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1 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

2 太阳系概况 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 2

3 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 % 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 : 环带 : 有有有有 b 矮行星 : 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

4 类地行星 0.39~1.52AU 小行星带 巨行星 2.17~3.64AU 类木行星 5.2~30AU 柯伊离伯散带盘 & 30~55+AU 太阳风圈 Heliosphere 边界 ~100AU 奥尔特云 50,000~100,000AU 4

5 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 5

6 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 11 月 24 日东大距, 距离太阳 22 度, 日落时地平高度 ~10 度 6

7 水星 (Mercury) 质量 :3.3x10 23 kg,0.055m ; 平均半径 :2440km,0.383R ; 表面重力 :3.7m/s 2,0.38g; 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 ; 水星 半径 6380km 半径 2440km 半径 1740km 7

8 水星 (Mercury) 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 ):7 o, 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 8

9 水星探测 : 信使号 (MESSENGER) 拍摄到的水星图像 水星表面存在一个很薄的不稳定的散逸 ( 大气 ) 层 9

10 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 (Venus) 金星离太阳的角距最大可达 47.8 o, 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 2012 年 6 月 5 日金星凌日 10

11 金星 (Venus) 质量 :4.9x10 24 kg,0.815m ; 平均半径 :6052km,0.95R ; 表面重力 :8.9m/s 2,0.9g; 距太阳平均距离 : 万公里,0.723AU; 自转周期 : 地球日 ; 公转周期 :224.7 地球日 ; 金星 11

12 金星 (Venus) 恒星日 : 地球日 ; 太阳日 ( 太阳两次上中天时间间隔 ):~ 地球日 ; 离心率 :<0.01; 赤道与轨道面夹角 :177.4 o ; 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 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 12

13 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 : , 金星地表雷达成图 Venus Express(by ESA): Akatsuki( 破晓号, 日本 ):2015 年进入金星轨道 Venus express Magellan image of Maat Mons volcano Day, 3800Å Night,1.7μm Copyright ESA/VIRTIS/INAF-IASF/Obs. de Paris-LESIA 13

14 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 14

15 地球 (Earth) 地球的赤道半径 a= km; 地球中心到两极的极半径 c= 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 = km; 地球的扁率 (a-c)/a = 平均密度 : 5.5g/cm 3 质量 : M = kg 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

16 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 (Ozone layer) 中间层 (Mesosphere) 到电离层顶 (Ionosphere) 的温度 压力随地球高度的变化

17 一 月球的基本参量 1 平均距离 : Km ( ) 2 直径 :3475 Km R 月 >1/4R ; < 亚洲面积 3 质量 : 7350 亿亿吨 (7.35 x kg), 1/80 M 月亮 (Moon)- 地球的卫星

18 火星 (Mars) 中国古代称火星为惑星或荧惑 火星最亮时的视星等为 等, 最暗时为 1.5 等 质量 : kg, 0.107M ; 表面重力 : 3.7m/s 2, 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 : 天 ( 地球日 ); 自转周期 : 天 ; 赤道与轨道面夹角为 25.19

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 Credit: NASA/JPL/MSSS, image by Mars Global Surveyor (MGS) Mars Orbiter Camera (MOC) North polar cap summer South polar cap summer 19

20 火星 (Mars) 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是形成火星今天稀薄大气层和恶劣气候的主要原因 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)

21 火星 (Mars) 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 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 21

22 火星 (Mars) 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 Credit:NASA/JPL-Caltech/JHUAPL/Univ. of Arizona 22

23 MRO 也探测到液态盐水在近期内 ( 夏天 ) 短暂存在的可能证据 Credit:NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona 23

24 火星探测 24

25 火星 (Mars) 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 小时, 东升西落 Stickney Credit:NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona 25

26 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 ) 伽利略号拍摄到的小行星卫星系统 Credit:NASA/JPL 26

27 引自 en.wikipedia.org 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 L 4,L 5 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 27

28 近地小行星 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: AU 近日距 <1AU C 阿莫尔型 (Amor) a>1au, 近日距 1AU

29 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, M 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 Dawn 探测器拍摄的谷神星 Credit:NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA 29

30 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 30

31 木星 (Jupiter) 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 等, 最暗时为 -1.6 等 质量 :1.9x10 27 kg, 317.8M ; 表面重力 : 24.8m/s 2, 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 : 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 31

32 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 ) Credit: 木星大气里氢 (H 2 ) 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 spacecraft 到达木星, 将对木星的大气 内部结构 磁场等进行深入研究 32

33 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

34 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 34

35 木卫一 木卫二 木卫三 木卫四 Io( 直径 3650km) Europa(3121km) Ganymede(5262km) Calisto(4820km) 木星有 67 颗卫星, 包括 4 颗最大的伽利略卫星 (1610 年发现 ) 月亮 ( 半径 1738km)

36 木星环 : 主要由尘埃构成,1979 年被海盗 1 号发现 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 36

37 土星 (Saturn) 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 :5.7x10 26 kg, 95M ; 表面重力 : 10.44m/s 2, 1.065g; 土星的密度是大行星中最小, 平均密度仅为 700kg/m 3, 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 : 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 37

38 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 62 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

39 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 39

40 土星 (Saturn) 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 40

41 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 41

42 卡西尼 - 惠更斯号土星探测器 引自 : 42

43 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 :8.7x10 25 kg, 14.54M ; 表面重力 : 8.7 m/s 2, 0.886g; 平均密度 1290 kg/m 3 ; 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

44 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 44

45 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

46 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

47 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

48 海王星 (Neptune) 质量 :1.02x10 26 kg, 17.1M ; 表面重力 : m/s 2, 1.14g; 平均密度 : 1638 kg/m 3 ; 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 48

49 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. 49

50 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

51 哈勃拍摄到海王星上风暴的变化 引自 : 51

52 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 52

53 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 ²² 千克, M ; 公转周期约 248 地球年, 自转周期 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; 53

54 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 54

55 阋神星 (Eris), 比冥王星还重的矮行星 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 55

56 鸟神星 (Makemake) 和妊神星 (Haumea) 柯伊伯带内天体 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 ) 56

57 哈勃空间望远镜拍摄到的 MakeMake 卫星 引自 : 57

58 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 ) 58

59 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,50000~100000AU 的球层区域, 长周期彗星的发源地 ( 轨道周期超过 200 年 ) 59

60 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

61 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

62 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

63 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 (H 2 O) 氨 (NH 3 ) 甲烷 (CH 4 ) 氰 (C 2 N 2 ) 氮 (N 2 ) 二氧化碳 (CO 2 ) 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

64 彗星轨道 1986 年回归时拍摄的哈雷彗星, 周期 76 年 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

65 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 )

66 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 66

67 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

68 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 ) 1966 年狮子座流星雨 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

69 流星雨

70 陨 石 陨石和陨铁 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

71 2013 年 2 月 15 日俄罗斯车里亚宾斯克州陨石雨造成逾百人受伤

72 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 : 首批成员有谷神星 (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 小天体 : 其它环绕太阳运行的天体

73 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 73

74 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 74

75 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 75

76 76

77 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 77

78 太阳系外行星 (Exoplanets) 1995 年首次被发现, 目前已发现 2887 planetary systems / 3869 planets / 638 multiple planet systems Earth-like planets

79 历年发现数目

80 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 ) Credit: Pearson Education 80

81 2016 年 8 月 24 日, 比邻星附近发现类地质量行星 81

82 恒星 : 半人马座 α C, 比邻星 ( 南门二丙 ), 红矮星,0.12 太阳质量, 距离太阳 4.2 光年, 有效温度 ~3050 K,~0.001 太阳光度 探测仪器 :HARPS on ESO 3.6m 望远镜,UVES; 方法 :Radial velocity ( 视向速度 ); 行星参数 : 最小质量 : 1.3M ; 轨道半径 :0.05AU; 轨道周期 :11.2 天 ; 位于比邻星的宜居 带内 ( 即表面 可以允许液态水存 在 ) 82

83 Transit ( 掩食法 ) 83

84 TRAPPIST-1 : Gillon et al. 2017, Nature, 542, 456 中心恒星 :2MASS J , 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 ) 84

85 TRAPPIST-1 矮星 - 七行星系统 引自 : Credit : ESO 85

86 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.

87 Image credit : NASA Ames / N. Batalha and W. Stenzel 87

88 Image credit : NASA Ames / N. Batalha and W. Stenzel 88

89 Image credit : NASA Ames / N. Batalha and W. Stenzel 89

90 哈勃发现地外行星可能存在卫星的证据 引自 : 90

91 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

92 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

93 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. 简单叙述一下火星的大气和温度情况? 你认为火星上有可能存在生命吗? 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? 画出 Kepler 卫星发现系外行星方法的示意图

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