,主廷尉,主燕趙,又為燕、趙、代以北;宰相之象。亦為殺伐之氣,戰鬥之象。又曰,軍於野,辰星為偏將之象,無軍為刑事。和陰陽,應效不效,其時不和。出失其時,寒署失其節,邦當大饑。當出不出,是謂擊卒,兵大起。在於房心間,地動。亦曰,辰星出入躁疾,常主夷狄。又曰,蠻夷之星也,亦主刑法之得失。色黃而小,地大動。光明與月相逮,其國大水。」

內部構造
1. 地殼 - 厚度100–200 km
2. 地幔 - 厚度600 km
3. 核心 - 半徑約1,800 km

水星是與地球相似的4顆類地行星之一,並且是4顆中最小的,在赤道的直徑是4,879 公里。水星甚至比一些巨大的衛星,像是甘尼米德和泰坦,還要小(雖然質量較大)。水星的總質量約為30,000兆公噸,只有地球的5.5%。核的周圍是 600 km 厚的行星幔。水星的70%是金屬,30%是矽酸鹽物質,5.43 g/cm³的密度上是太陽系的行星中第二大的,只有地球的密度比它大(水的密度是1.00 g/ cm³)。如果不考慮重力壓縮對物質密度的影響,水星物質的密度將是最高的。未經重力壓縮的水星物質密度是5.3 g/cm³,相較之下的地球物質只有4.4 g/cm³ [8]。

水星的高密度可以推測其內部結構的細節。地球的高密度,特別是核心的高密度,是由重力壓縮所導致的。水星是如此的小,因此它的內部不會被強力的擠壓,所以它要有如此高的密度,它的核心必然是大且富含鐵的[9]。地質學家估計水星的核心佔有體積的42%(地球的核心只佔體積的17%),最近的研究很大的程度上暗示水星有一個熔融的核心[10]。

環繞核心的是厚600 公里的地函,一般認為是在水星早期的歷史上就形成,而一次直徑達數百公里的巨大物體的撞擊,剝離了行星原來的地函物質,造成地函相對於核心的尺寸是很薄的一層[11](下面討論的是一些可能的理論)。

水星外殼的厚度原本被認為有100至200 公里的厚度。水星表面的一個特徵是有許多狹窄的土坎,有一些還延伸了數百公里。這些特徵相信是在外殼已經變硬之後,因為被覆蓋的核心冷卻和收縮所造成的[12]。
水星上的鐵

水星有比太陽系內任何一顆主要的行星更大的鐵核心,有幾種理論試圖解釋這種現象。最被廣泛接受的理論是水星最初有著和其他的球粒隕石有著相似與共同性的金屬與矽酸鹽的比例(被認為是太陽系內岩石典型的平均值),質量大約是現在的2.25倍。然而,在太陽系的早期歷史中,水星被一顆大約是現在質量六分之一的星子(微行星)撞擊。這次撞擊剝離了水星的外殼和地涵,留下的核心就成為相對是巨大的主要部分了[11]。一個相似的過程被用來解釋地球的月球是如何形成的(參考大碰撞說)。

另一個理論是,可能在太陽還是太陽星雲,沒有形成穩定的能量輸出之時就形成了。最初的質量是現在的2倍,但是因為原始太陽的收縮,水星附近的溫度在2,500至3,000 K(≈4,000至5,800 °F),甚至可能高達10,000 K(≈17,500 °F)。許多水星表面的岩石在這樣的高溫下被蒸發掉,成為岩石的蒸氣,並被太陽風帶離而去 [13]。

第三種理論認為太陽星雲的形成導致水星的微粒生長受到阻力,這意味著較輕的微粒在生長的過程中被丟失了[14]。這些理論預測了不同的表面結構,兩項即將進行的太空任務信使號和貝皮可倫坡都將針對這些理論的預測進行測試和觀察。
表面地質
來自信使號的第一張水星假色影像。

主條目:水星地質

水星的表面整體看來像是火星地貌與月球地貌的綜合,包括高原和廣闊的海 - 像是平原和大坑穴,顯示數億年來在地質上是不活躍的。我們對水星地質的認識建立在1975年飛越水星的水手10號和地面望遠鏡的觀測,但仍是迄今所知最少的類地行星。當信使號飛越水星時觀測的數據經過處理之後,包括一個被稱為「蜘蛛」的地點,我們對水星地質的知識都將會增加[15]。

現在已知的表面行星地質特徵如下:

環形山——請參閱水星環形山列表
反照率特徵 - 明顯有著不同反照率的區域
皺脊 - 山脊(參考水星山脊列表)
山脈 - 山脈(參考水星山脈列表)
平原 - 大平原與平坦的區域(參考水星平原列表)
懸崖 - 陡坡與懸崖(參考水星懸崖列表)
大峽谷 - 凹地(參考水星凹地列表)

水星在46億年前形成時,曾經經歷過彗星和小行星的輪番轟擊階段,以及稍後在38億年前結束的另一個獨立後期重轟炸期。缺乏大氣層減緩撞擊的速度,行星的整個表面都受到了轟擊,在這個期間形成了巨大的坑穴;這段期間也是火山活躍的時期,像是卡洛里盆地等盆地,都會被來自內部的岩漿填滿,像是在月球上發現的海一樣,形成表面平滑的平原。
水星的卡洛里盆地是太陽系最大的撞擊特徵之一。

水星上的坑穴直徑從幾米到幾百公里都有,已知最大的坑穴是卡洛里盆地,直徑達到1,550 公里[16],還有直徑1,600 公里的史基納卡盆地( Skinakas Basin),但是不在水手10號探測過的半球內,只有解析度很低的地基望遠鏡影像。創造卡洛里盆地的撞擊非常強烈,導致了熔岩的噴發,不僅在撞擊坑周圍留下了超過2 公里高的同心圓環,還在卡洛里盆地的對蹠點造成了一大片類似丘陵地的古怪地形。一種假說認為這種地形是撞擊引起的衝激波穿越整個行星傳播,並且當它們在對蹠地強大的壓力造成面地形的破碎[17]。另一種說法則是認為噴出物直接匯聚在卡洛里盆地的對蹠地的結果。
被稱為古怪地形的卡洛里盆地對蹠點。(水手10號的影像)

水星的平原有兩個截然不同的年代:較年輕的沒有巨大的坑穴,可能是熔岩淹沒掉了更早期的地形。平原表面上一個較異常的特點是有許多的壓縮折疊在此處交叉,他被認為是行星的內部冷卻,造成的收縮使得表面扭曲變形。這些折疊也出現在在其他特徵的上層,像是坑穴和較平滑的平原,顯示這是最近才產生的[18]。水星的表面也有來自於太陽的潮汐隆起 - 太陽對水星的潮汐力比地球對月球的強了17% [19]。

像月球一樣,水星的表面也受到太空風化過程作用的影響。太陽風和微流星體的撞擊可能會改變表面的反射性質,使反照率降低。
物理性質
溫度和日照情況

水星表面的平均溫度是452K(179 °C/354 °F),但是因為缺乏大氣調節,它的變化範圍從90K(−183.1 °C/−297.7 °F)到700K(427 °C/800 °F);相較於地球,地球上的度溫變化只有11K。(這裡只是太陽輻射能量,不考慮季節,天氣)。水星表面照射到的陽光強度是地球的6.5倍,它的太陽常數是9126.6 W/m²。
大氣

主條目:水星大氣

類地行星大小的比較,由左至右依序為:水星、金星、地球、火星。

水星因為太小,因此重力不足以長時期的保有大氣層,雖然如此,它還是有包含氫、氦氣、氧氣、鈉、鈣和鉀的稀薄大氣。這些大氣是不穩定的 - 原子不斷的流失和從各種不同的來源獲得補充。氫和氦的原子很可能來自太陽風,在重新回到太空之前會先散開進入水星的磁層。在水星外殼中的放射性衰變是氦氣的另一個來源,還可以產生鉀和鈉。水蒸氣也可能存在,來源則是撞擊水星表面的彗星[20]。
水星上的冰
水星北極的雷達影像圖。

儘管水星的表面一般都是極端的高溫,但是在1992年的雷達觀測強烈的顯示仍有冰的存在。一些在極區的深邃坑穴,其底從未直接暴露在陽光之下,因此那兒的溫度遠低於水星的平均溫度之下。結冰的水能強烈的反射雷達波,而在觀測上顯示在接近極區的地區有小片的強烈反射區 [21]。冰當然不是造成強烈反射的唯一可能原因,但天文學家認為這是最可能的。

冰所覆蓋的區域應該只有幾米的深度,大約有1014–1015 公斤的冰。與地球比較,南極洲的冰層大約有4 X1018 公斤,而火星的南極冰帽下大約有1016 公斤的水。水星上冰的來源還不清楚,但最有可能的兩種途徑是從行星內部噴出的氣體,或是由彗星撞擊帶來的[22]。
磁場和磁層
顯示水星磁場相對強度的圖表

儘管它很小且自轉緩慢得長達59天,水星仍有值得注意的全球性磁場。依據水手 10號的測量,它的強度僅有地球的1.1%,在水星赤道的磁場強度大約是300 nT[23][24]。像地球一樣,水星磁場在本質上是雙極的[25];然而,不同於地球的是,水星的磁極與自轉軸幾乎是並列的[26]。來自水手10號和信使神號太空船兩者的測量都表明磁場的強度和形狀都是穩定的[26]。

這個磁場可能是經由發電機效應形成的,有些類似於地球的磁場[27][28]。這種發電機效應起因於行星富含鐵的液體核心的循環,特別是行星軌道的高離心率帶來強烈的潮汐作用,使核心保持液態更是發電機效應所必須的[29]。

水星磁場的強度足以影響環繞著該行星的太陽風,創造出磁層。水星的磁層雖然很小,但已足以將地球包含在內[25],強度也可以將太陽風的電漿拘束在內,對行星表面的太空風化產生貢獻[26]。水手10號太空船的觀測在水星夜半側的磁層內部偵測到低能量的電漿,在磁尾也偵測到高能量的微粒爆炸,這些都顯示了水星磁層的動力學性質[25]。
公轉與自轉
公轉

Orbit of Mercury (yellow). Orbit of Mercury as seen from the ascending node (bottom) and from 10° above (top).

水星的運行軌道是,半徑從 4 600 萬公里到 7 000 萬公里變化。圍繞太陽的緩慢歲差不能完全地被牛頓經典力學所解釋,以致於在一段時間內很多人用設想的另外一個更靠近太陽的行星(有時被稱為火神星)來解釋這個混亂。這稱為「水星近日點進動」。然而,愛因斯坦的廣義相對論後來提供了一種可以消除這個小誤差的解釋。
自轉

1889年義大利天文學家夏帕里利經過多年觀測認為水星自轉時間和公轉時間都是88天。直到1965年,美國天文學家才測量出了水星自轉的精確周期58.646天,是地球自轉速度的59分之一。

1965年的雷達觀察數據,否定了之前所認為的水星對太陽是潮汐鎖定的想法,即自轉與公轉的角速度幾乎一致,使得水星的其中一面幾乎永遠面對太陽。水星軌道共振為3:2,即,每自轉三圈就會繞太陽公轉兩圈——水星的軌道離心率是這個諧振穩定的原因。其初天文學家之所以認為水星是潮汐鎖定的,是因為以當時的條件只能在特定位置進行觀察,而潮汐鎖定又正好導致每次在該位置時,總是展現它的相同一面,就如同它完全地被固定住一樣。

因為水星的 3:2 的軌速比率, 一個恆星日(自轉的周期)大約是58.7個地球日,一個太陽日(太陽穿越兩次子午線之間的時間)大約是176個地球日。

參見:開普勒定律

由於水星的公轉軌道偏心率,以及其自轉與公轉速度的關係,導致在水星上存在一個奇特的現象:在特定的時刻,如果在水星表面的特定位置觀察太陽,會發現太陽會先升到半空中起然後逆行落下,然後再於同一個位置升起。也就是說,在同一個水星日里,可以看到兩次日出和日落——其中一次日落是倒退回去的。導致這一奇特現象的原因是,根據開普勒定律,近日點的軌道速度最快,遠日點則最慢。而水星在接近近日點大約四天前的某一位置,其公轉角速度會逐漸趕上它的自轉角速度,以致於太陽的視運動逐漸停止,然後倒退;在近日點時,水星的軌道速度達到最大;而在過了近日點四天之後,太陽會恢復正常的視運動,因為此時軌道角速度又會再次落後於自轉角速度。
水星探索
早期

水星最早被閃族人在(公元前三千年)發現,他們叫它 Ubu-idim-gud-ud。最早的詳細記錄觀察數據的是巴比倫人,他們叫它 gu-ad 或 gu-utu。希臘人給它起了兩個古老的名字,當它出現在早晨時叫阿波羅,當它出現在傍晚叫赫耳墨斯,但是希臘天文學家知道這兩個名字表示的是同一星體。希臘哲學家赫拉克利特甚至已經認為水星和金星(維納斯星)是繞太陽公轉的而不是地球。水星的觀測因為它過於接近太陽而變的非常複雜;在地球可以觀測它的唯一時間是在日出或日落時。
美國國家航空太空局
水星探査機水手10號(Mariner 10)

靠近過水星的唯一太空飛行器是水手10號。最近有一個被美國國家航空太空局批准的項目,項目被命名為MESSENGER(「信使號」,是MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging的字母縮寫,意為 「水星表面,空間環境,地理化學和全向遙測」),信使號已在2004年8月發射,2011年3月17日進入圍繞水星運行的軌道,成為首顆圍繞水星運行的探測器。
日本和歐洲太空局

日本計劃加入歐洲太空局的一個叫做貝皮可倫坡號的項目,這個項目將發射二個環繞水星飛行的飛船,計劃一個給水星做地圖,一個研究它的磁場。初步的計劃中包括的登陸器已經放棄了。俄國人計畫在2011年-2012年之間用聯盟火箭送出他們的飛船,飛船將在四年後到達水星,將會環繞軌道飛行,繪制地圖並且研究它的磁場。
成為人類殖民地的可能

在水星南北極的環形山是一個很有可能適合成為地球外人類殖民地的地方,因為那裏的溫度常年恆定(大約-200℃)。這是因為水星微弱的軸傾斜以及因為基本沒有大氣,所以從有日光照射的部分的熱量很難擕帶至此,即使水星兩極較為淺的環形山底部也總是黑暗的。適當的人類活動將能加熱殖民地以達到一個舒適的溫度,週圍一個相比大部分地球區域來說較低的環境溫度將能使散失的熱量更易處理。
關於水星的科幻

水星是科幻小說作者感興趣的題材. 主題主要包括暴露在太陽輻射下的危險;停留在水星緩慢移動的晨昏圈(白天與夜晚之間的界綫)上被過度輻射所傷害的可能和獨裁政府(可能因為水星表面溫度很高的緣故)。
參見

太陽系探測器列表
太陽系探索時間線
水星凌日

參考文獻

Discovering the Essential Universe by Neil F. Comins (2001)

參考資料

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Merkur(dt.)
『Messenger』, NASA』s Mercury Mission
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Mercury World Book Online Reference Center
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金星
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本文介紹的是太陽系行星-金星。關於與「金星」同名的其他主題,詳見「金星 (消歧義)」。
金星 金星的天文學符號 Venus-real.jpg
軌道參數
近日點 107,476,259公里
0.718,432,70天文單位
遠日點 108,942,109公里
0.728,231,28天文單位
公轉半徑 108,208,930公里
偏心率 0.006,8
公轉週期 224.700,69地球日
0.615,197,0地球年
自轉週期 243.0185地球日(逆向)
平均公轉速度 35.1公里/秒
衛星數量 0
物質結構
赤道直徑 12,103.6公里
表面面積 4.6億平方公里
質量 4.869×1024 公斤
表面引力 8.78 米/秒2
自轉時間 -243.02天
逃逸速度 10.4公里/秒
表面溫度
最低 平均 最高
228 K 737 K 773 K
大氣層
大氣壓 9321.9千帕
二氧化碳 96%
氮 3%
其他各種氣體 極少數

金星是太陽系八大行星之一,按離太陽由近及遠的次序排列為第二顆。在中國古代又稱為長庚、啟明或太白。公轉周期是224.71地球日。夜空中亮度僅次於月球,排第二,感覺上,金星在日出稍前或者日落稍後是最明亮的時刻。
目錄

1 概述
2 大氣
3 地形地貌
4 公轉與自轉
5 衛星史話
6 人類探索
7 參見
8 參考資料

概述

金星是一顆類地行星,因為其質量與地球類似,有時被人們叫做地球的「姐妹星」,也是太陽系中唯一一顆沒有磁場的行星。在八大行星中金星的軌道最接近圓形,偏心率最小,僅為0.7%。

以地球為三角形的頂點之一,分別連結金星和太陽,就會發現這個角度非常小,即使在最大時也只有48.5°,這是因為金星的軌道處於地球軌道的內側。因此,當我們看到金星的時候,不是在清晨便是在傍晚,並且分別處於天空的東側和西側。

中國古人稱金星為「太白」或「太白金星」,也稱「啟明」或「長庚」(傍晚出目前稱「長庚」,清晨出目前稱「啟明」)。古希臘人稱為阿佛洛狄忒,是希臘神話中愛與美的女神。而在羅馬神話中愛與美的女神是維納斯,因此金星也稱做維納斯(Venus)。金星的天文符號用維納斯的梳妝鏡來表示。
金星的位相變化

金星同月球一樣,也具有周期性的圓缺變化(相位變化),但是由於金星距離地球太遠,用肉眼是無法看出來的。金星的相位變化,曾經被伽利略作為證明哥白尼的日心說的有力證據。
大氣

主條目:金星大氣層

金星上也有雷電,曾經記錄到的最大一次閃電持續了15分鐘。

金星的大氣主要由二氧化碳組成,並含有少量的氮氣。金星的大氣壓強非常大,為地球的90倍,相當於地球海洋中1公里深度時的壓強。大量二氧化碳的存在使得溫室效應在金星上大規模地進行著。如果沒有這樣的溫室效應,溫度會比現在下降400 °C。在近赤道的低地,金星的表面極限溫度可高達500 °C。這使得金星的表面溫度甚至高於水星,雖然它離太陽的距離要比水星大的兩倍,並且得到的陽光只有水星的四分之一(高空的光照強度為2613.9 W/m²,表面為1071.1 W/m²)。儘管金星的自轉很慢(金星的「一恆星日」比金星的「一年」還要長),但是由於熱慣性和濃密大氣的對流,晝夜溫差並不大。大氣上層的風只要4天就能繞金星一周來均勻的傳遞熱量。

金星濃厚的雲層把大部分的陽光都反射回了太空,所以金星表面接受到的太陽光比較少,大部分的陽光都不能直接到達金星表面。金星熱輻射的反射率大約是60%,可見光的反射率就更大。所以說,雖然金星比地球離太陽的距離要近,它表面所得到的光照卻比地球少。人們常常會想當然的認為金星的濃密雲層能夠吸收更多的熱量,但是事實證明如果沒有這些濃密雲層,溫度才會升高。可是金星的大氣中有二氧化碳大量存在,造成嚴重的溫室效應導致金星位居八大行星中溫度最高的,僅只有雲層頂端的環境是比較接近地球[1]。
類地行星大小的比較,由左至右依序為:水星、金星、地球、火星。
2004年金星凌日

在雲層頂端金星有著每小時350公里的大風,而在表面卻是風平浪靜,每小時不會超過數公里。然而,考慮到大氣的濃密程度,就算是非常緩慢的風也會具有巨大的力量來克服前進的阻力。金星的雲層主要是由二氧化硫和硫酸組成,完全覆蓋整個金星表面。這讓地球上的觀測者難以透過這層屏障來觀測金星表面。這些雲層頂端的溫度大約為-45 °C。美國航空及太空總署給出的數據表明,金星表面的溫度是464 °C。雲層頂端的溫度是金星上最低的,而表面溫度卻從不低於400 °C。
地形地貌

主條目:金星地質

在金星表面的大平原上有兩個主要的大陸狀高地。北邊的高地叫伊師塔地,擁有金星最高的麥克斯韋山脈(大約比喜馬拉雅山高出兩公里),它是根據詹姆斯·克拉克·麥克斯韋命名的。麥克斯韋山脈包圍了拉克西米高原。伊師塔地大約有澳大利亞那麼大。南半球有更大的阿芙羅狄蒂地,面積與南美洲相當。這些高地之間有許多廣闊的低地,包括有愛塔蘭塔平原低地、格納維爾平原低地以及拉衛尼亞平原低地。除了麥克斯韋山脈外,所有的金星地貌均以現實中的或者神話中的女性命名。由於金星濃厚的大氣讓流星等天體在到達金星表面之前減速,所以金星上的隕石坑都不超過3.2公里。

大約90%的金星表面是由不久之前才固化的玄武岩熔岩形成,當然也有極少量的隕石坑。這表明金星近來正在經歷表面的重新構築。金星的內部可能與地球是相似的:半徑約3000公里的地核和由熔岩構成的地幔組成了金星的絕大部分。來自麥哲倫號的最近的數據表明金星的地殼比起原來所認為的更厚也更堅固。可以據此推測金星沒有像地球那樣的可移動的板塊構造,但是卻有大量的有規律的火山噴發遍布金星表面。金星上最古老的特徵僅有8億年歷史,大多數地區都相當年輕(但也有數億年的時間)。最近的發現表明,金星的火山在隔離的地質熱點依舊活躍。

金星本身的磁場與太陽系的其它行星相比是非常弱的。這可能是因為金星的自轉不夠快,其地核的液態鐵因切割磁感線而產生的磁場較弱造成的。[來源請求]這樣一來,太陽風就可以毫無緩衝地撞擊金星上層大氣。最早的時候,人們認為金星和地球的水在量上相當,然而,太陽風的攻擊已經讓金星上層大氣的水蒸氣分解為氫和氧。氫原子因為質量小逃逸到了太空。金星上氘(氫的一種同位素,質量較大,逃逸得較慢)的比例似乎支持這種理論。而氧元素則與地殼中的物質化合,因而在大氣中沒有氧氣。金星表面十分乾旱,所以金星上的岩石要比地球上的更堅硬,從而形成了更陡峭的山脈、懸崖峭壁和其它地貌。

另外,根據探測器的探測,發現金星的岩漿裡含有水。
公轉與自轉
VenusAnimation.ogg
金星繞軸自轉的方向與太陽系內大多數的行星是相反的。

金星以224.65天繞太陽公轉一週,平均距離為一億八百萬公里。雖然所有的行星軌道都是橢圓的,但金星軌道的離心率小於0.01。當金星的位置介於地球和太陽之間時,稱為下合(內合),會比任何一顆行星更接近地球,這時的平均距離是4,100萬公里,平均每584天發生一次下合。由於地球軌道和金星軌道的離心率都在減少,因此這兩顆行星最接近的距離會逐漸增加。而在離心率較大的期間,金星與地球的距離可以接近至3,820萬公里。

金星的自轉週期是243天,是主要行星中自轉最慢的。金星的恆星日比金星的一年還要長(243金星日相對於224.7地球日),但是金星的太陽日比恆星日為短,在金星表面的觀測者每隔116.75天就會看見太陽出沒一次[2],這意味著金星的一天比水星的一天(176地球日)短。太陽會從西邊升起,然後在東邊落下。金星在赤道的轉速只有6.5公里/小時,而地球在赤道的轉速大約是1,600公里/小時。

如果從太陽的北極上空鳥瞰太陽系,所有的行星都是以反時針方向自轉,但是金星是順時鐘自轉,金星的順時鐘轉是逆行的轉動。當行星的自轉被測量出來時,如何解釋金星自轉的緩慢和逆行,是科學家的一個難題。當他從太陽星雲中形成時,金星的速度一定比現在更快,並且是與其他行星做同方向的自轉,但計算顯示在數十億年的歲月中,作用在它濃厚的大氣層上的潮汐效應會減緩它原來的轉動速度,演變成今天的狀況[3][4]。

令人好奇的是金星與地球平均584天的會合週期,幾乎正好是5個金星的太陽日,這是偶然出現的關係,還是與地球潮汐鎖定的結果,還無從得知[5]。

雖然小行星2002 VE68維持著與它相似的軌道,但金星目前沒有天然的衛星[6]。 依據加州理工學院的Alex Alemi和David Stevenson兩人對早期太陽系研究所建立的模型顯示,在數十億年前經由巨大的撞擊事件,金星曾至少有過一顆衛星[7][8]。依據Alemi和Stevenson的說法,大約過了一仟萬年後,另一次的撞擊改變了這顆行星的轉向,使得金星的衛星逐漸受到螺旋向內[9],直到與金星碰撞並合而為一。如果後續的碰撞創造出衛星,它們也會被相同的方法吸收掉。Alemi和Stevenson目前的研究,科學界是否會接納,也依然是情況未明。
衛星史話

人們曾經認為金星有一個衛星,名叫尼斯,以埃及女神塞斯(沒有凡人看過她面紗下的臉)命名。它的首次發現是由義大利出生的法國天文學家喬凡尼·多美尼科·卡西尼在1672年完成的。天文學家對尼斯的零星觀察一直持續到1982年,但是這些觀察之後受到了懷疑(實際上是其它昏暗的星體在恰好的時間出現在了恰好的位置上)。所以我們現在認為,金星沒有衛星。
人類探索

在太空探測器探測金星以前,有的天文學家認為金星的化學和物理狀況和地球類似,在金星上發現生命的可能性比火星還大。1950年代後期,天文學家用無線電望遠鏡第一次觀測了金星的表面。從1961年起,前蘇聯和美國向金星發射了30多個探測器,從近距離觀測,到著陸探測。 日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)在2010年5月發射的金星探測器「曉」號,原本預定在2010年12月7日進入金星軌道,但「曉」號開始進行引擎反向噴射、準備減緩速度進入金星軌道時,通訊設備卻發生故障,與地面指揮中心短暫失聯,以至於引擎停擺,與金星擦身而過。「曉」號必須等到2016年後才能再度接近金星軌道,運作小組表示,屆時「曉」號若仍完好無損,將再次挑戰。
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相關的維基共享資源:

金星

參見

太陽系探測器列表
太陽系探索時間線
金星凌日
金星曆法

參考資料

^ http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2002/TM-2002-211467.pdf
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^ Correia A.C.M., Laskar J.. Long-term evolution of the spin of Venus: II. numerical simulations (PDF). Icarus. 2003, 163: 24–45. doi:10.1016/S0019-1035(03)00043-5.
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^ Justine Whitman. Moon Motion & Tides. Aerospaceweb.org. February 19, 2006 [2007-08-03].

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金星
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金星的近代探測
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太陽系

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地球
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地球 地球的天文學符號 The Earth seen from Apollo 17.jpg
著名的「藍色彈珠」照片,由阿波羅17號太空船於1972年拍攝
軌道參數
曆元 J2000
遠日點 152,097,701 km
(1.016 710 333 5 AU)
近日點 147,098,074 km
(0.983 289 891 2 AU)
半長軸 149,597,887.5 km
(1.000 000 112 4 AU)
離心率 0.016 710 219
平均速度 29.783 km/s
(107,218 km/h)
軌道傾角 0
(7.25°至太陽赤道)
升交點黃經 348.739 36°
近日點參數 114.207 83°
衛星 1個(月球)
物理特徵
平均半徑 6,372.797 km
赤道半徑 6,378.137 km
極半徑 6,356.752 km
表面積 510,065,600 km²
體積 1.083 207 3×1012 km³
質量 5.9742×1024 kg
平均密度 5,515.3 kg/m³
表面重力 9.780 1 m/s²
(0.997 32 g)
逃逸速度 11.186 km/s(≅39,600 km/h)
自轉週期 0.997 258 d(23.934 h)
赤道自轉速度 465.11 m/s
轉軸傾角 23.439 281°
北極赤經 未定義
北極赤緯 +90°
反照率 0.367
表面溫度
熱力學溫標
攝氏溫標
最小 平均 最大
184 K 287 K 331 K
-89.2 ℃ 14 ℃ 57.7 ℃
大氣
成分 78.084% 氮
20.946% 氧
0.934% 氬
0.0381% 二氧化碳
水蒸氣(依氣溫而有所不同,詳見相對濕度)

地球是太陽系從內到外的第三顆行星,也是太陽系中直徑、質量和密度最大的類地行星。住在地球上的人類又常稱呼地球為世界。

地球是上百萬種生物的家園,[1]包括人類。地球是目前人類所知宇宙中唯一存在生命的天體。地球誕生於45.4億年前,[2][3][4][5]而生命誕生於地球誕生後的10億年內。從那以後,地球的生物圈改變了大氣層和其他環境,使得需要氧氣的生物得以誕生,也使得臭氧層形成。臭氧層與地球的磁場一起阻擋了來自宇宙的有害射線,保護了陸地上的生物。[6]地球的物理特性,和它的地質歷史和軌道,使得地球上的生命能周期性地持續。地球預計將在15億年內繼續擁有生命,直到太陽不斷增加的亮度滅絕地球上的生物圈。

地球的表面被分成幾個堅硬的部分,或者叫板塊,它們以地質年代為周期在地球表面移動。地球表面大約71%是海洋,剩下的部分被分成洲和島嶼。液態水是所有已知的生命所必須的,但並不在所有其他星球表面存在。[7][8]地球的內部仍然非常活躍,有一層很厚的地函,一個液態外核和一個固態鐵的核心。

地球會與外太空的其他天體相互作用,包括太陽和月球。當前,地球繞太陽公轉一周所需的時間是自轉的366.26倍,這段時間被叫做一恆星年,等於365.26太陽日[9]。地球的地軸傾斜23.4°(與軌道平面的垂線傾斜23.4°),[10]從而在星球表面產生了周期為1恆星年的季節變化。地球唯一的天然衛星,誕生於45.3億年前的月球,造成了地球上的潮汐現象,穩定了地軸的傾角,並且減慢了地球的自轉。大約38到41億年前,後期重轟炸期的小行星撞擊極大地改變了表面環境。

地球的礦物和生物等資源維持了全球的人口。地球上的人類分成了大約200個獨立的主權國家,它們通過外交、旅遊、貿易和戰爭相互聯繫。人類文明曾有過很多對於這顆行星的觀點,包括神創造人類、天圓地方、地球是宇宙中心等。

西方人常稱地球為蓋亞,這個詞有「大地之母」的意思。
目錄

1 地球歷史
1.1 生命的進化
2 地球概論特徵
2.1 化學元素
2.2 圈層結構
2.2.1 地核
2.2.2 地函
2.2.3 地殼
2.2.3.1 生物圈
2.2.3.2 大氣圈
2.2.3.3 水圈
2.3 地球的運動
2.3.1 地球自轉
2.3.2 地球公轉
2.4 地球所在的天體系統
3 地理學特徵
3.1 自然地理
3.1.1 氣候
3.1.2 地貌
3.1.3 自然災害
3.1.4 自然資源
3.2 人文地理
3.2.1 政治地圖
3.2.2 土地使用
3.2.3 人類
3.2.4 政府
4 地球的發展方向
4.1 環境問題
4.1.1 熱力學機制
4.1.2 具體機制
4.2 經濟發展問題
4.3 可持續發展
5 對地球的描述
6 地球的未來
7 相關條目
8 注釋
9 外部連結

地球歷史

主條目:地球歷史
參見:地質年代

科學家已經能夠重建地球過去有關的資料。太陽系的物質起源於45.672億±60萬年前[11],而大約在45.4億年前(誤差約1%),地球和太陽系內的其他行星開始在太陽星雲-太陽形成後殘留下來的氣體與塵埃形成的圓盤狀-內形成。通過吸積的過程,地球經過1至2千萬年的時間,大致上已經完全成形[12]。從最初熔融的狀態,地球的外層先冷卻凝固成固體的地殼,水也開始在大氣層中累積。月亮形成的較晚,大約是45.3億年前[13],一顆火星大小,質量約為地球十分之一的天體(通常稱為忒伊亞)[14]與地球發生致命性的碰撞[15]。這個天體的部分質量與地球結合,還有一部分飛濺入太空中,並且有足夠的物質進入軌道形成了月球。

釋放出的氣體和火山的活動產生原始的大氣層,小行星、較大的原行星、彗星和海王星外天體等攜帶來的水,使地球的水份增加,冷凝的水產生海洋[16]。新形成的太陽光度只有目前太陽的70%,但是有證據顯示早期的海洋依然是液態的,這稱為微弱年輕太陽謬論矛盾。溫室效應和較高太陽活動的組合,提高了地球表面的溫度,阻止了海洋的凝結[17]。

有兩個主要的理論提出大陸的成長:[18]穩定的成長到現代[19]和在早期的歷史中快速的成長[20]。目前的研究顯示第二種學說比較可能,早期的地殼是快速成長的[21],隨後跟著長期穩定的大陸地區[22][23][24]。在時間尺度上的最後數億年間,表面不斷的重塑自己,大陸持續的形成和分裂。在表面遷徙的大陸,偶爾會結成成超大陸。大約在7億5千萬年前,已知最早的一個超大陸羅迪尼亞開始分裂,稍後又在6億至5億4千萬年時合併成潘諾西亞大陸,最後是1億8千萬年前開始分裂的盤古大陸 [25]。
生命的進化

主條目:生命演化歷程

現在,地球提供了目前已知唯一能夠維持生命進化的環境。[26]通常認為,大約40億年前,高能的化學分子就能自我複製,過了5億年,最後共同祖先誕生。[27]光合作用使得太陽的能量能夠被生物直接利用。光合作用產生的氧氣在大氣層聚集,從而在大氣層上層形成了臭氧層。相似的小細胞聚集形成更大更複雜的真核細胞(內共生學說)[28]真正由細胞組成的多細胞生物開始逐漸分化。由於臭氧層抵擋了來自宇宙的有害射線,生命布滿了地球表面。[29]

自從20世紀60年代,人們認為在7.5到5.8億年前的新遠古代曾出現冰河期,冰雪覆蓋了大半個地球。這個假說被稱作「雪球地球」,這個假說的有趣之處在於,它正好出現在寒武紀大爆發(多細胞生物種類開始迅速增多)之前。[30]

大約5.35億年的前寒武紀大爆發之後,一共發生了五次大滅絕。[31]最後一次大滅絕是6500萬年前的白堊紀-第三紀滅絕事件。隕石的撞擊可能導致了恐龍和其他大型爬行動物的滅絕,但剩下的小型動物如哺乳動物則活了下來。在過去的6500萬年裡,哺乳動物開始多樣化,幾百萬年後,一種非洲的猿類動物獲得了直立行走的能力。[32]這使它們能夠使用工具,也促進了它們的交流,最終使它們的大腦越來越發達。於是它們發展了農業,然後開始出現文明。人類以其他生物從來沒有過的速度稱霸地球。[33]影響了自然和大量其他生物。

4000萬年前,冰河期開始,並在300萬年前的更新世增強,極地開始了周期性的凍結和融化。最後一次冰期結束於1萬年前。[34]
地球概論特徵
地球由地核到大氣截面圖(部分按照比例)

主條目:地球地質概況
參見:重力場

地球由核心到地表的構成是有一定規律的。如同其他的類地行星,地球內部從外向內分別為矽質地殼、高度粘滯狀地函、以及一個外層為非粘滯液態內部為固態的地核。地核液體部份導電質的對流使得地球產生了微弱的地磁場。

地球內部溫度高達5270開爾文(4996.85攝氏度)。行星內部的熱量來自於其形成之初的「吸積」(參見重力結合能)。這之後的熱量來自於類似鈾釷和鉀這類放射性元素的衰變。從地球內部到達地表的熱量只有地表接收太陽能量的1/20000。

地球內部的金屬質不斷的通過火山和大洋裂縫湧出地表(參見海底膨脹條目)。組成地殼大部分的岩石年齡都不超過1億(1×108)年;目前已知的最古老的地殼年齡大約有44億(4.4×109)年歷史。[35]
深度 內部層
公里 英里
0–60 0–37 岩石圈(約分布於5或200公里之處)
0–35 0–22 地殼(約分布於5或70公里之處)
35–60 22–37 地函外層(岩漿)
35–2890 22–1790 地函
100–700 62–435 軟流圈
2890–5100 1790–3160 外核
5100–6378 3160–3954 地核核心
化學元素

主條目:化學元素丰度

總體來說,地球大部分的質量是由下列元素組成:
鐵 氧 矽 鎂 鎳 硫 鈦 其他元素
34.6 % 29.5 % 15.2 % 12.7 % 2.4 % 1.9 % 0.05 % 3.65%
圈層結構
地核
地球內部構造剖面圖

地球的平均密度為5515kg/m3,是太陽系中密度最高的行星。但地球表面物質的密度只有大約3000kg/m3,所以一般認為在地核存在高密度的物質-在地球形成早期,大約45億(4.5×109)年前,地球幾乎是由熔化的金屬組成的,這就導致了地球中心處發生高密度物質聚集,低密度物質移向地表的過程(參見行星分異作用)。地核大部分是由鐵所組成(佔80%),其餘物質基本上是鎳和矽。像鈾等高密度元素要不是在地球裏頭稀少,要不然就是和輕元素相結合存在於地殼中(參閱長英礦物條目)。

地核位於古氏不連續面以內,地核又以雷門不連續面為界分為兩部分:半徑約1250km的核心,即G層,以及在核心外部一直到距地心約3500km的液態外核,即E、F層。F層是地核與地函的過渡層。

一般,人們認為地球核心是一個主要由鐵和一部分鎳組成的固態核心。另一個不同的觀點則認為核心可能是由單鐵結晶組成。包在核心外層的外核一般認為是由液態鐵質混合液態鎳和其他輕元素組成的。通常,人們相信外核中的對流加上地球的快速自轉-藉由發電機理論(參閱科氏力)-是產生地磁場的原因。固態核心因為溫度過高以致於不可能產生一個永久磁場(參閱居里溫度)。但核心仍然可能保存有液態外核產生的磁場。

最近的觀測證據顯示核心可能要比地球其他部分自轉得快一點,一年約相差2°。
地函

從地核外圍約2900公里深處的古氏不連續面一直延伸到約33公里深處莫氏不連續面的區域被稱作-地函或地函}-。在地函底部的壓力大約是1.40Matm(140GPa)。那裡大部分都是由富含鐵和鎂的物質所組成。物質的熔點取決於所處之處的壓力。隨著進入地函的深度的增加,受到的壓應力也逐漸增加。地函的下部一般被認為是固態的,上部地函一般則認為是由較具有塑性固態物質所構成。上部地函裡物質的黏滯度在1021至1024Pa·s間,具體數據依據深度而變化[36],因巨大的壓應力造成地函物質的連續形變,所以上部地函便具有極緩慢流動的能力。

地球核心是固態、外核是液態、而地函卻是固態且較具有塑性的,其原因在於不同地層物質的熔點,以及隨著深度增加的溫度和壓應力。在地表溫度足夠低,主要成分鎳鐵合金和矽酸鹽呈固態。地函上層的矽酸鹽基本是固態的,局部有熔化的,但總體說來由於溫度高且壓應力較小,黏滯度相對較低。而地函下層由於巨大的壓應力,黏滯度要比上層的大得多。金屬質的鎳鐵外核因為合金熔點低,儘管壓應力更為巨大,反而呈現液態。最終,極大的壓應力使得核心維持固態。
地殼

地殼指的是從地面至平均深度約33km深處的莫霍界面的地下區域。薄的洋底殼是由高密的鎂矽酸鐵岩(鎂鐵礦)構成。矽酸鎂鐵岩是組成大洋盆地的基礎材料。比較厚的陸殼是由密度較小的鋁矽酸鉀鈉岩(長英礦物)所構成。地殼與地函的交界處呈現不同的物理特性:首先,存在一個使地震波傳播速率發生改變層稱做莫霍洛維奇分界面的物理界線面,一般認為,產生分界面的原因是因為上部構成的岩石包括了斜長石而下部沒有長石存在。第二個不同點就是地殼與地函間存在化學改變-大洋殼深處部分觀察到超鹼性積累和無磁場的斜方輝橄岩的差別以及大洋殼擠壓陸殼產生的蛇綠岩之間的差別。
生物圈

主條目:生命

地球是目前已知的唯一仍然擁有生命存在地方,大約是海平面上下10公里。整個行星的生命形式有時被稱為是生物圈的一部分。生物圈覆蓋大氣圈的下層、全部的水圈及岩石圈的上層。生物圈通常據信始於自35億(3.5×109)年前的進化。生物圈又分為很多不同的生物群系。根據相似的存在範圍劃分為植物群和動物群。在地面上,生物群落主要是以緯度劃分,陸地生物群落在北極圈和南極圈內缺乏相關的植物和動物,大部分活躍的生物群落都在赤道附近。
大氣圈

主條目:地球大氣層

地球擁有一個由78%的氮氣、21%的氧氣、和1%的氬氣混和微量其他包括二氧化碳和水蒸氣組成的厚密大氣層。大氣層是地球表面和太陽之間的緩衝。地球大氣的構成並不穩固,其中成份亦被生物圈所影響。如大氣中大量的自由二價氧是地球植物通過太陽能量製造出來的。離開這些植物,氧氣將通過燃燒快速與物質重新結合。自由(未化合)的氧元素對地球上的生命意義重大。

地球大氣是分層的。主要包括對流層、平流層、中間層、熱層和逸散層。所有的層在全球各地並不完全一致並且隨著季節而有所改變。

地球大氣圈的總質量大約是5.1×1018kg,是地球總質量的0.9ppm。
水圈

主條目:海洋

地球是太陽系中唯一表面含有液態水的行星。水覆蓋了地球表面71%的面積(96.5%是海水,3.5%是淡水[37])。水在五大洋和七大陸都存在。地球的太陽軌道、火山活動、地心引力、溫室效應、地磁場以及富含氧氣的大氣這些因素相結合使得地球成為一顆水之行星。

地球正好處在足夠溫暖能存在液態水的軌道邊緣。離開適當的溫室效應,地球上的水將都會凍結為冰。古生物學證據顯示如果藍綠藻(藻青菌)在海洋中出現晚一點,溫室效應將不足以維持地球表面液態水的存在,海洋可能在1000萬至1億年間凍結,發生冰川紀事件。

當時在像金星這樣的行星上,氣態的水阻止了太陽的紫外輻射。大氣中的氫被吹過的太陽風離子化,其產生的效果雖然緩慢但結果卻不可改變。這也是一個金星上為何沒有水的假說:離開了氫原子,氧氣將與地表物質化合并留存在土壤礦物中。

在地球大氣中,存在一個很薄的「臭氧層」。臭氧在平流層吸收了大氣中大部分多餘的高能紫外輻射,減低了裂化效應。臭氧只能由大氣中大量自由二價氧原子產生,所以臭氧的產生也依賴於生物圈(植物)。地磁場產生的電離層也保護了地球不會受到太陽風的直接襲擊。

最後說明的一點是,火山活動也持續的從地球內部釋放出水蒸氣。地球通過水和碳對地函和火山中的石灰石消解產生二氧化碳和水蒸氣(參見行星築造學)。據估計,仍存留在地函中的水的總量是現在海洋中所有水數量的10倍,雖然地函中的大部分水可能從來不會釋放到地表。

地球水界的總質量大約是1.4×1021kg,計為地球總質量的0.023%。
地球的運動

地球的運動由自轉與公轉合成。
地球自轉
地球自轉示意動畫

主條目:地球自轉

地球沿著貫穿北極至南極的一條軸自西向東旋轉一周(1個恆星日)平均需要花時23小時56分2.1秒,自轉週期是0.997日。這就是為什麼在地球上主要天體(大氣中的流星和低軌道衛星除外)一日內向西的視運動是15°/小時(即15 /分鐘)-即2分鐘一個太陽或月亮的視直徑的大小。

在慣性參考坐標系中,地軸運動還包括一個緩慢的歲差運動。這個運動的大周期大約是25800年一個循環,每一次小的章動周期是18.6年。對處於參考坐標系中的地球、太陽與月亮對地球的微小吸引在這些運動的影響下造成地球赤道隆起,並形成類橢圓形的扁球。

地球的自轉也是有輕微的擾動的。這稱為極運動。極運動是准周期性的,所謂的准周期包括一個一年的晃動周期和一個被稱為錢德勒擺動的14個月周期。自轉速度也會相應改變。這個現象被稱為日長改變。
地球公轉

主條目:地球公轉

公轉周期為365.2564個平太陽日(即1個恆星年)。地球的公轉使得太陽相對其他恆星的視運動大約是1°/日-這就相當於每12小時一個太陽或月亮直徑的大小。公轉造成的視運動效果與自轉造成的正好相反。

地球公轉軌道速度是30 km/s,即每7分鐘經過一個地球直徑,每4小時經過一個地月距離。
地球所在的天體系統
被地球大氣層局部籠罩的月球

地球唯一的天然衛星是月球。其圍繞地球旋轉一周需要用時一恆星月(27又1/3日)。因此從地球上看來月球的視運動相對太陽大約是12°/日-即每小時一個月球直徑,方向同樣與自轉效果相反。

如果在地球北極進行觀測,則地球的公轉、月球運行以及地球自轉都將是逆時針的。

地球的特洛伊小行星:在2010年10月美國國家航空暨太空總署的廣角紅外巡天探測器(WISE)發現。今年四月加拿大亞伯達省阿薩巴斯卡大學天文學家康納的團隊分析數據並利用設於夏威夷的「加拿大/法國/夏威夷光學天文望遠鏡」(CFHT)觀測2010 TKT ,發現其公轉路徑穩定,證實就是地球的特洛伊小行星。

地球的軌道和軸位面並非是一致的:地軸傾斜與地日平面交角是23.5度,這產生了四季變化;地月平面與地日平面交角大約為5度,如果沒有這個交角,則每月都會發生日蝕。

地球的Hill大氣層(大氣影響範圍)的半徑大約為1.5 G米,這個範圍足以覆蓋月球的軌道了。

在慣性參考坐標系中,地軸運動還包括一個緩慢的歲差運動。這個運動的大周期大約是25800年一個循環,每一次小的章動周期是18.6年。對處於參考坐標系中的地球、太陽與月亮對地球的微小吸引在這些運動的影響下造成地球赤道隆起,並形成類橢圓形的扁球。

地球的自轉也是有輕微的擾動的。這稱為極運動。極運動是准周期性的,所謂的准周期包括一個一年的晃動周期和一個被稱為錢德勒擺動的14個月周期。自轉速度也會相應改變。這個現象被稱為日長改變。
地理學特徵

主條目:地理學

2004年美國中央情報局《世界概況》中使用的世界地圖
自然地理
氣候

主條目:氣候

因為地球氣候從亙古到現在都有發生巨大變化並且這種變化將繼續演進,很難把地球氣候概括。地球上與天氣和氣候有關的自然災害包括龍捲風、颱風、洪水、乾旱等。

兩極地氣候被兩個溫度相差並非很大的區域分隔開來:赤道附近寬廣的熱帶氣候和稍高緯度上的亞熱帶氣候,降水模式在不同地區也差異巨大,降水量從一年幾米到一年少於一公釐的地區都有。
地貌
一個使用簡易圓柱投影法組合衛星照片形成的地球表面地形圖

海陸分布

地球總面積約為5.10072億km2,其中約29.2%(1.4894億km2)是陸地,其餘70.8%(3.61132億km2)是水。陸地主要在北半球,有四個大陸:歐亞大陸、非洲大陸、美洲大陸、澳洲大陸和南極大陸,另個還有很多島嶼。大洋則包括太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋四個大洋及其附屬海域。海岸線共356000公里。

極端海拔

陸地上最低點:死海−418公尺
全球最低點:太平洋上的馬里亞納海溝−11,034公尺
全球最高點:珠穆朗瑪峰(聖母峰)8,844.43公尺

自然災害

主條目:自然災害

大部分地區以及其間生物都遭受過類似熱帶氣旋、颶風、或颱風這樣的極端天氣。也有很多地區發生過地震、山崩、海嘯、火山爆發、龍捲風、灰岩坑(地層下陷)、洪水、乾旱以及其他氣候異常和災難。
自然資源

主條目:自然資源

地殼中包含大量化石燃料沉積:煤、石油、天然氣、甲烷氣水包合物。這些沉積物被人類使用用來製造能源和作為其他化學物的給料。
在腐蝕和行星築造作用下,含鐵礦石組成了地殼。這些金屬礦石包含了多種金屬質和有用的化學元素。
地球生物圈能夠產生大量有用的生物產出,包括(但不限於)食物、木材、藥物、氧氣。生物圈還能回收大量有機垃圾、地面生態系統是依賴於上層土和新鮮水的,而海洋生態系統依賴於陸地上沖刷後融解的的營養物。

人類開發地球的自然資源是很普遍的。

這些資源中的一些,比如化石燃料,是很難短時間內再重新產生的。這稱作不可再生資源。人類文明對不可再生資源的掠取已經成為現代環保主義運動的重要論爭之一。
人文地理

參見:世界

Continents vide couleurs.png
關於這幅圖像
政治地圖

陸地邊界

全球陸地邊界總共250,472公里(共享邊界只計算一次)。其中的兩個國家,中華人民共和國和俄羅斯是交界國家最多的,各自和14個國家接壤。有43個國家和地區是內陸國家:阿富汗、安道爾、亞美尼亞、奧地利、亞塞拜然、白俄羅斯、不丹、玻利維亞、波札那、布吉納法索、蒲隆地、中非共和國、查德、捷克、衣索比亞、梵蒂岡(梵蒂岡城國)、匈牙利、哈薩克、吉爾吉斯、寮國、賴索托、列支敦斯登、盧森堡、馬拉維、馬里、莫耳多瓦、蒙古、尼泊爾、尼日、巴拉圭、盧安達、聖馬利諾、斯洛伐克、史瓦濟蘭、瑞士、塔吉克、前南斯拉夫的馬其頓、土庫曼、烏干達、烏茲別克、約旦西岸、尚比亞、辛巴威;還有兩個國家是雙重內陸國:列支敦斯登和烏茲別克斯坦。

有97個國家和其他政治實體是沒有和其他國家接壤的島國,包括美屬薩摩亞群島、安哥拉、安地卡及巴布達、阿盧巴、亞什摩及卡地爾群島、菲律賓、澳洲、巴哈馬、巴林、貝克島、巴貝多、印度礁、百慕達群島、布威島、英屬印度洋領地、英屬維爾京群島、維德角、開曼群島、聖誕島、克里普頓島、科科斯群島、科摩洛、科克群島、珊瑚島、古巴、賽普勒斯、多明尼加共和國、尤羅群島、福克蘭群島、法羅群島、斐濟、法屬玻里尼西亞、法國南半球及南極屬地、格洛里厄斯群島、格陵蘭、格瑞那達、關島、格恩西島、賀得及麥唐納群島、豪蘭島、冰島、牙買加、央麥恩群島、日本、中華民國(台灣)、賈維斯島、澤西島、約翰斯頓環礁,萬諾瓦島、金曼礁、吉爾巴斯、馬達加斯加、馬爾地夫、馬爾他、人島、馬紹爾群島、馬提尼克島、模里西斯、密克羅尼西亞聯邦、中途島、蒙特色納、諾魯、納弗沙島、新喀里多尼亞、紐西蘭、紐鄂島、諾福克島、北馬里亞納群島、帛琉、帕邁拉環礁、西沙群島、皮特克恩島、波多黎各、法屬留尼旺、聖海倫娜、聖吉斯和尼維斯、聖露西亞、聖皮耶和密克羅、聖文森和格林納丁斯、美屬薩摩亞、聖多美和普林西比、塞錫爾群島、新加坡、索羅門群島、南喬治亞島和南桑德韋奇島、南沙群島、斯里蘭卡、斯瓦爾巴、托克勞、東加、特立尼達和多巴哥、特羅姆林島、土克斯和開科斯群島、吐瓦魯、萬那度、維京群島、威克島和瓦利斯和富圖納。

海事宣言

有各種情況存在。但是一般來說,大部分國家都遵守1982年制定的聯合國海洋法公約的索賠請求。
毗鄰區:大部分為24海里(NM),但可以改變
大陸架:大部分為200米或探索深度,也有宣稱為200NM或到大陸邊緣邊際的
專署捕魚區:大部分宣稱為200NM,但可以改變
專屬經濟區:大部分為200NM,但可以改變
領海:大部分為12NM,但可以改變
註:與鄰國的邊界狀況在一些情況下阻止了很多國家擴展他們的捕魚區和經濟區達到完全的200NM
43個國家和區域是完全內陸的(參見內陸國家)

土地使用

可耕地:10.73%
永久農耕地:1%
其他:88.27% (2001年)

灌溉土地

2,714,320 km2(1998年)

人類
美國太空人布魯斯·麥克坎德雷斯正在進行太空漫步

目前全球人口:6,993,379,475(2012年2月,美國中央情報局World POPClock Projection)

兩個人類目前居住在環繞地球的國際太空站軌道上。國際太空站成員每六個月輪換一次,所以在輪換期間會有更多的人類在太空站上,有時還會有其他的人類在大氣外短暫「旅行」一番。

總體說來,截至2007年,大約有超過400名人類離開過地球(到太空)。他們中的大部分都稱對地球重新獲得理解並且了解到其對維繫人類生命存在的重要性。同時他們也都對地球在太空中的美麗而驚訝不已。這些是他們(人類)在地表生活時所無法感受到的。

主條目:空間殖民

地球上最北的人類定居點是加拿大埃斯米島的阿勒特 (Alert)。最南端的人類定居點是南極洲的阿蒙森-斯科特南極站。這個美國南極站幾乎就在南極點上。

年齡結構

0-14歲: 27.8% (男性919,726,623;女性870,468,158)
15-64歲: 64.9% (男性2,117,230,183;女性2,066,864,970)
65歲以上: 7.3% (男性207,903,775;女性263,627,270)

由於部分國家未定期更新或維護有關年齡結構的信息、因而在總世界人口和全球年齡結構共計之間存在輕微的誤差(2005年)

年齡中位數

總計:27.6歲
男性:27歲
女性:28.2歲(2005年)

人口增長率

1.14%(2006年);7500萬人/年; 每日20.6萬

出生率

20.15新生人口/1000人(2005年);1.4億/年;每日38.36萬

死亡率

8.78死亡人口/1000人(2004年);6000萬/年;每日16.44萬

性別比

出生:1.06男嬰/女嬰
15歲以下:1.06男孩/女孩
15-64歲:1.03男人/女人
65歲以上:0.79男性/女性
總計:1.01男性/女性(2005年估計)

出生嬰兒死亡率|嬰兒夭折率(2005年估計)

總計:50.11死亡人口/1000新生嬰兒
男性:52.1死亡人口/1000新生嬰兒
女性:48.01死亡人口/1000新生嬰兒

平均壽命

全部人口:64.33歲
男性:62.73歲
女性:66.04歲(2005年估計)

總出生率

2.6嬰兒出生/婦女(2005年估計)

識字能力

15歲以上具有讀寫的能力

總人口: 77%
男性: 83%
女性: 71% (1995年)

政府

主條目:政府

地球人到目前為止沒有形成一個統治全行星的政府機構。目前,地球陸地表面除了南極洲,所有區域都被某個國家宣稱所統治,目前,還有一個全球性的國際組織聯合國,但聯合國主要是一個國際溝通論壇,它只擁有有限的實現法律的能力和實力。

政區(參看世界政區)

地球上目前共有194個國家,屬地以及其他統治方式。
地球的發展方向
環境問題
熱力學機制

對於地理環境的負熵流:主要是太陽輻射。

對於地理環境的正熵流:地理環境自身的增熵機制,人類系統對於地理環境的正熵流(包括兩個部分:人類系統從地理環境獲取負熵,人類系統向地理環境排放正熵流。

環境問題的產生:人類系統對於地理環境的正熵流大大超過地理環境所獲得的負熵流。
具體機制

地理環境的再生機制和自淨機制。主要能量來源為太陽能。

人類系統向地理環境獲取物質和能量。一般是第一產業的生產行為,如:放牧、砍伐森林、漁獵、種植、開採礦產等等。

人類系統向地理環境排放廢棄物和熱能。主要的行為有:生活行為(滌洗水、生理排放等);第一產業行為(噴撒農藥、動物生理排放等等);第二產業行為(溫室氣體排放、酸性氣體排放、電鍍廠的有毒液體排放、工業噪聲等);第三產業行為(汽車尾氣排放、娛樂場所的噪聲強光等)

環境問題的產生:人類系統向地理環境獲取物質和能量大大超過了環境的再生能力;人類系統向地理環境排放的廢棄物和熱能大大超過了環境的自淨能力;其他的人類行為通過環境對人類系統有負作用的。

目前地球上大範圍的遭受到人口過剩、工業災難(如大氣和水污染)、酸雨及有毒化合物襲擊、植被流失(包括過度放牧、森林砍伐、土地荒漠化)、野生動物消失、物種滅絕、土壤退化、土壤過度消耗、腐蝕、和外來物種入侵等環境災難問題。

人類工業二氧化碳排放增加造成的溫室效應導致了大尺度的氣候改變的觀點是受人關注並存在爭議的,相關的研究仍然在進行中。
夜間的地球。使用1994年11月至1995年3月間之照片組合而成,圖中亮區是由城市化所產生,藉此圖可看出全球的經濟差距,如南北韓間以及歐洲和非洲之間。最發達地區如美國和日本幾乎沒有暗區,欠發達地區則只有零星燈光,其中非洲的亮點主要是由於燃燒秸稈,中東則是油田燃燒。七大洲中只有南極洲是完全黑暗的
經濟發展問題
可持續發展

可持續發展,或永續發展,是指在保護環境的條件下既滿足當代人的需求,又不損害後代人的需求的發展模式。

可持續發展源於1980年代的綠色運動。1960年代發達國家在非洲及南美大量收購農地種植咖啡和甘蔗,將所得的金錢換成糧食給予當地居民。然而,由於土地發展過度且缺乏規劃,使咖啡和蔗糖的期貨價值在短時間內急跌,南美各國經濟因此即時崩潰;與此同時,由於濫用農藥等原因,非洲的土地出現水土流失變得貧脊,甚至開始沙漠化,引致饑荒。
對地球的描述

地球經常被描繪為神蹟、神創的(參見蓋婭和地球之母條目)。在北歐神話中,地球之神是嬌德,嬌德是索爾之母,是安那爾之女。

地球有時也被描繪為一艘結實的宇宙飛船。並帶有一個需要維護的生命支持系統。

因為地球是如此龐大,在過去人類使用肉眼是很難觀測出其整體表面是呈現扁球狀的(赤道微隆兩極稍平),以至於產生了多種關於平面地球的信仰。在太空飛行發明之前,這種信仰已經一點一點藉由觀測其他行星形狀以及觀測到地面球形產生的次生效應(如觀察遠処船隻總是先看見帆再看見船身)而逐漸為人所不信。

航海家1號拍攝的一張地球照片使卡爾·薩根得到靈感,他把地球描繪為一個宇宙中的暗淡藍點。

科幻小說中,地球經常是幻想中星系/銀河政府的首都或主要管理中心(當星系政府是由人類統治時尤其如此)。經常的,在科幻作品中地球是一個人類統治具有代表性的聯邦制國家、帝國或其他形式的專制統治也偶爾可見:如在《星艦奇航記》和《巴比倫5號》中所見。

儘管如此,在其他科幻作品中,未來的人類將不再記得這個他們祖先曾生活的星球(如《基地系列》),或即使記得也因為污染過分而離開(如《沙丘》系列),或者相反在現代地球的同時代的平行世界中,超古代文明的太空移民離開和遺忘(如《星際大爭霸》),還有在遠未來的地球生態被一度破壞,還有一小部分人留下和在生態回復後,與重返者衝突(如《Turn A》)。

在道格拉斯·亞當斯寫的《銀河系漫遊指南》系列中,他把地球描繪為是「基本無害」的。在PS2遊戲系列《Xenosaga》中,根據其故事背景,人類已經離開地球許久,而地球在其中也被人類賦予了一個名字:「失落的耶路撒冷」
地球的未來
太陽的生命週期

地球的未來與太陽有密切的關聯,由於氦的灰燼在太陽的核心穩定的累積,太陽光度將緩慢的增加,在未來的11億年中,太陽的光度將增加10%,之後的35億年又將增加40%[38]。氣候模型顯示抵達地球的輻射增加,可能會有可怕的後果,包括地球的海洋可能消失[39]。

地球表面溫度的增加會加速無機的二氧化碳循環,使它的濃度在9億年間還原至現存植物致死的水準(對C4光合作用是10 ppm)。而即使太陽是永恆和穩定的,地球內部持續的冷卻,也會造成海洋和大氣層的損失(由於火山活動降低)[40]。在之後的十億年,表面的水將完全消失[41],並且全球的平均溫度將可能達到60℃[來源請求]。

太陽,作為它的演化的一部分,在大約50億年後將成為紅巨星。模型預測屆時的太陽直徑將膨脹至現在的250倍,大約1天文單位(149,597,871公里)[38][42]。地球的命運並不很清楚,當太陽成為紅巨星時,大約已經流失了30%的質量,所以若不考慮潮汐的影響,當太陽達到最大半徑時,地球會在距離太陽大約1.7天文單位(254,316,380公里)的軌道上,因此,地球會逃逸在太陽鬆散的大氣層封包之外。然而,絕大部分(如果不是全部)現在的生物會因為與太陽過度的接近而被摧毀[38]。可是,最近的模擬顯示由於潮汐作用和拖曳將使地球的軌道衰減,也有可能將地球推出太陽系。[42]。
相關條目

地球大氣層
地質學
地震
行星形成學說
地質時代
經緯匯合工程
赤道隆起
科幻作品中的地球
地心遊記
太陽系探測器列表
太陽系探索時間線
地球空洞說
地外生命
經濟學:世界經濟
歷史學:世界歷史
法律系統:國際法
政治:國家列表

注釋

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See also Palmer, Jason. Hope dims that Earth will survive Sun s death. NewScientist.com新聞服務. 2008-2-22 [2008-03-24].

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月球
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月球 月球的符號 在黑暗的天空中剛過滿月(望)的月球。它是一幅混合光亮和黑暗的地區,不規則的斑點圖,和參差著不同大小的環形山,向外輻射的明亮噴出物包圍著的圓環。
從地球的北半球看見的剛過滿月的月球。
軌道參數
近心點 363,104公里(0.0024天文單位)
遠心點 405,696公里(0.0027天文單位)
半長軸 384,399公里
離心率 0.0549
軌道周期 27.321582 d (27 d 7 h 43.1 min)
周期 29.530589 d (29 d 12 h 44 min 2.9 s)
平均速度 1.022公里/秒
軌道傾角 5.145°(對黃道)
(對地球赤道的傾角在18.29°到28.58°之間)
升交點黃經 每18.6年在公轉軌道上退行一周
近日點參數 每8.85年在公轉軌道上順行一周
衛星 地球
物理特徵
平均半徑 1,737.10公里(0.273地球半徑)[1]
赤道半徑 1,738.14公里(0.273地球半徑)[1]
極半徑 1,735.97公里(0.273地球半徑)[1]
扁率 0.00125
周長 10,921 km(赤道的)
表面積 3.793 × 107公里2(0.074 地球表面積)
體積 2.1958 × 1010 km3 (0.020地球體積)
質量 7.3477 × 1022公斤(0.0123地球質量)
平均密度 3.3464 公克/公分3
表面重力 1.622 米/秒2 (0.165 4 g)
逃逸速度 2.38公里/秒
自轉週期 27.321582天(同步)
赤道自轉速度 4.627米/秒
轉軸傾角 1.5424° (對黃道)
6.687° (對軌道平面)
反照率 0.136[2]
表面溫度
赤道
85°N[3]
最小 平均 最大
100 K 220 K 390 K
70 K 130 K 230 K
視星等 −2.5至 −12.9[nb 1]
−12.74 (平均滿月)[1]
角直徑 29.3至34.1 弧分[1][nb 2]
大氣[4][nb 3]
成分 Ar、He、Na、K、H、 Rn

月球,俗稱月亮,古時又稱太陰、玄兔[5],是地球唯一的天然衛星 [nb 4][6],並且是太陽系中第五大的衛星。月球的直徑是地球的四分之一,質量是地球的1/81。月球是太陽系內密度第二高的衛星,僅次於埃歐,它的自轉與公轉同步(潮汐鎖定),因此始終以同一面朝向著地球;正面標記著黑暗的火山熔岩海,中間夾雜著明亮和古老地殼的高地和突出的隕石坑。雖然它的表面非常黑暗,反射能力與煤炭相似,但它仍是天空中除了太陽之外最亮的天體。由於月球在天空中非常顯眼,再加上規律性的月相變化,自古以來就對人類文化如語言、曆法、藝術和神話等產生重大影響。月球的引力影響造成地球海洋的潮汐和每一天的時間延長。月球現在與地球的的距離,大約是地球直徑的30倍。而月球與太陽的大小比率與距離的比率相近,使得它的視大小與太陽幾乎相同,在日食時月球可以完全遮蔽太陽而形成日全食。

月球是唯一一個人類曾經登陸過的地外星球。前蘇聯的月球計畫在1959年發射了第一艘登月的無人太空船,而美國NASA的阿波羅計畫是到目前為止,唯一實現的載人登月任務。阿波羅8號在1968年曾載人環繞月球,1969年阿波羅11號首次載人登陸月球,至1972年人類共六次載人登月成功。這些任務總共帶回了超過380公斤的月球岩石, 其中有些被用於研究月球的地質,以了解月球的起源(通過相關的研究提出月球形成於45億年前的巨大撞擊假說),月球內部結構形成以及月球形成後的歷史。在1972年阿波羅17號之後,只有無人太空船繼續拜訪月球,其中最值得一提的是蘇聯的月球步行者漫遊車。自從2004年,日本、中國、印度、美國和歐洲太空總署都發射了繞月衛星。這些太空探測器確認了月球極區上永久陰暗的坑穴的土壤中有水冰的存在。現在人類有載人重新登陸探測月球的計畫,但尚未成行;現在在外太空條約下,月球依然是所有國家以和平的用途可以自由前往探測的場所。
目錄

1 名稱和語源
2 形成
3 物理特性
3.1 內部構造
3.2 表面地質
3.2.1 表面地理
3.2.2 火山地形
3.2.3 撞擊坑
3.2.4 水的存在
3.3 重力和磁場
3.4 大氣層
3.5 季節
4 與地球的關係
4.1 軌道
4.1.1 偏心率變化
4.1.2 拱線運動
4.1.3 軌道傾角變化
4.1.4 交點西退
4.1.5 中心差
4.1.6 幾何天秤動
4.2 相對大小
4.3 從地球看月球
4.4 潮汐效應
4.5 蝕
5 研究和探測
5.1 早期的研究
5.2 第一次直接探測:1959–1976
5.2.1 蘇聯的任務
5.2.2 美國的任務
5.3 目前的時代:1990–現在
6 法律地位
7 文化
7.1 精神病的聯想
8 月球的觀察
9 作品
10 參見
11 腳註
12 外部鏈結

名稱和語源

中文的月是個象形文字,在甲骨文中的月像一彎眉月的樣子。東漢許慎在《說文解字》一書中分析月的字型時說:月,闕也。人們經過觀察,發現月圓的時間少,闕(弦月或眉月等)的時間多,於是就照眉月的樣子創造出這個象形字。

在英語中月的專有名稱是「the Moon」[7][8]。這個名詞源於原始日耳曼語的「mǣnōn」[9],在725年之前的古英語被稱為"mōna",1135年為「mone」,大約在1380年變為「moone」,之後再變成現在的寫法。月球在現代英語的主要形容詞是「lunar」,源自拉丁文的「Luna」。另一個比較不常用的形容詞是「selenic」,則源自古希臘文的「Selene」(Σελήνη),是衍生自字首「seleno-」(像是「selenography」)[10]。
形成

主條目:大碰撞說和月球地質#月球的形成

大碰撞說的動畫示意圖,忒亞在地球的L5點形成,然後搖擺著進入碰撞軌道。該動畫以一年為步進,地球位置不變。視角為從地球南極看去。

有數種機制都認為月球形成於45.27億 ± 0.10億年之前[nb 5], 即大約是太陽系誕生之後的3,000萬至5,000萬年[11]。這些機制包括分裂說、捕獲說和地月同源說(攣生說)等。分裂說認為月球是由於離心力從地殼分裂出去[12],但要產生如此大的離心力,需要地球在誕生初始時有超高速的自轉[13]。捕獲說則認為月球是在成型時被地球引力場捕獲的天體[14],但這種假說需要地球擁有一個有非常大的大氣層來消耗月球通過時的能量,減緩月球運動速度[13]。同源說認為地球和月球形成於同一原生吸積盤,但這種假說無法解釋月球上金屬鐵的匱乏[13],也不能解釋地月系統的高角動量[15]。

當今主流的地月系統形成理論是大碰撞說:一顆火星大小的天體(被稱為忒亞,神話故事中月球女神塞勒涅的母親)與原生地球碰撞,爆裂出的物質進入環繞地球的軌道,經由吸積形成月球[16]。在太陽系誕生的早期,巨大的撞擊很常見的。計算機模擬的大碰撞模型表表明,這樣的撞擊後產生的雙星系統具有充分的角動量匹配目前地月系統的軌道參數,而且也可以解釋月球具有相對較小核心的原因。此外,大碰撞說還可以合理解釋地月成分的不同:月球的大部分組成成分都來自撞擊前的天體,而並不是原生的地球[17]。但是這個假說仍然不是很完善,例如對隕石的研究卻顯示內太陽系的其他天體,如火星、灶神星等,其氧和鎢的同位素成分和地球不同,而地球和月球有非常相似的同位素成分。一個合理的解釋是導致地月系形成的撞擊混合了地球和月球形成時揮發的物質,有可能導致兩個天體之間同位素的組成變得均衡[18],但這種解釋仍有爭議[19]。

大碰撞中所釋放的大量能量和之後在地球軌道上再作用的物質會熔化地球的外殼,形成岩漿海[20][21]。新形成的月球也會產生自己的月球岩漿海,估計它的範圍深度為500公里至一個月球半徑[20]。

另外一種假說則認為大碰撞產生了兩顆在同一軌道上的衛星,一個就是月球,而另外一個較小,直徑只有約1000公里。在數千萬年後,兩個衛星緩慢相撞,最後合二為一。這種假說解釋了月球一面地勢平坦,另一面則地勢起伏不平的原因[22][23]。

近些年有人提出,月球是史前人類造的,可能起源於亞特蘭蒂斯人或瑪雅人,但目前尚無考證。1954年美國《紐約先驅論壇報》科學部編輯宣布,在月面的危海發現了一座橋形建築物,全長12英里。蘇聯科學家亞歷山大·柴巴可夫和米凱·瓦辛在《共青團真理報》上發表文章,認為月球是「空心」的,他們認為月球是經過某種智慧生物改造的星體。月球空心的說法並非無據,1969年「阿波羅12號」登陸月球時,設置在72公里外的地震儀測得月球所發出震度持續了15分鐘之久。十分像空心球體的震動。英國人威爾金斯在《我們的月球》一書中估計月球中有體積約1400萬立方英里的空洞。1970年,俄國科學家柴巴可夫(Alexander Scherbakov)和米凱威新(MihKai Vasin)提出「太空船月球」理論。2007年,曾經參與過阿波羅登月計劃的NASA月球實驗室資料和照片保管署前署長約翰斯頓召開記者會表示美國太空人在月球上發現了「古代建築遺迹」,這個秘密已保守了40年之久,並有照片證明美國宇宙飛船「月球軌道環行器」2號在靜海拍攝到月面上的塔狀物。
物理特性
內部構造

主條目:月球內部構造

月球內部的構造
月球表土的化學成分(由月面的岩石推導得出)[24] 化合物成分 型式 成分 (wt %)
海 高地
二氧化矽 SiO2 45.4% 45.5%
氧化鋁 Al2O3 14.9% 24.0%
石灰 CaO 11.8% 15.9%
氧化鐵 FeO 14.1% 5.9%
氧化鎂 MgO 9.2% 7.5%
二氧化鈦 TiO2 3.9% 0.6%
氧化鈉 Na2O 0.6% 0.6%
總計 99.9% 100.0%

月球是一個已經分異的天體,即它擁有地殼、地函、和核心。月球的內核富含固態鐵,半徑大約為240公里,此外還有一個流體的外核,主要成分是液態鐵,半徑大約為300公里。核心周圍是部分熔融的邊界層,約有500公里的寬度[25] 邊界層結構是在45億年前月球形成不久之後,由月球岩漿海通過分離結晶形成的[26]。岩漿海的結晶可以經由沉澱形成由鎂鐵質和沉積的橄欖石、斜輝石和斜方輝石等礦物組成的地函。四分之三的岩漿海結晶之後,可能形成密度較低的斜長石並浮在地殼的頂部[27]。最後才由液體結晶的部分會被夾在地殼和地函之間,並且含有大量不相容和發熱的元素[28]和之相符的是從月球軌道上遙感繪製的月球地質化學圖也顯示其地殼幾乎都是由斜長岩組成[4]。通過對部分熔融的地函噴發出的熔岩流冷凝下來的月岩樣本的研究,科學家確認地函含有比地球更豐富的鐵,其主要成分是鎂鐵質[28]。通過地球物理技術發現月球地殼的平均厚度約為50公里左右[28]。

月球是太陽系內密度第二高的衛星,僅次於埃歐[29]。但是月球的內核並不大,半徑大約是350公里甚至更小[28],只佔月球大小的約20%,相較之下,其它地球型天體的比例約為50%。它的組成尚不是完全清楚,可能是由金屬鐵組成,同時含有少量硫和鎳。對月球隨著時間變化轉動的分析顯示月球核心至少仍有部分是熔融的[30]。
表面地質

主條目:月球地質和月岩
參見:月球地形及月球地形列表

The dark irregular mare lava plains are prominent in the fully illuminated disk. A single bright star of ejecta, with rays stretching a third of the way across the disk, emblazons the lower centre: this is the crater Tycho.
月球正面
This full disk is nearly featureless, a uniform grey surface with no dark mare. There are many bright overlapping dots of impact craters.
月球背面,和正面的不同之處在於缺少黑暗的月海[31]。
月球的地形。

月球是地球的同步自轉衛星,它繞軸自轉的週期與繞地球的公轉周期是相同的,這使得它幾乎永遠以同一面朝向地球。它之前以較快的速度旋轉,在後來由於地球產生潮汐摩擦,讓其自轉速度減慢,直到最後以同一面持續面對地球,即潮汐鎖定[32]。我們將月球朝向地球的一面被稱為正面,而相對的另一面則稱為背面,背面通常也稱為"暗面",但是事實上它如同正面一樣會被照亮。當月相為新月時,我們看到月球的正面是黑暗的,而月球的背面則被太陽照亮[33]。

科學家曾經使用雷射測高儀和立體影像分析對月球表面的地形進行測量[34]。月球表面最明顯的地形特徵是位於背面的巨大撞擊坑南極-艾托肯盆地,其直徑有2,240公里,是月球上最大的隕石坑,也是太陽系中已知最大的[35][36]。它的底部是月球上海拔最低的地方,深度達到13公里[35][37]。而月球海拔最高的地點則正好就在它的東南方,有人認為這個區域是造成南極-艾托肯盆地的撞擊所形成的隆起[38]。月球上的其它大撞擊盆地,如雨海、澄海、危海、史密斯海和東方海等,也都擁有低海拔的區域和高聳的邊緣[35]。月球背面的平均高度比正面高1.9公里[28]。
表面地理

月球是一個南北極稍扁、赤道稍許隆起的扁球。它的平均極半徑比赤道半徑短500米。南北極區也不對稱,北極區隆起,南極區窪陷約400米。但在一般計算中仍可把月球當作三軸橢圓體看待。物理天平動的研究有助於解決月球形狀問題。通過天平動研究還表明,月球重心和幾何中心並不重合,重心偏向地球2公里。這一結論已為阿波羅登月獲得的資料所證實。
火山地形

主條目:月海

在月球表面上用肉眼可以清楚看見有黑暗的,相對平坦的平原,我們稱之為月海,這是因為古代的天文學家認為這些地方充滿了水[39]。現在,我們知道這些黑暗部分是古代火山爆發後熔岩漿在窪地凝結成的廣大玄武岩。和地球的玄武岩類似,月海中的玄武岩含有豐富的鐵,而完全缺乏因水流過而出現的礦物[40][41]。大多數噴發的熔岩漿流入與撞擊盆地相連接的窪地,形成月海。現在科學家已經在月球正面的月海中發現幾個擁有盾狀火山和火山穹頂的地質分區[42],這些是熔岩漿凝結形成月海的證據。

幾乎所有的月海都位於月球正面,占正面面積的31%[43],相較之下,在月球背面只有少數的月海,只涵蓋了背面2%的面積[44]。這被認為和通過月球探勘者的伽瑪射線光譜儀所描繪的月球化學圖上所看見在月球正面地殼下的生熱元素的濃縮有關。生熱元素的濃縮會造成地函下的溫度上升,部分熔解,並上升到表面造成噴發[27][45][46]。大部分玄武岩的噴發都出現在30至35億年前的雨海紀,但也有少部分樣本的輻射定年顯示其形成於更古老的42億年[47],也有一些相對年輕的樣品,最年輕的噴發物經由撞擊坑計數測定年限發現其發生在12億年前[48]。

月球上較亮的部分被稱為「高地」,因為它們高於大多數的月海。經由輻射定年測定它們是於44億年前形成的,這意味著這些高地可能是在月球岩漿海形成時的斜長岩堆積所產生的[47][48]。月球上沒有任何一個主要的山脈被認為由地質構造事件產生的,這和地球的情況剛好相反[49]。
撞擊坑

參見:月球環形山列表

A grey, many-ridged surface from high above. The largest feature is a circular ringed structure with high walled sides and a lower central peak: the entire surface out to the horizon is filled with similar structures that are smaller and overlapping.
在月球背面的代達羅斯坑。

另一個會影響月球表面地形的主要地質事件是撞擊坑[50]。小行星或彗星撞擊月球表面時都會形成隕石坑,現在估計單在月球正面直徑大於1公里的隕石坑就大約有300,000個[51],其中有些隕石坑以知名的學者、科學家、藝術家和探險家的名字命名[52]。月球地質年代是根據月面上的重大隕石撞擊事件進行分界,包括在酒海、雨海和東方海等的撞擊事件。這些撞擊事件的結構特徵是產生多層物質隆起的環,通常是由數百至數千公里直徑的圍裙狀噴發物沉積形成一個區域性的地層視界[53]。由於月球沒有大氣層、天氣變化,在最近幾十億年也沒有地質活動,大部分環形山都保存得很完好。雖然有幾個多環盆地明顯的已經很久遠,它們還是能用於分派相對的年齡。由於撞擊坑是以恆定的速率累積,計算單位面積內的撞擊坑數目可以用來估計表面的年齡[53]。阿波羅任務收集撞擊熔化的岩石以輻射測定年齡,群集在38億和41億年的年齡:這已被用來建議撞擊的後期重轟炸期[54]。

覆蓋在月球地殼上的是高度粉碎的(碎裂成更小的顆粒)和撞擊園藝下的表面層稱為風化層,是由撞擊過程形成的。最細微的風化層,是二氧化矽的月球土壤玻璃狀物體,有著像雪一樣的紋理和聞起來像用過的火藥[55]。較老的風化層表面一般比年輕的表面厚;在高地的厚度在10-20米之間,在海的厚度則是3-5米。[56] 在細緻的粉碎風化層下面是「粗風化層(megaregolith)」,厚達數公里高度碎裂的基岩[57]。
水的存在

主條目:月球的水

Twenty degrees of latitude of the Moon s disk, completely covered in the overlapping circles of craters. The illumination angles are from all directions, keeping almost all the crater floors in sunlight, but a set of merged crater floors right at the south pole are completely shadowed.
由克萊芒蒂娜拍攝的月球南極馬賽克圖:請注意極地的永久陰影。

月球的表面不存在液態水,因為太陽輻射會使水被光解並快速逸入太空。但從1960年代以來,科學家假設由彗星撞擊所帶來的水、或者來自太陽風的氫和含氧豐富的月岩反應所產生的水,都可能以冰的型態沉積下來,並在月球兩極撞擊坑低溫的永久陰影區留下可以追蹤得到的痕跡[58][59]。電腦模擬月面的永久陰影區約有14,000公里2[60]。在月球上可用水的數量是一個重要的因素,可以決定建設一個月球適居區計畫的成本效益,因為從地球運水到月球的費用極為昂貴[61]。

近年來,已經在月球表面發現水的特徵[62]。在1994年,安裝在克萊芒蒂娜太空船的雙向雷達實驗,顯示有少量、冰凍的水存在接近表面的凹穴內。但是,後續使用阿雷西波的雷達觀測,認為此一發現可能是由新撞擊坑中的岩石近被撞擊的岩石噴出的[63]。在1998年,月球勘探者攜帶的中子能譜計顯示,在極地附近深度1米的風化層存在著高濃度的氫[64]。在2008年,對一顆由阿波羅15號帶回的熔岩珠的分析,顯示有微量的水存在於珠子內[65]。

在2008年,印度的月船1號太空船使用在載月球礦物繪圖儀確認表面有水冰的存在。分光計觀測在反射的陽光中偵測到羥基的通用吸收譜線,提供了有大量水冰在月球表面的證據。太空船顯示濃度可能高達1000PPM[66]。在2009年,LCROSS送了一個2,300公斤的撞擊器到極區永久陰暗的環形山,並且從噴出的羽狀物質中至少檢測到100公斤的水[67][68]。LCROSS另一個實驗的數據顯示偵測到的水量,更靠近155公斤(± 12公斤)[69]。
重力和磁場

主條目:月球重力和月球磁場

月球的重力是地球的六分之一。
位於史密斯海的測繪圖(上圖)及對應之引力圖(下圖)顯示,這個地方有一個和地形相反的質量瘤。

月球的重力場已經通過圍繞月球旋轉的探測器發射無線電信號的都卜勒效應所測量的。月球重力場主要的特徵是擁有質量瘤,即在一些巨大的撞擊盆地卻反而出現較重的重力分布,這可能與組成這些盆地的玄武岩熔岩流密度較大有關係[70],這些異常對環繞月球軌道的太空船有極大的影響,如果經月球這些地域時,假如太空船與月面距離足夠低,而且軌道不加修正的話,那麼太空船會在數個月或數年間在月球表面墜毀。但令人困惑的是,熔岩流密度本身不足以完全解釋重力異常,有一些質量瘤的存在明顯和月海中的火山作用形成的熔岩流無關[71]。

月球擁有一個強度不到地球磁場百分之一,範圍在1至數百納特斯拉之間的外在磁場。天體液體金屬核心可以生成的全球性雙極性磁場,但現在 月球的磁場並不是由液體金屬核心產生的,而可能是在月球演化的歷史早期被磁化而一直保留至今的地殼磁場[72][73],月球磁場另一種可能來源是在大碰撞事件期間生成的瞬態磁場殘餘的磁化,通過撞擊產生的電漿雲包圍,擴大了磁場的範圍,這種說法受到最大的地殼磁場撞擊盆地對面出現對蹠點的支持[74]。
大氣層

主條目:月球大氣層

月球有一個非常稀薄、接近真空的大氣層,總質量低於10公噸[75]。如此小的大氣質量在月球表面產生的壓力大約是 3 × 10−15atm(0.3nPa),數值隨著月球一天的時間不同而改變。月球大氣的來源包括出氣和濺射,如太陽風的離子轟極月球表面釋放出的原子[4][76]。過往曾經檢測到由濺射產生的原子包括鈉和鉀,相同的情況也曾在水星和埃歐的大氣中發現過。月球大氣的氦-4來自太陽風,氬-40、 氡-222和釙-210則來自月球地函相關元素放射性衰變後的濺射[77][78]。但月球大氣中缺乏存在於月球表岩屑的氧、氮、碳、氫和鎂等自然元素的原子或分子,目前原因尚不清楚[77]。月船1號已經在月球大氣中發現水蒸氣的存在,其含量隨著月球緯度的不同而改變,大約在緯度為60-70度時水蒸氣的含量最高。這些水蒸氣可能是由月球表面表岩屑的水冰升華而生成的[79]。月球大氣層的氣體有些被月球的重力吸引回到表岩屑,有些由於太陽的輻射壓,或者被太陽風的電離後逃逸到太空中[77]。
季節

月球的轉軸傾角只有1.54°,遠小於地球的 23.44°。由於這個緣故,太陽照射對月球季節變化的影響很小,反而是月球表面地形對季節變化有重要作用[80]。在2004年,約翰·霍普金斯大學的Ben Bussey博士率領的小組研究克萊芒蒂娜探測器在1994年獲得的影像,發現位於月球北極的皮爾斯環形山邊緣有4個區域在整個月球日中都被陽光所照亮,形成永晝峰,而在月球南極地區沒有類似的區域。而在極區的許多環形山底部是永久黑暗的,沒有受到陽光照射[60]。這些黑暗的環形山底部是極低溫的:月球勘測軌道飛行器在夏天的南極環形山底部測得的最低溫度是35K (−238 °C)[81],而在接近冬至時在北極測得厄米環形山的溫度只有26K(−247 °C)。這個溫度比冥王星的表面溫度還要低,是太空船在太陽系中所測得的最低溫度[80]。
與地球的關係
The Earth has a pronounced axial tilt; the Moon s orbit is not perpendicular to Earth s axis, but lies close to the Earth s orbital plane.
地月系統的示意圖 (未依一致的比例)。
軌道

主條目:月球軌道和月球運動說

月球相對於固定的恆星以27.32天的週期完整的繞行軌道一周[nb 6](它的恆星週期)。然而,因為地球間同時間也繞著太陽轉,它對地球呈現相同相位的時間就會較長,大約是29.53天[nb 7](它的會合週期)[43]。與其他行星大多數的衛星不同,月球的軌道比較接近黃道平面,而不是地球的赤道平面。月球的軌道受到太陽和地球許多小、複雜並且相互影響而難解的攝動,例如月球軌道平面的漸進轉動,這影響到月球其它的運動狀態。卡西尼定律以數學敘述出後續的影響[82]。

其中主要的軌道變化有:偏心率變化、軌道傾角變化、拱線運動、交點西退、中心差。
偏心率變化

月球軌道偏心率變化在1/15到1/23的範圍內,偏心率的平均值為0.0549,接近1/18。
嚴格來說,地球與月球圍繞共同質心運轉,共同質心距地心4,671千米(即地球半徑的2/3處)。由於共同質心在地球表面以下,地球圍繞共同質心的運動好像是在「晃動」一般。從地球北極上空觀看,地球和月球均以逆時針方向自轉;而且月球也是以逆時針繞地運行;甚至地球也是以逆時針繞日公轉的。

很多人不明白為甚麼月球軌道傾角和月球自轉軸傾角的數值會有這麼大的變化。其實,軌道傾角是相對於中心天體(即地球)而言的,而自轉軸傾角則相對於衛星(即月球)本身的軌道面。這個定義習慣很適合一般情況(例如人造衛星的軌道)而且數值是相當固定的,但月球卻非如此。
拱線運動

月球圍繞地球的橢圓軌道,在它自己的平面上也不是固定的,其橢圓的拱線(近地點和遠地點的連線)沿月球公轉方向向前移動,每8.85年移動一周。中國早在東漢,賈逵就提出月球視運動的最疾點每九年運動一周,這實際上正是拱線運動的結果。
軌道傾角變化

月球軌道(白道)對地球軌道(黃道)的交角(黃白交角)變化在4°57~5°19之間,平均值為5°09。
月球的軌道平面(白道面)與黃道面(地球的公轉軌道平面)保持著5.145 396°的夾角,而月球自轉軸則與黃道面的法線成1.5424°的夾角。因為地球並非完美球形,而是在赤道較為隆起,因此白道面在不斷進動(即與黃道的交點在順時針轉動),每6793.5天(18.5966年)完成一周。期間,白道面相對於地球赤道面(地球赤道面以23.45°傾斜於黃道面)的夾角會由28.60°(即23.45°+ 5.15°)至18.30°(即23.45°- 5.15°)之間變化。同樣地,月球自轉軸與白道面的夾角亦會介乎6.69°(即5.15° + 1.54°)及3.60°(即5.15° - 1.54°)。月球軌道這些變化又會反過來影響地球自轉軸的傾角,使它出現±0.002 56°的擺動,稱為章動。
交點西退

白道與黃道的交線,其空間位置並不固定,而是不斷地向西運動,每18.6年運行一周。這一現象早在東漢末年就為劉洪發現,並用於月食預報計算中。
中心差

由於月球軌道是橢圓而不是圓形,月球公轉速度並不均勻。月球運動同均勻的圓周運動比較,時而超前,時而落後,其半振幅為6°.29,週期為27.55455日。
幾何天秤動

由於月球軌道為橢圓形,當月球處於近地點時,它的自轉速度便追不上公轉速度,因此我們可見月面東部達東經98度的地區,相反,當月處於遠日點時,自轉速度比公轉速度快,因此我們可見月面西部達西經98度的地區。這種現象稱為經天秤動。又由於月球的自轉軸傾斜於公轉軌道平面(白道面),而白道與黃道又有約5度的交角,因此月球繞地球公轉一周時,極區會作約7度的晃動,這種現象稱為緯天秤動。再者,由於月球距離地球只有60地球半徑之遙,若觀測者從月出觀測至月落,觀測點便有了一個地球直徑的位移,可多見月面經度1度的地區。這種現象稱為周日天秤動。

如同絕大多數天體運行,月球繞地球的長期軌道痕跡是一個甜甜圈,月球軌道遠離的現象會到目前軌道的大約1.4倍為止,然後再慢慢繞回來。
相對大小
The dark shadowed disk of the Moon moves across the face of the quarter-phase Earth, covering only a small part of the cloud-swirled semicircle.
在5,000萬公里的距離上拍攝的地球和月球大小的比較[83]。

月球相對於地球的大小是最大的:直徑是四分之一,質量是1/81[43]。就衛星與行星的相對大小比例來說,它是太陽系最大的衛星 (雖然凱倫與矮行星冥王星相對來說更大) [84]。

然而,地球和月球仍然被認為是一種行星-衛星系統,而不是雙行星系統,因為它們的質心,一般所謂的質量中心,位於地球表面之下1,700公里(大約是地球半徑的四分之一)[85]。
從地球看月球

參見:月相、行星照#地照及月球觀測

月球有著異常低的反照率,它的數值與煤炭相當。儘管如此,它仍是天空中繼太陽之後第二亮的天體[43][nb 8]。這一部分是因為對沖效應的增強效果;在弦月時,月球只有十分之一的亮度,而不是滿月一半的亮度[86]。此外,由於視覺系統的顏色恆常性重新校準天體的顏色和周圍環境的關係,因為周圍的天空比較黑暗,會覺得被太陽照射的月球是比較明亮的天體。滿月的邊緣感覺上會比中心明亮,並沒有周邊昏暗的效應,這是月球土壤的反射特性,它反射向太陽方向的光多於其它的方向。月亮出現在靠近地平線時會顯得比較大,但這純粹是一種心理上的影響,也就是所謂的月球錯覺,最早的敘述出現在西元前7世紀[87]。
月球被太陽照射的方向和從地球看見的一個月的變化,結果是月球的相位。

月球在天空中最高的高度變化:雖然它有與太陽相同的限制,在一年當中它會隨著季節與月相變化,滿月在冬天到達最高的位置。18.6年的焦點週期也有些影響:當月球的升交點在春分點,月球每個月的的緯度可以到達28°。這意味著月球會出現在赤道到緯度28°之間的天頂,反過來 (降交點在春分點) 則只有18°。月球的新月方向也取決於觀測者的緯度:接近赤道的觀測者,可以看見微笑狀的新月[88]。

月球的表面是否會隨著時間改變,在歷史上仍有爭議。今天,許多這些主張被認為是虛幻的,是在不同光線條件下觀察的結果,不良的視寧度,或不當的繪圖。但是,偶爾會出現出氣現象,還有小部份的報告可以歸因於瞬變月面現象。最近,有人認為月球上一個3公里直徑的區域在一百萬年前被釋放出的氣體改變[89][90]。月球的外觀,像太陽一樣,也會受到地球大氣層的影響:常見的是當月光通過高空的卷層雲時,會受到冰晶的折射形成22°的暈環,通過薄雲也會有相似的冕環[91]。
潮汐效應

主條目:潮汐力、潮汐加速、潮汐和潮汐理論

地球上的潮汐主要是來自月球牽引地球兩側引力強度的漸進變化,潮汐力,造成的。這在地球上造成兩處隆起,最清楚的是海潮,海平面的升高[92]。由於地球自轉的速度大約是月球環繞地球速度的27倍,因此這個隆起在地球表面上被拖曳的速度比月球的移動還快,大約一天繞著地球的轉軸旋轉一圈[92]。海潮會受到一些影響而增強:水經過海底時的摩擦力與地球自轉的耦合,水移動時的慣性,接近陸地的平坦海灘,和不同海洋盆地之間的振盪[93]。太陽的引力對地球海潮的影響大約是月球的一半,它們相互的引力影響造成了大潮和小潮[92]。
Over one lunar month more than half of the Moon s surface can be seen from the surface of the Earth.
單獨一個月的天秤動。

月球和靠近月球一側隆起的重力耦合對地球的自轉產生了一個扭矩,從地球的自轉中消耗了角動量和轉動的動能[92][94]。反過來,角動量被添加到月球軌道,使月球加速,使得月球升到更高的軌道和有更長的軌道週期。結果是,月球和地球的距離增加,和地球的自轉減緩[94]。通過阿波邏任務安裝在月球表面上的月球測距儀,測量月球到地球的距離,發現地月距離每年增加38毫米 [95](雖然每年只是月球軌道半徑的0.1 ppb)。原子鐘也顯示地球的自轉的一天,每年約減緩15微秒[96],在UTC的緩慢增加被閏秒加以調整。 潮汐拖曳會繼續進行,直到地球的自轉速度減緩到與月球的軌道週期吻合;然而,在這之前,太陽已經成為紅巨星,吞噬掉地球[97][98]。

月球表面也能體驗到周期約27天,振幅約10公分的潮汐,它有兩種成分:因為它的同步自轉,來自地球的是固定的;和來自太陽的變動[94]。來自地球噵致的量是天秤動,這是月球軌道離心率造成的結果;如果月球軌道是理想的圓,就只會有太陽造成的潮汐[94]。天秤動會改變從地球看見的角度變化,使得從地球可以看見59%的月球表面(但在任何時間看見的都略少於一半)[43]。這些潮汐力累積的應力會造成月震。雖然每次震動可以持續至一小時以上-明顯的比地震的時間長-因為缺乏水來阻尼震動的振幅,但月震不如地震的頻繁,也比地震微弱。月震的存在是1969年到1972年的阿波羅太空人安放在月球上的地震儀的一個意外發現[99]。


主條目:日蝕、月蝕和蝕的週期

The fiercely bright disk of the Sun is completely obscured by the exact fit of the disk of the dark, non-illuminated Moon, leaving only the radial, fuzzy, glowing coronal filaments of the Sun around the edge.
1999年的日蝕
The bright disk of the Sun, showing many coronal filaments, flares and grainy patches in the wavelength of this image, is partly obscured by a small dark disk: here, the Moon covers less than a fifteenth of the Sun.
從日地關係天文台-B太空船看見月球從太陽前方通過[100]。
從地球看月球和太陽有相近的大小。從尾隨著地球軌道的衛星看月球比太陽小了許多。

當地球、太陽和月球在一條直線上時,才會出現蝕。日蝕發生在朔(有別於新月),當月球介於地球和太陽中間。對照過來,月蝕發生在滿月,當地球介於太陽和月球中間。從地球看月球的角視直徑和太陽的角視直徑變化的範圍是重疊的,因此日蝕時會有日全蝕和日環蝕的可能性[101]。在日全蝕,月球會將太陽的盤面完全遮蔽掉,因此以肉眼就能看見日冕。由於地球和月球的距離緩慢的在逐漸增加中[92],月球的角視直徑逐漸減小。這意味著在數百萬年前的日蝕,月球都會完全遮蔽掉太陽,而沒有發生日環蝕的可能。同樣的,從現在開始大約6億年之後,月球將不再能夠完全遮蔽掉太陽,因此將只會發生日環蝕[102]。

由於月球環繞地球的軌道相對於地球環繞太陽的軌道有大約5°的傾斜,所以不是每個新月和滿月都會發生蝕。 當蝕發生時,月球必須在兩個軌道平面交集的附近[102]。日蝕和月蝕復發的週期性,由沙羅週期來描述,其周期大約是18年[103]。

由於月球在天空中總是會遮蔽大約半度直徑圓型區域的視野[nb 9][104],當一顆亮星或行星經過月球的後方時,就會發生掩星的現象:從視線中隱藏。這樣一來,日食只是太陽被掩蔽。由於月球非常的靠近地球,單獨一顆恆星被掩蔽的現象不是在地球上的任何地點都能見到,也不是同時見到。並且因月月球軌道的進動,每年會被掩蔽的恆星也都有所不同[105]。
研究和探測

參見:月球探測任務列表、月球殖民及月球人造物體列表

On an open folio page is a carefully drawn disk of the full Moon. In the upper corners of the page are waving banners held aloft by pairs of winged cherubs. In the lower left page corner a cherub assists another to measure distances with a pair of compasses; in the lower right corner a cherub views the main map through a handheld telescope, while another, kneeling, peers at the map from over a low cloth-draped table.
從約翰·赫維留的月面圖集(1647年)中轉載的月面圖,這是第一張包含天秤動區域的月面圖。
早期的研究

在天文學發展的早期天文學家已經對月球週期有深刻的理解:如大約在西元前5世紀,巴比倫天文學家已經知道月食有大約18年的沙羅週期[106] ,印度天文學家已經對月球每個月的距角進行描述[107],中國天文學家石申(fl. 4th century BC)確定了一套預測日食月食的公式[108]。之後,月球的天然形狀和月光的成因也被了解,古希臘哲學家阿那克薩哥拉 (d. 428 BC)推斷太陽和月球都是巨大的岩石球體,而且後者通過反射前者的光來發光[109][110]。雖然中國漢朝時認為月球等同於「氣」,他們的「輻射影響」理論解釋月球光只是反射自太陽,京房(前77年—前37年)注意到月球是球體[111]。西元499年,印度天文學家阿耶波多第(Aryabhata)在他的《Aryabhatiya》記錄月球的耀眼光芒是反射陽光的緣故[112]。天文學家兼物理學家海什木發現月球不像鏡子那樣反射陽光,而是從月球表面每一個方向往所有方向發射出去[113]。中國宋朝的沈括創造一個塗上白色粉末的銀球反射陽光,來解釋月相的變化,而從側面看時就能呈現眉月的月相[114]。

亞里士多德的宇宙的描述(On the Heavens),月亮標示出可變元素(土、水、風和火)的球和不朽的恆星(以太)之間的邊界,一個有影響力的哲學主導的世紀[115]。然而,在西元前2nd世紀,塞琉兩亞的西流基的理論正確的認為潮汐是月球引力引起的,因為朝汐的最高點都與月球相對於太陽的位置相對應[116]。阿里斯塔克斯在同一個世紀計算出月球大小和距離,得知地月的距離是地球半徑的20倍。托勒密進一步更正這些數值:平均距離是地球半徑的58倍,直徑是地球的0.29,非常接近現在個別的值60和0.273[117]。阿基米德發明了可計算當時已知行星和月球運動的天象儀[118]。

在中世紀望遠鏡發明之前,已經有越來越多人認識到月球是一個球體,但許多人卻認為它的表面是非常平滑的[119]。1609年,伽利略在《星際信使》中使用第一架伸縮望遠鏡描繪的月球,注意到它並不是光滑的,有著環形山和山。望遠鏡描繪出如下的月球:喬萬尼·巴特斯達·里奇奧利(Giovanni Battista Riccioli)和弗朗西斯科·格里馬爾迪(Francesco Maria Grimaldi)在17世紀後期的努力產生現今使用的月球命名系統。威罕·皮爾(Wilhelm Beer)和梅德勒(Johann Heinrich Madler)在1834-6年間發展出更精確的Mappa Selenographica,並且在1837年出版相關的書Der Mond,第一次用三角法準確的研究月球特徵,包括一千多座山的高度、並引導對月球研究的精確度可能如同地球的地理[120]。最先注意到的月球環形山科學家是伽利略,一直被認為是火山。直到1870年代,理察·波達(Richard Proctor)才提出這是由撞擊形成的假設[43]。這種觀點在1892年獲得地質學家葛洛夫·吉伯特(Grove Karl Gilbert)的實驗支持,1920年至1940年的比較研究[121]引導月球地層學發展,在1950年代成為天體地質學的一個嶄新且持續發展的分支[43]。
第一次直接探測:1959–1976

參見:阿波羅太空人列表

在冷戰期間,美國和前蘇聯一直希望在太空科技領先對方。這場太空競賽在1969年7月20日第一名人類登陸月球時達到高潮。美國阿波羅11號的指揮官尼爾·阿姆斯壯是踏足月球的第一人,而尤金·塞爾南則是在上世紀站在月球上的最後一個人,他是1972年12月阿波羅17號任務的成員。
蘇聯的任務

主條目:月球號系列探測器和月球步行者

冷戰-刺激了蘇聯和美國的太空競賽,導致月球探測的加速和趣味性。一但發射器有足夠的能力,這些國家就送出無人探測器進行飛越和撞擊或登陸的任務。來自蘇聯的月球計畫太空船最先完成多項目標:於1958年進行了三次未賦與名稱的失敗任務之後[122],第一個脫離地球的引力,並且飛越過月球的人造物體是月球1號;第一個撞擊月球表面的人造物體是月球2號;第一個拍攝到通常是被遮蔽而看不見的月球背面影像的是月球3號,這全都發生在1959年。

第一艘成功執行在月球軟著陸的是月球9號,第一艘環繞月球的無人太空船是月球10號,這兩者都完成於1966年[43]。將月球的岩石和土壤標本帶回地球的標本返回任務 (月球16號、月球20號和月球24號) 總共帶回0.38公斤的月岩[123]。兩個先鋒的機器人太空船在1970年和1973年登陸於月球上,是蘇聯的月球步行者計畫的一部分。
美國的任務

主條目:阿波羅計畫和登陸月球

The small blue-white semicircle of the Earth, almost glowing with colour in the blackness of space, rising over the limb of the desolate, cratered surface of the Moon.
在阿波羅8號任務,於1968年的聖誕夜從月球看見的地球。非洲在日沒的邊界線上,美洲在雲層之下,在邊界線末端左邊的是南極大陸。
An astronaut in an American Apollo-program spacesuit, standing on the flat, heavily footprinted landing area, with the utterly black sky of space above the horizon.
在1969年7月20日人類第一次登月任務中,太空人阿姆斯壯拍攝的太空人巴茲·艾德林。

美國的月球探測始於機器人任務的發展,旨在實現載人登陸月球的最終目標:噴射推進實驗室的測量員計畫,在月球9號發射後4個月,發射第一艘登陸月球的太空船。NASA載人的阿波羅計畫也在同時發展;經過無人的阿波羅太空船在地球軌道上一系列的測試之後,和蘇聯月球飛行能力的刺激,阿波羅8號於1968年首度執行載人環繞月球軌道的任務。在1969年人類首次登陸月球,與後續多次的登陸月球,使很多人認為是太空競賽的最高潮[124]。尼爾·阿姆斯壯是美國阿波羅11號任務的指揮官,他在1969年7月21日02:56 (世界時) 踏上月球表面,成為第一位在月球上漫步的人[125]。從阿波羅11號到17號 (除了阿波羅13號中止了登陸月球的任務) 的任務, 總共帶回382公斤、共2,196塊月球岩石和土壤的標本[126]。美國登陸月球和返回使1960年代初期在的技術獲得長足的進步與發展,特別是在燒蝕化學、軟體工程和重返大氣層技術,和高階巨大計畫整合管理等領域[127][128]。

在整個阿波羅任務中,許多套的科學儀器套件被建置在月球表面。能長期工作的儀器站,包括熱流量探測器、地震儀、磁強計,它們是阿波羅12號、14、15、16和17設置的。它們將資料直接傳送回地球,直到1977年才因為預算的理由而停止[129][130],但是工作站的月球雷射測距迴向反射器陣列是被動式的儀器,它們仍然在使用中。從地球例行測量的測站到月球基地的距離精確範圍在幾公分之內,並且從這些資料可以對月球核心的大小有所理解[131]。
目前的時代:1990–現在

後阿波羅和月球,更多的國家已經直接參與月球的探測。在1990年,日本將太空船Hiten送到月球,成為第三個有環繞月球軌道衛星的國家。這艘太空船釋放一個小探測器,Hagoromo,在月球軌道,但是發射失敗,妨礙了進一步的科學應用任務[132]。在1994年,美國國防部和NASA聯合發送了克萊芒蒂娜至月球軌道。這個任務首度獲得幾乎整個月球的全球地形圖,和第一份月球表面全球的多光譜影像[133]。此後在1998年又派遣了月球探勘者任務,它的儀器顯示在月球的極區有過量的氫,這可能是存在於永久陰暗的環形山內部風化層表層數公尺處的水冰[134]。

歐洲太空船智能1號,第二艘使用離子推進的太空船,從2004年11月15日進入月球軌道直到2006年9月3日,並且第一次對月球表面的化學元素做了詳細的調查[135]。
月球基地想像圖

中國也執行了中國探月工程探測月球,成功的發射了第一艘進入月球軌道的太空船,嫦娥一號,從2007年11月5日直到2008年3月1日在控制下撞擊月球[136]。在6個月的任務期間,它獲得月球表面完整的影像圖。嫦娥二號於2010年10月1日發射升空,最主要的任務是為嫦娥三號預定著陸的虹灣拍照,而其分辨解析力高達1米。[137][138] 在2007年10月4日至2009年6月10日之間,日本宇宙航空研究開發機構的「月亮女神(Selene)」任務,攜帶了一架高明晰度電視攝影機,和兩個小的無線電發射衛星,獲得許多月球地理的資料和從地球軌道之外高明晰的影片[139][140]。 印度的第一次月球任務,月船1號,從2008年11月8日起環繞月球,直到2009年8月27日,創建了月球表面高解析的化學、礦物學和照片地質地圖,並確認月球土壤中存在著水分子[141]。印度太空研究組織計畫在2013年發射月船2號,將會攜帶蘇聯的機器人月球漫遊車[142][143]。美國一起發射的「月球勘測軌道飛行器」(LRO)和「LCROSS」撞擊器於2009年6月18日進入軌道;隨後與軌道上的飛行器,在2009年10月9日一起在計畫內與計畫外廣泛的觀測LCROSS撞擊Cabeus,完成他的使命[144], 之後,LRO仍然繼續運作,以月球高度測量術獲得高解析度的影像。

其它即將進行的月球探測任務包括俄國的月球團塊:以它們的火星傅伯斯步兵的軌道器為基礎的一種無人登陸器,架設地震儀,預計在2012年發射[145][146]。在2007年9月13日宣布的Google月球X大獎,激勵私人資助的月球探索計畫,將提供2,000萬美金給任何讓機器人登上月球且合於其它指定標準的人[147]。

在美國總統喬治·沃克·布希在2004年1月14日宣布在2020年重返月球之後,NASA開始恢復載人任務計畫[148]。星座計畫開始資助與測試載人太空船和發射器[149],並且研究和設計月球基地[150]。但是,2011年的政府預算已經取消了對NASA星座計畫的挹注,這將迫使NASA取消在太空技術上的推行以及高推力火箭的研究[151]。印度也表示希望在2020年能夠送人上月球[152]。
法律地位

主條目:太空法

雖然月球登陸者將蘇聯的旗幟散布在月面各處,美國國旗也象徵性的插在阿波羅太空人登陸建立的工作站,但目前沒有任何一個國家宣稱月球表面的任何一部分是他們的領土[153]。蘇聯和美國在1967年簽署的太空法[154],它定義了月球和外太空是"全人類所共有的地方"[153],這份條約也限制了月球只能供和平目地的使用,明確禁止軍事設施和大規模毀滅性武器的設置[155]。 1979年的月球協約限制單一國家對月球資源的創建、開發與利用,但是沒有任何一個航太國家簽署[156]。雖然有一些個人曾經宣稱擁有月球的全部或部分,但這些沒有一件是真實的[157][158][159]。
文化

參見:科幻的月球、陰曆、默冬章、月神、月球效應及藍月

在許多的國旗上都會出現眉月和星星,包括土耳其和巴基斯坦。
這是Lorenz Frølich圖繪的一部分,是挪威神話中被人格化的太陽和月球,月神Máni (左) 和太陽神Sól (右) (1895年)。

月球規則的相位變化是一個很好的計時器,周期性增長和衰減的形式成為許多古老曆法的基礎。2萬至3萬年前骨製計數棒上的缺口被認為是月相的標記[160][161][162]。陰曆的一個月大約是30天。英語中的名詞month和日耳曼語系與其它同源的語系來自原始日耳曼語的*mǣnṓth-,這又連結到前述原始日耳曼語的*mǣnōn,顯示德國民間在使用陽曆之前是使用陰曆[163]。

月球已經給予藝術和文學作品無數的靈感,它是許多視覺藝術、表演藝術、詩歌、散文和音樂藝術的主題。有5,000年歷史的愛爾蘭Knowth石刻,可能是被發現、最早的代表月球的描繪[164]。月球上明亮的高地和黑暗的海的對比,在不同的文化和民族中創造出不同的形象,像是月球上的人、兔子、野牛、嫦娥、玉兔、螃蟹和其它的等等。在許多史前和古代的文化中,月球化身為月神,或其它超自然的現象和占星圖的月亮,到今天仍然被繼續傳播。

在中國有嫦娥奔月的神話。
中國歷代以來,在詩歌文學中對於月亮,有許多不同的雅稱:
和滿月形狀有關:白玉盤、半輪、寶鏡、冰鏡、冰輪、冰盤、蟾盤、飛鏡、飛輪、掛鏡、金鏡、金盆、明鏡、瑤台鏡、銀盤、玉鏡、玉輪、玉盤、玉盆、圓影、月輪。
和新月形狀有關:懸鉤、玉弓、玉鉤。
和月亮光芒有關:蟾光、方暉、金波、清光、夜光、幽陽。
和神話有關:白兔、蟾蜍、蟾宮、嫦娥、顧菟、廣寒、桂宮、桂魄、姮娥、瓊闕、素娥、兔影、銀闋珠宮、玉蟾、玉京、玉欄、玉兔、圓蟾、月桂、清虛、望舒。
其他:冰壺、冰鑒、冰魄、嬋娟、秋影、太陰。
在希臘神話中,月亮女神叫做阿耳忒彌斯,月球的天文符號就像一彎新月,也象徵阿耳忒彌斯的神弓。
在北歐神話中,瑪尼是駕駛月車的神明。

精神病的聯想

月球長久以來也與精神錯亂和非理性相關聯;精神錯亂(lunacy)和瘋癲(loony)這兩個字都源自拉丁文的月球,「Luna」。哲學家亞里斯多德和老普林尼都辯稱滿月容易影響個人,甚至導致精神錯亂,相信大多是水分的大腦,一定會受到月球和潮汐的影響;但是月球的引力太微弱,不會影響到任何一個人[165]。即使在今天,雖然沒有科學的依據,依然有人堅稱精神科病患的數量、交通事故、殺人或自殺的事件,在一輪滿月的期間會增加[165]。
月球的觀察
從比利時阿莫瓦(Hamois)拍攝到的滿月景象

主條目:月球觀測

在滿月期間,月球的視亮度約有-12.6等(作為參考,太陽的視亮度為-26.8等。)

月球在夜間最容易察覺得到,但它有時也可在日間看見。(例如上弦月可於下午看見,下弦月可於早上看見。)

月球大約每天推遲50分鐘從東方升起。但正史中也有一些奇怪的記載,《金史·天文志》記載:「太宗天會十一年(1133年),五月乙丑(6月15日),月忽失行而南,頃之復故。」
作品

法國科幻小說作家儒勒·凡爾納的小說《環繞月球》,利用炮火將人打到月球上去。
參見

太陽系探測器列表
太陽系探索時間線
地球的其他衛星

腳註

註解

^ 在NASA的數據中給的「最大值」是-12.74,這是基於地球赤道與月球中心的平均距離378,000公里;此處是以最近的距離,並且修正地球半徑6,378公里之後的最近距離350,600公里推算得到的亮度。「最小值」(對新月的距離)是建立在相同的基礎上,以數據頁上的最遠距離,407,000公里,並且計算地球照在新月上的亮度。地球照的亮度是[ 地球反照率 × (地球半徑 /月球軌道的半徑)2]相對於被直射的太陽光照亮的滿月。(地球反照率= 0.367; 地球半徑= (極半徑 × 赤道半徑)½ = 6 367公里。)
^ The range of angular size values given are based on simple scaling of the following values given in the fact sheet reference: at an Earth-equator to Moon-centre distance of 378 000 km, the angular size is 1896 arcseconds. The same fact sheet gives extreme Earth-Moon distances of 407 000 km and 357 000 km. For the maximum angular size, the minimum distance has to be corrected for the Earth s equatorial radius of 6 378 km, giving 350 600 km.
^ Lucey et al. (2006) give 107 particles cm−3 by day and 105 particles cm−3 by night. Along with equatorial surface temperatures of 390 K by day and 100 K by night, the ideal gas law yields the pressures given in the infobox (rounded to the nearest order of magnitude; 10−7 Pa by day and 10−10 Pa by night.
^ 地球有一些共軌的近地小行星(Morais et al, 2002),但它們都不能算是真正的衛星。更多的資料可以參見地球的其它衛星。
^ 這個年代是從月岩的同位素測年計算得到的。
^ 更正確的說,月球的平恆星週期是27.321661天(27d 07h 43m 11.5s),和平回歸週期(從分點至分點)是27.321582天(27d 07h 43m 04.7s)(「天文曆書的補充解釋」, 1961, at p.107)
^ 更精確的說,月球的平會合週期(與太陽合的平均值)是29.530589天(29d 12h 44m 02.9s) (天文曆書的補充解釋, 1961, at p.107).
^ 太陽的視星等是 −26.7,滿月的視星等視 −12.7。
^ 平均而言,月球在會遮蔽夜空0.21078平方度的區域

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Bibliography

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延伸讀物

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Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) Kaguya images

觀測工具

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Find moonrise, moonset and moonphase for a location [18 February 2008].
HMNAO s Moon Watch [24 May 2009]. See when the next new crescent moon is visible for any location.

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火星
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火星 火星的天文符號 火星
哈伯太空望遠鏡所見的火星
軌道參數
曆元 J2000[1]
遠日點 2.492 3×108 km
1.666 AU
近日點 2.066 2×108 km
1.381 AU
半長軸 2.279 366 4×108 km
1.523 662 31 AU
離心率 0.093 412 33
周期 779.94 日 (2.135 儒略年)
平均速度 24.13 km/s
軌道傾角 1.850 61°
(對太陽赤道5.65°)
升交點黃經 49.578 54°
衛星 2
物理特徵
平均半徑 3389.5 km
(0.532 倍於地球)
赤道半徑 3396.2 km
(0.532 倍於地球)
極半徑 3376.2 km
(0.531 倍於地球)
表面積 1.441×108 km²

(144,798,465 km²)
(0.282 倍於地球)
體積 1.631 8×1011 km³
(0.151 倍於地球)
質量 6.418 5×1023 kg
(0.107 倍於地球)
平均密度 3.94 g/cm³
表面重力 3.693 m/s² (0.377g)
逃逸速度 5.02 km/s
自轉週期 1.026 地球日
(24.622 9 h)
赤道自轉速度 868.22 km/h
轉軸傾角 25.19°
北極赤經 21 h 10 min 44 s
(317.681 43°)
北極赤緯 52.886 50°
反照率 0.15
表面溫度
絕對溫標
攝氏溫標
最小 平均 最大
186 K 210 K 286 K[2]
−87 °C −63 °C −5 °C
視星等 最大:-2.91
衝:平均-2.0
角直徑 3.5″-25.1″
衝:平均17.9″
大氣
成分 95.32% 二氧化碳

2.7% 氮氣
1.6% 氬
0.13% 氧氣
0.08% 一氧化碳
210 ppm 水蒸氣
100 ppm 一氧化氮
2.5 ppm 氖
300 ppb 氪
130 ppb 甲醛
80 ppb 氙
30 ppb 臭氧
10 ppb 甲烷

火星是太陽系由內往外數的第四顆行星,屬於類地行星,直徑為地球的一半,自轉軸傾角、自轉週期相近,公轉一週則花兩倍時間。在西方稱為戰神瑪爾斯,中國則稱為熒惑,因為它熒熒如火,位置、亮度時常變動。橘紅色外表是因為地表的赤鐵礦(氧化鐵)。[3]英文裡前綴areo-即為火星。

火星基本上是沙漠行星,地表沙丘、礫石遍佈,沒有穩定的液態水體。二氧化碳為主的大氣既稀薄又寒冷,沙塵懸浮其中,每年常有塵暴發生。與地球相比,地質活動不活躍,地表地貌大部份於遠古較活躍的時期形成,有密佈的隕石坑、火山與峽谷,包括太陽系最高的山:奧林帕斯山和最大的峽谷:水手號峽谷。另一個獨特的地形特徵是南北半球的明顯差別:南方是古老、充滿隕石坑的高地,北方則是較年輕的平原。火星兩極皆有主要以水冰組成的極冠,而上覆的乾冰會隨季節消長。

在1965年水手4號首次飛掠火星之前,很多人猜測火星上有液態水,因為望遠鏡觀測到的明暗特徵猶如陸地和海洋,而一些細長條紋則被認為是灌溉用的運河。雖然之後證實細線並不存在,可能只是錯視,但火星的確可能擁有液態水,甚至生命。[4]火星快車號和火星偵察軌道器的雷達資料顯示兩極[5]和中緯度[6]地表下存在大量的水冰。2008年7月31日,鳳凰號直接於表土之下證實水冰的存在。[7]

火星目前有三艘運作中的探測船,分別是火星奧德賽號、火星快車號和火星偵察軌道器,數量是太陽系內除了地球以外最多的。地表還有很多火星車和著陸器,包括兩台火星探測漫遊者:精神號和機會號,和最近結束任務的鳳凰號。根據觀測的證據,火星以前可能覆蓋大面積的水。亦觀察到最近十年內類似地下水湧出的現象。[8]火星全球勘測者則觀察到南極冠有部份退縮。[9]

火星有兩個天然衛星:火衛一和火衛二,形狀不規則,可能是捕獲的小行星。在地球,火星肉眼可見,亮度可達-2.9,只比金星、月球和太陽暗,但在大部分時間裡比木星暗。
目錄

1 觀測史
2 物理特徵
2.1 自轉與公轉
2.2 地質
2.3 地理
2.4 大氣
2.4.1 氣候
2.5 水文
3 衛星
4 近代探測
4.1 過去任務
4.2 現在任務
4.3 未來任務
4.4 小行星事件
5 生命
6 人類拓墾
7 文化中的火星
7.1 網路用語
8 參見
9 神話傳說
10 注釋與參考文獻
11 外部連結

觀測史

火星的火紅色,自古就吸引著人們,在中國為熒惑、希臘則為戰神。此時火星觀測和其他天體般,大部分是為了占星,而後漸漸涉及科學方面,如克卜勒探索行星運動定律時是依據第谷積累的大量而精密的火星運行觀測資料。
各時期的火星觀測

望遠鏡出現後,人們對火星可以進行更進一步的觀測。使用望遠鏡觀測星空的伽利略所見的火星只是一個橘紅小點,然而隨著望遠鏡的發展,觀測者開始辨別到一些明暗特徵。惠更斯依此測出火星自轉週期約為24.6小時,而他亦為首次紀錄火星南極冠的人。一開始由於各人各自觀測,意見不一致,地名也未統一(例如用繪製者名字命名)。後來義大利的喬范尼·斯基亞帕雷利統合了各家說法而繪製了地圖,地名取自地中海、中東等的地名和聖經等作為來源,而其餘則依照舊有的觀念:暗區被認為是湖(lacus)海(mare)等水體,如太陽湖、塞壬海、明顯的暗大三角——大瑟提斯;而亮區則是陸地,如亞馬遜。這個命名系統一直延續下來。

當時,斯基亞帕雷利和同期觀測者一樣,觀察到了火星表面似乎有一些從暗區延伸出的細線,因為對於暗區是水體的傳統,這些細線命名為水道(canali)。而後來觀察到暗區會在冬季時縮小、夏季時擴張,有人提出暗區是植物覆蓋、而暗區的擴大縮小則是消長所引起的,改變以往認為暗區是水的說法。帕西瓦爾·羅威爾觀察到並宣稱那些「水道」其實是人工挖掘的「運河」,用來灌溉植物,因為水道應太細不可見,而看到的細線應是灌溉出的大片植物。風靡大眾的火星科幻和火星人即源於此。不過這些細線大多已證明是不存在的,部分則是峽谷或隕石坑後延伸出的深色沙子。而火星表面顏色的改變則是因為沙被風吹移,或發生火星塵暴。

到了太空時代,水手4號傳回的充滿隕石坑的火星照片粉碎了人們對火星文明的幻想,認為火星只是一處如月球般佈滿隕石坑的死寂星球。但隨著往後水手9號等的巨大峽谷、火山和疑似流水遺跡的發現,火星的獨特性、液態水和生命的可能又重新引起人們的興趣。(見#近代探測)
物理特徵
火星直徑約為地球的一半

火星半徑約是地球的一半,體積為15%,質量為11%,表面積相當於地球陸地面積,密度則比其他三顆類地行星還要小很多。[10] 以半徑、質量、表面重力來說,火星約介於地球和月球中間:火星半徑約為月球的兩倍、地球的一半,質量約為月球九倍、地球的九分之一,表面重力約為月球的2.5倍、地球的2.5分之1。
自轉與公轉
火星與地球的軌道與季節長度比較。

參見:火星計時

火星與太陽平均距離為1.52AU,公轉週期為687地球日,1.88地球年(以下稱年),或668.6火星日。平均火星日為24小時39分35.244秒[11],或1.027491251地球日。[12]

火星自轉軸傾角為25.19度,和地球的相近,因此也有四季,只是季節長度約為兩倍。由於火星軌道離心率大,為0.093(地球只有0.017),使各季節長度不一致,又因遠日點接近北半球夏至,北半球春夏比秋冬各長約40天。2009年10月26日為北半球春分,2010年5月13日為夏至,目前北半球處春季。

火星軌道和地球的一樣,受太陽系其他天體影響而不斷變動。軌道離心率有兩個變化週期,分別是9萬6千年和2.1百萬年,於0.002至0.12間變化[13];而地球的是十萬年和41.3萬年等,於0.005至0.058間變化(見米蘭科維奇循環)。目前火星與地球最短距離正慢慢減小。至於自轉軸傾角,火星目前是25.19度,但可由13度至40度間變化,週期一千多萬年,不像地球的穩定處於22.1和24.5度間,是因為火星沒有如月球般的巨大衛星來維持自轉軸。[14]也因沒有大衛星的潮汐作用,火星自轉週期變化小,不像地球的會被慢慢拉長,因此現今兩行星的自轉週期相近只是暫時現象。
地質
古瑟夫撞擊坑充滿沙石的地表
Endurance撞擊坑中的沙丘

主條目:火星地質

火星地表充滿撞擊坑,基於撞擊坑密度的撞擊坑計數法可判別出地表年齡:撞擊坑大而密集處較老,反之則年輕,進而將地質年代分為四個階段:前諾亞紀、諾亞紀、赫斯珀利亞紀和亞馬遜紀。前諾亞紀沒有留下實質地表,此時地形南北差異形成,有全球性磁層;諾亞紀有大量隕石撞擊,火山活動旺盛,可能有溫暖潮濕的大氣、河川和海洋,侵蝕旺盛,但到末期這些活動已減弱很多;赫斯珀利亞紀,火山活動仍然繼續;亞馬遜紀則是大氣稀薄乾燥,以冰為主要活動,如極冠、冰凍層、冰河,並有週期性變遷,溝壑也是這時期形成,火山活動趨緩並集中在塔爾西斯與埃律西昂。

一個原因是因為火星比地球小,表面積與體積的比例較大,因此火星的冷卻得比地球快,地質活動趨緩,磁場和板塊運動消逝。這也是大氣變薄的因素,進而使液態水無法穩定存在。

現今火星風成地形遍佈,如吹蝕、磨蝕等風蝕作用,和沙塵遇地形阻礙而填積、侵積等風積作用。(名詞解釋:[15])前者形成如廣泛分布於梅杜莎槽溝層的風蝕脊[16],後者則如大瑟提斯高原上撞擊坑下風處的沙塵堆積,和撞擊坑中常見的沙丘。
地理
火星地形圖,中央為東經180度。低到高順序為藍、綠、黃、紅到最高的白。

主條目:火星地理

火星和地球一樣擁有多樣的地形,有高山、平原和峽谷。南北半球的地形有著強烈的對比:北方是被熔岩填平的低原,南方則是充滿撞擊坑的古老高地,而兩者之間以明顯的斜坡分隔;火山地形穿插其中,眾多峽谷分布各地,南北極有以水冰組成的極冠,而風成沙丘廣布整個星球。隨著衛星拍攝的越來越多,更發現很多耐人尋味的地形景觀。

20世紀早期地面以無線電波測量火星地形。1976年海盜號進行的地形測量,發現了峽谷和南北半球的巨大差異,而衍生出北方平原本是海洋的假說。火星全球勘測者自1999年起以雷射進行更精確的地形測量,得出目前使用的全球地形圖,以火星大地水準面(Areoid)為基準,最高點在奧林帕斯山,高21,229公尺;最低點在希臘平原,低於基準8,200公尺。[17]現在很多探測器如火星勘察衛星、火星快車號和火星探測漫遊者運用航照圖的地形判別方法,以視差法來測量區域地形,並製成高解析度立體照片。

火星的經度坐標採用東經0至360度,不是地球的東西經各180度。

來自火星奧德賽號上熱輻射成像系統(THEMIS)的影像顯示阿爾西亞山北坡有七個可能的深洞,照片中光線無法抵達底部,推測底部可能更深、更寬,可能免受微隕星、紫外線、太陽閃焰和其他高能粒子的侵害,可能是未來尋找液態水或生命痕跡的可行地點。但後來火星勘察衛星的更高解析度HiRISE影像部分推翻了之前猜測,認為只是光線角度造成深不見底的樣子。
大氣
由太空所見的火星稀薄且充滿塵埃的紅色大氣層。左下方是阿爾及爾平原。
火星探路者所見的日落,夕陽周圍是藍白色的。

主條目:火星大氣層

十八世紀自地面望遠鏡觀察到雲,顯示火星擁有大氣層。自地面的光譜測量發現大氣主要為二氧化碳。1960年代水手4號、6號和7號亦證實此結果,但測出平均地表氣壓只有6百帕,小於地球表面氣壓的1%,相當於地球表面算起35公里高的氣壓,如此低的氣壓使聲音傳播的距離只有在地球上的1.5%。[18][19]隨著二氧化碳與水氣量的季節變化,氣壓變化可達20%。由於火星比地球離太陽遠,日射量較少,表面溫度應較低,計算值約210K,但實際觀測地表平均約240K,則是因為大量的二氧化碳所造成的溫室效應。由於大氣層很薄,無法保留很多熱,使地表日夜溫差很大,某些地區地表溫度白天可達28℃,夜晚可低至-132℃,平均-57℃。

大氣成分為95%的二氧化碳,3%的氮氣,1.6%氬氣,很少的氧氣、水氣等,亦充滿著很多懸浮塵埃,吸收藍光使天空成黃褐色。[20]2003年火星大衝時地面望遠鏡在大氣中發現了甲烷;2004年3月,火星奧德賽號確認了這一發現。由於甲烷易被紫外線分解,存在甲烷表示現在或者最近幾百年內在火星上存在製造甲烷的來源,火山作用、地質作用、彗星或小行星撞擊甚至生物來源如甲烷古菌等都有可能。[21] [22]
氣候

主條目:火星氣候

火星自轉軸有明顯傾斜,日照的年變化形成明顯的四季變化,而一季約為地球的兩倍長。雖然火星沒有地球般受海洋影響的複雜氣候,但仍有以下特殊之處:火星軌道離心率比地球大,造成日射量在一年當中變化更大,位於近日點時,南半球處夏季,比北半球遠日點夏季所造成的升溫更強;隨季節交替,二氧化碳和水氣會昇華和凝結而在兩極冠間遷移,驅動大氣環流;地表反照率特徵,因顏色深淺和沙、岩性質差異而造成的熱慣量(thermal inertia)不同,可影響大氣環流;易發生的塵暴會將沙塵粒子捲入高空,沙塵粒子吸收日光與再輻射會使高層大氣增溫,但遮蔽天空的沙塵會使地表降溫;自轉軸傾角和軌道離心率的長期變化則造成了氣候的長期變遷。
水文

主條目:火星水文和火星極冠

相隔六年即發現新的沖蝕溝沉積物

火星地表遍佈著流水的遺跡,有些是洪水刻畫而成,有些則是降雨或地下水流動而形成,但多半年代久遠。沖蝕溝(gullies)則是另一類規模較小的地形,但形成年代十分年輕,常分布於撞擊坑壁,型態多樣。關於成因有兩派說法,一派認為是由流動的水造成,另一方則認為是凹處累積的乾冰促使了鬆軟物質滑動。[23]
北極永久極冠

火星南北極有明顯的極冠,曾被認為是由乾冰組成,但實際上絕大部分為水冰,只有表面一層為乾冰。這層乾冰在北極約1公尺厚,在南極則約8公尺厚,是冬季時凝華而成,到夏季則再度昇華進入大氣,不過南極的乾冰並不會完全昇華。[24]夏季仍存在的部分稱為永久極冠,而整體構造稱做極地層狀沉積(Polar Layered Deposits),和地球南極洲與格陵蘭冰層一樣為一層層的沉積構造。北極冠寬達1,100公里,厚達2公里,體積82.1萬立方公里[25];南極冠寬達1,400公里,最厚達3.7公里,體積約1.6百萬立方公里。[26]兩極冰冠皆有獨特的螺旋狀凹谷,推論主要是由光照與夏季接近昇華點的溫度使溝槽兩側水冰發生差異融解和凝結而逐漸形成的。[27][28]

2011年由火星勘察衛星的淺地層雷達發現南極冠有部分原本認為是水冰的地層其實是乾冰,所含二氧化碳量相當於大氣含量的80%,這比以往認為的要多很多。根據此的模擬結果,十萬年一週期的氣候變遷中藉由乾冰昇華、凝結,大氣總質量的變化幅度會達數倍。[29][30]由這些乾冰沉積上方地表的下陷與裂隙判斷,乾冰正在慢慢昇華。[31]
一處疑似冰河的地形

自海盜號即發現,火星北半球中緯度有幾處峽谷底含有條紋流動狀的地表特徵,但不確定是富含冰的山崩、含冰土的流動或是塵礫覆蓋的冰河。但根據更新任務的資料與比對地球的相關地形,支持這些是冰河,且推測是自轉軸傾角較大時的氣候狀態下所累積的。[32]

由火星奧德賽號X射線光譜儀的中子偵測器得知,自極區延伸至緯度約60°的地方表層一公尺的土壤含冰量超過60%[33][34],推論有更大量的水凍在厚厚的地下冰層(cryosphere)。

另外一個關於火星上曾存在液態水的證據,就是發現特定礦物,如赤鐵礦和針鐵礦,而這兩者都需在有水環境才能形成。[35]

對於於火星上有冰存在的直接證據在2008年6月20日被鳳凰號發現,鳳凰號在火星上挖掘發現了八粒白色的物體,當時研究人員揣測這些物體不是鹽(在火星有發現鹽礦)就是冰,而四天後這些白粒就憑空消失,因此這些白粒一定昇華了,鹽不會有這種現象。2008年7月31日,美國航空太空局科學家宣布,鳳凰號在火星上加熱土壤樣本時鑒別出有水蒸氣產生,從而最終確認火星上有水存在。
衛星
火衛一(左)和火衛二(右)大小比較(合成圖)。

主條目:火星的衛星

火星有兩個天然衛星——火衛一(Phobos)與火衛二(Deimos),最長直徑各為27公里和16公里,形狀不規則並充滿撞擊坑,以近圓形的軌道於接近火星赤道面處公轉。它們雖然很小,但由於接近火星,使火衛一從火星上看約有滿月直徑的二分之一至三分之一大,而視星等火衛一可達-7,火衛二可達-5,白天可能可見。[36]和月球一樣,這兩顆衛星都被火星潮汐鎖定,因此他們總是以一面對著火星。火衛一的公轉週期比火星自轉更快,所以在火星上來看是西昇東落的,且只花了約4個小時;而火衛二的公轉周期只比火星自轉慢一些,東昇西落要花約2.4個火星日。[36]因為火衛一離火星很近,火星的潮汐力會慢慢但穩定地減小它的軌道半徑,預計再過約760萬年,火衛一將因軌道低於3620公里,也就是火星的洛希極限而被瓦解。[37]另一方面火衛二因為離火星足夠遠,所以它的軌道反而正在慢慢地被推進。

兩衛星可能是捕獲的小行星,但新研究認為可能是撞擊事件、或原本的衛星被火星潮汐力拉碎後,由散佈軌道上的岩屑再度吸積而形成。[38]

兩顆衛星是在1877年被阿薩夫·霍爾發現的,以希臘神話中的福波斯和得摩斯命名,兩者皆為戰神阿瑞斯的兒子。
近代探測
海盜2號接近火星時所照,可見艾斯克雷爾斯山、水手號峽谷和覆霜的阿爾及爾平原。
海盜1號登陸器所攝地景
火星勘察衛星、火星全球勘測者與火星奧德賽號的大小比較
旅居者、火星探測漫遊者、鳳凰號與火星科學實驗室的大小比較

主條目:火星探測

蘇聯、美國、歐洲和日本共已發射數十艘太空船研究火星表面、地質和氣候,包括軌道衛星、登陸器和漫遊車。總計大約有三分之二的任務在完成前或是才要開始時就因種種原因而失敗。目前將物體由地球地表送往火星約要花費每公斤30,900美元。[39]
過去任務

第一個飛掠火星的是美國國家航空暨太空總署的水手4號,於1965年飛掠。第一個環繞火星的則是水手9號,於1971年進入火星軌道,也成為第一個環繞其他行星的探測船。[40]1971年蘇聯火星計畫火星2號的登陸器墜毀後數日,相同的火星3號的登陸器成功登陸火星,為第一個成功登陸火星的探測器,但登陸十幾秒後即失去聯繫。1975年NASA發射海盜號,包括兩組軌道衛星和登陸器。海盜1號和2號軌道衛星各運作了六年和三年。兩個登陸器皆於1976年成功登陸,傳送了第一張火星地景的彩色照片[41],而軌道衛星也繪製了很好的火星地圖,甚至到今天都還在使用。

蘇聯的弗伯斯1號、2號於1988年發射以探測火星和兩個衛星。弗伯斯1號於抵達前失聯,而弗伯斯2號雖然成功拍攝了火星和火衛一,但在準備要放出兩艘登陸器到火衛一之前失聯。

在1992年火星觀察者失敗後,NASA於1996年11月發射了火星全球勘測者,且任務非常成功。它在2001年即完成了原訂的地圖繪製工作,並三次延長任務,直到2006年11月2日失聯而結束,總計共花了10年在太空中工作。在火星全球勘測者發射一個月後,NASA發射了火星探路者,包括了一個登陸器和漫遊車——旅居者(Sojourner),於1997年7月登陸在阿瑞斯峽谷。這任務也很成功,且也很知名,部分是因為傳回的大量照片。[42]

NASA的火星勘測98計畫於1998、99年發射了火星氣候衛星與火星極地登陸者,前者預計研究氣候、水與二氧化碳等,後者則預計於南極登陸,船上的搭載深空2號則計畫於火星極地登陸者進入大氣時釋放,直接降落穿入地表進行研究。但整個計畫在2000年到達火星時失敗。

最近的任務則是NASA於2007年8月發射的鳳凰號,於2008年5月登陸在火星北緯68度的極區。[43]鳳凰號登陸器有一支可伸及2.5公尺的機械手臂,且可挖掘土壤1公尺深。有搭載一座顯微鏡,解析度達人類頭髮寬度的千分之一。2008年6月20日確認2008年6月15日發現的地表白色物質為水冰。[44][45]2008年11月10日進入冬季而無法繼續聯繫鳳凰號,任務結束。[46]
現在任務

2001年NASA發射了2001火星奧德賽號,任務成功進行並延續到2010年9月。[47]船上的伽瑪射線光譜儀於地表下一公尺內偵測到大量的氫,也就是大量的水分子。[48]

2003年歐洲太空總署發射了火星快車號,包括軌道衛星和登陸器——小獵犬2號,而小獵犬2號於2004年2月降落時失敗。[49]2004年船上的行星傅立葉光譜儀於大氣中偵測到甲烷。2006年6月ESA宣布火星快車號發現極光。[50]

2003年NASA發射了兩台相同的火星探測漫遊者——精神號(MER-A)和機會號(MER-B)。兩台皆於2004年1月成功登陸並工作超過預定時間。傳回的資料中最有價值的大概是兩地過去有水的確實證據。塵捲風和風暴偶爾清除了太陽能板上的沙塵,使他們得以超過預定任務時間而繼續工作。[51]

2005年8月NASA發射了火星勘察衛星,於2006年3月進入火星軌道展開為期2年的工作。它搭載更進步的通訊系統,頻寬比之前任務總和還寬,且傳回的資料遠多於過去任務的總和。擁有解析度高達0.3公尺的相機——HiRISE,拍攝地表和天氣以尋找未來任務的適合登陸地點。2008年2月19日拍攝到北極冠邊緣的一系列雪崩影像。[52]

2007年2月25日,探測彗星的羅塞塔號近距離飛掠火星並拍照,有拍到很高的雲。[53]

2009年2月17日,黎明號飛掠火星以重力助推前往目的地灶神星和穀神星,並在接近火星時拍了照。[54]

中俄合作的火衛一-土壤號與2011年升空,將會送回火衛一土壤樣本。而該探測器還將搭載一顆重110公斤的火星探測器,也就中國第一艘無人駕駛火星探測船螢火一號(YH-1),預計乘坐俄羅斯的聯盟號運載火箭升空,航程大約10個月。螢火一號主要研究火星的電離層及周圍空間環境,火星磁場等。該探測器發射到近地軌道後,因為與地面失去聯繫變軌失敗,預計與2012年1月6日至19日墜落地球表面。
未來任務

鳳凰號之後的是2011年的火星科學實驗室,和火星探測漫遊者一樣是火星車,但更大更快更進步。搭載雷射化學檢測儀,可在13公尺外分析岩石組成。[55]

2008年9月15日NASA發表了MAVEN任務,預計2013年以各種機器研究火星大氣。[56]

芬蘭、俄羅斯的合作計畫MetNet包括數十個登陸器組成觀測網,以研究大氣結構、物理和天氣。[57]這任務的前導任務將會於2011年先發射一至數個登陸器[58],有可能是和火衛一-土壤號併在一起發射。[58]往後的發射會持續到2019年。

2016年ESA計畫發射第一台火星車——ExoMars,它可挖掘兩公尺深以尋找有機物甚至火星生命。[59]

2004年美國總統布希宣布載人火星任務為太空探索展望中的長期目標。[60]NASA和洛克希德·馬丁已開始研究獵戶座太空船,計畫於2020年以前送人類到月球,作為人類登陸火星的準備。2007年9月28日,NASA執行長麥可·D·格里芬聲明NASA預計於2037年以前送人類到火星。[61]

ESA希望於2030至2035年間送人類上火星。[62]而在這之前有其他探測任務,包括ExoMars和火星樣本取回任務。

直達火星是羅伯·祖賓——火星協會的創始人和主席——提出的極低成本載人火星任務,使用重載的農神五號級火箭,如戰神五號或太空探索技術公司(SpaceX)的獵鷹九號,省略軌道組裝、低地軌道會合和月球燃料補給站而直接用小的太空船前往火星。修改後的計畫,叫做Mars to Stay[1],改成先不送回第一批登陸者,狄恩·尤尼克說明送回一開始的四到六人所花費用比送他們到火星還高,反而可再送二十人。[2]
小行星事件

2007 WD5:2007年11月20日NASA JPL近地天體觀測計畫發現,一顆直徑約50公尺的小行星2007 WD5可能會在2008年1月30日撞擊火星,但隨著觀測資料越多,終把撞擊機率降至0.01%[63],小行星則於1月30日掠過火星。

生命

2000年,美國科學家在南極洲發現了一塊火星隕石。這是一塊碳酸鹽隕石,後被編號為ALH84001。美國國家航空暨太空總署聲稱在這塊隕石上發現了一些類似微體化石的結構,有人認為這可能是火星生命存在的證據,但也有人認為這只是自然生成的礦物晶體。直到2004年,爭論的雙方仍然沒有任何一方佔據上風。

有證據顯示火星曾比今日更適合生命存在,但生命在火星上到底是否真正存在過還沒有確切的結論。某些研究者認為源自火星的ALH84001隕石有過去生命活動的證據,但這一看法至今尚未得到公認。另有反對的觀點認為,自幾十億年前產生以來,該隕石從未長期處於液態水存在的溫度下(因而不會曾有生命活動)。

海盜號曾做實驗檢測火星土壤中可能存在的微生物。實驗只分析了海盜號著陸點處的土壤並給出了陽性的結果,但隨後即被許多科學家所否定,而這一結果也仍就處在爭議之中。現存生物活動也是火星大氣中存在微量甲烷的解釋之一,但亦有其它與生命無關的解釋。

人類若對外星殖民,由於火星的適宜條件(同其他行星相比,火星最像地球),它將是人類的首選地點。
人類拓墾

主條目:火星殖民和火星地球化

文化中的火星

古希臘

印第安

中國

古人認為火星在位置及亮度上都常變不定,故稱為「熒惑」,在星占學上象徵殘、疾、喪、飢、兵等惡象。「熒惑守心」是火星留守在心宿(天蠍座)的天文現象,心宿主要有三顆星,中間這顆最亮,代表皇帝,旁邊的兩顆代表太子、庶子。熒惑守心是很罕見的天象,被認為最不祥,可能出現兩種結果一是皇帝駕崩,或是宰相下台。西漢成帝綏和二年(前7年),天文台觀測到了熒惑守心,宰相翟方進被漢成帝賜了毒酒自殺。翟方進死沒幾天,漢成帝突然暴斃[64],王莽後來稱帝,翟方進之子翟義起兵反王莽。

台灣國立清華大學黃一農教授在他的專書《名家專題精講系列—社會天文學史十講》內的其中一篇文章《中國星占學上最凶的天象──「熒惑守心」》提到,現在以電腦推算發現當年並未發生此天象,中國史籍中記載熒惑守心共二十三次,但有十七次是偽造的。中國歷史上實際發生過的熒惑守心則共有三十八次,且在中國史籍多無記錄[65][66]。
網路用語

主條目:火星文
「火星」一詞在網路用語中用來指人或事物很老舊、不新鮮或過時的意思。[原創研究?]

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參見

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外星人
火星人

神話傳說

阿瑞斯,希臘戰神
瑪爾斯,羅馬戰神
內爾格勒(en:Nergal),巴比倫神祇
提爾,北歐神話中的戰神
火星 (妖怪),中國神話中的妖怪,記載於《搜神記》

注釋與參考文獻

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外部連結
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維基共享資源中相關的多媒體資源:
火星

Mars Fact Sheet NASA的火星行星參數
Mars 1:5 million-scale MOLA Imagery 火星MOLA地形圖
Gazetteer of Planetary Nomenclature: Mars System 火星和衛星地名列表
JPL Photojournal: Mars 收錄NASA的火星探測照片
Mars24 Sunclock 顯示火星現在時刻的NASA軟體
On Mars: Exploration of the Red Planet 1958-1978 NASA History Office上的火星探測史
New Papers about Martian Geomorphology

火星上的水

Dr. Tony Phillips: "Making a Splash on Mars", Science@NASA article, 2000-06-29. Phillips describes the Martian "gullies" and explains the conditions under which liquid water can exist on the surface of Mars.
BBC News story on subsurface ice deposits on Mars
BBC News update on Mars Express findings of polar water ice and water-eroded features on the surface
Mars Rover Scientists Wring Water Story from Rocks This image taken by Mars Rover Opportunity shows microscopic rock forms indicating past signs of water. Courtesy: NASA

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木星
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木星 木星的天文學符號 Jupiter by Cassini-Huygens.jpg
木星的彩色卡西尼合成影像。星球上黑點為木衛二的陰影。
軌道參數[1][2]
曆元 J2000
遠日點 816,520,800公里(5天文單位)
近日點 740,573,600公里(5天文單位)
半長軸 778,547,200公里(5天文單位)
離心率 0.048775
軌道周期 4,331.572 日
11.85920 儒略年
10,475.8木星太陽日[3]
周期 398.88 日[4]
平均速度 13.07 km/s
平近點角 18.818°
軌道傾角 1.305° 黃道夾角
6.09° 太陽赤道夾角
0.32° 不變平面夾角[5]
升交點黃經 100.492°
近日點參數 275.066°
衛星 66
物理特徵
赤道半徑 71,492 ± 4 km[6][7]
11.209 地球赤道半徑
極半徑 66,854 ± 10 km[6][7]
10.517 地球半徑
扁率 0.06487 ± 0.00015
表面積 6.21796×1010 km²[7][8]
121.9地球表面積
體積 1.43128×1015 km³[4][7]
1321.3 地球體積
質量 1.8986×1027 kg[4]
317.8 地球質量
1/1047太陽質量[9]
平均密度 1.326 g/cm³[4][7]
表面重力 24.79 m/s²[4][7]
2.528 g
逃逸速度 59.5 km/s[4][7]
自轉週期 9.925 h[10]
赤道自轉速度 12.6 km/s
45,300 km/h
轉軸傾角 3.13°[4]
北極赤經 268.057°
17 h 52 min 14 s[6]
北極赤緯 64.496°[6]
反照率 0.343 (邦德)
0.52 (幾何)[4]
表面溫度
1 巴標準
0.1巴
最小 平均 最大
165 K[4]
112 K[4]
視星等 -1.6至 -2.94[4]
角直徑 29.8"—50.1"[4]
大氣[4]
大氣標高 27 km
成分
89.8±2.0% 氫(H2)
10.2±2.0% 氦
~0.3% 甲烷
~0.026% 氨
~0.003% 氘化氫(HD)
0.0006% 乙烷
0.0004% 水
冰:


硫化銨(NH4SH)

木星是太陽系從內向外的第五顆行星,亦為太陽系中體積最大、自轉最快的行星[11]。它的質量為太陽的千分之一,但為太陽系中其他行星質量總和的2.5倍。木星與土星、天王星、海王星皆屬氣體行星,因此四者又合稱類木行星。

木星在古代便已為天文學家所知,並出現在許多文化的神話與宗教信仰中。古羅馬人以羅馬神話中的眾神之王朱比特(Jupiter)為它命名[12]。古代中國則稱木星為歲星,取其繞行天球一周為12年,與地支相同之故[13]。從地球觀察時,木星可達視星等−2.94,是平均而言夜空中第三亮的天體,僅次月亮和金星。(火星在其軌道的特定點上時能短暫與木星的亮度相比。)

木星主要由氫組成,其次為氦、佔總質量的四分之一;岩核則由含有其他較重的元素。形狀由於自轉快速而呈現扁球體(赤道附近有略微但明顯可見的凸起)。外大氣層明確依緯度分為多個帶域,各帶域相接的邊際容易出現亂流和風暴。最顯著的例子是大紅斑,最晚在17世紀時人們便以望遠鏡首度發現它的存在。環繞著行星的是鬆弱的行星環系統和強大的磁層。木星至少有63個衛星,其中有4個主要衛星、1610年由伽利略發現,合稱伽利略衛星。衛星中體積最大的木衛三直徑甚至大於水星。

木星至今已有數艘無人太空船前往探勘,包括早期的先鋒計劃與航海家計畫探索任務,以及後期的伽利略號。最近一次則是2007年2月底、目標冥王星的新視野號太空船。新視野號並藉由木星的重力助推做加速。未來有關木星系統的探索計畫仍持續推動著,目標包括木衛二可能存在的覆冰液態海洋。
目錄

1 結構
1.1 成分
1.2 質量
2 物理特徵
2.1 木星的大氣
2.2 木星的光環
2.3 磁場
3 木星的衛星
4 彗木相撞
5 參見
6 註釋與參考資料
7 相關連結

結構

木星是四個之一的氣體行星(又稱類木行星):即不以固體物質為主要組成的行星。它是太陽系中體積最大的行星,赤道直徑為142984公里。木星的密度為1.326 g/cm³,在氣體行星中排行第二,但遠低於其他四個類地行星。
成分

木星的高層大氣是由體積或氣體分子百分率約88–92%的氫和約8–12%的氦所組成(見右方表格)。由於氦原子的質量是氫原子的四倍,探討木星的質量組成時比例會有所改變:大氣層中氫和氦分別佔了總質量的75%及24%,剩餘的1%為其他元素,包括微量的甲烷、水蒸氣、氨以及矽的化合物。另外木星也含有微量的碳、乙烷、硫化氫、氖、氧、磷化氫、硫等物質。大氣最外層有冷凍的氨的晶體[14][15]。木星上也透過紅外線及紫外線測量發現微量苯和烴的存在[16]。

木星大氣層中氫和氦的比例非常接近原始太陽星雲的理論組成。然而,木星大氣中的惰性氣體是太陽的二至三倍。高層大氣中的氖只佔了總質量的百萬分之二十,約為太陽比例的十分之一[17]。氦也幾乎耗盡,但仍有太陽中氦的比例的80%[18]。這個差距可能是由於元素降水至行星內部所造成。

由光譜學分析而言,土星被認為和木星的組成最為相似,但另外的氣體行星、天王星與海王星相較之下所含氫和氦的比例較低[19]。然而,由於沒有太空船實際深入大氣層的分析,除了木星之外的行星至今仍沒有重元素數量的精確數據。
質量

木星是太陽系其他行星質量總和的2.5倍,規模非常巨大,它和太陽的質心位在光球、距太陽中心1.068太陽半徑處。它的直徑是地球的11倍之多,但不比地球密實。木星的體積等同於1321個地球,而質量卻只有318倍[4][20]。木星的半徑是太陽半徑的十分之一[21],質量是0.001倍太陽質量,因此它的密度和太陽相去不遠[22]。科學家常用「木星質量」(MJ或MJup)來形容其他天體的質量,尤其是系外行星和棕矮星。例如,行星HD 209458b為0.69木星質量,行星柯洛7b則是0.015木星質量[23]。
物理特徵

木星是一個巨大的液態行星,最外層是木星的大氣。隨著深度的增加,氫逐漸過渡為液態。在離木星大氣雲頂一萬公里處,液態氫在高壓和高溫下成為液態金屬氫。據推測,木星的中心是一個含矽酸鹽和鐵等物質組成的核區,核區的質量約是地球質量的10倍。核區物質在極高的溫度和極高的壓力之下,物態難以預測,不太可能為固態。核區邊緣與外圍物質沒有明顯的界限,物質組成與密度呈連續性過渡。
木星的大氣

主條目:木星大氣層

哈伯望遠鏡拍攝的木星大、小紅斑

木星的大氣組成中,按分子數量來看,81%是氫氣,18%是氦氣,按質量則分別是75%和24%。只有約1%左右的其他氣體,其中包括甲烷、水蒸氣、氨氣等。這與太陽系的前身-原始太陽星雲的組成相近,但木星中較重元素的比例卻比原始太陽星雲多數倍。同為氣體行星的土星也是類似的組成,但天王星及海王星中的氫和氦就少得多。

由於木星快速的自轉,木星的大氣顯得非常地「焦躁不安」。木星的大氣其實是一個複雜多變的天氣系統,木星雲層的圖案每時每刻都在變化。我們在木星表面可以看到大大小小的風暴,其中最著名的風暴是「大紅斑」。這是一個朝著逆時針方向旋轉的古老風暴,它早在300多年前就被人類發現了,一般認為是17世紀的卡西尼或羅伯特·胡克發現的,也就是說,這個巨大的風暴已經在木星大氣層中存在了幾百年。大紅斑有三個地球那麼大,其外圍的雲系每四到六天即運動一周,風暴中央的雲系運動速度稍慢且方向不定。因而雲帶之間常形成小風暴,並合併成為較大型風暴;2000年,天文學家透過哈伯望遠鏡發現大紅斑以南形成一個 小白斑,至2006年初開始跟大紅斑相同之顏色,目前已有大紅斑的一半大小,在木星自轉中隨大紅斑之後。兩紅斑每兩年擦身而過一次。2006年7月兩紅斑擦身而過;但沒有正面衝突,使得大紅斑「吃掉」小紅斑。有科學家預計未來將有可能發生兩紅斑合并的狀況。

由於木星的大氣運動劇烈,致使木星上也有與地球上類似的高空閃電。
木星的光環

主條目:木星環

光環系統是太陽系巨行星的一個共同特徵,主要由細小的石塊和雪團等物質組成。和絢爛多姿的土星光環相比,木星的光環則顯得黯淡了很多,但也可以分成四圈。木星的光環很難觀測到,人類直到1979年旅行者一號飛臨木星系的時候才發現木星環的存在。

木星環約有6,500公里寬,但厚度不到10公里。由大量塵埃和黑色碎石組成。以7小時一個週期圍繞木星旋轉。
磁場

主條目:木星的磁層

木星極光

木星具有比地球強大得多的磁場,它的磁層向太陽相反方向可延伸達6億5千萬公里,甚至超過土星的軌道。而面向太陽方向也有數百萬公里厚。因此木星的衛星全都位於它的磁層之中,這或許正是造成埃歐表面許多活動的原因。類似地球的范艾倫輻射帶,伽利略號的大氣探測器在木星環與高層大氣之間新發現一個強幅射帶,比范愛倫輻射帶強10倍左右,其中有的高能氦離子。

跟地球一樣,木星的兩極也有極光,這有認為是從木衛一上火山噴發出的物質沿著木星的磁場線進入木星大氣而形成的。
木星的衛星

主條目:木星的衛星

木星是人類迄今為止發現的天然衛星最多的行星,目前已發現66顆衛星,儼然一個小型的太陽系:木星系。1610年1月,義大利天文學家伽利略最早以望遠鏡發現木星最亮的四顆衛星,並被後人稱為伽利略衛星。它們環繞在離木星40~190萬公里的軌道帶上,由內而外依次為木衛一、木衛二、木衛三、木衛四,然而近年中國有天文史學家提出在公元前364年,甘德以肉眼發現木衛三但直至目前還未被公認。在1892年巴納德以望遠鏡肉眼觀測發現木衛五後,木星的其他衛星皆透過照相觀測或行星際探測器的相片發現。

在以後的幾個世紀中(至1950年代),人們又接連發現了12顆較大的衛星,使木星衛星的總數達到了16顆。直至1979年美國旅行者一號及1995年伽利略號等飛臨木星系的時候,又發現了許多更細小的、離木星更遠的天然衛星,使人類所知的木星系衛星總數達到66個,成為太陽系擁有最多天然衛星的行星,這數字還很有可能繼續增加。
彗木相撞
1994年7月22日8:06 12~19 UT在木星軌道的伽利略號所攝W核撞擊照片(圖片由左至右),只發生數秒間之閃光(亮點)

1994年7月16日-22日,蘇梅克-列維9號彗星在被木星巨大的潮汐力撕成21個碎片並繞過近日點後,與木星迎頭相撞,這是人類史上首次直接觀測到的天體相撞。彗木相撞後產生相當於20億顆原子彈爆炸的威力,產生直徑達10公里,溫度達7,000多度的火球,產生的閃光在地球也能拍到,騰起的蘑菇雲極為壯觀,形成的塵埃雲團與地球同樣大小,衍生之黑斑在木星表面存在數月之久,當時用一具物徑80mm(約三吋)以上的小型望遠鏡以100倍以上的倍率放大已能看到這些黑斑。哈伯太空望遠鏡甚至在近一年之後還觀測得到撞擊的殘跡。

良好的木星
木星的不確定因素

參見

太陽系探測器列表
太陽系探索時間線
先驅者10號
航海家號
伽利略號
卡西尼號
新視野號
朱諾號

註釋與參考資料

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^ 軌道根數與木星系統的質心有關,是J2000曆元的瞬時密切值。相較於行星中心,質心數量由於不會有超出例行基準及衛星運動的過度變化因此允許列出。
^ Seligman, Courtney. Rotation Period and Day Length [2009-08-13].
^ 4.00 4.01 4.02 4.03 4.04 4.05 4.06 4.07 4.08 4.09 4.10 4.11 4.12 4.13 Williams, Dr. David R.. Jupiter Fact Sheet. NASA. 2004年11月16日 [2007-08-08].
^ The MeanPlane(Invariable plane)of the Solar System passing through the barycenter. 2009-04-03 [2009-04-10]. (出版於 Solex 10、Aldo Vitagliano著;參見不變平面)
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^ Jean Schneider. The Extrasolar Planets Encyclopedia: Interactive Catalogue. Paris Observatory [2009-10-01].

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土星
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土星 天文學的土星符號 卡西尼在2004年10月6日拍攝的土星。
土星,卡西尼拍攝的土星。
編號
軌道參數[1][2]
曆元 J2000
遠日點 1 513 325 783 公里
10.115 958 04 天文單位
近日點 1 353 572 956 公里
9.048 076 35天文單位
半長軸 1 433 449 370公里
9.582 017 20天文單位
離心率 0.055 723 219
軌道周期 10 832.327 天
29.657 296 儒略年
周期 378.09 天[3]
平均速度 9.69 公里/秒[3]
平近點角 320.346 750°
軌道傾角 2.485 240°
5.51° 對土星赤道
升交點黃經 113.642 811°
近日點參數 336.013 862°
衛星 ~200顆已觀測過(62顆的軌道已確認)
物理特徵
赤道半徑 60 268 ± 4 公里[4][5]
9.4492 地球
極半徑 54 364 ± 10 公里[4][5]
8.5521地球半徑
扁率 0.097 96 ± 0.000 18
表面積 4.27×1010公里²[5][6]
83.703 地球
體積 8.2713×1014公里³[3][5]
763.59地球
質量 5.6846×1026 公斤[3]
95.152地球
平均密度 0.687 公克/公分³[3][5]
(比水低)
表面重力 8.96 米/秒²[3][5]
0.914 g
逃逸速度 35.5 公里/秒[3][5]
自轉週期 0.439 – 0.449 天[7]
(10小時32-47分鐘)
赤道自轉速度 9.87 公里/秒[5]
35 500 公里/小時
轉軸傾角 26.73°[3]
北極赤經 2 h 42 min 21 s
40.589°[4]
北極赤緯 83.537°[4]
反照率 0.342 (綜合的)
0.47 (幾何的)[3]
表面溫度
1 帕水平
0.1帕
最小 平均 最大
134 K[3]
84 K[3]
視星等 +1.2 to -0.24[8]
角直徑 14.5" — 20.1"[3]
(排除環)
大氣[3]
大氣標高 59.5 公里
成分

~96%氫 (H2)

~3% 氦

~0.4%甲烷

~0.01%氨

~0.01%重氫(HD)

0.000 7%乙烷

冰:




硫化氫氨(NH4SH)

土星,為太陽系八大行星之一,至太陽距離(由近到遠)位於第六、體積則僅次於木星。並與木星、天王星及海王星同屬氣體(類木)巨星。古代中國亦稱之鎮星或填星。

土星是中國古代人根據五行學說結合肉眼觀測到的土星的顏色(黃色)來命名的(按照五行學說即木青、金白、火赤、水黑、土黃)[9]。而其他語言中土星的名稱基本上來自希臘/羅馬神話傳說,例如在歐美各主要語言(英語、法語、西班牙語、俄語、葡萄牙語、德語、義大利語等)中土星的名稱來自於羅馬神話中的農業之神薩圖爾努斯(拉丁文:Saturnus),其他的還有希臘神話中的克洛諾斯(泰坦族,宙斯的父親,一說其在羅馬神話中即薩圖爾努斯)、巴比倫神話中的尼努爾塔和印度神話中的沙尼。土星的天文學符號是代表農神薩圖爾努斯的鐮刀(Unicode: ♄)。

土星主要由氫組成,還有少量的氦與微痕元素[10],內部的核心包括岩石和冰,外圍由數層金屬氫和氣體包覆著。最外層的大氣層在外觀上通常情況下都是平淡的,雖然有時會有長時間存在的特徵出現。土星的風速高達1,800公里/時,明顯的比木星上的風快速。土星的行星磁場強度介於地球和更強的木星之間。

土星有一個顯著的環系統,主要的成分是冰的微粒和較少數的岩石殘骸以及塵土。已經確認的土星的衛星有62顆。其中,土衛六是土星系統中最大和太陽系中第二大的衛星(半徑2575KM)(太陽系最大的衛星是木星的木衛三,半徑2634KM),比行星中的水星還要大;並且土衛六是唯一擁有明顯大氣層的衛星[11]。
目錄

1 物理特性
1.1 內部構造
1.2 大氣層
1.3 雲層
1.4 磁層
2 軌道和自轉
3 土星環
3.1 歷史
3.2 物理特性
3.3 光環的黑暗一面
3.4 環上的輪輻
4 衛星
5 土星的探索
5.1 古代觀測
5.2 先鋒11號飛越
5.3 航海家的飛越
5.4 卡西尼太空船的環繞
6 最佳的觀測時機
7 參見
8 參考資料
9 外部鏈結

物理特性
土星和地球大小的概略比較。

由於其低密度、高速自轉和流體的可變性,土星的外形呈現為一個橢球體,也就是極軸相對扁平而赤道相對突出,它的赤道直徑和兩極直徑之比相差大約10%(前者120,536公里,後者108,728公里)[3]。其它氣體行星雖然也是橢球體,但突出程度都較小。雖然土星核心的密度遠高於水,但由於存在較厚的大氣層,土星仍是太陽系中唯一密度低於水的行星,它的比重是0.69 公克/公分³。土星的質量是地球的95倍[3],相較之下木星質量是地球的318倍[12],但直徑只比土星大約20%[13]。
內部構造

雖然只有少量的直接資料,但土星的內部結構仍被認為與木星相似,即有一個被氫和氦包圍著的小核心。岩石核心的構成與地球相似但密度更高。在核心之上,有更厚的液體金屬氫層,然後是數層的液體氫和氦層,在最外層是厚達1,000 公里的大氣層[14],也存在著各種型態冰的蹤跡。估計核心區域的質量大約是地球質量的9–22倍[15]。土星有非常熱的內部,核心的溫度高達11 700 °C,並且輻射至太空中的能量是它接受來自太陽的能量的2.5倍。大部分能量是由緩慢的重力壓縮(克赫歷程)產生,但這還不能充分解釋土星的熱能製造過程。額外的熱能可能由另一種機制產生:在土星內部深處,液態氦的液滴如雨般穿過較輕的氫,在此過程中不斷地通過摩擦而產生熱[16]。
大氣層

土星外圍的大氣層包括96.3%的氫和3.25%的氦,可以偵測到的氣體還有氨、乙炔、乙烷、磷化氫和甲烷[17]。上層的雲由氨的冰晶組成,較低層的雲則由硫化氫氨(NH4SH)或水組成[18]。相對於太陽所含有的豐富的氦,土星大氣層中氦的豐盈度明顯低得多。

對於比氦重的元素的含量,目前所知不甚精確;但如果假設與太陽系形成時的原始豐盈度是相當的,則可估算出這些元素的總質量是地球質量的19–31倍,而且大部分都存在於土星的核心區域[19]。
雲層
土星的溫度輻射圖:土星南極底部是一個明顯的熱點。

土星的上層大氣與木星相似(在相同定義的前提下),同樣都有著一些條紋;但土星的條紋比較暗淡,並且赤道附近的條紋也比較寬。從底部延展至大約10公里高處,是由水冰構成的層次,溫度大約是-23 °C。在這之後是硫化氫氨冰的層次,延伸出另外的50公里,溫度大約在-93 °C,在這之上是80公里的氨冰雲,溫度大約是-153 °C。接近頂部,在雲層之上200 公里至270 是可以看見的雲層頂端,由數層氫和氦構成的大氣層[20]。 土星的風速是太陽系中最高的,航海家計劃的數據顯示土星的東風最高可達500 m/s(1,800 公里/時)[10]。直到航海家探測器飛越土星,比較纖細的條紋才被觀測到。然而從那之後,地基望遠鏡也被改善到在通常情況下都能夠觀察到土星的這些細紋。

土星的大氣層通常都很平靜,偶爾會出現一些持續較長時間的長圓形特徵,以及其他在木星上常常出現的特徵。1990年,哈柏太空望遠鏡在土星的赤道附近觀察到一朵極大的白雲,是在航海家與土星遭遇時未曾看見的,在1994年又觀察到另一朵較小的白雲風暴。1990年的白雲是大白斑的一個例子,這是在每一個土星年(大約30個地球年),當土星北半球夏至的時候所發生的獨特但短期的現象[21]。之前的大白斑分別出現在1876、1903、1933和1960年,並且以1933年的最為著名。如果這個週期能夠持續,下一場大風暴將在大約2020年發生[22]。
卡西尼號看見的土星,通過環看見的土星呈現藍色。

來自卡西尼號太空船的最新圖像顯示,土星的北半球呈現與天王星相似的明亮藍色(見下圖)。這種藍色非常可能是由瑞利散射造成的,但因為當時土星環遮蔽住了北半球,因此從地球上無法看見這種藍色。
航海家1號發現北極區的六角形雲彩特徵,並在2006年被卡西尼號太空船証實[23]。

天文學家通過分析紅外線影像發現土星有一個「溫暖」的極地漩渦,這種特徵在太陽系內是獨一無二的。天文學家認為這個點是土星上溫度最高的點,土星上其他各處的溫度是-185 °C,而該漩渦處的溫度則高達-122 °C[24]。

在航海家1號的影像中最先被注意到的是一個長期出現在78°N附近,圍繞著北極的六邊形漩渦[25][26]。不同於北極,哈伯太空望遠鏡所拍攝到的南極區影像有明顯的「噴射氣流」,但沒有強烈的極區漩渦,也沒有「六邊形的駐波」[27]。但是,NASA報告卡西尼號在2006年11月觀測到一個位於南極像颶風的風暴,有著清晰的眼壁[28]。這是很值得注意的觀測報告,因為在過去除了地球之外,沒有在任何的行星上觀測到眼壁雲(包括伽利略號太空船在木星的大紅斑上都未能發現眼壁雲)[29]。

在北極的六邊形中每一邊的直線長度大約是13 800 公里,整個結構以10h 39 m 24s自轉,與行星的無線電波幅射週期一樣,這也被認為是土星內部的自轉週期。這個六邊形結構像大氣層中可見的其他雲彩一樣,在經度上沒有移動。

這個現象的規律性的起源仍在猜測之中,多數的天文學家認為是在大氣層中某種形式的駐波,但是六邊形也許是一種新型態的極光。在實驗室的流體轉動桶內已經模擬出了多邊型結構[30]。
磁層

主條目:土星磁層

土星有一個簡單的具有對稱形狀的內在磁場——一個磁偶極子。磁場在赤道的強度為0.2 高斯(20 µT),大約是木星磁場的20分之一,比地球的磁場微弱一點[31];由於強度遠比木星的微弱,因此土星的磁層僅延伸至土衛六軌道之外[32]。磁層產生的原因很有可能與木星相似——由金屬氫層(被稱為「金屬氫發電機」)中的電流引起[32]。與其他的行星一樣,土星磁層會受到來自太陽的太陽風內的帶電微粒影響而產生偏轉。衛星土衛六的軌道位於土星磁層的外圍,並且土衛六的大氣層外層中的帶電粒子提供了電漿體[31]。
軌道和自轉
六邊型雲彩特徵的動畫。

土星和太陽的平均距離超過了1 400 000 000 公里(9天文單位),軌道上運行的平均速度是9.69 公里/秒[3],所以土星上的一年(即土星繞太陽公轉一周)相當於10 759個地球日(或是28.5地球年)[3]。土星的橢圓軌道相對於地球軌道平面的傾角為2.48°[3],因為離心率為0.056,因此土星與太陽在近日點和遠日點(行星在軌道路徑上與太陽最近和最遠的兩個點)之間的距離變化大約為155 000 000 公里[3]。

土星可見的特徵(如六邊型雲彩)的自轉速率根據所在緯度的不同而有所不同,各個的區域的自轉周期如下:「系統 I」的週期是10 h 14 min 00 s(844.3°/d),包含的是赤道區域,從南赤道帶的北緣延伸至北赤道帶的南緣;其他的緯度都屬於週期為10 h 39 min 24 s (810.76°/d)的「系統 II」;基於航海家飛越土星時發現的無線電波,「系統 III」的週期為10 h 39 min 22.4 s(810.8°/d);因為與系統 II非常接近,它可以很大程度上替代系統 II。

然而,精確的內部周期仍然未能確定。卡西尼太空船在2004年接近土星時,發現無線電的週期又有可察覺的增加,達到10 h 45 m 45 s(± 36 s)[33]。造成變化的原因仍不清楚,但這種變化被認為是由於無線電的來源在土星內部不同的緯度上運動而改變了自轉週期,而不是出自土星本身自轉週期上的變化。

而後,在2007年,無線電發射被發現沒有跟隨著行星一起旋轉,而可能是由電漿體圓盤的對流造成的,它也與除了行星的自轉之外的其他因素有關。有報導指出,這種測量到的自轉週期的變化也許是由土星衛星土衛二上的噴泉活動造成的。由這種活動而散佈進入土星軌道的水蒸氣被電離,從而影響了土星的磁場,使得磁場的旋轉速度相對於土星的自轉被稍稍降低。目前還沒有方法可以直接測定土星核心的自轉速率[34][35][36]

在2007年9月的報告中,根據各種測量結果(包括卡西尼、航海家和先鋒號的報告)綜合而得的對土星自轉的最後估計值是10小時32分35秒[37]。
土星環
土星環是太陽系中最引人注目的景象(這張影像是卡西尼太空船在2007年拍攝的)[14]。

主條目:土星環

土星最為人知的莫過於它的行星環系統了,土星環被認為是太陽系內所觀察到的令人印象最深刻的景觀[14]。
歷史

土星因為它美麗的行星環而出名,它也是最早被發現具有光環的行星。土星環首先被伽利略在1610年7月用他自製的望遠鏡觀察到了,但因為望遠鏡成象不好,他並沒有意識到這是一個環。他在寫給托斯卡納大公的信上說到:「土星不是單一的個體,它由三個部份組成,這些部分幾乎都互相接觸著,並且彼此間沒有相對的運動,它們的連線是與黃道平行的,並且中央部份(土星本體)大約是兩側(環的邊緣)的三倍大」。他也把土星描述成是有「耳朵」的。在1612年,土星環以側面朝向地球,因此看起來似乎是消失不見了,伽利略因此而感到困惑不解,「是土星吞掉了它的孩子?」(指的是希臘神話中,農神為了防止他們的子孫造反奪權,會吃掉自己的孩子)[38]。然後,在1613年他又再次看見了環,這使伽利略更加困惑[39]。

在1655年,克里斯蒂安·惠更斯觀測到完整的土星環,他使用了一個比在伽利略時代能得到強大得多的望遠鏡。惠更斯觀測土星並寫道:「它(土星)被一個薄且平坦的環環繞著,環與土星沒有接觸,並且相對黃道傾斜。」[39]

在1675年,喬凡尼·卡西尼確定土星環由許多較小的環組成,中間並且有縫存在著,其中最明顯的環縫在不久之後被命名為卡西尼縫。卡西尼縫存在於A環和B環之間,寬度有4800 公里[40]。

在1859年,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋提出土星環不可能是固體的,否則將會因為不穩定而碎裂。他認為環是由為數眾多的小顆粒組成的,每個顆粒都獨立地環繞著土星運行[41]。透過光譜學的研究,立克天文台的詹姆斯·基勒在1895年證實了麥克斯韋的理論。
物理特性
土星環橫跨過衛星土衛六的一個奇異的景象,一個明亮的月牙形和內部的球狀陰影,右下方為小衛星土衛二造成的陰影,在土衛二的南極可以看見昏暗的冰火山。圖片是卡西尼太空船在2006年拍攝的,北方朝上。

使用簡單的現代望遠鏡或是品質精良的雙筒望遠鏡就可以看見土星環。它在赤道上從距離土星6 630 公里延伸至120 700 公里處,但平均的厚度大約只有20米,主要的成分93%是水冰和少量參雜在其中的複雜有機懸浮物tholin,其餘7%是無定型的碳 [42],它們的大小從塵土的斑點到一輛小汽車的大小都有[43]。關於土星環的起源有兩種主要的理論。一種理論是在19世紀提出的起源於洛希極限,認為環原本是土星的一顆衛星,因為軌道的衰減而落入洛希極限的範圍內,因本身不夠緊密而被潮汐力扯碎(參見洛希極限),這種理論又演變出衛星被小行星或彗星撞擊而瓦解的學說。第二種理論認為它並非來自衛星,而是從形成土星的原星雲中直接形成的。

在環中最大的空隙是卡西尼縫和恩克環縫,土星的恩克環縫是在1837年5月28日由恩克於柏林發現的,從地球上就可以看見。兩艘航海家太空船都發現環實際上是由數以萬計稀薄的小環和空隙構成的複雜結構體。這些結構的產生被認為有好幾種不同的成因,許多是由於土星衛星引力的拉扯造成的。其中一些明顯的是由土星的微型衛星如土衛十八經過時形成,而其他更多的成因還有待發現;並且有一些小環似乎是由牧羊犬衛星在維護的,像是土衛十六和土衛十七。其他的縫隙可能是與質量較大的衛星軌道週期產生共振造成的,土衛一維繫著卡西尼縫的存在,還有更多的環狀結構因為受到其他衛星週期性的擾動而產生螺旋狀的波浪。

來自卡西尼太空船的資料顯示土星環有自己的大氣層,與行星本身無關而獨立存在。大氣中有氧分子(O2),這是來自太陽的紫外線作用與環中的冰而產生的。水分子之間的鏈結受到紫外線的刺激產生化學作用釋放出並拋出了氣體,尤其是O2。根據這一模型,大氣層中也存在氫氣(H2)。這種O2和H2組成的大氣層是如此稀薄的,以至於如果均勻分散在環的各處,它的厚度只有一個原子[44]。 環中也有稀薄的OH(氧化氫)氣體,如同O2一樣,這些氣體也是水分子的崩解導致的,但這一分解是由高能量離子轟擊土衛二拋射出來的水分子所造成的。這些大氣層儘管是非常的稀薄,依然還是可以被在地球上空的哈柏太空望遠鏡檢測出來[45]。

土星在它的亮度上呈現複雜的樣式[8]。光度的變化大多可以歸咎於環的變化[46][47],並且在每個軌道週期有兩個循環的變化。由於行星軌道的離心率,使得疊加在北半球衝的時候比在南半球衝時更為明亮[48]。

在1980年,航海家1號飛越土星時顯示F-環是由三條細環像編辮子一樣的糾結在一起,而呈現出複雜的結構;現在知道是在外面的二個環有突起的瘤,造成交織和糾結成團的假象,比較暗的第三個環則在它們的內側。
土星環
光環的黑暗一面

土星光環是連貫成一整個環的,但人為上或會把其分為朝著太陽與背著太陽的一面。而環的背向太陽的一小部分,因為被土星遮擋,只能由太空船如美國國家航空暨太空總署卡西尼—惠更斯號拍攝並傳送回來;比較一下來自2004年3月卡西尼號的與來自先驅者11號的圖象:
SAT 79HC432.jpg Saturn from Cassini Orbiter (2004-10-06).jpg
先驅者11號: 1979年9月1日
光環背側
一個從光環背側看來最粗的部分 卡西尼—惠更斯號: 2004年3月27日
光環前側
注意看土星在光環上留下的陰影和光環在土星上留下的陰影
環上的輪輻
B環上的輪輻,這幅影像是航海家2號在1981年拍攝的。

在1980年以前,對土星環的結構和行為完全都以萬有引力的作用來解釋。航海家太空船在B環上發現被稱為「輪輻」的輻射線狀特徵,這些無法用同樣的方法來解釋,因為它們的存在和繞著環的轉動,是與軌道力學不一致的[49]。這些輪輻在背景散射光下呈現黑暗,而在前景散射光下顯得明亮。它們被假設是懸浮在圓環平面上的微塵,受到電磁的交互作用而聯繫在一起,因此它們的轉動是與土星的磁氣層同步。但是,造成輪輻的確實機制仍然不清楚[50]。

在25年之後,輪輻再度被卡西尼號觀測到。它們看起來有季節性的變化,在土星的仲冬或盛夏時消失不見,當土星接近分點時又再度出現。在2004年初,當卡西尼太空船抵達土星時這些輪輻都未出現。基於目前對於輻條的成因的模型,一些科學家推測這些輪輻要到2007年後才會出現。然而,通過對卡西尼拍攝的環影像的持續尋找,發現輪輻在2005年9月5日重新出現[51]。
衛星

主條目:土星的衛星

土星的四顆衛星:土衛四, 土衛六、土衛十六(在環的邊緣)土衛十三(中央上方)

土星有為數眾多的衛星。精確的數量尚不能確定,所有在環上的大冰塊理論上來說都是衛星,而且要區分出是環上的大顆粒還是小衛星是很困難的。到2009年,已經確認的衛星有62顆[52],其中52顆已經有了正式的名稱;還有3顆可能是環上塵埃的聚集體而未能確認。許多衛星都非常的小:34顆的直徑小於10 公里,另外13顆的直徑小於50 公里[53],祇有7顆有足夠的質量能夠以自身的重力達到流體靜力平衡,它們與地球的衛星——月球的比較表見下方。

土衛六,土星最大的衛星,是太陽系中唯一有濃厚大氣層的衛星,而土星絕大多數的衛星都不大。除了太陽、太陽系的八大行星和木星的衛星木衛三之外,土衛六是太陽系內最重的天體[11]。土衛六的質量佔了環繞土星天體(包括土星環和其他質量在土衛六的百分之一到百萬分之一的小天體)的總質量的90%[54]。

土星第二大的衛星土衛五可能有自己的環系統[55]。

傳統上,土星的衛星的英文名稱都以希臘神話中的巨人來命名,這種慣例源自約翰·赫歇爾(威廉·赫歇爾的兒子),土衛一(「Mimas」)和土衛二(「Enceladus」)的發現者,他在自1847年出版的《在好望角的天文觀測成果》中提出了這種命名法[56],理由是Mimas和Enceladus是克洛諾斯(希臘神話中的Saturn)的兄弟姐妹。


土星的主要衛星與地球的衛星月球比較
名稱 英文名稱

(發音提示)
直徑
(公里) 質量
(公斤) 軌道半徑(公里) 軌道週期(天)
土衛一 Mimas ˈmaɪməs 400
(月球的10% ) 0.4×1020
(月球的0.05% ) 185 000
(月球的50% ) 0.9
(月球的3% )
土衛二 Enceladus ɛnˈsɛlədəs 500
(月球的15% ) 1.1×1020
(月球的0.2% ) 238 000
(月球的60% ) 1.4
(月球的5% )
土衛三 Tethys ˈtiːθɨs 1060
(月球的30% ) 6.2×1020
(月球的0.8% ) 295 000
(月球的80% ) 1.9
(月球的7% )
土衛四 Dione daɪˈoʊni 1120
(月球的30% ) 11×1020
(月球的1.5% ) 377 000
(月球的100% ) 2.7
(月球的10% )
土衛五 Rhea ˈriːə 1530
(月球的45% ) 23×1020
(月球的3% ) 527 000
(月球的140% ) 4.5
(月球的20% )
土衛六 Titan ˈtaɪtən 5150
(月球的150% ) 1350×1020
(月球的180% ) 1 222 000
(月球的320% ) 16
(月球的60% )
土衛八 Iapetus aɪˈæpɨtəs 1440
(月球的40% ) 20×1020
(月球的3% ) 3 560 000
(月球的930% ) 79
(月球的290% )

每一顆衛星發現的時間請參考衛星發目前間列表。

土星的探索
古代觀測

參見:行星#語源學

在史前時代就已經知道土星的存在[57],在古代,它是除了地球之外已知的五顆行星中最遠的一顆,並且有與其特性相符的各式各樣的神話。在古羅馬神話中它是農神,從這顆行星所採用的名字,它是農業和收穫的神祇[58]。羅馬人認為他與希臘神克洛諾斯 [58],希臘人認為最外層的行星是神聖的克洛諾斯[59],而羅馬人也承襲這個傳統。

在印度占星學,有9個占星用的天體,像是著名的納瓦格拉哈歷(Navagraha,梵文: नवग्रह),土星是其中之一,稱為「Sani」或「Shani」, 法官在眾行星之中,由大家共同評判各自的行為是好或是壞[58]。古代的中國和日本文化依據中國的五行之說選定這顆行星是土星,是在傳統上用於自然分類的元素之一。在古希伯來語,土星稱為「Shabbathai」,它的天使是卡西爾(Cassiel),意思是智慧之神或有益於身心的;是Agiel(精靈),它更為黑暗的一面就是惡魔(lzaz)。在奧圖曼土耳其使用的烏爾都語和馬來語,它的名稱是「Zuhal」,是從阿拉伯文 زحل轉化過來的。

使用口徑1.5公分的望遠鏡就能看見土星環[60],但直到1610年伽利略用望遠鏡看了才知道它的存在[61]。他雖然起初認為是在土星兩側的衛星,直到克里斯蒂安·惠更斯使用倍數更高的望遠鏡才看清楚並認為是環。惠更斯也發現了土星的衛星土衛六。不久之後,卡西尼發現了另外4顆衛星:土衛八、土衛五、土衛三和土衛四。在1675年,卡西尼也發現了著名的卡西尼縫[62]。

之後一段時間都沒有進一步的有意義發現,直到1789年威廉·赫歇爾才再發現兩顆衛星:土衛一和土衛二。形狀不規則的土衛七和土衛六有著共振,是在1848年被英國發現的。

在1899年,威廉·亨利·皮克林發現土衛九,一顆極度不規則衛星,它沒有如同更大衛星般的同步轉動。菲比是第一顆被發現的這種衛星,它以周期超過一年的逆行軌道繞著土星公轉。在20世紀初期,對土衛六的研究在1944年確認他有濃厚的大氣層 - 這是在太陽系的衛星中很獨特的特徵。
先鋒11號飛越

1979年的9月,先鋒11號成為拜訪土星的第一個人造天體,它從距離行星雲層頂端20 000 公里處飛越,獲得了低解析度的行星和一些衛星的影像,但影像的解析力上不足以分辨表面的特徵。這艘太空船也觀察了環,發現了稀薄的F-環,並且在朝向太陽的方向觀察時原本空白且黑暗的環縫是明亮的,或者換句話說,環縫不是空無一物的。先鋒11號也測量了土衛六的溫度[63]。
航海家的飛越

在1980年11月,航海家1號太空船拜訪了土星系統,送回了第一批行星、環和衛星的高解析度影像,這是第一次人們可以看清土星表面的變化和圍繞著它的各式各樣的衛星。航海家1號執行了近掠土衛六的任務,使人們對這顆衛星大氣層的認識增進了許多。但同時,它也證實了可見光是難以穿透土衛六大氣層的,因此還是未能觀察到土衛六表面的詳情。這次的近掠也改變了太空船的航向,使它的飛行軌道偏離了太陽系的平面[64]。

差不多在一年之後的1981年8月,航海家2號繼續對土星系統進行研究,拍攝了更多土星衛星的近距離照片,並且也發現了土星環和大氣發生變化的證據。不幸的是,在飛越期間,太空船的轉動平台故障了兩三天,使得一些計畫中的影像無法拍攝。完成對土星的觀測之後,太空船利用土星的重力拋射朝向天王星飛去[64]。

這艘太空船發現並確認了一些新的衛星在接近環或環的內部環繞著土星,也發現了一些新的小環縫:馬克士威縫(在C環內的縫)和Keeler環縫(在A環內一個寬42 公里的環縫)。
卡西尼太空船的環繞
從卡西尼號觀察到的土星日食。

在2004年7月1日,卡西尼-惠更斯號太空船完成SOI(土星軌道切入)的操縱進入了在土星附近環繞的軌道。在SOI之前,它已經廣泛的研究過這個系統。在2004年6月,它首度近距離的飛越土衛九,並送回了高解析度的影像和數據資料。

卡西尼號飛越土星最大的衛星,土衛六,並且用雷達影像獲得了大湖、海岸線以及許多海島和山的影像。在2004年12月25日釋放登陸艇惠更斯號之前,兩度飛越土衛六。惠更斯號在2005年1月14日登陸土衛六的表面,在大氣層中下降的途中和著陸以後送回了大量的數據。在2005年當中,卡西尼號多次飛越土衛六和其它的冰衛星。卡西尼號最後一次飛越土衛六是在2008年3月23日。

從2005年初,科學家追蹤由卡西尼號發現的土星上的閃電。這些閃電釋放出的能量比地球上的閃電強了1,000倍。此外,科學家也相信這場風暴是曾經見過的最強烈的一種[65]。

在2006年3月10日,NASA宣佈經由卡西尼號的影像發現,在土衛二上的間歇泉噴發出的物質中含有液態水的證據,影像也顯示在冰冷的噴泉中有高聳的羽狀物散發出的液體顯示出有水的顆粒。依據加州理工學院安德魯英格索爾博士的解釋:"太陽系其他的衛星有被數公里厚的冰凍外殼覆蓋著的液態水海洋,這與此處在地表之下數米,不超過10米的口袋中有液態水,不知會有什麼不同[66]。"

在2006年9月20日,卡西尼號的影像揭露了一個之前未曾發現過的行星環,在較明亮的主要土星環帶之外和G與E環之內。明顯的,這個環的來源是土星的兩顆衛星像隕石一樣碰撞的結果[67]。

在2006年7月,卡西尼號首度證明在土衛六的北極附近有碳氫化合物的湖,並在2007年1月獲得證實。在2007年3月,另外的影像發現在土衛六的北極附近有碳氫化合物的"海洋",最大的一個幾乎有裏海那麼大[68]。

在2006年10月,太空船在土星的南極偵測到一個直徑5,000 公里並有眼牆的颶風[69]。

在2006年當中,太空船發現並證實了四顆新的衛星。它最初的任務在2008年完成第74圈的環繞之後即將結束。然而,美國國家航空暨太空總署在2008年4月15日已經宣布此一任務將再延長兩年[70]。
最佳的觀測時機
土星衝日模擬影象:2001年-2029年

土星是肉眼可見的五顆行星中距離最遠的一顆,其他四顆是水星、金星、火星和木星(天王星和灶神星在黑暗的環境下也能用肉眼看見),並且直到1781年發現天王星之前,是早期的天文學家所知道的最後一顆行星。以肉眼在夜晚看見的土星是一顆明亮的,發出淡黃色光芒的光點,光度通常在+1至0等之間,以29½年的週期在黃道上以黃道帶的眾星作為背景,繞行天球一週。多數人藉助於光學儀器(大的雙筒鏡或望遠鏡)的協助,以20倍以上的倍數,就能清楚的看見土星環[14]。

土星是外行星,在合日(視覺上接近太陽)前後兩個月以外,其他時間也適合觀測。而跟外行星的性質一樣,當衝日時是觀測土星最好時候,因為土星衝日時,土星最亮(約0等)之餘,視直徑(角直徑)也最大,而且衝日前後,整夜可見。

在它出現在天空中可以觀賞的大部分時間,都是值得鼓勵大家觀賞的目標。在接近衝(行星的位置在離日度180°之處,也就是在天空中與太陽相對的方向上)的前後時段是觀賞土星和土星環的最佳時段。土星在2002年12月17日衝的時候,因為土星環以最有利的角度朝向地球,因此有最大的亮度[47]。
土星衝預報時間 2002-2006年 衝的日期 與地球的距離(AU) 土星角直徑(不計環)
2002年12月17日 8.05 20.7"
2003年12月31日 8.05 20.7"
2005年1月13日 8.08 20.6"
2006年1月28日 8.08 20.4"
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參見

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參考資料

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外部鏈結
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Introduction to Saturn by NASA s Solar System Exploration
Saturn Fact Sheet, by NASA
Cassini-Huygens mission to Saturn, by NASA
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General information about Saturn
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天王星
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本文介紹的是太陽系的一顆行星。關於同名樂隊,詳見「天王星 (樂團)」。
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天王星 天王星的天文學符號 天王星圖像
天王星圖像
發現
發現者 威廉·赫歇耳
發現日期 1781年3月13日
編號
軌道參數[1][2]
曆元 J2000
遠日點 3,004,419,704 km
20.08330526 AU
近日點 2,748,938,461 km
18.37551863 AU
半長軸 2,876,679,082 km
19.22941195 AU
離心率 0.044405586
軌道周期 30,799.095 日
84.323326 年
周期 369.66 日[3]
平均速度 6.81 km/s[3]
平近點角 142.955717°
軌道傾角 0.772556°
6.48° 對太陽的赤道
升交點黃經 73.989821°
近日點參數 96.541318°
衛星 27
物理特徵
赤道半徑 25,559 ± 4 km
4.007 地球[4][5]
極半徑 24,973 ± 20 km
3.929地球[4][5]
表面積 8.1156×109 km²[5][6]
15.91 個地球表面積
體積 6.833×1013 km³[3][5]
63.086 個地球體積
質量 8.6810 ± 13×1025 公斤
GM=5,793,939 ± 13 公里³/秒²
14.536 個地球[7]
平均密度 1.290 g/cm³[5][7]
表面重力 8.69 m/s²[3][5]
0.886 g
逃逸速度 21.3 km/s[3][5]
自轉週期 −0.71833 地球日
17 時 14 分 24 秒[4]
赤道自轉速度 2.59 km/s
9,320 km/h
轉軸傾角 97.77°[4]
北極赤經 17 h 9 min 15 s
257.311°[4]
北極赤緯 −15.175°[4]
反照率 0.300 (bond)
0.51 (geom.)[3]
表面溫度
1 帕 level
0.1 bar
(對流層頂)
最小 平均 最大
76 K[9]
49 K[10] 53 K[10] 57 K[10]
視星等 5.9[8] to 5.32 [3]
角直徑 3.3"—4.1" [3]
大氣[10][11][12][13]
大氣標高 27.7 公里[3]
成分 (Below 1.3 bar)

83±3%
氫分子 (H2)

15±3%


2.3%
甲烷

0.009%
(0.007-0.015%)
重氫化合物 (HD)[14]

冰:



硫氫化銨 (NH4SH)
甲烷 (CH4)

天王星是從太陽系由內向外的第七顆行星,其體積在太陽系中排名第三(比海王星大),質量排名第四(比海王星輕)。它的英文名稱Uranus來自古希臘神話中的天空之神烏拉諾斯(Οὐρανός),是克洛諾斯的父親,宙斯的祖父。與在古代就為人們所知的五顆行星(水星、金星、火星、木星、土星)相比,天王星的亮度也是肉眼可見的,但由於較為黯淡以及緩慢的繞行速度而未被古代的觀測者認定為一顆行星。[15] 直到1781年3月13日,威廉·赫歇耳爵士宣布他發現了天王星,從而在太陽系的現代史上首度擴展了已知的界限。這也是第一顆使用望遠鏡發現的行星。

天王星和海王星的內部和大氣構成不同於更巨大的氣體巨星,木星和土星。同樣的,天文學家設立了不同的冰巨星分類來安置她們。天王星大氣的主要成分是氫和氦,還包含較高比例的由水、氨、甲烷等結成的「冰」,與可以探測到的碳氫化合物。天王星是太陽系內大氣層最冷的行星,最低溫度只有49K(−224℃)。其外部的大氣層具有複雜的雲層結構,水在最低的雲層內,而甲烷組成最高處的雲層。[10] 相比較而言,天王星的內部則是由冰和岩石所構成。[9]

如同其他的巨行星,天王星也有環系統、磁層和許多衛星。天王星的環系統在行星中非常獨特,因為它的自轉軸斜向一邊,幾乎就躺在公轉太陽的軌道平面上,因而南極和北極也躺在其他行星的赤道位置上。[16] 從地球看,天王星的環像是環繞著標靶的圓環,它的衛星則像環繞著鐘的指針 (雖然在2007年與2008年該環看來近乎水平)。在1986年,來自太空探測器航海家2號的影像資料顯示天王星實際上是一顆平平無奇的行星,在其可見光的影像中沒有出現像在其他巨行星所擁有的雲彩或風暴。[16] 然而,近年內,隨著天王星接近晝夜平分點,地球上的觀測者發現天王星有季節變化的跡象和漸增的天氣活動。天王星上的風速可以達到每秒250公尺。[17]

在西方文化中,天王星是太陽系中唯一行星以希臘神祇命名的,其他行星都依照羅馬神祇命名。
目錄

1 發現
1.1 命名
2 軌道和自轉
2.1 轉軸傾斜
2.2 可見性
3 物理性質
3.1 內部結構
3.1.1 內熱
3.2 大氣層
3.2.1 成份(組織)
3.2.2 對流層
3.2.3 上層大氣層
3.3 行星環
3.4 磁場
4 氣候
4.1 帶狀結構、風和雲
4.2 季節變化
5 形成
6 衛星
7 探測
8 參見
9 參考資料
10 外部鏈結

發現

天王星在被發現是行星之前,已經被觀測了很多次,但都把它當作恆星看待。最早的紀錄可以追溯至1690年,約翰·弗蘭斯蒂德在星表中將他編為金牛座34,並且至少觀測了6次。法國天文學家皮埃爾·勒莫尼耶(Pierre Lemonnier)在1750至1769年也至少觀測了12次,[18] 包括一次連續四夜的觀測。

威廉·赫歇爾在1781年3月13日於他位於索美塞特巴恩鎮新國王街19號自宅的庭院中觀察到這顆行星(現在是赫協爾天文博物館),[19] 但在1781年4月26日最早的報告中他稱之為彗星。.[20] 赫歇爾用他自己設計的望遠鏡「對這顆恆星做了一系列視差的觀察」[21]。

他在他的學報上的紀錄著:「在與金牛座ζ成90°的位置……有一個星雲樣的星或者是一顆彗星」。[22] 在3月17日,他註記著:「我找到一顆彗星或星雲狀的星,並且由他的位置變化發現是一顆彗星」。[23] 當赫歇爾將發現提交給皇家學會時,他繼續假設他發現了一顆彗星,然而卻含蓄的把它跟行星比較:[24]
「 當我首次看到這顆彗星時,就我所有的光學放大率是227。從經驗中我知道,恆星直徑不會隨光學倍率成比例放大,如行星那樣;因此我現在將倍率設成460與932,結果發現彗星直徑隨光學倍率成比例放大,如同它應該在它不是顆恆星的推測下,而恆星直徑我比較過的不會以相同比率增加。更進一步說,被光學放大的彗星已遠超過其光度所允許,它看來在強大倍率下朦朧且不清楚,而根據我幾千次觀測我知道[在這情況下]這些恆星會保留其光澤與清晰。結果顯示我所臆測的有充足根據,這證明是我們最近觀察的彗星。 」

赫歇爾將他的發現通知皇家天文學家內維爾·馬斯基林(Nevil Maskelyne),並在4月23日收到馬斯基林語無倫次的回覆說:「我不知該如何稱呼她,他在接近圓形的軌道上移動很像一顆行星,而彗星是在很扁的橢圓軌道上移動。我也沒有看見彗髮或彗尾。」[25]

當赫歇爾繼續謹慎的以彗星描述他的新對象,其他的天文學家已經開始做不同的懷疑。俄國天文學家安德烈·約翰·勒克色爾(Anders Johan Lexell)估計他至太陽的距離是地球至太陽的18倍,而沒有彗星曾在近日點四倍於地球至太陽距離之外被觀測到。[26] 柏林天文學家約翰·波德描述赫歇爾的發現像是「在土星軌道之外的圓形軌道上移動的恆星,可以被視為迄今仍未知的像行星的天體」。[27] 波德斷定這個以圓軌道運行的天體比彗星更像是一顆行星。[28]

這個天體很快便被接受是一顆行星。在1783年,法國科學家拉普拉斯證實赫歇爾發現的是一顆行星。赫歇爾本人也向皇家天文學會的主席約翰·班克斯承認這個事實:「經由歐洲最傑出的天文學家觀察,顯示這顆新的星星,我很榮耀地在1781年3月指認出的,是太陽系內主要的行星之一。」[29] 為此,威廉·赫歇爾被英國皇家學會授予柯普萊勳章。喬治三世依據他的成就,並在他移居至溫莎王室,讓皇室的家族有機會使用他的望遠鏡觀星的前提下,給予赫歇爾每年200英鎊的年薪。[30]
命名

馬斯基林曾這樣的問赫歇爾:「幫天文學世界一個忙」[31],「為您的行星取個名字,這也完全是為了您所愛的,並且也是我們迫切期望您為您的發現所做的。」[32] 回應馬基斯林的請求,赫歇爾決定命名為「喬治之星」(Georgium Sidus)或「喬治三世」以紀念他的新贊助人喬治三世。[33] 他在給約瑟夫·班克斯的信中解釋這個決定:[29]
威廉·赫歇爾,天王星的發現者。
「 在古老的神話蠻荒世紀,我們賦予行星名稱墨丘利、維納斯、瑪爾斯、朱庇特、與薩圖爾以表彰當時最具份量的的英雄及神祇。在身處現今更為理性開化的紀元,我們將很難如法刨制將新發現的天體稱為朱諾、帕拉絲、阿波羅或彌涅耳瓦。如果任何未來世紀的天文學家問我:當這個剛剛找到的行星發目前,照您的年表有沒有任何特別顯著的事件首先列入考慮表揚?我將會很滿意的回答:『在喬治三世[四海昇平]的統治下』。 」

赫歇爾建議的名稱在英國外並不受歡迎,並且替代案很快就被提出。天文學家傑羅姆·拉朗德(Jérôme Lalande)建議將這顆行星稱為「赫歇爾」以尊崇她的發現者。[34] 但是,波德贊成用希臘神話的優拉納斯(Uranus),譯成拉丁文的意思是「天空之神」。波德的論點是農神(土星的英文命名由來)是宙斯(木星的英文命名由來)的父親,新的行星則應該取名為農神的父親。[30][35][36] 波德的建議被使用的十分普遍,並當最後的壁壘HM航海曆於1850年換下「喬治三世」後,Uranus便成為普遍接受的名字。[35]

天文學家間偏好的 Uranus 發音是 /ˈjʊərənəs/ (幫助·關於),強調第一音節 (ūrŭnŭs);[37] 這是標準英文文學上的發音,相比之下大眾口語發音 /jʊˈreɪnəs/ (幫助·關於),強調第二音節而且還有個「長音a」 (ūrānŭs)。[38]

在英文的行星名稱里,天王星的名稱是唯一取自希臘神話而非羅馬神話的,Uranus的形容詞(Uranian)被鈾的發現者馬丁·克拉被羅斯(Martin Klaproth)用來命名在1789年新發現的元素。[39]

天王星的天文學符號是Astronomical symbol for Uranus,它是火星和太陽符號的綜合,因為天王星是希臘神話的天空之神,被認為是由太陽和火星聯合的力量所控制的。[40] 天王星在占星學上的符號Uranus s astrological symbol.svg,是拉朗德在1784年建議的。在給赫歇爾的一封信中,拉朗德描述它是「un globe surmonté par la première lettre de votre nom」(圓球的上方放置著您名字的首字母)[34] 由於Uranus是希臘神話中的天神,在漢字文化圈(中國、日本、韓國和越南)中,人們就將這個星名譯做「天王星」。[41][42]
軌道和自轉
哈柏太空望遠鏡的天王星影像,可以看見雲帶、環和一些衛星。

天王星每84個地球年環繞太陽公轉一週,與太陽的平均距離大約30億公里,行星上陽光的強度只有地球的1/400。[43] 它的軌道參數在1783年首度被拉普拉斯計算出來,[26] 但隨著時間,預測和觀測的位置開始出現誤差。在1841年約翰·柯西·亞當斯首先提出誤差也許可以歸結於一顆尚未被看見的行星的引力作用的結果。在1845年,勒維耶開始獨立地進行天王星軌道的研究;1846年9月23日,迦雷在勒維耶預測位置的附近發現了一顆新行星,稍後被命名為海王星。[44]

天王星內部的自轉週期是17小時又14分,但和所有巨行星一樣,其上部的大氣層朝自轉的方向可以產生非常強的風。實際上,在有些緯度,像是從赤道到南極的2/3路徑上,可以看見移動得非常迅速的大氣,靠近南極地區的風速高達720公里/小時,只要14個小時就能完整的環繞行星一週。[45]
轉軸傾斜

天王星的自轉軸可以說是躺在軌道平面上的,傾斜的角度高達97.77°,這使它的季節變化完全不同於其他的行星。其它行星的自轉軸相對於太陽系的軌道平面都是朝上的,天王星的轉動則像傾倒滾動的球。當天王星在至點附近時,一個極點會持續的指向太陽,另一個極點則背向太陽。只有在赤道附近狹窄的區域內可以體會到迅速的日夜交替,但太陽的位置非常的低,有如在地球的極區。運行到軌道的另一側時,換成軸的另一極指向太陽;每一個極都會有被太陽持續的照射42年的極晝,而在另外42年則處於極夜。[46] 在接近分點時,太陽正對著天王星的赤道,天王星的日夜交替會和其他的行星相似。在2007年12月7日,天王星經過了晝夜平分點。 [47]
北半球 年 南半球
冬至 1902年, 1986年 夏至
春分 1923年, 2007年 秋分
夏至 1944年, 2028年 冬至
秋分 1965年, 2049年 春分

這種軸的指向帶來的一個結果是,在一年之中,天王星的極區得到來自於太陽的能量多於赤道,不過,天王星的赤道依然比極區熱。導致這種結果的機制仍然未知;天王星異常的轉軸傾斜原因也不知道,但是通常的猜想是在太陽系形成的時候,一顆地球大小的原行星撞擊到天王星,造成的指向的歪斜。[48] 在1986年,航海家2號飛掠時,天王星的南極幾乎正對著太陽。標記這個極是南極是基於國際天文聯合會的定義:行星或衛星的北極,是指向太陽系不變平面的上方(不是由自轉的方向來決定)。[49][50] 但是,仍然有不同的協定被使用著:一個天體依據右手定則所定義的自轉方向來決定北極和南極。[51] 根據後者的座標系,1986年在陽光下的極則是北極。
可見性

從1995至2006年,天王星的視星等在+5.6至+5.9等之間,勉強在肉眼可見的+6.0等之上,[8] 它的角直徑在3.4至3.7弧秒;比較土星是16至20弧秒,木星則是32至45弧秒。[8] 在衝的時候,天王星可以用肉眼在黑暗、無光污染的天空直接看見,即使在城市中也能輕易的使用雙筒望遠鏡看見。[6] 使用物鏡的口徑在15至25公分的大型業餘天文望遠鏡,天王星將呈現蒼白的深藍色盤狀與明顯的周邊昏暗;口徑25公分或更大的,雲的型態和一些大的衛星,像是天衛三和天衛四,都有可能看見。[52]
物理性質

天王星主要是由岩石與各種成分不同的水冰物質所組成,其組成主要元素為氫(83%),其次為氦(15%)。在許多方面天王星(海王星也是)與大部分都是氣態氫組成的木星與土星不同,其性質比較接近木星與土星的地核部份,而沒有類木行星包圍在外的巨大液態氣體表面(主要是由金屬氫化合物氣體受重力液化形成)。天王星並沒有土星與木星那樣的岩石內核,它的金屬成分是以一種比較平均的狀態分佈在整個地殼之內。直接以肉眼觀察,天王星的表面呈現洋藍色,這是因為它的甲烷大氣吸收了大部分的紅色光譜所導致。
內部結構
地球和天王星大小的比較。

天王星的質量大約是地球的14.5倍,是類木行星中質量最小的,它的密度是1.29公克/公分³ 只比土星高一些。[7] 直徑雖然與海王星相似(大約是地球的4倍),但質量較低。[4] 這些數值顯示它主要由各種各樣揮發性物質,例如水、氨和甲烷組成。[9] 天王星內部冰的總含量還無法精確的知道,根據選擇模型的不同而有不同的結果,但是總是在地球質量的9.3至13.5倍之間。[9][53]氫和氦在全體中只佔很小的部份,大約在0.5至1.5地球質量。[9] 剩餘的質量(0.5至3.7地球質量)才是岩石物質。[9]

天王星的標準模型結構包括三個層面:在中心是岩石的核,中間是冰的地函,最外面是氫/氦組成的外殼。[9][54] 相較之下核非常的小,只有0.55地球質量,半徑不到天王星的20%;地函則是個龐然大物,質量大約是地球的13.4倍;而最外層的大氣層則相對不明確,大約佔有剩餘20%的半徑,但質量大約只有地球的0.5倍。[9][54] 天王星核的密度大約是9公克/公分³,在核和地函交界處的壓力是8百萬巴和大約5,000K的溫度。[53][54] 冰的地函實際上並不是由一般意義上所謂的冰組成,而是由水、氨和其他揮發性物質組成的熱且稠密的流體。[9][54] 這些流體有高導電性,有時被稱為水-氨的海洋。[55] 天王星和海王星的大塊結構與木星和土星相當的不同,冰的成分超越氣體,因此有理由將它們分開另成一類為冰巨星。

上面所考慮的模型或多或少都是標準的,但不是唯一的,其他的模型也能滿足觀測的結果。例如,如果大量的氫和岩石混合在地函中,則冰的總量就會減少,並且相對的岩石和氫的總量就會提高;目前可利用的數據還不足以讓人們確認哪一種模型才是正確的。[53] 天王星內部的流體結構意味著沒有固體表面,氣體的大氣層是逐漸轉變成內部的液體層內。[9] 但是,為便於扁球體的轉動,在大氣壓力達到1巴之處被定義和考慮為行星的表面時,它的赤道和極的半徑分別是25,559±4和24,973±20公里。 [4] 這樣的表面將做為這篇文章中高度的零點。
內熱

天王星的內熱看上去明顯的比其他的類木行星為低,在天文的項目中,它是低熱流量。[17][56] 目前仍不了解天王星內部的溫度為何會如此低,大小和成分與天王星像是雙胞胎的海王星,放出至太空中的熱量是得自太陽的2.61倍;[17] 相反的,天王星幾乎沒有多出來的熱量被放出。天王星在遠紅外線(也就是熱輻射)的部份釋出的總能量是大氣層吸收自太陽能量的1.06±0.08倍。[10][57] 事實上,天王星的熱流量只有0.042±0.047瓦/米2,遠低於地球內的熱流量0.075瓦/米2。[57] 天王星對流層頂的溫度最低溫度紀錄只有49K,使天王星成為太陽系溫度最低的行星,比海王星還要冷。[10][57]

在天王星被超重質量的鎚碎機敲擊而造成轉軸極度傾斜的假說中,也包含了內熱的流失,因此留給天王星一個內熱被耗盡的核心溫度。另一種假說認為在天王星的內部上層有阻止內熱傳達到表面的障礙層存在,[9] 例如,對流也許僅發生在一組不同的結構之間,也許禁止熱能向上傳遞。[10][57]


大氣層

主條目:天王星大氣層

雖然在天王星的內部沒有明確的固體表面,天王星最外面的氣體包殼,也就是被稱為大氣層的部分,卻很容易以遙感測量。[10] 遙感測量的能力可以從 1 巴(100 千帕)之處為起點向下深入至300公里,相當於 100 巴( 10 百萬帕)的大氣壓力和320K的溫度。[58] 稀薄的暈從大氣壓力 1 巴的表面向外延伸擴展至半徑兩倍之處,[59] 天王星的大氣層可以分為三層:對流層,從高度-300至50公里,大氣壓 100 巴至 0.1 巴;( 10 百萬帕到 10 千帕)平流層(同溫層),高度50至4000公里,大氣壓力 0.1 帕至10−10巴( 10 千帕到 10 µ帕);和增溫層/暈,從4000公里向上延伸至距離表面50,000公里處。[10] 沒有中氣層(散逸層)。
成份(組織)

天王星大氣層的成分和天王星整體的成分不同,主要是氫和氦。[10] 氦的摩爾分數,例如每摩爾中所含有的氦原子數量,在對流層的上層是0.15±0.03[12],相當於0.26±0.05質量百分比。[10][57] 這個數值很接近0.275±0.01的原恆星質量百分比。[60] 顯示在氣體的巨星中,氦在行星中是不穩定的。[10] 在天王星的大氣層中,含量佔第三位的是甲烷 (CH4)。[10] 甲烷在可見和近紅外的吸收帶為天王星製造了明顯的藍綠或青色的顏色。[10] 在大氣壓力 1.3 巴( 130 千帕)的甲烷雲頂之下,甲烷在大氣層中的摩爾分數是2.3%,這個量大約是太陽的20至30倍。[10][11][61] 混合的比率[62] 在大氣層的上層由於極端的低溫,降低了飽合的水準並且造成多餘的甲烷結冰。[63] 對低揮發性物質的豐富度,像是氨、水和硫化氫,在大氣層深處的含量所知有限,但是大概也會高於太陽內的含量。[10][64] 除甲烷之外,在天王星的上層大氣層中可以追蹤到各種各樣微量的碳氫化合物,被認為是太陽的紫外線輻射導致甲烷光解產生的。[65] 包括乙烷(C2H6), 乙炔 (C2H2), 甲基乙炔 (CH3C2H), 聯乙炔 (C2HC2H)。[63][66][67] 光譜研究也揭露了水蒸氣的蹤影,一氧化碳和二氧化碳在大氣層的上層,但可能只是來自於彗星和其他外部天體的落塵。[66][67][68]
對流層
天王星大氣層的對流層和平流層低層的溫度曲線圖,數層的雲和霾也表示在圖中。

對流層是大氣層最低和密度最高的部份,溫度隨著高度增加而降低, [10] 溫度從有名無實的底部大約320K,−300公里,降低至53K,高度50公里。[58][61] 在對流層頂實際的最低溫度在49至57K,依在行星上的高度來決定。[10][56] 對流層頂是行星的上升暖氣流輻射遠紅外線最主要的區域,由此處測量到的有效溫度是59.1±0.3K。[56][57]

對流層應該還有高度複雜的雲系結構,水雲被假設在大氣壓力50 至 100 巴(5 到 10 百萬帕),氨氫硫化物雲在20 至 40 巴(2 到 4 百萬帕)的壓力範圍內,氨或氫硫化物雲在 3 和 10 巴 (0.3 到 1 百萬帕),最後是直接偵測到的甲烷雲在1 至 2 巴(0.1 到 0.2 百萬帕)。[10][11][58][69] 對流層是大氣層內非常生氣蓬勃的部份,展現出強風、明亮的雲彩和季節性的變化,將會在下面討論。[17]
上層大氣層

天王星大氣層的中層是平流層,此處的溫度逐漸增加,從對流層頂的53K上升至增溫層底的800至850K。[59] 平流層的加熱來自於甲烷和其他碳氫化合物吸收的太陽紫外線和紅外線輻射,甲烷光解的結果形成這部分的大氣層。[63][65] 熱也來自增溫層的傳導。[70][71] 碳氫化合物相對來說只是很窄的一層,高度在100至280公里,相對於氣壓是 10 至 0.1 毫巴 (1000 到 10 千帕),溫度在75K和170K之間。[63] 含量最多的碳氫化合物是乙炔、乙烷、與甲烷,相對於氫的混合比率是×10−7。一氧化碳在這個高度上的混合比率相似。[63][66][68] 更重的碳氫化合物、二氧化碳和水蒸氣,在混合的比率上還要低三個數量級。[66] 水的豐度7×10−9。[67] 乙烷和乙炔在平流層內溫度和高度較低處與對流層頂 (低於10毫巴) 傾向於凝聚而形成數層陰霾的雲層,[65] 這可能是天王星上的雲帶出現的部分原因。然而,碳氫化合物集中在天王星平流層陰霾之上的高度比其他類木行星的高度要顯著的低。[63][70]

天王星大氣層的最外層是增溫層或暈,有著均勻一致的溫度,大約在800至850K。[10][70] 目前仍不了解是何種熱源支撐著如此的高溫,雖然低效率的冷卻作用和平流層上層的碳氫化合物也能貢獻一些能源,但即使是太陽的遠紫外線和超紫外線輻射,或是極光活動都不足以提供所需的能量。在平流層0.1毫巴氣壓等級以上缺乏碳氫化合物造成微弱的降溫效率可能無可否認地對此有所貢獻。[59][70] 除此之外,氫分子和增溫層與暈擁有大比例的自由氫原子,她們的低分子量和高溫可以解釋為何暈可以從行星擴展至50,000公里,天王星半徑的兩倍遠。[59][70] 這個延伸的暈是天王星的一個獨特的特點。[70] 他的作用包括阻尼環繞天王星的小顆粒,導致一些天王星環中塵粒的耗損。[59] 天王星的增溫層和平流層的上層對應著天王星的電離層。[61] 觀測顯示電離層佔據2,000至10,000公里的高度。[61] 天王星電離層的密度比土星或海王星高,這可能肇因於碳氫化合物在平流層低處的集中。[70][72] 電離層是承受太陽紫外線幅射的主要區域,它的密度也依據太陽活動而改變。[73]極光活動不如木星和土星的明顯。[70][74]
行星環

主條目:天王星環

天王星的環。最外層是明亮的ε環,還可以看見另外的8個環。
天王星環系統。

天王星有個複雜的行星環系統,它是太陽系中繼土星環之後發現第二個環系統。[75] 該環由大小毫米到幾米的極端黑暗粒狀物質組成。[16] 目前已知天王星環有13個圓環,其中最明亮的是ε環。所有天王星行星環除兩個以外皆極度狹窄 – 通常只有幾公里寬。天王星環大概還相當年輕;動力學分析指出它們不是與天王星同時形成的。環中的物質可能來自被高速撞擊或潮汐力粉碎的衛星。而來自這些撞擊結果形成的眾多碎片中,只有少數幾片留存在對應到現今的環的有限數量穩定區域裡。[75][76]

威廉·赫歇耳聲稱他曾經在1789年看見天王星環,然而這是值得懷疑的,首先該環相當的黯淡,而且隨後的兩個世紀沒有一個觀測者曾經注意到環的存在。儘管如此,赫歇耳正確的描述了ε環大小、其相對於地球間的角度、色澤為紅、以及它隨天王星繞行太陽造成顯著變化。[77][78] 環確實的發現日期是1977年3月10日,在詹姆斯·L.·艾略特、愛德華·W.·杜漢、和道格拉斯·J.·明克透過柯伊伯機載天文台觀測時意外的發現。他們原本的計畫是觀測天王星掩蔽SAO 158687以研究天王星的大氣層。然而,當他們分析觀測的資料時,他們發現在行星掩蔽的前後,這顆恆星都曾經短暫的消失了五次。他們認為,必須有個環系統圍繞著行星才能解釋。[79] 後來他們又偵測到四個額外的環。[79]航海家2號在1986年飛掠過天王星時,直接拍下了這些環。[16] 航海家2號也發現了兩圈新的黯淡光環,使環的數量增加到11圈。[16]

在2005年12月,哈柏太空望遠鏡偵測到一對早先未曾發現的藍色圓環。最外圍的一圈與天王星的距離比早先知道的環遠了兩倍,因此新發現的環被稱為環系統的外環,使天王星環的數量增加到13圈。哈柏同時也發現了兩顆新的小衛星,其中的天衛二十六還與最外面的環共享軌道。[80] 在2006年4月,凱克天文台 公布的新環影像中,外環的一圈是藍色的,另一圈則是紅色的。[81][82]

關於外環顏色是藍色的一個假說是,它由來自天衛二十六的細小冰微粒組成,因此能散射足夠多的藍光。[81][83] 天王星的內環看起來是呈灰色的。[81]
磁場
航海家2號在1986年觀察到的天王星磁場。

在航海家2號抵達之前,天王星的磁層從未被測量過,因此很自然的還保持著神秘。在1986年之前,因為天王星的自轉軸就躺在黃道上,天文學家盼望能根據太陽風測量到天王星的磁場。[84]

航海家的觀測顯示天王星的磁場是奇特的,一則是他不在行星的幾何中心,再者他的磁場軸相對於自轉軸傾斜59°。[84][85] 事實上,磁極從行星的中心偏離往南極達到行星半徑的三分之一。[84] 這異常的幾何關係導致一個非常不對稱的磁層,在南半球的表面,磁場的強度低於0.1高斯,而在北半球的強度高達1.1高斯;[84] 在表面的平均強度是0.23高斯。[84] 相較之下,地球兩極的磁場強度大約是相等的,並且"磁赤道"大致上也與物理上的赤道平行,[85] 天王星的偶極矩是地球的50倍。[84][85] 海王星也有一個相似的偏移和傾斜的磁場,因此有人認為這是冰巨星的共同特點。[85] 一種假說認為,不同於類地行星和氣體巨星的磁場是由核心內部引發的,冰巨星的磁場是由相對於表面下某一深度的運動引起的,例如水–氨的海洋。[55][86]

儘管有這樣奇特的準線,天王星的磁層在其他方面與一般的行星相似:在他的前方,位於23個天王星半徑之處有弓形震波,磁層頂在18個天王星半徑處,徹底發展完成的磁尾和輻射帶。[84][85][87] 綜上所論,天王星的磁層結構不同於木星的,而比較像土星的。[84][85] 天王星的磁尾在天王星的後方延伸至太空中遠達數百萬公里,並且因為行星的自轉被扭曲而斜向一側,像是拔瓶塞的長螺旋桿。[84][88]

天王星的磁層包含帶電粒子:質子和電子,還有少量的H2+離子,[85][87] 未曾偵測到重離子。許多的這些微粒可能來自大氣層熱的暈內。[87] 離子和電子的能量分別可以高達4和1.2百萬電子伏特。[87] 在磁層內側的低能量(低於100電子伏特)離子的密度大約是2公分−3。[89] 微粒的分布受到天王星衛星強烈的影響,在衛星經過之後,磁層內會留下值得注意的空隙。[87] 微粒流量的強度在100,000年的天文學時間尺度下,足以造成衛星表面變暗或是太空風暴。[87] 這或許就是造成衛星表面和環均勻一致暗淡的原因。[76] 在天王星的兩個磁極附近,有相對算是高度發達的極光,在磁極的附近形成明亮的弧。[70] 但是,不同於木星的是,天王星的極光對增溫層的能量平衡似乎是無足輕重的。[74]
氣候

主條目:天王星的氣候

近乎天然顏色(左)和在長波下(右)的天王星南半球,顯示出航海家2號在大氣層中看見的微弱雲帶和羽冠。

在紫外線與可見光波段下與其他的氣體巨星,甚至是與相似的海王星比較,天王星的大氣層是非常平靜的。[17] 當 航海家2號在1986年飛掠過天王星時,總共觀察到了10個橫跨過整個行星的雲帶特徵。[16][90] 有人提出解釋認為這種特徵是天王星的內熱低於其他巨大行星的結果。記錄到天王星對流層頂的最低溫度是49 K,比海王星還要冷,使天王星成為太陽系溫度第二低的行星。[10][57]
帶狀結構、風和雲
天王星帶狀風的速度。陰影區顯示南半球的"衣領"區和在北半球的對照區。紅色的曲線是對稱且與數據吻合。

在1986年,航海家2號發現可見的天王星南半球可以被細分成兩個區域:明亮的極區和暗淡的赤道帶狀區(參考右圖)。[16] 這兩區的分界大約在緯度−45°的附近。一條跨越在−45°至−50°之間的狹窄帶狀物是在行星表面上能夠看見的最亮的大特徵,[16][91] 被稱為南半球的"衣領"。極冠和衣領被認為是甲烷雲密集的區域,位置在大氣壓力1.3至2 巴的高度。(見上文)[92] 很不幸的是,航海家2號抵達時正值南半球盛夏,且觀察不到北半球的部份。不過,從21世紀開始之際,北半球極區進入視野,哈柏太空望遠鏡和凱克望遠鏡觀測北半球皆找不到"衣領"和極帽。[91] 故天王星看起來是不對稱的:靠近南極是明亮的,從南半球的"衣領"以北都是一樣的黑暗。[91] 除了大規模的帶狀結構,航海家2號觀察到了10朵小塊的亮雲,多數都躺在"衣領"的北方數度。[16] 在1986年看到的天王星,在其他的區域都像是毫無生氣的死寂行星。

然而,在1990年代的觀測,拜高解析度影像技術之賜,亮雲彩特徵的數量有著明顯的增長。[17] 他們多數都出現在北半球開始成為可以看見的區域。[17] 早期的解釋 — 認為是明亮的雲彩在行星黑暗的部份比較容易被分辨出來,而在南半球則被明亮的"衣領"掩蓋掉 — 被證明是錯誤的,實際上特徵數量已確實顯著增加。[93][94] 不過,兩個半球的雲彩是有區別的,北半球的雲彩較小、較尖銳和較明亮。[94] 他們看上去都躺在較高的高度。[94] 雲彩的生命期有著極大的差異,一些小的只有幾小時,而南半球至少有一個從航海家飛掠過後仍一直存在著。[17][90] 最近的觀察也發現,雖然天王星的氣候較為平靜,但天王星的雲彩有許多特性與海王星相同。[17] 例如,在海王星上很普通的大暗斑,在2006年之前從未在天王星上觀測到,而在2006年暗斑特徵首次被拍到。[95] 據推測天王星在春秋分時節變得較像海王星。[96]
在天王星觀測到的第一個大暗斑。影像是哈柏太空望遠鏡的先進巡天照相機在2006年拍攝的。

追蹤這些有特徵的雲彩,可以測量出天王星對流層上方的風是如何在極區咆哮。[17] 在赤道的風是退行的,意味著他們吹的方向與自轉的方向相反,他們的速度從−100至 −50 米/杪。[17][91] 風速隨著遠離赤道的距離而增加,大約在緯度±20°靜止不動,這兒也是對流層溫度最低之處。[17][56] 再往極區移動,風向也轉成與行星自轉的方向一致,風速則持續增加,在緯度±60°處達到最大值,然後下降至極區減弱為0。[17] 在緯度−40°附近,風速從150到200 米/杪,因為"衣領"蓋過了所有平行的雲彩,無法測量從哪兒到南極之間的風速。[17] 與北半球對照,風速在緯度+50°達到最大值,速度高達240 米/秒。[17][91][97]
季節變化
2005年的天王星。可以看見環、南半球的"衣領"和北半球明亮的雲彩。

在2004年3月到5月這一短暫期間,很多片大塊雲彩出現在海王星大氣層裡,這讓天王星有著類似海王星般的外觀。[94][98] 觀察到229米/秒(824公里/時)的破表風速,和被稱為"7月4日煙火"的雷雨風暴。[90] 2006年8月23日,科羅拉多州博爾德市太空科學學院和威斯康辛大學的研究員觀察到天王星表面有一個大黑斑,讓天文學家對天王星大氣層的活動有更多的了解。[95] 雖然為何這突如其來活動暴漲的發生原因仍未被研究員所明瞭,但是它呈現了天王星極度傾斜的自轉軸所帶來的季節性的氣候變化。[47][96] 要確認這種季節變化的本質是很困難的,因為對天王星大氣層堪用的觀察數據仍少於84年,也就是一個完整的天王星年。雖然已經有了一定數量的發現,光度學的觀測已經累積了半個天王星年(從1950年代起算),在兩個光譜帶上的光度變化已經呈現了規律性的變化,最大值出現在至點,最小值出現在晝夜平分點。[99] 從1960年開始的微波觀測,深入對流層的內部,也得到相似的週期變化,最大值也在至點。[100] 從1970年代開始對平流層進行的溫度測量也顯示最大值出現在1986年的至日附近。[71] 多數的變化相信與可觀察到的幾何變化相關。[93]

然而,有某些理由相信天王星物理性的季節變化也在發生。當南極區域變得明亮時,北極相對的呈現黑暗,這與上述概要性的季節變化模型是不符合的。[96] 在1944年抵達北半球的至點之前,天王星亮度急遽提升,顯示北極不是永遠黑暗的。[99] 這個現象意味著可以看見的極區在至日之前開始變亮,並且在晝夜平分點之後開始變暗。[96] 詳細的分析可見光和微波的資料,顯示亮度的變化週期在至點的附近不是完全的對稱,這也顯示出在子午圈上反照率變化的模式。[96] 最後,在1990年代,在天王星離開至點的時期,哈柏太空望遠鏡和地基的望遠鏡顯示南極冠出現可以察覺的變暗(南半球的"衣領"除外,它依然明亮),[92] 同時,北半球的活動也證實是增強了,[90] 例如雲彩的形成和更強的風,支持期望的亮度增加應該很快就會開始。[94]

目前對天王星物理變化的機制還不是很清楚,[96] 在接近夏天和冬天的至點,天王星的一個半球沐浴在陽光之下,另一個半球則對向幽暗的深空。受光半球的明亮曾被認為是對流層裡來自甲烷雲與陰霾層局部增厚的結果。[92] 在緯度−45°的明亮"衣領"也與甲烷雲有所關聯。[92] 在南半球極區的其他變化,也可以用低層雲的變化來解釋。[92] 來自天王星微波發射譜線上的變化,或許是在對流層深處的循環變化造成的,因為厚實的極區雲彩和陰霾可能會阻礙對流。[101] 現在,天王星春天和秋天的晝夜平分點即將來臨,動力學上的改變和對流可能會再發生。[90][101]
形成

參見:太陽星雲

有些論點認為氣體巨星和冰巨星在形成地時候就有差異存在,[102][103]太陽系的誕生應該開始於一個氣體和塵土構成的巨大轉動的球體,也就是前太陽星雲。當它凝聚時逐漸形成盤狀,在中心的崩塌形成了太陽。[102][103] 多數的星雲氣體,主要是氫和氦,形成了太陽;同時,顆粒的塵土集合形成了第一顆原行星。隨著行星的成長,有些行星累積到足夠的質量,能夠凝聚星雲中殘餘的氣體。[102][103] 聚集越多的氣體,使他們變得越大;他們變得越大,就越能聚集氣體,直到達到一個關鍵的點,使他們開始以指數的增長。冰巨星所有的星雲氣體只有幾個地球的質量大小,未能達到這個臨界點。[102][103][104] 目前的太陽系形成理論在計算遠離木星土星的天王星和海王星上遭遇了困難。他們塊頭過大,以至於無法在那個距離上取得足夠的材料來形成。相反的,某些科學家認為這兩顆行星是在離太陽較近的位置形成之後,才被木星驅趕到外面的。[102] 然而,近來越來越多將行星漂移計算在內的摹擬,似乎已能在他們現存的位置上形成天王星和海王星。[103]
衛星

主條目:天王星的衛星
參見:衛星發目前間列表

目前已知天王星有27顆天然的衛星,[104] 這些衛星的名稱都出自莎士比亞和蒲柏的歌劇中。[54][105] 五顆主要衛星的名稱是「米蘭達」(天衛五)、「艾瑞爾」(天衛一)、「烏姆柏里厄爾」(天衛二)、「泰坦尼亞」(天衛三)和「歐貝隆」(天衛四)。[54] 第一顆和第二顆(天衛三和天衛四)是威廉·赫歇耳在1787年3月13日發現的,另外兩顆天衛一和天衛二是在1851年被威廉·拉索爾發現的。在1852年,威廉·赫歇耳的兒子約翰·赫歇耳才為這四顆衛星命名。到了1948年傑勒德 P. 庫普爾發現第五顆衛星天衛五。

天王星衛星系統的質量是氣體巨星中最少的,的確,五顆主要衛星的總質量還不到海衛一的一半。[7] 最大的衛星,天衛三,半徑788.9公里,還不到月球的一半,但是比土星第二大的衛星土衛五稍大些。這些衛星的反照率相對也較低,天衛二約為0.2,天衛一約為0.35(在綠光)。[16] 這些衛星由冰和岩石組成,大約是50%的冰和50%的岩石,冰也許包含氨和二氧化碳。[76][106]

在這些衛星中,天衛一有著最年輕的表面,上面只有少許的隕石坑;天衛二看起來是最老的。[16][76]天衛五擁有深達20公里的斷層峽谷,梯田狀的層次和混亂的變化,形成令人混淆的表面年齡和特徵。[16] 天衛五過去的地質活動被認為是在某段時候當其軌道比目前更偏心時受到潮汐加熱的影響,偏心的原因大概是跟天衛二軌道共振 (過去與現在 3:1 比例)的結果。[107] 與地幔上湧並擠入相關的外部加工很可能是天衛五「賽道」般運河的起源。[108][109] 同樣的,天衛一被認為曾經處於與天衛三 4:1 軌道共振的位置。[110]
探測
航海家2號航向海王星時拍攝的天王星。

主條目:探測天王星

在1986年,NASA的航海家2號拜訪了天王星。這次的拜訪是唯一的一次近距離的探測,並且目前也還沒有新的探測計畫。航海家2號在1977年發射,在繼續前往海王星的旅程之前,於1986年1月24日最接近天王星,距離近達81,500公里。航海家2號研究了天王星大氣層的結構和化學組成,發現了10顆新衛星,還研究了天王星因為自轉軸傾斜97.77°所造成的獨特氣候,並觀察了天王星的環系統。[16][111] 他也研究了天王星的磁場:不規則的結構、傾斜的磁軸、和如同拔塞螺絲般扭曲並斜向一側的磁尾。[84] 他對最大的五顆衛星做了首度的詳細調查,並研究當時已知的九圈光環,也新發現了兩道光環。[16][76]
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參見

太陽系探測器列表
太陽系探索時間線

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Uranus Profile by NASA s Solar System Exploration
Keck pictures of Uranus show best view from the ground—Press release with some photographs showing rings, satellites and clouds
News reports of December 22 2005 rings and moons discovery
New Moons and Rings found at Uranus, SPACE.com
Two more rings discovered around Uranus, MSNBC
Planets—Uranus A kid s guide to Uranus.
Uranus at Jet Propulsion Laboratory s planetary photojournal.
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相關條目:天體、恆星、行星、矮行星、小天體和行星系
另參見太陽系天體列表、按半徑排序的列表、小行星列表以及太陽系主題首頁

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海王星
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海王星 海王星的天文學符號 航海家2號所見的海王星
航海家2號所見的海王星
發現
發現者 埃班·勒維耶
約翰·伽雷
發現日期 1846年9月23日[1]
編號
軌道參數[2][3]
曆元 J2000
遠日點 4,553,946,490 km
30.44125206 AU
近日點 4,452,940,833 km
29.76607095 AU
半長軸 4,503,443,661 km
30.10366151 AU
離心率 0.011214269
軌道周期 60,327.624 天s
165.168034 yr
周期 367.49 day[4]
平均速度 5.43 km/s[4]
平近點角 267.767281°
軌道傾角 1.767975°
6.43° to Sun s equator
升交點黃經 131.794310°
近日點參數 265.646853°
衛星 13
物理特徵
赤道半徑 24,764±15 km[5][6]
3.883 Earths
極半徑 24,341±30 km[5][6]
3.829 Earths
表面積 7.6408×109 km²[6][7]
14.94 Earths
體積 6.254×1013 km³[4][6]
57.74 Earths
質量 1.0243×1026 kg[4]
17.147 Earths
平均密度 1.638 g/cm³[4][6]
表面重力 11.15 m/s²[4][6]
1.14 g)
逃逸速度 23.5 km/s[4][6]
自轉週期 0.6 day[4]
15 h 57 min 59 s
赤道自轉速度 2.68 km/s
9,660 km/h
轉軸傾角 28.32°[4]
北極赤經 17 h 19 min 59 s
299.333°[5]
北極赤緯 42.950°[5]
反照率 0.290 (bond)
0.41 (geom.)[4]
表面溫度
1 bar level
0.1 bar
最小 平均 最大
72 K[4]
55 K[4]
視星等 8.0 to 7.78 [4]
角直徑 2.2" — 2.4" [4]
大氣[4]
大氣標高 19.7±0.6 km
成分 |
80±3.2% 氫分子(H2)
19±3.2% 氦
1.5±0.5% 甲烷
~0.019% 重氫(HD)
~0.00015% 乙烷
冰:


氨硫化氫(NH4SH)
甲烷(?)

海王星是太陽系八大行星中距離太陽最遠的,體積是太陽系第四大,但質量排名是第三。海王星的質量大約是地球的17倍,而類似雙胞胎的天王星因密度較低,質量大約是地球的14倍。海王星以羅馬神話中的尼普頓(Neptunus)命名,因為尼普頓是海神,所以中文譯為海王星。天文學的符號Astronomical symbol for Neptune.,是希臘神話的海神波塞頓使用的三叉戟。

海王星的大氣層以氫和氦為主,還有微量的甲烷。在大氣層中的甲烷,只是使行星呈現藍色的一部分原因。因為海王星的藍色比有同樣份量的天王星更為鮮豔,因此應該還有其他的成分對海王星明顯的顏色有所貢獻。[8] 海王星有太陽系最強烈的風,測量到的時速高達2,100公里。[9] 1989年航海家2號飛掠過海王星,對南半球的大黑斑和木星的大紅斑做了比較。海王星雲頂的溫度是-218 °C(55K),因為距離太陽最遠,是太陽系最冷的地區之一。海王星核心的溫度約為7,000 °C,可以和太陽的表面比較,也和大多數已知的行星相似。

海王星在1846年9月23日被,[1] 是唯一利用數學預測而非有計畫的觀測發現的行星。天文學家利用天王星軌道的攝動推測出海王星的存在與可能的位置。迄今只有航海家2號曾經在1989年8月25日拜訪過海王星。在2003年,美國國家航空暨太空總署提出有如卡西尼-惠更斯號科學水準的海王星軌道探測計畫,但不使用熱滋生反應提供電力的推進裝置;這項計畫由噴射推進實驗室和加州理工學院一起完成。[10]
目錄

1 歷史
1.1 發現
1.2 命名
2 結構
2.1 質量和成分
2.2 大氣層
2.3 磁層
2.4 行星環
3 化學結構
3.1 質量和結構
4 氣候
5 衛星
6 觀察
7 軌道與自轉
8 探測
9 參見
10 參考文獻
11 外部連結

歷史
發現

伽利略在1612年12月28日首度觀測並描繪出海王星,1613年1月27日又再次觀測,但因為觀測的位置在夜空中都靠近木星(在合的位置),這兩次機會伽利略都誤認海王星是一顆恆星。[11] 相信是恆星,而不相信自己的發現,是因為1612年12月第一次觀測的,海王星在留轉向逆行的位置,因為剛開始退行時的運動還十分微小,以至於伽利略的小望遠鏡查覺不出位置的改變。[12]

在1821年,亞歷斯·布瓦(Alexis Bouvard)出版了天王星的軌道表,[13] 隨後的觀測顯示出與表中的位置有越來越大的偏差,使得布瓦假設有一個攝動體存在。在1843年約翰·柯西·亞當斯計算出會影響天王星運動的第八顆行星軌道,並將計算結果皇家天文學家喬治·比德爾·艾里,他問了亞當斯一些計算上的問題,亞當斯雖然草擬了答案但未曾回覆。
勒維耶,用數學發現海王星的人。

在1846年,法國工藝學院的天文學教師勒維耶,在得不到同袍的支持下,以自己的熱忱獨立完成了海王星位置的推算。但是,在同一年,約翰·赫歇耳也開始擁護以數學的方法去搜尋行星,並說服詹姆斯·查理士著手進行。

在多次躭擱之後,查理士在1846年7月勉強開始了搜尋的工作;而在同時,勒維耶也說服了柏林天文台的約翰·格弗里恩·伽勒搜尋行星。當時仍是柏林天文台的學生達赫斯特(Heinrich d Arrest)表示正好完成了勒維耶預測天區的最新星圖,可以做為尋找新行星時與恆星比對的參考圖。在1846年9月23日晚間,海王星被發現了,與勒維耶預測的位置相距不到1°,但與亞當斯預測的位置相差10°。事後,查理士發現他在8月時已經兩度觀測到海王星,但因為對這件工作漫不經心而未曾進一步的核對。

由於有民族優越感和民族主義的作祟,使得這項發現在英法兩國餘波盪漾,國際間的輿論最終迫使勒維耶接受亞當斯也是共同的發現者。然而,在1998年,史學家才得以重新檢視天文學家艾根(Olin Eggen)遺產中的海王星文件(來自格林威治天文臺的歷史文件,明顯是被艾根竊取近卅年,在他逝世之後才得重見天日。),[14] 在檢視過這些文件之後,有些史學家認為亞當斯不應該得到如同勒維耶的殊榮。[15]
命名

發現之後的一段時間,海王星不是被稱為天王星外的行星就是勒維耶的行星。伽雷是第一位建議取名的人,他建議的名稱是Janus(羅馬神話中看守門戶的雙面神)。在英國,查理士將之命名為Oceanus;在法國,Arago建議稱為勒維耶,以回應法國之外強烈的抗議聲浪。法國天文年曆當時以赫歇耳稱呼天王星,相對於以勒維耶稱呼這顆新發現的行星。 同時,在分開和獨立的場合,亞當斯建議修改天王星的名稱為喬治,而勒維耶經由經度委員會建議以Neptune(海王星)作為新行星的名字。Struve 在1846年12月29日於聖彼得堡科學院挺身而出支持勒維耶建議的名稱。[16] 很快的,海王星成為國際上被接受的新名稱。在羅馬神話中的Neptune等同於希臘神話的Poseidon,都是海神,因此中文翻譯成海王星。 新發現的行星遵循了行星以神話中的眾神為名的原則,而除了天王星之外,都是在遠古時代就被命名的[17]。

在中文、韓文、日文和越南文,該行星名稱的漢字寫法都是海王星。在印度,這顆行星的名稱是Varuna(Devanāgarī),也是印度神話中的海神,與希臘-羅馬神話中的Poseidon/Neptune意義是相同的。
結構
質量和成分

海王星外觀為藍色,原由是其大氣層中的甲烷。海王星大氣層85%是氫氣,13%是氦氣,2%是甲烷,除此之外還有少量氨氣。

海王星可能有一個固態的核,其表面可能覆蓋有一層冰。外面的大氣層可能分層。海王星表面溫度為攝氏-218度,表面風速可達每小時2000公里。

此外,海王星有磁場和極光。還有因甲烷受太陽照射而產生的煙霧。
大氣層
結合顏色和近紅外線的海王星影像,顯示在它的大氣層中的甲烷帶,和他的4顆衛星:普羅狄斯、拉瑞莎、加勒蒂亞和迪斯比納。

在高海拔處,海王星的大氣層80%是氫和19%是氦 [18],也存在著微量的甲烷。主要的吸收帶出現在600奈米以上波長的紅色和紅外線的光譜位置。與天王星比較,它的吸收是大氣層的甲烷部分,使海王星呈現藍色的色調[19], 雖然海王星活潑的淡青色不同於天王星柔和的青色,由於海王星大氣中的甲烷含量類似於天王星,一些未知的大氣成分被認為有助於海王星的顏色[20]。

海王星的大氣層可以細分為兩個主要的區域:低層的對流層,該處的溫度隨高度降低;和平流層,該處的溫度隨著高度增加。兩層之間的邊界,對流層出現在氣壓為0.1巴 (100kPa)處[21]。平流層在氣壓低於10−5至 10−4微巴 (1-10帕) 處成為熱成層[21],熱成層逐漸過渡為散逸層。
海王星高層的雲帶在較低層雲頂形成陰影。

模型表明海王星對流層的雲帶取決於不同海拔高度的成分。高海拔的雲出現在氣壓低於1帕之處,該處的溫度使甲烷可以凝結。壓力在1巴至5巴 (100kPa至500kPa),被認為氨和硫化氫的雲可以形成。壓力在5巴以上,雲可能包含氨、硫化氨、硫化氫和水。更深處的水冰雲可以在壓力大約為50巴 (5MPa)處被發現,該處的溫度達到0 °C。在下面,可能會發現氨和硫化氫的雲[22]。

海王星高層的雲會曾經被觀察到在低層雲的頂部形成陰影,高層的雲也會在相同的緯度上環繞著行星運轉。這些環帶的寬度大約在50公里至150公里,並且在低層雲頂之上50公里至110公里[23]。

海王星的光譜建議平流層的低層是朦朧的,這是因為紫外線造成甲烷光解的產物,例如乙烷和乙炔,凝結[18][21]。平流層也是微量的一氧化硫和氰化氫的來源[21][24]。海王星的平流層因為碳氫化合物的濃度較高,也比天王星的溫暖[21]。

這顆行星的熱成層有著大約750K的異常高溫,其原因至今還不清楚[25][26]。要從太陽來的紫外線輻射獲得熱量,對這顆行星來說與太陽的距離是太遙遠了。一個候選的加熱機制是行星的磁場與離子的交互作用;另一個候選者是來自內部的重力波在大氣層中的消耗。熱成層包含可以察覺到的二氧化碳和水,其來源可能來自外部,例如流星體和塵埃[22][24]。
磁層

海王星有著與天王星類似的磁層,它的磁場相對自轉軸有著高達47°的傾斜,並且偏離核心至少0.55 半徑,或是偏離物理上的中心13,500 公里。在航海家2號抵達海王星之前,天王星的磁層傾斜假設是因為它躺著自轉的結果,但是,比較這兩顆行星的磁場,科學家現在認為這種極端的指向是行星內部流體的特徵。這個區域也許是一層導電體液體(可能是氨、甲烷和水的混合體)形成的對流層流體運動[22],造成發電機的活動[27]。

磁場的偶極成分在海王星的磁赤道大約是14 microteslas(0.14 G)[28]。海王星的偶磁矩大約是2.2 × 1017 T·m3(14 μT·RN3,此處RN是海王星的半徑)。海王星的磁場因為非偶極成分,包括強度可能超過磁偶極矩的強大四極矩,組合有很大的貢獻,因此在幾何結構上非常的複雜。相較之下,地球、木星和土星的四極矩都非常小,並且相對於自轉軸的傾角也都不大。海王星巨大的四極矩也許是發電機偏離行星的中心和幾何強制性的結果 .[29][30]。

海王星的弓形震波,在那兒磁層開始減緩太陽風的速度,發生在距離行星34.9行星半徑之處。磁層頂,磁層的壓力抵銷太陽風的地方,位於23-26.5倍海王星半徑之處,磁尾至少延伸至72倍的海王星半徑,並且還會伸展至更遠[29]。
行星環

主條目:海王星環

海王星的圓環,由航海家2號拍攝。

這顆藍色行星有著暗淡的天藍色圓環,但與土星比起來相去甚遠。當這些環由以愛德華·奎南為首的團隊發現時,曾被認為也許是不完整的。然而,「旅行者2號」的發現表明並非如此。

這些行星環有一個特別的「堆狀」結構[31] 其起因目前不明,但也許可以歸結於附近軌道上的小衛星的引力相互作用。[來源請求]

認為海王星環不完整的證據首次出現在80年代中期,當時觀測到海王星在掩星前後出現了偶爾的額外「閃光」。旅行者2號在1989年拍攝的圖像發現了這個包含幾個微弱圓環的行星環系統,從而解決了這個問題。最外層的圓環,亞當斯,包含三段顯著的弧,現在名為「Liberté」,「Egalité」和「Fraternité」(自由、平等、博愛)。 弧的存在非常難於理解,因為運動定律預示弧應在不長的時間內變成分布一致的圓環。目前認為環內側的衛星海衛六的引力作用束縛了弧的運動。

「旅行者」的照相機發現了其他幾個環。除了狹窄的、距海王星中心63,000千米的亞當斯環之外, 勒維耶環距中心53,000千米,更寬、更暗的伽勒環距中心42,000千米。勒維耶環外側的暗淡圓環被命名為拉塞爾; 再往外是距中心57,000千米的Arago環[32]

2005年新發表的在地球上觀察的結果表明,海王星的環比原先以為的更不穩定。凱克天文台在2002年和2003年拍攝的圖像顯示,與"旅行者2號"拍攝時相比,海王星環發生了顯著的退化,特別是「自由弧」,也許在一個世紀左右就會消失。[33]
化學結構
質量和結構
海王星和地球大小比較。

以其1.0243×1026 kg的質量,[4] 海王星是介於地球和巨行星(指木星和土星)之間的的中等大小行星:它的質量既是地球質量的17倍,也是木星質量的1/18。因為它質量較典型類木行星小,而且密度、組成成份、內部結構也與類木行星有顯著差別,海王星和天王星一起常常被歸為類木行星的一個子類:冰巨星。在尋找太陽系外行星領域,海王星被用作一個通用代號,指所發現的有著類似海王星質量的系外行星,[34] 就如同天文學家們常常說的那些系外「木星」。

海王星大氣的主要成分是氫和有著較小比例的氦,此外還含有微蹤質量的甲烷。甲烷分子光譜的主要吸收帶位於可見光譜紅色端的600 奈米波長,大氣中甲烷對紅色端光的吸收使得海王星呈現藍色色調。[35]

因為軌道距離太陽很遠,海王星從太陽得到的熱量很少,所以海王星大氣層頂端溫度只有-218 °C(55 K),而由大氣層頂端向內溫度穩定上升。和天王星類似,星球內部熱量的來源仍然是未知的,而結果卻是顯著的:作為太陽系最外側的行星,海王星內部能量卻大到維持了太陽系所有行星系統中已知的最高速風暴。對其內部熱源有幾種解釋,包括行星核心的放射熱源[36],行星生成時吸積盤塌縮能量的散熱,還有重力波對平流圈界面的擾動。[37][38]
海王星內部結構

海王星內部結構和天王星相似。行星核是一個質量大概不超過一個地球質量的由岩石和冰構成的混合體。海王星地幔總質量相當於10到15個地球質量,富含水、氨、甲烷和其它成份。[1] 作為行星學慣例,這種混合物被叫作冰,雖然其實是高度壓縮的過熱流體。這種高電導的流體通常也被叫作水-氨大洋。[39] 大氣層包括大約從頂端向中心的10%到20%,高層大氣主由80%氫和19%氦組成。甲烷,氨和水的含量隨高度降低而增加。更內部大氣底端溫度更高,密度更大,進而逐漸和行星地幔的過熱液體混為一體。海王星核心的壓力是地球表面大氣壓的數百萬倍。通過比較轉速和扁率可知海王星的質量分布不如天王星集中。
氣候
大黑斑(上面),滑行車(中間白色雲彩)和小黑斑(底部)。

在海王星和天王星之間的一個區別是典型氣象活動的水平。1986年當旅行者2號太空飛行器飛經天王星時,該行星視覺上相當平淡,而在1989年旅行者2號飛越期間,海王星展現了著名的天氣現象。海王星的大氣有太陽系中的最高風速,據推測源於其內部熱流的推動,它的天氣特徵是極為劇烈的風暴系統,其風速達到超音速速度直至大約 2,100 km/h。在赤道帶區域,更加典型的風速能達到大約1,200 km/h。根據蒲福風級即目前世界氣象組織所建議的分級,地球風速最大為12級風,約 118 km/h。[40]
旅行者2號所拍攝到的大黑斑。

1989年,美國航空太空局的旅行者2號太空飛行器發現了大黑斑,它是一個歐亞大陸大小的颶風系統。這個風暴類似木星上的大紅斑。然而在1994年11月2日, 哈伯太空望遠鏡在海王星上沒有看見大黑斑,反而在北半球發現了類似大黑斑的一場新的風暴。大黑斑失蹤的原因尚未知曉。一種可能的理論是來自行星核心的熱傳遞擾亂了大氣均衡並且打亂了現有的循環樣式。[來源請求] 滑行車(英文:Scooter)是位於大黑斑更南面的另一場風暴,是一組白色雲團。1989年,當它在旅行者2號造訪前的那幾個月被發現時,就被命名了這個綽號:因為它比大黑斑移動得更快。隨後圖像顯示出還有比滑行車移動得更快的雲團。小黑斑是一場南部的颶風風暴,在1989旅行者2號訪問期間強度排在第二位。它最初是完全黑暗的,但在"旅行者"接近過程中,一個明亮的核心逐漸形成,並且出現在大多數最高解析度的圖像上。2007年又發現海王星的南極比其表面平均溫度(大約為−200 °C)高出約10 °C。這樣高出10 °C的溫度足以把甲烷釋放到太空,而在其它區域海王星的上層大氣層中甲烷是被凍結著的。這個相對熱點的形成是因為海王星的軌道傾角使得其南極在過去的40年受到太陽光照射,而一海王星年相當於165地球年。 隨著海王星慢慢地移近太陽,它南極將逐漸變暗,並且換成北極被太陽光照亮,這將使得甲烷釋放區域從南極轉移到北極。 [41]

海王星在類木行星中的一個獨有特點就是高層雲彩在其下半透明的雲基區域投下陰影。雖然海王星的大氣遠比天王星的活躍,它們都是由相同的氣體和冰組成。天王星和海王星都不是木星和土星那種嚴格意義上的類木行星,而屬於另一類的遠日行星,即它們有一個較大的固體核而且還含有冰作為其組成成份。海王星表面溫度非常底,1989年測到的頂端雲層的溫度低至-224 °C (49 K)。
衛星

主條目:海王星的衛星

海王星(上面)和海衛一(底部)
海衛一彩色特寫。

海王星有13顆已知的天然衛星[4]。其中最大的、也是唯一擁有足夠質量成為球體的海衛一在海王星被發現17天以後就被威廉·拉塞爾發現了。與其他大型衛星不同,海衛一運行於逆行軌道,說明它是被海王星俘獲的,大概曾經是一個柯伊伯帶天體。它與海王星的距離足夠近使它被鎖定在同步軌道上,它將緩慢地經螺旋軌道接近海王星,當它到達洛希極限時最終將被海王星的引力撕開。海衛一是太陽系中被測量的最冷的天體,溫度為−235 °C(38K)。
海衛一,與月球的對比
名稱 直徑(千米) 質量(千克) 軌道半徑(千米) 軌道週期(日)
海衛一 2700(月球的80%) 2.15×1022
(月球的30%) 354,800
(月球的90%) -5.877
(月球的20%)
海王星的衛星海衛八

海王星第二個已知衛星(依距離排列)是形狀不規則的海衛二,它的軌道是太陽系中離心率最大的衛星軌道之一。 從1989年7月到9月,「旅行者2號」發現了六個新的海王星衛星。其中形狀不規則的海衛八以擁有在其密度下不會被它自身的引力變成球體的最大體積而出名。儘管它是質量第二大的海王星衛星,它只是海衛一質量的四百分之一。最靠近海王星的四個衛星,海衛三、海衛四、海衛五和海衛六,軌道在海王星的環之內。第二靠外的海衛七在1981年它掩星的時候被觀察到。起初掩星的原因被歸結為行星環上的弧,但據1989年「旅行者2號」的觀察,才發現是由衛星造成的。2004年宣佈了在2002年和2003之間發現的五個新的形狀不規則衛星。[42][43] 由於海王星得名於羅馬神話的海神,它的衛星都以低等的海神命名。

發現日期的時間表,參見太陽系行星和它們的天然衛星的發目前間表

觀察

肉眼看不到海王星,其亮度介乎視星等+7.7和+8.0,比木星的伽利略衛星, 矮行星 穀神星和小行星 灶神星、智神星、虹神星、婚神星和韶神星都暗。在天文望遠鏡或優質的雙筒望遠鏡中,海王星顯現為一個小小的藍色圓盤,看上去與天王星很相似。藍色來自在於它大氣中的甲烷。[44] 它在視覺上的細小給研究造成了困難; 多數從望遠鏡中獲得的數據是相當有限的,直到出現哈伯太空望遠鏡和大型地基望遠鏡與自適應光學技術才獲得改觀。
軌道與自轉

海王星的軌道周期(年)大約相當於164.79地球年。自從於1846年被發現至今,它只完成繞軌道轉一整圈(以發現點作起點)。海王星於2011年7月12日回到繞日公轉軌道上它被發現時的那個點。[45] 由於地球處於其365.25天周期軌道的不同地點,屆時我們看到的海王星並不會處在它被發現時在天空中的那個位置。從地球上觀察,海王星沖日周期為367天,這些周期使它在2010年4月和7月以及2011年10月和11月接近1846年它被發現時的坐標。在2010年8月20日,海王星將於發現它的1846年中的同一天再度沖日。

海王星的自轉周期(日)大約是15小時58分鐘。由於它的自轉軸傾角為28°,與地球(23°)相近,海王星日與地球日時間長度的不同與其漫長的年比起來就算不得什麼了。
探測

主條目:海王星探測

1989年8月25日旅行者2號到達距海王星最近的地點。因為這是旅行者2號飛船所要飛近的最後一個主要行星,也就沒有後續軌道限制了,它的軌道非常接近衛星海衛一,正如旅行者1號飛越土星和它的衛星土衛六時所選擇的軌道那樣。

這次探測發現了大黑斑,但後來用哈伯太空望遠鏡觀察海王星時發現大黑斑已經經消失。大黑斑起初被認為是一大塊雲,而據後來推斷,它應該是可見雲層上的一個孔洞。

海王星上的風暴是太陽系類木行星中最強的。考慮到它處於太陽系的外圍,所接受的太陽光照比地球上微弱1000倍(仍然非常明亮,視星等-21),這個現象和科學家們的原有的期望不符。曾經普遍認為認為行星離太陽越遠,驅動風暴的能量就應該有越少。木星上的風速已達數百千米/小時,而在更加遙遠的海王星上,科學家發現風速沒有更慢而是更快了(1600千米/小時)。這種明顯反常現象的一個可能原因是,如果風暴有足夠的能量,將會產生湍流,進而減慢風速(正如在木星上那樣)。 然而在海王星上,太陽能過於微弱,一旦開始颳風,它們遇到很少的阻礙,從而能保持極高的速度。[來源請求] 海王星釋放的能量比它從太陽得到的還多,[46] 因而這些風暴也可能有著尚未確定的內在能量來源。

1989年PBS用從「旅行者2號」傳回地球的圖像作了一個名為Neptune All Night的整晚節目。[47]
參見

太陽系探測器列表
太陽系探索時間線
木星
土星
天王星

參考文獻

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外部連結
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太陽系

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1846年發現的天體







矮行星
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冥王星和其衛星「卡戎」的想像圖。冥王星在成為太陽系九大行星的76年後,2006年被重新劃分為矮行星。

矮行星(dwarf planet,亦稱侏儒行星、準行星)是2006年8月24日國際天文聯合會重新對太陽系內天體分類後新增加的一組獨立天體,此定義僅適用於太陽系內[1]。簡單來說矮行星介乎於行星與太陽系小天體這兩類之間,但會議後天文學家對此類天體定義仍有爭論。
目錄

1 定義
2 矮行星列表
2.1 候選矮行星
3 大小與質量
4 軌道優勢(Orbital dominance)
5 矮行星和其他的太陽系天體分類
6 種類
7 類冥矮行星
8 相關條目
9 參考文獻
10 外部連結

定義

在2006年8月24日在捷克首都布拉格舉行的第26屆國際天文聯合會的大會中確認了矮行星的稱謂與定義,決議文對矮行星的描述如下:

以軌道繞著太陽的天體。
有足夠的質量以自身的重力克服固體應力,使其達到流體靜力學平衡的形狀(幾乎是球形的)。
未能清除在近似軌道上的其他小天體。
不是行星的衛星,或是其他非恆星的天體。

隨後並把三顆已知的天體:冥王星、原為1號小行星的穀神星與柯伊伯帶天體鬩神星劃入矮行星之中;而該會未來亦會把外海王星天體或者小行星帶的一些符合定義的太陽系天體劃入矮行星之列。與行星定義的不同處只在矮行星未能清除在軌道上相鄰的小天體,因而使冥王星從行星改列為矮行星,因為它未能清除柯伊伯帶上鄰近的小天體,而矮行星將選自傳統中被認為是較小天體的小行星。
矮行星列表

國際天文聯會在2006年8月24日接受了三顆矮行星的登錄,國際小行星中心在9月7日賦與除穀神星的另外兩顆矮行星之小行星編號[2]。2008年7月11日,小行星136472被國際天文聯合會正式命名為「鳥神星(Makemake)」,並被歸類為矮行星[3]。2008年9月17日,小行星136108被國際天文聯合會正式命名為「妊神星(Haumea)」,並歸類為矮行星[4]。

關於冥衛一 (卡戎星),依現行的定義,冥衛一可能是冥王星最大的衛星,也可能與冥王星組成雙矮行星。
矮行星 名稱 穀神星 冥王星 鬩神星 鳥神星 妊神星
小行星中心編號 1 134340 136199 136472 136108
太陽系的區域 小行星帶 柯依伯帶 黃道離散盤面 柯依伯帶 柯依伯帶
分類 小行星 類冥矮行星 類冥矮行星 類冥矮行星 類冥矮行星
直徑(公里) 975×909 2306±20 2400±100 1,300–1,900 1960 × 1518 × 996
質量(千克)
與地球比較 9.5×1020
0.00016 ~1.305×1022
0.0022 ~1.67×1022 ~0.3×1022 ~0.4×1022
平均赤道半徑*
(公里) 0.0738
471 0.180
1,148.07 0.19
~1,200 ~750 ~718
體積*
0.00042
0.0059
0.007
1.8 ×109 km³
密度(克/厘米3) 2.08 2.0 2.1 ~ 2? 2.6–3.3
赤道重力(米/秒2) 0.27 0.58 ~0.68 ~ 0.5 0.44
逃逸速度(公里/秒) 0.51 1.2 1.3 0.8 0.84
自轉周期(天) 0.3781 -6.38718
(逆行) >0.33 ? 0.3238 0.16314
軌道半徑*(天文單位)
平均(天文單位)
平均(公里) 2.5-2.9
2.766
413,715,000 39.5
39.48168677
5,906,376,200 37.77-97.56
67.6681
10,210,000,000 38.5–53.1
45.8
6,850,000,000 34.7-51.5
43.132
6,452,000,000
公轉周期*(恆星年) 4.599 248.09 557 309.9 285.4
平均軌道速度
(km/s) 17.882 4.7490 3.436 4.419 4.484
軌道扁率 0.080 0.24880766 0.44177 0.159 0.18874
軌道傾角(對黃道) 10.587° 17.14175° 44.187° 28.963° 28.19°
赤道傾角(對軌道)
(參見自轉軸傾角) 4° 119.61°
表面平均溫度(K°) 167 40 30 ~ 30 ~ 50
衛星數(個) 0 4 1 0 2
大小排名 5 2 1 3 4

*相對於地球的測量值。

目前為止,沒有拜訪任何一顆矮行星的載人太空探測計劃,因此對這些天體的研究也不會像對太陽系的大行星一樣詳細。推測NASA目前的計畫應不會改變:太空船黎明號和新視野號將在2015年分別抵達穀神星和冥王星[5][6]。
候選矮行星

還有一些候選成為矮行星的天體,附表中這些天體的直徑據研究都大於750公里:
候選矮行星  名稱 分類 直徑 質量
死神星 冥族小天體 840-1880公里 6.2-7.0×1020千克
塞德娜 黃道離散天體 1180–1800公里 1.7-6.1 × 1021千克
創神星 類QB1天體 989-1346公里(?) 1.0-2.6 × 1021千克
2002 TC302 黃道離散天體 ≤1200公里 不詳
伐樓拿 類QB1天體 ~936公里 ~5.9×1020千克
2002 UX25 類QB1天體 ~910公里 ~7.9×1020千克
2002 TX300 類QB1天體 <900公里 不詳
伊克西翁 冥族小天體 <822公里 不詳

在過去,卡戎一直被視為冥王星的衛星,因為到現在都還沒有明確的規範來區分「雙星」(這裡指的是兩顆行星、矮行星或小行星)與附屬衛星。在第26屆國際天文聯合會會員大會原來的決議草案(5)[1] 中,卡戎可能成為矮行星,原因是:

卡戎的大小與形狀滿足成為行星的條件。(在最後決議中,皆成為矮行星的必要條件)
卡戎與冥王星的質量比,使得兩者的質心位置落在兩者之間的空間中,而非在冥王星表面內的一點。

然而,這個定義在最後決議文本中並未被保留,在未來也不知是否會被加入。若相似的定義被採納,查龍將成為矮行星的一員。

第二、第三和第四大的小行星(4號灶神星、2號智神星與10號健神星)也都可能成為矮行星,只要她們能達到流體靜力平衡的形狀(橢球體)。但目前還沒有足夠佐證資料。[7]
大小與質量

矮行星質量和大小的上下限,在國際天文聯合會會員大會的5A決議案中並沒有規範,沒有嚴謹的上限,即使一個比水星還大的天體,若未能將鄰近軌道的小天體清除掉,也許仍然會被歸類為矮行星。

下限則是以能否達到流體靜力平衡的形狀概念來規範,但是對這類物體的大小和形狀尚未定義完成。在國際天文聯合會的5號決議案原先建議的是質量大於5×1020公斤,直徑超過800公里 [1],但是在最後決議的5A案中未予以保留,因此以觀測經驗為依據提供的建議是要根據對象的歷史變化和構成來作認定。

根據部分天文學家的說法,新定義可能會使矮行星的數量增至超過45顆。[8][9]
軌道優勢(Orbital dominance)

阿倫、哈洛德、史蒂文和其他的天文學家對能否清除鄰近軌道的小天體做為矮行星和其他八顆行星的區別仍有爭議,因為要移除鄰近軌道的小天體必需經由碰撞、捕獲、或是重力擾動。這個觀念是結合了軌道優勢與使行星的候選者必須在質量上比鄰近天體的總質量大許多,矮行星則因為質量太小而不足以像行星那樣對身處的環境造成重大的改變。而阿倫和哈洛德發現在最小的地球型行星和最大的小行星與古柏帶天體之間的Λ有5個數量級的明顯差異存在:
行星判別式
天體 質量 (ME*)
Λ/ΛE**
µ***
水星 0.055 0.0126 9.1×104
金星 0.815 1.08 1.35×106
地球 1 1 1.7×106
火星 0.107 0.0061 1.8×105
木星 317.7 8510 6.25×105
土星 95.2 308 1.9×105
天王星 14.5 2.51 2.9×104
海王星 17.1 1.79 2.4×104
冥王星 0.0022 1.95×10−8 0.077
鬩神星 0.005 3.5×10−8 0.10

*ME 地球質量。
**Λ/ΛE = M2/P, 是質量(地球質量=1)平方除以公轉周期(年)之比值。
***µ = M/m,M 是天體的質量,m是共享軌道的其他天體的質量總和。
矮行星和其他的太陽系天體分類

國際天文聯合會以天體在太陽系內的位置、組成或歷史,在第26屆會員大會的5A決議案中,將太陽系的天體歸類為三種類別:行星、矮行星、和太陽系小天體代替早先的分類。這個決議將小行星、外海王星天體(TNO)和彗星都視為太陽系小天體(註腳3)。[10].

沒有了這些分類(小行星、外海王星天體、和彗星),太陽系的天體都將歸類至行星、矮行星、和太陽系小天體,而她們可能是也可能不是後者類別的子集合。

太陽系小天體在註腳3的文字說明是當前包含在太陽系的小天體,大多數的外海王星天體(TNO)、彗星、和其他的小天體,雖然在技術上仍是模稜兩可,但暗示了彗星和其他小天體是太陽系小天體的子集合。使用的字是大多數,因而表明小行星和外海王星天體只是部份包含在太陽系小天體的分類之內。這與穀神星、冥王星和Eris被歸類為矮行星,不是太陽系小天體的結果是一致的。

一個合理的結論是:儘管已經被歸類為矮行星,穀神星仍將繼續做最大的小行星,冥王星和鬩神星也依然是外海王星天體。
種類
圖示是最大的外海王星天體的估計值,包括冥王星和鬩神星,其他天體也可能成為矮行星的一員。

國際天文聯合會26屆會員大會的6A決議案 [2] 認可冥王星是外海王星天體中新類型的標準。這個類別的命名和精確性質並沒有定義,但在決議前的辯論中成員曾以冥王星對象、冥王星的天體來稱呼,但前者有貶損的意味[11] 並且在最後的草案中(6b)被摒棄了[12];後者在大會8月24日的表決中也沒有贏得多數人的認同。目前這個類別的名稱已經被定為無名殘餘。

在進行定義的初期過程中,這個類別(稱類冥行星)曾被定義為軌道周期超過200年的 行星,而且軌道傾角比傳統大了許多。.[13]

符合類冥天體一類只適合於外海王星天體中軌道周期、傾斜、和扁率像冥王星的天體。矮行星可能屬於也可能不屬於這一類,但所有這些的都是矮行星。

除了冥王星之外,屬於這一類的天體仍都不明確,冥王星最大的衛星查龍如果歸類為矮行星時,可能會另成一類。鬩神星和列在上面候選矮行星之列,軌道週期都在下限附近,但軌道傾斜度和扁率都有各自的特性,然而這些不都是等於或大於冥王星的天體。誇歐爾的扁率和軌道傾斜則與類冥天體不盡符合。
下面的圖表在說明原始的草案和表決之間的最後的結果。
表決的結果。
候選的提案 (未獲通過).


類冥矮行星

主條目:類冥矮行星

國際天文聯合會在2006年的6a決議案[2]認為冥王星是海王星外天體的一種新類型的原型。這種類型的命名和確實的性質目前雖尚未被國際天文聯合會指定,但會在未來做確認;在尋求結論的辯論中,pluton和plutonian這兩個名字都被否決而未獲得通過。

在2008年6月11日,國際天文聯合會的執行委員會宣佈了一個新名詞 - 類冥矮行星,其定義為:所有在海王星之外的矮行星都是類冥矮行星[14] [15] 。
相關條目

行星
Mesoplanet
太陽系小天體
外海王星天體(TNO)
太陽系天體列表
清理鄰近區域

參考文獻

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外部連結

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SPACE.com: 問與答:國際天文聯合會提出的行星定義,2006年8月16日
BBC新聞:問與答:新行星提案 2006年8月16日星期三

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冥王星 ♇
發現史
發現者 美國 克萊德·湯博
發目前間 1930年2月18日
軌道參數
半長軸 5.91352×109 km

(39.264AU)
偏心率 0.24901
公轉周期 248年197天5.5小時
會合周期 366.74天
平均軌道速度 4.7490 km/s
軌道傾角 17.1449°
衛星數量 4
近日點 4,436,824,613 千米
(29.658 340 67 天文單位)
遠日點 7,375,927,931 千米
(49.305 032 87 天文單位)
物理特性
赤道直徑 2344 千米
表面積 1700萬 平方千米
質量 1.290×1022 千克
平均密度 1.1 g/cm3
表面重力加速度 0.6 米/秒2
自轉周期 6天9小時17.6分
軸傾角 119.61°
星體反照率 0.30
逃逸速度 1.22 km/s
表面溫度 最低 一般 最高
33K 44K 55K
大氣參數
氣壓 0 - 0.01 kPa
氮 90%
甲烷 10%


冥王星,正式名稱134340號小行星,是太陽系中已發現的第十大[1] 圍繞太陽公轉的天體。它於1930年2月18日被發現,並以羅馬神話中的冥王普路托(Pluto)命名,中文意譯為冥王星。起初,它被認為是太陽系中的一顆行星,但是在2006年8月24日於布拉格舉行的第26屆國際天文聯合會中通過第五號決議,將冥王星劃為矮行星(dwarf planet)。而在2008年6月,國際天文聯會再將冥王星做為子分類類冥矮行星(Plutoid)的原型[2][3]。
目錄

1 發現
2 漫長的公轉
3 較小的體積
4 表面溫度
5 行星地位的爭論
6 衛星
7 對冥王星的探索
8 東亞各國對冥王星的命名
9 參見
10 參考文獻
11 外部連結

發現
藝術家筆下的冥王星及衛星凱倫。1930年被發現後冥王星一直被當作行星,至2006年才被歸類為矮行星。

1894年,美國亞利桑那州的天文學家帕西瓦爾·羅威爾建造了以其名字命名的羅威爾天文台。他試圖在那處搜尋一顆可能存在的新行星,一顆攝動海王星公轉的天體,稱之為「行星X」。羅威爾計算出了那顆行星的所在位置,然而在他有生之年卻未能找到這顆行星。

1916年羅威爾去世後,天文學家克萊德·湯博繼續在羅威爾天文台進行搜尋,把在同一天空、不同時間拍攝的照片底片,在背後燈光的照射下輪流先後顯示,就會看到所有的恆星都沒有變動,只有被拍攝到的行星會有位置變化,這樣就能發現行星和小行星。

多次對冥王星的搜索未能成功,原因是它比人們預計的要暗弱得多。在1919年,天文學家休姆遜曾以攝影方法紀錄到冥王星,但其中一張照片中的冥王星像在污點上,在另一張相片中冥王星則靠在明亮的恆星附近,結果沒有被發現。

1930年1月18日與23日,湯博在雙子座拍攝兩張照片,在這兩張照片上發現一個移動的小點,從而發現冥王星。他在同年2月18日公開這項發現。
漫長的公轉

冥王星距離太陽的平均距離約為59億公里,是地球與太陽平均距離的40倍。而且,它環繞太陽運行的速度只有地球的六分之一,因而要花上248個地球年才能圍繞行太陽一圈。冥王星於1989年9月5日通過近日點(下次為2237年9月16日)、並將於2114年2月19日過遠日點(上次為1866年6月6日)。

冥王星的軌道是一個非常扁的橢圓,在遠日點約有74億公里;近日點也有44億公里。另外,軌道偏心率較大,使冥王星有時比海王星離太陽還要略近一些(例如在1989年~1999年2月9日),但冥王星不會因軌道與海王星相交而與之碰撞,因為冥王星的軌道和海王星軌道相比是傾斜的,冥王星近日點時的位置在海王星軌道「上方」,距離海王星軌道3.78億公里以上。
較小的體積

1988年6月9日,冥王星剛好運行到一顆恆星的前面,根據恆星被遮掩的時間,天文學家們測定冥王星直徑約2344公里,比月球還要小,其質量也只有月球的五分之一。所以冥王星是個小小的世界。

冥王星離太陽極其遙遠,因而在冥王星上看到的太陽,也只是一顆普通的恆星而已。即使是最靠近太陽的時候,它所獲得的太陽光也只有地球的九百分之一,所以冥王星十分寒冷(從-212℃到-234℃)。
表面溫度

冥王星的表面溫度為43K,低於其衛星凱倫的表面溫度。科學家認為冥王星表面存在「反溫室效應」是造成這種現象的原因。一種理論模型認為,陽光將冥王星表面的氮冰加熱成為氣體,從而沒有加熱到冥王星的表面[4]。
行星地位的爭論

冥王星由於尺度小(比其他八大行星小得多)、軌道扁長,許多人對它能不能算一顆真正的行星表示質疑:

其它的一些天體,例如小行星2060(喀戎)的軌道與冥王星十分相似。
太陽系中行星所擁有的衛星中,有7個比冥王星更大,包括月球。
在海王星外有一沿軌道運行的天體帶——古柏帶。許多天文學家認為,冥王星就是這一軌道帶上最大的天體之一,並相信海王星是最後一顆「真正的」行星。

冥王星因為擁有衛星—冥衛一(凱倫),曾經因此被定義為行星。但天文學家其後相繼發現小行星243(愛達)等部份小行星同樣皆有衛星,所以擁有衛星被認為不再是判定行星的標準。

1998年曾有建議把冥王星剔除太陽系行星之列,但當年國際天文聯合會(IAU)否決。2006年8月24日下午,在第26屆國際天文聯合會通過決議,由天文學家以投票正式將冥王星劃為矮行星,自行星之列中除名。

2006年9月7日,國際小行星中心把已知或即將成為矮行星的天體賦與編號,冥王星現編號為小行星134340號。2008年,國際天文聯合會再次將冥王星劃為類冥矮行星的原型[2],為矮行星項下的子分類。
衛星
冥王星、凱倫、尼克斯和許德拉的大小比較

冥王星現有四顆已知的天然衛星。

冥衛一名為Charon(凱倫),於1978年被發現。據天文學家計算所得,它與冥王星形成了一個雙行星系統:它們的質心在冥王星表面以外。

2005年5月哈柏太空望遠鏡發現S/2005 P1及S/2005 P2兩顆冥王星的新衛星,並於翌年6月底的國際天文學合會會議上命名為Nix(尼克斯)與Hydra(許德拉)。2011年7月哈柏望遠鏡發現了第四顆衛星,臨時命名為P4(S/2011 (134340) 1),為冥王星最小的衛星,直徑大約在13公里到34公里之間[5] 。
對冥王星的探索

美國國家航空暨太空總署在2006年1月19日發射無人探測船新視野號,對冥王星及古柏帶進行探索任務。

在制定這探索計劃與發射探測器當時,冥王星是太陽系中唯一一個尚未有人造衛星探測器到訪的行星,但有點諷刺的是當探測器經過漫長的旅行成功到達目的地前,冥王星已於2006年8月24日被列入為矮行星。當然,冥王星的等級劃分並不會真的影響到探索任務本身。
東亞各國對冥王星的命名
Question book-4.svg
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在該星體被發現之後,日本人野尻抱影於1930年以意譯建議命名「冥王星」,東亞多個使用漢字的國家大抵也以冥王星來命名:

中國於1933年採用「冥王星」
日本於1930年,京都天文台就開始用「冥王星」一詞。東京天文台當初使用「プルートー」(「Pluto」的音譯),至1943年採納漢字名稱「冥王星」。
韓國、朝鮮均使用「冥王星(명왕성)」
越南則使用「閻王星」(Diêm Vương Tinh, 漢喃: Sao Diêm Vương)作漢字名。使用國語字來書寫漢越詞產生了一些有關詞彙的來源混淆問題,因為漢語及漢越語同時存在大量的異義同音字。例如「明」與「冥」均書寫成為「minh」,所以「minh」這一字既可解作「明亮」,亦可解作「陰暗」兩個相反的意思。(雖然『冥』一字已經甚少使用)可能正因為這個原因,冥王星的越南語寫法並非如其他同屬漢字文化圈的國家一樣作「Minh Vương Tinh」(冥王星),而是基於佛教和印度教的神「閻王」而改稱「Diêm Vương Tinh」(閻王星)

參見

太陽系探測器列表
太陽系探索時間線
新視野號
2006年行星重定義


參考文獻

^ 小於水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、鬩神星
^ 2.0 2.1 Robert Roy Britt. Pluto Now Called a Plutoid. space.com. 11 June 2008 [2008-06-13].
^ News Release - IAU0804: Plutoid chosen as name for Solar System objects like Pluto. IAU. 六月 11, 2008 [2008-06-22].
^ 2006年世界天文學和天體物理學重要進展. 科技導報. 2007, 25 (3): 13-17 [2007-06-26].
^ NASA s Hubble Discovers Another Moon Around Pluto. NASA. 07.20.11 [2011-07-21].

Alan Stern, Jaqueline Mitton: Pluto and Charon. Univ. of Arizona, Tucson 1997, Wiley-VCH, Weinheim 2005 (2. erw. Aufl.). ISBN 0-8165-1840-8, ISBN 3-527-40556-9 (英文)
J. L. Elliot (u. a.): The recent expansion of Pluto s atmosphere. In: Nature. London 2003, 424 (10. Juli), S. 165–168. ISSN 0028-0836 (英文)
Henderson, Mark (Oct. 30, 2005). "Pluto may lose status of planet". New Straits Times, p. F17. (英文)
Kaufmann III, William J., "Universe", 2nd Edition, pp.302–303 (英文)
Pasachoff, Jay M., and Alex Filippenko, 2007, "The Cosmos: Astronomy in the New Millennium," 3rd Edition. (英文)
Chhabra et al., "Prediction of Pluto by Ketakar", Indian Journal of History of Science, 19(1), pp.18–26, 1984 (英文)

外部連結

冥王星圖片集
IAU 26屆大會決議─行星的新定義
冥王星編號消息─國際小行星中心
新視野號
大陽系內大部分「矮行星」再分類為「類冥矮行星」(plutoids) -新聞消息
類冥矮行星 (plutoids)

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穀神星
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Ceres Ceres symbol.svg Ceres optimized.jpg
哈柏太空望遠鏡下的穀神星(先進巡天照相機拍攝),對比被增強以顯示表面的詳細資訊。
發現[1]
發現者 朱塞普·皮亞齊
發現日期 1801年1月1日
編號
MPC編號 穀神星(小行星1)
命名依據 刻瑞斯
其他名稱 A899 OF; 1943 XB
小行星
分類 矮行星
主帶
軌道參數[2]
曆元 2009年6月18日
(JD 2455000.5)
遠日點 446,669,320公里(2.9858天文單位)
近日點 380,995,855公里(2.5468天文單位)
半長軸 413,832,587公里(2.7663天文單位)
離心率 0.07934[2]
軌道周期 1680.5 日
4.60 儒略年
平均速度 17.882 km/s
平近點角 27.448°
軌道傾角 10.585°[2](相對於黃道)
9.20°(相對於不變平面)[3]
升交點黃經 80.399°[2]
近日點參數 72.825°[2]
物理特徵
赤道半徑 487.3 ± 1.8 km[4]
極半徑 454.7 ± 1.6 km[4]
質量 9.43 ± 0.07×1020 kg[5]
平均密度 2.077 ± 0.036 g/cm3[4]
表面重力 0.27 m/s2
0.028 g[6]
逃逸速度 0.51 km/s[6]
自轉週期 0.3781 d
9.074170 h[7][8]
轉軸傾角 about 3°[4]
北極赤經 19 h 24 min
291°[4]
北極赤緯 59°[4]
反照率 0.090 ± 0.0033 (幾何)[9]
表面溫度
K
最小 平均 最大
? ~167 K[14] 239 K[14]
光譜類型 C-型小行星[10]
視星等 6.7[11] to 9.32[12]
絕對星等 (H) 3.36 ± 0.02[9]
角直徑 0.84"[13] to 0.33"[6]

穀神星,正式名稱是編號為第1號小行星,是在太陽系內已知最大的小行星,並且是唯一位於主帶的一顆矮行星。它於1801年1月1日被朱塞普·皮亞齊發現[15],有長達半世紀之久的時間被稱為第8顆行星。它的名稱源自刻瑞斯,是掌管植物生長、收穫和慈愛的羅馬神。

穀神星直徑大約950公里(590英里),是小行星帶中已知最大和最重的天體,它的質量佔小行星帶總質量的三分之一(32%) [16][17]。最近的觀測顯示它外表呈現球狀,不同於其他較小且重力較低而呈現現不規則形狀的小行星[9]。穀神星的表面可能是各種水冰和水合礦物(如碳酸鹽岩和黏土等)的混合物,[10]。穀神星也出現了分化,有岩石化的核心和以冰為主的地函[4],表面可能有在液態水海洋下形成的海灣[18][19]。

從地球看穀神星,它的視星等在6.7至9.3之間變化著,這種光度太暗以致於不能用裸眼看見[11]。在2007年9月27日,NASA發射了黎明號太空船前往探測灶神星(2011年7月抵達)和穀神星(預計2015年抵達) [20]。
目錄

1 發現
2 命名
3 地位
4 物理特性
4.1 內部的結構
4.2 表面
4.3 大氣層
5 軌道
5.1 從穀神星看行星凌日
6 起源和演化
7 觀測
8 探測
9 參見
10 參考資料
10.1 星曆表
11 外部連結

發現

1772年,約翰·波得最先提出在火星和木星之間可能有一顆未知行星的猜測[15],這主要是根據約翰·丹尼爾·提丟斯1766年提出的提丟斯-波得定則。當時觀察到已知的行星軌道半長軸長度之間有某種規律,但在火星和木星之間廣大的空隙卻破壞了這個規律[15][21]。這個模式預測有一顆軌道半長軸為2.8AU的行星失蹤了[21],而威廉·赫歇爾在1781年發現的天王星[15] 接近提丟斯-波得定則所預測在土星軌道外下一顆天體的位置。因此,他們在1800年邀請當時知名的24位有經驗的天文學家,共同規劃有條不紊的來搜尋這顆建議中的星球[15][21]。這個團隊由Monatliche Correspondenz的編輯弗朗茲·馮·札奇(Franz Xaver von Zach)領導,雖然沒有發現穀神星,但稍後他們發現了幾顆較大的小行星 [21]。
皮亞齊的書描述穀神星的發現

皮亞齊是在西西里巴勒莫受邀參加搜尋工作的天學家之一,但是在他回覆同意接受邀請加入這個團隊之前,皮亞齊已經於1801年1月1日發現了穀神星[22]。當時他在搜尋拉卡伊87,因為它沒有出現在拉卡伊的黃道星表所列出的位置上[15]。在這顆恆星的位置上,皮亞齊發現了一顆像恆星的會移動天體,起初他認為是一顆彗星[23]。皮亞齊總共觀測了穀神星24次,最後一次是1801年2月14日,他的觀測因為生病才中斷。他在1801年1月24日公布了此一發現,但只是寫信通知了兩位天文學家:他在米蘭的同胞巴爾納巴·奧里亞尼與柏林的約翰·波得[24]。他在報告中說這是一顆彗星,「但是它的運動非常緩慢而且均勻,它讓我數度想到應該不是彗星,而更像是其它種類的天體」[15]。在4月,他將完整的觀測報告送給巴爾納巴·奧里亞尼、約翰·波得和在巴黎的拉朗德,這些資料都登載在1801年9月的Monatliche Correspondenz[23]。

不久之後,由於地球在軌道上的運動,穀神星的視位置有了明顯的改變,它的位置太靠近太陽的眩光中,所以其它的天文學家無法在當年結束之前確認皮亞齊的發現。然而,間隔了這麼久的時間,很難預測它確切的位置。為了再次找到穀神星,當時年僅24歲的高斯發展出了一種有效的方法測量軌道[23]。他將完整的三次觀測資料(時間、赤經和赤緯),代入他自己暫定的克卜勒定律。在數學上,這意味著一個在空間中確定的圓錐曲線,將太陽當作圓錐曲線的一個焦點,和二次圓錐曲線上的三個交點(從地球視線的直線與本身運動的橢圓軌道交點),可以由經歷的時間測量行星在弧線上的移動(弧長可以依據克卜勒第二定律計算)。這個問題會導出一個至八個解的方程式,但其中的一個解,地球的軌道是已經知道的。而利用物理學的條件可以排除其餘的六個解,得到解決的方案。在這項工作中,高斯使用了他為此目地而創建的全面近似法[25]。只用了幾個星期的時間,他就完成路徑的預測,並送交給馮·紮克。在1801年12月31日,馮·紮克和歐伯斯 在接近預測的位置上找回了穀神星[23]。

赫歇爾在1802年估計穀神星的直徑是260公里,約翰·希羅尼穆斯·施羅特(Johann Hieronymus Schröter)在1811年的估計則是2,613公里[26][27]。
命名

皮亞齊最初建議命名為刻瑞斯·費迪南多(Cerere Ferdinandea),來源於羅馬神話中的穀物女神刻瑞斯及兩西西里王國的費迪南多國王 [15][23]。但「費迪南多」不被世界上其他的國家接受,因此沒被採用。另外,該天體在德國曾被稱為「赫拉」,但為時不長[28]。在希臘,它被稱為Δήμητρα(得墨忒耳),是與穀神星相同意義的希臘文;但在英文的語法中,Demeter是另一顆小行星小行星1108的名字。形容詞的格式是Cererian[29] 或是罕用的Cererean[30],是從拉丁文的所有格 Cereris轉換的[31]。穀神星的符號是一把鐮刀(穀神星的符號是變形的鐮刀),與金星的符號相似(金星的天文學符號), 後者是象徵女性的性別符號和維納斯手中的鏡子[23][32]。1803年發現的元素鈰就是以穀神星的拉丁名稱Cerium命名的[33]。同樣是在1803年發現的元素鈀,起初也相依據穀神星來命名,但在鈰被命名之後,發現者改為依據在1802年第二顆被發現的小行星智神星來命名[34]。
地位
穀神星、地球和月球的比較圖[35]

穀神星的歸類已經變更過很多次,並且都是天文學家們的意見不和造成的。約翰·波得相信穀神星就是那顆在火星和木星之間,距離太陽4.19億公里(2.8AU)的「失蹤行星」[15]。穀神星被賦予一個行星的符號,在更多小行星被發現之前,穀神星(還有智神星、婚神星和灶神星)有將近半個世紀都以行星之名列在天文學的書表之中[15][23]。

然而當其他的天體陸續在同一範圍內被發現,人們慢慢了解到穀神星只是許許多多相似類型天體的一位而已[15]。威廉·赫歇耳在1802年創造小行星(類似恆星的天體)這個名詞來稱呼這種天體[36],並寫道「它與恆星們是如此的難區別,使用最好的望遠鏡也會以為是小恆星」[37]。作為第一顆被發現的小行星,以現代的小行星編號系統被列為小行星1號穀神星[36]。

在2006年,關於冥王星是不是「行星」的辯論,引發了穀神星是否也應被重新歸類為行星的問題[38][39]。在國際天文聯合會正式定義行星之前,行星曾被定義為「一個天體符合:(a) 有足夠的質量,能以自身的重力克服剛體力,因此能呈現流體靜力平衡的形狀(接近圓球體);(b)在軌道上圍繞一顆恆星公轉,而且不是一顆恆星或行星的衛星」[40]。若依照這種定義,穀神星將會是從太陽系內側按次序排列的第五顆行星[41]。但是,這個定義並沒有被接受,而且一個新定義於2006年8月24日生效:「一顆行星符合(a)和(b),而且必須將鄰近軌道上的天體清除」。根據這樣的定義,穀神星就不是一顆行星(因為它在小行星帶上的軌道佈滿了千千萬萬顆小行星),並且現在歸為「矮行星」(同時還有冥王星和鬩神星),但並未說明它是否還是小行星的問題[42]。天文學裡也存在著小行星帶彗星這種雙重身份的天體,因此也不排除一顆矮行星可以有其它的名稱[43]。
物理特性
最早發現的10顆小行星和地球的衛星月球的比較。穀神星在最左邊。
哈柏太空望遠鏡在2003和2004年間拍攝的穀神星,解析度大約為30公里。亮斑的本質未能確定。

穀神星是在火星和木星中間的小行星帶內最大的天體[10],古柏帶中包含著更大的天體,包括冥王星和它的衛星凱倫、創神星和厄耳枯斯,而屬於黃道離散天體的鬩神星是所有小天體中最大的[44]。

穀神星的質量可以分析它施加在其它更小的小行星上的影響力得知,但是不同的研究者得到的結果都稍有不同[45]。在2008年的三次最精確測量的平均值是9.4×1020 公斤[5][45]。穀神星的質量大約佔了太陽系內小行星總質量3.0 ± 0.2×1021 公斤的三分之一[46],而這總共大約是月球質量的4%。穀神星的大小和質量足以讓它的型狀接近球形[4],也就是說,他接近於流體靜力平衡。而其它的小行星智神星[47]、婚神星[48] 和健神星[49],外形都是不規則的。
內部的結構

康奈爾大學的彼得·湯馬斯提出穀神星有分異的內部[4],因為對一顆未分異的天體來說它的扁率是太低了。這表示它他有一個被含冰的地函包覆的岩石核心[4]。厚約100公里的地函(佔穀神星23-28%的質量,和約50%的體積)[50])包含2億立方公里的冰,這比地球上的淡水總量還要多[51],此一結果得到凱克望遠鏡在2002的觀測和演化模型的支持[5][18]。同樣的,在它的表面上也留下了一些歷史的痕跡(距離太陽是如此的遠,削弱了太陽輻射的影響力,使其在形成的過程中納入了一些低熔點的成分),穀神星的內部可能有揮發性物質[5]。

另一方面,穀神星的形狀和大小或許可以解釋它內部的多孔性和只有部分的分異或是完全未分異。只有一層冰存在於岩石的基礎上,在重力上是不穩定的。如果有任何的岩石礦床陷入一層分異的冰中,將形成鹽類的沉積,而這些岩類是檢測不出來的。因此穀神星可能沒有一個很大的冰殼,取而代之的是多水的成分和低密度的小行星。放射性同位素的衰變也許不足以造成分異[52]。
表面

穀神星的表面成分大致上和C-型小行星相似[10],但是仍然存在著一些差別。穀神星的紅外線光譜顯示水合礦物是無所不在的,這顯示在內部存在著大量的水。其它可能存在表面的成分還有鐵含量豐富的黏土(彈性綠泥石)和碳酸鹽礦物(白雲石和菱鐵礦),它們都是碳質球粒隕石中常見的礦物[10]。碳酸鹽和粘土的光譜特徵在其他C-型小行星裏通常都不會出現[10]。有時,穀神星會被分類為G-型小行星 [53]。

相對來說,穀神星的表面是溫暖的,在1991年5月5日它面向太陽一面的最高溫度曾經在測量中被估計為235K(約-38°C)[14]。考慮到當時的日心距離,估計在近日點的最高溫大約是239 K[原創研究?]。
圖示顯示出穀神星內部可能的結構。

穀神星的表面只有少數的特徵被確實的觀測到。哈柏太空望遠鏡在1995年拍攝的高解析紫外線影像顯示在表面有一個暗斑,被暱稱為「皮亞齊」,以尊崇穀神星的發現者[53],這被認為是一個坑洞。之後,使用凱克望遠鏡的調適光學觀察了完整的自轉,並獲得更高解析的近紅外線影像,顯示有一些明亮和黑暗的表面特徵會隨著這顆矮行星的自轉一起運動[5][54]。有兩個形狀是圓形的暗斑被假設是坑穴,而其中的一個被觀測到在中央有明亮的區域,而另一個被確認就是「皮亞齊」[5][54]。更多的特徵出現在2003年和2004年由哈柏太空望遠鏡拍攝的完整自轉照片上,顯示有11個可以分辨的表面特徵,但是目前還不清楚它們的本質[9][55]。這些特徵中的一個可以對應到較早之前觀測到的「皮亞齊」[9]。

這些最後的觀測還確定了穀神星的北極指向天龍座的方向,在赤經 19 時24 分(291°),赤緯 +59°。這意味著穀神星的轉軸傾角非常小,大約只有3°[4][9]。
大氣層

有跡象顯示穀神星有著微弱的大氣層[56]。在距離太陽5AU之內,天體表面的水冰是不穩定的[57],所以當直接暴露在太陽輻射下時,它可以昇華。水冰可以從穀神星的深層遷移到表面,但是會在很短的時間逃逸。結果是,很難檢測到水氣的蒸發。在1990年代的初期,有可能觀測到水從穀神星的極地洩漏出來,不過沒有辦法證明。也可能在新撞擊火山口或是裂縫中檢測到逃逸出來的水蒸氣[5] 國際紫外線探測衛星的紫外線觀測顯示在穀神星的北極檢測到在統計上有意義的氫氧化物,是由太陽輻射的紫外線分解水蒸氣的產物[56]。
軌道
穀神星的軌道

穀神星的軌道介於木星和火星之間,位於小行星帶的主帶內,每4.6地球年繞行太陽一周。軌道有些傾斜(i = 10.6°,作比較的水星有7°,冥王星有17°)和離心率(e = 0.08,作比較的火星是0.09)[2]。

說明圖中呈現穀神星的軌道(藍色)和一些行星的軌道(白色/灰色),在黃道面下方的軌道使用較暗的顏色,並以橘色的加號表示太陽的位置。左上圖是從極點鳥瞰的圖,穀神星的軌道在火星和木星中間的空隙內;右上圖是特寫圖,標示出火星和穀神星的近日點(q)和遠日點(Q),火星的近日點與小行星帶主要的小行星,包括智神星和健神星,分在太陽的兩側;下圖是顯示軌道傾角的透視圖,將穀神星和火星與木星的軌道比較。

在過去,穀神星曾經被認定是小行星家族中最大的小行星[58]。這一家族的小行星共享著相似的軌道元素,表示這些小行星有著共同的起源,是在某一段時間經過碰撞後形成的。但是,發現穀神星的光譜特性與家族中其他成員的不同,因此這個家族現在已經更名為吉菲昂族,是依據家族中序號最小的1272 吉菲昂命名的[58]。穀神星看來是這個家族的侵入者,恰巧有著相似的軌道元素,但來源是不同的[59]。

穀神星的自轉週期(穀神日)是9小時4分[7]。
從穀神星看行星凌日

水星、金星、地球、和火星都是穀神星內側的行星,因此都會有凌日的現象。最常發生的是水星凌日,通常隔幾年就會發生一次,最近的是2006年和2010年。相應於金星的日期是1953年和2051年,對地球是1814年和2081年,火星則是767年和2684年[60]。
起源和演化

穀神星可能是尚存的原行星(萌芽期的行星),於45.7億年前在小行星帶中形成[61]。雖然大多數內太陽系的原行星包括所有(月球-火星大小的天體)不是和其他的元行星合併成為類地行星,就是被木星彈射到太陽系外[61],穀神星相信是留存下來較為完整的[18] (另一顆可能是原行星的是灶神星,它的體積更小,並在固化後曾遭受重大的撞擊,損失它自身~1%的質量[62]),一個替代的理論則認為穀神星形成於古柏帶,稍後才遷移到小行星帶[63]。

穀神星的地質演化取決於形成期間和之後可用的熱源:來自微星吸積的摩擦力、各種不同放射性元素的可能包括短半衰期的元素(像是26Al)。這些被認為已足以使穀神星在形成後不久分異為岩石的核心和冰的地函[9][18]。這種過程可能導製表面被水火山和地質構造重塑,消除了古老的地質容貌[18]。由於它比較小,穀神星會比較快的冷卻而有效的阻止導致早期地質結構重整的過程[18][19]。任何在表面上的冰都會逐漸昇華,留下各種的水合礦物,像是黏土和碳酸鹽 [10]。

今天,穀神星似乎是一顆地質處於非活躍狀態的天體,表面可能只受到撞擊的影響[9]。大量的水冰存在於其組成內[4],使得穀神星內部可能有一層液態水的存在[18][19],這個假設的層或許可以稱為海洋[10]。如果有一層液態水存在,相信他會藉於古體的核心和冰地函之間,就像在理論上存在於歐羅巴的海洋一樣 [18]。海洋的存在更誘可能將溶質(即鹽、氨、硫酸或其它的防凍劑等成分)溶解在其水[18]。
觀測

當穀神星在近日點附近衝時,它的視星等可以達到+6.7等[11],一般認為對裸眼來說這樣的光度還是太暗而難以見到,但視力特別銳力的觀測者可能可以看見這顆矮行星。穀神星在2012年12月18日的視星等可以達到+6.73等[12]。亮度可以達到這種程度的小行星還有灶神星、智神星(在罕見的近日點衝)和虹神星[64]。穀神星在合的時候光度是+9.3等,相當於使用10X50的雙筒望遠鏡可以看見的最暗天體。因此,當他在地平線上的任何時刻,只要天空夠黑暗,都可以用雙筒望遠鏡看見它。

觀察穀神星的一些值得關注的里程碑包括:

1984年11月13日,在墨西哥、佛羅里達和加勒比海之間,觀測到穀神星的恆星掩星[65]。
在1995年6月25日,哈柏太空望遠鏡的紫外線觀測得到解析度達到50公里的影像[53][66]。
在2002年,凱克望遠鏡使用調適光學得到解析度30公里的紅外線影像[54]。
在2003年和2004年使用哈柏太空望遠鏡觀測,得到解析度30公里的可見光影像(最好的資料) [9][55]。

探測
藝術家描繪下探測穀神星和灶神星的黎明號。

迄今還沒有太空船曾經拜訪過穀神星,然而NASA已經在2007年9月27日發射黎明號太空船,在2011年探測灶神星,然後在2015年探測穀神星[20]。

執行這項任務的黎明號太空船將會先進入高度5,900公里的軌道環繞穀神星,經過5個月的研究之後,太空船會先將高度降低至1,300公里,然後再經過5個月才降至700公里[67]。這艘太空船攜帶的儀器包括框架相機、可見光和紅外分光儀、伽瑪射線和中子偵測儀。這些將用來審視這顆矮行星的形狀和元素豐度[20]。

從在火星表面和軌道上環繞的太空船所發送的無線電訊號,觀察火星受到穀神星的運動所誘導的攝動,曾經被用來估計穀神星的質量。
參見
太陽系主題 太陽系主題首頁

小説中的穀神星
曾被列為行星的太陽系天體

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星曆表

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外部連結

Movie of one Ceres rotation (processed Hubble images)
How Gauss determined the orbit of Ceres from keplersdiscovery.com
An up-to-date summary of knowledge about Ceres, plus an Earth-Ceres size comparison (the Planetary Society)
A simulation of the orbit of Ceres
A website dedicated entirely to 1 Ceres

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鬩神星 FFHoE.svg 鬩神星(中央)及鬩衛一(中央偏左),以哈伯太空望遠鏡拍攝
鬩神星(中央)及鬩衛一(中央偏左)
哈伯太空望遠鏡
發現
發現者 米高·布朗
乍德·特魯希略
大衛·拉比諾維茨[1]
發現日期 2005年1月5日[2][g]
編號
MPC編號 136199 Eris
發音 中文:xìshénxīng
希臘語:Έρις [a]
命名依據 厄里斯
其他名稱 2003 UB313[3]
小行星
分類 矮行星
海外天體
類冥矮行星
黃道離散天體[4][5]
軌道參數[3]
曆元 March 6, 2006
(JD 2453800.5)[6]
遠日點 97.56 AU
14.60×109 km
近日點 37.77 AU
5.65×109 km
半長軸 67.67 AU
10.12×109 km
離心率 0.441 77
軌道周期 203,600 日
557 年
平均速度 3.436 km/s
平近點角 197.634 27°
軌道傾角 44.187°
升交點黃經 35.869 6°
近日點參數 151.430 5°
衛星 鬩衛一
物理特徵
平均半徑 1300+200−100 km (2007)[7]
初次測量: ≤1170 (2010)[8]
表面積 78,500,000 sq km (48,777,638.6 sq mi)
質量 (1.67±0.02)×1022 kg[9]
0.002 地球質量
平均密度 2.25–2.5 g/cm3[10]
表面重力 ~0.8 m/s2
自轉週期 25.9 ± 8 hr[3]
反照率 0.86 ± 0.07
表面溫度
(近似值)
最小 平均 最大
30 K 42.5 K 55 K
光譜類型 B-V=0.78, V-R=0.45[11]
視星等 18.7[12]
絕對星等 (H) −1.19 ± 0.3[3]
角直徑 40 毫弧秒[13]

鬩神星[14](小行星序號:136199 Eris)是現已知太陽系中最巨大的矮行星,在所有直接圍繞太陽運行的天體中排名第九。它估測直徑約為2300–2400公里,比冥王星重約27%,質量約為地球質量的0.27%。它由米高·布朗、乍德·特魯希略和大衛·拉比諾維茨在2005年1月5日,從一堆於2003年10月21日拍攝的相片中發現,並在2005年7月29日與2003 EL61一起公佈,當時它的暫時編號為2003 UB313,名字暫稱為齊娜(Xena)。

鬩神星於2005年7月位於距離太陽97個天文單位遠的位置,而它的軌道極為傾斜,公轉周期為557年。它被分類為黃道離散天體(偏離地球軌道平面的星體)。在2006年8月之「第26屆國際天文學大會」上,把2003 UB313劃入矮行星之列,賦與小行星編號136199號,並以希臘神話中的鬩神厄里斯(Ἒρις)命名。

因為鬩神星看起來比冥王星要大,所以一開始它的發現者[15] 和NASA 把其稱之為太陽系的第十大行星。這個,以及之後其他類似大小天體的發現,促使國際天文聯合會第一次重新進行行星定義。根據2006年8月24日的IAU的行星定義 ,鬩神星是一個同冥王星、穀神星、妊神星、鳥神星一樣的矮行星。[16]

2010年11月6日,對鬩神星掩星的初步結果顯示,其直徑約2326公里,誤差±12公里[17],只和冥王星相當。[18] 從標準差來估計,現在還很難確定鬩神星和冥王星哪個更大。 [19] 估計兩者固體直徑大約在2330km。[20]
目錄

1 發現
2 命名
2.1 中文命名
3 大小
4 表面和大氣層
5 衛星
6 參考文獻
7 外部連結

發現

鬩神星由米高·E·布朗、查德·特魯希略[2] 和戴維·拉比諾維茨利用2003年10月21日的照片在2005年1月5日分析發現的。這個發現在7月29日發布,同一天還發布了鳥神星,2天後發布了妊神星。[21] 發現鬩神星的團隊,在以往幾年已有系統地找尋大型太陽系外圍天體。他們曾發現了另外數個海王星外天體,包括創神星、亡神星和小行星90377。

2003年10月21日,他們在美國加里福尼亞州帕洛瑪天文台的48英寸 Samuel Oschin 反射望遠鏡作例行觀察。由於鬩神星移動緩慢,小組的圖像自動分析軟體沒有發現該星體。為了降低假陽性的比例,軟體把移動低於1.5弧秒/小時的物體排除在外。賽德娜發現的時候其移動是1.75弧秒/小時。受此啟發,研究小組用更低一點的角度移動限制,再次分析了以前的數據,並人工排查。2005年1月,再次分析的數據才揭示了鬩神星在背景星空下的緩慢移動。
透過動畫顯示出鬩神星的運動軌跡,也有助於其的發現。箭頭所指的即為鬩神星,這動畫總共花費將近三個小時。
海王星外天體分布。

該團體原計劃推遲公佈他們的發現,直至後續的觀察能更準確決定它的大小和質量。但他們顯然受到了西班牙其他小組搶先發表的巨大壓力,而不得不提前公布這一重大發現。[2]

2005年10月,更深入的觀測發現,鬩神星有一個衛星,之後被命名為迪絲諾美亞。觀測迪絲諾美亞的軌道使得科學家能夠決定鬩神星的質量。2007年6月,觀測結果顯示鬩神星的質量大約是 (1.66 ± 0.02)×1022kg,比冥王星重27%。
命名

根據小行星的命名常規,此星體的臨時命名2003 UB313。發現者有權決定它的名字,只要獲國際天文聯盟認可。在發現者的網站中,此小行星使用了「Lila」這名字(取名自美國加州理工學院天文學家布朗的女兒 Lilah)。該發現後來在 [1] 指這是「一個感情用事的父親在大清早對網站的命名」。

因為它的體積比冥王星大,它曾經會被考慮成為太陽系的第十行星。但由於目前已發現多個與冥王星大小相若的天體,冥王星作為行星的看法再次受到考驗,以至於最終與冥王星一起被劃歸為矮行星,2006年9月7日被國際小行星中心正式編號為小行星136199號,並以希臘神話中的不和女神厄里斯命名為「Eris」。
中文命名

發現之初,中文的名稱頗為紛亂,有採用音譯的,也有意譯的,莫衷一是。2007年6月16日,在揚州召開的天文學名詞審定委員會工作會議上,名詞委委員、臺灣同仁和特約代表共21人,鑑於發現矮行星 Eris 影響太陽系的行星分類與定義,經過大家充分的意見表達與溝通後,以兩階段投票表決的形式敲定了中文採用意譯,譯名為「鬩神星」;同時將其衛星Dysnomia定名為「鬩衛一」。[22]

「鬩神星」這個名字,最早見於水木社區BBS中,網友littledrunk於2006年9月19日發表的文章 [2]。
2003年10月21日拍攝的鬩神星影像,由美國加里福尼亞州帕洛瑪天文台的48英寸Samuel Oschin反射望遠鏡攝得。這三張連續相片總計約花費90分鐘分別攝得,其中相片中圈起並有稍微移動的即為距離太陽系有一定距離的鬩神星。這些連續相片攝得時,科學家仍尚未意識到鬩神星的存在,直到2005年1月8日才注意到這顆矮行星。


大小
藝術家畫筆下的「第十大行星」鬩神星,右下角遠端的燃燒星點即為太陽。

太陽系內星體的光度,同時取決於它的大小和它的反照率(反射光線的量)。如能找出它與太陽的距離及它的反照率,它的半徑就能透過它的視星等找出來,反照率較高意味著半徑較小。目前,鬩神星的反照率仍未找出,所以它的確實大小仍有待確定。但是,天文學家已計算出,即使它的反照率達到1.0(最高),它計算出來的大小仍會有冥王星那樣大。然而,該小行星的反照率肯定不會到1(大部分古柏帶星體都很暗),所以我們能認定它的大小應會較冥王星大一些。人們目前猜測它的反光度應會與冥王星接近,大約0.6左右,估計它的直徑約為2,900公里。

史匹哲太空望遠鏡可推斷該天體的大小上限,但因為某種技術上的錯誤,使它未能作出首度對鬩神星的觀測。在問題解決後,它於2005年8月23日至8月25日成功作出觀測,並推斷其直徑約為2,700公里,比冥王星的2,274公里大20%。雖然這些數據在日後或會改動,但布朗已斷定2003 UB313比冥王星大,並打賭如果它真的比冥王星小,他會把望遠鏡吃掉。

為了更準確量度2003 UB313的半徑,發現者小組動用了哈柏望遠鏡作出觀測。一顆直徑3,000公里的天體在97 AU的距離外,其角度大小會是0.04角秒,哈柏望遠鏡有能力直接觀測得到。雖然接近它的能力極限,但憑藉不少影像處理技術,他們仍可計算出準確數字。在之前,他們也曾使用同樣的方法,直接量度出小行星「創神星」的半徑。

2006年2月號的《自然》雜誌,刊出了馬克斯·普朗克學會的毫米波段射電天文學(Max Planck Institute for Radio Astronomy at Millimeter wavelengths,簡稱IRAM)小組在1.2毫米電磁波下對鬩神星的間接測量數據,該小組公佈2003 UB313的直徑為3,000千米。但哈柏望遠鏡於2005年12月9-10日直接測量的 結果 顯示其直徑僅有2384±96公里左右。
表面和大氣層
與冥王星做對比的鬩神星的紅外光譜,有顯著的相似點。箭頭表示甲烷的吸收譜線。
鬩神星和鬩衛一的藝術效果圖。鬩神星是主天體,鬩衛一是上面小的灰點。上面左邊發光的物體是太陽。

在確定本小行星的發現之後,科學家利用光譜儀對鬩神星進行詳細觀測。他們於2005年1月25日動用了位於夏威夷的8米口徑北雙子望遠鏡進行觀測,並從光譜儀的紅外線資料發現小行星表面有甲烷冰。這意味著鬩神星的表面與冥王星很相似。這是除了冥王星外,第二個含有甲烷的海王星外天體天體。另一方面,海衛一的表面也擁有甲烷,使人們認為它也與海王星外天體有關。由於甲烷的高揮發性,這表明鬩神星經常都處於太陽系的遠處,使它的甲烷冰不會因為來自太陽的輻射熱而揮發。[23]

由於鬩神星的遙遠的偏心軌道,估計表面溫度在-243到-217攝氏度之間(30到56開)[2] 不像冥王星和海衛一一樣略帶紅色,鬩神星呈現出灰色。[2] 冥王星的微紅色是由表面沉積的索林所反映出來的。這些沉積物使得表面更加灰暗,更低的反射率會導致較高的溫度並使甲烷增發。與此相反,鬩神星離太陽足夠遠,即使表面反射率較低也能夠使甲烷能夠在其表面凝結。這些在行星表面凝結的甲烷能夠更加降低反射率並覆蓋任何紅色的索林。[24]

即使鬩神至太陽的距離比冥王星要遠三倍,它也有至太陽足夠近的時候,表面溫度升高至部分的冰都開始升華。甲烷是極易揮發的,其存在說明要麼鬩神星一直處於遠離太陽系的位置從而保持甲烷冰的存在,要麼就是星體內有一個甲烷的內部來源來補充從大氣中逃脫的氣體。這和另一個新發現的海王星外天體,妊神星表面不同。妊神星表面覆蓋的是水而不是甲烷。 [25]
衛星

主條目:鬩衛一

2005年間,夏威夷凱克望遠鏡的調適光學小組使用了新的雷射導引星調適光學系統,對四顆最亮的古柏帶天體進行觀測,分別為冥王星、鳥神星、妊神星及鬩神星。[26] 在9月10日的觀測結果中,他們發現有一顆衛星繞著鬩神星運行。為了與鬩神星已經有的名字西娜作伴,布朗的研究小組使用作為這個衛星的暱稱,加百利是一個電視劇戰士公主的密友。當IAU給予鬩神星正式名字的時候,這個衛星被命名為迪絲諾美亞(Δυσνομια,希臘神話中鬩神之女)的名字,而中文譯名則為鬩衛一。這個名字還反應了鬩神星舊的非正式名字西娜,電視上由露西·勞倫斯扮演。[27]
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外部連結

太陽系發現第十顆行星 (中時電子報)
太陽系發現第十大行星 美研究成果引發爭議 (百靈寬頻)
天文學家聲稱發現第十大行星 比冥王星還大 (上海網上天文台)
太陽系第十顆行星 找到了 (自由電子報)
MPEC listing for 2003 UB313
Astronomers Discover "10th Planet" - Sky & Telescope article
Slacker Astronomy Interview With Co-Discoverer Trujillo
Astronomers at Palomar Observatory Discover a 10th Planet Beyond Pluto - official webpage (yet to be updated)
Jet Propulsion Laboratory News Release
spaceflightnow.com
space.com
[3]
[4]
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鳥神星
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鳥神星 Makemake hubble.png
哈柏太空望遠鏡拍攝到的鳥神星
發現
發現者 米高·E·布朗、
乍德·特魯希略、
大衛·拉比諾維茨
發現日期 2005年3月31日
編號
MPC編號 (136472) Makemake
其他名稱 2005 FY9
小行星
分類 矮行星、類冥矮行星、外海王星天體(類QB1天體)[1]
軌道參數[2][3]
曆元 1955年1月28日(JD 2 435 135.5)
遠日點 7 939.7 Gm(53.074 AU)
近日點 5 760.8 Gm(38.509 AU)
半長軸 6 850.3 Gm(45.791 AU)
離心率 0.159
軌道周期 113 183 d(309.88 a)
平均速度 4.419 km/s
平近點角 85.13°
軌道傾角 28.96°
升交點黃經 79.382°
近日點參數 298.41°
本徵軌道參數
物理特徵
大小 1300-1900 km
平均半徑 750^{200}_{100} km[4]
表面積 ~7 000 000 km²
體積 ~1.8 × 109 km³
質量 ~4 × 1021 kg
平均密度 ~2 g/cm³(假定)
表面重力 ~0.47 m/s²
逃逸速度 ~0.84 km/s
自轉週期 未知
轉軸傾角 未知
反照率 78.2^{10.3}_{8.6}(幾何)[4]
溫度 30-35 K [c](假定反照率不變)
視星等 16.7(沖)[5]
絕對星等 (H) -0.48[3]

鳥神星(英語:Makemake,發音為:/ˌmɑːkiːˈmɑːkiː/ MAH-kee-MAH-kee[6]或/ˌmɑːkeɪˈmɑːkeɪ/ MAH-kay-MAH-kay[7][8]),正式名稱為(136472) Makemake,是太陽系內已知的第三大矮行星,亦是傳統古柏帶天體中最大的兩顆之一。[a]鳥神星的直徑大約是冥王星的四分之三。[9]鳥神星沒有衛星,因此它是一顆孤獨的古柏帶大天體。鳥神星的平均溫度極低(約30 K(−243.2 °C)),這意味著它的表面覆蓋著甲烷與乙烷,並可能還存在固態氮。[10]

最初被稱為2005 FY9的鳥神星(後來被編號為136472),是由米高·E·布朗領導的團隊在2005年3月31日發現的;2005年7月29日,他們公佈了該次發現。2008年6月11日,國際天文聯合會將鳥神星列入類冥矮行星的候選者名單內。類冥矮行星是海王星軌道外的矮行星的專屬分類,當時只有冥王星和鬩神星屬於這個分類。2008年7月,鳥神星正式被列為類冥矮行星。[11][12][13][14]
目錄

1 發現
1.1 命名
2 軌道與分類
3 物理特徵
3.1 亮度、大小和自轉
3.2 光譜
3.3 大氣
4 衛星
5 注釋
6 參考文獻
7 外部連結

發現

米高·布朗領導的團隊在2005年3月31日發現了鳥神星,[3]並在2005年7月19日將此發現與鬩神星的發現一同公布,但比妊神星的公布晚了兩天。[15]

雖然鳥神星的相對亮度較高(約有冥王星的五分之一亮),[b]但人們長久以來都沒有發現它,而事實上連許多更暗的古柏帶天體都已被發現了。這是因為多數搜尋小行星的活動都是緊鄰著黃道(從地球上觀察,太陽、月球和眾多行星所處的平面)進行的,畢竟在黃道附近發現小行星的幾率最高。因此,在早期的觀測中,人們並沒有發現鳥神星,這大概得歸咎於它的高軌道傾角,以及它被發目前的位置:當時它正位於北天后髮座,處於離黃道最遠的地方。[5]

1930年前後,在克萊德·湯博對外海王星星體的搜尋中,除冥王星外,鳥神星是唯一一顆其亮度足以讓湯博觀測到的矮行星。[16]在湯博觀測的那段時間裡,鳥神星距黃道只有幾度,靠近金牛座和御夫座的交界處,[d]視星等約為16.0等。[5]很不幸的是,這一位置也相當靠近銀河,湯博幾乎不可能從密布恆星的背景中找出鳥神星來。發現冥王星後,湯博在多年裡仍在孜孜不倦地搜尋行星,[17]但他終未發現鳥神星或任何其他的外海王星天體。
命名

在鳥神星的發現被公之於眾時,它曾使用過2005 FY9的暫定名稱(英語:Provisional designation in astronomy)。而在此之前,發現的團隊還曾使用「復活兔」作為該天體的代稱,因為它是在復活節過後不久被發現的。[6]

2008年7月,為了與IAU對傳統古柏帶天體命名的規則相一致,2005 FY9被以創造之神(英語:Creator deity)馬奇馬奇(英語:Makemake (mythology))的名字來命名。馬奇馬奇是復活節島拉帕努伊族原住民神話中的人類創造者與生殖之神,[11]選擇這一名稱的部份原因是要保留該天體同復活節之間的關聯。[6]
軌道與分類
鳥神星軌道(藍色)、妊神星軌道(綠色)、冥王星軌道(紅色)以及黃道(灰色)。近日點(q)[3]與遠日點(Q)旁標註有經過日期。圖中各天體均處於2006年4月的位置,並表現出了相對大小和不同的反照率及顏色。

截至2009年,鳥神星距離太陽52天文單位(7,780,000,000公里);[5]幾乎是在它軌道上離太陽最遠的地方。[10]鳥神星的軌道與妊神星非常相似:高達29°的軌道傾角和約0.16的中度離心率。[18]然而,鳥神星的軌道在半長軸與近日點處都要離太陽稍微遠一些。它的軌道週期大約是310年,[2]比冥王星的248年與妊神星的283年都要長。鳥神星與妊神星現在的位置都遠離黃道——角距大約為29°。鳥神星將在2033年經過遠日點,[5]而妊神星已在1992年初經過遠日點。[19]

鳥神星在分類上屬於傳統的古柏帶天體,[1][a]意即它的軌道因遠離海王星而能長期保持穩定。[20][21]不同於會穿越海王星軌道的冥族小天體,傳統古柏帶天體已經擺脫了海王星的軌道擾動;這是因為冥族小天體與海王星之間存在2:3的軌道共振,而傳統天體在近日點處都比海王星遠離太陽。[20]傳統古柏帶天體的相對離心率較低(e低於0.2),因此像行星一樣的繞著太陽運轉。然而,鳥神星在此一族群中仍稱得上是一名「另類」,因為它相較於其他傳統古柏帶天體有著較大的軌道傾角。[22] 鳥神星與海王星之間可能存在著11:6的軌道共振,但需進一步的天文觀測資料來加以驗證。[23]

2006年8月24日,國際天文聯合會(IAU)公布了對行星的新定義,其中將環繞太陽運行的天體明確地分為三類:「太陽系小天體」的質量小到不足以依靠自身引力形成球形表面;「矮行星」雖有足夠質量以形成球形,但仍不能清除其軌道上相似大小的天體;「行星」則不僅有足夠質量形成球形,且能清除其軌道上相似大小的天體。[24]在此分類下,冥王星、鬩神星和穀神星被重新分類為矮行星。[24]

2008年6月11日,在原有行星分類的基礎上,為了專門給海王星軌道外發現的矮行星進行分類,IAU進一步增加了類冥矮行星這一矮行星子分類。鬩神星和冥王星屬之,但穀神星卻不是。一顆未知是否達到流體靜力學平衡的天體,如要能被IAU歸類為類冥矮行星,則必須具有較高的亮度,其絕對星等必須小於或等於+1,[25]這意味著只有鳥神星與妊神星可能符合這個資格。[26]2008年7月11日,IAU/USGS的行星命名工作小組將鳥神星列入類冥矮行星,使它成為官方認定的矮行星,也是繼冥王星和鬩神星之後的第三顆類冥矮行星。[11][14]
物理特徵
亮度、大小和自轉

目前,鳥神星是繼冥王星之後第二亮的古柏帶天體,[16]在3月於后髮座衝的時候視星等約為16.7等。[5]這種亮度使用一門業餘的高階望遠鏡就可以觀測到。鳥神星的反照率高達80%左右,由此估計其表面溫度約為30 K。[c][4]鳥神星的精確大小還不是十分清楚,但依據史匹哲太空望遠鏡的紅外觀測數據以及與冥王星相似的光譜,可得出的直徑估計值約為1,500+400−200 km。[4]這個數值比妊神星略大,使鳥神星成為繼鬩神星和冥王星後的已知第三大外海王星天體。[18]鳥神星現在已成為太陽系的第四顆矮行星,因為它在可見光波段的絕對星等已達-0.48等;[3]這實際上確保了它擁有足夠大的質量來達到流體靜力學平衡並成為橢球體。[11]
地球、鬩神星、冥王星、鳥神星、妊神星、賽德娜、亡神星、創神星和伐羅那的比較。

截至2008年7月,鳥神星的自轉周期依然是未知的,因為尚未觀測到可辨識的光度變化。[27]這其中有兩種可能的原因:其一是鳥神星寒冷的大氣將各處地表塑造得極為相似,其二是鳥神星可能是以極地對著地球的。如果是後一種情況,那麼可以預料,鳥神星的地貌將極不對稱:當前可見的夏季半球要比冬季半球穩定得多。[28]
光譜

在2006年寫給《天文和天文物理(英語:Astronomy and Astrophysics)》期刊的快報中,利坎德羅(Licandro)等人報告了對鳥神星可見光與近紅外光譜的觀測結果。他們使用了威廉·赫歇耳望遠鏡與伽利略望遠鏡(英語:Telescopio Nazionale Galileo)進行了觀測,得出了鳥神星地表類似於冥王星的結論。[29]類似於冥王星,鳥神星在可見光譜中呈現紅色,但要遠淺於鬩神星地表的紅色(參見外海王星天體的顏色比較)。[29]近紅外光譜顯示有甲烷(CH4)吸收頻帶(英語:absorption band)的存在。此前亦在冥王星與鬩神星上觀測到有甲烷存在,但後兩者的光譜特徵要明顯弱於鳥神星。[29]

光譜分析顯示,鳥神星表面存在有直徑大於一公分的大顆粒甲烷晶體。[10]除此之外,鳥神星表面還可能存在著大量的乙烷與托林物質(英語:tholin),這些物質極有可能是甲烷受太陽輻射後光解的產物。[10]托林物質可能是鳥神星可見光譜呈紅色的原因。儘管有證據表明,鳥神星表面存在著可能與其他冰質混合的氮冰,但它卻沒有達到冥王星與海衛一外殼含氮98%的水平。其中的原因,可能是氮物質在太陽系早期因不明原因被消耗了。[10][28][30]
大氣

甲烷與可能存在的氮意味著鳥神星上可以短暫地存在大氣,這一現象與冥王星靠近其近日點時相似。[29]如果鳥神星存在氮物質,那麼氮氣將成為鳥神星大氣中的主要物質。[10]大氣的存在也為氮的流失提供一種合理解釋:由於鳥神星的引力弱於冥王星、鬩神星與海衛一,鳥神星可能會因為大氣逃逸作用(英語:atmospheric escape)而損失大量的氮;而甲烷雖輕於氮,但在鳥神星表面處於常溫(30-35 K)時,[c]甲烷的蒸汽壓卻會明顯低於氮氣,這會抑制甲烷的逃逸;此過程的結果便是讓甲烷的相對含量不斷升高。[31]
衛星

目前尚未在鳥神星附近發現衛星。如果一顆衛星亮度可達主體的1%,且距鳥神星有0.4弧秒或更遠,那麼它就有可能被探測到。[16]相對地,其他較大的外海王星天體都至少擁有一顆衛星:鬩神星有一顆,妊神星有兩顆,而冥王星更有四顆。預測大約有10%-20%的外海王星天體有一顆或更多的衛星。[16]由於衛星能為質量測定提供一種簡單的方法,缺少衛星會令人們更加難以測定鳥神星的準確質量。[16]
注釋

^ 天文學家邁克·布朗、大衛·朱伊特(英語:David C. Jewitt)與馬克·布伊(英語:Marc Buie)將鳥神星歸類為近離散天體,但小行星中心則將鳥神星分類為主古柏帶天體.[10][32][2][33]
^ 鳥神星在沖時的視星等為16.7等,而冥王星為15等.[27]
^ 據小行星中心在線的小行星星曆服務(Minor Planet Ephemeris Service):1930年3月1日: RA: 05h51m, Dec: +29.0.

參考文獻

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外部連結

MPEC的鳥神星列表
AstDys,軌道數據
軌道模擬,來自JPL(Java)/星曆表
新聞稿,威廉·赫歇耳望遠鏡WHT與TNG對鳥神星的觀測發現其類似於冥王星
鳥神星的圖表與軌道
Precovery image,1.06米的Kleť Observatory望遠鏡,2003年4月20日
外太陽系的鳥神星,APOD,2008年7月15日

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海王星外天體
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妊神星
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妊神星
發現
發現者 布朗等;
奧爾蒂斯(英語:José Luis Ortiz Moreno)等(均非正式)
發現日期 2004年12月28日(布朗等);
2005年7月(奧爾蒂斯等)
編號
MPC編號 (136108) Haumea
命名依據 哈烏美亞(英語:Haumea (mythology))
其他名稱 2003 EL61
小行星
分類 矮行星、類冥矮行星、TNO (曾為傳統古柏帶天體)[1][2]
五階12:7共振天體[3]
軌道參數[4]
曆元 2008-11-30(JD 2454800.5)
遠日點 51.544 AU
7.710 Tm
近日點 34.721 AU
5.194 Tm
半長軸 43.132 AU
6.452 Tm
離心率 0.195 01
軌道周期 103 468 d(283.28 yr)
平均速度 4.484 km/s
平近點角 202.67°
軌道傾角 28.22°
升交點黃經 121.10°
近日點參數 239.18°
衛星 2
本徵軌道參數
物理特徵
大小 ≈1,960 × 1,518 × 996 km(凱克)[5]
平均半徑 ≈718 km
575+125−50 km (斯皮策)[6]
762 ± 83 km(赫雪爾)[7]
表面積 ≈2×107 km2
質量 (4.006 ± 0.040)×1021 kg[8]
0.00066 地球
平均密度 2.6–3.3 g/cm3[5]
表面重力 0.44 m/s2
逃逸速度 0.84 km/s
自轉週期 0.163 146 ± 0.000 004 d
(3.915 5 ± 0.000 1 h)[9]
反照率 0.7 ± 0.1[5]
0.84 +0.1−0.2[6]
0.70–75[7]
溫度 <50 K[10]
光譜類型 (中性)
B-V=0.64, V-R=0.33[11]
B0-V0=0.646[12]
視星等 17.3(沖)[13][14]
絕對星等 (H) 0.007 ± 0.44[4]

妊神星[15]是古柏帶的一顆矮行星,正式名稱為(136108) Haumea。妊神星是太陽系的第四大矮行星,它的質量是冥王星質量的三分之一。[注 1]2004年,米高·E·布朗領導的加州理工學院團隊在美國帕洛瑪山天文台發現了該天體;2005年,奧爾蒂斯(英語:José Luis Ortiz Moreno)領導的團隊在西班牙內華達山脈天文台亦發現了該天體,但後者的聲明遭到質疑。2008年9月17日,國際天文聯合會(IAU)將這顆天體定為矮行星,並以夏威夷生育之神哈烏美亞(英語:Haumea (mythology))為其命名。

在所有的已知矮行星中,妊神星具有獨特的極度形變。儘管人們尚未直接觀測到它的形狀,但由光變曲線計算的結果表明,妊神星呈橢球形,其長半軸是短半軸的兩倍。儘管如此,據推算其自身重力仍足以維持流體靜力平衡,因此符合矮行星的定義。天文學家認為,妊神星之所以具備形狀伸長、罕見的高速自轉、高密度和高反照率(因其結晶水冰的表面)這些特點,是超級碰撞的結果;這讓妊神星成為了碰撞家族中最大的成員,幾顆大型的海王星外天體以及妊神星的兩顆已知衛星亦是該家族的成員。
目錄

1 分類
2 發現爭議
3 命名
4 軌道和自轉
5 物理屬性
5.1 大小、形狀和構成
5.2 表面
6 衛星
7 碰撞家族
8 參見
9 腳註
10 參考文獻
11 外部連結

分類
旋轉系(英語:Rotating reference frame)下妊神星的標稱天平動,其中海王星的位置被固定

妊神星是一顆類冥矮行星,[16]該術語用於描述位於海王星軌道以外的矮行星。妊神星的矮行星地位,意味著它被認為有足夠的質量以自身的重力維持近似圓球的形狀,但不能清除鄰近的小天體。儘管妊神星和球形相差甚遠,但其橢球的形狀肇因於高速旋轉,類似水氣球(英語:water balloon)旋轉時伸長的現象,而非其自身重力無法克服物質抗壓強度(英語:compressive strength)所致。[17]妊神星曾在2006年被小行星中心歸類為經典古柏天體,但現已被除名。[1]對標稱軌線的研究表明,妊神星是五階7:12共振天體[注 2],因為其35天文單位的近日點距離接近于海王星的穩定極限。[3]帕洛瑪山天文台的數字巡天曾於1955年3月22日發現過妊神星。[2]但當時需要更多的觀察以確定其是否處於運動狀態。
發現爭議

有兩個團隊主張自己才是妊神星的發現者。2004年12月,邁克·布朗領導的加州理工學院團隊,在他們於2004年5月20日拍攝的一系列照片中,發現了妊神星。2005年7月20日,他們發表了一份報告的缐上摘要,這份報告將在2005年9月的一場會議上宣布該發現。[18]與此同時,在西班牙的內華達山脈天文台,若澤·路易斯·奧爾蒂斯·莫雷諾領導的安達盧西亞天體物理研究所(英語:Instituto de Astrofísica de Andalucía)團隊,在拍攝於2003年3月7日至10日的一系列照片上,亦發現了妊神星。[19]2005年7月27日晚,奧爾蒂斯在發給小行星中心的電子郵件中,披露了他們的發現。[19]

布朗發現,在西班牙團隊宣布該發現的前一天,西班牙天文台曾經訪問過他的觀察日誌,因此他懷疑他們盜竊了他的成果。布朗的日誌中包含有足夠多的信息,讓奧爾蒂斯能夠在2003年的照片中重新發現妊神星;7月29日,西班牙團隊再次訪問了他的日誌,而這正好是奧爾蒂斯排到望遠鏡時間,獲取確認照片以向小行星中心再次宣布其發現之前。奧爾蒂斯後來承認了他曾訪問過加州理工學院的觀察日誌,但他否認了所有指控,表示他們僅僅是為了驗證這是不是一顆新天體。[20]

根據國際天文聯合會(IAU)的規定,首先向小行星中心提交微型行星的發現報告,並能提供確證軌道所需必要數據者,享有發現者的榮譽。成為發現者的最大好處是能夠為行星命名。然而,當IAU於2008年9月17日宣布妊神星為矮行星時,並未提及任何發現者。IAU分別採用了西班牙團隊的發現位置[16][21]和加州理工學院的命名。奧爾蒂斯團隊建議的名稱,是古伊比利亞春天女神的名字「Ataecina」。[19]
命名

在被賦予永久名稱前,加州理工學院的發現者們曾將妊神星稱為「聖誕老人」(Santa),以紀念它的發現日2004年12月28日(恰在聖誕節之後)。[22]2005年7月,西班牙團隊向小行星中心(MPC)報告了他們的獨立發現。2005年7月29日,妊神星得到了首個官方稱謂:臨時編號2003 EL61,其中「2003」取自西班牙團隊照片的拍攝日期。2006年9月7日,妊神星被正式編號為小行星136108號((136108) 2003 EL61)。

按照IAU既定的指引,傳統古柏帶天體應以神話中的創造之神為名,[23]2006年9月,加州理工學院團隊向IAU提交了他們對(136108) 2003 EL61及其衛星的正式命名;這些名稱由戴維·拉比諾維茨提出[17],取自夏威夷神話,用於「紀念發現這些衛星的地點」。[注 3][24]哈烏美亞(Haumea)是夏威夷島的保育女神,而莫奈克亞天文台正是坐落於夏威夷島。此外,哈烏美亞還被視為大地之母帕帕女神(英語:Papahanaumoku),是天空之父瓦基亞(英語:Wākea)的妻子;[25]從這層意義上講,以「哈烏美亞」為2003 EL61命名也是恰當的選擇:與其他已知的典型古柏帶天體不同,2003 EL61沒有厚厚的冰函包裹著的小型岩石核心,而被認為幾乎完全以固態岩石構成。[26][27]再者,作為繁殖與生育女神的哈烏美亞,其眾多子女來自她身體上的不同部位;[25]這也契合了在一次遠古碰撞中,大量冰體被認為從這顆矮行星上分離出去的事件。[27]兩顆已知的衛星亦被認為起源自該事件,[27]並分別以哈烏美亞的兩個女兒為名:妊衛一希亞卡(Hiʻiaka)和妊衛二納瑪卡(Nāmaka)。[26]
軌道和自轉
相對海王星(灰色),妊神星(黃色)和冥王星(紅色)的軌道,截至2009年5月

妊神星有著傳統古柏帶天體的典型軌道,軌道周期為283地球年,近日點約為35天文單位,軌道傾角約28°。[4]1992年初,妊神星經過了遠日點,[14]當前離太陽距離超過50天文單位。[13]

妊神星的軌道離心率略大於其碰撞家族的其他成員,據推測,是妊神星對海王星存在微弱的五階12:7軌道共振[注 2]所致;由於導致軌道傾角和離心率互換的古在效應[27][28][29],妊神星在近十億年來逐漸偏離了其原始軌道[27][30]。

妊神星的目視星等為17.3,[13]是古柏帶第三亮的天體,僅次於冥王星和鳥神星,使用大型業餘望遠鏡也可輕易觀察到。[5]然而,由於行星和多數太陽系小天體大都形成於太陽系的原始盤中,位於共同軌道路徑(英語:invariable plane)上;因此,絕大多數早期的遠距天體觀測都將目光聚集於共同平面在天空上的投影中,亦即黃道上。[31]隨著對黃道附近天區的探索逐步充分,後來的天文觀測開始探索軌道傾角較高的天體,以及平均運動更慢的遠距天體。[32][33]當這些觀測覆蓋到妊神星所在天區時,高軌道傾角、(當前)距離黃道甚遠的妊神星終被發現。

妊神星的亮度波動周期很短,只有3.9小時,唯一的解釋是其自轉周期也是這一長度。[34]這要快於其餘已知的太陽系平衡天體,以及其餘已知的直徑大於100千米的天體。[5]妊神星的高速自轉被認為是一次碰撞導致的,這次碰撞同時創造了妊神星的衛星及其碰撞家族。[27]
物理屬性
地球、鬩神星、冥王星、鳥神星、妊神星、賽德娜、亡神星、創神星和伐羅那的比較。

由於妊神星帶有衛星,可以根據開普勒第三定律由衛星軌道計算出該系統的質量。其結果為4.2×1021千克,為冥王星系統質量的28%,月球質量的6%。幾乎所有的質量都集中在妊神星上。[8][35]
大小、形狀和構成

太陽系天體的大小可根據天體的光學星等、距離和反照率推算出來。對地球觀察者而言,亮度越高的天體,要麼是由於體積較大,要麼是由於具有高反照率。假如可以確定天體的反照率,那麼就可以粗略地估計出它們的大小。大多數遠距天體的反照率是未知的,但妊神星因為有足夠大的體積和亮度而能夠測量其熱輻射,這為其反照率提供了近似值,並進而能推算出它的大小。[6]然而,妊神星高速的旋轉對它的尺寸計算造成了阻礙,根據可變形體(英語:Plasticity)的轉動物理學(英語:Rigid body dynamics)可以得出,轉速與妊神星相當的天體在100天內[5]就能從平衡形態變形為不等邊橢球形。據推測,妊神星亮度波動的主要原因並不是由其自身各處反照率不同導致的,而是從地球觀測時側視圖與端視圖的交替所致。[5]
對妊神星橢球形的預測,三條半徑分別為1,960×1,518×996千米(假定反照率為0.73)。圖中左側分別為最大和最小的赤道剪影(1,960×996千米和1,518×996千米);右側是從極點觀測時的剪影(1,960×1,518千米)。

妊神星光變曲線的周期和振幅主要受其構成的限制。假如妊神星的密度低若冥王星,是由厚實的冰函包裹小型岩心構成,那麼它的高速自轉會將其自身拉得更長,從而超過其亮度波動所能允許的範圍,但這與觀測結果不符。因此,妊神星的密度就被限制在了2.6–3.3 g/cm3之間。[5][注 4]在此密度範圍內的有橄欖石和輝石等矽酸鹽礦物(英語:Silicate minerals),太陽系中許多岩石類天體均由這類物質構成。這意味著妊神星的主體由岩石構成,而表面覆蓋有一層相對較薄的冰;妊神星曾經是一顆更加典型的古柏帶天體,有著厚實的冰函,但在形成其碰撞家族的那次撞擊中,大部分冰體被撞離了該行星。[27]

處於流體靜力平衡下的天體,如果給定其自轉周期和大小,則隨著密度的增加,其形狀將越來越接近球形。以妊神星已知的精確質量、自轉周期和預測的密度推算,可知其處於橢球平衡中:其最長軸應該接近於冥王星的直徑,而最短軸約有冥王星直徑的一半。由於尚未直接觀測到妊神星或其衛星的掩星現象,因此暫時無法像冥王星那樣,準確測量出它的大小。

目前,天文學家們已為妊神星的大小推算了數個橢球模型。第一個模型產生於妊神星發現之初,由地基天文台觀測所得光變曲線的光學波長推算出:總直徑在1,960到2,500千米之間,可見光反照率(pv)大於0.6。[5]最有可能的形狀是三軸橢球體,大小約為2,000×1,500×1,000千米,反照率為0.71。[5]根據史匹哲太空望遠鏡的觀測結果,妊神星的直徑為1,150+250−100 千米,反照率為0.84+0.1−0.2,紅外測光得出的紅外線波長為70微米。[6]後來對光變曲線的分析表明,妊神星的等效圓直徑為1,450千米。[36]2010年,綜合斯皮策望遠鏡和赫雪爾太空望遠鏡的測量結果分析,得出了妊神星新的等效圓直徑約為1,300千米。[7]根據上述獨立推算的數據,可得出妊神星的幾何平均直徑約為1,400千米。這讓妊神星躋身於最大的海王星外天體之列,僅次於鬩神星、冥王星,有可能次於鳥神星,故位列第三或第四;大於賽德娜、亡神星和創神星。[6]
表面

除了天體形狀導致光變曲線在所有色指數上同時產生劇烈波動外,在可見光和近紅外線波段上,也還存在著較小的各色獨立的變化;這表明妊神星表面有部分區域的顏色和反照率都與其他地區不同。[9][37]特別的,在妊神星亮白色的表面上可以觀測到一塊暗紅色的區域,這意味著這一地區富含礦物和有機(富碳)化合物,或者結晶冰的成分比更高。[34]由此,假如妊神星的環境沒有那麼極端的話,其表面上的這塊斑點可能會讓人聯想到冥王星。

2005年,雙子星天文台和凱克天文台的望遠鏡獲取到的妊神星光譜表明,妊神星表面類似於冥衛一,富含大量結晶水冰。[10]這一發現是獨特的,因為結晶冰形態形成於110 K的溫度下,而妊神星的表面溫度低於50 K,在此溫度下通常會形成無定形冰。[10]此外,在宇宙射線的持續照射和太陽高能粒子對海王星外天體的轟擊下,結晶冰的結構很難保持穩定。[10]在這些轟擊下,結晶冰通常需要數千萬年的時間轉化為無定形冰,[38]而在幾千萬年前,海王星外天體就一直處於和現在相同的低溫位置上。[30]此外,輻射損害還會讓海王星外天體的表面出現有機冰和類tholin成分,從而變得更紅更暗,冥王星正是如此。因此,光譜和色指數觀測結果顯示,妊神星及其家族成員曾在近期曾經歷過表面翻新的事件,重新覆蓋上了一層冰。但是,目前還沒有提出一種可以合理解釋其表面翻新機制的理論。[12]

妊神星表面雪亮,反照率的範圍在0.6-0.8之間,與其富含結晶冰的推論一致。[5]鬩神星等部分大型海王星外天體的反照率與妊神星相仿或更高。[39]根據表面光譜的最佳擬合模型,妊神星表面有66%至80%的區域被純結晶水冰覆蓋;為高反照率作出貢獻的另一種物質可能是氰化氫或層狀矽酸鹽(英語:Phyllosilicates)。[10]銅鉀等無機氰化鹽亦有可能存在。[10]

然而,對可見光譜和近紅外光譜的進一步研究表明,妊神星的同態表面(homomorphous surface)覆蓋有無定形冰和結晶冰的混合物,其混合比例為1:1,有機物成分含量不超過8%。氨水合物的缺少導致冰火山無法存在,觀測結果也證實了碰撞事件是在一億年以前發生的,這與動態研究的結論相吻合。[40] 相比於鳥神星,[41]妊神星光譜中的甲烷含量稀少,這與其在熱碰撞史中失去揮發物(英語:volatiles)的事件一致。[10]

2009年9月,天文學家在妊神星亮白色的表面上發現了一大塊暗紅色的斑點,這有可能是一次撞擊的遺迹。造成該地區顏色與眾不同的成因暫且未知,有可能是由於這一地區較其他地區的礦物和有機化合物含量更高,或存在著更多的結晶冰。[42]
衛星

主條目:妊神星的衛星、妊衛一和妊衛二

藝術家想像的妊神星及其兩個衛星。衛星的實際距離比圖中描繪的要遠得多。

妊神星已經被發現的衛星有兩顆:妊衛一和妊衛二。[16] 兩顆衛星均由布朗團隊在2005年使用凱克天文台觀測妊神星時發現。

妊衛一發現於2005年1月26日,[43],加州理工學院團隊曾將其暱稱為「魯道夫(英語:Rudolph the Red-Nosed Reindeer)」[44](傳說中為聖誕老人拉雪橇的馴鹿之一)。妊衛一較靠外側,直徑約為310千米,是兩顆衛星中較大較亮的一顆,以近圓形的軌道環繞妊神星公轉,公轉周期為49天。[45]妊衛一對1.5微米和2微米的紅外線有著強烈的吸收能力,與其表面大部分區域覆蓋有結晶冰的現象相一致。[46]由於妊衛一有著獨特光譜,而其吸收譜線又與妊神星十分類似,布朗團隊據此認為俘獲模型無法解釋這一系統的形成,因此得出了妊神星的衛星來自於妊神星本身的結論。[30]

體積較小且靠近里側的妊衛二,發現於2005年6月30日[47],曾被暱稱為「布立增(英語:Blitzen the Reindeer)」。其質量僅有妊衛一的十分之一,公轉軌道為非開普勒(英語:Osculating orbit)軌道,呈高度橢圓形,公轉周期為18天。由於妊衛二的軌道受妊衛一攝動影響,截至2008年,兩顆衛星的軌道交角為13°。[48]天文學家並沒有預料到妊衛二能具有相對較大的偏心率,也沒有預料到兩顆衛星的軌道會相互傾斜,這是因為潮汐作用(英語:Tidal acceleration)會逐漸減小偏心率/傾角。由此,有推測認為,妊神星系統可能在相對近期內曾通過了較強的3:1共振區域,所以它的衛星才能具有現今如此獨特的軌道。[49]

現在,妊神星兩顆衛星的軌道幾乎完全側向地球,並且妊衛二會周期性地掩食妊神星。[50]通過觀測這一現象,我們可以得出妊神星及其衛星的精確尺寸與形狀,[51]就像1980年代後期得出冥王星及冥衛一的那樣。[52]掩食發生時,妊神星系統會經歷微小的亮度變化,中等口徑以上的專業望遠鏡能夠觀測到這一變化。[51][53]妊衛一上次對妊神星的掩食發生在1999年,但當時天文學家們尚未發現該系統,而下次妊衛一掩食將發生在130年之後。[54]然而,出於規則衛星的獨特情況,妊衛一會強烈地扭曲妊衛二的軌道,從而令妊衛二-妊神星掩食現象可以持續多年。[48][51][53]
碰撞家族

主條目:妊神星族

妊神星是其碰撞家族中最大的天體,碰撞家族成員有著相似的物理和軌道屬性,被認為起源於因劇烈碰撞導致解體的較大天體。[27]妊神星族是海王星外天體中首先被識別出的碰撞族,其中包括妊神星及其衛星、(55636) 2002 TX300(≈364千米)、(24835) 1995 SM55(≈174千米)、(19308) 1996 TO66(≈200千米)、(120178) 2003 OP32(≈230千米)以及(145453) 2005 RR43(≈252千米)。[3]布朗等人起初認為該星族是導致妊神星冰函脫離的單次撞擊的直接產物,[27]但是後來認為其中有更複雜的緣由:初次撞擊產生的碎片形成了妊神星的一個大衛星,之後該大衛星又遭受第二次撞擊解體,產生的碎片向外擴散。[55]根據後一種猜測推算出的的碎片擴散速率,與測量出的碰撞族成員速率更加吻合。[55]

撞擊族的存在顯示妊神星及其「後代」可能誕生於離散盤。在太陽系的歷史上,當前空曠的古柏帶發生這種撞擊的機率不超過0.1%。[56]初期的古柏帶比現在更密集,而妊神星族在當時可能還未形成,因為如此密集的星族會被海王星在古柏帶的運動所破壞——據信這也是古柏帶當前低密度的原因。[56]因此,碰撞機率較高的動態離散盤區域更有可能是妊神星及其家族的誕生之地。[56]

由於該星族的天體到達當今彼此遠離的位置至少需要上十億年,形成妊神星族的那次碰撞,有可能發生在太陽系歷史的初期。[3]
參見

假設的海王星外天體
天體命名

腳註

^ 妊神星的質量要比地球小1,400倍(地球質量的0.07%)。
^ 2.0 2.1 理論上,共振的強度與分子分母之差成反比,後者又稱為「階」。差(階)越小,共振越強。12:7的共振為非常弱的五階(12 − 7 = 5)。
^ 原文:「to pay homage to the place where the satellites were discovered」.
^ 為便於比較,由岩石構成的月球,其密度為3.3 g/cm3;由冰構成的古柏帶天體冥王星,其密度為2.0 g/cm3。

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外部連結
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妊神星

妊神星軌道位置 - NASA
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主要的小行星帶(以白色顯示)位於火星和木星軌道之間。

小行星帶是太陽系內介於火星和木星軌道之間的小行星密集區域。在已經被編號的120,437顆小行星中,有98.5%是在這裡被發現的[1]。小行星是由岩石或金屬組成,圍繞著太陽運動的小天體。因為在比較上這是小行星最密集的區域,估計為數多達50萬顆,所以這個區域被稱為主小行星帶,簡稱「主帶」。

小行星帶由原始太陽星雲中的一群星子——比行星微小的行星前身——形成。木星的引力阻礙了這些星子形成行星,並造成許多星子相互間高能量的碰撞,於是清掃了這一區域,造成許多殘骸和碎片。小行星繞太陽公轉的軌道,繼續受到木星的攝動,形成了與木星的軌道共振。在這些軌道距離(即柯克伍德空隙)上的小行星會被很快地掃進其它軌道。

主帶內最大的三顆小行星是智神星、婚神星和灶神星,它們的平均直徑都超過400 公里;在主帶中只有一顆矮行星——穀神星,直徑大約950 公里;其餘的小行星都不大,有些甚至只有塵埃那樣大。小行星帶的物質非常稀薄,已經有好幾艘太空船平安的通過而未曾發生意外。在主帶內的小行星依照它們的色彩和主要形式分成三類:碳質、矽酸鹽和金屬。小行星之間的碰撞可能形成擁有相似軌道特徵和成色的小行星族,這些碰撞也是產生黃道光的塵土的主要來源。
目錄

1 觀測的歷史
2 起源
3 第五顆類地行星
4 環境
4.1 構造
4.2 柯克伍德空隙
4.3 碰撞
5 家族和群組
5.1 邊緣
5.2 新家族
6 探測
7 相關條目
8 參考資料
9 延伸讀物
10 外部鏈結

觀測的歷史
發現第一顆小行星穀神星的皮亞齊。

在1781年發現天王星之後,波德認為在火星和木星軌道之間也許還有一顆行星。矮行星穀神星就是1801年在波德預測的軌道距離上被發現的。 [2] 1802年,天文學家奧伯斯發現了第二號小行星智神星,威廉·赫歇爾認為這些天體是一顆行星被毀壞後的殘餘物。到了1807年,在相同的區域內又發現了第三顆婚神星和第四顆灶神星。[3] 由於這些天體的外觀像行星,威廉·赫歇爾就採用希臘文中的詞根aster- (似星的),將其命名為asteroid,漢語譯為「小行星」。

拿破崙戰爭結束了小行星發現的第一個階段,[3] 一直到1845年才發現了第五顆小行星義神星。接著,發現新小行星的速度加快,到1868年發現的小行星已經有100顆。1891年馬克斯·沃夫引進了天文攝影,更加速了小行星的發現。[4] 1921年,小行星的數量是1,000顆,1981年達到10,000顆[5],2000年更高達100,000顆。[6] 現代的小行星巡天系統使用自動化的設備使小行星的數量持續地增加。

在小行星發現後,必須要計算它們的軌道元素。1866年,丹尼爾·柯克伍德宣布由太陽算起,在某些距離上是沒有小行星存在的空白區域,而在這些區域上繞太陽公轉的軌道週期與木星的公轉週期有簡單的整數比。柯克伍德認為是木星的攝動導致小行星從這些軌道上被移除。[7]

1918年,日本天文學家平山清次注意到一些小行星的軌道有相似的參數,形成了小行星族。到了1970年代,觀察小行星的顏色產生了小行星分類系統,最常見的三種類型是C-型(碳質)、S-型(矽酸鹽)和M-型(金屬)。[8]

2006年,彗星族在小行星帶內被發現。這些彗星有可能是地球海水的來源。在地球形成的過程中,本身並沒有足以形成海洋的水,因此需要一個外在的水源供應者——像一次彗星的轟擊是很有必要的。[9]
起源
小行星帶的軌道傾角與半長徑對應圖,主帶以紅色和藍色顯示(紅色是核心的區域)。

目前被認同的行星形成理論是太陽星雲假說,認為星雲中構成太陽和行星的材料,塵埃和氣體,因為重力陷縮而生成旋轉的盤狀。[10]在最初幾百萬年的歷史中,太陽系因吸積過程的碰撞變得黏稠,造成小顆粒逐漸聚集形成更大的叢集,並且使顆粒的大小持續穩定地增加。一旦聚集到足夠的質量——即所謂的微星——便經由重力吸引鄰近的物質。這些星子就能穩定的累積質量成為岩石行星或巨大的氣體行星。

在平均速度過高的區域,碰撞會使星子碎裂而抑制質量的累積,[11]阻止了行星大小的天體生成。在星子的軌道週期與木星的週期成簡單整數比的地區,會發生軌道共振,會因擾動使這些星子的軌道改變。在火星與木星之間的空間,有許多地方與木星有強烈的軌道共振。當木星在形成的過程中向內移動時,這些共振軌道也會掃掠過小行星帶,對散布的星子進行動態的激發,增加彼此的相對速度。[12] 星子在這個區域(持續到現在)受到太強烈的攝動因而不能成為行星,只能一如往昔的繼續繞著太陽公轉,[13] 而且小行星帶可以視為原始太陽系的殘留物。

目前小行帶所擁有的質量應該僅是原始小行星帶的一小部分,以電腦模擬的結果,小行星帶原來的質量應該與地球相當。主要是由於重力的擾動,在百萬年的形成周期過程中,大部份的物質都被拋出去,殘留下來的質量大概只有原來的千分之一。[13]

當主帶開始形成時,在距離太陽2.7 AU之處形成了一條溫度低於水的凝結點線—"雪線",在這條線之外形成的星子就能夠累積冰。[14] 在小行星帶生成的主帶彗星都在這條線之外,並且是造成地球海洋的主要供應者。[15]

因為大約在40億年前,小行星帶的大小和分布就已經穩定下來(相對於整個太陽系),也就是說小行星帶的主帶在大小上已經沒有顯著的增減變化。[16]但是,小行星依然會受到許多隨後過程的影響,像是:內部的熱化、撞擊造成的熔化、來自宇宙線和微流星體轟擊的太空風化。因此,小行星不是原始的,反而是在外面古柏帶的小行星,在太陽系形成時經歷的變動比較少。

主帶的內側界線在與木星的軌道週期有4:1 軌道共振 的2.06 AU之處,[17],在此處的任何天體都會因為軌道不穩定而被移除。在這個空隙之內的天體,在太陽系的早期歷史中,就會因為火星(遠日點在1.67 AU)重力的擾動被清掃或拋射出去。
第五顆類地行星

主條目:法厄同星

一個早期的假說,早已經失寵的假說,認為小行星帶是一顆行星被摧毀後的殘骸。 在這個假說中有一些關鍵性的問題需要解決:第一,要摧毀一顆行星需要多大的能量?其次,目前小行星帶的總質量太低,比地球的衛星(月球)還要少!最後,小行星在化學成分上的歧異,很難解釋它們是否來自同一顆行星。[18]

也曾經有內行星中有第五顆類地行星的假說,但是軌道是不穩定的,因此他會穿越過小行星帶。穿越造成的結果是大量的小行星從小行星帶被拋出,然後這顆行星會被太陽吸收或是被拋出太陽系之外。[19]
環境
以離心率顯示的小行星帶,主帶以紅色(核心)和藍色呈現。

儘管是群聚之處,小行星帶仍是非常的空曠。如果不是刻意的選定目標,太空船在穿越小行星帶時,在廣漠的太空中大概仍會一無所見。儘管如此,目前我們還是知道數以萬計的小行星,而總數可能高達數百萬顆或更多,就看我們如何界定小行星尺寸的下限。在紅外線波段的巡天顯示,直徑在1公里以上的小行星數量在700,000至1,700,000顆之間,而且還可能更多。[20]

在主帶內,直徑大於100公里的小行星超過200顆。[21] 在小行星帶內最大的天體是穀神星,也是帶內唯一的矮行星。小行星帶的總值量估計是3.0-3.6×1021 公斤,[22][23] 這僅有地球衛星月球質量的4%,而穀神星就佔了其中的三分之一;11顆最大的小行星則佔有主帶內一半的質量。[24]

小行星帶的質量中心在軌道半徑2.8天文單位之處,[24] 在主帶內主要的小行星離心率都小於0.4,而且軌道傾角小於30°,峰值在離心率0.07,傾角在4°之內。[25] 因此,典型的小行星軌道是接近圓型且躺在黃道面的附近,只有少數的小行星才有高離心率和遠離到黃道面之外。

有時,提到主帶時會侷限在核心的範圍內,也就是那些大的小行星被發現的區域。這個區域是在4:1和2:1的柯克伍德空隙之間,也就是軌道半徑2.06至3.27天文單位,而且離心率大約小於0.33,軌道傾角也不超過20°。這塊"核心"區域大約擁有太陽系內93.4%的小行星。[1]

絕大多數小行星的絕對星等都在11–19之間,中間值是16。[25]在比較上,穀神星的絕對星等3.32是非常高的。[26] 小行星帶內的溫度隨著與太陽的距離而變,塵埃粒子的典型溫度在2.2 天文單位之處是200 K(-73°C),到了3.2 天文單位之處會降低至165 K(-108°C)。[27]然而,因為自轉的緣故,朝向太陽暴露在太陽輻射的表面和背向太陽面對背景星空的表面,在溫度上可能會有顯著的差異。
構造

在太陽系早期的歷史中,小行星曾經歷了某種程度的熔解,使大部分或全部的元素分離,某些母體甚至經歷了火山作用的爆發週期,形成了岩漿的海洋。而因為體積相對於行星小了很多的緣故,只要很短時間的熔解就能分化,所以在45億年前就完成了。[28]
阿顏德隕石是在1969年墜落於墨西哥的碳粒隕石。

目前的小行星帶包含兩種主要類型的小行星。在小行星帶的外緣,靠近木星軌道的,以富含碳值的C-型小行星為主,[29]佔了總數的75%以上。與其他的小行星相比,顏色偏紅而且反照率非常低。他們表面的組成與碳粒隕石相似,化學成分、光譜特徵都是太陽系早期的狀態,但較輕與易揮發的物質(冰)則被移除了。

靠近內側的部分,距離太陽2.5天文單位,以含矽的S-型小行星較為常見,[29][30]光譜顯示表面含有矽酸鹽與一些金屬,但碳質化合物的成分不明顯。這表明它們與原始太陽系的成分有顯著的不同,可能是早期歷史上的熔解機制,導致分化的結果。相對來說,有著高反射率。在小行星的整個族群中約佔17%。

還有第三類的小行星,總數約為10%的M-型小行星。他們的光譜中有類似鐵-鎳的譜線,和白色與輕微的紅色,而沒有吸收線的特徵。M-型小行星相信是由核心以鐵-鎳為主的母體經過毀滅性撞擊形成的。但是,有些含矽酸鹽化合物的小行星也會出現類似的現象,至少巨大的M-型小行星,司賦星,就未能顯示金屬的主要成分。[31] 在主帶內,M-型小行星主要分布在半長徑2.7天文單位的軌道上。[32]
柯克伍德空隙

主條目:柯克伍德空隙

在小行星帶核心的半長軸分布圖,深藍色箭頭指出的是柯克伍德空隙,是與木星軌道共振的不穩定帶。

小行星半長軸分布圖主要用於描述在太陽附近小行星的範圍,它的價值在可以推斷小行星的軌道週期。就所有小行星的半長軸而論,在主帶會出現引人注目的空隙。在這些半徑上,小行星的平均軌道週期與木星的軌道週期呈現整數比,這樣與 氣體巨星平均運動共振的結果,足以造成小行星軌道要素的改變。實際的效果是在這些空隙位置上的小行星會被推入半長軸更大或更小的不同軌道內。不過,因為小行星的軌道通常都是橢圓形的,還是有許多小行星會穿越過這些空隙,因而在實際的空間密度上,在這些空隙的小行星並不會比鄰近的地區為低。 [24]

這些箭頭指出的就是小行星帶內著名的柯克伍德空隙,主要的空隙與木星的平均運動共振為3:1、5:2、7:3和2:1。也就是說在3:1的柯克伍德空隙處的小行星在木星公轉一圈時,會繞太陽公轉三圈。在其他軌道共振較低的位置上,能找到的小行星也比鄰近的區域少。(例如8:3共振小行星的半長軸為2.71天文單位。)[33]

柯克伍德空隙明顯的將小行星帶分割成三個區域:第一區是4:1(2.06天文單位)和3:1(2.5天文單位)的空隙;第二區接續第一區的終點至5:2(2.82天文單位)的共振空隙;第三區由第二區的外側一直到2:1(3.28天文單位)的共振空隙。[34]

主帶也明顯的被分成內外二區帶,內區帶由靠近火星的的區域一直到3:1(2.5 天文單位)共振的空隙,外區帶一直延伸到接近木星軌道的附近。(也有些人以2:1共振空隙做為內外區帶的分界,或是分成內、中、外三區。)
碰撞

測量主帶中巨大小行星的自轉週期顯示有一個下限存在,直徑大於100米的小行星,自轉周期都超過2.2小時。雖然,一個結實的物體可以用更高的速率自轉,但當小行星的自轉週期快過這個數值時,表面的離心力便會大於重力,因此表面所有的鬆散物質都會被拋離。這也建議直徑超過100米的小行星實際上是在碰撞後的瓦礫堆中形成的。[35]

小行星帶高密度的天體分布,使得彼此間的碰撞頻繁(天文學的時間尺度)。在主帶中半徑為10公里的天體,平均每一千萬年就會發生一次碰撞。[36] 碰撞會產生許多小行星的碎片(導致新的小行星族產生),並且一些碰撞的殘骸可能會在進入地球的大氣層後成為隕石。[37] 當以低速碰撞時,兩顆小行星可能會結合在一起。在過去40億年的歲月中,還有一些小行星帶的成員仍保持著原始的特徵。

除了小行星的主體之外,主帶中也包含了半徑只有數百微米的粉塵。這些細微的顆粒,至少有一部分,是來自小行星之間的碰撞,或是微小的隕石體對小行星的撞擊。由於坡印廷—羅伯遜拖曳,來自太陽輻射的壓力會使這些粒子以螺旋的路徑緩慢的朝向太陽移動。[38]

這些細小的小行星微粒,和彗星拋出的物質,產生了黃道光。這種微弱的輝光可以太陽西沉後的暮光中,沿著黃道面的平面上觀察到。產生黃道光的顆粒半徑大約是40微米,而這種大小的顆粒可以維持的生命期通常是700,000年,因此必須有新產生的顆粒源源不絕的來自小行星帶。[38]
家族和群組

主條目:小行星族

這張圖描繪出已經編號的小行星軌道傾角(ip)與離心率(ep)顯示出一些小行星的族群。

在主帶的小行星大約有三分之一屬於不同家族的成員。同一家族的小行星來自同一個母體的碎片,共享著相似的軌道要素,像是半長軸、離心率、軌道傾角,還有相似的光譜。由這些軌道元素的圖型顯示,在主帶中的小行星集中成幾個家族,大約有20–30個集團可以確定是小行星族,並且可能有共同的起源。還有一些可能是,但還不是很確定的。小行星族可以藉由光譜的特徵來進行辨認。[39]較小的小行星集團稱為組或群。

在主帶內著名的小行星族(依半長軸排序)有花神星族、司法星族、鴉女星族, 曙神星族、和司理星族。 [32]最大的小行星族是以灶神星為主的灶神星族(穀神星是屬於Gefion族的闖入者),它可能是由形成灶神星上隕石坑的撞擊造成的,且HED隕石也可能是在這次撞擊中形成的[40]。

在主帶內也被找到三條明顯的塵埃帶,他們與曙神星、鴉女星、司理星有相似的軌道傾角,所以可能也屬於這些家族。[41]
邊緣

在小行星帶的內緣(距離在1.78和2.0天文單位之間,平均半長軸1.9天文單位)有匈牙利族的小行星。他們以匈牙利為主,至少包含52顆知名的小行星。匈牙利族的軌道都有高傾角,並被4:1的柯克伍德空隙與主帶分隔開來。有些成員屬於穿越火星軌道的小行星,並且可能是因為火星的擾動才使這個家族的成員減少。[42]

另一個在小行星主帶外緣的高傾角家族是福後星族,軌道在距離太陽2.25到2.5天文單位之間。主要由S-型的小行星組成,在靠近匈牙利族的附近有一些E-型的小行星。[43]

最大家族之一的花神星族已知的成員超過800顆,可能是在十億年前的撞擊後形成的,[44] 主要分布在主帶的內側邊緣。

在主帶的外緣有原神星族的小行星,軌道介於3.3至3.5天文單位之間,與木星有7:4的軌道共振。希爾達族的軌道介於3.5和4.2天文單位之間,與木星有3:2的軌道共振。相對來說,在4.2天文單位之外,直到與木星共軌的特洛伊小行星之間仍有少量的小行星。
新家族

證據顯示新的小行星族仍在形成中(以天文學的時間尺度),Karin Cluster顯然是在570萬年前在一顆直徑約16公里的母體小行星碰撞後產生的。[45] Veritas族是在830萬年前形成的,證據則來自沉積在海洋被復原的行星際塵埃。[46]

在更久遠的過去,曼陀羅族誕生在4億5千萬年前主帶中的碰撞,但年齡的估計只是根據可能成員現在的軌道元素,而不是所有的物理特徵。不過,這一群可以做為黃道帶塵埃的一個材料來源。[47] 其他最近形成的群還有伊安尼尼群(大約在150萬年前後),可以提供小行星帶內塵埃的另一個來源。 [48]
探測
藝術家的概念下,曙光號太空船和灶神星(圖左)與穀神星(圖右)。美國國家航空暨太空總署圖片。

先鋒10號在1972年7月16日成為進入小行星帶的第一艘太空船,當時仍有許多不可預期的危險,像是小行星的碎片,威脅到太空船的安全。在此以後的先鋒11號、航海家1號和2號、伽利略號、卡西尼號、尼爾 、尤利西斯號和新地平線號都沒有發生意外,平安地穿越過小行星帶。由於小行星帶物質的低密度,估計與探測器發生碰撞的機率低於十億分之一。[49]

只有尼爾和隼鳥任務曾經具體致力於小行星的研究,而且都是對近地小行星的研究。但是,曙光任務將要研究主帶內的灶神星和穀神星。如果太空船在研究過這兩個巨大的小天體之後仍然可以使用,將會延長任務繼續探測其他的小行星。[50]
相關條目

虛構的小行星
半人馬小行星
小行星的殖民
岩屑盤
小行星
特洛伊小行星

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延伸讀物

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外部鏈結

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Plots of eccentricity vs. semi-major axis and inclination vs. semi-major axis at Asteroid Dynamic Site

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古柏帶
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藝術想像圖:古柏帶以及假說存在於更遠的奧爾特雲
Kuiper belt remote.jpg

古柏帶(英語:Kuiper belt,還稱作倫納德-古柏帶,又譯庫柏帶、凱伯帶)是太陽系在海王星軌道(距離太陽約30天文單位)外側的黃道面附近、天體密集的中空圓盤狀區域。古柏帶的假說最初是由愛爾蘭裔天文學家倫納德提出,並在十年後再由另一位天文學家古柏再度獨立提出。

古柏帶的位置處於距離太陽40至50天文單位低傾角的軌道上。該處過去一直被認為空無一物,是太陽系的盡頭所在。但事實上這裡熱鬧無比,滿佈著直徑從數公里到上千公里的冰封物體。古柏帶上的這些物體是怎麼成形的呢?如果按照行星形成的吸積理論來解釋,那就是他們在繞日運動的過程中發生碰撞,互相吸引,最後黏附成一個個大小不一的天體,形成現在的樣子。

古柏帶是現時我們所知的太陽系的邊界,是太陽系大多數彗星的來源地。自從冥王星被發現,就有天文學家認為冥王星應該排除在太陽系的行星之外,而由於冥王星的大小和古柏帶內大的小行星大小相近,20世紀末更有主張該歸入古柏帶小行星的行列當中;而冥王星的衛星則應被當作是其伴星。在2006年8月的國際天文學聯合會已經將冥王星、穀神星與新發現的鬩神星一起歸入新分類的矮行星。
海王星外天體及類似天體

海王星內天體(Cis-Neptunian object)
半人馬小行星
海王星特洛伊
海王星外天體(TNOs)a
古柏帶(KBOs)
傳統古柏帶天體(類QB1天體)
共振KBOs
冥族小天體(2:3共振天體)
黃道離散天體(SDOs)
共振SDOs
歐特雲

a: 在海王星外的矮行星都屬於類冥矮行星(plutoid)
目錄

1 起源
2 組織
2.1 傳統的古柏帶
2.2 共振
2.3 古柏斷崖
3 相關條目
4 參考資料
5 外部鏈結

起源
外行星和古柏帶的摹擬:(a)木星和土星2:1共振之前,(b)在海王星軌道遷徙之後,古柏帶天體被散射至太陽系內 (c)古柏帶天體被木星排斥之後。

古柏帶的複雜結構和精確的起源仍是不清楚的,因此天文學家在等待泛星計畫 (Pan-STARRS) 望遠鏡巡天的結果,那些應該會揭露更多目前不知道的古柏帶天體,並在測量後對它們有更多的了解。[1]

古柏帶被認為包含許多微星,它們是來自環繞著太陽的原行星盤碎片,它們因為未能成功的結合成行星,因而形成較小的天體,最大的直徑都小於3,000公里。

近代的計算機模擬顯示古柏帶受到木星和海王星極大的影響,同時也認為即使是天王星或海王星都不是在土星之外的原處形成的,因為只有少許的物質存在於這些地區,因此如此大的天體不太可能在該處形成。換言之,這些行星應該是在離木星較近的地區形成的,但在太陽系早期演化的期間被拋到了外面。1984年,費南德茲和艾皮的研究認為與被拋射天體的角動量交換可以造成行星的遷徙[2]。終於,軌道的遷徙到達木星和土星形成2:1共振的確切位置:當木星繞太陽運轉兩圈,土星正好繞太陽一圈。引力如此的共振所產生的拉力,最終還是打亂了天王星和海王星的軌道,造成它們的位置交換而使海王星向外移動到原始的古柏帶,造成了暫時性的混亂[3]。當海王星向外遷徙時,它激發和散射了許多外海王星天體進入更高傾角和更大離心率的軌道[4]。

然而,目前的模型仍然不能說明許多分布上的特徵,引述其中一篇科學論文的敘述[5]:這問題繼續挑戰分析技術和最快速的數值分析軟體和硬體。
組織

以最完整的範圍,包括遠離中心最外側的區域,古柏帶大約從30天文單位伸展到55天文單位。然而,一般認為主要的部份(參考下文)只是從39.5天文單位的2:3共振區域延展到48天文單位的1:2共振區域。古柏帶非常的薄,主要集中在黃道平面上下10度的範圍內,但還是有許多天體散佈在更寬廣數倍的間內。總之,它不像帶狀而更像花托或甜甜圈(多福餅)[6]。而且,這意味著古柏帶對黃道平面有1.86度的傾斜[7]。
以半長軸為準的軌道分類。

由於存在著軌道共振,海王星對古柏帶的結構產生了重大的作用。在與太陽系年齡比較的時標上,海王星的引力使在某些軌道上的天體不穩定,不是將她們送入內太陽系內,就是逐入離散盤或星際空間內。這在古柏帶內製造出一些與小行星帶內的柯克伍德空隙相似的空白區域。例如,在40至42天文單位的距離上,沒有天體能穩定的存在於這個區間內。無論何間,在這個區間內被觀測到的天體,都是最近才進入並且會被移出到其他的空間[8]。
傳統的古柏帶

主條目:傳統古柏帶天體

大約在 ~42至 ~48天文單位,雖然海王星的引力影響已經是微不足道的,而且天體可以幾乎不受影響的存在著,這個區域就是所謂的傳統古柏帶,並且目前觀測到的古柏帶天體有三分之二在這兒[9][10]。因為近代第一個被發現的古柏帶天體是1992 QB1,因此它被當成這類天體的原型,在古柏帶天體的分類上稱為類QB1天體 [11][12]。

傳統的古柏帶向來是兩種不同族群的綜合體,第一類是"dynamically cold"的族群,比較像行星:軌道接近圓形,軌道離心率小於0.1,相對於黃道的傾角低於10度(它們的軌道平面貼近黃道面,沒有太大的傾斜)。第二類是"dynamically hot"的族群,軌道有較大的傾斜(可以達到30度)。這兩類會有這樣的名稱主要並不是因為溫度上的差異,而是以微小的氣體做比喻,當它們變熱時,會增加它們的相對速度[13]。這兩種族群不僅是軌道不同,組成也不同,冷的族群在顏色比熱的紅,暗示它們在不同的環境形成。熱的族群相信是在靠近木星的地區形成,然後被氣體巨星拋出。而另一方面,冷的族群雖然也可能是海王星在向外遷徙時清掃出來的,但無論是較近或較遠,相信是在比較靠近目前所在的位置形成的[1][14]。
共振

主條目:共振外海王星天體

類QB1天體、冥族小天體和鄰近散射天體的分布。

當一個天體的軌道週期與海王星有明確的比率時(這種情況稱為平均運動共振),如它們的相對基線是適當的,它們可能被鎖定在與海王星同步的運動,以避免受到攝動而使軌道變得不穩定。如果天體在這種正確的軌道上,在實例上,如海王星每繞太陽三週它便會繞行二週,則每當它回到原來的位置時,海王星總比它多運行了半條軌道的距離,因為這時海王星在軌道上繞行了1.5圈。這就是所謂的2:3 (3:2)的軌道共振,這種軌道特徵的半長軸大約是39.4天文單位,而已知的2:3共振天體,包括冥王星和他的衛星在內,已經超過200個[15],而這個家族的成員統統歸類為冥族小天體。許多冥族小天體,包括冥王星,都會穿越過海王星的軌道,但因為共振的緣故,永遠不會與海王星碰撞。 其有一些,像是歐侉爾和伊克西翁的大小,都已經大到可以列入類冥矮行星的等級[16][17]。冥族小天體有高的軌道離心率,因此它們當初原本應該不是在現在的位置上,而是因為海王星的軌道遷徙被轉換到這兒的[18]。1:2共振(每當海王星轉一圈,它才完成半圈)的軌道半長軸相當於47.7天文單位,但數量稀稀落落的[19],這個族群有時會被稱為twotino。較小的共振族群還有3:4、3:5、4:7和2:5.[20]。海王星也有特洛伊小行星,它們位於軌道前方和後方的L4和L5的重力穩定點上。海王星特洛伊有時被稱為與海王星1:1共振。海王星特洛伊在它們的軌道上是穩定的,但與被海王星捕獲有所不同,它們被認為是沿著軌道上形成的[18]。

另外,還沒有明確的理由可以解釋在半長軸小於39天文單位的距離內缺乏共振的天體。當前被接受的假說是在海王星遷徙時被驅離了,因為這個區域在遷移中是軌道不穩定的地區,因此在這兒的任何天體不是被掃清,就是被重力拋出去[21]。
古柏斷崖
圖示為古柏帶天體與太陽距離的數量關係。

1:2共振之外已知的數量非常少,看起來是個邊界,但還不能確定這是傳統古柏帶外側的邊界,還是只是一個寬闊的空隙。觀測到2:5共振的距離大約在55天文單位,被認為在傳統古柏帶之外;然而,預測上在傳統古柏帶與共振帶之間的大量天體尚未被觀測到[18]。

早期的古柏帶模型認為在50天文單位之外的大天體數量應該增加二個數量級[22],因此,這突然的數目下降,被稱為"古柏斷崖",是完全未被預料到的,並且它的原因至今仍不清楚。伯恩斯坦和屈林 (Trilling)等人發現直徑在100公里或更大的天體在50天文單位的距離上確實突然減少的證據,並不是觀測上造成的偏差。可能的解釋是在那個距離上的物質太缺乏或太分散,因此不能成長為較大的天體;或者是後續的過程摧毀了已經形成的天體[23]。日本神戶大學的向井正和派屈克·萊卡維卡(Patryk Lykawka)則主張一個大小有如地球,尚未曾被看見的行星,或許應該對這件事負責[24][25],並且可能在未來的10年內發現這個天體[1]。
相關條目

外海王星天體列表
類冥矮行星候選者列表

參考資料

^ 1.0 1.1 Audrey Delsanti and David Jewitt. The Solar System Beyond The Planets. Institute for Astronomy, University of Hawaii (PDF) [2007-03-09].
^ Joseph M. Hahn. Neptune』s Migration into a Stirred–Up Kuiper Belt: A Detailed Comparison of Simulations to Observations. 13 Jul 2005 [2007-06-23]. (arXiv:astro-ph/0507319 v1)
^ Kathryn Hansen. Orbital shuffle for early solar system. Geotimes. June 7, 2005 [2007-08-26].
^ E. W. THOMMES, M. J. DUNCAN, H. F. LEVISON. THE FORMATION OF URANUS AND NEPTUNE AMONG JUPITER AND SATURN [2007-06-24]. doi:10.1086/339975. (arXiv:astro-ph/0111290v1)
^ Nonlinear Resonances in the Solar System [2007-06-03].
^ Discovering the Edge of the Solar System. American Scientists.org [2007-06-23].
^ Michael E. Brown, Margaret Pan. THE PLANE OF THE KUIPER BELT [2007-06-23]. doi:10.1086/382515.
^ Jean-Marc Petit, Alessandro Morbidelli, Giovanni B. Valsecchi. Large Scattered Planetesimals and the Excitation of the Small Body Belts [2007-06-23].
^ Jonathan Lunine. The Kuiper Belt [2007-06-23].
^ Dave Jewitt. CLASSICAL KUIPER BELT OBJECTS (CKBOs).
^ P Murdin. Cubewano [2007-06-23].
^ J. L. Elliot, S. D. Kern, K. B. Clancy, A. A. S. Gulbis, R. L. Millis, M. W. Buie, L. H. Wasserman, E. I. Chiang, A. B. Jordan, D. E. Trilling, and K. J. Meech. THE DEEP ECLIPTIC SURVEY: A SEARCH FOR KUIPER BELT OBJECTS AND CENTAURS. II. DYNAMICAL CLASSIFICATION, THE KUIPER BELT PLANE, AND THE CORE POPULATION [2007-06-23].
^ Harold F. Levison, Alessandro Morbidelli. The formation of the Kuiper belt by the outward transport of bodies during Neptune』s migration [2007-06-25].
^ Alessandro Morbidelli. ORIGIN AND DYNAMICAL EVOLUTION OF COMETS AND THEIR RESERVOIRS. Observatoire de la Cˆpte d』Azur, Nice, France [2007-08-30].
^ List Of Transneptunian Objects. Minor Planet Center [2007-06-23].
^ Ixion. eightplanets.net [2007-06-23].
^ John Stansberry, Will Grundy, Mike Brown, Dale Cruikshank, John Spencer, David Trilling, Jean-Luc Margot. Physical Properties of Kuiper Belt and Centaur Objects: Constraints from Spitzer Space Telescope [2007-06-23].
^ 18.0 18.1 18.2 E. I. Chiang, A. B. Jordan, R. L. Millis, M. W. Buie, L. H. Wasserman, J. L. Elliot, S. D. Kern, D. E. Trilling, K. J. Meech, and R. M. Wagner. RESONANCE OCCUPATION IN THE KUIPER BELT: CASE EXAMPLES OF THE 5 : 2 AND TROJAN RESONANCES [2007-08-17].
^ Wm. Robert Johnston. Trans-Neptunian Objects [2007-06-23].
^ Davies p. 104
^ Davies p. 107
^ E. I. Chiang and M. E. Brown. KECK PENCIL-BEAM SURVEY FOR FAINT KUIPER BELT OBJECTS [2007-07-01].
^ G.M. Bernstein, D.E. Trilling, R.L. Allen, M.E. Brown, M. Holman and R. Malhotra. The Size Distribution of Trans-Neptunian Bodies. The Astrophysical Journal. 2004.
^ Michael Brooks. 13 Things that do not make sense. NewScientistSpace.com [2007-06-23].
^ Govert Schilling. The mystery of Planet X. New Scientist [2008-02-08].

外部鏈結

Dave Jewitt s page @ University of Hawaii
The belt s name
List of short period comets by family
Kuiper Belt Profile by NASA s Solar System Exploration
The Kuiper Belt Electronic Newsletter
Wm. Robert Johnston s TNO page
Minor Planet Center: Plot of the Outer Solar System,illustrating Kuiper gap
Website of the International Astronomical Union (debating the status of TNOs)
XXVIth General Assembly 2006
nature.com article: diagram displaying inner solar system, Kuiper Belt, and Oort Cloud
SPACE.com: Discovery Hints at a Quadrillion Space Rocks Beyond Neptune (Sara Goudarzi) 15 August 2006 06:13 a.m. ET
The Outer Solar System Astronomy Cast episode #64, includes full transcript.


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離散盤
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海王星外天體及類似天體

海王星內天體(Cis-Neptunian object)
半人馬小行星
海王星特洛伊
海王星外天體(TNOs)a
古柏帶(KBOs)
傳統古柏帶天體(類QB1天體)
共振KBOs
冥族小天體(2:3共振天體)
黃道離散天體(SDOs)
共振SDOs
歐特雲

a: 在海王星外的矮行星都屬於類冥矮行星(plutoid)

黃道離散天體 (scattered disc objects )是在我們太陽系最遠的區域(離散盤)內零星散佈著,主要由冰組成的小行星,是範圍更廣闊的海王星外天體(trans-Neptunian objects(TNO))的一部分。離散盤最內側的部分與古柏帶重疊,但它的外緣向外伸展並比一般的古柏帶天體遠離了黃道的上下方。
目錄

1 形成
2 參考資料和註解
3 相關條目
4 外部連結

形成
鬩神星,已知最大的黃道離散天體,和它的衛星鬩衛一(迪絲諾美亞,中央偏左的小光點)。

我們對離散盤的所知非常有限,雖然天文學的主流觀點認為它是太陽系形成的早期過程中,因為海王星向外遷徙造成的引力擾動才被從古柏帶散射入高傾斜和高離心率的軌道內。相比之下,古柏帶像是一個相對「圓」和「平坦」的甜甜圈,以平和的圓軌道(類QB1天體)和略為橢圓的共振軌道(類冥天體),將天體約束在30至44天文單位的圓環內;離散盤內的黃道離散天體軌道環境就比較怪異了。黃道離散天體,就以矮行星鬩神星為例,在垂直黃道方向上的距離幾乎和平行方向上與太陽的距離一樣遠;軌道模擬也顯示黃道離散天體的軌道是怪異且不穩定的,並且最終會從太陽的核心區域拋至歐特雲甚至更遙遠的地方。

有些跡象顯示半人馬群只是單純的從古柏帶被向內拋射,而不是向外拋射的天體,可以稱為「內海王星天體」(cis-Neptunian object)。事實上,有些天體,像是1999 TD10已經模糊了這些觀點,因此小行星中心已經將黃道離散天體和半人馬群一併列表。[1]依據這已經混淆不清的範疇,有些科學家已經改用「離散古柏帶天體」(scattered Kuiper belt object,SKBO)來涵蓋或統稱半人馬群和離散盤內的天體。

雖然海王星外天體Sedna在官方的小行星中心被認定是一顆黃道離散天體,但發現者米高·布朗因為它的近日點距離遠達76天文單位,不太會受到行星的引力擾動影響,因此認為他應該是歐特雲內側的天體,而不該是顆黃道離散天體。[2]
參考資料和註解

^ List Of Centaurs and Scattered-Disk Objects at the IAU: Minor Planet Center
^ Sedna at www.gps.caltech.edu

相關條目

海王星外側天體列表
古柏帶

外部連結

半人馬族與黃道離散天體一覽表(英)

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牛頓萬有引力定律
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本文介紹的是力學定律。關於同名漫畫,詳見「萬有引力 (漫畫)」。
兩個物體互相吸引

萬有引力定律是艾薩克·牛頓在1687年於《自然哲學的數學原理》上發表的。牛頓的普適萬有引力定律表示如下:

任意兩個質點有通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們的質量乘積成正比,與它們距離的平方成反比,與兩物體的化學本質或物理狀態以及中介物質無關。


以數學表示為:F=G\frac{m_1m_2}{r^2}

(更嚴謹的表達請見下文中的矢量式方程。)

其中:

F: 兩個物體之間的引力
G: 萬有引力常數
m1: 物體1的質量
m2: 物體2的質量
r: 兩個物體之間的距離

依照國際單位制,F的單位為牛頓(N),m1和m2的單位為千克(kg),r 的單位為米(m),常數G近似地等於6.67 × 10−11 N m2 kg−2(牛頓米的平方每千克的平方)。

可以看出排斥力F一直都將不存在,這意味著淨加速度的力是絕對的(這個符號規約是為了與庫侖定律相容而訂立的,在庫侖定律中絕對的力表示兩個電子之間的排斥力)。
目錄

1 重力加速度
2 具有空間廣度的物體
3 向量式
4 重力場
5 牛頓理論存在的問題
5.1 理論問題
5.2 觀測結果的不符
5.3 牛頓定律的局限性
6 參見
7 參考文獻
8 註釋

重力加速度

令a1為事先已知質點的重力加速度。由牛頓第二定律知F= m_1\ a_1, 即a_1=\frac{F}{m_1}。取代前面方程中的F

a_1 = G \frac{m_2}{r^2}

同理亦可得出a2.

依照國際單位制,重力加速度(同其他一般加速度)的單位被規定為米每平方秒 (m/s2 or m s−2)。非國際單位制的單位有伽利略、單位g(見後)以及 英尺每秒的平方。

請注意上述方程中的a1,質量m1的加速度,在實際上並不取決於m1的取值。因此可推論出對於任何物體,無論它們的質量為多少,它們都將按照同樣的比率向地面墜落
具有空間廣度的物體

如果被討論的物體具有空間廣度(遠大於理論上的質點),它們之間的萬有引力可以以物體的各個等效質點所受萬有引力之和來計算。在極限上,當組成質點趨近於「無限小」時,將需要求出兩物體間的力(矢量式見下文)在空間範圍上的積分。

從這裡可以得出:如果物體的質量分布呈現均勻球狀時,其對外界物體施加的萬有引力吸引作用將同所有的質量集中在該物體的幾何中心原理時的情況相同。(這不適用於非球狀對稱物體)。
向量式
地球重力示意圖
地球附近空間內的重力示意圖:在此數量級上地球表面的彎曲可被忽略不計,因此力線可以近似地相互平行並且指向地球的中心

牛頓萬有引力定律亦可通過向量方程的形式進行表述而用以計算萬有引力的方向和大小。在下列公式中,以粗體顯示的量代表向量。

\mathbf{F}_{12} = G {m_1 m_2 \over r_{21}^2} \, \mathbf{\hat{r}}_{21} 或 \mathbf{F}_{12} = - G {m_1 m_2 \over r_{21}^2} \, \mathbf{\hat{r}}_{12}

其中:

F12: 物體2對物體1的引力
G: 萬有引力常數,其值約等於6.67259×10-11 N m2/kg2
m1與m2: 分別為物體1和物體2的質量
r21 = | r2 − r1 |: 物體2和物體1之間的距離
\mathbf{\hat{r}}_{21} \equiv \frac{\mathbf{r}_2 - \mathbf{r}_1}{\vert\mathbf{r}_2 - \mathbf{r}_1\vert} : 物體1到物體2的單位向量

可以看出向量式方程的形式與之前給出的純量式方程相類似,區別僅在於在向量式中的F是一個向量,以及在向量式方程的右端被乘上了相應的單位向量。而且,我們可以看出:F12 = − F21.

同樣,重力加速度的向量式方程與其純量式方程相類似:

\mathbf{a}_1 = G {m_2 \over r^2_{21}} \, \mathbf{\hat{r}}_{21}

重力場
球狀星團 M13 證明重力場的存在。

重力場是用於描述在任意空間內某一點的物體每單位質量所受萬有引力的矢量場。而在實際上等於該點物體所受的重力加速度。

以下是一個普適化的矢量式,可被應用於多於兩個物體的情況(例如在地球與月球之間穿行的火箭)的計算。對於兩個物體的情況(比如說物體1是火箭,物體2是地球)來說,我們可以用\mathbf r 替代\mathbf r_{21}並用m替代m_1來將重力場 \mathbf g(\mathbf r) 表示為:

\mathbf g(\mathbf r) = G {m_2 \over r^2} \, \mathbf{\hat{r}}

因此我們可以得到:

\mathbf{F}( \mathbf r) = m \mathbf g(\mathbf r)

該公式不受產生重力場的物體的限制。重力場的單位為力除以質量的單位;在國際單位制上,被規定為N·kg−1(牛頓每千克)。
牛頓理論存在的問題

儘管牛頓對重力的描述對於眾多實踐運用來說十分地精確,但它也具有幾大理論問題且被證明是不完全正確的。
理論問題

沒有任何徵兆表明重力的傳送媒介可以被識別出,牛頓自己也對這種無法說明的超距作用感到不滿意(參看後文條目「牛頓定律的局限性」)。

牛頓的理論需要定義重力可以瞬時傳播。因此給出了古典自然時空觀的假設,這樣亦能使約翰內斯·開普勒所觀測到的角動量守恆成立。但是,這與愛因斯坦的狹義相對論理論有直接的衝突,因為狹義相對論定義了速度的極限——真空中的光速——在此速度下信號可以被傳送。

觀測結果的不符

牛頓的理論並不能完全地解釋出水星在沿其軌道運動到近日點時出現的進動現象進動。牛頓學說的預言(由其它行星的重力拖曳產生)與實際觀察到的進動相比每世紀會出現43弧秒的誤差。

牛頓的理論預言的重力作用下光線的偏折只有實際觀測結果的一半。廣義相對論則與觀察結果更為接近。

所有物體的重力質量與慣性質量相同的這一觀測現象是牛頓的系統所不能解釋的。廣義相對論則將它作為一個基本條件。[1]
牛頓定律的局限性

當牛頓非凡的工作使萬有引力定律能夠為數學公式所表示後,他仍然不滿於公式中所隱含的「超距作用」觀點。他從來沒有在他的文字中「賦予產生這種能力的原因」。在其它情況下,他使用運動的現象來解釋物體受到不同力的作用的原因,但是對於重力這種情況,他卻無法用實驗方法來確認運動產生了重力。此外,他甚至還拒絕對這個由地面產生的力的起因提出假設,而這一切都違背了科學證據的原則。

牛頓對重力的發現埋葬了「哲學家至今仍在愚蠢地試圖探索自然」(philosophers have hitherto attempted the search of nature in vain)這句所謂的真理,就同他深信著的「有各種因素」使得「各種迄今未知的原因」是所有「自然現象」的基礎。這些基本的現象至今仍在研究中,而且,雖然存在著許多種的假設,最終答案仍然沒有找出。 雖然愛因斯坦的假設的確比牛頓的假設更能精確地解釋確定案例中萬有引力的作用效果,他也從來沒有在他的理論中為這種能力賦予一個原因。在愛因斯坦的方程式中,「物質告訴空間怎麼扭曲,空間告訴物質怎麼移動」(matter tells space how to curve, and space tells matter how to move),但是這個完全異於牛頓世界的新的思想,也不能使愛因斯坦所賦予「產生這種能力的原因」比萬有引力定律使牛頓所賦予的原因更能使空間產生扭曲。牛頓自己說:


我還沒有能力去從現象中發現產生這些重力特性的原因,而且我無法臆測……我所解釋的定律和豐富的天體運動的計算已經足夠於說明重力的確存在並能產生效果。一個物體可以不通過任何介質穿過真空間的距離對另一個物體產生作用,在此之上它們的活動和力可以傳送自對方,這對於我來說簡直就是一個天大的謬論。因此,我相信,任何有足夠的哲學思維能力的人都不會沉溺於此。
I have not yet been able to discover the cause of these properties of gravity from phenomena and I feign no hypotheses... It is enough that gravity does really exist and acts according to the laws I have explained, and that it abundantly serves to account for all the motions of celestial bodies. That one body may act upon another at a distance through a vacuum without the mediation of anything else, by and through which their action and force may be conveyed from one another, is to me so great an absurdity that, I believe, no man who has in philosophic matters a competent faculty of thinking could ever fall into it.



如果科學最終能夠發現重力產生的原因的話,牛頓的希望也將最終被實現。

需要注意的是,這裡使用的單詞「原因(cause)」並不是「起因(cause)和影響」或者「被告導致(cause)受害者死亡」中所表示的意義。何況,當牛頓使用單詞「原因(cause)」時,他(明顯地)意指為一種「解釋」。或者說,像「牛頓學說的重力是行星運動的原因」這個短語的意思就是牛頓學說的重力解釋了行星的運動。參看條目因果。

最近的一項研究可以解釋牛頓引力理論的困惑和局限性。該項研究不僅嚴格證明了萬有引力電磁起源問題,也同時給出了高精度的牛頓引力常數值。驗證實驗採用一種不同於卡文迪許扭秤法的量子共振方法得到了精確結果。該方法實現了在原子尺度上來測量牛頓萬有引力常數G,其分析和實驗模型均基於氫原子基態能級的「超精細結構」。研究結果表明,萬有引力常數G在亞原子尺寸範圍不是一個恆定值,G只在真空中為常數,在氫原子玻爾半徑距離附近,G=6.7192878(13)×10-11 N•m2 /kg2,在真空中,G=6.6722779(13)×10-11 N•m2 /kg2。相比於目前其它方法和測量裝置,該實驗方法排除了所有可能的實驗誤差,其結果的精確度遠超過目前已有的實驗結果。 資料來源:eprint arXiv:1111.6941

參見


質點
質量
絕對時空觀——相對時空觀
廣義相對論
三維空間——四維空間——多維空間
物理學定律列表
萬有引力

參考文獻

註解原理: - Proposition 75, Theorem 35: p.956 - I.Bernard Cohen and Anne Whitman, translators: Isaac Newton, The Principia: Mathematical Principles of Natural Philosophy. Preceded by A Guide to Newton s Principia, by I.Bernard Cohen. University of California Press 1999 ISBN 0-520-08816-6 ISBN 0-520-08817-4
註解進動: - Max Born (1924), Einstein s Theory of Relativity (The 1962 Dover edition, page 348 lists a table documenting the observed and calculated values for the precession of the perihelion of Mercury, Venus, and Earth.)

註釋

^ 參看條目等效原理。


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重力理論的歷史
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質心
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質量中心簡稱為質心,指物質系統上被認為質量集中於此的一個假想點,質心的位置矢量是質點組中各個質點的位置矢量r_i根據其對應質量加權平均之後的平均矢量。質心不一定要在有重力場的系統中才會有意義,而重心則否。值得注意的是,除非重力場是均勻的,否則同一物質系統的質心與重心不通常在同一假想點上。對於密度均勻、形狀對稱分布的物體,其質心位於其幾何中心處。

在一個N維空間中的質量中心,座標系計算公式為:

r_m = {\sum {m_i} {r_i} \over \sum m_i}

其中:

r表示某一坐標軸
m_i表示物質系統中,某i質點的質量
r_i表示物質系統中,某i質點的座標。

動畫展演

雙星互繞時它們的質心位置:
Orbit1.gif
兩顆星體質量差不多,例如休神星。 Orbit2.gif
兩顆星體質量不同,例如冥王星與冥衛一。 Orbit3.gif
兩顆星體質量有很大的不同,例如地球與月球。 Orbit4.gif
兩顆星體質量有極大的不同,例如太陽與地球。
Orbit5.gif
兩顆星體以橢圓軌道互繞,此狀況通常稱為聯星。
Sciences exactes.svg 質心是一個與物理學相關的小作品。你可以通過編輯或修訂擴充其內容。
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引力場
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引力場(簡體中文中重力場一詞特指地球的引力場。)是描述一質點在空間中受到引力的場。任何有質量的物體都會產生引力場。引力場強度定義為

\mathbf{E} = \frac{\mathbf{F}}{m}

其中, F 是質點 m 在場中受到的引力。由於萬有引力定律提到

F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}

故又可寫成

E = G \frac{m}{r^2}

這裡 m 是發出引力場的物體質量、r 是離該物體之距離、G 是萬有引力常數。

引力場強度的單位是 N kg-1。
參閲

經典力學
牛頓運動定律
牛頓萬有引力定律
萬有引力
拉普拉斯-龍格-冷次向量
重力位
場線
狹義相對論
廣義相對論
廣義相對論的實驗驗證

Sciences exactes.svg 引力場是一個與物理學相關的小作品。你可以通過編輯或修訂擴充其內容。
Planet icon.png 這是與天文學相關的小作品。你可以透過編輯或修訂擴充其內容。
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廣義相對論
天體物理學
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重力位
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在古典力學中,一個位置上的重力位(Gravitational potential)是一個有質量的物體所產生純量場。等於當一件物體從一個參考位置移向該位置時重力作用於每一單位質量上的功(即能量轉移)。 一物體若令某一點距其為r,此物體質量為M,重力位可表示成P=GM/r,其中G是重力常數。

重力位的梯度的負值即是重力場。

重力位是每單位質量所擁有的重力位能,重力位與重力位能的關係是mP=U。

在數學上重力位也稱為牛頓位(Newtonian potential),是位能理論的基礎。
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物理學中的能量
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入門物理學





位能
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古時候攻城用的拋石機,利用平衡重鎚的重力位能,將石頭拋向敵城。

位能,是儲存於一物理系統內的一種能量,是一個用來描述物體在保守力場中做功能力大小的物理量。保守力作功與路徑無關,故可定義一個僅與位置有關的函數,使得保守力沿任意路徑所做的功,可表達為這兩點對應函數值的差,這個函數便是位能。

從物理意義上來說,位能表示了物體在特定位置上所儲存的能量,描述了作功能力的大小。在適當的情況下,位能可以轉化為諸如動能、內能等其他能量。
目錄

1 位能
1.1 位能的保守力定義
1.2 廣義位能
1.3 位能的性質
1.4 位能物理意義
1.5 機械能
1.6 物體在位能場中的平衡
1.7 勢
2 幾種常見位能
2.1 引力位能
2.2 重力位能
2.3 彈性位能
2.4 電位能
2.5 分子位能
3 參見條目
4 腳註
5 參考資料

位能
位能的保守力定義

主條目:保守力

如果分別作用於兩個質點上的作用力與反作用力作功與具體路徑無關,只取決於交互作用質點初末位置,那麼這樣的一對力就叫作保守力。不滿足這個條件的則稱為非保守力。可以證明保守場的幾個等價條件[1],於是我們得到保守力的性質有:

保守力沿給定兩點間作功與路徑無關;
保守力沿任意環路作功為零;
保守力可以表示為一個純量函數的(負)梯度;

推廣到多質點體系和連續分布物體,如果一封閉系統中任意兩個質點之間的作用力都是保守力,則稱該系統為保守體系。保守體系的位形,即在保守體系中各質點的相對位置發生變化時,其間的交互作用力作功,作功之和只與各質點相對位置有關。將保守體系在保守力作用下的這種與相對位置相聯繫的作功的能力定義為一個函數,稱為該保守體系的勢能函數或位能函數,簡稱勢能或位能[2]。這樣,體系從一種位形變為另一種位形時對外界所作的功等於後者與前者的位能之差,從而賦予了位能函數以直觀的物理意義。

除此之外,我們還可以將位能的定義從現在的基礎上拓展。比如熱學中氣體分子間的交互作用位能,它是大量分子位能的和,實際不是用相對位置(位形)來描述的,而是用體積、溫度、壓強等熱學參量。又如,在一些特定的約束條件下,某些平時是非保守力的力也成為了保守力[3],或者幾種力的淨力恰巧成為了一個保守力。如此種種。
廣義位能

主條目:廣義位能

對於一個理想、完整體系,有拉格朗日方程式

\frac{\mbox{d}}{\mbox{d}t} \frac{\partial T}{\partial \dot{q}_{\alpha}} - \frac{\partial T}{\partial q_{\alpha}} = Q_{\alpha} \qquad \alpha=1,2, \cdots ,s

其中,T為體系動能,qα為廣義坐標的α分量,Qα為廣義力淨力的α分量,s為廣義坐標數。在傳統的位能定義下,保守力淨力可以寫為

F_i = - \frac{\partial V}{\partial x_i} \qquad i=1,2,3

其中,V為體系位能。用廣義坐標寫為

Q_{\alpha} = - \frac{\partial V}{\partial q_{\alpha}} \qquad \alpha=1,2, \cdots ,s

代入拉格朗日方程式便可得到

\frac{\mbox{d}}{\mbox{d}t} \frac{\partial (T - V)}{\partial \dot{q}_{\alpha}} - \frac{\partial (T - V)}{\partial q_{\alpha}} = 0 \qquad \alpha=1,2, \cdots ,s

若廣義力Qα並不能表示成關於任意函數V的上述函數,卻能找到另一個函數U,使得Qα可以表示為

Q_{\alpha} = - \frac{\partial U}{\partial q_{\alpha}} + \frac{\mbox{d}}{\mbox{d}t} \frac{\partial U}{\partial \dot{q}_{\alpha}} \qquad \alpha=1,2, \cdots ,s

則代入拉格朗日方程式仍有

\frac{\mbox{d}}{\mbox{d}t} \frac{\partial (T - U)}{\partial \dot{q}_{\alpha}} - \frac{\partial (T - U)}{\partial q_{\alpha}} = 0 \qquad \alpha=1,2, \cdots ,s

這時U具有與V相似的數學形式,但已經不再與保守力有關。我們把U叫做廣義位能[4]。

廣義位能最主要的應用在於帶電粒子在電磁場中的運動上。帶有電荷q,以速度v移動的粒子在電場E和磁場B中受到勞侖茲力

\boldsymbol{F} = q (\boldsymbol{E} + \boldsymbol{v} \times \boldsymbol{B})

再輔以馬克士威方程組,定義電勢φ與向量位A,可以得到一個滿足上述條件的函數[5]

U = q (\phi - \boldsymbol{A} \cdot \boldsymbol{v})

在下面的介紹中,不經特殊說明,我們只涉及傳統意義上的位能,不涉及廣義位能。
位能的性質

位能為能量的一種,具有能量因次,在國際單位制下的單位是焦耳(J),另外在涉及到粒子物理時常用到電子伏特(eV),高斯單位制下為爾格(erg)。位能一般使用「Ep」[2]表示,也常使用「W」[6]「U」和「V」[7]。

位能是一個純量函數,當一個物體與多個物體共有位能或共有多種位能時,這個物體所具有的總位能為所有位能的代數和。

由定義可知,位能取決於兩個或多個物體的相對位形,是兩個或多個物體所共有的。然而,在兩物體A、B組成的保守體系中,如果我們以其中一個物體A作為參考系,則位能僅取決於另一物體B的相對位置。這時,在不引起混淆的情況下,我們常把「A、B具有的位能」稱作是「B的位能」。比如,在電場中的電荷具有靜電位能,或者是在一個天體附近的另一個天體具有重力位能。除此之外,有時候保守體系中只存在一個物體,位能來自於物體內部各部分間的相對位移,這時候我們也說,位能是這個物體所具有的。比如,彈簧,或者是具有體分布電荷的絕緣體球。

需要注意的是,即使在同一保守力場中的同一處,不同物體的位能也一般不同,比如在重力作用範圍內,物體的重力位能不僅取決於其高度,還取決於其質量。
位能物理意義
三峽水力發電站。用大壩將水高高蓄起,然後在大壩處飛瀉而下,帶動發電機。雖然經過一系列複雜的轉換,然而電能的根本來源是水的重力位能。

當物體從高位能處來到低位能處時,該物體位能減少,而保守力向外作等量功使其它某種能量增加。從中我們可以發現,位能可以表示一個物體所儲存的能量的多少。如,放在高處的物體相比放在放在低處的物體而言具有更多的重力位能,當它從空中向下墜落的時候,重力位能減少,轉化為動能;而當它沿粗糙斜面下滑時,重力位能同時轉化為動能和內能。

具有更多位能的物體有能力對外界作出更多的功,用非保守力對物體做功也可以使之獲得更多的位能。[8]故,當物體在保守力的作用下(但不一定僅受保守力)從a處沿任意路徑移動到b處時,總位能變化量為保守力作功的相反值,即

E_p(b)-E_p(a)=-W_{a \to b}=-\int_{a}^{b} \boldsymbol{F}_{con} \cdot \mbox{d} \boldsymbol{r}

通常我們並不在意位能的絕對大小,而是關心其變化量,這從位能的定義可以明顯看出;實際上,談一個物體究竟擁有多少絕對位能是沒有意義的。不過,有時為了計算或者敘述方便,我們也取一個位能零點O,規定O處位能Ep(O)=0,這樣質點在a點的位能大小為

E_p(a)=-W_{O \to a}=-\int_{O}^{a} \boldsymbol{F}_{con} \cdot \mbox{d} \boldsymbol{r}

原則上位能零點可任意取,一般依方便而定;如果可能,一般選Fcon=0點為位能零點。[9]

位能為保守力關於位移的積分,相對地,保守力為相應位能函數關於位移的負梯度,即

\boldsymbol{F}_{con} =-\nabla E_p

使用廣義坐標描述時,可寫為

E_p(b)-E_p(a)=-W_{a \to b}=-\sum_{\alpha =1}^s \int_{a}^{b} Q_{\alpha} \mbox{d}q_{\alpha}

Q_{\alpha} =-\sum_{\alpha =1}^s \frac{\partial E_p}{\partial q_{\alpha}}

描述位能隨位置變化的圖稱為位能圖。若位能為僅與一個坐標(或廣義坐標)有關的函數,這時位能圖成為位能曲線,可以在平面直角坐標繫上表示出來,這時負梯度退化為負導數,

F_{con} =-\frac{\partial E_p}{\partial x}

在下面介紹平衡及各種位能的時候會有位能曲線的範例。
機械能

主條目:機械能

位能Ep與動能Ek之和稱為機械能。

E=E_k+E_p

外力的功與非保守內力的功之和等於質點系機械能的增量,這就是質點系的功能原理(英語:work-energy theorem)。用數學方式表達出來為

W_{ex}+W_{nci}=E(b)-E(a)
在x方向上運動的一個機械能守恆的粒子,遭遇到勢阱與勢壘

其中,W_{ex}為外力作功,W_{nci}為非保守內力作功。若W_{ex}=0,W_{nci}=0,則質點系機械能守恆,這就是機械能守恆定律。這時,質點系與外界無能量交換,內部也無機械能與非機械能的轉化,只有動能與位能的相互轉換。

在構建理想模型時,機械能守恆定律應用得十分廣泛,特別是當一質點處在連心力場時,其機械能守恆;又因為動能Ek>0,在已知總能量的情況下,可以了解到質點理論上的行動範圍(滿足Ek<E的區域)。

設在x方向上有如圖位能曲線,則我們把AB間位能最低處叫作勢阱(C右方也有一個勢阱),BC間位能最高處叫作勢壘,對應的有勢阱深度與勢壘高度。我們設定粒子機械能守恆,那麼:

假設一個粒子從無窮遠處靠近,其機械能為E=0,那麼在C點處其動能為零,再向左走動能為負,速度將為虛數,古典力學中這是不允許的。因此它最多只能到達C處。隨著粒子機械能(即初動能)的增大,其運動範圍的左端將會延伸,當其機械能達到或超過Ep2時,它將可以翻過勢壘。

再假設一個粒子,初始時在AB間。若它機械能為0,那麼它可以在AB間運動,其最大動能為Ek max=Ep1。當其機械能不斷增大,達到Ep2時,它將可以翻越勢壘,到達B右方空間(當然,其在A左方的空間也會延伸)。
粒子在A點不穩定平衡,在B點穩定平衡,在C點隨遇平衡。

位能圖、勢壘等概念是討論單個質點在保守外場中運動的有力工具,在物理學多個領域中的應用都十分廣泛。[10]
物體在位能場中的平衡

只受保守力作用的物體,總有向總位能更低處運動的趨勢。當物體所處位置不受力作用或淨力為零時,即\frac{\partial E_p}{\partial x}=0,則稱物體處於平衡。右圖A、B、C三點皆處於平衡。

當物體偏離平衡位置時,若受淨力背向平衡位置,則物體有離開平衡位置的趨勢,則稱物體處於不穩定平衡。位能曲線上,不穩定平衡即滿足\frac{\partial^2 E_p}{\partial x^2}<0的點。右圖A點處於不穩定平衡。

當物體偏離平衡位置時,若受淨力指向平衡位置,則物體有回到平衡位置的趨勢,則稱物體處於穩定平衡。位能曲線上,穩定平衡即滿足\frac{\partial^2 E_p}{\partial x^2}>0的點。右圖B點處於穩定平衡。
馬鞍面,即雙曲拋物面。從馬鞍面原點出發,在x方向上為穩定平衡,在y方向上為不穩定平衡。

當物體在平衡位置附近時淨力恆為零,則稱物體處於隨遇平衡。位能曲線上,隨遇平衡即滿足\frac{\partial^2 E_p}{\partial x^2}=0的點。右圖C點處於隨遇平衡。

以上只是一種粗略的分析方法,實際上,在二維或高維空間中情況會更加複雜,比如,在不同的方向上具有不同的平衡種類[11]。一個最簡單的例子是,若物體被約束在馬鞍形位能曲面上,位於中心時,在x方向上為穩定平衡,在y方向上為不穩定平衡。


主條目:位勢

在物理中有時會提到勢,請不要與位能相混淆。勢通常表述為位能與一個物理量的比值,如電勢(一個粒子靜電位能與其電荷量的比值),重力勢(一個物體重力位能與其質量的比值)。一個確定保守力場中,一個物體的位能與該物體有關,但勢的分布與該物體無關[12]。

需要與位能區分開的是,物體並不一定總是向勢更低的地方運動。一個正電荷會趨向於達到電勢更低的地方,但一個負電荷會趨向於達到電勢更高的地方,但那裡都分別是它們位能更低處。

勢也包括一些位能所不包括的內容,如磁向量位。
幾種常見位能

下面介紹幾種常見位能。

在下面的介紹中,我們常考慮一個兩質點組成的保守體系,兩質點間受且僅受相應的一種保守力。兩質點的位能是一種最簡單、最理想的模型,然而也是實際模型的基礎。實際的問題理論上都可以由兩質點位能的函數加以積分得到。
引力位能
引力和引力位能隨r變化的示意圖

主條目:萬有引力

注意:在台灣或其他地區將萬有引力統稱為「重力」[來源請求],然而在大陸地區將萬有引力稱作「引力」,而將「重力」作為萬有引力的一種特殊簡化情形。這裡為了分別介紹兩種情況,不致混淆,暫採用大陸命名方法。

根據牛頓萬有引力定律,對於兩質點m0、m,質點m受到的萬有引力為

\boldsymbol{F}(\boldsymbol{r})=-G m m_0 \cfrac{\boldsymbol{r} - \boldsymbol{r_0}}{|\boldsymbol{r} - \boldsymbol{r_0}|^3}

其中G是萬有引力常數,m0、m是兩質點的質量,r0、r分別為兩質點的位置向量。重力場中的物體會具有重力位能。對於兩個質點,定義無窮遠處為位能零點,則質點m在r處的的引力位能為

E_G(\boldsymbol{r}) = -G m m_0 \frac{1}{|\boldsymbol{r} - \boldsymbol{r_0}|}

在實際問題中,對於已知重力勢分布φ=φ(r),質點m在r處的重力位能為

E_G(\boldsymbol{r}) = m \phi (\boldsymbol{r})

重力位能

主條目:萬有引力#重力的量與單位

重力和重力位能隨h變化的示意圖

重力位能是引力位能在一種特殊情況下的簡化形式。可以證明[13],對一球對稱分布物體在其外一質點產生的引力,上面兩質點間的作用力公式仍適用,其中m0為該物體總質量,r0為其球心位矢。當 |r-r0| 在不太大範圍內變動時,對作用力公式取零級近似,作用力不變,則引力退化為重力。[14]由此可見,重力的近似要求很嚴格。然而由於在日常生活中這個條件很容易滿足,而且極簡便,符合人們的日常生活經驗,故仍有研究價值,單列一項。

在這種情況下,重力大致[15]只與星體性質與物體質量有關,而與位置無關,方向鉛直向下[16]。將重力加速度定為常數g,則物體重力大小為

F(h) = mg

其中m為物體質量,g為重力加速度常數。則物體在h處的重力位能為

E_p(h) = mgh。

其中h為物體的高度。

重力位能並沒有嚴格的位能零點定義,完全依計算方便而定,不過比較常用的是以地面或桌面為位能零點。

在地球上g的值約為9.8 ms-2,在不同地區稍有不同。這個值已經包括了和地球自轉所需的向心力造成的差別。一般計算中g可近似的取作標準重力加速度,即g=gn=9.80665 ms-2 [17]。
彈性位能
彈簧的彈力和彈性位能隨x變化的示意圖

主條目:虎克定律

彈簧、鋼片、金屬絲等滿足虎克定律的物體,在彈性限度內應力與應變成正比。下面以彈簧為例。在彈性限度內,彈簧彈力與長度變化量的關係為

\boldsymbol{F}(\boldsymbol{x}) = - k x

其中,k為彈簧彈性係數,x為彈簧長度變化(即固定一端時另一端相對平衡位置的位移)。則其彈性位能為

E_p(x) = \frac{1}{2}k x^2

彈性位能為對應物體自身所擁有,一般選擇彈簧原長時(x=0)為位能零點。
電位能

主條目:電勢能

一個質子受到的另一個質子的靜電力和電位能隨r變化的示意圖

在靜電學裏,根據庫倫定律,對於兩靜止點電荷q、q0,點電荷q受到的靜電力為

\boldsymbol{F}(\boldsymbol{r})=\frac{q q_0}{4\pi \epsilon_0} \cfrac{\boldsymbol{r} - \boldsymbol{r_0}}{|\boldsymbol{r} - \boldsymbol{r_0}|^3}

其中ε0是電常數,r0、r分別為兩點電荷的位置向量。靜電場中的點電荷會具有電位能。對於兩個點電荷,定義無窮遠處為位能零點,則點電荷q在r處的的電位能為

W(\boldsymbol{r}) = \frac{q q_0}{4\pi \epsilon_0} \frac{1}{|\boldsymbol{r} - \boldsymbol{r_0}|} 。

在實際問題中,對於已知電勢分布φ=φ(r),點電荷q在r處的電位能為

E_G(\boldsymbol{r}) = q \phi (\boldsymbol{r})

電位能基於靜電場的定律庫侖定律。在變化電磁場中,粒子受力不再為保守力,不再能單獨用一個純量勢函數描述,需要使用純量位φ與向量位A共同描述[18]。
分子位能
蘭納-瓊斯勢中,分子間作用力和分子位能隨r變化的示意圖

分子力實際上來源於多個方面,精確的計算與各分子內部結構有很大關係,會變得十分複雜。對於無極性分子,兩分子間作用力可近似用以下半經驗公式表示:[19]

F(r)= \frac{\lambda}{r^s} - \frac{\mu}{r^t}

其中正表示排斥力,負表示牽引力;r為兩分子間距,λ、μ、s、t為常數,隨兩分子不同而不同,且s>t。這種力的特點是

在某一個值r0以內,分子里表現為排斥力並且隨r減小而急劇上升;
在r0以外表現為牽引力,分子力逐漸增大,到某最大值後減小;
力程短,在r約為r0十倍時已幾乎為零。

由此,對無極性分子間的交互作用位能有以下幾個常用曲線。一個典型且常用的模型是蘭納-瓊斯勢[20],該位能僅與兩分子間距有關,具有球對稱性,其函數解析式為
蘇則朗勢。

E_p(r)=E_{p0} \left[ \left( \frac{r_0}{r}\right)^{12} - 2\left(\frac{r_0}{r} \right) ^6 \right]

其中,r為兩分子距離,Ep0為分子位能的勢阱(位能最低處的位能絕對值),r0為勢阱處兩分子間距。Ep0與r0需要對於具體分子通過實驗確定。

對蘭納-瓊斯勢在排斥力部分簡化,成為蘇則朗勢(Sutherland potential),即

E_p(r)= \begin{cases} \infty & r \le d\\ -E \left( \frac{d}{r} \right)^6 & r > d \end{cases}

其中E、d為常數,因分子而異。滿足蘇則朗勢的氣體稱為范德瓦爾斯氣體,分子力又稱作范德瓦爾斯力,滿足范德瓦爾斯方程式[21]。
剛球勢。

對蘇則朗勢在重力部分再次簡化,成為剛球勢,即

E_p(r)= \begin{cases} \infty & r \le d\\ 0 & r > d \end{cases}

d=0時,分子位能完全忽略,變為質點勢,這時氣體稱作理想氣體[22],滿足理想氣體狀態方程式。
參見條目

能量
保守力
磁向量位
拉格朗日方程式

腳註

^ 文麗,吳良大.《高等數學·第二冊:物理類(修訂版)》,P354。
^ 2.0 2.1 鄭永令,賈起民,方小敏.《力學(第二版)》,P157。
^ 見磁純量位。
^ 以上證明見金尚年,馬永利.《理論力學(第二版)》,P48。
^ 金尚年,馬永利.《理論力學(第二版)》,P49。
^ 賈瑞皋,薛慶忠.《電磁學(第二版)》,P46。
^ 金尚年,馬永利.《理論力學(第二版)》,P18。
^ 非保守力能增加物體的總位能,而若是用保守力對物體做功,則物體一種位能增加而另一種位能減少,總位能不變。
^ 舒幼生.《力學(物理類)》,P86。
^ 趙凱華,羅蔚茵.《力學(第二版)》,P115。
^ 鄭永令,賈起民,方小敏.《力學(第二版)》,P163。
^ 準確地說,當該物體對周圍環境影響足夠小時。比如電場中一個電量很小的點電荷(被稱作試探電荷),當電量較大時會嚴重影響到周圍物體上的電荷分布從而影響到勢分布。關於試探電荷見電場#電場強度或賈起民,鄭永令,陳暨耀.《電磁學(第二版)》,P13。
^ 趙凱華,羅蔚茵.《力學(第二版)》,P337。
^ 實際對於重力的定義略稍複雜,參見萬有引力#兩者的微妙差別。
^ 對於計入離心力的重力定義,重力還與物體所處經緯度有關。參見萬有引力#兩者的微妙差別。另外,由於地球實際分布非完全球對稱及地球實際略橢,也導致重力在各地有微小差異。
^ 由於離心力的原因,在一般情況下「鉛直向下」方向並不指向地心,然而重力方向仍然是與鉛直向下方向完全一致的。
^ http://qxg.com.cn/n/?cid=44&nid=764&fc=nd
^ 使用拉格朗日方程式時也可以使用廣義位能U=q(φ+v·A)描述,見#廣義位能
^ 包科達.《熱物理學基礎》,P44。
^ 包科達.《熱物理學基礎》,P45。
^ 包科達.《熱物理學基礎》,P58。
^ 包科達.《熱物理學基礎》,P48。

參考資料

舒幼生. 《力學(物理類)》. 北京: 北京大學出版社. 2005. ISBN 7-301-09401-9.

趙凱華,羅蔚茵. 《新概念物理教程·力學(第二版)》. 北京: 高等教育出版社. 2004. ISBN 7-04-015201-0.

文麗,吳良大. 《高等數學·第二冊:物理類(修訂版)》. 北京: 北京大學出版社. 2002. ISBN 7-301-07543-X/O·0600.

鄭永令,賈起民,方小敏. 《力學(第二版)》. 北京: 高等教育出版社. 2002. ISBN 978-6-04-011084-5.

賈起民,鄭永令,陳暨耀. 《電磁學(第二版)》. 北京: 高等教育出版社. 2003. ISBN 7-04-008603-4.

金尚年,馬永利. 《理論力學(第二版)》. 北京: 高等教育出版社. 2002. ISBN 7-04-010808-9.

包科達. 《熱物理學基礎》. 北京: 高等教育出版社. 2001. ISBN 7-04-010154-8.

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萬有引力常數
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萬有引力常數G,在兩個物體(M1、M2)之間的影響。

萬有引力常數(記作 G ),是一個包含在對有質量的物體間的萬有引力的計算中的實驗物理常數。它出現在牛頓的萬有引力定律和愛因斯坦的廣義相對論中。也稱作重力常數或牛頓常數。不應將其與小寫的 g 混淆,後者是局部引力場(等於局部引力引起的加速度),尤其是在地球表面;請參見地球引力和標準重力。

根據萬有引力定律,兩物體間的吸引力( F )與二者的質量( m1 和 m2 )的乘積成正比,而與他們之間的距離( r )的平方成反比:

F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}.

其中的比例常數 G 即是萬有引力常數。

萬有引力常數大概是物理常數中最難測量的了。[1]在國際單位制的單位中,2006年的科學技術數據委員會推薦的萬有引力常數值為:[2]

G = \left(6.67428 \plusmn 0.00067 \right) \times 10^{-11} \ \mbox{m}^3 \ \mbox{kg}^{-1} \ \mbox{s}^{-2} ,

最初由卡文迪許用扭稱測量。

近代一些物理學家認為重力常數並非一定值,而是隨宇宙年齡的增長而逐漸變大。關於此說請參考狄拉克的大數假說。不過目前還沒有可靠的實驗證據顯示萬有引力常數是變化的。
相關主題

精細結構常數

在最近的理論研究和實驗研究中發現的很多證據都表明萬有引力常數並不是一個恆定值,很多條件都可以導致萬有引力常數有微小的改變. 最新理論研究表明萬有引力常數隻是一個近似的常量,它不停的發生變化,現有的實驗數據只是一個平均值,這樣一來,引力質量和慣性質量就有區別了,對萬有引力原理的研究將最終給萬有引力常數一個清楚的解答.

量子共振方法測量萬有引力常數G

最新的理論和實驗研究證明萬有引力常數G在亞原子尺寸範圍不是一個恆定值,這是採用一種不同於卡文迪許扭秤法的量子共振方法得到的研究結果。該方法實現了在原子尺度上來測量牛頓萬有引力常數G,其分析和實驗模型均基於氫原子基態能級的「超精細結構」。研究結果表明,G只在真空中為常數,在氫原子玻爾半徑距離附近,G=6.7192878(13)×10-11 N•m2 /kg2,在真空中,G=6.6722779(13)×10-11 N•m2 /kg2。相比於目前其它方法和測量裝置,該實驗方法排除了所有可能的實驗誤差,其結果的精確度遠超過目前已有的實驗結果。 資料來源:http://arxiv.org/abs/1111.6941v1
注釋

^ George T. Gillies, The Newtonian gravitational constant: recent measurements and related studies, Reports on Progress in Physics. 1997, 60: 151–225, doi:10.1088/0034-4885/60/2/001. 一個長篇且詳細的評論。尤請參見圖1和表2。
^ CODATA Value: Newtonian constant of gravitation

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希羅平均數
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几何中心
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加權平均數



幂平均



平均数不等式
平方平均数



毕达哥拉斯平均



算术-几何平均值不等式


算 续

算术-几何平均数
算术平均数

調

调和平均数



質心

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牛頓定律的局限性

當牛頓非凡的工作使萬有引力定律能夠為數學公式所表示後,他仍然不滿於公式中所隱含的「超距作用」觀點。他從來沒有在他的文字中「賦予產生這種能力的原因」。在其它情況下,他使用運動的現象來解釋物體受到不同力的作用的原因,但是對於重力這種情況,他卻無法用實驗方法來確認運動產生了重力。此外,他甚至還拒絕對這個由地面產生的力的起因提出假設,而這一切都違背了科學證據的原則。

牛頓對重力的發現埋葬了「哲學家至今仍在愚蠢地試圖探索自然」(philosophers have hitherto attempted the search of nature in vain)這句所謂的真理,就同他深信著的「有各種因素」使得「各種迄今未知的原因」是所有「自然現象」的基礎。這些基本的現象至今仍在研究中,而且,雖然存在著許多種的假設,最終答案仍然沒有找出。 雖然愛因斯坦的假設的確比牛頓的假設更能精確地解釋確定案例中萬有引力的作用效果,他也從來沒有在他的理論中為這種能力賦予一個原因。在愛因斯坦的方程式中,「物質告訴空間怎麼扭曲,空間告訴物質怎麼移動」(matter tells space how to curve, and space tells matter how to move),但是這個完全異於牛頓世界的新的思想,也不能使愛因斯坦所賦予「產生這種能力的原因」比萬有引力定律使牛頓所賦予的原因更能使空間產生扭曲。牛頓自己說:


我還沒有能力去從現象中發現產生這些重力特性的原因,而且我無法臆測……我所解釋的定律和豐富的天體運動的計算已經足夠於說明重力的確存在並能產生效果。一個物體可以不通過任何介質穿過真空間的距離對另一個物體產生作用,在此之上它們的活動和力可以傳送自對方,這對於我來說簡直就是一個天大的謬論。因此,我相信,任何有足夠的哲學思維能力的人都不會沉溺於此。
I have not yet been able to discover the cause of these properties of gravity from phenomena and I feign no hypotheses... It is enough that gravity does really exist and acts according to the laws I have explained, and that it abundantly serves to account for all the motions of celestial bodies. That one body may act upon another at a distance through a vacuum without the mediation of anything else, by and through which their action and force may be conveyed from one another, is to me so great an absurdity that, I believe, no man who has in philosophic matters a competent faculty of thinking could ever fall into it.



如果科學最終能夠發現重力產生的原因的話,牛頓的希望也將最終被實現。

需要注意的是,這裡使用的單詞「原因(cause)」並不是「起因(cause)和影響」或者「被告導致(cause)受害者死亡」中所表示的意義。何況,當牛頓使用單詞「原因(cause)」時,他(明顯地)意指為一種「解釋」。或者說,像「牛頓學說的重力是行星運動的原因」這個短語的意思就是牛頓學說的重力解釋了行星的運動。參看條目因果。

最近的一項研究可以解釋牛頓引力理論的困惑和局限性。該項研究不僅嚴格證明了萬有引力電磁起源問題,也同時給出了高精度的牛頓引力常數值。驗證實驗採用一種不同於卡文迪許扭秤法的量子共振方法得到了精確結果。該方法實現了在原子尺度上來測量牛頓萬有引力常數G,其分析和實驗模型均基於氫原子基態能級的「超精細結構」。研究結果表明,萬有引力常數G在亞原子尺寸範圍不是一個恆定值,G只在真空中為常數,在氫原子玻爾半徑距離附近,G=6.7192878(13)×10-11 N•m2 /kg2,在真空中,G=6.6722779(13)×10-11 N•m2 /kg2。相比於目前其它方法和測量裝置,該實驗方法排除了所有可能的實驗誤差,其結果的精確度遠超過目前已有的實驗結果。 資料來源:eprint arXiv:1111.6941



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物理學定律列表
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物理學定律列表列出了各項物理範疇的所有條定律,包括力學、熱學、光學等等。
目錄

1 運動學
2 守恆律
3 力學
4 熱力學
5 電磁學
6 光學
7 量子力學
8 相對論

運動學
守恆律

能量守恆定律
機械能守恆定律
動量守恆定律
角動量守恆定律

力學

慣性原理
牛頓運動定律
牛頓第一運動定律
牛頓第二運動定律
牛頓第三運動定律
萬有引力定律
克卜勒行星運動三定律
克卜勒第一定律
克卜勒第二定律
克卜勒第三定律
歐拉運動定律
虎克定律
帕斯卡定律
阿基米德定律
白努利定律

熱力學

亞佛加厥定律
理想氣體狀態方程式
玻意耳定律
查理定律
蓋-呂薩克定律
道爾頓分壓定律
杜隆-泊替定律
格銳目定律
亨利定律
熱力學基本定律
熱力學第零定律
熱力學第一定律
熱力學第二定律
熱力學第三定律

電磁學

庫侖定律
電荷守恆定律
冷次定律
法拉第電磁感應定律
必歐-沙伐定律
安培定律
高斯定律
勞侖茲力
馬克士威方程式
歐姆定律
焦耳定律
克希荷夫第一定律
克希荷夫第二定律

光學

光的折射定律
光的反射定律
司乃耳定律

量子力學

態疊加原理
薛丁格方程式
狄拉克方程式
莫塞萊定律

相對論

光速不變原理
相對性原理
勞侖茲變換
等效原理
愛因斯坦場方程式

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物理定律
物理學列表








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M

N.E.
E.S.G.


AD:2012-06-20-18:39


若 天搖

何 地動

若 情逝

忘 魂離



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標籤:
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住戶回應
 
時間:2012-06-20 18:59
管他誤不誤會 美麗而浪漫就好
管他什麼註記 知道你吃飯睡覺活得好好的

好 [:%%]
作者回覆說[2012-06-20 19:16]:

好~

甚好~

極好~[:-|]



心喜

念善



何意





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.
.
.
.
.
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[(-|]

 
時間:2012-06-20 12:41
終於見識到
還有比雨緜長的東東...

我真佩服我自己 手痠了啦 [:-]
作者回覆說[2012-06-20 18:48]:

瓊姊姊ㄚ[*)]

颱風天真開心見到您...



您的到訪經常帶來許多美麗而浪漫的誤會...[(-|]

在檢附的月球資料索引之下

有七個刪節小點.......

那是媽咪喊我吃午飯的時間註記...

後續原當於完成初步資料檢索後刪除的ㄋ~^^~~

... ...


若您收到回復復閱...

見到章末節附之" * "號註記...

據此凝心求解者約莫俱祇0.-1.+1.1/2...四端而已...

人世無以解之者.故不附落標註

雨...才剛下著ㄋ...

虛空之界...

淚...方將凝心...



風雨之際



平安 心愉




M