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  太阳系是一个受太阳引力约束在一起,由若干行星、小行星和彗星等组成的运动系统,包括太阳 (Sun ☉) 以及直接或间接围绕太阳运动的天体。太阳系内肉眼可见的五颗行星 —— 水星 (Mercury)、金星 (Venus)、火星 (Mars)、木星 (Jupiter)和土星 (Saturn) 早在史前就已被人类发现。古希腊先哲亚里士多德 (Aristotle) 等基于当时的天象观测提出了“地心说”,希腊裔学者托勒密 (Claudius Ptolemaeus) 又将其发展完善,他设想所有天体以圆形轨道或圆轨的复合绕地球旋转。公元二世纪时,“地心说”被体系化,后来成为中世纪欧洲正式的宇宙观。

  16世纪的波兰天文学家哥白尼 (Nicolaus Copernicus),试图用“日心说”来取代“地心说”,尽管他依然沿用和相信托勒密圆形轨道之说。丹麦天文学家第谷布拉赫 (Tycho Brahe) 是在(光学)望远镜发明之前,用肉眼进行行星和其它天象观测的传奇人物。年轻的德国天文学家开普勒 (Johannes Kepler) 从第谷的行星观测数据中归纳总结出了著名的“开普勒三大定律”,毫无疑义地支持了哥白尼的“日心说”。更为重要的是,他深刻意识到应当用椭圆轨道而不是圆轨道来描述若干已知行星环绕太阳的运动,从而使得人类了解到地球自身也是绕太阳做椭圆轨道运动的一颗行星。

  1687年,牛顿 (Sir Isaac Newton) 的名著《自然哲学的数学原理》(简称“《原理》”)拉丁文首版问世,基于开普勒三大定律,牛顿在书中以优美的数学形式提出了著名的万有引力定律,并将其成功地应用于若干已知行星的观测数据上。他指出太阳系所有成员都围绕整个系统的公共重心以椭圆轨道运转,而这个重心必然处于质量最大的太阳附近,因而第一次从物理学上完成了对“日心说”的理论升华,后来人类又基于牛顿的万有引力理论以及难以解释的已知行星轨道运动的观测数据偏差,陆续寻找并发现了天王星 (Uranus) 、海王星 (Neptune)、冥王星 (Pluto) 及其它天体。这是自然科学发展史上的伟大丰碑,同时建立了人类认识自然规律的范式。

  瑞典太阳系模型 (Sweden Solar System,缩写SSS) 是世界上最大的永久性太阳系模型,这项令人耳目一新、脑洞大开的独特设想,是1990年代由斯德哥尔摩大学等离子体物理学家Nils Brenning和天文学家Gsta Gahm在一次研讨会上提出来的,1998年开始创建。在这个模型中,太阳系中主要天体的大小和它们之间的距离按照一比两千万的比例,分布在从南到北长达1400公里的瑞典国土上。迄今为止,该模型已包括了20多个行星、卫星、小行星、矮行星、彗星等太阳系天体,每个天体模型都有一个托管机构,并且在继续增加扩展中。

  瑞典太阳系模型向大众形象地展示了各个系内天体与太阳的大小及距离之比,并将艺术、神话、科学以及瑞典各地的建筑和文化活动紧密联系在一起。代表太阳的模型是当今世界上最大的半球形建筑物,即位于瑞典首都斯德哥尔摩城南的Globen体育馆,建于1989年,直径110米,总体积60万5千立方米。2021年5月19日,体育馆以2018年离世的瑞典著名电子音乐人Tim Bergling的艺名,正式定名为Avicii Arena体育馆。下图上方是2009年联合国国际天文年时,该体育馆外表的光影秀,纪念意大利天文学家伽利略 (Galileo Galilei) 首次使用望远镜进行天文观测400周年。

  Avicii Arena体育馆及波罗的海日出 SSS官网 (上图),作者供图 (下方三图)

  在斯德哥尔摩地区,有四座新老天文馆所与这一太阳系模型密切相关。斯德哥尔摩老天文台位于市中心的一个小山顶,是瑞典皇家科学院(KVA)的第一座天文台建筑,始建于18世纪中叶,天文台穹顶建于1875年。从前这里曾是瑞典的国家零度子午线年代,天文台迁到斯德哥尔摩东南沿海半岛Saltsjbaden的新址。Saltsjbaden天文台从德国等国著名制造商处订购了大量光学望远镜,例如当年全球最大的40英寸天文反射望远镜,因此在北欧的地位独一无二,提出太阳系模型的研讨会也是在这个天文台举办的。

  1991年,Saltsjbaden天文台再次搬家回到市区,落户城北的斯德哥尔摩物理、天文和生物技术中心Albanova,其中安置了瑞典最大的光学望远镜,其镜面直径1米,焦距11米。斯德哥尔摩自然博物馆(NRM)的附属建筑Cosmonova 是位于NRM穹顶内的IMAX 3D影院,也是欧洲主要的天象仪之一。Albanova和Cosmonova均以Nova结尾,意为“新星”,特指吸积在白矮星表面的氢被白矮星高温加热造成剧烈的核子爆炸现象,几乎所有的新星爆发都发生在包含白矮星的双星系统之内。1572年,第谷发现了超新星SN 1572(注:SN是英文Supernova的缩写),在他的著作《关于新星》(De nova stella) 中最先使用这个名称。(注:新星和超新星实际上是两类完全不同的现象。)

  左上:斯德哥尔摩老天文台,右上:Saltsjbaden天文台

  英文中“行星”一词planet源于古希腊文πλανήτης,意为“游走者”,对应于罗马或希腊神祗,中国古代则以五行学说“木青、金白、火赤、水黑、土黄”为五颗古典行星命名。1859年,英国汉学家、伦敦传道会传教士伟烈亚力 (Alexander Wylie) 与中国数学家李善兰合译英国著名天文学家赫歇耳 (Sir John Frederick William Herschel) 的通俗名著《谈天》(Outlines of Astronomy,直译《天文学纲要》),是中文文献中第一次介绍日心说,也是中文“行星”一词首次出现。(注:欧洲空间局曾于2009年发射一颗远红外和亚毫米波段的空间天文卫星,以Herschel命名。)

  2006年,在捷克首都布拉格举行的第26届IAU(国际天文学联合会)上,天文学家们准确定义了行星的三个条件:直接绕恒星公转,质量足够大使本身形状成为球体,有能力清空邻近轨道的小天体。也是在这次IAU大会上,天文学家们投票否决了太阳系中的冥王星的行星身份,从这一历史时刻起,太阳系从原来的九大行星变成了八大行星。这主要是因为人类发现了太阳系中距离太阳更远的柯伊伯带 (Kuiper Belt) 天体,其中比冥王星更大者甚多,故冥王星被不幸排除在行星行列之外。

  根据行星表面岩质,太阳系的八大行星可划分为表面是岩石固体的“类地行星”,即水星、金星、地球和火星;主要成分是氢和氦的“气态巨行星”,即木星和土星;在浓厚的大气层下具有冰质表面的“冰巨行星”,即天王星和海王星。其中水星和金星比地球更靠近太阳,不会在子夜前后出现,相对于地球会呈现一系列完整的相位变化,因此也称为“内侧行星”,其余五颗行星则称为“外侧行星”。

  类地行星拥有致密的岩石成分,表面都有因陨石冲砸而形成的大小不一的撞击坑和地质构造的特征,外部没有绕行星运动的环系统,水星和金星没有卫星,地球有一颗即月亮,火星有两颗;除水星外类地行星均有大气层,会产生实质的天气变化。其余四颗巨行星没有可以明确界定的固体表面,囊括已知轨道运动环绕太阳天体的99%质量,都有绕各自行星运动的环系统。代表四个类地行星的物体均位于斯德哥尔摩市内或近郊,而四个巨行星则分别位于斯德哥尔摩以北濒临波罗的海 (Baltic Sea) 的不同城市。

  水星是最小和最靠近太阳的行星,轨道周期为87.969 地球日,具有八大行星中最大的离心率(取值在0和1之间,离心率越大椭圆越扁),其公转速度远远超过太阳系其它行星。水星的快速运动使它得名于罗马神话中快速飞行为众神传递信息的使者墨丘利,对应于希腊神话中的赫耳墨斯,水星符号 ☿ 表示墨丘利插有双翅的头盔和他的神杖。五行中以黑色配水星,古代中国又称水星为“辰星”。水星模型位于斯德哥尔摩城南Slussen的市立博物馆,直径25厘米,距离太阳模型2.9公里。模型上描绘了水星的陨石坑,以及轨道漂移等符号,后者是对爱因斯坦相对论的重要证实。

  金星是太阳系中从内向外的第二颗行星,轨道公转周期为224.7天,在夜空中的亮度仅次于月球。金星得名于罗马神话中爱与美的女神维纳斯,对应于希腊神话中的阿佛洛狄忒,金星符号 ♀ 表示维纳斯手中的梳妆镜,亦为女性标志。五行中以白色配金星,古称“太白”,早晨出现在东方时称“启明”,晚上出现在西方时称“长庚”。金星的大小、质量、体积以及到太阳的距离均与地球相似,因此经常被称为地球的姐妹星。然而金星在其它方面与地球完全不同,虽然金星具有类地行星中最浓厚的大气层,但其主要成份是二氧化碳。

  四百多年前,伽利略也是用望远镜发现太阳系诸多天体运动细节的第一人,他于1610年观察到金星会显示像月球一样的相位变化,而在地心说理论框架下,金星应始终呈现单一相位,因此成为证明哥白尼日心说的有力证据。两位英国天文学家霍罗克斯 (Jeremiah Horrocks) 与克拉布特里 (William Crabtree) 于1639年12月4日史上首次分别独立地观察和记录了金星凌日现象,并发现了其循环模式,被后世公认为英国现代天文学的开端。2020年9月15日,天文学家在金星大气层中侦测到磷化氢,可能是地外生命存在的迹象。金星模型位于前述AlbaNova中心外,直径62厘米,距离斯德哥尔摩的太阳模型5.5公里。

  地球是太阳系中从内向外的第三颗行星,是质量和密度最大的类地行星。地球是宇宙中人类已知唯一存在生命的天体,是人类生存的家园。地球同时进行自转和公转运动(自转轴与公转轴有23.5度的夹角),产生了昼夜及四季的变化更替。地球的英文名称Earth源自中古英语,在许多文化中,地球是主管生育的地母神,地球符号 ⊕ 表示带有赤道和一条经线的球体。中文“地球”一词最早出现于明朝万历年间的西学东渐时期,意大利耶稣会传教士利玛窦 (Mateo Ricci) 在中国传教时编制刊刻的经纬世界地图《坤舆万国全图》中首先使用该词,他曾与徐光启合译出欧几里得的《几何原本》前六卷。

  原生地球大约形成于45.4亿年前,生物圈从35亿年前开始进化,27亿年前光合作用开始产生氧气,从而形成了含有21%自由氧气的大气层。地球具有类地行星中独一无二的水圈,71%的表面积被海洋覆盖,远观呈蔚蓝色,因此有“蓝色星球”的别称。地球仅有一颗天然卫星月球,距地球38万公里,也是太阳系类地行星拥有的唯一大卫星,月球的起源至今依然是个谜。地球模型位于前述Cosmonova入口处,直径65厘米,月球模型固定在20米远处的一根柱子上,直径18厘米。地球模型距离太阳模型7.5公里,地球与太阳之间的实际平均距离约为一亿五千万公里,被定义为一个天文单位 (Astronomic Unit,缩写AU) ,常用作太阳系中天体之间的距离单位。

  火星是太阳系中从内向外的第四颗行星,是仅次于水星的第二小行星,有两颗天然卫星火卫一(Phobos)与火卫二 (Deimos)。火星得名于罗马神话中的战神玛尔斯,两颗卫星得名于希腊神话中的战神阿瑞斯之子福波斯及得摩斯。火星符号 ♂ 表示玛尔斯的盾牌和长矛,也是男性标志。由于火星土壤中含有氧化铁 (Fe₂O₃),因此表面呈橘红或深红色,通常被称为“红色星球”。五行中以红色配火星,中国古代称之为“荧惑星”,因其荧荧如火,并且位置和亮度时常变动让人无法捉摸。大约40亿年前,火星与地球的气候相似,也有河流、湖泊甚至海洋,火星具有稀薄的大气层,主要由二氧化碳构成,其表面有大量陨石坑、火山、高峰和裂谷。

  火星曾经被认为是太阳系中最有可能存在地外生命的行星,也是人类可以探索的距离较近的行星之一,迄今已被不同国家的数十艘无人航天器探索。2020年7月23日中国从海南文昌发射场首次发射火星探测器“天问一号”,目标为绕、落、巡三位一体,开启了中国的深空探测计划。这次发射的前后几天,阿联酋和美国也分别发射了火星探测器。2021年5月15日,“天问一号”和祝融号火星车在火星乌托邦平原南部成功着陆。火星模型位于斯德哥尔摩东北近郊Danderyd区Mrby购物中心,直径35厘米,距离太阳模型11.6公里。模型通过一条“脐带”连接到具有地球影像的钢质底板上,象征人类通过探测器的频繁访问与火星的紧密联系,模型表面还标出了火星上发现的主要化学元素及含量。

  木星是太阳系中从内向外的第五颗行星,木星在八大行星中最大,自转速度最快 (周期约10小时),拥有巨大的磁层和极强的辐射带,堪称太阳系中的“巨无霸”。木星质量约为太阳的千分之一,却是太阳系其它行星质量总和的2.5倍。其主要成分是氢(中心核甚至可能有高压下形成的金属氢),而只占十分之一原子数量的氦却占了总质量的四分之一。木星是继月球和金星之后,夜空平均第三亮的天体。木星得名于罗马神话中的主神朱庇特,对应于希腊神话中的宙斯,木星符号 ♃ 表示朱庇特的闪电或神鹰。在五行中以青色配木星,古代中国称其为“岁星”,取其绕行天球一周为12年,与地支相同之故。

  木星是太阳系内拥有最大卫星系统的行星,目前已知有79颗之多,它有一个黯淡的行星环系统,由大量尘埃和黑色碎石组成。伽利略是最先发现木星卫星的人,他于1610年用光学望远镜发现了其中最大的四颗并因此得名“伽利略卫星”,为推翻认为所有天体都围绕地球运转的地心说提供了重要证据。木星最著名的特征大红斑,是比地球大的一个持久性反气旋风暴(自发现起已经存在400多年)。木星模型位于斯德哥尔摩的阿兰达国际机场(Arlanda Airport)的Clarion酒店大堂,是一个发光的环,直径7.1米,距离太阳模型40公里,酒店走廊里还陈列了伽利略卫星图片。

  土星是太阳系中从内向外的第六颗行星,主要由氢组成,还有少量的氦与其它元素,体积仅次于木星,是太阳系内唯一密度低于水星的行星。土星的行星磁场强度介于地球和更强的木星之间,南北磁极有极光环。土星得名于罗马神话中的农神萨图尔努斯 (Saturnus),其符号 ♄ 象征萨图尔努斯的镰刀。在五行中以黄色配土星,古代中国称其为“镇星”。土星的最大特征是由小冰块和岩石颗粒组成的宽阔环系统,因此是太阳系的“指环王”。17世纪荷兰物理学家惠更斯(Christian Huygens)用自己研制的望远镜发现了土星第二大卫星 —— 土卫六,即“惠更斯卫星”,又名“泰坦” (Titan),是太阳系内第一颗被发现的拥有浓厚大气层的卫星,随后意大利天文学家卡西尼 (Giovanni D. Cassini) 又发现了四颗土星卫星以及土星环中的卡西尼缝 。

  瑞典著名物理学家、天文学家摄尔修斯 (Anders Celsius) 于1741年创建了瑞典第一个天文观测站,1742年提出了摄氏温标来度量温度。历史文化名城乌普萨拉(Uppsala)市中心的摄尔修斯观测站是该城最古老的建筑之一,土星模型位于观测站,直径6.1米,距离太阳模型73公里。左图中的小球即为惠更斯卫星,右图是观测站附近的摄尔修斯天文学雕塑。当两个天体在天球上具有相同的黄经时称为“相合”,2020年底出现了“土木相合”的天象奇观,据称是1623年以来两颗行星距离最近的一次。

  天王星是太阳系中从内向外的第七颗行星,距太阳18.37-20.08天文单位。1781年被赫歇尔发现,是第一颗使用望远镜发现的行星。天王星得名于古希腊神话的天空之神、宙斯的祖父乌拉诺斯,是太阳系中唯一以希腊神祇命名的行星,中国、日本、韩国等汉字文化圈国家的写法都是“天王星”。天王星符号为♅或⛢,后者综合了火星和太阳的符号,因为乌拉诺斯被认为是由二者联合的力量所控制。天王星是太阳系内大气层最冷的行星,最低温度只有49K (-224℃),其外部大气层具有复杂的云层结构。

  海王星在八大行星中距离太阳最远,大约30个天文单位,公转周期约为165年,质量为17倍地球质量,半径为3.86倍地球半径,1846年被发现。海王星得名于罗马神话中的海神王、朱庇特的弟弟尼普顿,对应于希腊神话中的波塞冬,因此汉字写法是“海王星”,其符号 ♆ 表示尼普顿的三叉戟。1613年元旦前后,伽利略两度观测并描绘出海王星,但他误认为那是一颗恒星。两百多年后,法国天文学教师宇赫班勒维里耶(Urbain Le Verrier)在研究天王星运行轨道的偏摄动问题时,用物理模型和数学计算预测了海王星,并于1846年被望远镜观测发现,这是牛顿万有引力理论最成功的一个应用案例。而在勒维里耶预言不久前,英国天文学家约翰库奇亚当斯(John Couch Adams)也同样在解决天王星轨道问题时计算出了海王星的存在,但位置误差较大,也未引起收到其预言结果的天文台的重视。

  海王星和天王星是一对姐妹星,其大气成分基本是由氢气、氦气和少许甲烷构成,因此二者在太空中都显示出美丽的蓝色,但前者深蓝、后者蔚蓝。天王星在太阳系中体积排名第三、质量排名第四,有27颗卫星;海王星则体积排名第四、质量排名第三,只有14颗卫星。天王星模型 (左图) 位于乌普兰 (Uppland) 平原北部的工业小城Lvstabruk,直径2.6米,距离太阳模型146公里。海王星模型 (右图) 位于波罗的海边的小城Sderhamn,是一个直径2.5米的丙烯酸球体,夜间发出蓝光,距离太阳模型229公里。

  小行星是太阳系内类似行星、环绕太阳运动、体积和质量比行星小得多的天体,是早期太阳系生成后的遗留物质,直径超过一公里的小行星多达几百万颗。主小行星带分布在火星轨道和木星轨道之间。在斯德哥尔摩和乌普兰地区有四个小行星模型,爱神星 (Eros) 是空间探测器登陆的第一颗小行星。2001年情人节前,美国宇航局 (NASA) 的太空探测器登陆其表面,因而用希腊神话中的爱神厄洛斯来命名。爱神星上还有两座陨石坑,分别以中国古典小说《红楼梦》里一对爱侣贾宝玉和林黛玉的名字命名。灶神星 (Vesta) 是太阳系最大的、也是从地球上可见的最亮的小行星,以罗马神话中炉灶和家庭的保护女神维斯塔命名,相当于希腊神话中的赫斯提亚。

  塞尔提斯 (Saltis) 是2000年在前述斯德哥尔摩Saltsjbaden天文台发现的小行星,以该地的昵称命名,其直径大约在二至四公里之间,表面积比Saltsjbaden地区略大。帕洛马-莱顿 (5025 P-L) 曾经是一颗迷踪小行星,以美国洛杉矶的帕洛马山天文台 (Palomar Observatory)与荷兰莱顿 (Leiden) 天文台的名字命名。除了椭球形的灶神星模型的直径为3厘米之外,其余三个小行星模型的大小都不超过毫米级,它们距离太阳模型分别为11、17 (北)、17 (东)、60公里。下图依次为爱神星、灶神星、塞尔提斯的模型,前两个位于斯德哥尔摩东北郊的两所中学校园。帕洛马-莱顿是本文首图左浮雕上的一个小点,位于乌普萨拉以南小城Knivsta的一个公园内。

  爱神星模型(左上)、灶神星模型(右上)、塞尔提斯星模型(下) imgur.com,SSS官网

  矮行星又称中行星、准行星、侏儒行星,是具有行星级质量,但既不是行星、也不是卫星的天体。与行星类似,矮行星直接环绕恒星公转,并且质量足够大到使本身形状成为球体,却没有能力清空邻近轨道的小天体。目前被IAU承认的矮行星共有五颗,太阳系内已知体积最大、质量第二大的矮行星是冥王星。冥王星于1930年被美国天文学家克莱德汤博(Clyde Tombaugh)发现,得名于罗马神话中的冥界之神普路托,其天文符号 ♇ 是由PL构成的花押字。与太阳系内其它行星轨道接近圆形、靠近黄道面不同,冥王星的轨道是高度倾斜、高度偏心的椭圆形。

  冥王星在被发现后长达76年的时间里一直被认为是太阳系的第九颗行星,直到2006年IAU正式定义了行星概念,才将冥王星划为矮行星。尽管冥王星不再算作太阳系的第九大行星,但它的发现是基于天文学家对海王星的观测,从而推测天王星的轨道可能还受到海王星以外的另一个行星的干扰,这同样是牛顿万有引力理论的传奇。冥王星模型位于瑞典北部的Dellensjarna湖畔,这组湖泊是9000万年前一次大型陨石撞击形成的,模型直径12厘米,距离太阳模型300公里。其基座具有死亡王国坟墓般的外形,昭显了冥王星的神话意义,陨石撞击必定会消灭该地区的所有生命。

  妊神星 (Haumea) 是太阳系内已知第三大矮行星,于2004年被发现,得名于夏威夷神话中的保育女神、大地之母哈乌美亚。妊神星呈椭球形,具有罕见的高速自转、高密度和高反照率。其模型于2019年9月27日在瑞典中部城市Borlnge设立,距离太阳模型200公里,是迄今最新加入的成员。鸟神星 (Makemake) 是太阳系内已知第四大矮行星,于2005年复活节后不久被发现,得名于复活节岛原住民神話中的创造和生殖之神马奇马奇。鸟神星模型位于瑞典西海岸城市哥德堡 (Gteborg),距离太阳模型400公里,冥王星、妊神星和鸟神星都是海王星轨道外黄道面附近的天体密集的圆盘状区域柯伊伯带中的天体。

  太阳系内已知最大的矮行星阋神星 (Eris) 于2005年被发现,最初阋神星被认作太阳系的第十大行星,但由于其它类似大小天体的陆续发现,符合行星原来定义的太阳系天体数量骤增,促使国际天文联合会次年重新定义。这一矮行星也因此得名于希腊神话中的不和女神厄里斯,中文名称来自《诗经小雅常棣》:“兄弟阋于墙,外御其务 (侮) ”。阋神星模型位于北部城市于默奧 (Ume),直径13厘米,距离太阳模型510公里,下图依次为妊神星、鸟神星和阋神星模型。另一颗矮行星是谷神星,但不知为何没有它的模型。

  太阳系中还有大约几十甚至几百颗几乎可以认定或候选的矮行星,在瑞典各地分布着其中四个的模型。创神星 (Quaoar) 于2002年在帕洛玛山天文台被发现,得名于当地原住民通瓦人神话中的创造神夸尔。其模型位于瑞典南部小城Gislaved,距离太阳模型340公里。伊克西翁 (Ixion) 位于太阳系的边缘,于2001年被发现,是乌普萨拉大学研究人员发现的最大的小行星之一。伊克西翁是希腊神话中一位狂妄的拉皮斯人国王,被宙斯施以火轮之刑。其模型位于瑞典北部小城Hrnsand,距离太阳模型360公里。

  2007 OR10 曾是太阳系最大的未命名天体,其体积略大于鸟神星和妊神星。2020年二月以中国古代神话中的水神“共工氏” (Gonggong) 正式命名,据《山海经》记载,共工为炎帝之后、祝融之子。共工星的模型位于瑞典南部城市马尔默 (Malm),距离太阳模型500公里。赛德娜 (Sedna) 于2003年被发现时,是太阳系中最遥远、最寒冷的一个天体。传说它居住在北极海的深处,因此用因努伊特神話中冰冻的海洋女神赛德娜命名。赛德娜模型位于北极圈内的城市吕勒奥 (Lule),距离太阳模型912公里。

  创神星模型(左上)、伊克西翁模型(右上)、共工星模型(左下)、赛德娜模型(右下) SSS官网

  彗星 (Comet) 是亮度和形状会随日距变化的太阳系小天体,分为彗核、彗发、彗尾三部分,天文学符号是 ☄。彗核由冰物质构成,当彗星接近太阳时,在慧核周围形成朦胧的彗发,沿着背离太阳的方向形成一条由气体和尘埃构成的彗尾,这一现象是由太阳风造成的。东西方古代文化中对于彗星都有记载,汉语中彗的本意为“帚”,古人称彗星为“星孛”。在长沙出土的马王堆汉墓帛书上,就有29幅彗星图,一共描绘了19种彗星。西方语境中的“彗星”一词,缘自希腊文中的“长发明星”,亚里士多德最早使用这一词汇。

  牛顿曾对1680年大彗星的观测记录进行了详细分析,还亲自观测了1681年的彗星。他在其巨著《原理》中指出:“彗星是一类行星,在具有极大偏心率的轨道上围绕太阳运行”,并用万有引力定律证明了彗星的轨道是一条圆锥曲线。轨道为椭圆的彗星能定期回到太阳身边,称为周期彗星,哈雷彗星是唯一能用肉眼直接从地球看到的周期彗星,也是史上第一个被观测到的重复出现的天体。1705年,英国天文学家爱德蒙哈雷(Edmond Halley)使用牛顿万有引力定律计算出这颗彗星的公转轨道和周期,成功预测了1758年的回归,因此被命名为“哈雷彗星”。哈雷彗星的周期在75-76年之间,上一次回归是在1986年,下一次将在2061年。

  在瑞典国土上共有两颗彗星模型,一颗是哈雷彗星 (1P/Halley),另一颗是斯威夫特-塔特尔彗星 (109P/Swift-Tuttle)。斯威夫特-塔特尔彗星于1862年被发现,以两位独立发现者的名字命名,是北半球三大流星雨之一 —— 英仙座流星雨的母彗星。哈雷彗星的模型位于瑞典西南部城市Skvde,形象是根据六年级小学生的绘画制成的三个浮雕 (左上图) 及激光形成的一条彗尾 (右上图),距离太阳模型260公里。斯威夫特-塔特尔彗星的模型位于瑞典南部港口城市Karlshamn,直径小于1厘米,距离太阳模型390公里,那里是按比例的斯威夫特-塔特尔彗星远日点,下图左侧的紫色椭圆即为它的轨道。

  周期彗星依据其运转周期可分为两类:短周期彗星和长周期彗星。短周期彗星大部分绕太阳公转,轨道大小不超过10天文单位,周期不超过200年,与黄道面处于同一平面,短周期彗星被认为起源于柯伊伯带。哈雷彗星和斯威夫特-塔特尔彗星都是短周期彗星,后者的周期为133年。长周期彗星的轨道都非常大,可超过数千天文单位的数量级,且不局限于黄道面。著名荷兰天文学家奥尔特(Jan Hendrik Oort)于1950年猜测,轨道大角度偏离黄道面的长周期彗星起源于太阳系最外端的一个包裹着太阳系的云层或云团,后来科学家们称之为奥尔特云。奥尔特云在理论上是一个围绕太阳,主要由冰微行星组成的球体云团,但至今仍是一种假说。

  奥陌陌 (Oumuamua) 是人类首次在太阳系内发现的系外天体,在夏威夷语中意为“侦查兵”或“探路者”,2017年10月19日被NASA(美国宇航局)位于夏威夷的泛星巡天望远镜(Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System,缩写PANSTARRS)发现。起初它被误认为是一颗彗星,但经过长时间观测研究后,天文家们推测这位不速之客可能来自太阳系附近的一个恒星团,4000万年前被一颗行星抛出。奥陌陌在以极高的离心率穿越银河系的途中,碰巧撞击了太阳系,而且正在离我们而去,永不复返。奥陌陌模型位于瑞典西南沿海的哈兰省(Halland),直径0.3毫米,距离太阳模型440公里。

  太阳圈也称为日球 (Heliosphere),是持续的太阳风在星际物质的空间中造成的等离子体气泡。太阳圈有终端激波 (Termination shock),太阳风内的粒子与由银河系渗入的氢和氦构成的星际介质冲击碰撞,速度由每秒0.33公里迅速降低到亚音速以下。这里是太阳风最后的终止之处,也是星际空间的起点,可谓“日止于此,星始于斯”。终端震波模型位于瑞典最北端的城市基律纳 (Kiruna) 的国家空间物理研究所,距离太阳模型950公里,而实际距离约为126.7天文单位。

  在浩瀚的宇宙中至少有数万亿星系,每个星系包括数以千亿的恒星、数以万亿的行星。2019年诺贝尔物理学奖表彰了两项研究,一个是对宇宙结构和历史的新认识,一个是在太阳系外首次发现一颗围绕类太阳恒星公转的行星。由于 “在增进我们对宇宙演化,以及地球在宇宙中地位的理解方面所做出的贡献”,当时84岁的加拿大裔美国宇宙学家James Peebles、77岁的瑞士天体物理学家Michel Mayor和52岁的瑞士天文学家Didier Queloz共同摘得物理诺奖桂冠,他们的发现永远改变了我们对宇宙的认知。

  在过去50年里,Peebles对于物理宇宙学的洞见丰富了整个研究领域,他的理论框架已成为当代宇宙学的基础,并为宇宙学从猜想转变为实证科学奠定了基础。利用他的理论和诸多观测可以推算出,宇宙由68%的暗能量、27%的暗物质和5%的物质组成。1995年10月,Mayor和Queloz基于恒星光谱的多普勒 (Doppler) 效应,利用法国南部上普罗旺斯高地天文台 (Haute-Provence Observatory) 的望远镜,首次发现太阳系外的围绕类似太阳的恒星旋转的一颗行星,这是一个可与太阳系最大的行星木星相媲美的气态球体。这一发现开启了天文学的一场革命,自那时起,天文学家在银河系已经发现了4000多颗系外行星,从而迫使科学家们修正关于行星起源物理过程的理论。

  北宋大文人苏东坡900多年前在登上四川平都山时,留下了千古名句:“抬眸四顾乾坤阔,日月星辰任我攀。” 在科学技术高度发达的今天,摘星揽月已不再是古人诗意的想象。2019年也是美国宇航局阿波罗11号宇宙飞船登月50周年,1969年7月20日,宇航员尼尔阿姆斯特朗 (Neil Armstrong) 与登月舱驾驶员巴兹奥尔德林 (Buzz Aldrin) 成为首次踏上地球之外星球的人类,可谓“个人一小步,人类一大步”。迄今为止,人类已将66个航天器成功送往月球。下图为2019年斯德哥尔摩市中心NK百货公司一年一度的圣诞橱窗灯光秀,其主题就是“人类登月50年”。

  鸣谢:感谢清华大学物理系楼宇庆教授提前阅读了本文,并给予详细的修订意见。

瑞典这个脑洞大开的科普项目让日月星辰任你攀

太阳系是一个受太阳引力约束在一起,由若干行星、小行星和彗星等组成的运动系统,包括太阳 (Sun ☉) 以及直接或间接围绕太阳运动的天体。太阳系内肉眼可见的五颗行星 水星 (Merc...

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