第1章 我们从哪里来？

时光魅影

坐落在尼罗河东岸的卡纳克神庙是古埃及帝国遗留的最壮观的建筑之一。这座宏伟的庙宇群始建于3 000多年前，在接下来1 000多年的时间里，先后又经历了30多位埃及法老的改良和扩建。神庙内到处布满了石墙和石柱，上面镌刻着历史文献、祈祷文和详细的宗教礼仪。今天，到此观光的游客可以从导游的解说中了解到这些符号的含义，以及这座神庙的非凡意义。但你可知道，在长达1 500多年的时间里，无人了解这些文字的含义，古埃及文明也因此蒙上了一层神秘的面纱？

卡纳克神庙的铭文使用的是古埃及象形文字，古埃及象形文字是世界上最古老的文字符号之一。这种图形文字被广泛应用于正式文件和宗教性文本中，但公元前30年埃及成为罗马帝国的行省后，它的使用逐渐减少。到公元4世纪，随着基督教的传入，象形文字逐渐失传。接下来的几个世纪里，学者们一直尝试将它们破译，但始终没有成功。

1799年，拿破仑军队里的一名法国士兵无意间在一个堡垒的旧址中发现了一块灰色的石碑，该堡垒位于埃及一个叫作拉希德（又名罗塞塔）的城镇附近。石碑上刻着以古希腊文、古埃及象形文字和埃及草书（埃及草书比古埃及象形文字更接近近代埃及文字）三种文字书写的宗教宣言。学者们很快翻译出了古希腊文和埃及草书的内容，发现三种文字传达的意思毫无二致。遗憾的是，石碑的顶部缺了一角，象形文字只剩下14行，但事实证明这已经足够了。经过仔细的语言比对和一系列灵感迸发的查证工作后，学者们终于首次破译了象形文字。而就是这块在罗塞塔发现的石碑，成了打开古埃及和古埃及人民珍贵信息宝库的钥匙。

深入研究历史长河中遗留下来的罕见的人工制品有助于考古学家拼凑出人类的发展历史，罗塞塔石碑的故事就是一个很好的例子。过去的证据有时就和卡纳克神庙的石碑一样近在眼前，只待被人们鉴定出来。而更多时候，它们和充满传奇色彩的特洛伊城（位于今日的土耳其）一样，尘封几百年而不见天日。历史的真相往往隐藏在最令人意想不到的地方，就如同遗传密码里记录着人类历史一样。

想要从林林总总的来源里筛选出有用的信息是一项非常庞大的工程。今天科学家们用到的工具和技术无一不是人类几个世纪以来艰难摸索的成果，运用这些工具，人们可以解读过去留下来的线索，从而解释人类的发展历史。考古学和其他科学领域想取得进展，往往有赖于偶然的考古发现（如罗塞塔石碑）、新技术的发明，或者某个天马行空的先觉。尽管困难重重，但科学家们仍然孜孜不倦地探索着一个让所有人都着迷的问题：我们从哪里来？

科学家对太阳系历史的刨根问底犹如考古学家对埃及沙子的锱铢必较。虽然他们的工作方法和工具各有千秋，但都是为了尽可能多地搜集珍贵的历史遗物，再将新发现与现有信息结合在一起。虽然他们所涉及的空间距离和时间范围不同，但他们讨论的基本问题是一样的：人类从哪里来，是怎样出现在地球上的？过去的世界是怎样的？这些都是他们共同关心的问题。探索太阳系的演化史本身就是一场浩大的考古活动——人类社会出现的前提条件是，我们首先得进化成为人类；要想进化出人类，宇宙中必定得存在一颗围绕长生命周期恒星运动的宜居行星，这样才能出现生命。而这一切能够实现的前提是：太阳系已经在混沌的星际空间中脱颖而出。这一转变是如何发生的，以及科学家是如何将这些前因后果串联起来的，正是本书的主题。

平淡无奇的太阳系

我们先来认识一下今天的太阳系。太阳位于太阳系的中心，它的质量是太阳系总质量的99.8%。它的直径约等于1 400 000千米，相当于地球直径的109倍，远远大于任何一颗行星。太阳只是银河系中一颗普通的恒星，但“普通”和“平均”的含义可不一样——无论从亮度还是质量上来说，它都大大超过银河系中90%的恒星。太阳的寿命约等于100亿年，至今已经过去快一半，它目前正处于稳定而旺盛的中年期。太阳还有几个比较显著的特点。有些恒星具有多变性、特殊的成分和强大的磁场，这些特性太阳统统都没有，这对于地球上的生命来说是一件好事：恒星的稳定性和可预测性可以为生命的繁衍生息提供良好的环境。

太阳的平均密度接近于水，但是它的绝大部分成分是比水还要轻的氢和氦，氢和氦由于太阳引力而紧紧挨在一起。这两种化学元素占太阳成分的98%，其余的2%为其他物质，这样的配比广泛存在于大多数恒星中，也是恒星的重要特征之一。太阳与其他恒星一样由等离子体组成，等离子体是太阳内部一种温度高达数百万摄氏度的带电气体。太阳核心的核反应释放出源源不断的能量，使太阳持续发光，而太阳光是地球以及太阳系其他行星的一个重要热源。

太阳占据太阳系的绝大部分质量，它的强大引力主宰着太阳系其他天体的一举一动。太阳所处的位置接近太阳系的正中心，其他天体都绕着它公转。奇怪的是，太阳的质量如此之大，但它的角动量，也就是转动的惯性却只占了太阳系的2%。太阳的自转速度极慢，自转一圈大概需要一个月。它的组成物质是流动的，不同圈层的自转速度各不相同。推动整个太阳系自转的大部分能量来自绕太阳运行的行星，这一点曾困扰了科学家很长一段时间，而且对太阳系形成学说也产生了深远的影响，这个问题我们会在第3章中讨论。

围绕太阳公转的大行星一共有8个。从太阳的北极点俯瞰，八大行星均按照椭圆轨道逆时针方向绕日公转。它们的公转轨道几乎（但不完全）位于同一个平面上，看上去就像放在同一张桌面上的几个同心圆环一样（见图1-1）。除水星和火星以外，其他6颗大行星的轨道都非常接近圆形，水星和火星的轨道相对比较狭长，用数学术语来说就是轨道偏心率较大。火星轨道的偏心率是帮助早期天文学家了解各行星运动的一个重要线索，这点会在第2章中展开。

图1-1 太阳系各大行星分布图。图中各大行星的运行轨迹近似按比例绘制

天文单位（astronomical unit，简称AU）是测量太阳系内天体间距离的有力工具，它等于地球与太阳的平均距离，即一个天文单位约等于150 000 000千米。[1]太阳系最远的大行星距离太阳约30天文单位。太阳系行星所覆盖的区域根据距离太阳的远近被分为两个部分，其中距离太阳2天文单位以内的4颗行星被称为内行星。内行星的体积相对来说比较小，由于具有固态表面以及与地球相似的结构、成分，故又被称作类地行星。

另外4颗外行星散布在距离太阳5~30天文单位的宇宙空间内。外行星比类地行星要大得多，又被称为巨行星。比如，八大行星中最大的木星是地球质量的300多倍。和类地行星颇为不同的是，巨行星由多层气体和液体构成，没有固态表面。

每颗巨行星的周围都有一个行星环和很多颗卫星。土星环是太阳系所有行星环中最壮丽的一个，由大量纯水冰颗粒物构成，这些颗粒物大则数米，小如微尘。木星、天王星和海王星的行星环相比而言则更暗淡、细瘦一些。截至本书英文版出版时，天文学家已经在4颗巨行星附近发现了168颗卫星，未来必定还会发现更多。与巨行星形成鲜明对比的是：内行星总共只有3颗卫星，分别是地球的卫星月球和火星的两颗小卫星火卫一和火卫二。类地行星无一拥有行星环。

在正式开始讨论小行星、彗星和其他太阳系天体前，我们不妨先来了解一下天文学家是如何辨别不同天体的。天体的分类方法有很多，例如，可以根据它们在望远镜下呈现的形状（球形或不规则形状）、成分（岩石或冰）、外观（像彗星一样模糊或只有一个亮点），或者根据它们轨道的性质来进行划分。主流观点认为体积是最主要的考虑因素：体积比恒星小但大于其他天体的为行星。那么问题来了：行星到底有多大？太阳系中绕日公转的天体有数十亿颗之多，其中最大的为木星，其直径是地球的11倍，而最小的只有尘埃般大小，要用显微镜才能看到。在对天体进行分类时，性质并不在考虑范围中。在很大程度上，大小行星之间的分界线比较随心所欲，好比河流和小溪之间的区分。

表1-1 八大行星部分特征一览表

按照当前的习惯说法，目前太阳系中共有8颗大行星。冥王星曾经也属于大行星家族的一员，但由于它更像外太阳系天体，天文学家后来将其从大行星行列中除名，并划入其他分类。不过众口难调，冥王星的地位一直备受争议。美国天文学家查尔斯·科瓦尔（Charles Kowal）在其1988年出版的一本有关小行星的著作中提出了如何界定行星的问题，这在当时来说非常具有前瞻性。谷神星（Ceres）是目前已知的最大的小行星，它的直径为952千米，而冥王星的直径大于2 300千米，当时冥王星还属于大行星行列。科瓦尔在书中提出了这样一个问题：“如果我们以后发现直径超过1 500千米的天体，我们应该怎么称呼它们？是叫小行星，还是行星？我可以拍着胸脯说，不到最后关头，天文学家是不会回答的！”这一点还真让他说中了。

2003年，终于到了不得不回答这个问题的时候了。天文学家发现海王星轨道以外有4颗绕日公转的大天体，其中的3颗分别为鸟神星（Makemake）、妊神星（Haumea）和塞德娜（Sedna）。还有一颗是阋神星（Eris），阋神星的大小和冥王星不相上下，但质量却比冥王星大27%。如果说冥王星是行星的话，那阋神星理所当然也属于行星。那另外3颗呢？难道也都属于行星吗？要是以后再发现其他大天体呢？行星的数量岂不是很快就会达到20、50，乃至1 000了？所以，到了该重新思考这个问题的时候了。国际天文学联合会（International Astronomical Union，简称IAU）经过投票，决定设立“矮行星”这一天体类型，但此举也颇有争议。冥王星、阋神星和小行星谷神星成了矮行星家族的第一批成员，曾经位居大行星行列的冥王星如今已被重新定义为小行星（编号：134340），于是，大行星的数量缩减为8个。

截至2012年，只有5个天体被归入矮行星的行列。而茫茫宇宙之中，已经确定的既非行星也非矮行星或卫星的天体仍然有数千个之多。IAU将这些天体统称为“太阳系小天体”，再往下它们还可以细分为彗星（偶尔带有朦胧的彗发和彗尾的一类冰冻天体）和小行星（从地球上看呈一个光点的岩质天体）。英语中的“minor planet”和“asteroid”皆有小行星之意，但现实中绝大多数人都只用后一个词来称呼小型岩质天体。

太阳系中类地行星与巨行星之间存在着一个主小行星带。目前，天文学家已经在太阳系中发现了超过30万颗小行星，绝大多数都分布在距离太阳2.1~3.3天文单位的空间里。今天，小行星家族仍在以每月几百颗的速度不断壮大着。从特写照片来看，小行星和行星有着截然不同的外观：大部分小行星呈椭圆形或者不规则的形状，而且表面一般有山脉、巨石和火山口。尽管小行星的数量庞大，但它们的质量总和相对而言并不算大。如果将所有已知的小行星组成一个天体的话，它的质量其实还没有地球的卫星月球大。

太阳系的绝大多数小行星都位于火星与木星之间的一条主小行星带上，也有一小部分散落在更远的空间。爱神星（Eros）是一颗穿过火星轨道的小行星，它在1931年来到距离地球不到23 000 000千米的地方，这个距离约等于地球和金星最近距离的一半。另外，还有一颗叫作希达尔戈（Hidalgo）的小行星，它的运动轨迹呈一个极度扁长的椭圆形，极大的偏心率决定了希达尔戈最远甚至能到达土星之外。还有一些小行星甚至还会穿过地球轨道，其中的少数最终会以撞向地球的方式结束它们的生命。在木星公转轨道前后各60度的宇宙空间里，还存在着两个较大的小行星群，叫作特洛伊群（Trojans）。特洛伊群在木星的轨道上运行，且速度和木星的公转速度一致。天文学家最近又发现了多颗类似特洛伊群的小行星，有些在火星的轨道上运行，有些则在海王星的轨道上运行。

海王星轨道以外也分布着一个绕日运行的小行星带。这一地带被称为柯伊伯带（Kuiper belt），冥王星和阋神星就位于此带中。过去20年间，科学家们已经在这里发现了数百个天体，但这也许只是冰山一角，因为柯伊伯带的质量很可能比主小行星带大得多。为了将它们与“小行星”（指内太阳系中绕日运行的小天体）加以区分，天文学家通常把在海王星轨道以外围绕太阳运行的天体统称为柯伊伯带天体或海外天体（指海王星之外的天体）。

迄今为止，可近距离观看到的彗星屈指可数。虽然彗星看上去和小行星相差不多，但它们的主要成分是冰和岩石尘埃。低温时，彗星处于休眠状态，但是在运行到离太阳只有几个天文单位时，彗星表面的冰开始蒸发，释放出的气体将尘埃粒子吹离表面。这些气体和尘埃在彗核周围积累，形成了一个巨大而朦胧的云状物，这个云状物叫作彗发，彗发飘入太空后形成了稀薄的彗尾。彗尾分为气体彗尾和尘埃彗尾两条，长度可达数百万千米。

由于小行星带和太阳之间仅相隔数个天文单位，一直以来天文学家都认为小行星上不存在冰。1996年，一颗名为埃尔斯特-皮萨罗（Elst Pizarro）的小行星在经过其公转轨道的近日点时，身后拖着一条和彗星一样的尾巴（见图1-2），这一发现让许多人大跌眼镜。同样的事情于2001年和2007年再次发生。今天，埃尔斯特-皮萨罗已同时位居彗星和行星的行列。像这种同时具备彗星和小行星特征的天体，小行星带外部还有几颗。这些天体上显然有很多冰，当温度达到足够高时，部分冰就会蒸发。日前，有人在司理星（Themis）表面探测到有冰状沉积物的存在，司理星是太阳系主小行星带中最大的小行星之一。也许其他小行星内部也有冰，只是它们表面的岩石尘埃层使内部的冰避免了阳光的照射。显然，小行星与彗星之间的界线并非天文学家曾认为的那般泾渭分明。

图1-2 埃尔斯特-皮萨罗彗星。该图片由欧洲南方天文台（简称ESO）天文学家吉多·皮萨罗（Guido Pizarro）于1996年8月7日拍摄。根据该图片及同年同月拍摄到的后续图片，天文学家埃里克·W·埃尔斯特（Eric W. Elst）得出结论，认为该彗星与1979年7月24日发现的代号为1979 OW7的小行星实际上为同一天体，它在1979年被首次发现时并未携带彗尾（图片来源：ESO）

绝大部分彗星的轨道都呈一个被极度拉长的椭圆形，从海王星轨道外运行至内太阳系后再回到原位。其中有几百颗彗星的轨道由于受到木星强大的引力牵引而变小，大部分都在木星轨道附近运行。这些“木星族彗星”大多已绕日运行了多圈，亮度也已经黯淡不少。与之相比，大部分彗星的轨道要大得多，公转周期从几千年到几百万年不等。科学家通过跟踪“长周期”彗星过去的轨道运行情况发现，它们来自一个距离太阳非常遥远的“大冰窖”。那是一个被称作“奥尔特云”（Oort cloud）的球形云团，里面布满了彗星，距离太阳20 000~50 000天文单位远，这里才是太阳系真正的尽头。

第一次亲密接触

任何一个成功的太阳系起源与演化假说都需要解释行星系统的整体结构。除此以外，它还要解释各天体的性质，包括表观特征（如月球表面的环形山）和行星的内部情况。数百年来，天文学家们能够用来支撑其理论研究的材料少之又少。在望远镜下看，太阳系大部分天体小得只能看到一个个光圈和光点。即便是在科技如此发达的今天，世界上最精密的望远镜拍摄的影像数据还是不及航天器掠拍的更加精细。

太空时代的来临是太阳系观测史上一个重大的分水岭。借助太空飞行技术，宇航员登上月球并带回382千克月岩，极大地推动了人类对地球这位最近的邻居的研究。太空任务让许多从地球上只能看到模糊影像或渺小光点的天体变得更加清晰，实现了对它们的地图绘制、探测和科学调研，为人类的研究提供了大量全新的数据。

美国“水手4号”（Mariner 4）火星探测器证明了太空探测无可替代的优势。1964年11月，“水手4号”搭载着1台电视照相机和6台科学仪器从美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角发射升空。如果一切进展顺利的话，它将拍摄出除地球和月球以外的太阳系天体的第一张特写照，并对其进行测量。在它之前，为了一睹这颗红色星球的芳容，美国及苏联已经先后发射过6枚火星探测器，其中包括与“水手4号”一脉相承的“水手3号”（Mariner 3）火星探测器，但很遗憾均以失败告终。没有人知道“水手4号”是否也会遭受同样的命运。

1965年7月，“水手4号”终于近距离接近火星，上至科学家下至普通民众无不密切关注着它的最新动态。火星是太阳系中唯一一颗天文学家从地球上能看到其表面的岩质行星，它在望远镜下的影像简直模糊得可怜。天文学家已经知道火星两极和地球一样被冰雪覆盖着，它的表面分布着一些明暗交替的区域，但这些区域需要近距离才能看清。许多人对火星寄予厚望，认为它可能是另一个地球，只是温度和体积要更低一些。珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell）是一名美国商人兼业余天文学家，他曾经在19世纪末提出一个更加大胆但饱受质疑的猜测，即那些横亘在火星表面的明暗条纹是火星文明建造的运河网络。尽管洛厄尔的猜想听起来异想天开，但科学家的确在严肃考虑火星上存在生命（特别是植物）的可能性。寻找太阳系地外生命的希冀是NASA（美国国家航空航天局）原始行星探索项目背后的主要动力，也为NASA获得了很多公众及政治支持。

1965年7月14日和15日，“水手4号”于9 846千米处近距离掠过火星，并拍摄了22幅模糊的黑白电视图像，它们被保存在磁带记录器中并随后被传回了地球。这些模糊的图像成了火星的第一批快照，虽然只拍到火星表面的1%，但已经产生了轰动性效应。当时一名记者曾这样赞叹道：“它简直和伽利略发明望远镜从而发现月球表面凹凸不平一样伟大。”

随着火星的电视图像被传回地球，从20世纪开始盛传的火星和地球是一对“孪生兄弟”的这一幻想终被打破。事实上，火星表面非常不平整（图1-3），这更容易使人联想到荒凉的月球，而不是地球。经测量，火星表面的温度为-100摄氏度，大气压强还不足地球的1%，这些数据直观地反映了火星环境与地球非常迥异，严酷而陌生。虽然“水手4号”拍到的凹凸不平的火星地形后来被证实无法代表火星的整体情况，但它还是彻底推翻了太空时代来临前人们对火星的种种臆测。虽然按照目前情况来看，在太阳系找到生命的希望非常渺茫，但我们仍然有继续深耕的理由。如果说对火星的探索已经带来了这么多新发现，那么其他行星和卫星又能给我们带来怎样的惊喜呢？

图1-3 “水手4号”火星探测器在1965年7月传回的一幅火星图片。可以看到，图片的大部分是一个模糊不清的坑洞，该坑洞的直径为151千米，后来该探测器被命名为“水手谷”（图片来源：NASA/JPL）

截至本书英文版出版时（即2012年），航天器已经飞掠过太阳系的八大行星。借助轨道航天器，我们绘制出了金星、火星和月球的详细地图，并进行了深入研究；此外，木星、土星及它们的环系和卫星也有所涉及。2011年，美国“信使号”（Messenger）水星探测器成功进入水星轨道，并对这颗距离太阳最近的行星做了类似的探测。其后，各种机器人探测器也陆续登上了金星、火星以及土星最大的卫星土卫六（Titan），将拍摄到的图像和收集的数据传送回地球，宇航员还从月球带回了样本。不仅如此，多艘宇宙飞船还造访了多颗小行星和彗星，如NASA的“新视野号”（New Horizons）探测器计划进入柯伊伯带，在2015年时接近冥王星[2]。借助空间任务、哈勃空间望远镜和新一代地面望远镜，科学家们终于有机会深入比较各行星，进而回答有关行星形成的一些基本问题。

昔日重现

现在我们知道，太阳系中的每个天体都具有一个独特的身份，这个身份反映了它们在太阳系历史中的形成和演变情况。宇宙的历史被镌刻在了天体的成分、构造和轨道三大要素中。要解读这些线索，从中推算太阳系的演化史，需要大量的勘测工作，而且还牵涉多个科学学科，包括物理学、化学、地质学和天文学。在正式进入主题前，我们先来简单介绍一下本书将反复提及的几个重要科学原理和实用技术。

加热和冷却效应是本书会反复提到的原理之一。众所周知，生物体对于温度的变化极其敏感。其实，行星物质在被加热或冷却时，同样也会出现剧烈的反应，而且这类反应通常是永久性的。举个例子，假设有一颗岩质行星，由于受到小行星的撞击，或者内部的放射性物质发生衰变而升温，随着温度的升高，行星表面的岩石开始熔化。如果熔岩的比例足够大的话，那么密度较大的物质（如铁元素）就会下沉到行星的核心，而密度小的物质则会上浮。随着热源消失，行星冷却凝固后形成了新的岩石。岩石里面会生成各种矿物，矿物的种类取决于多个因素，包括当时的温度、压力、岩石的冷却速度和行星是否分层等。这些信息可以保存长达几十亿年，因此，今日的科学家可以通过研究这些岩石了解到这些信息。

迄今为止，航天器仅仅在太阳系内的几个天体上成功着陆，而对于系外天体仍然鞭长莫及。但没关系，通过远距离观察、航天器掠拍或者在地球上用望远镜遥望星空，我们同样可以了解系外天体的成分。恒星、行星或者其他天体所发出或反射回来的光可以被分成不同的颜色，形成光谱。恒星光谱中通常含有几千条暗线，这些暗线叫作“光谱线”，它们反映了恒星的大气层中各种化学元素的原子对光的吸收情况，不同原子吸收不同波长的光。吸光量和元素的丰度有关，因此我们可以利用太阳光的谱线检测太阳的组成成分。然而，行星和小行星的光谱则不易解读，因为行星和小行星上含有的分子和矿物的吸收宽度比恒星中的原子更大，也更复杂。但一般情况下，我们还是可以从它们的光谱中获知大量信息。这种分析法也同样适用于对光谱的不可见光区，如红外光的分析。

放射性是本书的另一个核心概念。天然放射性元素自带计时功能，对于解密过去发生的事发挥着极大的作用。从它们构成矿物、生物体乃至整个太阳系的那一刻起，放射性物质的计时开关就已被激活。之后它们的放射性开始以一种可预见的速度衰减，到了一定时间，它们的放射强度会减至原来的一半，这个时间被称为“半衰期”，半衰期的长短因不同的放射性物质而异。放射性强度在两个半衰期后减至原来的1/4，在3个半衰期后减至原来的1/8，以此类推。

放射性元素在衰变时通常会转变为物理及化学性质都极为不同的另一种元素，这也使得衰变过程极易分辨。只要检测出天体中放射性物质的剩余含量和分布情况，科学家便可推算出天体的形成年代（详见第4章）。就算放射性物质已经消耗殆尽，一般情况下，我们依然可以根据其衰变产物的分布情况窥探天体的过去。这一技术叫作放射性同位素计年法，只要样本中放射性物质的半衰期合适，而且其含量可以测量，就可以用它来测定从数百年前到数十亿年前的样本。该计年法不仅可以被考古学家用来研究古埃及木棺，也有助于天文学家测定月球岩石的年龄。

科学家在还原过去时还会用到另一种手段，那就是数值模拟。要是时光可以倒流，我们就可以亲眼见证太阳系的形成和演化过程。这在过去当然是痴人说梦。但是现在，借助计算机模拟——一种可以模拟太阳系及其天体的虚拟现实技术，就可以近似地再现太阳系过去的景象。这种计算机模拟包含一系列数学方程式，可以将已知的物理定律和实验室测得的物质性质，以及太阳系在某一时刻的状况代入进去。

开始时，我们可以先用牛顿万有引力定律创建一个比较简单的模型，只要输入行星的位置、运动速度和方向，就可以计算出行星在未来100年的运动情况。再复杂一点儿的模型还可以模拟出天体相互撞击的场景，计算出它们的热力学和化学性质随时间的变化情况。这种建模技术颠覆了我们以往在探索太阳系形成与演化时的思路，科学家可以借助这种绝妙的方法对比较复杂的理论进行检验和完善。建模技术特别适合于那些无法在实验室开展的研究，比如研究两个行星大小天体之间的碰撞或某些物质在数百万年里的变化情况。不过，模型只有依赖我们输入的数据，才能让观测和实验得到的信息开口说话，它永远也无法取代这两项工作。以我们目前的水平来看，要发明出一台能够准确告诉我们过去真相的计算机，还有很长的路要走。

天文学家还可以通过研究其他形成时间比地球晚的恒星和行星系，从侧面了解太阳系的过去。这并不是说它们和太阳系一模一样，而是说，观测年轻行星系在不同阶段的发展情况，有助于我们了解行星系的形成和演化过程。

许多新生恒星都笼罩着一团盘状的尘埃气体云，那里似乎就是行星的摇篮。在对它们的大小、结构和成分进行详细测量后，天文学家还原了太阳系形成时的场景。我们史无前例地还得到了完全成形的行星系样本，并对之进行研究。1992年，天文学家亚历山大·沃尔什恰恩（Alexander Wolszczan）和天文学家戴尔·弗赖尔（Dale Frail）共同发现，一颗脉冲星附近有两颗行星在围绕着它运动，脉冲星指高速旋转的死亡恒星。3年后，米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）宣布，他们共同发现了环绕普通类太阳恒星“飞马座51”运行的一颗行星。截至2012年年底，宇宙中探明的拥有行星的恒星已经超过500颗，其中60多颗有2颗或2颗以上的行星环绕。而已发现的系外行星总数也已经超过800颗，且还在快速增长中。目前仍然在役的系外行星探测器“开普勒”的探测结果显示，宇宙中可能拥有行星的恒星超过2 000颗，下一步它将对这些“候选恒星”进行确认和排除。

许多系外行星和木星一样，因为都是巨型的气态行星，所以无法形成生命；或者由于离恒星过近，温度太高，也无法形成生命。然而，这和天文学家的观测方式也有关系，因为那些离恒星近且体积大的行星自然是最容易被发现的。而随着科技的进步，情况也在发生着日新月异的变化。今天，天文学家已经开始寻找那些无论是大小还是其他方面都可能和地球相似的行星。

系外行星的发现意味着科学家的研究范围不再局限于我们所在的行星系，目前，可供研究的行星系已经增加为几百个。我们可以通过其他行星系的特征了解太阳系的形成与演化情况。比如某些恒星附近有行星环绕，但这些行星却不大可能在此产生，于是我们知道，原来行星形成后还可以迁移到很远的地方。目前，科学家们已经开始着手研究太阳系行星在形成后是否同样发生过这种大范围的迁移，详见第9章和第14章。

拼凑太阳系的拼图

从逻辑上讲，越了解太阳系和其他行星系，就越容易揭开它们的诞生之谜，从某种意义上来说，的确如此。毕竟在信息匮乏的条件下，我们往往无法去质疑那些被理所当然认为是正确而其实是错误的简单观点。比如，很久以前人们认为地球是静止不动的，而太阳、其他行星和恒星都围绕着它旋转，这听起来似乎挺有道理。但随着越来越多有力证据的出现，那些违背观察事实的理论都被一一摒弃了。面对全新的信息，人们不得不接受地球不是宇宙中心，以及其在空间中不停旋转运动的事实。但同时，层出不穷的信息也使科学家眼中的世界变得更加纷繁复杂，需要解释的事情也更多了。

1796年，法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）提出了一个科学的太阳系起源论，这也是最早的太阳系起源论之一（详见第3章）。拉普拉斯的学说是以当时几个已知的事实作为理论依据的，因此他的“星云假说”阐述起来也比较简洁。他所做的其实就是将几个木块拼合成幼儿手中的七巧板。今天，科学家已经收集到大量有关太阳系各个方面的信息，整合信息的过程就像是在制作一幅复杂无比的拼图——我们需要将几千块碎片各归其位。不仅如此，有一些重要的碎片可能还没有找到，这让整件事变得难上加难了。也许我们正需要一个罗塞塔石碑式的发现来帮助我们解释其他数不清的谜团，从而揭开太阳系过去的奥秘。

欧洲空间局（ESA）在1993年通过一项彗星探测计划时，想必就是怀揣着这样的希冀，该探测器计划实现人类的首次绕彗星飞行，并在彗星表面放置登陆器。当时，人们广泛认为彗星就像一个时间胶囊——它上面的物质从太阳系形成至今从未改变或被污染过。设计该探测器的天文学家希望通过近距离观察彗星来解开太阳系初期的众多谜团。为了给这个壮举造势，他们还大胆地为该探测器取名为“罗塞塔号”，以前文提到的那块在埃及发现的赫赫有名的石碑命名。

2004年3月，“罗塞塔号”彗星探测器终于发射升空，开始了对丘留莫夫-格拉西缅科彗星（Churyumov-Gerasimenko）的漫长的10年追逐之旅。2014年到达目标之时，罗塞塔计划已诞生20多年了。在此期间，科学家却开始怀疑彗星是否真如他们所想的那般“原生态”。2004年，NASA发射的“星尘号”（Stardust）彗星探测器在飞越“怀尔德2号”（Wild 2）彗星时，采集到了珍贵的尘埃样品，并带回了地球。科学家在研究时发现部分尘埃曾经被加热至1 400摄氏度，这与之前设想的冰冻原始物质颇为不同。2010年，NASA的“深度撞击号”（Deep Impact）彗星探测器抵达“哈特利2号”（Hartley 2）彗星，带回了多个惊喜发现。比如，不同于大多数彗星通过水冰蒸发产生表面活动，“哈特利2号”的表面活动来源于二氧化碳蒸发。更加令人感到意外的是，它的彗核由两部分组成，两部分的化学成分截然不同（图1-4）。它们应该形成于和太阳距离不等的两个位置，后来发生融合才形成了这颗彗星。

图1-4 从“哈特利2号”彗星彗核发出的喷流，喷射长度达到2 000米。该图片摄于2010年11月，由“深度撞击号”在距离该彗星700千米处拍得，当时该探测器正在执行延伸任务（图片来源：NASA/JP- Caltech/UMD）

和行星、卫星和小行星一样，每颗彗星似乎也有着一段属于自己的独特而又扑朔迷离的过去。“罗塞塔号”若能不辱使命，我们定能从中受益匪浅[3]。只可惜以目前的技术水平，它的设计者想要单凭一颗彗星了解太阳系奥秘的愿望恐怕暂时还无法实现。

不断涌现的新信息和推陈出新的科学理论，决定了科学探索具有不确定性，然而，它终究是有方向可循的。作为宇宙的考古学家，科学家正在探索太阳系的过去和形成过程的道路上不断迈进，在过去的20年间，新发现诞生的速度尤其迅猛。虽然这幅大拼图还有待填补，有些地方还可能被拼错了，但它的总体轮廓已经非常清晰，足够让这个故事引人入胜。下一章里，我们将以天文学家如何从各个方面研究太阳系作为开端，展开这个故事。

[1] 2012年，国际天文学联合会规定AU=1.495 978 707×1011米。——编者注

[2] “新视野号”探测器已于2015年成功飞掠冥王星，传回大量图像数据，目前正飞向更远的柯伊伯带天体。——编者注

[3] “罗塞塔号”在2014年抵达目标彗星，并成功释放了着陆器“菲莱”（Philae）。——编者注