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比地球体积大1300多倍的木星,原来是“虚胖”?

文章来源:格致论道讲坛

地球、月亮还有人类的起源,我们要解答千百年来古人的这些疑问,只在地球上寻找是不够的。

刘勇

中国科学院国家空间科学中心研究员

各位同学,大家好,我是来自中国科学院国家空间科学中心的研究员,刘勇。我分享的是关于太阳系的那些事

在太阳系,有很多很有趣、很好玩,也有很多值得同学们跟我们一起去探索去研究的事。

首先来看这张太阳系的图,最里边是太阳,绕着太阳转的从里到外的有水星、金星、地球、火星,然后再往外是木星、土星、天王星和海王星。

除了这八个比较大个头的叫行星之外,还有一些小个头的,比方说在火星和木星之间有小行星带。

在海王星以外,还有一个柯伊伯带,这些都是由小天体组成的。

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为什么行星绕着太阳转?

我们先来看看太阳,大家有没有想过一个问题,为什么大家都绕着太阳转?为什么太阳系这些行星不绕着地球转或者不绕着木星转呢?

有同学说,如果绕着地球转,就叫地球系而不叫太阳系了。

太阳是一颗会发光的恒星,很多同学可能都知道恒星是会自己发光的。

那么现在我的问题来了,为什么大家都绕着恒星转?为什么太阳它就是一颗恒星?太阳系不可以有第二颗恒星吗?

刘慈欣的《三体》小说里讲过了在它们那个星系里,有三个恒星相互之间绕着,谁也搞不清楚是谁绕着谁转。

为什么在太阳系中大家都很整齐地绕着太阳转?

关于第一个问题,我给大家的回答是因为太阳足够重,相比较而言,太阳是整个太阳系里面最重的天体

因为太阳重,所以它的引力就特别大,是它拽着别人、主导着别人,其余的行星都绕着它转。

同学们如果不信,可以在班上找一个个头特别大的同学,然后拉着他一起转,最后你会发现是你绕着他转而不是他绕着你转。

这就是为什么大家都绕着太阳转。

还有一个问题,为什么恒星自己会发光呢?

我以前听过一个说法,有人怀疑太阳上是不是在烧煤?

太阳那么大个火球那得用多少煤啊?

而且太阳存在到现在已经有几十亿年了,所以有人就做过计算,说这得烧好多好多吨的煤。

后来发现太阳上,如果是在烧煤的话,太阳上的煤早就已经烧光了,那么太阳的热和光从哪里来?

这里我给大家介绍一点,这个叫热核反应。

说起热核反应、原子、分子,可能同学们都会觉得有点陌生。

其实就是组成物质的基本的元素叫原子,通常我们说的化学反应,比方说煤的燃烧它是化学反应。

只是原子和原子之间发生反应,原子核是不动的。

热核反应是原子核也会发生变化,两个小个头的原子核挤在一起变成一个大个头原子核,同时还会产生能量。

这就是太阳上能量的来源,这个产生的能量效率非常高,只需要一点点,可能就顶得上几吨煤的量。

所以,太阳到目前为止还一直在发出光和热,它上面的热核反应还没有停止。

我们也不用担心,太阳会马上消失,太阳的能量马上会枯竭,这都不会的。

我们地球上人类也用同样的方法制作出了氢弹,氢弹的爆炸瞬间能产生出巨大的能量。

也有同学问,我们能不能用这个能量来发电?

咱们就用热核反应,利用氢弹能量。

发电,我们需要很好地控制它

氢弹是所有的能量在一瞬间产生,这个时候的能量是不可控的,而我们需要可控的就是让它慢慢地一点一点地把能量发出来。

我们要停下来的时候,还可以让它停下来,这就是可控热核反应。

人类的科学家们,现在还在继续研究,也许有一天我们就能够实现热核反应,就能够实现地球上有取之不竭、用之不尽的能量。

但是到目前为止,我们还没能做到,我们只能更好地利用太阳能。

我经常说,阳像一个油炸冰淇淋。

大家都知道太阳的能量是来自于太阳内部的热核反应,是太阳表面就是我们看到的那一个太阳的表面。

科学术语叫光球层。

光球层的温度是多少?

光球层的温度大概是6000度已经很高了,大家说这个怎么会是油炸冰淇淋?

大家不要担心,再往外太阳周围的大气有几十万度到一百万度。

科学家把这一层叫日冕,同学们如果有兴趣看到日食的照片,就会看到很清晰的日冕。

日冕的温度是几十万度甚至到几百万度,所以太阳就像一个冰块放在热油里一样,因此叫油炸冰淇淋。

为什么会这样?

太阳的能源来自于太阳内部,为什么会形成这样一个油炸冰淇淋的结构?

到目前为止,科学家也没有一个完整的答案。

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太阳系中的小兄弟

讲完太阳,我们再回过头来看太阳系。

太阳系除了太阳以外,还有这些小兄弟。

如果我们把太阳系看作一个班的话,这个班上有太阳就是老师,坐在最前排的有四位同学,水星、金星、地球、火星。

坐在后排的是四个大个子同学,木星、土星、天王星、海王星。

我们后排的四个大个子同学有个专有名词叫类木行星。

类木行星跟前面的四个小个同学有很明显的区别,这四个同学个头都特别大。

即使个头最小的天王星、海王星 ,它们个头实际上差不多都有60多个地球那么大,而其中最大个头的就是木星。

木星有1300个地球那么大,同学们总觉得这个数字不好记,我告诉大家一个方法。

如果把木星放在这里的话,要摞10个地球才跟这个木星差不多高。

木星跟太阳相比,木星虽然有1000个地球那么大,但木星跟太阳相比木星还是比太阳要小的多。

我们要在这边摞10个木星才跟一个太阳差不多高,所以我想这样大家可能都记住了。

虽然木星有1000多个地球那么大,但是木星有点虚胖,它只有300多个地球那么重。

大家可以想像一下,木星的体积是1300个地球,但它的重量只有300个地球那么大,所以它有点虚胖,它的密度不如地球。

我们这里看的是木星和地球的比较,木星还有一些很好玩的特性,比方说木星叫气态行星。

而后面这几个大个子,除了个子大以外,它们都是气态的。

它的所谓气态行星跟地球相比,地球有个岩石表面,咱们都站在这个岩石表面上。

我们都生活在地球上,这个岩石表面叫地壳,但是木星周围的外层是一团厚厚的大气。

有些人可能就会问,我知道地球有大气层,但是地球为什么不叫气态行星?

第一是地球大气层非常的薄相比地球的半径有6400公里,地球大气层也就只有100公里,基本上是小于10%,小于十分之一的木星的大气。

木星周围的气态成分接近木星半径的三分之一到四分之一。

从这个图上还可以看出来木星的内部结构,像一个鸡蛋,它外面有一层蛋壳是大气。

往里,有液态的液氢,相当于鸡蛋的鸡蛋清。

再往里,木星还有一个内核,我们现在猜测可能有铁,有这样一些东西在里头。

但是到底是什么?科学家现在也无法知道。

所以,关于木星还有很多很有趣的谜,而其中有一个谜就是这个大红斑。

木星这个大红斑存在已经有数百年之久了。

地球上的风暴就是台风,台风持续的时间,通常也就是一个星期左右。

很少听说过一个台风持续两三个星期或者超过一个月的。

木星上的风暴已经持续了几百年的时间了,自从发现时候它有时会变淡一点儿,有时候会加深一点儿,它会有这种变化,但是一直就在那里,而且在同一个位置。

为什么?到目前为止也还是个谜,也等着同学们去探索。

木星因为个儿大,所以它周围有些小兄弟。

比方说这是木星最早发现的叫伽利略卫星,靠它最近的是伊奥,红红的。

它上面有火山,而且还时不时会爆发。

再往外一颗叫欧罗巴,欧罗巴的名字,听起来有点像欧洲人名字,但是欧罗巴里面含有大量的水。

我们把地球的含水量和木卫二的含水量对比,可以看到地球的个头比木卫二要大很多,但是它们的含水量是差不多的。

木卫二厚厚的冰层下面有很大片的地下湖,有科学家怀疑就在木卫二的湖泊里,有可能存在着生命的迹象到底有没有,现在还是个谜。

这也等着我们去探索。

其他的气态行星都是这样的,有气态、个头大这样两个特点,当然它们周围还有一些卫星土星有环。

天王星它的最大的特点是它躺着转,它的自转轴是平行于这个黄道面,其他的都是垂直或者接近于垂直这个黄道面。

所以我们说天王星应该是躺着转的。

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类地行星

我接下来就给大家讲类地行星,因为生命要存在,通常还是希望有一个像地球表面那样的硬壳,即固态的表面,还要有有液态水的存在。

这就意味着要处在宜居带里头,所谓宜居带就是在这个星系里的温度,正好能够存在液态水。

比方说0到100度,正好在液态水能够存在的范围,这个时候就最容易诞生生命。

我们首先来看水星,水星是个头最小又靠太阳最近的,就像班里坐在前排的小朋友。

实际它还有个特点,因为它靠太阳近,所以它几乎被太阳锁定住了。

这里锁定住的意思,就是说它的自转非常慢,水星自转一圈需要很长时间,水星的一个白天和一个晚上加起来是180多天,

这就造成了水星上一面长期照着太阳,而另外一面长期照不到太阳,形成了两种极端的温度。

一个是特别的热,另外一面特别冷。

热的那面400多度,冷的那面可以达到零下200多度,水星因为靠近太阳,本来应该是个非常热的星球,结果因为另外一面长期照不到太阳,所以温度非常低。

这就造成了水星上,不可能有生命的存在,在这么恶劣的环境中,我们再来看金星。

金星意味着是天空中最亮的那颗星星,同学们可能有时候看课外书或者看到有些书上讲说最亮的星星是天狼星。

我告诉大家那是错的,那是一个翻译错误。

有的老师直接翻译说The brightest star is 天狼星,这里star应该是恒星,翻译成最亮的恒星,那是天狼星没有错。

我们在地球上看到最亮的星星绝对是金星,而且金星是只在早晨和黄昏的时候才出来,很容易观测。

金星有一个特点就是它表面非常热,为什么呢?

因为金星周围有厚厚的大气,像盖了一层厚厚的被子,所以表面非常热。

也因为周围的大气的密度非常高,有很高的大气压,所以金星更像一个超级大的高压锅。

在这么恶劣的环境下,高等级生命是很难存在的,但是最近有科学家说在金星的大气中发现有种化学物质叫磷化氢。(注:该说法已被否认)

我们不能排除金星上有生命的可能,但是我们更希望找到像地球上的动物、植物那样大型的高等级的生命。

我们最早是希望火星上有生命。

我看过很多的科幻小说讲过火星人占领地球、火星人进攻地球、火星人跟地球发生了战争,甚至有科学家看到火星的南北两极都有冰盖,这个跟地球的环境非常像。

然后再看到火星还有一些道道就类似运河,推测火星人修了运河就把南北两极冰盖的水引到赤道地区,供那里的人们饮用。

等我们真正到达火星就发现火星其实跟沙漠是一样的是一片荒漠,没有任何生命的迹象,而且火星上非常冷,平均温度是零下60度。

这是我们看到所谓的宜居带三兄弟,从里到外,金星很热,地球温度刚好合适。

火星又特别冷,自转一圈需要的花费的时间跟地球差不多,大概是25个小时,因为火星的大气非常稀薄,所以火星晚上的温度非常低,可以达到零下60度。

火星的南北两极甚至可以达到零下100多度,在火星这样的环境,现在我们怀疑有可能有生命存在。

但是也是那种非常简单、非常原始的生命,就像细菌、病毒一样的,不会是像我们人类这种高等级的生命,也不会有火星人。

那么火星为什么会变成这样?

火星在亿万年前可能有水,像地球一样是一颗蓝色的星球。

火星为什么会失去了水?火星的大气又是怎么演化变成现在这样的?

地球会不会未来也变成像火星一样,这些就是我们要探索火星的目的。

除了火星以外,我们还有小行星带还有柯伊伯带。

大家看这个小行星带,小行星带其实很有意思。

我觉得小行星带它就是一些碎石,如果我们把地球看成岩石星球的话,那小行星带就是一些比地球这样的星球要小的天体,甚至有些小得多,比方说几十公里甚至有几公里,甚至只有几百米。

这样的一些小的天体的存在当然也有个头大的,有一些个头甚至比冥王星还要大,这就导致当年冥王星因为个头太小被踢出局了。

因为小行星带保存了它在太阳系,刚刚形成之初的一些信息,所以现在也是一个研究的热点就像柯伊伯带一样。

就是在太阳系的形成过程中,很多碎石小的星子都聚合,形成了今天的太阳还有八大行星,但是还有一些没用上。

没有机会给它们聚在一块儿,尤其是在柯伊伯带的小天体,它们还保存了当初太阳系形成最初的化学成份,当初形成的最初的形态。

所以我们要寻找太阳系的起源,寻找地球的起源。

我们经常读一首诗:“江畔何人初见月,江月何年初照人。”

这首诗说的无非就是地球、月亮还有人类的起源,我们要解答千百年来古人的这些疑问,只在地球上寻找是不够的。

我们还要去更远的地方去探索,说到更远的地方,前一段时间有报道,我们已经有一艘飞船飞出了太阳系。

我来告诉大家不是这样的,还没有飞出太阳系,它也就飞到了离地球大概100个天文单位的地方。

事实上这个边界是太阳风的边界,是太阳发出的蒸汽。

我们就把它叫蒸汽好了就只是飞出太阳风的边界,而在这之外太阳系的范畴,天文学家的定义是只要绕着太阳转的地方都叫太阳系。

还有一个离地球几万,甚至接近十万个天文单位的地方叫奥尔特云。

而奥尔特云也汇聚着很多小的星体,这也是太阳系的一部分,这艘飞船要飞出奥尔特云还需要几万年的时间。

所以我们现在还活着的人类都看不到,我们还需要技术的进步才可能去奥尔特云去探索。

宇宙很广大,我们所生活的太阳系只不过是银河系中的诸多星系中的一个。

我们现在探索的范围也就仅仅是太阳系中的一部分,当然我们能够用天文望远镜看到银河系,甚至能看到银河系以外。

宇宙很大,我们需要学习的东西还有很多,世界上还有很多未知的问题等着我们一起去探索宇宙的奥秘。

谢谢大家!

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