《宇宙的奥秘：行星系统》课件

宇宙的奥秘行星系统欢迎来到这场关于行星系统的奇妙旅程在接下来的课程中，我们将一起探索宇宙的奥秘，从我们的太阳系开始，延伸到遥远的系外行星系统我们将了解行星如何形成，它们的特性和多样性，以及最新的探测技术和发现让我们一起揭开这些天体的面纱，探索可能存在的其他生命世界，感受宇宙的壮观与神秘什么是行星系统？行星系统定义组成成分行星系统是由天体围绕恒星公转一个典型的行星系统包括行星、形成的系统，这些天体包括行卫星、小行星、彗星等天体它星、矮行星、卫星以及小行星等们共同围绕中央恒星运行，形成小天体行星系统通常在恒星形一个动态平衡的系统这些天体成过程中，由周围的气体和尘埃的大小、成分和轨道各不相同，盘演化而来共同构成了丰富多彩的宇宙景观首例发现科学家在1992年首次确认了太阳系外的行星系统，围绕脉冲星PSRB1257+12发现了行星这一发现标志着人类对宇宙认知的重大突破，证实了行星系统在宇宙中普遍存在宇宙与星系分布亿万亿9302光年星系可观测宇宙的直径约为930亿光年，这是科学家估计宇宙中存在约2万亿个星系，当前天文观测技术能够触及的范围这个每个星系都包含数千亿颗恒星这意味着尺度令人难以想象，即使光速传播也需要宇宙中可能存在难以计数的行星系统数十亿年才能从一端到达另一端亿1000恒星仅我们所在的银河系就拥有约1000亿颗恒星，这些恒星中有相当一部分可能拥有自己的行星系统，为生命提供潜在的栖息地恒星与行星的起源分子云宇宙中的氢气和尘埃形成巨大的分子云，这些云团是恒星和行星系统的摇篮在分子云内部，气体和尘埃密度较高的区域开始在自身引力作用下慢慢收缩星云塌缩当分子云的密度区域受到超新星爆炸或恒星风等外力触发，开始加速塌缩随着物质向中心聚集，温度和压力不断升高，最终在核心区域形成原恒星恒星诞生当核心温度达到数百万度时，氢核聚变开始，恒星正式诞生同时，由于角动量守恒，围绕新生恒星形成扁平的旋转盘，这就是行星盘行星形成在行星盘中，尘埃颗粒相互碰撞并粘合，逐渐形成较大的聚集体这些聚集体继续吸积周围物质，最终形成行星、小行星和彗星等天体太阳系的成分行星矮行星太阳系拥有8颗主要行星，从内到外依太阳系中目前已认定的5颗矮行星包次是水星、金星、地球、火星、木括冥王星、谷神星、妊神星、鸟神星星、土星、天王星和海王星它们按照和厄里斯这些天体虽然环绕太阳运距离太阳远近和物理特性可分为内行星行，但未能清空其轨道周围的小天体和外行星两大类小天体卫星太阳系中还存在数百万计的小天体，包太阳系拥有超过210颗已确认的天然卫括小行星、彗星和柯伊伯带天体等这星，它们围绕行星或矮行星运行从地些天体为研究太阳系的形成和演化提供球的月球到木星和土星的几十颗卫星，了重要线索这些天体大小和组成各异太阳恒星的典型代表——核心区域温度达1500万°C，进行核聚变辐射层能量以辐射形式向外传递对流层能量通过物质移动传递光球层太阳可见表面，温度约5500°C日冕延伸数百万公里的外层大气太阳是一颗中等质量的主序星，半径约

69.5万公里，质量为地球的33万倍作为一颗G型主序星，太阳已经存在约46亿年，预计还将继续稳定燃烧约50亿年它是我们太阳系的核心，提供了使地球上生命繁荣所需的光和热水星最靠近太阳的行星极端温差奇特的公转与自转作为最靠近太阳的行星，水星水星绕太阳一周需要88个地球表面温度变化极为剧烈白天日，而自转一周需要约59个地温度可高达430°C，夜间则降球日这种特殊的3:2轨道共至-180°C这种温差主要是由振意味着水星每自转三次，就于水星几乎没有大气层来调节会绕太阳公转两次，导致其温度，以及其缓慢的自转速度一天相当于地球的176天导致的满布陨石坑的表面水星表面布满了大大小小的陨石坑，与月球表面相似由于缺乏大气层和地质活动，这些撞击痕迹能够保存数十亿年而不被侵蚀水星上最大的陨石坑直径超过1500公里金星地球的姐妹星相似的体积与质量金星直径为12,104公里，约为地球的95%致命的大气环境96%二氧化碳大气，压力是地球的93倍极端温室效应表面平均温度高达470°C，足以熔化铅活跃的火山活动表面有数千座火山和广阔的熔岩平原金星在大小和质量上与地球非常相似，曾被认为是地球的姐妹星然而，其环境条件却截然不同金星表面的极端高温和高压环境使其成为太阳系中最不宜居的行星之一这种情况主要由其浓厚的二氧化碳大气层导致的强烈温室效应造成地球生命的摇篮水资源丰富氧气丰富大气磁场保护地球表面71%被水覆地球大气中含有21%地球强大的磁场为生盖，液态水是已知生的氧气，这是由早期命提供了天然屏障，命存在的必要条件光合生物长期活动产抵御太阳风和宇宙射大量的海洋提供了独生的这种富氧环境线这种保护使地球特的生态环境，并对支持了更复杂生命形表面的辐射水平保持地球气候起着关键的式的发展，并形成了在生命可以忍受的范调节作用保护生命免受紫外线围内伤害的臭氧层生物多样性地球上存在着数百万种生物，从微小的细菌到复杂的动植物这种丰富的生物多样性形成了相互依存的生态系统网络，维持着地球生态的平衡月球地球的卫士形成与特性月球对地球的影响月球是地球唯一的自然卫星，直径约3,474公里，质量为地球的月球对地球的影响远超我们的想象其引力产生的潮汐作用不仅1/81科学家普遍认为月球形成于约45亿年前地球与一颗火星影响海洋，还稳定了地球自转轴的倾角，使地球气候长期保持相大小天体的碰撞这次碰撞将大量物质抛入太空，最终聚集形成对稳定，为生命演化提供了有利条件了月球如果没有月球，地球自转轴可能会像火星一样剧烈摆动，导致极月球表面满布陨石坑，由于缺乏大气和地质活动，这些撞击痕迹端气候变化此外，月球的引力还减缓了地球自转速度，使一天保存完好月球表面由亮色的高地和深色的月海（实际上是古的长度从数小时逐渐延长至现在的24小时代熔岩平原）组成火星人类的下一个家园？古代潮湿环境科学证据表明，火星在数十亿年前曾拥有广泛的河流、湖泊甚至可能有浅海这些水体留下的痕迹如河道、三角洲和沉积岩在今天仍清晰可见现今水冰发现虽然火星表面如今干燥寒冷，但科学家已在火星两极发现了大量水冰更重要的是，地下雷达探测显示，火星地表下可能隐藏着液态水层探测任务突破2021年，NASA的毅力号火星车成功登陆火星该探测器配备了先进的科学仪器，能够搜寻古代生命迹象，并为未来的载人任务收集关键数据人类移民展望多国航天机构和私营企业已制定了火星载人探测和长期基地的规划这些计划旨在将火星发展成人类的第二家园，开创人类历史新篇章小行星带木星太阳系巨无霸大气风暴系统内部结构微弱环系木星大气层以其壮观的彩色条带和旋涡而木星内部结构分为气态外层和可能的岩石虽然不如土星环系显眼，木星也拥有一个闻名最著名的是存在已有数百年的大红核心科学家认为木星核心可能有地球大细微的环系统，主要由尘埃颗粒组成这斑，这是一个面积相当于两个地球大小的小，但质量可达15-20个地球围绕核心些环是木星捕获的小天体被潮汐力撕裂，巨型风暴木星不同纬度的气流以不同速的是主要由液态金属氢组成的巨大层，这或由木星卫星表面微陨石撞击产生的碎片度移动，形成了清晰可见的条带结构一层产生了木星强大的磁场形成的木星的卫星家族木卫一（艾奥）木卫一是太阳系中火山活动最活跃的天体，表面遍布超过400座活火山这些火山持续喷发的硫和二氧化硫创造了其黄橙色的外观木卫一的火山活动是由木星强大引力引起的潮汐加热所驱动的木卫二（欧罗巴）木卫二拥有平滑的冰质表面，下方可能隐藏着深达100公里的液态水海洋这使它成为太阳系中最有可能存在地外生命的位置之一其表面裂缝复杂的网络是由潮汐力产生的冰层活动所致木卫三（盖尼米德）木卫三是太阳系中最大的卫星，甚至比行星水星还大它是唯一拥有自己磁场的卫星，内部可能也有液态水海洋木卫三表面同时存在古老的陨石坑区域和较年轻的沟壑地形木卫四（卡利斯托）木卫四表面拥有太阳系中最古老的景观，遍布陨石坑它可能拥有地下海洋，但与其他伽利略卫星不同，其海洋可能与岩石核心隔离木卫四的表面没有显示出明显的地质活动迹象土星光环的壮丽土星因其壮观的环系统而闻名于世，这些环宽达

28.2万公里，却薄如纸，厚度大多不超过10米虽然从远处看环似乎是连续的，但实际上它们由无数冰颗粒和尘埃组成，大小从微米到数米不等土星环主要分为A、B、C环等几个主要环区，它们之间由卡西尼空隙等分隔这些环的形成可能是由于土星引力撕裂了一颗接近的卫星，或是捕获的彗星碎片土星拥有82颗已确认的卫星，在太阳系行星中数量最多土卫六泰坦类地行星候选浓厚的大气层泰坦拥有太阳系中除金星外第二浓密的大气层，主要由氮气（约95%）和甲烷（约5%）组成这层橙褐色的大气层比地球大气层压力还大，可以有效保护表面免受宇宙辐射甲烷循环泰坦上存在类似地球水循环的甲烷循环甲烷在极低温下以液态形式存在，形成湖泊和海洋，也会蒸发形成云并降雨，甚至形成河流和三角洲等地貌丰富的地表特征泰坦表面有沙丘、山脉、河谷和湖泊等多样地貌，与地球非常相似它的地表温度约为-179°C，使得水冰在这里硬如岩石，而碳氢化合物能以液态存在生命潜力泰坦丰富的有机化合物和液态甲烷环境使其成为研究可能存在的非水基生命的理想场所科学家计划在未来任务中探索泰坦是否存在某种形式的生命天王星自转轴倾角独特侧卧的行星蓝绿色大气卫星与环系天王星最显著的特点是其自转轴倾角约为天王星呈现出迷人的蓝绿色，这是由其大天王星拥有27颗已知卫星，最大的五颗是98度，几乎与其轨道平面平行这意味着气中的甲烷气体吸收红光而反射蓝绿光造米兰达、阿丽尔、乌布兰达、泰坦尼亚和天王星侧卧着公转，导致极端的季节变成的在高分辨率观测下，天王星大气显奥柏伦它还拥有13个暗淡的环，主要由化这种独特倾角可能是由于早期与地球示出淡淡的云带结构，偶尔还能观察到大暗色粒子组成，与土星亮丽的冰环形成鲜大小天体的碰撞造成的型风暴明对比海王星太阳系边疆极端风速海王星是太阳系风速最高的行星，其大气层中的风速可达2,100公里/小时，超过音速这些剧烈的风暴创造了如大黑斑等壮观的气象现象，这些暗色风暴可以持续数年甚至数十年神秘的内部海王星内部可能包含一个岩石核心，被厚厚的水、氨和甲烷混合物所包围在高温高压下，这些物质可能形成了一种被称为液态钻石海洋的奇特层，其中碳原子可能析出形成钻石结晶特立独行的卫星海王星最大的卫星是海卫一（特里同），它以逆行方式绕海王星运行，表明它可能是被海王星引力捕获的柯伊伯带天体特里同表面温度约为-235°C，是太阳系中最冷的已知天体之一，但它仍然显示出地质活动的迹象数学预测的发现海王星是人类历史上首个通过数学计算而非直接观测发现的行星法国数学家勒维耶根据天王星轨道异常，计算预测了海王星的位置，随后德国天文学家加勒于1846年证实了这一发现矮行星冥王星与新发现矮行星的定义冥王星与卡戎2006年，国际天文学联合会（IAU）制定了行星的新定义，导致冥王星直径约2,377公里，表面覆盖着氮冰、甲烷冰和一氧化碳冥王星被重新归类为矮行星根据新定义，矮行星是指环绕恒星冰美国新视野号探测器于2015年首次近距离探测冥王星，发运行、质量足以形成近似球形但未能清空其轨道附近区域的天现其表面存在山脉、冰原和可能的地下海洋体冥王星最大的卫星卡戎直径达1,212公里，几乎是冥王星直径的这一决定引发了广泛争议，但也促进了人们对太阳系边缘天体的一半这种情况使天文学家将冥王星-卡戎系统视为一个双矮行更深入了解目前国际天文学联合会正式认定的五颗矮行星包括星系统两者的质量中心位于冥王星之外的空间中，它们互相冥王星、谷神星、妊神星、鸟神星和厄里斯以这一点为中心旋转彗星和柯伊伯带天体彗星结构彗星主要由冰、尘埃和岩石组成，当接近太阳时，表面物质升华形成彗发和彗尾彗核直径通常为几公里到几十公里，但彗发可扩展数十万公里，彗尾则可延伸数亿公里轨道特性彗星轨道多为高度椭圆形，可分为短周期彗星（周期小于200年）和长周期彗星（周期可达数千年或更长）短周期彗星通常来自柯伊伯带，如哈雷彗星；长周期彗星则可能来自更远的奥尔特云生命元素3彗星富含水、有机分子和其他生命必需元素科学家认为早期太阳系形成时，彗星撞击可能为地球带来了大量水和有机物，为生命起源提供了基础物质柯伊伯带柯伊伯带位于海王星轨道外30至50天文单位处，包含数以亿计的冰质天体这一区域是短周期彗星的主要来源，也是研究太阳系早期物质的重要场所冥王星和其他矮行星也位于这一区域太阳系的诞生与演化现代太阳系的稳定迁移与后期演化经过数亿年的动荡，太阳系逐渐演行星形成阶段根据行星迁移理论，早期太阳系的变成现在相对稳定的状态行星已原始星云阶段在行星盘内，微小尘埃颗粒相互碰大型行星轨道并不稳定巨行星在清空各自轨道邻近区域的大部分物约46亿年前，一团由气体和尘埃组撞并粘合，逐渐形成岩石状的原行引力相互作用下可能发生过轨道迁质，小天体主要聚集在小行星带和成的分子云开始坍缩云团中心物星体靠近太阳区域温度较高，仅移，导致小天体重新分布之后，柯伊伯带等特定区域未来太阳系质密度增加，温度升高，最终点燃岩石物质能够凝结，形成内行星；小天体撞击频繁，创造了现今看到将随着太阳演化而再次发生剧变了核聚变，形成原始太阳周围物而在远离太阳的区域，低温环境使的行星表面特征质形成扁平的旋转盘，即原始行星冰和气体得以保留，形成巨行星盘行星系统发现简史19952009首个确认开普勒任务瑞士天文学家迈耶尔和奎洛兹发现围绕太阳型恒NASA发射开普勒空间望远镜，专门用于搜寻系星51Pegasi运行的系外行星，开创了系外行星外行星该任务采用凌星法，通过观测恒星亮研究的新纪元这颗被命名为51Pegasi b的行星度的微小周期性变化来探测行星开普勒望远镜是一颗热木星，距离其恒星非常近彻底改变了我们对宇宙中行星普遍性的认识2019任务TESS接替开普勒的凌日系外行星巡天卫星TESS开始全天扫描，寻找围绕明亮恒星运行的行星与开普勒不同，TESS专注于更亮、更近的恒星，使后续详细研究更加容易在系外行星探测史上，哈勃空间望远镜也做出了重要贡献，它不仅帮助确认了早期的系外行星发现，还首次直接成像了一些巨型系外行星，并分析了多颗系外行星的大气成分行星探测手段多普勒光谱法凌星法也称为径向速度法，通过测量恒星光谱的微当行星从其恒星前方经过时，会导致恒星亮小周期性移动来探测行星行星围绕恒星运度微小但可测量的降低通过观测这种周期动会导致恒星本身也在轻微摇摆，从而使性的亮度变化，可以确认行星存在并推断其其光谱线出现蓝移和红移这种方法特别适大小开普勒和TESS任务都使用这种方合探测大质量行星法引力透镜直接成像当前景恒星-行星系统经过背景恒星时，其使用先进的光学技术直接拍摄系外行星这引力会放大背景恒星的光通过分析这种放种方法主要适用于年轻、发热且距离恒星较大效应的特征，可以推断出前景恒星是否拥远的巨行星最新的自适应光学和光冕仪技有行星这种方法可以探测到非常遥远的行术大大提高了直接成像能力星系统任务的突破Kepler任务概述开普勒空间望远镜于2009年3月发射，专门用于寻找类似地球的系外行星它配备了一个

0.95米口径的望远镜和一个9500万像素的相机，连续观测天鹰座和天琴座之间约15万颗恒星的亮度变化观测策略开普勒望远镜使用凌星法来探测系外行星它连续监测恒星亮度，寻找因行星经过而导致的微小周期性变暗这种方法对探测小型行星尤为有效，因为即使是地球大小的行星也能使恒星亮度降低约

0.01%重大发现在2009至2018年运行期间，开普勒任务确认了超过2600颗系外行星，其中包括许多类地行星和超级地球它还发现了首个位于宜居带的类地行星Kepler-186f，以及首个围绕双星运行的行星Kepler-16b科学遗产开普勒任务彻底改变了我们对银河系中行星数量和多样性的认识基于开普勒数据，科学家估计银河系中几乎每颗恒星都拥有至少一颗行星，其中约20%的太阳型恒星拥有位于宜居带的类地行星与最新观测先驱TESS凌日系外行星巡天卫詹姆斯韦伯空间望普朗克任务·星远镜欧洲空间局的PLAnetaryTESS（Transiting2021年发射的詹姆斯·韦Transits andOscillationsExoplanet Survey伯空间望远镜具有前所未of stars（PLATO）计划Satellite）于2018年4月有的红外观测能力，能够于2026年发射，将专注于发射，是NASA继开普勒深入研究系外行星大气的寻找和表征位于宜居带的之后的新一代系外行星探成分它有望首次检测到类地行星，特别是那些围测器与开普勒不同，遥远行星上的生物标志绕类太阳恒星运行的行TESS旨在观测整个天空，物，为寻找地外生命提供星专注于探测围绕明亮恒星突破性进展运行的行星精确表征CHEOPSCHaracterisingExOPlanet Satellite（CHEOPS）于2019年发射，专门用于对已知系外行星进行高精度测量它不是寻找新行星，而是详细研究已知行星的大小、密度和其他物理特性系外行星统计数据热木星奇特的近恒星巨行星极端环境表面温度可达1000-3000°C短周期轨道公转周期仅1-10天潮汐锁定同一面始终面对恒星剧烈天气强烈热传输，大气风暴行星迁移形成于远处，后向内迁移热木星是一类特殊的系外行星，它们的质量与太阳系中的木星相当，但轨道距离其恒星极近，典型距离小于

0.1天文单位（约1500万公里）这种极端环境导致它们表面温度极高，大气层可能因极端热量而膨胀，甚至向外蒸发热木星的发现出乎科学家预料，因为按照传统行星形成理论，气态巨行星应该形成于远离恒星的区域现在的主流理论认为，热木星可能形成于恒星系统外围，然后通过行星迁移机制逐渐向内移动，最终定居在靠近恒星的轨道上超级地球可能的类地行星超级地球的基本特征开普勒类地超级地球-452b超级地球是质量介于地球和海王星之间（约2-10倍地球质量）开普勒-452b是一颗位于宜居带的超级地球，质量约为地球的5的行星类型，直径一般为地球的

1.3-

2.5倍它们是目前发现最倍，轨道周期为385天其恒星与太阳类似，使这颗行星被誉为多的系外行星类型之一，代表了银河系中可能广泛存在的一类行表亲地球科学家认为，如果它拥有适当的大气层，表面可能星存在液态水超级地球的构成可能多种多样，从几乎全岩石的行星到含有大量由于超级地球的重力比地球大，它们可能更容易保留厚实的大气水和气体的水世界都有可能这种多样性使得超级地球成为研层有些超级地球可能完全被深海覆盖，而另一些则可能是岩质究行星演化的理想对象，也为寻找可居住环境提供了丰富的候选行星，表面条件更类似于地球然而，较大的质量也意味着更活天体跃的板块构造和火山活动迷你海王星与岩质行星岩质行星类似地球的固体表面，质量小于3倍地球水世界表面被深海覆盖，水层可达数百公里迷你海王星拥有厚重气体包层的小型气态行星超级地球质量为地球2-10倍的大型岩石行星迷你海王星是一类介于超级地球和海王星之间的行星，直径通常为地球的2-4倍，质量为地球的约2-20倍它们通常由岩石核心组成，被厚厚的氢气、氦气和水蒸气大气层包围这种行星类型在太阳系中不存在，但在系外行星中却相当常见近年的研究表明，迷你海王星与超级地球之间的界限可能并不明确一些原本被认为是迷你海王星的行星可能实际上是表面被大量水覆盖的水世界，或者是拥有大气层的超级地球这种多样性为行星演化和宜居环境的研究提供了广阔空间可居住带惊现众多候选宜居带是指围绕恒星的一个区域，在这个区域内，行星表面的温度适宜液态水存在这个区域的位置取决于恒星的类型和亮度对于明亮的恒星，宜居带位置较远；对于暗淡的恒星，宜居带则更靠近截至目前，天文学家已发现超过30颗位于宜居带的系外行星这些行星大小各异，从比地球小的行星到超级地球，再到气态行星都有虽然位于宜居带是实现宜居环境的必要条件，但还需要合适的大气层、磁场和地质活动等因素来支持长期稳定的生命环境系统TRAPPIST-1Proxima Centaurib最近的邻居宜居可能性Proxima Centaurib围绕距离太阳系最近的恒星比邻星运行，距离地球Proxima Centaurib质量约为地球的

1.3倍，轨道位于恒星的宜居带内仅

4.2光年这颗恒星是一颗红矮星，质量约为太阳的八分之一，亮度根据模型计算，如果该行星拥有适当的大气层，其表面温度可能适合液仅为太阳的千分之二如果未来发展出适合的星际旅行技术，这将是人态水存在不过，由于围绕红矮星运行，这颗行星可能面临着强烈的辐类探索的首选目标之一射和恒星耀斑等挑战潮汐锁定探测挑战科学家认为Proxima Centaurib很可能处于潮汐锁定状态，即行星的同尽管距离较近，直接观测Proxima Centaurib仍然面临巨大挑战行星一面始终朝向恒星这意味着行星的一面永远处于白天，另一面永远处太靠近其恒星，使得传统的直接成像技术难以分辨它们科学家正在开于黑夜这种情况下，最适合生命存在的区域可能是永日面和永夜面之发新的观测技术，希望能够研究其大气成分和表面特征间的晨昏线地带卫星同样丰富多样木卫二（欧罗巴）土卫六（泰坦）木星的卫星欧罗巴表面覆盖着光滑的土星最大的卫星泰坦是太阳系中唯一冰层，网状裂缝遍布其表面科学家拥有浓密大气层的卫星在极低温条认为在其10-30公里厚的冰壳下隐藏件下（约-180°C），甲烷在泰坦上形着一个深达100公里的液态海洋这成了类似地球水循环的甲烷循环，包个海洋可能含有的水量比地球上所有括云、雨、河流和湖泊卡西尼号探海洋的水量还多欧罗巴内部由于木测器观测到了泰坦表面的甲烷湖泊，星引力导致的潮汐加热维持着液态海其中最大的几个比北美的五大湖还洋，使其成为寻找太阳系外生命的主大要候选地火卫一（福波斯）与火卫二（戴莫斯）火星的两颗卫星体积都很小，形状不规则，可能是被火星引力捕获的小行星福波斯距离火星表面仅有6000公里，以每100年约2米的速度逐渐接近火星，预计在约4000万年后将会撞击火星或解体成环戴莫斯轨道较高，距离火星约23500公里，轨道更为稳定环系统的多样性土星的壮观环系其他行星的环系土星的环系是太阳系中最壮观的，宽度达28万公里，却薄如木星、天王星和海王星同样拥有环系统，但不如土星的显著木纸，一般不超过100米它们主要由冰颗粒组成，大小从微米到星的环非常暗淡，主要由尘埃颗粒组成，可能是卫星表面被微陨几米不等环系分为多个主要环带，如A环、B环和C环，以及更石撞击产生的碎片天王星拥有13个暗淡的环，成分尚不明微弱的D环、E环、F环和G环确，但可能包含较多岩石物质，使其比土星环暗土星环系的形成有多种理论，可能是一颗卫星被潮汐力撕裂，或海王星的环系统更为特殊，包含若干弧形环，即环的某些部分是原始星云物质没有凝聚成卫星环中的颗粒在复杂的引力作用比其他部分更亮更密集这些结构可能是由海王星卫星的引力共下形成了精细的结构，包括环中的空隙和波浪图案振维持的科学家推测，所有气态巨行星的环系统都是临时性的，可能会在数百万到数十亿年间演化或消失行星磁场与极光现象磁场起源防护屏障行星磁场主要由内部电导物质（如金属磁场作为行星的保护罩，偏转带电粒子铁）的流动产生地球磁场源于外核中流（太阳风），防止大气被逐渐剥离液态铁的对流运动，木星和土星的磁场没有强磁场的火星可能因此失去了大部则由金属氢层产生没有活跃内部的天分原始大气地球强大的磁场对维持稳体，如火星和月球，则磁场很弱或几乎定的大气层和保护生命免受宇宙辐射至没有关重要磁场翻转极光奇观地球磁场定期发生翻转，南北极互换当太阳风粒子沿磁力线进入极区大气，最近一次大翻转发生在约78万年前在与大气分子碰撞时，会释放能量形成极翻转过程中，磁场强度会暂时减弱，可光地球极光通常呈绿色或红色，而木能导致更多辐射到达地表这种现象可星极光中还有强烈的紫外辐射，亮度是能影响动物迁徙和生态系统，但人类尚地球极光的数百倍，能量高达数万亿未经历过这种事件瓦行星气候与大气层金星失控温室火星全球沙尘暴木星永久风暴金星拥有极端的温室效应，地表温度高达火星的大气非常稀薄，主要成分也是二氧木星大气以氢和氦为主，以其多彩的条带470°C，可以熔化铅其大气中96%是二化碳，但压力仅为地球的

0.6%火星表面和旋涡而闻名这些条带实际上是不同方氧化碳，大气压力是地球的93倍科学家经常发生沙尘暴，有时会发展成覆盖整个向移动的风，速度高达600公里/小时木认为金星可能曾经与地球类似，拥有海行星的全球性事件，持续数月之久这些星大气中的大红斑是已知存在至少400年洋，但因温室效应失控而变成今天的炙热巨大风暴可以改变行星的反照率和热平的巨型风暴，直径足以吞下三个地球地狱衡行星形成理论星云吸积理论最广泛接受的行星形成理论认为，行星是通过原行星盘中尘埃颗粒逐渐聚集成长形成的这一过程从微米大小的尘埃颗粒开始，通过碰撞粘合逐渐形成厘米级的岩粒，然后继续成长为公里级的小行星体，最终形成行星盘不稳定性理论对于较大质量的原行星盘，另一种可能的机制是盘本身的引力不稳定导致物质直接坍缩形成大质量天体这一过程可能特别适用于解释气态巨行星的形成，尤其是那些距离恒星较远的行星，如太阳系外围的木星和土星行星迁移越来越多的证据表明，行星在形成后不一定会留在原地通过与行星盘中气体和小天体的相互作用，行星可能会向内或向外迁移这一理论有助于解释热木星等奇特行星系统的形成，这些系统中巨行星位于靠近恒星的位置后期巨大撞击行星最终阶段的形成往往伴随着大规模撞击事件例如，地球的月球可能形成于一颗火星大小天体与早期地球的碰撞类似的撞击事件可能解释了太阳系中的其他异常现象，如天王星极端的自转轴倾角系外行星的大气观测凌星光谱法当行星从恒星前方经过时，恒星光穿过行星大气层，使特定波长的光被吸收通过分析这种透射光谱，天文学家可以确定行星大气中存在的分子和元素这种方法特别适用于研究具有扩展大气层的系外行星次级凌星当行星消失在恒星后方之前，可以观测行星本身发出或反射的光通过比较行星在视线内和视线外时的恒星系统亮度变化，可以获得行星大气的发射光谱信息，提供温度和组成数据哈勃贡献3哈勃空间望远镜率先在系外行星大气中检测到水蒸气、甲烷和二氧化碳等分子其观测帮助科学家了解了热木星类行星的大气结构，发现这些行星通常拥有高层云以及氦和氢气逃逸现象韦伯展望詹姆斯·韦伯空间望远镜具有前所未有的红外观测能力，可以探测更小行星的大气组成科学家期望它能首次分析超级地球和类地行星的大气，寻找水、氧气和甲烷等关键分子，这些可能是生物活动的指标系外生命搜索新前沿光合作用迹象生物标志物通过分析行星反射光的光谱，可以寻找叶绿科学家主要寻找的生物标志物包括氧气、臭素等物质造成的特殊反射特征，称为红边氧、甲烷和二氧化碳的特定组合这些气体这种光谱特征是地球上广泛存在的，表的共存通常需要生物过程来维持平衡例明有大量植物覆盖未来的望远镜可能能够如，地球大气中高含量的氧气主要来自植物探测到系外行星上类似的生物光谱特征和微生物的光合作用生物圈成像技术标志未来的望远镜技术有望直接成像行星表面，除了自然生物标志物，科学家还寻找可能的寻找季节性变化等生物圈活动迹象通过长技术标志，如工业污染气体、人工光源或无期监测行星的反射率和温度变化，可能推断线电信号这些迹象可能表明存在技术发达出类似地球上由植被变化引起的季节性模的文明SETI项目长期监听来自深空的人式工无线电信号罗塞塔石行星化学组成剖析研究方法天文学家通过测量行星的质量、大小和轨道来推断其内部结构和化学组成高精度的凌星测量提供行星半径，而径向速度法则可以确定其质量结合这两项数据，科学家可以计算行星的平均密度，进而推测其内部组成发现Kepler-138dKepler-138d是一颗水世界候选体，密度约为

2.1克/立方厘米（低于地球的

5.5但高于土星的

0.7）研究表明，这颗行星可能拥有密度较高的硅酸盐岩质核心，被深达数百或数千公里的水层环绕，外部可能还有蒸气大气层考察LHS1140b位于红矮星宜居带内的LHS1140b被认为是一颗岩质行星，质量约为地球的

6.5倍，密度与地球非常接近这表明它可能主要由岩石和金属构成，而非气体或冰该行星可能拥有适宜生命的表面温度和稳定的大气层未来研究方向詹姆斯·韦伯空间望远镜和未来的地基超级望远镜将能够更精确地分析系外行星的大气成分，甚至可能检测到表面特征这些数据将帮助科学家更准确地确定行星的化学组成，包括可能支持生命的有机物质和生物标志物行星系统的多样构型双星系统中的行星紧密多行星系统极端轨道系统科学家已在双星系统中发现了多颗行星，有些恒星拥有多颗轨道非常接近的行星，一些系外行星的轨道与太阳系行星的近圆它们要么围绕两颗恒星同时运行（称为环如开普勒-90系统拥有至少8颗行星，全部形轨道大不相同HD80606b拥有已知最双星轨道），要么只围绕双星系统中的一位于比太阳系水星轨道还要近的区域内偏心的轨道之一，轨道偏心率达

0.93，导颗恒星运行Kepler-16b是首个被确认环这些系统中的行星常常处于轨道共振状致它距离恒星最近时与最远时的距离差异绕双星运行的行星，这类行星被昵称为塔态，意味着它们的轨道周期之比为简单整达15倍，温度可在不到一天时间内变化数图因行星，取自《星球大战》中双日星数比，如2:1或3:2百度球观测行星形成摇篮ALMA观测目标HL Tau，TW Hydrae等年轻恒星周围的原行星盘观测波段亚毫米波/毫米波（远红外至微波区间）主要发现行星盘中的同心环状结构和间隙科学意义首次直接观测到行星形成过程中的证据设备特点66个天线组成的干涉仪阵列，最高分辨率可达10毫角秒观测地点智利阿塔卡马沙漠海拔5000米的高原阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）是当前观测原行星盘的最强大工具之一这个由欧洲、北美和东亚合作建设的巨型望远镜阵列能够捕捉到尘埃颗粒发出的微弱辐射，从而观测到行星形成的早期阶段ALMA对年轻恒星HL Tau的观测发现了其周围原行星盘中存在明显的环状结构和空隙，这些空隙被认为是正在形成中的行星清除轨道周围物质所致这些观测为行星形成理论提供了关键的实证支持，表明行星形成可能比以前认为的要早得多，甚至在恒星仍处于形成阶段时就已开始未来大型望远镜计划欧洲极大望远镜（）E-ELT欧洲南方天文台正在智利建造的地面巨型光学望远镜，主镜直径达39米，计划于2027年完工E-ELT将拥有前所未有的光收集能力和分辨率，能够直接成像距离较近的系外行星，甚至可能分析其大气成分这台行星猎手有望首次发现和表征宜居带内的岩质行星概念LUVOIR大型紫外/光学/红外勘测者（LUVOIR）是NASA提出的下一代空间望远镜概念，主镜直径可能达8-15米如果获得批准，LUVOIR将具备寻找数千颗系外行星并分析其大气成分的能力，有可能直接探测到系外行星上的生物标志物，甚至包括地表植被和海洋的迹象Habitable WorldsObservatory宜居世界天文台是美国推动的一项远景计划，旨在开发专门用于寻找和研究宜居系外行星的空间望远镜该设施将结合大口径镜面和先进的星冕仪技术，能够抑制恒星光线，直接观测环绕恒星运行的类地行星，并分析它们的大气成分以寻找生命迹象平方公里阵列（）SKA平方公里阵列是正在澳大利亚和南非建设的世界最大射电望远镜项目，收集面积将达一平方公里虽然SKA主要针对其他天文研究领域，但它也能够探测遥远行星系统中可能存在的技术文明发出的无线电信号，为SETI（搜寻地外智能）项目提供强大支持空间探测器的角色加利略号加利略号是NASA于1989年发射的木星探测器，它于1995年抵达木星系统并工作至2003年探测器对木星大气进行了详细研究，发现了木卫一的活火山活动，提供了木卫二地下海洋存在的证据，并首次探测到木星微弱的环系统加利略号的观测彻底改变了我们对木星系统的认识卡西尼号卡西尼-惠更斯号是美国和欧洲合作的土星探测任务，于1997年发射，2004年抵达土星系统在13年的任务期间，它对土星环、大气和磁场进行了前所未有的详细观测，并发现了土卫六表面的甲烷湖泊和土卫二南极的间歇喷泉，后者提示地下存在液态水朱诺号朱诺号于2011年发射，2016年进入木星轨道它的主要任务是研究木星的引力场、磁场和大气成分，揭示这颗巨行星的内部结构和形成历史朱诺号装备了能抵抗木星强辐射的特殊设计，并拍摄了木星极区前所未见的高清图像，展示了复杂的风暴系统新视野号新视野号于2006年发射，2015年成为首个飞掠冥王星的探测器它拍摄的高清图像揭示了冥王星表面令人惊讶的地质多样性，包括冰原、山脉和可能的地下海洋证据随后，它又在2019年飞掠了更远的柯伊伯带天体阿洛斯，提供了太阳系边缘天体的第一手资料人类登陆外星展望重返月球2025-2030NASA的阿尔忒弥斯计划旨在将宇航员重新送回月球表面，建立可持续的月球存在中国、俄罗斯和欧洲也计划在月球南极建立研究站这些任务将测试长期太空居住技术，为火星任务做准备首次载人火星任务2030-2040多国航天机构和私营企业计划在2030年代实现首次载人火星任务技术挑战包括减少旅行时间（目前约9个月）、防护宇航员免受辐射伤害，以及解决火星表面生存所需的资源问题永久基地建设2040-2050初步火星任务成功后，下一步将是建立永久基地这将需要利用火星原位资源制造燃料、生长食物，以及使用3D打印技术从火星土壤建造栖息地这些技术正在地球和国际空间站上进行测试殖民与地球化以后2050远期目标包括火星表面的大规模殖民和地球化工程，可能涉及改变火星大气成分以使其更适合人类居住虽然这些计划目前仍属于理论层面，但相关技术研究已经开始，以期未来实现技术推动新突破人工智能赋能自适应光学突破微型探测技术人工智能和机器学习算法正彻底改自适应光学技术通过实时调整望远突破性星际探测概念如突破摄星变天文数据分析方式这些技术能镜光学系统来校正大气扰动，大幅计划提出使用激光推进的纳米探够在海量天文观测数据中识别微弱提高地基望远镜的分辨率最新一针，以光速的20%飞向比邻星系的行星信号，发现人类可能忽略的代系统使用多个导星激光和数千个统这些克级探测器配备微型仪模式谷歌与NASA合作开发的AI可变形镜元件，使大型地面望远镜器，理论上可在发射后20-30年内系统已经从开普勒数据中发现了此能够实现接近理论极限的成像性抵达目标，并传回首张近距离系外前被忽略的系外行星能，可直接观测系外行星行星照片星冕仪创新先进星冕仪能屏蔽恒星亮光，直接观测周围暗弱的行星新一代星冕仪结合波前控制和图像处理技术，可将恒星光线抑制十亿倍以上，有望使下一代空间望远镜能够捕捉类地行星的直接图像和光谱行星能否演化出高等文明？生命起源要求液态水、适宜温度与合适的化学元素1生命进化条件2长期稳定环境与适当辐射屏障智能发展基础丰富生态系统与演化压力技术文明崛起社会合作、工具使用与抽象思维星际通信能力持久的技术发展与资源管理德雷克方程试图量化银河系中可能存在的技术文明数量，考虑了诸多因素，如适合生命行星的比例、生命演化为智能生命的概率等根据不同参数估计，银河系中可能存在从几十到数百万不等的技术文明然而，费米悖论提出了一个问题如果银河系中存在众多文明，为何我们尚未探测到它们的存在？稀薄地带理论认为，各种天文和生物学过滤器使得高等文明非常罕见这些过滤器可能包括小行星撞击、气候变化、核战争等可能导致文明覆灭的因素行星系统研究对人类意义理解我们的起源探索其他行星系统帮助我们了解太阳系如何形成认识地球独特性对比研究揭示地球维持生命的关键因素寻找生命线索了解生命在宇宙中可能的普遍存在人类未来拓展为人类未来可能的星际迁移提供信息行星系统研究不仅满足了人类对宇宙的好奇心，还对我们理解自身在宇宙中的位置具有深远意义通过观察不同恒星周围行星的多样性，我们能更好地认识太阳系的形成过程，以及地球在宇宙中的独特之处这一研究领域还推动了人类思考重要的哲学问题我们在宇宙中是否独特？生命在宇宙中是普遍存在还是极为罕见？人类文明在宇宙历史长河中处于什么位置？随着我们对系外行星的了解不断深入，这些问题的答案将逐渐清晰，可能从根本上改变人类对自身和宇宙的认知互动讨论最令人惊叹的行星系统讨论形式展示方式学生将分成3-4人小组，每组选择一个他们认为最令人惊叹的行每个小组将有10分钟时间向全班展示他们选择的行星系统展星系统进行研究可以是太阳系内的行星（如土星及其环系统）示可以采用多媒体演示、海报或模型等形式学生应使用科学术或系外行星系统（如TRAPPIST-1）小组需要收集相关信息，语准确描述所选系统的特点，并提供视觉辅助资料，如图片、图包括该系统的物理特性、科学重要性、潜在的宜居环境以及未来表或视频探索计划展示结束后，将有5分钟的提问环节，其他小组可以就相关话题讨论应关注以下几个方面为什么这个系统特别引人注目？它如提出问题或补充信息教师将针对每个展示提供反馈，指出特别何挑战或支持现有的行星形成理论？如果可能的话，该系统中是精彩的部分和可能需要进一步研究的问题通过这种互动方式，否存在适合生命的条件？未来还需要哪些观测或探测来更好地了学生能够从多角度了解不同的行星系统解这个系统？总结与展望未解之谜技术突破尽管取得了巨大进展，仍有许多问题未来几十年，新一代望远镜和探测器亟待解答行星形成的具体机制、系将大幅提升我们的观测能力从能够外行星的详细内部结构、适合生命存直接成像类地行星的地基巨型望远知识现状在的环境条件，以及最重要的问题—镜，到分析行星大气成分的下一代空人类探索—我们是否孤独，都需要进一步探间望远镜，技术进步将带来更多突破我们已经确认数千颗系外行星，发现索性发现行星系统在宇宙中普遍存在且形态多随着载人火星任务的规划推进，人类样从热木星到超级地球，从多行星可能在本世纪内实现首次踏上另一个系统到双星环绕系统，这些发现极大世界的梦想远期规划甚至包括向太拓展了我们对行星形成和演化的认阳系外发送探测器，为直接探索系外识行星铺平道路34。