太阳系行星：人类聚焦的太空明星

    刘健

    近一段时间，关于行星的事情很热。

    先是新视野号探测器飞掠冥王星，成为人类首颗造访冥王星的探测器。而这架探测器上还带有冥王星的发现者美国人克莱德·汤博的部分遗骸。接着又有发现“地球兄弟”的消息传来——在1400光年外发现宜居系外行星。

    借着这股“行星热”，我们不妨来回顾一下，人类自古以来认识太阳系行星的过程。

    古埃及人最早把行星奉为神明

    今天我们所知的太阳系大行星共有八颗。除我们居住的地球外，其他七颗行星中，有五颗是凭肉眼就能进行观测的，人类自古以来就对它们进行了详尽的观察和记录。这五颗行星分别是水星、金星、火星、木星和土星。

    人类观察和记录行星的历史，可以一直追溯到古埃及时期。古埃及人对神秘莫测的星空充满敬畏之情，对天文的记录和研究可谓不遗余力。古埃及人也是最早将行星视为神明，并为之命名的族群。

    后来，古埃及人的天文知识影响到了古巴比伦人。结果，青出于蓝而胜于蓝，古巴比伦人在天文学方面的造诣更胜一筹。在当时，古巴比伦人已经能够通过折线函数这种较为复杂的数理方法，较为准确地推算出行星运行轨迹，编制预测行星位置的星历表。

    古希腊人堪称是古代西方世界天文知识的集大成者，几乎所有杰出的希腊学者都在天文学领域有所涉猎。其中，对后世影响最为深远的就是托勒密的“地心学说”。这个学说的核心是把地球视为宇宙的中心，并以天文观测为依据构建出一套完整的宇宙模型。托勒密的学说后来被罗马帝国乃至此后的基督教世界接受为官方学说，统治了西方世界千年之久。

    也是在罗马帝国时期，对于五大行星的名称也基本得以确定。水星被命名为墨丘利，这是古代罗马天神中信使的名字，常被画成脚生双翼的形象，象征他在送信时神行如飞。之所以给水星起这个名字，很可能是因为它在天空中移动得比其他行星都要快。火星被以战神之名命名为马尔斯，很可能是因为这颗行星表面上的红色，被看作是流血和战争的象征。事实上，火星上的红色是因为星球表面大量的氧化铁造成的。金星因其常在日出或日落时出现且格外明亮而被赋予了美神维纳斯之名。而木星则因为体量巨大而被冠以众生之王朱庇特之名。至于土星为什么会被用农业之神的名字命名，有多种说法，但很可能也与其颜色有关。

    德国人赫歇尔发现天王星

    1781年，德国天文学家赫歇尔在旅居英国期间，用他自制的一架望远镜观测天空时，在双子星座内看见一个小亮点。起初，他以为那是颗彗星，但仔细观察下来，它不像常见的彗星那样模糊不清。而这个小亮点每夜都会发生缓慢的位移，这让赫歇尔很快意识到他发现了已知的五大行星外，另一颗更遥远、绕太阳运转的行星，它超过当时所知最远的行星土星的距离很多。这便是近代以来人类发现的第一颗太阳系行星，后来被命名为“天王星”。

    说到天王星名字的由来，还颇有一番周折。赫歇尔发现天王星后，把这颗行星称为“乔治·西达斯”，以表示对英国国王乔治三世的尊敬。但赫歇尔的英国同行们却似乎并不领情，直接称呼这颗新行星为“赫歇尔星”。最后，科学家们决定，按照自古以来西方对于太阳系行星命名的传统，根据古希腊-罗马诸神的名字为其命名。

    那么，为什么最后决定叫“天王星”（Uranus）？原因也很简单。在地球轨道之外是火星（Mars），随后是木星（Jupiter），然后是土星（Saturn），而在希腊神话中，木星是火星的“父亲”，土星又是木星的“父亲”。因此，按照这个传统，这颗新行星理所当然应该用土星的“父亲” 乌拉诺斯来命名。

    关于天王星还有一个鲜为人知的事实：早在1690年，一个叫弗兰姆斯蒂德的英国天文学家就曾经在望远镜中看到过它，只是因为观察得不够细致，以至于弗兰姆斯蒂德把它错当做了一颗亮度较低的恒星，并在星图上将其标为“金牛座34”。事实上，如果弗兰姆斯蒂德再多观察几个晚上，就会发现它的位置是在变化的。就这样，一位缺乏耐心的天文学家便与这个“世纪大发现”失之交臂了。

    占星误事丢了脑袋

    在世界另一头的东方，中国先民自古以来，也有着对天文的浓厚兴趣。对天文现象的系统记录的出现，不晚于夏商时期。而至晚于周代，中国人便已经形成了一套五星对五行的独特星象观，“五行星名”一直沿用至今。在长沙马王堆汉墓中出土的《五星占》一书中，将五星与五方、五行、五帝等作了严整的对应。在《史记·天官书》中，又将五星与季节对应起来，以木星主春，火星主夏，金星主秋（成语“金秋送爽”就源于此），水星主冬。至于土星，则被与“季夏”对应。“季夏”被认为是在夏秋之间。后来又有将每季的末尾十八日抽出的说法，四季共抽出七十二日，以之与土星对应。到了《汉书·天文志》中，又将五星与“五常”、“五事”等伦理问题对应。

    事实上，无论是东方还是西方，人们之所以都对天文现象如此热衷，都是源于一个简单的信念。那就是相信，人世间和自然界的变化都与苍穹中的星象变化相关。而天空中恒星的位置变化非常缓慢，需要几百乃至上千年才能发现其位移。但行星的变化却要显著得多。因而，行星的变化便在古人的占星学体系中占据了重要地位。

    可是，过于迷信占星，往往也容易误事。西汉末年，王莽篡汉，施政不力，天怒人怨。大将王涉与大司马董忠、“国师公”刘歆密谋，想要劫持王莽，向义军投降。本来时机已经成熟，但精通占星之术的刘歆却坚持认为要等太白星（金星）运行到相应的位置才可以动手。结果，谋事不秘，被人告发。王涉和刘歆自杀而亡，董忠被王莽杀害。

    哥白尼、伽利略、牛顿接力探索

    在经历了文艺复兴和宗教改革运动后，西欧各国在思想文化领域迈入近代。此时的欧洲人，尤其是天文学家们对太阳系行星的看法，已经有了根本性的变化。它们不再是神秘莫测的超自然力来源，而是可以被人类科学所认知的对象。

    1543年，已经双目失明的哥白尼终于出版了他用毕生心血完成的《天体运行论》。在这本长达6卷的巨著里，哥白尼从根本上颠覆了前人对于宇宙的认识，他认为，是太阳而不是地球屹立在宇宙的中心（虽然后来人们正确地认识到，太阳只是太阳系的中心，而不是宇宙的中心），行星围绕着太阳运行。离太阳最近的是水星，其次是金星，再次是地球。月亮绕着地球运行，是地球的卫星。比地球离太阳远的行星，依次是火星、木星和土星。行星离太阳越远，运行的轨道就越大，周期就越长。在行星的轨道外面，是布满恒星的恒星天。

    1609年，意大利物理学家、天文学家、“近代科学之父”伽利略，在前人研究的基础上制造出了第一台真正意义上的天文望远镜（又名“伽利略望远镜”），从而为人类观察和研究天体运行提供了最强有力的工具。而在伽利略的物理学和天文学研究的基础上，英国科学家艾萨克·牛顿在1687年发表了他最为著名的研究成果之一，即万有引力定律，为通过数学方法科学地计算行星运行轨道提供了可能。这两项科技成果，让人类对太阳系行星的探索驶上了快车道。

    “算出来”的海王星与冥王星

    天王星的发现，刺激了西方天文学家寻找新的太阳系行星的热情。天文学家们利用数学方法对天王星的运行轨道进行计算后发现，这个理论上的轨道数值与实际观察到的天王星运行轨道存在偏差。而根据牛顿的万有引力定律，天文学家们认为，在天王星之外，应该还有一个行星，它的引力造成了天王星轨道的偏差。

    19世纪40年代，英、法两国的科学家分别通过计算的方法，给出了新行星可能出现的天区位置。1846年，两位德国天文学家伽勒和德雷斯特果然在那个预计的天区里发现了一颗新的行星。这颗蓝绿色行星被以罗马神话中的海神之名，命名为海王星（Neptunian）。发现海王星，其意义不止于发现了一颗新的太阳系行星，而且有力地证明了万有引力定律的科学性，从而打开了天体物理学研究的一扇大门。

    与海王星的发现过程类似，曾经被作为“第九行星”的冥王星，也是一颗首先在笔尖上被发现的行星。只是时间要晚很多。1894年，美国天文学家洛威尔在亚利桑那州建造了一座以他的名字命名的洛威尔天文台。建造这座天文台最重要的目标之一，就是为了寻找洛威尔通过计算发现的“第九行星”。然而，在他的有生之年却未能找到这颗行星。寻找“第九行星”的重任，落到了他的得意弟子汤博身上。

    农家子弟出身的汤博有一股朴实无华的韧性。从1916年开始，汤博使用带有照相功能的天文望远镜，在不同的夜晚对天穹上一个特定的区域进行了持续不断的探索，终于在1930年2月18日捕捉到了冥王星的踪迹。

    当冥王星被发现后，如何命名又成了舆论关注的焦点。一位年仅11岁的英国小女孩贝妮认为，这颗新的行星距离太阳如此遥远，它所获得的太阳光照必然很微弱，应该用冥界之王普鲁托（Pluto）的名字来命名。

    后来，天文学家们在冥王星附近发现了更多与冥王星质量与运行轨道相近的星体。这些星体运行的区域后来被命名为“柯伊伯带”。终于，在2006年8月24日举行的国际天文学联合大会上，多数与会者投票决定将冥王星降格为“矮行星”。从此，太阳系内只剩下了八大行星，而这是后话了。

    延伸阅读

    美苏“冷战” 行星探索竞赛

    提到美、苏之间的太空竞赛，很多人会想到载人航天以及登月行动。但事实上，旨在对太阳系内各种星体和太空环境进行探测与研究的深空探测活动，才是美、苏两个大国投入资源最多、持续时间最长的竞赛领域。以至于到今天为止，我们对于太阳系行星的大多数认知，都来自于这一时期美、苏两国发射升空的各种探测器发回的信息。而美、苏行星探索竞赛，则主要围绕着火星和金星这两颗最有可能成为人类外太空殖民地的近地行星展开。

    从技术角度上说，火星是距离地球第二近的行星，考虑运行轨道的原因，每隔两年就出现向其发射飞船的时间窗口，这使火星具有相对良性的工作环境。因而，美、苏之间的行星探索竞赛，最早便围绕着火星展开。苏联曾在20世纪六七十年代向火星发射了多艘宇宙飞船，但大都以失败告终。结果，被美国人抢了先手。1964年，美国“水手4号”探测器第一次拍摄到了火星的特写图像。

    为了挽回颜面，苏联人研制了姊妹探测器“火星2号”和“火星3号”，准备争得最先进入火星轨道和登陆火星的殊荣。但苏联人没想到，1972年1月，美国的“水手9号”成为人类历史上第一个进入火星轨道的飞船。很不幸的是，“火星2号”和“火星3号”双保险的登陆任务也宣告失败。最终人类探测器首次登陆火星成功的桂冠，被美国的“海盗2号”飞船于1976年摘得。

    相比于在火星上的失落，苏联人在探索金星的道路上则要顺畅得多。当然，也并不是一开始的时候就很顺利。1961年，苏联“金星1号”探测器由于过热而被烧毁。直到1967年，苏联的“金星4号”成功进入金星轨道，并发回了对金星大气的检测数值。1970年，“金星6号”探测器成为第一个成功地在金星着陆的探测器，这也是人类在地外行星上着陆的第一个探测器。遗憾的是，“金星6号”在成功登陆金星后，仅仅工作了23分钟后，就在金星表面高达475℃的大气中烧毁。但苏联人并未因此而气馁。1975年，“金星9号”探测器发回一个令人振奋的180°金星表面全景图；“金星13号”探测器在1981年又发回了金星的彩色全景图。

    相比之下，美国人主要是通过“水手5号”、“水手6号”探测器，测量了金星的大气云高以及磁场等数据。直到冷战结束前夕的1990年，美国麦哲伦探测器到达金星，利用雷达遥感测绘技术绘制了金星的表面地图，而且测量了金星的温度和大气变化情况。而此时，国力已经消耗殆尽的苏联，再也无力与美国争夺深空探索的主导权了。

    未来大观

    地外行星：未来新家园？

    一直以来，火星被认为是人类移民外太空的首选之地。这也是为什么火星会成为人类太空探测器光顾最多的行星的原因。不过，随着我们对火星了解的增多，人们开始意识到，要让这颗红色星球成为适宜人类居住的行星，必须对其进行一番复杂而长期的改造。人类或许可以从主要成分为冰的小行星上获得大量的供水，然后通过大量投放经过基因改造的微生物到大气中，以改良火星大气层的气体结构，使其更适合人类生存。大气环境的改善，让火星能捕获充足的阳光，进而变得更加温暖，水就不会结冰，从而形成海洋，许多动物和植物就能被带到火星上来。这样一来，也许有一天，火星真能变成一个小小的地球。不过，整个过程或许要花费上万年、甚至数十万年。

    与改造类地行星使其适应大规模太空移民的需求相比，利用这些类地行星既有的自然条件，建立小型的移民点，利用人工智能和机器人技术开发当地资源，或许是更加可行和现实的选择。

    或许有一天，人类移民地外行星不再是一个幻想。正如俄国火箭之父康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基所言：“地球是人类的摇篮，但是人类不能永远生活在摇篮里。开始他将小心翼翼地穿出大气层，然后便去征服太阳系。”

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