木星，太阳系的长子（出发后第9天）
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木星，太阳系的长子
出发后第9天
很幸运，我们能拥有这个星球。
我知道，我曾见过另一个。
——[美]迈克尔·柯林斯[1]
[1]迈克尔·柯林斯，出生于罗马，美国宇航员。1966年参与美国登月计划。
出发9天后，我们便抵达了木星，其间，除了在月球附近稍做停留外，真是连一口气都没喘，足见“卡拉维尔号”推进系统的强劲。经过一段时间的持续加速，“卡拉维尔号”达到了相对论速度，系统关闭马达，停止了加速。随着飞船的减速，加上木星与它的卫星们之间的作用力，飞船被调转了方向。这时，一个巨大的氢氦球体逐渐进到了宇航员们的视野中，它看起来非常大，即使它与宇航员们之间仍有10万千米的距离——相当于地月距离的三分之一。需要穿越几条轨道才能靠近木星，距离虽然远，但以“卡拉维尔号”的速度，可以说转瞬即至。此时，飞船上的仪器正在收集着大气与地表的信息，地表在逐渐消失，边界越来越不清晰，并逐渐成了大气层流动的延伸。在木星上就不要妄图寻找到液态水了，但在欧罗巴（木卫二）的深处倒可以一试。木星有近80颗卫星，欧罗巴是其中之一。那么，欧罗巴深处的海洋里是否有生物存在的痕迹呢？哪怕是原始的、简单的生物？假如弄明白了这个问题，那对于地球之外是否有生命存在这一无聊的争论也将有个了结。这场争论起源于现代人的猜想，他们不愿相信自己是凭空存在的，也不愿相信生命是由“无生命”的宇宙物质自然演化而来的。
从这里看去，地球就像是宇宙圣诞树上的一枚小小的灯。这小小的一个点勉强能与同一背景中那些数不清的低光度恒星区分开来。我们离家仅0.5光时，那么在“卡拉维尔号”到达下一站之前，我们先来捋一捋，试着搞明白太阳系是如何诞生的吧！太阳系是由太阳及一系列按照牛顿力学定律绕着它转的行星组成的。
此前我们讲过，太阳是由先存的气态星云——准确地说是太阳星云演化形成的。太阳星云在引力的作用下开始收缩，引力同时作用于构成它的那些物质上，这个过程让越来越密集的物质开始自转，并在位于它们中心的原始太阳的周围形成一个吸积盘。吸积盘内聚集了恒星和微行星物质，以及由冰、尘埃甚至岩石等各类物质构成的微小物体，这些微小物体很大程度上是其他恒星死亡后所残留下来的。与太阳距离的远近产生了温度的差异，在太阳的周围，形成了岩石堆积，而各类气体和水则在吸积盘的外部和吸积盘温度较低的地方凝结成了冰。
在万有引力的影响下，岩石原行星不断吸附着微行星物质，体积不断增大，而最外侧行星的体积则能扩展得更大，因为与此同时，它们还承受着微行星气态、液态组成物的持续撞击。这一过程还产生了另一个结果：位于内侧的岩石行星，由于温度高且体积相对小，随着时间的推移，它们无法再捕捉气态物质；而位于外侧的行星，由于体积已经很大，且温度足够低，在它们的周围，很容易建立起大气层。此外，还有其他因素的参与，如火山活动，也能够帮助行星构建大气层，这是因为受重力影响，火山活动能够吸引有助于大气层形成的特定原子，至于为什么不是其他原子，这就跟原子自身的速度等条件有关了。
还有一部分微行星参与了制造卫星的过程。卫星形成有两种方式：一种是微行星通过生产次级吸积盘来形成卫星，木星和土星的卫星们就是如此诞生的；另一种是微行星通过与先存行星的撞击来形成卫星，地球的卫星——月球就是这样来的。正是因为这个原因，月球相对于地球来说，比其他卫星（例如木星的卫星们）较之它们的行星要大得多。微行星撞击持续了数十亿年且至今依旧活跃，撞击在行星的表面形成了无数的撞击点和陨石坑。这在那些不似地球一样拥有足够厚的大气层保护的行星身上尤为明显。其中一些行星，依据自身轨迹，又与构成太阳系的其他物质以不同的形式相互作用，随后，分别形成了火星和木星之间的小行星带和海王星轨道外侧的柯伊伯带。
在众多力量的共同作用下，我们现在的太阳系诞生了。虽然在我们生活的时间象限中，它显得十分稳定；但若将它置于数百万年或数十亿年的时间里去观察，它则非常活跃，甚至发生了相当大的变化。比如木星，受潮汐力、液态水流失以及内行星环境改变等因素的影响，它的轨道向太阳系的内侧发生了偏移。
除冥王星外，太阳系内所有的行星都在原始吸积盘定义的平面内，以椭圆形的轨迹围绕太阳旋转，这个平面被称为“黄道平面”。在地球上观察夜空时，可以看到行星们一个挨一个地大致排列在一条直线上，这条直线便是黄道平面的投影。
水星、金星、地球和火星这四个行星被称为内行星或岩石行星。水星离我们的恒星最近，距离约为1.5亿千米，是地日距离的三分之一，它有着一些独特且非常有趣的特征。首先是它的绕转运动。由于水星距离太阳非常近，要精确地描述其运行轨迹，就需要运用爱因斯坦广义相对论对经典牛顿力学所计算的结果进行细微的修正。广义相对论在狭义相对论的基础上引入了非惯性系和引力系统，因此，对宇宙中大尺度或大质量天体——比如对太阳附近的时空特征进行描述时，广义相对论的应用是具体和非常必要的。
根据牛顿力学原理，两个天体由于一种力而相互吸引，力的强度与它们质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比。理论上来说，万有引力能够作用到无限远。事实证明，即使是距离太阳最远、达数十亿千米的行星也会受到太阳的影响，固定在一个稳定的轨道上围绕着太阳运行。引力不仅作用于同一星系内的星星之间，也作用于星系与星系之间。它在宇宙力学中扮演着极其重要的角色：它的存在解释了绝大部分的天体运动，下至小天体，上至巨大的天体。
爱因斯坦的理论重写了引力的相互作用，并设法解答了一些更为细致的问题，这些问题是牛顿力学无法精确计算的，因而只能得出一个近似值，但从天文学的角度来说，已经十分令人满意了。事实上，在广义相对论中，引力是由时空弯曲造成的，而时空弯曲则是由天体的质量引起的。像水星这样的小行星之所以会被太阳吸引，是因为它落入了巨大质量的恒星所形成的时空洞之中；这有点像将一个重物放在展开的床单上，落入凹陷中的第二个物体则会围绕这个重物旋转，就像行星围绕着太阳转一样。此外，正如“卡拉维尔号”的宇航员们所熟知的那样，爱因斯坦的理论推测了机械加速度和引力场是相等的，因为二者所产生的效果是一样的。因此，我们在地球上感受到的力（即地球引力场）与在非惯性系统中（即加速运动中）所感受到的力是完全等同的。
在宇宙中，大质量物体的存在导致了时空的弯曲，而这种时空结构的改变才产生了引力。对引力的这一解释便意味着：即使是光子这样没有什么质量的粒子也会受到引力的影响。它们如同所有在弯曲时空中运动的粒子一样，不再沿着直线运动，而是进行曲线运动，就像水星或是任意一个绕着太阳运动的行星那样。1919年5月29日，亚瑟·爱丁顿在日全食期间进行的一项著名的实验证实了这一令人难以置信的运动轨迹。当时，太阳巨大的质量引发了时空弯曲，在实验中可以观察到，在时空弯曲的影响下，有些星体偏离了它们实际的位置。除此以外，其实我们每天都在验证着广义相对论的有效性，如果我们使用的GPS导航仪不对地球质量引起的时空变化进行校正的话，那卫星的指示将变得非常不可靠……
水星另一个有意思的特征是它的自转时间（约58.6个地球日）与其公转时间（约87.9个地球日）的比率恰好是2:3，这是由于太阳与水星之间存在非常强大的潮汐力。
从水星望向天空，太阳显得很有侵略性。由于水星没有真正的大气层，因此，在极黑的背景下，太阳显得更大、更亮。它的体积看上去是那个从地球上看到的太阳的2.5倍，亮度也达到6倍。太阳与水星的距离很近，这在很大程度上决定了水星的气候条件：正对太阳的区域，温度可达500摄氏度。由于没有足够厚的大气层，当它背离太阳时，温度会骤降至零下200摄氏度左右，并进入漫长的黑夜。水星的大气层十分稀薄，仅仅由极少量的被它磁场捕获的太阳风暴粒子以及从它的类似月壤的石质土壤中游离出来的原子构成。
从体积、质量和与太阳的距离这几个角度来说，金星可称得上是地球的姊妹行星。但除此以外，二者的差异远大于相似之处。从地球北极上方的某一点，可以清楚地观测到天体的旋转方式，太阳、地球，还有几乎所有的行星和它们的卫星都以逆时针的方式绕着各自的轴旋转，但金星却是顺时针旋转，而且非常慢，完成一次自转需要243个地球日。这是金星和地球之间第一个显著的不同。行星们之所以逆时针旋转，是因为在最初的时候，太阳星云收缩形成的吸积盘是以逆时针的方式旋转的。那为什么金星是个例外呢？这可以从两个方面来解释：第一，太阳与其他行星的伴随运动对金星产生了一定的引力干扰；第二，在金星形成大气层的数百万年间，潮汐力始终持续地作用于它。
地球拥有美丽的、富含氧气的大气层和广阔的液态水海洋，非常适合生命的诞生和绵延。而金星，作为一个距离我们很近又与我们很相似的星球，它的大气层却对生命十分不友好。这可能是二者众多的差异中最重要的一个。金星的大气层十分厚实，表面压力为90个大气压，由二氧化碳和约3%的氮气组成。空中充斥着有毒的硫酸云，平均地表温度接近500摄氏度。金星大气层的密度如此之高，以至于在这颗令人惶惶不安的橙色星球上，白天见不到太阳，夜晚看不到星星。
关于行星的大气成分，可以合理地假设，有一部分来自它们自身的火山活动，还有一部分则来自小行星、陨石、彗星所带来的气体和元素。金星和地球两个姊妹行星的大气层形成大抵也经历了类似的过程，尽管二者大气层的成分构成是截然相反的。如今的观测发现，金星的大气层只有微量的水，大部分都是二氧化碳，而地球上则是完全相反的状况。不过，在遥远的过去，情况可不一定就是这样的，甚至，金星上有丰富的水系和海洋也未可知。但与地球相比，它距离太阳更近，火山活动也不一样，因而产生了破坏性的温室效应，构成水的氢和氧被消耗殆尽，气温和二氧化碳量也逐渐攀升。而年轻的地球仍然被海洋所包围，这样的环境在如今已极为罕见，是数百万分之一的存在。
美丽如故的地球是目前我们最了解的行星：它是太阳系中唯一一个拥有大量液态水并且大气中还含有丰富氧气（约占21%）的地方。四十多亿年来，这些自然条件让由碳元素构成的生命形式得以发展、选择和进化，这其中就包括智人，他们甚至被赋予了智慧、好奇和良知。也正是因为他们与其他生物不同，智人从本质上改变了地球的生境。现在，我们正处于“全球变暖”的危机状况下，它会打破气候、地质、生物之间的微妙平衡，因而它对地球的整个宏观系统具有潜在的破坏性的影响。在过去的100年里，大气中的二氧化碳百分比增加了一倍。但重点是，人类在地球上以指数级的速度繁衍生息，又给气候和生境带来了悲剧性的改变，如果只是一味索取没有付出的话，还能持续多久呢？
火星则另当别论。火星也属于岩石行星，它比地球和金星都小，直径只有地球的一半，质量是地球的十分之一。它的表面含有大量的铁锈，因而呈现出红色。人们幻想着火星上居住着小绿人，而火星人后来也成了外星人的代名词。1877年，意大利天文学家乔范尼·夏帕雷利（Giovanni Schiaparelli）观测到火星上存在“水道”，这让人们更加坚信火星上有人类生活，遗憾的是，我们并没有证据支持这一说法。
早在20世纪下半叶，人们便开始通过探测器对火星进行系统性的探索，我们也因此了解到了它的许多物理特性和地质特征。火星的极地基本由干冰组成，即固态的二氧化碳，可能还含有少量的冰冻水，范围随着季节而变化。火星的大气层非常稀薄，这与地球和金星正好相反，它的化学成分与金星类似（95%为二氧化碳），因此，火星白天的天空是呈微黄色的。此外，火星白天的温度在零下150摄氏度至零上20摄氏度之间，这样适宜的温度也让人类产生了在火星上建立永久居住地这样的设想。其实，在“卡拉维尔号”出发前，人类已多次登陆火星，希望在那里建造一个可长期居住的基地，类似于火星空间站，用于接纳火星登陆者，并希冀它逐渐扩展成为科学探索和人类移民火星的前哨。不过这一次，“卡拉维尔号”不会在火星上停留，因为我们有更雄心的计划……
火星是一颗尘土飞扬的、满目荒芜的星球，到处都是大峡谷和巨大的火山。它在猛烈的沙尘暴下显得摇摇欲坠，不过，这里有非常明显的海洋和雨水存在过的痕迹，这表明它曾经拥有丰富的水资源。因为有大量的二氧化碳的存在，远古时代的火星也同样发生过温室效应。但很快，二氧化碳就被水困住，继而渗入土壤、岩石，温室效应消失，火星也逐渐变成了如今干旱的沙漠化的模样。现在，火星的大气压还不到地球大气压的1%，这阻断了其地表存在液态水的可能；因为在这种情况下，水在低温中也会“沸腾”，变成水蒸气，而后消失在太空中。福波斯和戴摩斯这两颗小行星被火星的引力所捕获，成了这颗红色星球的两个小卫星：火卫一和火卫二。
在火星轨道以外，距离太阳约3亿—6亿千米的地方，有一个圆形的小行星带，其内约有一千万个小行星、微型行星、岩石块等小天体，它们中最大的是谷神星，直径有1 000千米，而其他绝大多数的天体都极其微小。行星带上小天体的总质量还不到地球质量的千分之一，它们彼此间的距离又非常之远，所以这一行星带占据了十分庞大的空间。历史上，几乎所有撞击过地球和月球的陨石都极有可能来自小行星带内的天体碰撞，未来也是一样。
小行星带以外是外太阳系，而外太阳系距离太阳和巨行星的王国十分遥远。巨行星的质量占据了太阳系所有行星质量的99%以上。木星是巨行星王国中的老大，它距离太阳约8亿千米。尽管它本质上是一颗气态行星，但它的半径是地球的11倍，质量达地球的300多倍。木星有大约80颗卫星，其中一些甚至还具有行星的地位。木星的成分与恒星类似，假如它能再大上100倍，它就能燃烧并发出自己的光了。
分布在木星致密的金属内核周围的主要是液态氢和极少量的液态氦。由于与太阳的距离极其遥远，木星上十分的寒冷。木星的大气成分与它的内部成分类似：89%的氢气、10%的氦气，还有微量的甲烷及其他气体。科学家们推测，木星上出现的一种非常壮观的大气现象恰恰与甲烷有关。当木星上刮起剧烈的风暴，天空也变成深蓝色的时候，闪电从甲烷中分离出一种碳尘，碳尘颗粒不断坠落，变得越来越大，转化为石墨，而后又转化为非常纯的碳结晶，也就是钻石。碳结晶与大气层最底部接触后，在巨大的压力作用下，从固态转变为液态，于是木星上便下起了梦幻的宝石雨，这是一种难以想象的奇观。但即便没有壮观的宝石雨，对“卡拉维尔号”的宇航员们来说，木星也已经足够美丽，它表面的彩色条纹让他们深深地陶醉。
土星内部和大气的构成与木星非常相似。虽然在希腊神话中，木星是它的儿子，但它的体积却要远远小于木星。令人震惊的是它与太阳的距离：约为15亿千米，1.3光时。土星周围环绕着一圈又一圈十分漂亮的环，这是它最显著的特征。土星环形成时间较晚，由数十亿个天体碎片构成，这些碎片的主要成分是冰冻水和岩石。碎片有大有小，小到一颗沙粒那么小，大到地球上的一座山那么大。环，是体积较大的外行星的共同特征，天王星和海王星也都有环，只是不太明显。天王星、海王星与木星、土星这两颗气态巨行星的不同之处在于它们的构成，它们内部成分主要为岩石以及各种元素的冰状物如冰冻水，它们的大气层主要由氢气和氦气组成，同时，也含有大量的气态甲烷。天王星和海王星距离太阳更加遥远，分别为28亿千米和45亿千米。
在寻找外星生命的探索中，人们发现，庞大的外行星拥有很多的卫星，其中有些卫星的体积还相当大，比如土星的卫星泰坦星（土卫六），它比月球大得多，包裹着厚厚的、以氮气为主要成分的大气层。除了体积巨大以外，木卫六还有一个特别之处，那就是在它的星球上，不仅发现有外来物的存在，还有大片的液态甲烷湖，像极了美丽的陆地湖泊。还有的外行星的卫星内部可能存在着大量液态水，比如之前提到的欧罗巴（木卫二）。欧罗巴是伽利略发现的四颗木星卫星中最小的那颗，仅仅比月球小一点。它是一颗相对年轻的星球，因此表面光滑且没有陨石坑。木卫二由非常坚硬的冰冻层构成，平均温度低于零下150摄氏度。人们认为，在冰冻层下有一个巨大的液态水海洋，深度超过100千米，也许能够容纳各种动植物生命，而一层极轻的氧气层的存在则证实了这一希望。
冥王星丰富了太阳系行星的名单，但它与木星、土星、天王星、海王星这四个巨行星有着明显的区别。它围绕太阳转的轨道非常奇怪，是偏心的，轨道距离太阳从44亿千米到74亿千米不等，最近的距离甚至比太阳到海王星的距离还要短。冥王星轨道周期达248个地球年，且其轨道相对于黄道平面有约17度的明显的倾斜。冥王星通过引力锁定其卫星卡戎的同时，也被卡戎的引力完全锁定，这就意味着二者有着相同的地位，而不是像月球那样完全绕着地球旋转。这就导致了这样一个结果：只能从冥王星的一侧看到卡戎，从另一侧则无法看到。那么，生活在背离卡戎的那个半球的冥王星人想要一睹卡戎美丽的容颜，就必须组织一次长途旅行了。
不过，冥王星的特别之处还不止于此呢！比起它那些大高个的兄弟，这颗小行星像个小矮人，而且它与海王星的卫星崔顿（海卫一）极其相似，所以很有可能也是被海王星的引力所捕获来的。因此，它的行星地位也遭到了质疑。冥王星的冰冻表面主要由固态氮和如梦似幻的冰山构成。“新视野号”探测器于2015年拍摄的照片显示，冥王星表面是五彩斑斓的，这表明冥王星上可能存在被称为生命基石的有机大分子物质。
最后，让我们来比较一下行星们在整个太阳系中的大小关系。虽然已经说过很多次，但我还想再强调一遍，宇宙空间本质上是空的，天体之间的距离遥不可测。假设在银河系地图上，地球的大小是1平方毫米，那么对应的，木星的大小为1平方厘米。若保守地将冥王星的轨道作为太阳系的边界，则太阳系的表面积在这张地图上为1平方千米。这张地图显然比科普图片更为真实，因为在科普图片中，行星并没有按比例来表现，只是非常艺术地排列在了一起……倘若以银河系为参考，大小的悬殊则更加让人印象深刻，太阳系将从前面提到的1平方千米缩小至一粒弹球那么大，而银河系的覆盖面积则相当于美国面积的大小，下一个具有差不多面积的星系则会出现在距离银河系三分之一或四分之一地月距离的地方。这对于人类中心说的理念，以及如今人类可以在浩瀚的宇宙中享有特殊角色这样的想法来说，的确是一个致命的打击。“卡拉维尔号”的宇航员们深知这一点，这也让他们在太空探险中满怀着谦卑，在面对大自然的威严时心存敬畏。只不过，探险的意义又让他们忍不住充满了自豪感，毕竟，人类有能力去感受宇宙那让人无力的美，甚至可以贸贸然地去挑战它。
现在，我们结束了木星之旅，“卡拉维尔号”重新点燃引擎，加速飞行，下一站会历时更久一些。