你所不了解的行星與小型天體

杜以會(huì)

美國(guó)伽利略號(hào)宇宙飛船1989年從地球出發(fā)，1995年飛進(jìn)木星軌道。木星雖是太陽系外行星里面距離地球最近的一個(gè)，但伽利略號(hào)太空船光是飛行就超過6年，可見太陽系的外行星離地球有多遠(yuǎn)。

那么，我們這里所說的太陽系外行星有哪些呢?

我們知道，太陽系除了太陽外，王丕包括繞行太陽的行星、小行星、彗星，以及繞行行星的衛(wèi)星。

從太陽開始依序往外排列的是水星、金星、地球、火星、小行星帶、木星、土星、天王星及海王星。其中，水星、金星、地球、火星是固體行星，屬于內(nèi)行星；木星、土星、天王星及海王星是氣態(tài)行星，屬于外行星。

根據(jù)模型計(jì)算，不同外行星的內(nèi)部構(gòu)造都差不多，里面有一個(gè)相當(dāng)于10～15個(gè)地球質(zhì)量的核心，成分是水、冰及石頭。這些核心可能是小彗星在太陽系剛形成時(shí)，慢慢累積而成，且其質(zhì)量與體積和外行星差不多。

1995年，天文界首度證實(shí)，銀河里有非常多的系外行星環(huán)繞其他恒星運(yùn)行，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)200多個(gè)，這是相當(dāng)重要的突破。有一個(gè)說法認(rèn)為，類似天王星、海王星這類外行星循其軌道運(yùn)行時(shí)，如果走到較靠近中間恒星的地方，受恒星輻射加熱的影響，表面氣體會(huì)因?yàn)闇囟壬仙⑹А．?dāng)表面溫度夠高時(shí)，冰會(huì)融化，表面變成海洋，最后變成與固體行星、氣態(tài)行星不同的第三類行星“水行星”。如果變成水行星，想必里面的生物圈會(huì)很有趣，如果有高等生物在里面形成，會(huì)是什么樣子呢?

冥王星被除名

地球到太陽的距離在天文學(xué)上稱為1個(gè)天文單位，簡(jiǎn)稱1AU。在海王星軌道外，離太陽約40AU～60AU的區(qū)域，有很多由幾十到幾百公里大小不等的冰和石頭混合形成的小星體，稱為“古柏帶物體”，那里是短周期彗星的來源。

走到更外圍，大約3～4萬AU的區(qū)域是“彗星原鄉(xiāng)”，是長(zhǎng)周期彗星的來源。由彗星的軌道分布可知，整個(gè)太陽系被圓形的彗星河圍繞，因此有另一個(gè)延伸揣測(cè)認(rèn)為，或許每一顆系外恒星都有彗星河環(huán)繞。

在海王星軌道外的冥王星是美國(guó)一位天文學(xué)家在1930年發(fā)現(xiàn)的，美國(guó)人很高興，把它當(dāng)成第九顆行星。可是最新研究發(fā)現(xiàn)，在它的軌道范圍附近還有一些大小不一的小星體，若把它們?nèi)籍?dāng)成行星，可能有數(shù)萬個(gè)或更多個(gè)行星出現(xiàn)。

這個(gè)問題在2006年的國(guó)際天文學(xué)會(huì)中提出討論，該會(huì)為太陽系行星下了一個(gè)新定義：“必須是主宰該區(qū)域的軌道動(dòng)力學(xué)的主要星體才能定義為太陽系里的主要行星?！憋@然，冥王星不符合這個(gè)新定義，因此，已從行星中除名，現(xiàn)在稱為矮行星。

由此還可推斷，2005年發(fā)現(xiàn)的、比冥王星更遠(yuǎn)、更大的第十顆“行星”，應(yīng)該也無法得到認(rèn)同，因?yàn)轭愃菩求w在更外圍的地方可能還有十多個(gè)。雖然目前不了解這些星體是如何形成的，但在太陽系外圍發(fā)現(xiàn)越來越多小星體后，已經(jīng)使得科學(xué)界對(duì)太陽系的看法越來越不一樣了。

到歐羅巴尋找生命跡象

對(duì)于衛(wèi)星的認(rèn)識(shí)，早期的人只知道，月球是地球的衛(wèi)星。

1610年，意大利人伽利略用自制的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了伊奧(木衛(wèi)1)、歐羅巴(木衛(wèi)2)、甘尼米德(木衛(wèi)3)、卡利斯多(木衛(wèi)4)等4顆繞著木星轉(zhuǎn)的星體，后來統(tǒng)稱為“伽利略衛(wèi)星”。接著，又發(fā)現(xiàn)所有外行星都有自己的衛(wèi)星。1970年后，人類開始發(fā)射宇宙飛船至外行星附近照相，并用不同儀器測(cè)量，使得近30多年來大家對(duì)于外行星衛(wèi)星系的觀點(diǎn)又大幅改變。

超過6年才飛到木星軌道的伽利略號(hào)宇宙飛船，以2年時(shí)間繞著木星轉(zhuǎn)，是為觀測(cè)木星的內(nèi)部構(gòu)造、大氣層和它的衛(wèi)星。一個(gè)主要發(fā)現(xiàn)是：木星的衛(wèi)星伊奧，其表面的火山活動(dòng)是全太陽系最活躍的，它很熱，表面有斑點(diǎn)(這些斑點(diǎn)應(yīng)來自活火山的硫磺物質(zhì))?；罨鹕疆a(chǎn)生的大量二氧化硫不但布滿表面，還散播到整個(gè)木星系統(tǒng)。

有時(shí)候伊奧走進(jìn)木星影子里，太陽光照不到它，照理說宇宙飛船的望遠(yuǎn)鏡也看不到它，可卻依然看到亮光。這是因?yàn)?，木星上稀薄的大氣層圍著火山口，?dāng)火山口噴出的氣體碰撞木星大氣層的高能帶電粒子時(shí)，帶電粒子受到激發(fā)而射出光子，因此有亮光。

歐羅巴是木星的第二顆衛(wèi)星，表面光滑，當(dāng)宇宙飛船靠近時(shí)可以看到許多條紋。經(jīng)過移動(dòng)比對(duì)后推測(cè)，它的表面可能像地球的南北極一樣，曾經(jīng)有不少冰山在海水上漂浮，因此推測(cè)，表層的冰塊下應(yīng)有一大片地下海洋。

這個(gè)“歐羅巴底下可能有地下?！钡拇y(cè)，令行星科學(xué)家相當(dāng)興奮，他們透過重力和磁場(chǎng)測(cè)量后認(rèn)為，在木星的多個(gè)衛(wèi)星的冰層下極可能有融化的水，而其下面應(yīng)該是密度較高的地心?？墒沁@些冰層究竟有多厚呢?可能幾公里、幾十公里，也可能幾百公里，沒人知道，這使得在歐羅巴尋找生命的研究相當(dāng)困難。

到泰坦尋找生命起源

美國(guó)與歐洲合作的“卡西尼－惠更斯”宇宙飛船在1997年發(fā)射升空，2004年6月進(jìn)入土星軌道，成為繞著土星走的人造衛(wèi)星，計(jì)劃以4年時(shí)間觀測(cè)土星的不同衛(wèi)星。同年12月，由這艘宇宙飛船載運(yùn)、歐洲太空局擁有的“惠更斯泰坦大氣探測(cè)船”登陸“泰坦”(土衛(wèi)6)。由于這艘大氣探測(cè)船上載運(yùn)了多種科學(xué)儀器，因此，能在泰坦大氣層降落過程中得到大量資料，藉以增進(jìn)對(duì)泰坦大氣層的了解，這是卡西尼計(jì)劃的最重要目標(biāo)。

泰坦的大氣層由氮?dú)庑纬?，它也是土星的最大衛(wèi)星。由于在生命未出現(xiàn)以前，地球大氣層也是以氮?dú)鉃橹?，因此，要了解地球生命的起源，泰坦相?dāng)于一個(gè)自然博物館，可以告訴我們地球在尚未出現(xiàn)生命前的情況。

科學(xué)界對(duì)泰坦格外感興趣的原因是，除了氮?dú)馔?，那里還有一點(diǎn)甲烷，而甲烷加氮經(jīng)化學(xué)作用會(huì)產(chǎn)生大質(zhì)量有機(jī)分子，這些分子很可能就是產(chǎn)生生命所需要的。這是探測(cè)船為何登陸泰坦的原因。

當(dāng)年，在籌備“卡西尼－惠更斯”計(jì)劃時(shí)，科學(xué)界的想法是：泰坦大氣層歷經(jīng)幾十億年受太陽光照射而起化學(xué)作用，遺留下來的大分子會(huì)像下雨一樣沉下去，可能在表面累積一兩公里厚。若以泰坦表面的壓力和溫度推測(cè)，累積在表面的物質(zhì)很可能不是固態(tài)而是液態(tài)。因此，在發(fā)射卡西尼太空船-時(shí)，一個(gè)主流的揣測(cè)是：泰坦表面很可能是汪洋一片。但經(jīng)實(shí)際觀測(cè)后得知，絕大部分的泰坦表面由冰塊組成，有些地域溫度低到－183℃。

泰坦大氣層接受光合作用后，里面的甲烷經(jīng)化學(xué)作用所形成的復(fù)雜分子是氣膠。氣膠會(huì)反射太陽光、吸收太陽光，使得整個(gè)泰坦大氣層非常不透明，因此，只能用雷達(dá)照射才能得到地面構(gòu)造的影像。一個(gè)令人振奮的消息是，卡西尼宇宙飛船的雷達(dá)儀器在2006年7月觀測(cè)泰坦北極時(shí)，發(fā)現(xiàn)有大小湖泊散布其間，小的寬約10公里，較大的寬約50公里。人類終于發(fā)現(xiàn)，在宇宙穹蒼中的其他地方也有湖泊的存在。

卡西尼計(jì)劃的明日之星

當(dāng)初設(shè)計(jì)卡西尼計(jì)劃時(shí)，泰坦是主要的目的地，沒想到一顆不太起眼

的土星衛(wèi)星“恩希拉德斯”(土衛(wèi)2)，反而成為卡西尼計(jì)劃的明日之星。

恩希拉德斯的直徑約500公里，表面有些地方看起來很老，也有很多像彈坑的地方，可能是太陽系形成時(shí)遺留下來的；而有些表面非常平滑，表示那些地方仍很年輕。由于整個(gè)表面的反射非常亮，很可能表面是由冰組成的。

2005年7月，卡西尼宇宙飛船在飛過恩希拉德斯時(shí)距離其表面僅100多公里，用紅外線觀測(cè)溫度分布時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪現(xiàn)象：其最高溫度不在赤道，而在南極。更有趣的是：其表面有非常細(xì)的表形條紋，條紋旁有噴流，噴流里面除了水汽，更有大小約1微米的冰塊。這使得恩希拉德斯像個(gè)大彗星一樣，從地里不斷地跑出氣體與塵埃來。

至此得到一個(gè)結(jié)論：恩希拉德斯的表面下可能有融水。最合理的解釋是：因?yàn)橛腥谒杂懈邏?，高壓造成的噴流，甚至連旁邊冰的塵沙也一起帶出來。這就表示，距離表面不遠(yuǎn)處，可能數(shù)十米下面便有融水。

過去的看法認(rèn)為，歐羅巴的冰層底下有融水，因而幻想里面可能有生物，可是冰層到底多厚很難查證。觀測(cè)恩希拉德斯以后，推測(cè)它的融水處可能只在表面下幾十米，于是情況變得不一樣了，大家對(duì)它下面是否有生物的研究興趣相當(dāng)高。不過仍有一些問題，因?yàn)?，它是土星的衛(wèi)星，比木星更遠(yuǎn)，大概要再等20年才可能有飛船去那里尋找生物。

沒有光合作用也能活

尋找外星生命是天文研究領(lǐng)域中相當(dāng)熱門的活動(dòng)，然而，地球上許多與生命有關(guān)的知識(shí)，我們也是最近才知道的。譬如，原本以為一切生物都靠光合作用取得養(yǎng)分，如果照不到陽光，生命就無法延續(xù)。但是，海底下數(shù)公里的火山口噴出來的水溫高達(dá)數(shù)百度，科學(xué)家已在，火山口的地氣出口處發(fā)現(xiàn)有趣的生物圈。這些生物圈只在海底，地面上找不到，里面的生物靠化學(xué)作用取得養(yǎng)分。

另外，在臺(tái)灣中部車籠埔地震斷層2公里下取出的樣本中，竟然也有微生物；有些地方鉆到6公里下面，仍然找得到微生物。更令人訝異的是，以平均1公斤石頭含若干重量的微生物計(jì)算，全地球地下5公里以內(nèi)的微生物總重量，會(huì)比地表上所有生物的總重量還重。

把地底下的微生物探樣做DNA分析后發(fā)現(xiàn)：它們?cè)诟邷刂胁拍苌?，放到低溫中?huì)死亡。因而出現(xiàn)一個(gè)想法：或許這些地底下的微生物是地球生命出現(xiàn)的第一代生物。也就是說，地球剛形成時(shí)表面溫度很熱，只有這些微生物存活，待地面冷卻、海洋出現(xiàn)，溫度慢慢降低，它們才退到地底下。

循著這一說法，科學(xué)家進(jìn)一步聯(lián)想，有可能歐羅巴的地底下、海底下也正發(fā)生著類似事件。這些想法令地質(zhì)生命科學(xué)家充滿興趣，而這也是當(dāng)初美國(guó)一些太空科學(xué)家想到歐羅巴尋找生命的原因——他們想在冰層很多的地方鉆洞，然后放下潛水艇去尋找生命。可是，這個(gè)昂貴計(jì)劃可能遇到阻礙，因?yàn)槊绹?guó)太空總署想把這筆經(jīng)費(fèi)挪到在火星上尋找生命和推動(dòng)太空殖民的計(jì)劃!

火星生命應(yīng)該在地底下

火星是從太陽開始往外算的第四顆行星；1996年，美國(guó)太空總署科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一塊火星隕石表面上有一些微細(xì)形狀，他們推測(cè)，可能是火星微生物遺留下來的化石。

過去幾年來，許多科學(xué)家都在爭(zhēng)論這個(gè)說法是否正確，姑且不論真相如何，眾多科學(xué)家、生物學(xué)家、大氣地質(zhì)學(xué)家對(duì)火星發(fā)生興趣，就是這塊隕石引起的?；鹦潜砻鏄O端干燥，常被大量的沙塵暴肆虐，沒有生命跡象。但是很多地方有大峽谷，似乎表示過去有一段時(shí)間曾被大量融水沖蝕過。

目前觀測(cè)到的說法是：火星的大氣很少，壓力是地球的1％，無法阻擋會(huì)破壞DNA的宇宙射線和紫外線，如果有生命存在，應(yīng)該在地底下。此外，又觀測(cè)到火星大氣層的主要成分是二氧化碳，冬天時(shí)，北極區(qū)有由二氧化碳形成的許多大小冰帽，春天會(huì)消失，到了秋冬又再凝結(jié)。如果有融冰?？赡懿卦谀媳睒O地底。

綜合這些信息，科學(xué)家推測(cè)出另一個(gè)想法：未來航天員在火星上建立基地后，必須維持生命，因此要找水；若要找水，必須走到極區(qū)附近鉆洞找水，這時(shí)可以附帶尋找隱藏在地表下的生命(微生物)。

天文生物學(xué)未來無可限量

卡西尼宇宙飛船的種種發(fā)現(xiàn)，使得科學(xué)家相信到外星球?qū)ふ疑钠鹪磁c演化不再是幻想，同時(shí)更促成“天文生物學(xué)”的興起。

這是行星科學(xué)研究領(lǐng)域中一個(gè)新的重要學(xué)科，它結(jié)合了天文太空發(fā)展及生命科學(xué)的知識(shí)，除了探討地球外，還要探討別的星球是否也有生命發(fā)展的可能性。這個(gè)研究領(lǐng)域的未來發(fā)展無可限量，有興趣投入者，除了天文知識(shí)外，還需具備物理、化學(xué)、生物、地球科學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)。