行星为何如此特殊？

发布时间：04年10月29日

斯图尔特·R·泰勒编译崔辰州苏丽颖

观点：行星科学研究需要地质学家的演绎推论技能和天体物理学家的数学方法相结合——

土卫十的照片为行星形成研究提供线索

行星是一些善变的个体，形成于许多随机的过程。在我们的太阳系有8颗行星，它们在质：量、密度、组成旋转速度以及轨道倾角等方面均各不相同。它们唯一的共同特征是近似圆形的运行轨道和相对于日地平面，即黄道的低倾度。这些特征使得皮埃尔 · 西蒙 · 拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）在1796年得出结论，认为这些行星都起源于一个旋转的盘状物，即太阳星云。我们的太阳系还包括120多颗卫星和大量的小星体。大多数的星体在其组成或行为上都表现出一些非常个性的特征。这样看来，似乎在从原始星云的气体、冰块及岩石形成行星或卫星的过程中没有什么统一的规律。行星也可能从它们的初始位置漂移出来从而使星云最初存在的径向化学组成分布发生变化，变得越来越随机和没有规律。

100多颗太阳系外行星的发现使得行星的起源和演化问题越来越成为研究的热点。现在发现的太阳系外行星的数量虽然还很有限，但它们已经揭示出行星在质量和空间间隔方面有更大的变化范围。许多新发现的行星所运行的轨道有很高的椭率，这更增加了问题的复杂性。这看起来，我们可能最终会发现在环绕年轻恒星旋转的盘状物中只要是宇宙化学的化学元素丰度极限和物理、化学定律允许的条件范围内都可能诞生行星。

与行星不同，恒星在化学成分上相对而言比较一致，差异主要表现在质量上。恒星进化的基本规律已经被人们了解很久了，并可以通过赫罗图来加以描述。赫罗图通过将恒星的表面温度和光度联系起来，从本质上揭示了恒星内部发生的核反应过程。

相反，行星是一些几乎表现不出什么系统关联性的个体，很难给它们进行分类甚至定义。关于冥王星地位的争论就是一个极好的证明。我们现在把冥王星归到行星类别里，但它确是一个古怪的小家伙。如果把它看作是库伯带众多冰星体的王者倒很合适。迄今为止，在行星科学中还没有一个像赫罗图对于恒星科学那样的等价物。即使我们找到一个令人满意的对我们太阳系行星系统形成和演化的解释，也并不能确保这一解释在别的系统也适用。正如史蒂芬 · 布拉什（Stephen Brush）所评论，也许正是由于这个原因，太阳系的起源代表了科学上最古老的未解难题之一。

人类探索地球的进程可以帮助我们理解目前行星研究所面临的困境。地质学是科学世界中的后来者。虽然早在1788年、现在被称为“地质学之父”的英国科学家詹姆斯 · 赫顿（James Hutton）就发表了他天才般的见解，但是直到150年后人们才理解板块构造学可以解释地球的表面体系结构。板块构造学具有这样的特点，它既形成了大陆，又形成了矿石沉积。矿石沉积对先进的文明，也就是我们人类很有用。在解释这些现象的过程中，发生了许多曲折的故事。但这一过程在太阳系的行星中仅适用于地球而且也只有当在随后的进程中加入百万分之几百的水之后才可能发生。由于形而上学地把在研究有水存在的地球陆地岩石取得的成功理论用于我们干巴巴的卫星，在研究月球演化的过程中就导致了许多问题的出现。即便是自然界有意创造两个相近的行星，也不过于地球和金星了。这两个孪生兄弟在质量、密度、大体成分和热生成元素（钾、铀、钍）的丰度上都很接近。但金星没有卫星，是个只有一个板块的行星。金星每隔大约10亿年就要利用其上的玄武岩进行一次全星球范围的壳层构造过程。

是什么导致了这两个孪生兄弟不同的地质构造历史呢？简单的说就是“水”，但更多的原因可能要追溯到早期行星吸积过程中撞击历史的不同。相似不等于等同，地球之相似于金星就像哲基尔医生与海德先生的相像。当我们在宇宙中寻找类地行星的时候，我们需要探寻造成这些差异的原因以及能够允许这些不同的个体形成的环境。

就像19世纪的地质科学那样，现在对行星的研究代表着科学探索的一个新领域。也许你可能凭直觉认为，岩石型的行星可以留给地质学家去研究，气体型的大行星让天文学家去研究，但是无论是哪个单独的小组都无法胜任这项工作。地质学家主要依赖于表面勘测，而行星的壳层与内部结构往往大相径庭。相反，天文学家则长期以来都在从事恒星内部演化的研究。没有哪个单一领域的专家小组可以胜任对丰富多样的行星系统的研究，也无法胜任对关于恒星、地球和多样性的太阳系行星及太阳系外行星的哲学问题的研究。

为了摆脱目前单从直觉出发的进退两难的局面和盲人摸象的局限性，我们需要一个联合的研究方案。在经典科学领域的边缘曾经产生了许多交叉科学，比如天体物理学、地球化学、生物化学和地球物理学。现在行星科学也需要新类型的交叉科学家。天文学家喜欢用算术方法像研究恒星一样来对待行星，地质学家则喜欢从对地球勘察的经验中来总结和推理；而我们需要的这种新型交叉科学家则需要具备介于天文学家和地质学家之间的独特的思维方式。