太陽(yáng)系五大謎

我們對(duì)太陽(yáng)系已經(jīng)有很多了解，但實(shí)際上卻有更多的不了解。

太陽(yáng)系其他地方有生命嗎？

為什么生命會(huì)在地球上興旺？有一個(gè)簡(jiǎn)單“配方”：找一個(gè)巖石世界，給它加點(diǎn)水，再把它放進(jìn)太陽(yáng)周圍的可居住地帶（那里距離太陽(yáng)不太遠(yuǎn)也不太近，因此那里的天體上不太冷也不太熱，從而天體表面存在液態(tài)水，也就可能支持生命存在或居住）。

正是這些溫和的條件保持著液態(tài)水在地球上的存在，所以我們假定這些也是生命出現(xiàn)的先決條件，而這看來還有助于解釋：為什么我們一直未能在太陽(yáng)系其他地方發(fā)現(xiàn)生命？然而，如果“可居住地帶”理論只是天方夜譚，那么會(huì)怎樣呢？

先來看火星。液態(tài)水看來很可能曾經(jīng)在火星上流動(dòng)，甚至有間接證據(jù)（上圖）表明今天的火星上依然存在液態(tài)水。在布滿巖石的火星表面，美國(guó)宇航局的“好奇號(hào)”火星車發(fā)現(xiàn)了疑似被鹽水沖刷出的水道和溝槽?；蛟S，我們對(duì)此不應(yīng)該很驚訝——常規(guī)計(jì)算結(jié)果，把火星放進(jìn)了太陽(yáng)系可居住地帶的外沿。這是否意味著火星上曾經(jīng)有過生命，或者至今仍有生命存在？這依然懸而未決。

不過，最近我們發(fā)現(xiàn)了一些證據(jù)：在一些不應(yīng)該有水的地方，反而水波蕩漾。我們一直猜測(cè)，木星的衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二）擁有地下海洋。而哈勃空間望遠(yuǎn)鏡2015年證實(shí)，在木星的另一顆衛(wèi)星——加尼美得（木衛(wèi)三）的冰地殼下面，隱藏著一個(gè)鹽水海洋。而且，過去10年來一直在環(huán)繞土星的美國(guó)宇航局“卡西尼號(hào)”空間探測(cè)器，也發(fā)現(xiàn)了土星的多顆冰凍衛(wèi)星地下存在海洋的跡象，其中包括米瑪斯（土衛(wèi)一）和恩克拉多斯（土衛(wèi)二）。“卡西尼號(hào)”甚至在2015年10月穿越了距離恩克拉多斯南極僅50千米的一條羽流，目的是檢測(cè)是否存在微量氫。在地球上，氫是地?zé)釃娍诘囊粋€(gè)主要標(biāo)志。目前，科學(xué)家仍在等待對(duì)這次探測(cè)的分析結(jié)果。

“卡西尼號(hào)”在恩克拉多斯羽流中的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于可居住地帶理論有些顛覆：這種羽流中包含二氧化硅。而要得到二氧化硅，唯一的途徑是：讓幾乎達(dá)到沸點(diǎn)的液態(tài)水，與巖石在極高溫度下接觸。這進(jìn)一步表明，恩克拉多斯地?zé)峄钴S，它的地下海洋底部很可能存在地?zé)釃娍?。如果的確如此，那就太誘人了。許多科學(xué)家相信，生命始于地球上的類似環(huán)境。如此看來，在太陽(yáng)系中我們認(rèn)為不可能存在生命的一些地方，其實(shí)有可能存在生命。

是什么力量在加熱這些“冰球”（冰衛(wèi)星）的內(nèi)部？以恩克拉多斯為例。在另一顆土衛(wèi)——狄俄涅（土衛(wèi)四）環(huán)繞土星一圈的時(shí)間里，恩克拉多斯正好環(huán)繞土星兩圈。在它們的軌道中，這兩顆土衛(wèi)時(shí)而在相同位置相互靠近，這增加了對(duì)恩克拉多斯內(nèi)核的引力擠壓，從而加熱了恩克拉多斯內(nèi)核。

這種類型的“潮汐加熱”，在太陽(yáng)系和太陽(yáng)系以外可能都很常見，其意義之重大不言而喻，尤其是對(duì)在其他恒星-行星系統(tǒng)中尋找生命來說更是如此。在這些系統(tǒng)中，多顆行星的大氣層中被探測(cè)到了水。

如此看來，可居住地帶理論完全有可能不再說得通。反而，我們或許應(yīng)該認(rèn)為可居住世界更像是水果蛋糕中的葡萄干——它們（葡萄干也好，可居住天體也好）可能隨機(jī)浮現(xiàn)于任何地方。

太陽(yáng)為什么有磁性？

1859年9月2日，從一次太陽(yáng)大爆發(fā)中發(fā)出的極大量物質(zhì)和磁力襲擊地球。極光點(diǎn)亮2/3的地球天空。指南針亂跳。隨著幽靈電流在整個(gè)電線網(wǎng)絡(luò)中喘振（也稱浪涌），全球電報(bào)系統(tǒng)陷入癱瘓。

這一現(xiàn)象被稱為太陽(yáng)風(fēng)暴，也稱“卡靈頓事件”，因?yàn)橛?guó)天文愛好者卡靈頓觀測(cè)了這次太陽(yáng)風(fēng)暴。對(duì)當(dāng)時(shí)大多數(shù)人來說，這次太陽(yáng)爆發(fā)不過是一場(chǎng)壯觀的彩光秀。但要是如此大規(guī)模的太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生在今天，那就必將是一場(chǎng)大災(zāi)難，這是由于我們對(duì)電磁技術(shù)的依賴。人造衛(wèi)星可能被燒毀，衛(wèi)星通信和定位系統(tǒng)隨之被毀，變壓器可能被燒毀，多個(gè)國(guó)家將發(fā)生大面積停電，公共運(yùn)輸將中止。美國(guó)國(guó)家科學(xué)院2008年估計(jì)，僅僅一次卡靈頓事件就會(huì)對(duì)美國(guó)造成2萬億美元的經(jīng)濟(jì)損失。

從那時(shí)起，多國(guó)開始密切關(guān)注太空天氣。要想讓我們免遭太陽(yáng)風(fēng)暴重創(chuàng)，關(guān)鍵是要弄清復(fù)雜多變的太陽(yáng)磁場(chǎng)。從可見光來看，太陽(yáng)似乎一成不變。但通過紫外光觀察，不同的畫面立即浮現(xiàn)：在幾天、幾周、幾月或幾年時(shí)間里，太陽(yáng)表面的黑暗區(qū)域——冕洞來來去去。這些“洞洞”的直徑可達(dá)地球直徑的50倍。

太陽(yáng)磁場(chǎng)正是從冕洞延伸到太陽(yáng)系中的。由冕洞釋放的、來自太陽(yáng)大氣層——日冕的氣體，成為了太陽(yáng)風(fēng)。麻煩是，我們無法預(yù)測(cè)冕洞何時(shí)出現(xiàn)在何處，以及何時(shí)爆發(fā)。簡(jiǎn)言之，我們不了解太陽(yáng)的磁周期怎樣運(yùn)作。

我們已經(jīng)知道的是，太陽(yáng)大約11年爆發(fā)一次（但爆發(fā)的大小程度不同），目前我們處在太陽(yáng)爆發(fā)的下降階段。不過，我們知道的僅此而已。除了對(duì)熾熱等離子體翻卷的一些模糊猜測(cè)外，太陽(yáng)究竟怎樣產(chǎn)生磁性依然是一大奧秘。歐洲空間局的“太陽(yáng)軌道器”可能將打破僵局。如果能按計(jì)劃在2018年成功發(fā)射升空，“太陽(yáng)軌道器”就會(huì)飛到太陽(yáng)附近，比水星距離太陽(yáng)還近?！疤?yáng)軌道器”將搭載包括磁強(qiáng)計(jì)在內(nèi)的10種探測(cè)儀器，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行前所未有的詳盡探測(cè)。它將測(cè)量與冕洞有關(guān)的磁場(chǎng)。要想破解太陽(yáng)的“磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)”之謎，幫助現(xiàn)代文明免遭1859年那樣的太陽(yáng)強(qiáng)風(fēng)暴，“太陽(yáng)軌道器”很可能將成為一個(gè)關(guān)鍵。

金星究竟怎么了？

金星有時(shí)候被稱為地球的孿生兄弟，這僅從大小而言，但這兩者實(shí)際上差別很大。早期人們以為金星有海洋，還可能有生命。這種猜測(cè)并非全無道理：金星與地球大小相仿，組成相似，得到的陽(yáng)光總量也差不多。從理論上說，金星也處在太陽(yáng)系可居住地帶以內(nèi)。那么，金星為什么會(huì)淪為一顆“地獄行星”——表面溫度為什么會(huì)高得那么“離譜”？

我們還不完全清楚這個(gè)問題的答案。這看似奇怪，畢竟從太空探測(cè)時(shí)代開始，我們已經(jīng)發(fā)射了許多艘金星探測(cè)器。然而，我們?cè)诟Q探金星方面的種種嘗試，全部被不透明的金星硫酸云挫敗——早期的金星探測(cè)器無法穿透這些云。在我們發(fā)射的金星表面登陸探測(cè)器中，只有不到一半在這趟征途中活下來，其余的則都因金星大氣層產(chǎn)生的高壓而崩潰。少數(shù)幾個(gè)幸存者也沒能堅(jiān)持多久，它們對(duì)金星的所有探測(cè)結(jié)果加起來，甚至還不如地球上的望遠(yuǎn)鏡一天之內(nèi)對(duì)金星的探測(cè)結(jié)果多。

這些金星登陸器，向我們揭示了一個(gè)暗淡、荒涼的金星表面。硫酸雨無時(shí)無刻不在擊打這片荒原，黏糊糊的風(fēng)無時(shí)無刻不在掃蕩這片廢土。金星上的風(fēng)速由時(shí)間決定——黎明和黃昏時(shí)分風(fēng)速快，超高溫下的白天則風(fēng)速慢。就算令人窒息、大部分由二氧化碳組成的金星云殺不死你，金星表面的超高溫——能熔化鉛的460℃，也肯定會(huì)要你命。

這些恐怖場(chǎng)景，對(duì)金星的困境給出了標(biāo)準(zhǔn)解釋：金星距離太陽(yáng)過于近了那么一點(diǎn)。這導(dǎo)致金星表面原有過的任何水，都被蒸發(fā)進(jìn)了很稠密、捕捉了很多熱量的金星大氣層，造成失控的溫室效應(yīng)和今天金星地獄一般的環(huán)境。

可是，歐空局“金星快車”飛行器對(duì)金星的觀測(cè)結(jié)果，卻對(duì)上述理論提出了質(zhì)疑。

2007年，“金星快車”發(fā)現(xiàn)金星上空有氫和氧離子，它們是行星水的遺存。肇因是太陽(yáng)風(fēng)——太陽(yáng)發(fā)出的帶電粒子流。太陽(yáng)風(fēng)經(jīng)常直接穿透對(duì)它來說微不足道的金星磁場(chǎng)，由此激發(fā)的等離子體爆發(fā)把金星大氣層大塊大塊地撕掉。

在這種經(jīng)常性的攻擊下，金星怎么可能維持大氣層的存在，更不要說如此稠密的大氣層了！一種推測(cè)是，要為金星大氣層“負(fù)責(zé)”的，很可能是由金星表面火山釋放的硫和二氧化碳。然而，我們至今未在金星表面發(fā)現(xiàn)活躍的火山活動(dòng)。但有關(guān)金星表面存在活躍火山活動(dòng)的證據(jù)正在不斷堆積。“金星快車”發(fā)現(xiàn)，大約80%的金星表面都覆蓋了火山巖屑流，其中一些巖屑流的年齡只有幾萬年（從天文學(xué)意義上說，這算是很年輕或最近的）。

對(duì)金星過去的更多了解，有助于我們?cè)谄渌阈侵車鷮ふ翌愃频厍蚴澜绲倪^程中，排除像金星那樣沒希望的目標(biāo)。我們或許還將查明，地球是否也將面臨像金星那樣的厄運(yùn)。有一種理論認(rèn)為，大約20億年后，隨著太陽(yáng)衰老和逐漸升溫，地球氣候?qū)⒆兊孟窠鹦且粯?。不過，就算真的這樣，20億年也太過久遠(yuǎn)，我們完全不必杞人憂天。

但一些過于未雨綢繆的人擔(dān)憂：如果上述理論是錯(cuò)的，如果地球現(xiàn)在就處在可居住地帶邊緣（言下之意是，地球可能會(huì)移出可居住地帶），而不是像大多數(shù)人以為的那樣正好處在可居住地帶中間;如果某些未知變量在相對(duì)短期內(nèi)就會(huì)讓地球面臨很大的危機(jī)，那該怎么辦？有人說，一顆類地行星上的水全部流失到太空的可能性是存在的。不過，這畢竟只是猜測(cè)，而且是未經(jīng)證實(shí)、頗為聳人聽聞的猜測(cè)。但諸如此類的問題，已經(jīng)促成一系列重返金星的計(jì)劃。人們希望查明，金星是否早就注定會(huì)變成一顆不支持生命的“廢星”？

但就算在今天，有一個(gè)問題仍然懸而未決。在金星如煉獄一般的表面上空70千米處，天氣堪稱和煦，陽(yáng)光和水分充足，氣溫氣壓與地球相似。因此，有人推測(cè)那里可能有生命（例如微生物）。但真的這樣嗎？要想得到答案，就需要某種大氣層船艇。美國(guó)一家航天巨頭公司已在設(shè)計(jì)自動(dòng)膨脹型太空飛機(jī)，它將在金星大氣層中上下巡游一年時(shí)間，嗅探生命跡象。美國(guó)宇航局噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室則有一個(gè)更具野心的設(shè)想：用一種震蕩式飛艇，把科學(xué)家送至金星大氣層中，由此還可完成測(cè)試火星任務(wù)。

總而言之，金星和地球或許算不上孿生兄弟，但它們之間真的還是有太多相似之處。

土星內(nèi)部是什么？

在五彩繽紛的云環(huán)下面，土星是一個(gè)謎團(tuán)。我們對(duì)眾多土星衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱土衛(wèi)）的了解，比我們對(duì)土星這顆巨行星本身的了解還多。有關(guān)土星內(nèi)部情況的一些耐人尋味的線索，實(shí)際上加深了“土星內(nèi)部是怎樣的”這個(gè)奧秘。

位于土星環(huán)中的引力指紋，表明有土星直徑那么寬的颶風(fēng)海嘯在土星赤道沖刺，從而暗示了令人驚訝的土星內(nèi)部結(jié)構(gòu)——位于土星表面下數(shù)千千米處的巨大液態(tài)漩渦，以及一個(gè)被深埋在土星中央的光球（或許是由更奇異物質(zhì)組成的球）。

1980年，美國(guó)宇航局第一艘“旅行者號(hào)”飛行器發(fā)現(xiàn)土星環(huán)中翻動(dòng)著螺旋波，它們就像漩渦星系的懸臂。這些大多由土衛(wèi)們的引力造成的螺旋波，多數(shù)向外輻射，但也有一些向內(nèi)輻射?？茖W(xué)家推測(cè)，向內(nèi)輻射的螺旋波是土星內(nèi)部震蕩的結(jié)果。根據(jù)傳統(tǒng)理論，土星是一個(gè)均衡的液態(tài)球，是由氫和氦組成的均勻混合體。理論上，這樣的混合體可能震蕩，形成在赤道附近沖刺的波。這些全球波中之一的波谷和波峰的引力起伏，就可能足以形成土星環(huán)上方的螺旋波。

然而，基于“旅行者號(hào)”獲得的有限的探測(cè)數(shù)據(jù)，沒有人能夠確定上述傳統(tǒng)理論是否正確。于是，一些科學(xué)家開始研究“卡西尼號(hào)”自2004年以來采集的土星系統(tǒng)數(shù)據(jù)。他們?cè)谕列莾?nèi)環(huán)中發(fā)現(xiàn)了多種螺旋波，從而支持了傳統(tǒng)理論的基本理念：巨大的波確實(shí)在繞著土星沖刺。可是，別的現(xiàn)象用傳統(tǒng)理論就解釋不通了。

按照傳統(tǒng)理論，如果土星只是一個(gè)簡(jiǎn)單的液態(tài)球，那么每條波的波速就應(yīng)該由波峰數(shù)量固定。三峰波的傳播速度會(huì)比雙峰波慢，以此類推?？茖W(xué)家以為能看到各種類型的螺旋波個(gè)例，其中每一種螺旋波都以特有的速度沖刺。然而，他們發(fā)現(xiàn)的三種不同的三臂波，都以僅僅略微不同的速度穿行。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了兩種不同的雙臂波。這讓他們感覺很奇怪。

最簡(jiǎn)單的解釋，就是土星有一個(gè)很大的固態(tài)內(nèi)核，它以自己的方式震蕩，擾動(dòng)上方的液體波。雖然這符合有關(guān)行星形成的傳統(tǒng)理論，但需要某些微調(diào)才能產(chǎn)生這些特異波。也有科學(xué)家提出另一種解釋，即在土星的一個(gè)層次中，氫-氦混合物的行為不同。在某個(gè)時(shí)點(diǎn)，氫分子和氦分子應(yīng)該分解成獨(dú)立的原子，這會(huì)讓氫-氦混合物相對(duì)透明，從而產(chǎn)生一個(gè)振動(dòng)方式特異的發(fā)光球。如果真是這樣，螺旋波就可能告訴我們?cè)谶@些壓力下的物質(zhì)發(fā)生了什么情況。但使用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，是無法模擬這些情況的。

最奇怪的是，一些螺旋波以與土星自轉(zhuǎn)速度幾乎相同的速度繞行。一種解釋是，土星上存在永久性的山峰和山谷。但如果土星是液態(tài)的，那就相當(dāng)于發(fā)現(xiàn)了固定在海面上的山。除非物理定律在土星上被推翻，否則固定在海面上的山就不是一個(gè)合理的解釋?？茖W(xué)家還發(fā)現(xiàn)土星外環(huán)中存在擾動(dòng)，他們對(duì)此提出的帶有推測(cè)性的解釋是：土星內(nèi)部存在巨大漩渦，那里的密度低于周圍液體，施加的引力也要小些。這會(huì)在土星引力場(chǎng)中造成凹陷，從而能解釋那些令人困惑的螺旋波?？茖W(xué)家正在創(chuàng)建模型來模擬土星內(nèi)部情況，由此查明這種解釋是否合理。

“卡西尼號(hào)”任務(wù)將在2017年結(jié)束。屆時(shí)，這艘飛行器將潛入土星。不幸的是，根本等不到探索土星奇跡，“卡西尼號(hào)”就會(huì)被燒毀。但是，在此途中這艘飛行器將近距離環(huán)繞土星6次，由此可能將告訴我們有關(guān)土星引力的更多信息。如果運(yùn)氣好的話，這還可能有助于揭示這顆巨行星的內(nèi)部狀況。

彗星怎樣分裂又合并？

對(duì)一些彗星來說，解體并非難事?？茖W(xué)家2016年6月宣布，他們的新研究表明，一些周期性彗星（在不到200年里就環(huán)繞太陽(yáng)一圈的彗星）或許會(huì)經(jīng)常性一分為二，接著又在路途中重新合二為一。事實(shí)上，對(duì)彗星演化歷程來說，這可能是一種重復(fù)過程。

科學(xué)家這次研究了多顆彗星，重點(diǎn)是一顆呈橡皮鴨形狀的彗星——67P/丘留莫夫-格拉西梅，簡(jiǎn)稱67P。探測(cè)器拍攝的67P圖像顯示，這顆彗星有兩道裂縫，其中每一道的長(zhǎng)度都大于100米。這兩道裂縫位于彗星頸部。

為了重建67P的過往歷史，科學(xué)家采用了數(shù)學(xué)模型。在這些模型中，67P的自旋速率被從現(xiàn)在的大約每12小時(shí)一圈加速到每7～9小時(shí)一圈。模型顯示，自旋速率的增加會(huì)引起更大壓力，形成兩道與67P頸部裂痕相似的裂痕，并且就連裂痕位置也一樣。正因?yàn)檫@樣的自旋分析準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了這些裂痕的位置，所以科學(xué)家現(xiàn)在對(duì)一些彗星可能怎樣隨時(shí)間推移而演化有了新的認(rèn)識(shí)。

經(jīng)常被稱為“臟雪球”的彗星，是由冰、巖石和塵埃組成的。67P是雙裂片彗星，即它的兩大部分由細(xì)頸部連接?？茖W(xué)家推測(cè)，有多個(gè)因素可能引起彗核自旋加快。例如，在近距離經(jīng)過太陽(yáng)或木星期間，像67P這樣的彗星可能會(huì)被太陽(yáng)或木星的引力扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致彗星要么向上自旋，要么向下自旋。自旋還可能受周期性彗星的“放氣”影響。所謂“放氣”，是指像二氧化碳和氨之類的含冰化合物從冰凍狀態(tài)直接轉(zhuǎn)化成氣態(tài)，并且從彗星表面逃逸。

數(shù)學(xué)模型的運(yùn)轉(zhuǎn)顯示，如果67P的自旋被增加到每一圈不到7小時(shí)，彗星頭部就會(huì)突然脫離。但彗星頭部和軀體并不會(huì)彼此真正分離，而是開始相互環(huán)繞。幾周、幾天甚至僅僅幾小時(shí)后，它們就會(huì)在一次緩慢地碰撞中合在一起，產(chǎn)生一個(gè)新的彗核架構(gòu)。在彗星的整個(gè)生命周期里，這個(gè)模式可能會(huì)不斷重演。

雙裂片彗星可能并非罕見。在被天文學(xué)家高像素拍攝的7顆彗星中，包括67P和哈雷彗星在內(nèi)的5顆都是雙裂片的?？茖W(xué)家對(duì)雙裂片彗星的研究表明，它們的雙裂片體積比率都很相近，這意味著它們很可能都經(jīng)歷過和67P一樣的分裂—合并周期。

67P是在1969年被發(fā)現(xiàn)的。歐空局的“羅塞塔”飛行器2014年造訪過它。67P有一側(cè)的寬度是大約4千米，它每6.5年環(huán)繞太陽(yáng)一圈?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，受放氣事件及近距離經(jīng)過木星時(shí)被改變軌道影響，67P的自旋速率會(huì)狂亂變化。

為了了解彗星-太陽(yáng)互動(dòng)會(huì)怎樣影響67P自旋周期在過去的演化，科學(xué)家對(duì)67P進(jìn)行了100次“克隆”，它們分別代表回溯到5000年前、處于不同狀況下的67P。之所以選擇5000年，是因?yàn)樗窍?7P這樣的“木星家族彗星”的大約壽命。這些彗星的軌道不僅受太陽(yáng)引力影響，也受太陽(yáng)系中最大的行星——?dú)鈶B(tài)巨行星木星的引力牽制。

像67P這樣的周期性彗星，被認(rèn)為發(fā)源于柯伊伯帶。所謂的柯伊伯帶，是指位于海王星軌道外的一片巨大區(qū)域，那里是數(shù)十億顆彗星及含冰衛(wèi)星的家園?？茖W(xué)家猜測(cè)，雙裂片彗星的重復(fù)分裂-合并，可能導(dǎo)致它們中的一部分被剝蝕過于嚴(yán)重，所以這些彗星無法在40億年前前往內(nèi)太陽(yáng)系的征程中存活下來，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)的太陽(yáng)系中，由小行星、衛(wèi)星和原行星發(fā)起的碰撞司空見慣。