行星科學(xué)與深空探測(cè)（一）
——行星科學(xué)的起源發(fā)展及重要性

□ 問 天

行星科學(xué)與深空探測(cè)（一）
——行星科學(xué)的起源發(fā)展及重要性

□ 問 天

歐空局的“火星快車號(hào)”探測(cè)器（Mars Express）

太陽系八顆行星的大小對(duì)比

行星科學(xué)是天文學(xué)的一個(gè)二級(jí)學(xué)科，研究對(duì)象為行星及其衛(wèi)星、矮行星、小行星、彗星和流星等太陽系天體，研究它們的性質(zhì)、構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)過程及起源和演化；搜尋系外行星系統(tǒng)并研究其特征；涉及行星物理學(xué)、行星化學(xué)、行星地質(zhì)學(xué)和行星生物學(xué)等分支學(xué)科。

國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）專門為行星科學(xué)設(shè)立了行星系統(tǒng)科學(xué)部，2010年共有注冊(cè)會(huì)員1167名。行星系統(tǒng)科學(xué)部涉及國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)下屬7個(gè)科學(xué)專業(yè)委員會(huì)和兩個(gè)工作組。為應(yīng)對(duì)近地天體對(duì)地球造成碰撞災(zāi)害，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)執(zhí)行委員會(huì)還專門下設(shè)了“近地天體災(zāi)害咨詢委員會(huì)”。

隨著眾多深空探測(cè)計(jì)劃的相繼實(shí)施和系外行星的不斷發(fā)現(xiàn)，人們獲得了更全面的測(cè)量數(shù)據(jù)資料。有關(guān)行星科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)和新的研究成果日益增多，將行星科學(xué)的研究推進(jìn)到一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。

木星的云帶和大紅斑

行星的形成和演化是宇宙天體形成和演化的重要類型之一

行星是在宇宙演化到一定的時(shí)間后形成的，它是天體形成的重要類型。與星系宇宙以及恒星不同，行星由于其質(zhì)量相對(duì)較小，因此其演化也有其特殊的過程，比如，總體來講沒有像宇宙、星系和恒星那樣，物質(zhì)與性態(tài)變化那么劇烈。行星的形成和演化有其自己獨(dú)特的規(guī)律。行星科學(xué)研究是人類在全面認(rèn)識(shí)宇宙演化過程中不可缺少的環(huán)節(jié)，是天文學(xué)的重要分支學(xué)科。

行星科學(xué)與其他學(xué)科關(guān)系密切

從多方面看，地球是太陽系內(nèi)一顆特殊的行星，與其在物質(zhì)性態(tài)和結(jié)構(gòu)方面類似的大行星還有水星、金星和火星，通常將它們一起稱為類地行星。研究其他類地行星，有助于人們從更寬的角度認(rèn)識(shí)地球。例如，通過類地行星的比較研究，可以加深對(duì)地球大氣環(huán)流產(chǎn)生和維持機(jī)制的認(rèn)識(shí)；反之，地球是人類觀測(cè)和研究最深入的類地行星，研究地球形成的科學(xué)理論和方法可以用于其他類地行星的研究。

行星形成和演化與其所處的空間環(huán)境密切相關(guān)，例如，行星際分子和塵埃含量會(huì)直接影響到行星形成問題，行星際磁場(chǎng)變化也會(huì)直接影響到行星內(nèi)部磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的反演結(jié)果；相反地，行星內(nèi)部磁場(chǎng)變化將對(duì)行星磁層形態(tài)產(chǎn)生直接影響，行星磁層是地球科學(xué)和空間科學(xué)的重要內(nèi)容。所以，行星科學(xué)與地球科學(xué)和空間科學(xué)關(guān)系密切，它們之間可以相互促進(jìn)、共同發(fā)展。

行星科學(xué)推動(dòng)天文空間測(cè)量技術(shù)進(jìn)步

行星科學(xué)研究除了基于地球上的觀測(cè)設(shè)備，目前最有成效的觀測(cè)手段是空間探測(cè)器直接飛臨行星對(duì)其開展探測(cè)，由此可以獲得更全面、更直接和更可靠的數(shù)據(jù)資料，可以說行星科學(xué)的發(fā)展離不開天文空間測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。天文空間測(cè)量技術(shù)包括衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)、衛(wèi)星地面跟蹤技術(shù)、衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷技術(shù)，有效載荷是指科學(xué)探測(cè)儀器設(shè)備。人類對(duì)行星科學(xué)中未知問題的探求，對(duì)天文空間測(cè)量技術(shù)不斷提出新的要求，從而推動(dòng)了天文空間測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步。

水星，看上去類似月球

伽利略和牛頓開啟了行星科學(xué)研究的新時(shí)代

在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)明使用之前，人類依靠目視觀測(cè)，僅知道了類地行星、月球以及木星和土星的存在，但對(duì)其表面形態(tài)的了解甚少。直到1609年，伽利略制作了天文望遠(yuǎn)鏡，才真正開啟了天文學(xué)觀測(cè)新時(shí)代。利用自己制造的望遠(yuǎn)鏡，伽利略觀測(cè)到月球表面的坑洞，并根據(jù)其邊緣影子的長(zhǎng)度測(cè)算了它們的高度；伽利略還發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星以及金星的相變化，即金星跟月亮一樣有相位的變化，會(huì)從新月變?yōu)橄以略俚綕M月。可以說，伽利略通過望遠(yuǎn)鏡技術(shù)，為行星科學(xué)觀測(cè)研究揭開了新篇章。

基于開普勒1618年從行星運(yùn)動(dòng)觀測(cè)資料總結(jié)出的行星運(yùn)動(dòng)三大定律，牛頓于1687年在他的論著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中建立了萬有引力定律和牛頓力學(xué)三大定律，奠定了經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)，由此牛頓也建立了行星軌道和形狀理論?？梢哉f，牛頓通過建立經(jīng)典數(shù)學(xué)物理基本理論，開啟了行星科學(xué)理論研究的新紀(jì)元。

意大利天文學(xué)家伽利略，他制作的天文望遠(yuǎn)鏡開辟了行星觀測(cè)的新時(shí)代

英國(guó)科學(xué)家牛頓，他創(chuàng)立的物理定律推動(dòng)了行星科學(xué)的發(fā)展

十八和十九世紀(jì)行星科學(xué)迅猛發(fā)展

在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之后的十八世紀(jì)和十九世紀(jì)，隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展，太陽系其他行星也相繼被發(fā)現(xiàn)，如1781年3月13日，威廉·赫歇爾爵士宣布他發(fā)現(xiàn)了天王星，這也是第一顆使用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的行星，從而在太陽系的現(xiàn)代史上首度擴(kuò)展了已知的界限；意大利天文學(xué)家皮亞齊于1801年發(fā)現(xiàn)了谷神星，德國(guó)天文學(xué)家奧伯斯于1802年發(fā)現(xiàn)了智神星，使人們認(rèn)識(shí)到，太陽系除了行星外還存在質(zhì)量較小的小行星。

在古代，盡管人們可以通過目視知道彗星的存在，但由于缺乏科學(xué)知識(shí)，彗星往往被人們視為災(zāi)星；直到1864年英國(guó)格林尼治天文臺(tái)第二任臺(tái)長(zhǎng)愛德蒙·哈雷利用牛頓力學(xué)成功地預(yù)言了哈雷彗星的回歸日期，人們才得以知道彗星也是太陽系內(nèi)的一類天體，只不過它的物質(zhì)性態(tài)與行星不同，由此人們認(rèn)識(shí)了彗星運(yùn)動(dòng)的周期性，這是新理論新方法在行星科學(xué)研究中首次應(yīng)用的成功范例。而海王星是人類首先通過軌道攝動(dòng)理論預(yù)言其存在，并在后來由觀測(cè)證實(shí)的第一顆太陽系行星。

意大利天文學(xué)家皮亞齊1801年發(fā)現(xiàn)了第一顆小行星谷神星，谷神星屬于矮行星類別

照相技術(shù)對(duì)行星科學(xué)有巨大推動(dòng)

1882年照相技術(shù)進(jìn)入天文學(xué)，給天文學(xué)的發(fā)展帶來巨大的推動(dòng)，人們不僅可以較容易地確定天體的位置，而且隨著照相底片感光度的增強(qiáng)使人們得以觀測(cè)到比較暗的天體。照相技術(shù)的引入使得小行星被發(fā)現(xiàn)的數(shù)量增長(zhǎng)巨大。特別是1990年CCD照相技術(shù)的引入和計(jì)算機(jī)圖像分析技術(shù)的建立，給太陽系小行星觀測(cè)帶來了極大的技術(shù)支持，到目前已發(fā)現(xiàn)的小行星數(shù)量已達(dá)70萬顆，但這可能僅是所有小行星中的一小部分，根據(jù)理論估計(jì)總數(shù)目應(yīng)該可達(dá)數(shù)百萬顆。

二十世紀(jì)五六十年代的月球探測(cè)

1957年，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，為人類從地面天文觀測(cè)進(jìn)入空間天文觀測(cè)提供了基礎(chǔ)，預(yù)示著深空探測(cè)時(shí)代的到來。與行星科學(xué)相關(guān)的深空探測(cè)計(jì)劃開始于20世紀(jì)50年代末，重點(diǎn)是距離地球最近的月球。蘇聯(lián)相繼實(shí)施了“月球號(hào)”、“宇宙號(hào)”和“探測(cè)器號(hào)”月球系列探測(cè)計(jì)劃。美國(guó)相繼實(shí)施了“先驅(qū)者號(hào)”、“徘徊者號(hào)”以及“勘測(cè)者號(hào)”等系列月球探測(cè)計(jì)劃。盡管由于技術(shù)問題，大多數(shù)探測(cè)計(jì)劃并沒有完全實(shí)現(xiàn)預(yù)定探測(cè)目標(biāo)，但還是使人們獲得了一些有關(guān)月球表面物理和重力場(chǎng)等方面的首批寶貴探測(cè)數(shù)據(jù)資料。早期深空探測(cè)計(jì)劃的典型代表是美國(guó)的阿波羅月球探測(cè)工程，它是美國(guó)宇航局（NASA）從1961年到1972年實(shí)施的系列載人航天飛行計(jì)劃，主要目標(biāo)是用十年左右的時(shí)間實(shí)現(xiàn)載人登月并安全返回。1969年“阿波羅-11號(hào)”宇宙飛船圓滿達(dá)到了這個(gè)目標(biāo)。阿波羅計(jì)劃詳細(xì)地揭示了月球表面特性、物質(zhì)化學(xué)成分和光學(xué)特性，并探測(cè)了月球重力、磁場(chǎng)、月震等?？梢哉f，上述月球系列空間探測(cè)計(jì)劃開啟了人類后續(xù)深空探測(cè)計(jì)劃的大門。

美國(guó)宇航局的“旅行者1號(hào)”探測(cè)器（Voyager-1）

二十世紀(jì)后期和二十一世紀(jì)初期的行星空間探測(cè)項(xiàng)目

到目前為止，人類先后相繼發(fā)射了250多個(gè)空間探測(cè)器，分別對(duì)月球、大行星及其衛(wèi)星、小行星和彗星進(jìn)行探測(cè)，獲得了眾多科學(xué)新發(fā)現(xiàn)。在已進(jìn)行的深空探測(cè)計(jì)劃中，大多數(shù)目標(biāo)為月球、火星和金星，約占所有深空探測(cè)計(jì)劃的80%，其中典型代表是：“火星環(huán)球勘測(cè)者號(hào)”（Mars Global Surveyor，NASA，1996），“火星探路者號(hào)”（Mars Pathfinder，NASA，1996），“火星快車號(hào)”（Mars Express，ESA，2003），“伽利略號(hào)”（Galileo，NASA，1989），“旅行者1號(hào)”（Voyager-1，NASA，1997），“卡西尼-惠更斯號(hào)”（Cassini-Huygens，NASA & ESA,1997)。

需要提及的是，美國(guó)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在行星科學(xué)的研究中也發(fā)揮了重要作用，它長(zhǎng)時(shí)間高精度對(duì)太陽系內(nèi)行星的光學(xué)觀測(cè)，使得人們得以研究行星的某些物理特征的時(shí)變性。

行星科學(xué)和深空探測(cè)的重大意義

阿波羅10號(hào)月球倉

人類社會(huì)發(fā)展的需求主要有兩個(gè)方面：一是人類對(duì)宇宙形成和演化規(guī)律渴求深入了解的精神需求；另一個(gè)是人類生存發(fā)展的經(jīng)濟(jì)、物質(zhì)和安全需求。行星是宇宙演化的重要環(huán)節(jié)，對(duì)它的研究不僅涉及太陽系的形成和演化，而且可以推動(dòng)數(shù)學(xué)、物理學(xué)、地球科學(xué)和空間科學(xué)等學(xué)科的進(jìn)步，它是人類探知未知世界的一個(gè)重要窗口。人類社會(huì)發(fā)展到今天，一些高技術(shù)是從空間探測(cè)計(jì)劃發(fā)展起來的，如火箭技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)和高精度成像技術(shù)等，這些技術(shù)的發(fā)展極大地帶動(dòng)了相關(guān)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，人類社會(huì)在不遠(yuǎn)的將來一定會(huì)面臨資源嚴(yán)重短缺的問題，特別是能源和礦物，而行星可能是人類獲取這些短缺資源的可行來源。因此，人類需要對(duì)行星有深入、全面和科學(xué)的了解。太陽系小天體撞擊行星事件無論在其他行星上還是在地球上均有發(fā)生，人類為了自身的安全，需要對(duì)行星撞擊事件加以研究，提出減少災(zāi)害的辦法。

行星科學(xué)的研究方法

行星科學(xué)的特點(diǎn)是觀測(cè)、理論和實(shí)驗(yàn)三者相結(jié)合，它們相互依賴和相互促進(jìn)，但基礎(chǔ)是觀測(cè)?；趯?duì)行星直接或間接測(cè)量數(shù)據(jù)資料的分析處理，人們可以獲得有關(guān)物理參數(shù)、元素組成和地形地貌等科學(xué)性質(zhì)；基于這些性質(zhì)，人們通過數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)理論方法可以研究其形成和演化規(guī)律；也可以通過實(shí)驗(yàn)的方法研究其物質(zhì)性態(tài)和含量。需要指出的是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和目前行星科學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)問題，行星計(jì)算機(jī)模擬研究越來越成為一個(gè)重要的研究手段，對(duì)某些行星科學(xué)問題，計(jì)算機(jī)模型可以說是主要研究手段，如行星動(dòng)力學(xué)演化問題。

行星科學(xué)研究往往采用比較研究的方法，為此形成了“比較行星學(xué)”研究方向，特別是系外行星的不斷發(fā)現(xiàn)，為比較行星學(xué)研究提供了更大的研究樣本。截至2014年8月8日，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了1814顆系外行星，其中包括466個(gè)多行星系統(tǒng)。人們可以通過不同行星的比較研究，更全面了解它們的形成和演化過程。

(“本文主要內(nèi)容參考了《中國(guó)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略——天文學(xué)》一書中的第四章‘行星科學(xué)與深空探測(cè)’，該章作者廖新浩研究員給了若干建議，對(duì)此表示感謝?！?

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）