目前我們還不確切知道到底是什么觸發(fā)了這一過程。也許這一切都源自于近鄰恒星爆炸死亡時所產(chǎn)生的激波。而類似的恒星死亡也不是非常罕見的事件。自從130億年前銀河系形成以來，類似的事情已經(jīng)發(fā)生了無數(shù)次。而通過望遠(yuǎn)鏡我們可以看到這些事件仍然在繼續(xù)發(fā)生著。但是作為恒星來講，太陽實(shí)在是沒有什么特殊的。
然而，據(jù)我們所知太陽卻是唯一的。從誕生太陽的薄盤中形成了八顆行星，一開始這些行星之間沒有什么顯著的“差異”。最終在太陽旁的第三顆行星上出現(xiàn)了生命，而這些生命也開始探索他們所在的太陽系。但時至今日依然有六個太陽系的未解之謎有待解答。
一、太陽系是如何形成的？
如果你看一眼太陽系的行星，你也許會認(rèn)為這些行星不是太陽“親生”的，而是被太陽“領(lǐng)養(yǎng)”的?？蛇@些行星卻是如假包換的“血親”，都是從坍縮形成太陽的分子云中形成的。你也許會認(rèn)為不同天體在太陽系中的分布是無章可循的。但其實(shí)目前的太陽系結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到了平衡的狀態(tài)，添一分則嫌“胖”，減一分則嫌“瘦”。那么這一精巧的結(jié)構(gòu)是如何形成的呢？
在太陽形成的時候，它消耗了原始太陽星云中99.8%的物質(zhì)。按照目前被廣為接受的理論，剩下的物質(zhì)在引力的作用下形成了一個圍繞新生恒星的氣體塵埃盤。當(dāng)這個盤中的塵埃顆粒繞太陽運(yùn)動的時候，它們彼此之間會發(fā)生碰撞，并且漸漸地聚合長大。在盤的最內(nèi)部，由于太陽的核反應(yīng)已經(jīng)被點(diǎn)燃，因此高溫使得只有金屬和高熔點(diǎn)的含硅礦物才能幸存下來。這樣一來也限制了塵埃可聚合的大小，所以這一區(qū)域中的小天體最終凝聚形成了內(nèi)太陽系的4顆體型較小的巖質(zhì)行星——水星、金星、地球和火星。
在這一區(qū)域之外則沒有類似的限制，在“雪線”以外的區(qū)域甲烷和水都是以固體的形式出現(xiàn)的。這個區(qū)域中的行星可以長得更大，并且可以在太陽的熱量把氣體驅(qū)散之前吸積氣體分子（主要是氫）。這就是木星和土星這樣的氣態(tài)巨行星以及溫度更低的巨行星天王星和海王星的最終形成過程。這也是天文學(xué)家預(yù)計這些行星在流體的表層之下有一個巖石核心的原因。
到目前為止一切都是直接。法國蔚藍(lán)海岸天文臺的亞歷山德羅·莫比德利（Alessandro Morbidelli）說，但當(dāng)你要深入到其中的細(xì)節(jié)的時候問題就來了，吸積模型就是一個很好的范例。沒有人確切知道米級的巖石是如何聚合成10千米級的小天體的。因?yàn)樾⌒偷墓腆w天體會受到其周圍氣體壓力的作用而最終在聚合之前便落入了太陽。最近提出的一種可能性是氣體中局部湍流提供的低壓使得小巖石最終并合到了一起。
氣態(tài)巨行星也有類似的問題。它們的巖石核心必定是在有氣體的情況下聚合而成的，然后才能吸積氣體。而在其他行星系統(tǒng)中也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了非?？拷阈堑念惸拘行恰＿@些行星的大小和木星相仿，但是軌道半徑卻和地球的差不多，甚至更小。如果在太陽系形成的早期也有一顆木星質(zhì)量的行星運(yùn)動到了太陽系的內(nèi)部，盡管還沒有確定的結(jié)論，但諸如地球這樣的內(nèi)行星都會被散射出太陽系。
按照美國科羅拉多大學(xué)的菲爾·阿米蒂奇（Phil Armitage）的說法，沒有證據(jù)顯示太陽系上演過類似的情況。如果說過大的月亮是某種暗示的話，那么它也只是說明了內(nèi)太陽系在巖質(zhì)行星形成的最初1億年中一直處于“動蕩不安”的狀態(tài)，但是很快一切就都安定了下來。根據(jù)莫比德利及其同事所提出的理論，在太陽形成之后的幾億年，在木星和土星引力的“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”作用下天王星和海王星被推到了距離太陽更遠(yuǎn)的地方并且占據(jù)了現(xiàn)在的位置，由此引發(fā)了外太陽系的重組和膨脹。一些小天體會就此撞向木星，而另一些則會被木星的強(qiáng)大引力拋射出太陽系。在整個太陽系的外圍、宇宙的深處，這些未被吸積的殘骸聚集到了一起形成了設(shè)想中的奧爾特云。
太陽系的最近一次引力散射效應(yīng)的集中體現(xiàn)就是它們對火星和木星之間小行星帶的擾動，由此引發(fā)了40億年前（太陽形成之后5-6億年）出現(xiàn)的晚期大規(guī)模轟擊。在這期間，大量的小天體撞擊了地球和月亮，但從那以后構(gòu)成太陽系的天體便又重新恢復(fù)了平靜，進(jìn)入了一種精巧的平衡狀態(tài)——無疑這對于地球上生命的起源和演化來說是“無價”的。
二、為什么太陽和月亮在天空中看上去一樣大？
日全食是最壯麗的自然景觀之一。如果你一輩子都呆在一個地方，那么你至少可以目睹一次日全食。如果你運(yùn)氣好的，也許可以看到兩次。在日全食發(fā)生的時候，月亮可以完全遮擋住太陽的光芒。只有透過月面上的山谷才能有一線光線透過來，形成絢麗的“貝利珠”。
這一切都要?dú)w功于太陽和月亮的“大小”是如此的契合。太陽的直徑大約是月亮的400倍，而太陽到我們的距離也正好是月亮的400倍。這兩者“此消彼長”就使得太陽和月亮在天空中看上去具有一樣的大小，這在太陽系中的8顆行星和已知的166顆衛(wèi)星中絕對是絕無僅有的。而地球也是目前已知唯一擁有生命的行星？難道這也純屬巧合？
絕大部分天文學(xué)家的觀點(diǎn)是肯定的。但也許這些數(shù)字背后還隱藏著不為人知的一些“天機(jī)”。我們的月球是“與眾不同”的。類似木星、土星、天王星和海王星這樣的巨行星的衛(wèi)星是通過兩種方式形成的。它們要么形成于由行星引力維系的物質(zhì)盤中——類似微縮版的太陽系，要么就是由行星的引力俘獲而來的。火星的兩顆衛(wèi)星火衛(wèi)一和火衛(wèi)二就被認(rèn)為是通過第二種方式形成的，而火星也因此成為了內(nèi)太陽系唯一具有兩顆天然衛(wèi)星的行星。
但是由于月亮相對于地球的大小來說太大了，因此無法通過這兩種方式中的任意一種形成。行星科學(xué)家們相信月球的形成只有一種解釋：在太陽系的最初1億年里，小天體在太陽系里橫行，其中一個火星大小的天體撞上了地球。這一碰撞完全地改變了地球，由此撞擊出的大量物質(zhì)最終形成了個頭偏大的月球。
更重要的是，這么大的月亮對于地球上的生命來說是一種恩惠。由于來自其他天體的引力作用，地球在繞其自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的同時也會自然地擺動。而月球無形的引力則抑制住了這種擺動，防止了地球自轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性以及由此造成的災(zāi)難性氣候變化。而這對于地球上的生命來說則是至關(guān)重要的。
地球處于太陽旁的“宜居帶”中，在這個帶中行星可以保持充沛的液態(tài)水。這無疑是承載生命的最重要因素。但是一個大到足以引發(fā)日全食的月亮的存在可能也是關(guān)鍵的因素。如果真是這樣的話，那么這將為在其他行星上搜尋生命產(chǎn)生重要的影響。
由于是在撞擊中形成的，因此月亮正在以每年3.8厘米的速度漸漸地遠(yuǎn)離地球。于是恐龍看到的日食和我們的截然不同。2億年前月亮要比現(xiàn)在看上去大得多，可以“輕而易舉”地遮擋住整個太陽。而對于幾億年之后的地球居民來說，由于月球已經(jīng)變得太“小”，因此不會再有日全食發(fā)生。
我們看起來很幸運(yùn)正好位于兩者之間：形成于撞擊的月球正在遠(yuǎn)離，與此同時它又惠及著地球上的生命。如果你足夠幸運(yùn)在有生之年經(jīng)歷過一次日全食，請想象一下這一可能：也許正是這樣一個月亮才使你有幸站在那里目睹日全食的發(fā)生。
三、是否存在X行星？
如果說太陽系就像一張網(wǎng)，那么我們并不了解這張網(wǎng)上的所有結(jié)點(diǎn)。傳聞在太陽系黑暗的深處潛藏著X行星，它是一顆如火星甚至地球這么大的冰冷行星。
自從1930年發(fā)現(xiàn)冥王星以來，X行星將會是太陽系最重要的“擴(kuò)編”。2006年國際天文學(xué)聯(lián)合會為行星設(shè)立了三條標(biāo)準(zhǔn)：圍繞太陽轉(zhuǎn)動、在自引力下呈近似球形并且質(zhì)量足夠大能清空其軌道附近的區(qū)域，并由此將冥王星降級為矮行星。冥王星的“失利”源于第三條。因?yàn)樗皇潜姸嗫乱敛畮祗w中的一個，這些冰質(zhì)天體都分布在海王星以外30個天文單位到50個天文單位之間的區(qū)域里。這里1個天文單位等于地球到太陽的平均距離。
任何位于柯伊伯帶的天體想成為行星的話就必須清空它。而有意思的是，對柯伊伯帶的研究預(yù)示可能確實(shí)有X行星的存在。一些柯伊伯帶天體的軌道可以延伸到距離太陽非常遠(yuǎn)的地方，而另一些的軌道則是長橢圓形的并且和大行星的軌道互相垂直。“這些特殊的軌道可能就是一顆大質(zhì)量遙遠(yuǎn)天體攝動的結(jié)果，”美國夏威夷大學(xué)行星科學(xué)家羅伯特·杰迪克（Robert Jedicke）說。
但關(guān)于這一點(diǎn)遠(yuǎn)沒有在科學(xué)家之間達(dá)成共識。盡管很難解釋觀測到的柯伊伯帶天體的所有性質(zhì)，但是巨行星軌道的向外遷移確實(shí)可以解釋一些柯伊伯帶天體的奇特軌道。
在過去的20多年里已經(jīng)在大片的天區(qū)中搜尋了那些緩慢運(yùn)動的天體，并且已發(fā)現(xiàn)了超過1,000顆的柯伊伯帶天體。但是這些大天區(qū)的巡天只能發(fā)現(xiàn)大而明亮的天體，而用于尋找小而暗弱天體的長時間曝光巡天只能覆蓋較小的天區(qū)。如果有一顆火星大小的天體位于距離太陽100個天文單位的地方的話，那么它可以輕而易舉地躲過地面上的偵察。
但是這一狀況馬上就要被改變了。2008年12月，全景巡天望遠(yuǎn)鏡和快速反應(yīng)系統(tǒng)（Pan-STARRS）的首架原型機(jī)在夏威夷投入使用。不久裝備有全世界最大的140億像素數(shù)碼相機(jī)的四架望遠(yuǎn)鏡就將開始搜尋天空中任何閃爍或者運(yùn)動的目標(biāo)。它的主要目的是尋找對地球具有潛在威脅的小行星，但是那些外太陽系的居民也難逃它的“法眼”。
杰迪克和他的團(tuán)隊(duì)目前正忙于開發(fā)可使用Pan-STARRS自動搜索這些天體的軟件。他說，發(fā)現(xiàn)一顆遙遠(yuǎn)的行星絕對是一件令人興奮的事情。對存在這樣一顆行星的唯一解釋是，它是一顆形成于在太陽系早期的大型天體，在隨后和巨行星的引力相互作用中被拋射到了太陽系的外圍。它的發(fā)現(xiàn)會佐證我們對太陽系形成的認(rèn)識，也可能會成為人類邁向太陽系更深處的階梯。
四、彗星來自何方？
很少有“宇宙來客”能像彗星那樣使得人類對它既敬畏又恐慌。特別是肉眼可見的哈雷彗星，在猶太教法典上寫道“每70年出現(xiàn)一次的星星會讓船長們犯錯”。1066年黑斯廷斯戰(zhàn)役之前哈雷彗星猶如厄運(yùn)的征兆出現(xiàn)在了天際，1456年教皇卡利克斯特三世將其逐出了教會。
而現(xiàn)代科學(xué)對待彗星則采取了更多實(shí)證的觀點(diǎn)。彗星是塵埃和冰的聚合體，在大橢圓軌道上繞太陽運(yùn)動。當(dāng)它們靠近太陽的時候，由于太陽風(fēng)的吹拂而形成了壯觀的彗尾?，F(xiàn)在我們甚至還知道它們發(fā)源自海王星軌道以外的柯伊伯帶。
但是這里也存在著問題。諸如1997年造訪地球的海爾-波普彗星，它們難得會出現(xiàn)在我們的天空中。因?yàn)樗鼈兊能壍婪浅ｉL，因此不可能來自柯伊伯帶。許多天文學(xué)家對此的結(jié)論是，我們已知的太陽系被一個巨大的、由冰質(zhì)天體組成的暈所包圍，這些天體是幾十億年前在巨行星的引力作用下被從太陽附近“驅(qū)逐”到這里的。
這一片天空中的“荒漠”被稱為“奧爾特云”，用以紀(jì)念1950年第一個提出它的荷蘭天文學(xué)家簡·奧爾特（Jan Oort）。這個包圍著太陽系的球形物質(zhì)暈還從來沒有被觀測到過，但是如果長周期彗星確實(shí)發(fā)源于此的話，那么奧爾特云一定是非常巨大的，它所延伸的范圍可以達(dá)到柯伊伯帶外邊界的大約1,000倍。在這樣遙遠(yuǎn)的距離上，它不再會受到太陽系行星的影響，相反銀河系和近鄰恒星對它的作用成為了主導(dǎo)。奧爾特云可能就存在于我們的太陽系向星際空間過渡的某個地方。
不幸的是，如果要在奧爾特云中搜尋X行星的話，那將是一個夢魘。對于望遠(yuǎn)鏡來說，它太暗弱、太遙遠(yuǎn)也太小了。同樣不幸的是，由此我們也錯過了通過統(tǒng)計和估算這些天體的大小來重建太陽誕生地并且一窺形成巨行星原始物質(zhì)的機(jī)會。
到目前為止，有關(guān)這些原初物質(zhì)的信息都來自彗星和最大的柯伊伯帶天體，因?yàn)樗鼈儽徽J(rèn)為具有類似的組成。“這就像是‘瞎子摸象’，”美國西南研究所的行星科學(xué)家哈爾·利維森（Hal Levison）說。
盡管如此，但說不定在幾十年之后人們就能描繪出這頭“大象”的全貌了。奧爾特云中的天體會使得遙遠(yuǎn)恒星變暗或者發(fā)生衍射。雖然這些掩食所持續(xù)的時間只有幾分之一秒，但是天文學(xué)家將采用已經(jīng)用于柯伊伯帶天體上的技術(shù)來測量這些天體的大小和距離。但地球大氣湍流造成的閃爍會使得地面上的望遠(yuǎn)鏡無法探測到它們，不過未來空間望遠(yuǎn)鏡巡天應(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)大量的奧爾特云天體。
除此之外還存在著其他的問題。根據(jù)目前已知的長周期彗星的數(shù)目和軌道估計，奧爾特云中含有千億個直徑大于1千米的天體，它們的總質(zhì)量可以達(dá)到地球的幾倍。利維森說，這么多的物質(zhì)超出了目前的太陽系形成理論可解釋的范圍，這說明還需要對我們現(xiàn)有的模型進(jìn)行細(xì)致的檢查。
五、太陽系是唯一的嗎？
自從1992年發(fā)現(xiàn)了第一顆繞其他恒星轉(zhuǎn)動的行星以來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大約280顆太陽系外行星。而這其中的絕大部分和我們的太陽系大相徑庭。這些太陽系外行星主要是通過它們的引力對恒星的擾動而被發(fā)現(xiàn)的。行星越小，它對恒星的影響也越小。因此目前的技術(shù)還無法探測到類地行星對恒星所產(chǎn)生的擾動。
絕大多數(shù)已知的太陽系外行星是大小和木星或者海王星相仿的氣態(tài)巨行星，它們到各自恒星的距離也只有幾個天文單位。據(jù)估計大約6%-7%的類太陽恒星會具有類似的行星。而恒星具有和木星類似距離的氣態(tài)巨行星的概率目前還不得而知。原因是它們繞恒星轉(zhuǎn)動一圈大約要花上10年甚至更長的時間，因此對它們引力擾動的測量也要花上至少這么長的時間。
按照太陽系形成的標(biāo)準(zhǔn)圖像，氣態(tài)巨行星不會形成于非?？拷阈堑牡胤?，因?yàn)楹阈堑臒崃繒璧K較大的巖質(zhì)核心的形成。另外，太陽系中行星的軌道都是近圓的，而這些太陽系外氣態(tài)巨行星的軌道卻都是長橢圓的。也許這就是答案：絕大多數(shù)的行星系統(tǒng)具有比我們的太陽系更變化多端的歷史。本來距離較遠(yuǎn)的巨行星為了獲得“生存空間”競相將對方“擠”入了特殊的軌道。
在知道觀測極限之前，我們很難的到確定的結(jié)論。“也許在我們眼中太陽系的歷史已經(jīng)是夠‘血腥’的了，因?yàn)檫@是我們能看到的唯一樣本，”美國科羅拉多大學(xué)的菲爾·阿米蒂奇說。兩個高靈敏度的空間行星探測計劃將會幫助我們降低這里的不確定性，其中一個是2006年12月發(fā)射的由法國主導(dǎo)的“科羅”外星行星探測器，另一個是計劃于2009年3月發(fā)射的美國宇航局的“開普勒”探測器。
它們預(yù)計可以發(fā)現(xiàn)10個左右的“超級地球”——質(zhì)量為地球幾倍的行星。如果有關(guān)太陽系形成的理論是正確的話，這些巖質(zhì)行星應(yīng)該和我們的地球非常相似。取決于大氣中溫室效應(yīng)和云的冷卻作用，兩顆行星Gliese 581c和d到它們恒星的距離可以使得在其表面有液態(tài)水存在。
還有其他的線索也表明巖質(zhì)行星要比我們所想象的更普遍。2008年美國宇航局斯必澤空間望遠(yuǎn)鏡的觀測顯示，年輕恒星周圍塵埃的碰撞直接和行星形成有關(guān)，而且?guī)r質(zhì)行星的形成率可以達(dá)到20%-60%。
但斯必澤空間望遠(yuǎn)鏡對老年恒星周圍塵埃的觀測則顯示，形成可承載生命的巖質(zhì)行星的前景并不那么樂觀。10個太陽系外行星系統(tǒng)有9個含有比太陽系更多的塵埃，在某些情況下甚至可以達(dá)到太陽系的20倍甚至更多。而行星形成過程是一個在恒星誕生之后1億年內(nèi)就應(yīng)該完成的短暫過程，因此這些塵?？赡苁请S后盤中的彗星彼此劇烈碰撞的殘骸。
幸運(yùn)的是，我們的內(nèi)太陽系有一個忠實(shí)的守衛(wèi)者。距離更遠(yuǎn)的巨行星——尤其是木星——通常會在彗星有機(jī)會進(jìn)入內(nèi)太陽系之前就把它們給散射出去了。
“最終，‘太陽系是否唯一’這個問題還有待我們在觀測到了類地太陽系外行星和其外圍更遠(yuǎn)的巨行星之后才能回答，”美國亞利桑那大學(xué)的喬納森·盧寧（Jonathan Lunine）說，“但目前我們還無法簡單而正確地回答對這個問題。”
六、太陽系最后將如何終結(jié)？
我們生活在一個無趣的時代。因?yàn)樵缭谧畛醯?億年里行星便已經(jīng)形成，現(xiàn)在行星都在有序地饒陽轉(zhuǎn)動，而太陽也在穩(wěn)定地燃燒，生命也在太陽旁的第三顆行星上繁衍生息。一切都很平靜。
但這份平靜并不是永遠(yuǎn)的，在平靜的背后還隱藏著“危機(jī)”。
我們的太陽終有一天是會死亡的，當(dāng)然這是在大約60億年之后。但是在那之前事情就會變得越來越棘手。目前穩(wěn)定的太陽系到時候就會陷入混亂。即便是最小的不規(guī)則性也會隨著時間累積，最終改變行星的軌道。從現(xiàn)在到太陽死亡，計算發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)災(zāi)變的可能性大約是2%?；鹦怯锌赡芴拷拘?，進(jìn)而被拋射出太陽系。如果我們“背”到極點(diǎn)的話，狂奔的水星會和地球相撞。
與此同時，太陽也會慢慢地變亮。在20億年里，太陽就有可能會殺死地球表面的所有生命。而另一方面，如果火星仍然處于現(xiàn)在的位置的話，火星就會出現(xiàn)宜人的氣候。即使現(xiàn)在的火星是死氣沉沉的，但到時候就會生機(jī)盎然。
然而這一切也不會永遠(yuǎn)存在。當(dāng)太陽的核心氫耗盡時，太陽的整體結(jié)構(gòu)就會發(fā)生重大的變化。它的體積會漸漸地膨脹到目前的100萬倍，成為一顆紅巨星。而按照最新的數(shù)值模擬，當(dāng)太陽成為紅巨星的時候就會吞噬水星、金星，可能還有地球。
此時占據(jù)整個天空的太陽會把火星變成煉獄，而土星和木星冰冷的衛(wèi)星則會開始煥發(fā)出生機(jī)。由于已經(jīng)具備了豐富的有機(jī)分子，因此土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六特別有希望。在紅巨星的加熱下，曾經(jīng)冰封的土衛(wèi)六會浸浴在全球性的氨水海洋中，而這一海洋中的機(jī)會分子也許會形成生命。
任何漂浮在這些衛(wèi)星表面的生物也會看到和我們截然不同的天空。到那個時候，銀河系也許已經(jīng)和近鄰的仙女星系發(fā)生了碰撞，正在形成“銀河仙女星系”。由此觸發(fā)的大規(guī)模恒星形成過程又孕育了大量新一代的行星系統(tǒng)，并且照亮了天空。
如果在太陽系晚期還會出現(xiàn)的生命的話，這些生命持續(xù)的時間都不會很長。在度過了短暫的紅巨星階段以后，太陽內(nèi)部的核反應(yīng)會最終停止，它會拋射出它的外部包層并且收縮成一顆白矮星。經(jīng)歷了短暫溫暖期的土衛(wèi)六又會再一次被冰封。木星和土星等外太陽系天體會繼續(xù)圍繞已變成白矮星的太陽轉(zhuǎn)動幾百億年，直到由于來自內(nèi)部或者外部的某種因素打破這一“平衡”。木星或者土星可能會散射掉那些質(zhì)量較小的同伴，例如天王星或者海王星。而偶然從太陽系旁經(jīng)過的恒星也有可能會剝離掉其中的行星，甚至連質(zhì)量最大的木星也未必能幸免。
不過太陽系的未來還是不確定的，有著各種各樣的變數(shù)。還有一種微小的可能性是太陽系整個會被“甩”出銀河仙女星系。在空曠的星系際空間里，行星可以免受“掠食者”的襲擊。它們會繼續(xù)繞著太陽轉(zhuǎn)動，但是它們的能量會被引力波漸漸地帶走。于是行星就會一個接一個地“掉”向中心已經(jīng)變成黑矮星的太陽，并且以一陣劃破黑暗的閃光結(jié)束它們的一生。
[New Scientist 2009年1月31日]
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