行星科学与深空探测（一）——行星科学的起源发展及重要性

□ 问 天

行星科学与深空探测（一）
——行星科学的起源发展及重要性

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欧空局的“火星快车号”探测器（Mars Express）

太阳系八颗行星的大小对比

行星科学是天文学的一个二级学科，研究对象为行星及其卫星、矮行星、小行星、彗星和流星等太阳系天体，研究它们的性质、构造、运动过程及起源和演化；搜寻系外行星系统并研究其特征；涉及行星物理学、行星化学、行星地质学和行星生物学等分支学科。

国际天文学联合会（IAU）专门为行星科学设立了行星系统科学部，2010年共有注册会员1167名。行星系统科学部涉及国际天文学联合会下属7个科学专业委员会和两个工作组。为应对近地天体对地球造成碰撞灾害，国际天文学联合会执行委员会还专门下设了“近地天体灾害咨询委员会”。

随着众多深空探测计划的相继实施和系外行星的不断发现，人们获得了更全面的测量数据资料。有关行星科学的新发现和新的研究成果日益增多，将行星科学的研究推进到一个新的发展时期。

木星的云带和大红斑

行星的形成和演化是宇宙天体形成和演化的重要类型之一

行星是在宇宙演化到一定的时间后形成的，它是天体形成的重要类型。与星系宇宙以及恒星不同，行星由于其质量相对较小，因此其演化也有其特殊的过程，比如，总体来讲没有像宇宙、星系和恒星那样，物质与性态变化那么剧烈。行星的形成和演化有其自己独特的规律。行星科学研究是人类在全面认识宇宙演化过程中不可缺少的环节，是天文学的重要分支学科。

行星科学与其他学科关系密切

从多方面看，地球是太阳系内一颗特殊的行星，与其在物质性态和结构方面类似的大行星还有水星、金星和火星，通常将它们一起称为类地行星。研究其他类地行星，有助于人们从更宽的角度认识地球。例如，通过类地行星的比较研究，可以加深对地球大气环流产生和维持机制的认识；反之，地球是人类观测和研究最深入的类地行星，研究地球形成的科学理论和方法可以用于其他类地行星的研究。

行星形成和演化与其所处的空间环境密切相关，例如，行星际分子和尘埃含量会直接影响到行星形成问题，行星际磁场变化也会直接影响到行星内部磁场结构的反演结果；相反地，行星内部磁场变化将对行星磁层形态产生直接影响，行星磁层是地球科学和空间科学的重要内容。所以，行星科学与地球科学和空间科学关系密切，它们之间可以相互促进、共同发展。

行星科学推动天文空间测量技术进步

行星科学研究除了基于地球上的观测设备，目前最有成效的观测手段是空间探测器直接飞临行星对其开展探测，由此可以获得更全面、更直接和更可靠的数据资料，可以说行星科学的发展离不开天文空间测量技术的发展。天文空间测量技术包括卫星发射技术、卫星地面跟踪技术、卫星平台和有效载荷技术，有效载荷是指科学探测仪器设备。人类对行星科学中未知问题的探求，对天文空间测量技术不断提出新的要求，从而推动了天文空间测量技术的不断进步。

水星，看上去类似月球

伽利略和牛顿开启了行星科学研究的新时代

在光学望远镜发明使用之前，人类依靠目视观测，仅知道了类地行星、月球以及木星和土星的存在，但对其表面形态的了解甚少。直到1609年，伽利略制作了天文望远镜，才真正开启了天文学观测新时代。利用自己制造的望远镜，伽利略观测到月球表面的坑洞，并根据其边缘影子的长度测算了它们的高度；伽利略还发现了木星的四颗卫星以及金星的相变化，即金星跟月亮一样有相位的变化，会从新月变为弦月再到满月。可以说，伽利略通过望远镜技术，为行星科学观测研究揭开了新篇章。

基于开普勒1618年从行星运动观测资料总结出的行星运动三大定律，牛顿于1687年在他的论著《自然哲学的数学原理》中建立了万有引力定律和牛顿力学三大定律，奠定了经典力学基础，由此牛顿也建立了行星轨道和形状理论。可以说，牛顿通过建立经典数学物理基本理论，开启了行星科学理论研究的新纪元。

意大利天文学家伽利略，他制作的天文望远镜开辟了行星观测的新时代

英国科学家牛顿，他创立的物理定律推动了行星科学的发展

十八和十九世纪行星科学迅猛发展

在望远镜发明之后的十八世纪和十九世纪，随着望远镜技术的发展，太阳系其他行星也相继被发现，如1781年3月13日，威廉·赫歇尔爵士宣布他发现了天王星，这也是第一颗使用望远镜发现的行星，从而在太阳系的现代史上首度扩展了已知的界限；意大利天文学家皮亚齐于1801年发现了谷神星，德国天文学家奥伯斯于1802年发现了智神星，使人们认识到，太阳系除了行星外还存在质量较小的小行星。

在古代，尽管人们可以通过目视知道彗星的存在，但由于缺乏科学知识，彗星往往被人们视为灾星；直到1864年英国格林尼治天文台第二任台长爱德蒙·哈雷利用牛顿力学成功地预言了哈雷彗星的回归日期，人们才得以知道彗星也是太阳系内的一类天体，只不过它的物质性态与行星不同，由此人们认识了彗星运动的周期性，这是新理论新方法在行星科学研究中首次应用的成功范例。而海王星是人类首先通过轨道摄动理论预言其存在，并在后来由观测证实的第一颗太阳系行星。

意大利天文学家皮亚齐1801年发现了第一颗小行星谷神星，谷神星属于矮行星类别

照相技术对行星科学有巨大推动

1882年照相技术进入天文学，给天文学的发展带来巨大的推动，人们不仅可以较容易地确定天体的位置，而且随着照相底片感光度的增强使人们得以观测到比较暗的天体。照相技术的引入使得小行星被发现的数量增长巨大。特别是1990年CCD照相技术的引入和计算机图像分析技术的建立，给太阳系小行星观测带来了极大的技术支持，到目前已发现的小行星数量已达70万颗，但这可能仅是所有小行星中的一小部分，根据理论估计总数目应该可达数百万颗。

二十世纪五六十年代的月球探测

1957年，苏联发射了第一颗人造地球卫星，为人类从地面天文观测进入空间天文观测提供了基础，预示着深空探测时代的到来。与行星科学相关的深空探测计划开始于20世纪50年代末，重点是距离地球最近的月球。苏联相继实施了“月球号”、“宇宙号”和“探测器号”月球系列探测计划。美国相继实施了“先驱者号”、“徘徊者号”以及“勘测者号”等系列月球探测计划。尽管由于技术问题，大多数探测计划并没有完全实现预定探测目标，但还是使人们获得了一些有关月球表面物理和重力场等方面的首批宝贵探测数据资料。早期深空探测计划的典型代表是美国的阿波罗月球探测工程，它是美国宇航局（NASA）从1961年到1972年实施的系列载人航天飞行计划，主要目标是用十年左右的时间实现载人登月并安全返回。1969年“阿波罗-11号”宇宙飞船圆满达到了这个目标。阿波罗计划详细地揭示了月球表面特性、物质化学成分和光学特性，并探测了月球重力、磁场、月震等。可以说，上述月球系列空间探测计划开启了人类后续深空探测计划的大门。

美国宇航局的“旅行者1号”探测器（Voyager-1）

二十世纪后期和二十一世纪初期的行星空间探测项目

到目前为止，人类先后相继发射了250多个空间探测器，分别对月球、大行星及其卫星、小行星和彗星进行探测，获得了众多科学新发现。在已进行的深空探测计划中，大多数目标为月球、火星和金星，约占所有深空探测计划的80%，其中典型代表是：“火星环球勘测者号”（Mars Global Surveyor，NASA，1996），“火星探路者号”（Mars Pathfinder，NASA，1996），“火星快车号”（Mars Express，ESA，2003），“伽利略号”（Galileo，NASA，1989），“旅行者1号”（Voyager-1，NASA，1997），“卡西尼-惠更斯号”（Cassini-Huygens，NASA & ESA,1997)。

需要提及的是，美国哈勃空间望远镜在行星科学的研究中也发挥了重要作用，它长时间高精度对太阳系内行星的光学观测，使得人们得以研究行星的某些物理特征的时变性。

行星科学和深空探测的重大意义

阿波罗10号月球仓

人类社会发展的需求主要有两个方面：一是人类对宇宙形成和演化规律渴求深入了解的精神需求；另一个是人类生存发展的经济、物质和安全需求。行星是宇宙演化的重要环节，对它的研究不仅涉及太阳系的形成和演化，而且可以推动数学、物理学、地球科学和空间科学等学科的进步，它是人类探知未知世界的一个重要窗口。人类社会发展到今天，一些高技术是从空间探测计划发展起来的，如火箭技术、卫星技术、测量技术、通信技术和高精度成像技术等，这些技术的发展极大地带动了相关经济产业的发展，产生了巨大的经济效益；同时，人类社会在不远的将来一定会面临资源严重短缺的问题，特别是能源和矿物，而行星可能是人类获取这些短缺资源的可行来源。因此，人类需要对行星有深入、全面和科学的了解。太阳系小天体撞击行星事件无论在其他行星上还是在地球上均有发生，人类为了自身的安全，需要对行星撞击事件加以研究，提出减少灾害的办法。

行星科学的研究方法

行星科学的特点是观测、理论和实验三者相结合，它们相互依赖和相互促进，但基础是观测。基于对行星直接或间接测量数据资料的分析处理，人们可以获得有关物理参数、元素组成和地形地貌等科学性质；基于这些性质，人们通过数学、物理和化学理论方法可以研究其形成和演化规律；也可以通过实验的方法研究其物质性态和含量。需要指出的是，随着计算机技术的发展和目前行星科学关注的热点问题，行星计算机模拟研究越来越成为一个重要的研究手段，对某些行星科学问题，计算机模型可以说是主要研究手段，如行星动力学演化问题。

行星科学研究往往采用比较研究的方法，为此形成了“比较行星学”研究方向，特别是系外行星的不断发现，为比较行星学研究提供了更大的研究样本。截至2014年8月8日，人们已经发现了1814颗系外行星，其中包括466个多行星系统。人们可以通过不同行星的比较研究，更全面了解它们的形成和演化过程。

(“本文主要内容参考了《中国学科发展战略——天文学》一书中的第四章‘行星科学与深空探测’，该章作者廖新浩研究员给了若干建议，对此表示感谢。”)

（责任编辑 张长喜）