§1 太阳系概况;§2 太阳系天体;§3 太阳系的起源和演化;§4 太阳系外行星探索。

Update：solarsystem.nasa.gov

1

太阳系概况

2

• 太阳系除太阳外其他成员包括：

行星: 水星、金星、地球、火星、木星、土星、

天王星、海王星；矮行星：冥王星、谷神星、齐

娜(Eris)等；及其卫星和众多的小行星、彗星、

流星体以及弥漫的行星际物质。

其质量占太阳系总质量的0.13%

Credit: Antonio M. Rosario / The Image Bank Getty Images

1、太阳：太阳系中心天体，是太阳系光和能量的来源，其质量占总质量的 99.865 %。

2、环绕太阳的天体

a、八大行星： 太阳系的主要成员

Mercury/Venus/Earth/Mars/Jupiter/Saturn/Uranus/Neptune

水 金 地 火 木 土 天 海

卫星： 1 2 79 82 27 14

环带： 有 有 有 有

b、矮行星：代表天体包括冥王星（Pluto），谷神星(Ceres)、齐娜(阋神星)（Eris）、妊神星（Haumea）、鸟神星（Makemake）。

c、太阳系小天体：

小行星、彗星、流星、陨石。

3、行星际物质和太阳风。

太阳系成员

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类

地

行

星

0.39~1.52AU

2.17~3.64AU

小

行

星

带

5.2~30AU

类

木

行

星

巨

行

星

&

离

散

盘

柯

伊

伯

带30~55+AU

奥

尔

特

云

边界~100AU

Helio

sph

ere

太

阳

风

圈

~104 AU

Inner solar system: 类地行星

类地行星：石质行星，水星 金星 地球 火

星。

特征：体积、质量小、密度大、有坚硬的岩石

外壳、中心有铁镍核、金属含量高、自转慢、

卫星少、没有环。

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水星（Mercury）• 水星出现在太阳的

附近，经常掩没在太阳光辉中。因为它离太阳的角距不超过28度（在18°~28°之间），古代称30度为一辰,所以我们祖先把水星叫做辰星。

• 水星绕日的公转轨道是椭圆，离太阳有时近，有时远，所以我们看起来时亮时暗，平均视星等为-1.9等。

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11月24日东大距，距离太阳22度，日落时地平高度~10度。

• 质量：3.3x1023 kg，0.055M⊕；• 平均半径：2440km，0.383R⊕；• 表面重力：3.7m/s2，0.38g；• 距太阳平均距离：5791万公里，0.39AU;• 自转周期：58.65地球日；• 公转周期：87.97地球日；

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水星（Mercury）

水星

半径2440km

半径6380km

半径1740km

• 恒星日：58.65地球日；

• 太阳日（太阳两次上中天时间间隔）：~176地球日；

• 轨道倾角（相对于黄道）：7o，离心率：0.21；

• 3：2自转轨道共振：自转三周=公转两周；

• 水星无法留住长期稳定的大气层，仅存在一个稀薄的外逸层（exosphere，原子不断流失和补充），白昼日照时间很长，因而，在水星表面赤道区域，白昼的温度高达+430℃，而在夜间的温度降至－170 ℃左右。

• 存在磁场。

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水星（Mercury）

水星上，即使有过原始大气也已经逃逸

• 在水星表面，水星的逃逸速度：

𝑣 =2𝐺𝑀

𝑅= 11.2

𝑀(𝑀⨁)

𝑅(𝑅⨁)𝑘𝑚/𝑠 = 4.2 km/s

• 大气气体粒子的平均速度：

分子平均速度 = 0.157𝑇(𝐾)

分子质量（氢原子质量）km/s

氢气 （H2）: 2.9 km/s (取 T=700 K) ;

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参考《今日天文》

• 统计上，分子的平均速度小于逃逸速度，但是仍然有部分气体分子的速度远大于平均速度，慢慢从行星大气中泄露出去；

• 如果逃逸速度超过分子平均速度的6倍，可以认为在太阳系形成到现在，大气的泄露可以忽略；

• 如果逃逸速度小于分子平均速度的6倍，那么可以认为行星上大气大部分已经逃逸了。

• 请讨论地球上是否能保留住氢气？

• 水星上能像地球一样，保留住氮气么？

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参考《今日天文》

• 水星的自转和公转：

• 月亮的自转同其绕地球公转同步，而水星的自转和绕太阳的公转没有实现1：1同步，而是3：2共振。

为什么 ？

• 水星近日点轨道速度最大，远日点最小；

• 近日点收到的潮汐力远大于远日点；

• 因此自转速度倾向于和近日点轨道速度同步，形成了现在3：2共振的状态。

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参考《今日天文》

金星（Venus）• 金星是除月亮外夜空中

最为明亮的天体，以罗马神话中爱神维纳斯命名，视星等最亮可达-4.6等；

• 中国古代被称为太白金星，日出前出现在东方称启明，日落后出现在西方时被称为长庚。

• 金星离太阳的角距最大可达47.8o，和水星一样，在地球上可以观测到凌日 。

• 可见盈亏相位周期变化。

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2012年6月5日金星凌日

• 质量：4.9x1024 kg，0.815M⊕；• 平均半径：6052km，0.95R⊕；• 表面重力：8.9m/s2，0.9g；• 距太阳平均距离：10820.8万公里，0.723AU;• 自转周期：-243.02地球日；• 公转周期：224.7地球日；

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金星

金星（Venus）

• 恒星日：243.02地球日；

• 太阳日（太阳两次上中天时间间隔）：~116.75地球日；

• 离心率：<0.01；

• 赤道与轨道面夹角：177.4o;

• 金星有浓密的大气，高温而且有腐蚀性，温度高达 450℃以上，气压高出地球的近百倍。大气中还频繁的出现闪电现象。 金星的温度一般都在465℃～485℃之间，有90个大气压，这相当于地球的海底深900米处的压力。

• 金星的云层主要集中在40-65公里高度，33公里以下的大气就清澈了。

• 金星大气中二氧化碳居多，达到97%以上，还有近3%的氮和很少量的水蒸气、一氧化碳等。

• 与地球不同，没有内部机制产生的磁场。14

金星（Venus）

• 金星探测：• 水手二号（Mariner 2）：1962，首次进入其它行星

空间，发回探测信息，测量金星表面温度。• 金星7号（前苏联，Venera 7）：1970，登陆金星表

面，首次登陆其它行星。• Magellan 金星探测器：1990-1994，金星地表雷达成

图。• Venus Express（by ESA）：2005-2014。• Akatsuki（破晓号，日本）：2015年进入金星轨道。

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金星（Venus）

Venus express

Day, 3800Å Night，1.7μm

Copyright ESA/VIRTIS/INAF-IASF/Obs. de Paris-LESIA

Magellan image of Maat Mons volcano

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• 金星大气探测：• 金星高云层中风速可达400km/s，是金星自转的60倍；

• Venus Express 拍摄的金星南极地区剧烈变化的气旋，从左上到右下显示了2007年2月到2008年4月气旋的变化，尺度2000~3000km

Copyright ESA/VIRTIS-Vneus Express/INAF-IAPS/LESIA-Obs. Paris/G. Piccioni

地球（Earth）

• 地球的赤道半径a= 6378.164 km；地球中心到两极的极半径 c= 6356.779 km ，也就是说地球是赤道略凸，两极处稍扁的椭球体，其平均半径 R ⊕ = 6371.03 km；地球的扁率 (a-c)/a = 0.0033529。

• 平均密度: 5.5g／cm3 。

• 质量: Ｍ⊕ =5.97×1024kg。

• 化学组成按质量百分比递减依次为：铁、氧、硅、镁、硫、镍、钙、铝。

• 地核主要是铁，少量镍、硫

在月球上拍摄的地球照片

地 球 大 气 从 对 流 层（ Tropopause ） 、 平 流 层（Stratosphere）、臭氧层（Ozonelayer）、中间层（Mesosphere）到电离层顶(Ionosphere) 的温度、压力随地球高度的变化

地球的大气

• 前面的计算说明，地球的确有能力保留分子量较大的气体，然而，演化至今，地球大气成分和金星却完全不同，为什么？

• 行星形成之初，初始大气的成分一般是氢、氦、甲烷、氨和水蒸气；

• 比较轻的气体在地球形成几亿年后就逃逸了；

• 而火山活动让地球从内部排气，第二阶段的大气富含水蒸气，甲烷，二氧化碳，二氧化硫，和含氮化合物；

• 紫外线使化合物分解，氢气逃逸，氮气形成；

• 地球表面温度的冷却使水蒸气凝结，形成海洋，促进CO2, SO2等物质溶解或者和岩石结合；

• 生命形成产生大量氧气，逐渐演化成今天的地球大气。

19参考《今日天文》

月亮(Moon)－地球的卫星

一、月球的基本参量1、平均距离：384401 Km（363297——405501）

2、直径：3475 Km R月＞1／4R ⊕ ；

＜亚洲面积3、质量：7350亿亿吨(7.35 x 1022 kg),1/80 M ⊕

• 中国古代称火星为惑星或荧惑。火星最亮时的视星等为-2.01等，最暗时为1.5等。

• 质量：6.4×1023kg， 0.107M⊕;

• 表面重力: 3.7m/s2, 0.376g；

• 平均半径：3390km，0.53R ⊕;

• 火星绕日的轨道椭圆率为0.093,火星近日点的距离为1.38A.U.,远日点距离太阳为1.67A.U.。

• 公转周期：686.98天（地球日）；

• 自转周期：1.025957天；

• 赤道与轨道面夹角为25.19°。

火星（Mars）

• 火星的土壤有大量的氧化铁，由于大气中的尘埃是棕红色的氧化物，所以天空也呈现橙红色。

• 地面望远镜可见火星的一个极有白斑，叫做极冠，在冬季北极冠直径可达1000km，夏季缩小甚至完全消失，主要由水冰和表面一层干冰构成。由于季节变化，夏季北极冠温度高于二氧化碳升华点，夏季北极冠干冰可完全升华，南极冠夏季则保留少量干冰。

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火星（Mars）

North polar cap summer South polar cap summer

Credit: NASA/JPL/MSSS, image by Mars Global Surveyor (MGS) Mars Orbiter Camera (MOC)

• 火星的大气远比地球大气稀薄，气压仅为地球大气压的0.5 ％ ～0.8 ％ 。其主要成份是二氧化碳，占95％;氮占 3％，水汽仅占0.01％。火星云层的主要成分是干冰。

• Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN) mission: 太阳风对火星大气层的不断侵蚀。

火星（Mars）

火星和地球的比较：地球磁场在太阳风环境中对地球形成有效保护，火星则没有磁场。（Credit：NASA/GSFC）

• 由于火星大气稀薄而干燥，使火星表面的昼夜温差变化很大，白天赤道附近最高可达20℃，晚上最低温度降到-80℃。

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火星（Mars）

海盗号拍摄的火星上著名的奥林波斯火山。海拔~22km

水手号峡谷，在火星表面绵延3000km，宽600km, 8km深。

金星、地球、火星大气的比较

• 同为类地行星，为什么金星、地球、火星大气特征迥异？

金星：大气主要由二氧化碳构成，“温室气体”，吸收红外辐射

行星表面被太阳照射加热，产生红外辐射，从而将能量释放出去，而温室气体吸收红外辐射，阻止了热量向太空散失，为行星保温：温室效应；

25

参考《今日天文》

金星、地球、火星大气的比较

相比于地球，金星大气富含了太多的温室气体内部排气后，由于温度较高，水蒸气没有有效形成海洋，而是和二氧化碳一起保留在了大气中；

温室气体是温度上升，更多的CO2进入大气

失控的温室效应

26参考《今日天文》

金星、地球、火星大气的比较

• 火星：火星的引力弱，内部脱气之后，大气逐渐逃逸到太空中；

• 二氧化碳融入行星的壳层；

• 火星内部冷却速度也比地球快；

• 大气中二氧化碳被逐渐消耗，缺乏补充，温室效应减弱；

• 低温下，大气中二氧化碳进一步减少，形成今天火星大气稀薄的现状。

27参考《今日天文》

• 水冰以及一些矿物质的发现表明火星表面曾经有液态水的存在。

• 火星勘测轨道飞行器（MRO）: 在火星上探测到impact glass（撞击石，green in image，形成于猛烈陨石撞击，岩石的溶解和迅速冷却），如果火星曾经存在过生命，那么其存在过的证据很有可能在这里被保存下来。

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火星（Mars）

Credit：NASA/JPL-Caltech/JHUAPL/Univ. of Arizona

• MRO也探测到液态盐水在近期内（夏天）短暂存在的可能证据。

29Credit：NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona

• 火星有两颗卫星：形状不规则，自转与公转同步，始终一面向着火星。• 火卫一（Phobos，下左）：27km x 22km x 18km，

公转7小时39分，西升东落；

• 火卫二（Deimos，下右）：15km x 12km x 10km，公转30.30小时，东升西落。。

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火星（Mars）

Credit：NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona

Stickney

小行星带和谷神星

• 小行星在太阳系天体分类中归类为太阳系小天体。

• 大多数小行星的形状是不规则的，只有少数小行星是球形。小行星的表面的反照率各不相同，说明它们的组成物质是不同的。反光能力大的是石质小行星，反光能力差的是碳质小行星。有些小行星还有一个甚至多个卫星。

• 尺度从最大的灶神星（Vesta，530km）到几米（更小的被称为流星体）。

31伽利略号拍摄到的小行星卫星系统。Credit：NASA/JPL

• 绝大多数小行星分布在火星和木星轨道之间（在2.17~3.64 A.U.之间）的小行星带。个别小行星因受外界的干扰，不在小行星带内运动。有的运动到地球轨道，甚至金星轨道以内，这些近地小行星称为阿波罗型小行星。

• 小行星群：木星特洛伊群和希腊群分布在木星的L4，L5两个拉格朗日点上，希尔达小行星分布在木星2：3共振轨道上。

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引自en.wikipedia.org

轨道半长轴a 较小或离心率 e 较大，其轨道非常接近地球，是偏离主环带的较特殊群体。

A、阿坦型 （Aten）

a＜1AU

远日距略大于1.0AU，

B、阿波罗型（Apollo）

a：1.08—4.2AU

近日距＜1AU

C、阿莫尔型（Amor）

a＞1AU， 近日距≥1AU

近地小行星

• 谷神星（Ceres）：内太阳系唯一的矮行星，小行星带内最大的天体。

• 半径476km，距太阳2.8AU，0.00015M ⊕

• 2006年被国际天文学联合会列为矮行星：1）位于围绕太阳的轨道上；2）有足够大的质量克服固体应力达到流体静力学平衡的形状（接近球体）；3）未能清除轨道附近的小天体；4）不属于卫星。

34Dawn探测器拍摄的谷神星。Credit：NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Outer solar system: 巨行星

巨行星(类木行星)：木星 土星 天王星 海王星

特征：体积大、密度小、无固体表面的流体行

星、自转快、卫星多，有环带。

木星、土星：主要由H 、He组成；

天王星、海王星：水、甲烷和氨，大气主

要是氢、氦。

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• 木星是太阳系内质量和体积最大的行星，公转周期约为12年，在中国古代称为岁星，最亮时的视星等为-2.94等，最暗时为-1.6等。

• 质量：1.9x1027 kg， 317.8M⊕;

• 表面重力: 24.8m/s2, 2.53g；

• 平均半径：69911km，~11R ⊕;

• 绕日的轨道离心率为0.049,

• 近日点的距离为4.95A.U.,远日点距离太阳为5.46A.U.。

• 公转周期：4332.6天（地球日）；

• 在九大行星中它的自转速度最快，木星的赤道旋转速度最快，自转周期为9h50m,高纬度区的自转速度慢些, 约9h55m,即木星的自转是较差自转, 赤道快，两极区慢，这也说明它不是固体球.

• 赤道对轨道面夹角约为3度，没有明显季节变化 。36

木星（Jupiter）

• 木星有浓厚的大气，随着大气层向下温度和压力增加，氢变为液态（没有明显汽、液界线的流体状态）。

• 由于内部的高温高压，实际上氢以液态金属氢的状态存在（电子脱离轨道，表现类似于金属中的自由电子）。

37Credit: www.jpl.nasa.gov

• 木星大气里氢（H2）占82％,氦占17％,其余是甲烷、氨等气体分子。

• 木星存在很强的磁场。

• Juno spacecraft2016. 7 到达木星，将对木星的大气、内部结构、磁场等进行深入研究。

木星的大红斑

• 大红斑：特大反气旋，逆时针旋转，存在了至少几百年了。尺度足以 放下两、三个地球。

• 尺度在缓慢减小 ？大红斑的旋转并没有加快，并非本身尺度在变小，而是在向高层延伸。

39

Juno 拍摄到的木星南极区域，剧烈的地球尺度的龙卷风、风暴

Credit：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Betsy Asher Hall/Gervasio Robles

木星有79颗卫星， 包括4颗最大的伽利略卫星（1610年发现）

月亮(半径1738km)

Io(直径3650km) Europa(3121km) Ganymede(5262km) Calisto(4820km)

木卫一 木卫二 木卫三 木卫四

• 木星环：主要由尘埃构成，1979年被海盗1号发现。

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伽利略号拍摄的木星主环。Credit: NASA/JPL-Caltech

近红外波段拍摄的木星和木星环。

• 平均视星等0.67等，用小望远镜就可以观测到明亮的土星环，中国古代也称为镇星。

• 质量：5.7x1026 kg， 95M⊕;• 表面重力: 10.44m/s2, 1.065g；• 土星的密度是大行星中最小，平均密度仅为

700kg/m3,比水的密度还低。• 平均半径：58232km，~9R ⊕, 赤道半径9.4R ⊕, 极半径8.55R ⊕,

• 绕日的轨道离心率为0.055,• 近日点的距离为9A.U.,远日点距离太阳为

10.1A.U.。• 公转周期：10759.2天（地球日），29.5地球年；• 土星的自转类似于木星,自转快而且存在较差,

赤道自转周期是10h10m。由于自转很快,扁率为0.09 ,是大行星中扁率最大的。

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土星（Saturn）

• 土星和木星类似，在大气下面没有岩石的表面，是液态的，内部存在液态金属氢层，以及固态的核心。

• 土星同样存在磁场，强度大约是木星的1/12，比地球磁场略弱。

• 在地球上通过望远镜看到的一些平行于赤道的亮暗条纹，那是土星的大气流形成的和赤道平行的云带。土星的大气成分主要是氢，此外有甲烷和氨。由于土星表面的温度最低为-180℃,因此大气中的氨和甲烷都冻结成微小的晶体，形成云带，层层包围着土星，并绕着土星运动。

• 云层之下是液态的分子氢。土星表面有时也会出现明亮的卵形白斑。土星像木星一样，自身也发射热量。

• 土星有82个卫星，最大的为土卫六(Titan)，直径5150km。土星卫星中最大的一个，也是太阳系第二大卫星。荷兰物理学家、数学家、天文学家惠更斯在1655年3月25日发现，是继木星伽利略卫星后发现的第一颗卫星。

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土星（Saturn）

卡西尼-惠更斯探测器2011年拍摄到的土星上的巨大风暴（白斑区域）。

Credit：NASA/JPL

卡西尼-惠更斯探测器拍摄到土星大气甲烷气体的证据。图中的暗带是由甲烷的吸收造成。

• 土星环：由无数细小颗粒组成（μm~m），主要成分是水冰。尺度延展达几十万公里，厚度约10米。

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土星（Saturn）

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土星（Saturn）

• 卡西尼-惠更斯号土星探测器，2004年进入轨道，惠更斯号2005年1月登陆土卫六。

• 惠更斯探测器从5个不同的高度，拍摄的土卫六表面上，东南西北四个方向的图像。

• 土卫六和地球一样，大气层中富含氮，平流层中成为以氮为主，还包括甲烷和氢。

Credit：ESA/NASA/JPL/University of Arizona

卡西尼-惠更斯号土星探测器

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引自： https://svs.gsfc.nasa.gov/12709

天王星（Uranus）• 天王星是1781年英国的一位音乐教师，天文爱好者，后

来成为伟大的天文学家威廉.赫歇耳（William Herschel）用自制望远镜发现的。天王星离太阳的平均距离约为29亿km，约19A.U.。因为它离地球很远, 所以只有在冲日(地球位于太阳和行星之间)前后,当它的天顶距不很大时才被肉眼勉强看到(视星等约6.5等)

• 质量：8.7x1025 kg， 14.54M⊕;• 表面重力: 8.7 m/s2, 0.886g；• 平均密度1290 kg/m3;• 平均半径：25362 km，赤道半径4 R ⊕, 极半径3.9 R ⊕, • 绕日的轨道离心率为0.044,• 近日点的距离为18.4A.U.,远日点距离太阳为20.1A.U.。• 公转周期：30688天（地球日），84地球年；

• 天王星的自转很特殊，自转周期是17.2小时，自转轴几乎就在公转的轨道面上，行星的赤道面与轨道面的交角约98°；而且它自转方向和金星一样，也是由东向西的。

• 天王星的表面上包围着很厚的大气层，地面观测难以看清。由行星探测器探测得知天王星的大气的主要成分是由氢和氦组成。

• 内部主要由冰构成，包括水，甲烷，氨等成分。

• 存在磁场，磁轴与自转轴夹角约60度。

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• 天王星光环：1977年3月10日发生天王星掩食恒星的天象，高空和地面的光电测光资料都表明，天王星并未掩星，恒星是被天王星的光环所掩。从而发现了天王星有光环。1986年1月，“旅行者2号”证实了天王星至少有10个光环。环的总宽度约为7000km，环间间隙很大，环本身很窄，最宽处只有80~90km，窄处只有20km。光环也是由石头、尘埃颗粒和冰块组成的。

天王星和它的光环-躺着自旋，旅行者2号探测出很厚的大气层。共有27颗卫星。

海王星（Neptune）

• 海王星离太阳比较远，看起来比较暗弱，亮度约 7.8等。

• 海王星的发现是先由天体力学理论推算出来，后来用望远镜寻找发现了它。这是英国剑桥大学毕业两年的学生，只有26岁的亚当斯（John Couch Adams）于1845年9月根据天王星的运动规律，算出了这颗未知行星的位置和质量。同年夏季法国的勒威耶（Urbain Le Verrier）也独立计算，确认天王星之外有一颗未知的行星。1846年德国柏林天文台的台长伽勒（Johann Galle）在他们推算的天区，发现了海王星。

• 质量：1.02x1026 kg， 17.1M⊕;• 表面重力: 11.15 m/s2, 1.14g；• 平均密度: 1638 kg/m3;• 平均半径：24622 km，~3.9 R ⊕, • 绕日的轨道离心率为0.009,• 平均轨道半径：30AU。• 公转周期：60182天（地球日），164.8地球年；

• 赤道的自转周期为16.5小时,两极的自转周期为14.2小时。赤道与轨道面交角约28.3°，与地球差不多，因此海王星上也应有四季变化。每个季节长达41个地球年。

• 用望远镜观测海王星，看到它是个蓝绿色的圆球状天体，较高的反射率,表明它有浓密的大气层。大气的主要成分有甲烷和氢。

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海王星（Neptune）

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在天文系圆顶望远镜拍摄到的海王星的光学光谱:可以看到红光波段明显的甲烷的吸收带.

海王星有14颗卫星(海卫一Triton最大，半径1353km)，有5道光环，浓厚的大气，有磁场

“旅行者2号”拍到的海王星的暗斑-大风暴

海王星的光环

哈勃拍摄到海王星上风暴的变化

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引自：https://svs.gsfc.nasa.gov/12862

海王星外区域：矮行星

• 矮行星：和行星一样围绕太阳运动，达到流体静力学平衡形态，近球体，唯一的区别在于矮行星未能清楚轨道内的其他小行星，彗星等天体。

• 目前海王星外区域发现的矮行星包括2006年列出的冥王星（Pluto）、齐娜(阋神星)（Eris）、以及2008年归入此类的妊神星（Haumea）、鸟神星（Makemake）。

• 其中最著名的冥王星（Pluto），2006年前一直被视为第九大行星。由于其总质量仅为轨道内天体总质量的7%，即未能清除轨道内其他天体，因此被归类为矮行星。

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冥王星（Pluto）

• 1930年发现，第一个被发现的柯伊伯带天体。

• 与太阳平均距离59亿千米(40AU)。

• 半径约为1186千米，0.18 R ⊕；

• 质量1.30×10²² 千克，0.00218M ⊕ ；

• 公转周期约248地球年，

• 自转周期6.387地球日。

• 表面温度在-220℃以下。

• 冥王星有5个卫星。卡戎(冥卫一)直径1208公里。

• 轨道离心率，0.25；

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• 2006年NASA发射新视野号探测器探索冥王星及柯伊伯带。右上为新视野号拍摄的冥王星和其卫星卡戎。

• 冥王星有氮、甲烷、一氧化碳组成的稀薄的大气

• 下为冥王星表面的高分辨率图像，可以看到水冰的“山丘”，和固态氮和一氧化碳构成的冰原。

Credit：NASA/Johns Hopkins U. APL./SwRI

阋神星（Eris），比冥王星还重的矮行星

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Credit：NASA

• 2005年1月美国布朗等人对2003年Palomar天文台观测的照片的分析中被发现，同年7月发布了这一发现，鸟神星和妊神星的发现也随后被发布。

• 质量比冥王星大27%。• 直径略小于冥王星，2326km。• 轨道半径，38~98AU，离散盘天体

鸟神星（Makemake）和妊神星（Haumea）

• 柯伊伯带内天体。

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左 – 哈勃空间望远镜拍摄的鸟神星图像。

右 – 妊神星和它的两个卫星（假想图）。

哈勃空间望远镜拍摄到的MakeMake卫星

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引自：https://svs.gsfc.nasa.gov/12223

太阳系小天体

• 概念2006年首次提出：太阳系内除行星、矮行星、自然卫星外的天体，包括所有的彗星，除已定义为矮行星的所有小行星，特洛伊天体，半人马小行星（轨道半长轴介于木星和海王星之间，轨道穿过一个或者多个巨行星）。

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• 柯伊伯带：30~55AU，doughnut-shaped ring，短周期彗星，小行星，矮行星。

• 其外部更远的区域为离散盘，其中天体轨道部分在柯伊伯带内，但是延展到更远的区域。

• 奥尔特云，~104 AU的球层区域，长周期彗星的发源地（轨道周期超过200年）。

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太阳系外围的柯伊伯带(Kuiper Belt)

与奥尔特云(Oort Cloud)

柯伊伯带:1992年被发现,距太阳30-55AU

奥尔特云:大小约5万AU

彗星

• 彗星主要由冰块、尘埃组成，当它逐渐接近太阳时，本身的冰雪、尘埃体被蒸发、升华而形成彗头和彗发，彗头的中央部分叫彗核，外面包围着叫彗发。在彗发的外面还包围着氢原子云，称为彗云或氢云。

• 当彗星接近太阳，过近日点附近时，太阳的辐射压和太阳风把从彗星蒸发出来的气体推向背离太阳的后方，形成一条或数条彗尾。

• 细长的彗尾，主要由电离的离子、气体分子组成，叫离子彗尾，这种彗尾呈兰色。短粗而且弯曲的彗尾，主要由尘埃粒子组成，叫尘埃彗尾，这种彗尾呈现黄褐色。有的彗星两种彗尾兼而有之，如海尔-波普彗星。

• 彗星的体积庞大，但质量很小，从几十亿吨到数亿亿吨，平均密度与水接近。彗核直径一般为几百米到十几千米。彗星的物质主要集中在彗核。彗发延伸在彗头之外长度不同，有些彗尾长达数亿千米。如1843Ｉ彗星的尾巴长达3.2亿km，超过火星公转轨道的半径 。

• 据彗星的光谱观测分析，可知彗星物质的化学成分主要是由水（H2O）、氨（NH3）、甲烷（CH4）、氰（C2N2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2）等物质组成。近年来通过射电观测发现，彗星上还存在着氰化氢（HCN）等有机化合物的分子和多种离子。

• 冰水一类物质是构成彗星的主要成分，约占80%。彗星每经过一次近日点，就被太阳蒸发及本身升华和扩散，就要损失0.1% 到1%的质量，加之向外有喷流效应，其上的物质损失很快。

彗星轨道

• 三种轨道： e＝1； 抛物线轨道 40%

e＜1； 椭圆轨道 49%

e＞1； 双曲线轨道 11%

• 周期彗星：（椭圆轨道）

长周期 ＞ 200年

短周期 ＜ 200年

• 彗星在大行星的摄动下，

可改变其速度、 方向及

轨道类型。

1986年回归时拍摄的哈雷彗星，周期76年

1994年7月17日苏梅克-列维9号彗星撞木星（彗星

断裂成21个碎块（其中最大的一块宽约4公里），以每秒60公里的速度连珠炮一般向木星撞去）

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• Comet 17P/Holmes : 2007年10月亮度突然暴增，从7等增亮到2.8等（北京等大城市肉眼直接可见）。

• Comet ISON（C/2012 S1） : 掠日彗星（近日点极端接近太阳，可近至太阳表面数千公里。可能被完全蒸发掉或者被潮汐力撕裂）。

• ISON2013年11月28日在近日点附近碎裂，未能幸存下来。

流星• 流星物质（运行在行星际空间的尘埃和固体块）进入

地球大气，大约在80～115km的高空开始磨擦、燃烧、发光，在70～50km的地方烧尽，在这期间，流星的速度达到12～72km/s。据天文观测研究表明，进入地球大气的流星体的颗粒大小不一。

• 一般的流星体，密度都极低，大约是水的密度的1/20，流星体是一种多孔性的松散结构的固体。许多流星体通过大气时在很低的压力下就破碎，这种现象正说明它们是由易碎的和多孔的松脆物质所组成的。

• 火流星：特别明亮的，质量较大的为流星体，与一般

流星的区别：在于亮度；亮度不仅与质量相关，也与

速度相关。

• 根据流星光谱的资料，可以认证出流星中有氢、氮、氧、钠、镁、铝、钙、铬、镍等的中性原子及镁、硅、钙、铁等的电离原子。速度不同的流星含的原子和电离原子也有差异。

流星的分类

1）偶发流星：

单个、零星的流星，出现

的时间和方位是随机的，在晴朗

无月的夜晚，一个人每小时大约

可看见10颗左右。

2） 周期流星：（又称流星雨）

每年大致以相同日期、从

空中某一点向四面八方辐射，少

则几千颗，多则上万颗。流星群

是周期彗星散射的质点或由瓦解

的彗核形成的。彗星瓦解后，其

物质分布在轨道上但不均匀，当

地球穿过这些物质时就会发生流

星雨。

1966年狮子座流星雨

流星雨

陨 石

大流星体在陨落中与地球大气的相互作用特别强，

形成明亮的“火流星”。流星体因大气的阻尼而

减速，不完全烧蚀，其残骸落到地面，成为“陨

石”或“陨星”。有时，爆裂的陨石碎块像雨似

的落下，称为“陨石雨”。

陨石和陨铁

“较正确”的 太阳系知识

• 太阳系由内围四个较像地球的较小行星，和外围四个较像木星的庞大行星组成，两组行星间有一条小行星带，而海王星之外，还有一组叫柯伊伯带的小星群，及彗星的故乡奥尔特云。

• 太阳系由太阳、八个行星及卫星 、一些“矮行星”及“小天体”组成。

• “八个行星”:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星

• “矮行星”:包括谷神星(Ceres)、冥王星(Pluto)和齐娜(Eris、2003 UB313）三个天体 ，2008年加入鸟神星和妊神星，目前数量还在不断增加

• “ 太阳系小天体”: 其它环绕太阳运行的天体

太阳系的形成和演化

• 我们了解的太阳系：行星轨道接近圆形，几乎在同一个平面上（水星除外），行星绕太阳公转与太阳自转方向一致，然而内太阳系行星和外太阳系行星的组成和性质却大不相同，形成小行星的岩石最为古老，此外，奥尔特云小天体的成分与柯伊伯带类似，但是分布和运动学性质却完全不同。

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• 太阳系起源的星云假说（拉普拉斯）：

• 太阳系的诞生地称为原始太阳星云，原为一大团炽热的、缓慢旋转的气体尘埃星云。由于引力的作用，它逐渐收缩、凝聚，同时旋转速度加快，逐渐形成一个“铁饼”状的星云团块，这个引力团块的核心部分形成了太阳；

• 那些远离星云中心的旋转气体环不断收缩，逐渐变冷。这些环系在运动中不断受到其他团块的撞击，分裂为许多行星，并逐渐形成行星系统，最后形成了太阳、大行星和无数小天体所组成的太阳系家族。

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太阳系的形成和演化

• 理论的改进和完善：• 物质组成，能量，角动量，演化时标；• 行星的形成：尘埃颗粒在原行星盘中，尘埃的红

外辐射成为系统有效的冷却途径，另一方面，尘埃形成“凝结核”，不断碰撞，吸附周围物质，如滚雪球一样开始形成行星。

• 内太阳系：4AU以内，温度无法让水、甲烷等凝结，铁，铝，镁，硅酸盐等熔点高的物质形成原始行星类地行星金属含量高，岩石构造，质量小。

• 外太阳系，足够冷，允许水、氨、甲烷等凝聚成固体，这些成分在原始星云中的含量丰富，可以使行星质量增长到足以俘获氢、氦等元素类木行星

• 另外也有假说认为外太阳系大行星由于原始行星盘引力不稳定性直接形成。

• 来自年轻太阳的太阳风最后清空行星盘残余的气体和尘埃物质。

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• 小天体：• 小行星带的形成很可能是由于附近大行星的引力

作用，使木星火星之间的小行星体最终没有能形成一个行星。

• 外太阳系巨行星，天王星和海王星的引力作用把小行星体碎片抛出到柯伊伯带区域，同时也有星体被抛入内区，再被木星、土星的强大引力作用抛入奥尔特云。

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太阳系外行星(Exoplanets)• 1995年首次被发现，目前已发现3063 planetary systems /

4122 planets / 671 multiple planet systems

Earth-like

planets

http://exoplanet.eu

历年发现数目

• Detection Methods: Direct methods(difficult):

• Images of the planet

• Spectra of the planet

• Indirect methods (commonly used):

• Radial Velocity(Doppler technique)(视向速度)

• Transit（掩食）

• Microlensing(微引力透镜)

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Credit: Pearson Education

• Transit （掩食法）

85http://astro.unl.edu/classaction/animations/extrasolarplanets/transitsimulator.html

TRAPPIST-1 : Gillon et al. 2017, Nature, 542, 456

• 中心恒星：2MASS J23062928-0502285, 红矮星；

• 探测方法：掩食法；

• 行星均为类地行星，其中三个位于宜居带内（在一定大气压下允许液态水存在）。

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TRAPPIST-1 矮星-七行星系统

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Credit : ESO

引自：https://svs.gsfc.nasa.gov/12844

Kepler卫星• NASA‘s first mission capable of

finding Earth-size planets around other stars，launched on March 6, 2009，discovered more then 2000 exoplanet;

• Precisely measures the light variations from thousands of distant stars, looking for planetary transits.

89http://www.nasa.gov/feature/ames/kepler/briefingmaterials160510Image credit : NASA Ames / N. Batalha and W. Stenzel

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http://www.nasa.gov/feature/ames/kepler/briefingmaterials160510Image credit : NASA Ames / N. Batalha and W. Stenzel

91http://www.nasa.gov/feature/ames/kepler/briefingmaterials160510Image credit : NASA Ames / N. Batalha and W. Stenzel

哈勃发现地外行星可能存在卫星的证据

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引自：https://svs.gsfc.nasa.gov/13087

• 微引力透镜法：

恒星从背景恒星前穿过，对背景恒星产生微引力透镜效应，使背景恒星视亮度增亮。如果前景星有行星，则在光变曲线上会增加短时间迅速增亮的峰值。

http://sen.com/news/100-billion-planets-in-the-milky-way

• 微引力透镜是目前探测遥远的行星系统最有效的方法，可以探测到银河系中心附近，几个地球质量的行星。

• 对大轨道半径的行星系统比较灵敏，对前面两种方法的有利补充。

Credit：ESO

思考题

1. 写出提丢斯－波德定则，并利用其求出金星、火星和木星离太阳的距离。

2. 火星的会合周期为780天，求它的公转周期和到太阳的距离。

3. 某恒星的绝对星等为－2等，而它的视星等为8等，那么它的距离为多少？

4. 一类星体绝对星等为－24, 其光度应是太阳的多少倍（太阳绝对星等为4.75）？

5. 在天顶距为40,55,65度时分别测得一恒星视星等为0.90,0.98,1.07等，求其未受大气消光前的星等。

6. 请计算木星的逃逸速度，如果木星的表面温度是130K，木星是否能束缚住氢气？

7. 太阳系的矮行星和小天体各包括哪些？把冥王星不列为大行星有哪些理由？

8. 发现太阳系外行星的方法主要有哪几种？请解释微引力透镜发现系外行星方法的原理。