□ 問 天

行星科學與深空探測（一）
——行星科學的起源發(fā)展及重要性

□ 問 天

歐空局的“火星快車號”探測器（Mars Express）

太陽系八顆行星的大小對比

行星科學是天文學的一個二級學科，研究對象為行星及其衛(wèi)星、矮行星、小行星、彗星和流星等太陽系天體，研究它們的性質、構造、運動過程及起源和演化；搜尋系外行星系統(tǒng)并研究其特征；涉及行星物理學、行星化學、行星地質學和行星生物學等分支學科。

國際天文學聯合會（IAU）專門為行星科學設立了行星系統(tǒng)科學部，2010年共有注冊會員1167名。行星系統(tǒng)科學部涉及國際天文學聯合會下屬7個科學專業(yè)委員會和兩個工作組。為應對近地天體對地球造成碰撞災害，國際天文學聯合會執(zhí)行委員會還專門下設了“近地天體災害咨詢委員會”。

隨著眾多深空探測計劃的相繼實施和系外行星的不斷發(fā)現，人們獲得了更全面的測量數據資料。有關行星科學的新發(fā)現和新的研究成果日益增多，將行星科學的研究推進到一個新的發(fā)展時期。

木星的云帶和大紅斑

行星的形成和演化是宇宙天體形成和演化的重要類型之一

行星是在宇宙演化到一定的時間后形成的，它是天體形成的重要類型。與星系宇宙以及恒星不同，行星由于其質量相對較小，因此其演化也有其特殊的過程，比如，總體來講沒有像宇宙、星系和恒星那樣，物質與性態(tài)變化那么劇烈。行星的形成和演化有其自己獨特的規(guī)律。行星科學研究是人類在全面認識宇宙演化過程中不可缺少的環(huán)節(jié)，是天文學的重要分支學科。

行星科學與其他學科關系密切

從多方面看，地球是太陽系內一顆特殊的行星，與其在物質性態(tài)和結構方面類似的大行星還有水星、金星和火星，通常將它們一起稱為類地行星。研究其他類地行星，有助于人們從更寬的角度認識地球。例如，通過類地行星的比較研究，可以加深對地球大氣環(huán)流產生和維持機制的認識；反之，地球是人類觀測和研究最深入的類地行星，研究地球形成的科學理論和方法可以用于其他類地行星的研究。

行星形成和演化與其所處的空間環(huán)境密切相關，例如，行星際分子和塵埃含量會直接影響到行星形成問題，行星際磁場變化也會直接影響到行星內部磁場結構的反演結果；相反地，行星內部磁場變化將對行星磁層形態(tài)產生直接影響，行星磁層是地球科學和空間科學的重要內容。所以，行星科學與地球科學和空間科學關系密切，它們之間可以相互促進、共同發(fā)展。

行星科學推動天文空間測量技術進步

行星科學研究除了基于地球上的觀測設備，目前最有成效的觀測手段是空間探測器直接飛臨行星對其開展探測，由此可以獲得更全面、更直接和更可靠的數據資料，可以說行星科學的發(fā)展離不開天文空間測量技術的發(fā)展。天文空間測量技術包括衛(wèi)星發(fā)射技術、衛(wèi)星地面跟蹤技術、衛(wèi)星平臺和有效載荷技術，有效載荷是指科學探測儀器設備。人類對行星科學中未知問題的探求，對天文空間測量技術不斷提出新的要求，從而推動了天文空間測量技術的不斷進步。

水星，看上去類似月球

伽利略和牛頓開啟了行星科學研究的新時代

在光學望遠鏡發(fā)明使用之前，人類依靠目視觀測，僅知道了類地行星、月球以及木星和土星的存在，但對其表面形態(tài)的了解甚少。直到1609年，伽利略制作了天文望遠鏡，才真正開啟了天文學觀測新時代。利用自己制造的望遠鏡，伽利略觀測到月球表面的坑洞，并根據其邊緣影子的長度測算了它們的高度；伽利略還發(fā)現了木星的四顆衛(wèi)星以及金星的相變化，即金星跟月亮一樣有相位的變化，會從新月變?yōu)橄以略俚綕M月?？梢哉f，伽利略通過望遠鏡技術，為行星科學觀測研究揭開了新篇章。

基于開普勒1618年從行星運動觀測資料總結出的行星運動三大定律，牛頓于1687年在他的論著《自然哲學的數學原理》中建立了萬有引力定律和牛頓力學三大定律，奠定了經典力學基礎，由此牛頓也建立了行星軌道和形狀理論。可以說，牛頓通過建立經典數學物理基本理論，開啟了行星科學理論研究的新紀元。

意大利天文學家伽利略，他制作的天文望遠鏡開辟了行星觀測的新時代

英國科學家牛頓，他創(chuàng)立的物理定律推動了行星科學的發(fā)展

十八和十九世紀行星科學迅猛發(fā)展

在望遠鏡發(fā)明之后的十八世紀和十九世紀，隨著望遠鏡技術的發(fā)展，太陽系其他行星也相繼被發(fā)現，如1781年3月13日，威廉·赫歇爾爵士宣布他發(fā)現了天王星，這也是第一顆使用望遠鏡發(fā)現的行星，從而在太陽系的現代史上首度擴展了已知的界限；意大利天文學家皮亞齊于1801年發(fā)現了谷神星，德國天文學家奧伯斯于1802年發(fā)現了智神星，使人們認識到，太陽系除了行星外還存在質量較小的小行星。

在古代，盡管人們可以通過目視知道彗星的存在，但由于缺乏科學知識，彗星往往被人們視為災星；直到1864年英國格林尼治天文臺第二任臺長愛德蒙·哈雷利用牛頓力學成功地預言了哈雷彗星的回歸日期，人們才得以知道彗星也是太陽系內的一類天體，只不過它的物質性態(tài)與行星不同，由此人們認識了彗星運動的周期性，這是新理論新方法在行星科學研究中首次應用的成功范例。而海王星是人類首先通過軌道攝動理論預言其存在，并在后來由觀測證實的第一顆太陽系行星。

意大利天文學家皮亞齊1801年發(fā)現了第一顆小行星谷神星，谷神星屬于矮行星類別

照相技術對行星科學有巨大推動

1882年照相技術進入天文學，給天文學的發(fā)展帶來巨大的推動，人們不僅可以較容易地確定天體的位置，而且隨著照相底片感光度的增強使人們得以觀測到比較暗的天體。照相技術的引入使得小行星被發(fā)現的數量增長巨大。特別是1990年CCD照相技術的引入和計算機圖像分析技術的建立，給太陽系小行星觀測帶來了極大的技術支持，到目前已發(fā)現的小行星數量已達70萬顆，但這可能僅是所有小行星中的一小部分，根據理論估計總數目應該可達數百萬顆。

二十世紀五六十年代的月球探測

1957年，蘇聯發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，為人類從地面天文觀測進入空間天文觀測提供了基礎，預示著深空探測時代的到來。與行星科學相關的深空探測計劃開始于20世紀50年代末，重點是距離地球最近的月球。蘇聯相繼實施了“月球號”、“宇宙號”和“探測器號”月球系列探測計劃。美國相繼實施了“先驅者號”、“徘徊者號”以及“勘測者號”等系列月球探測計劃。盡管由于技術問題，大多數探測計劃并沒有完全實現預定探測目標，但還是使人們獲得了一些有關月球表面物理和重力場等方面的首批寶貴探測數據資料。早期深空探測計劃的典型代表是美國的阿波羅月球探測工程，它是美國宇航局（NASA）從1961年到1972年實施的系列載人航天飛行計劃，主要目標是用十年左右的時間實現載人登月并安全返回。1969年“阿波羅-11號”宇宙飛船圓滿達到了這個目標。阿波羅計劃詳細地揭示了月球表面特性、物質化學成分和光學特性，并探測了月球重力、磁場、月震等?？梢哉f，上述月球系列空間探測計劃開啟了人類后續(xù)深空探測計劃的大門。

美國宇航局的“旅行者1號”探測器（Voyager-1）

二十世紀后期和二十一世紀初期的行星空間探測項目

到目前為止，人類先后相繼發(fā)射了250多個空間探測器，分別對月球、大行星及其衛(wèi)星、小行星和彗星進行探測，獲得了眾多科學新發(fā)現。在已進行的深空探測計劃中，大多數目標為月球、火星和金星，約占所有深空探測計劃的80%，其中典型代表是：“火星環(huán)球勘測者號”（Mars Global Surveyor，NASA，1996），“火星探路者號”（Mars Pathfinder，NASA，1996），“火星快車號”（Mars Express，ESA，2003），“伽利略號”（Galileo，NASA，1989），“旅行者1號”（Voyager-1，NASA，1997），“卡西尼-惠更斯號”（Cassini-Huygens，NASA & ESA,1997)。

需要提及的是，美國哈勃空間望遠鏡在行星科學的研究中也發(fā)揮了重要作用，它長時間高精度對太陽系內行星的光學觀測，使得人們得以研究行星的某些物理特征的時變性。

行星科學和深空探測的重大意義

阿波羅10號月球倉

人類社會發(fā)展的需求主要有兩個方面：一是人類對宇宙形成和演化規(guī)律渴求深入了解的精神需求；另一個是人類生存發(fā)展的經濟、物質和安全需求。行星是宇宙演化的重要環(huán)節(jié)，對它的研究不僅涉及太陽系的形成和演化，而且可以推動數學、物理學、地球科學和空間科學等學科的進步，它是人類探知未知世界的一個重要窗口。人類社會發(fā)展到今天，一些高技術是從空間探測計劃發(fā)展起來的，如火箭技術、衛(wèi)星技術、測量技術、通信技術和高精度成像技術等，這些技術的發(fā)展極大地帶動了相關經濟產業(yè)的發(fā)展，產生了巨大的經濟效益；同時，人類社會在不遠的將來一定會面臨資源嚴重短缺的問題，特別是能源和礦物，而行星可能是人類獲取這些短缺資源的可行來源。因此，人類需要對行星有深入、全面和科學的了解。太陽系小天體撞擊行星事件無論在其他行星上還是在地球上均有發(fā)生，人類為了自身的安全，需要對行星撞擊事件加以研究，提出減少災害的辦法。

行星科學的研究方法

行星科學的特點是觀測、理論和實驗三者相結合，它們相互依賴和相互促進，但基礎是觀測。基于對行星直接或間接測量數據資料的分析處理，人們可以獲得有關物理參數、元素組成和地形地貌等科學性質；基于這些性質，人們通過數學、物理和化學理論方法可以研究其形成和演化規(guī)律；也可以通過實驗的方法研究其物質性態(tài)和含量。需要指出的是，隨著計算機技術的發(fā)展和目前行星科學關注的熱點問題，行星計算機模擬研究越來越成為一個重要的研究手段，對某些行星科學問題，計算機模型可以說是主要研究手段，如行星動力學演化問題。

行星科學研究往往采用比較研究的方法，為此形成了“比較行星學”研究方向，特別是系外行星的不斷發(fā)現，為比較行星學研究提供了更大的研究樣本。截至2014年8月8日，人們已經發(fā)現了1814顆系外行星，其中包括466個多行星系統(tǒng)。人們可以通過不同行星的比較研究，更全面了解它們的形成和演化過程。

(“本文主要內容參考了《中國學科發(fā)展戰(zhàn)略——天文學》一書中的第四章‘行星科學與深空探測’，該章作者廖新浩研究員給了若干建議，對此表示感謝?！?

（責任編輯 張長喜）