行星专业学科进展报告

行星专业学科进展报告
紫金山天文台徐伟彪研究员
***********.cn
一．国际行星科学发展现状和趋势：
近40多年来，由于科学技术、尤其是航空航天技术的飞速发展，世界各空间大国掀起了对太阳系天体的深空探测热潮，先后对月球、各大行星及卫星、小行星、彗星等天体进行了全方位、多手段的探测工作，深入了解太阳系各天体的地质背景和空间环境，寻求解决太阳系起源和演化的最基础科学问题。

太阳系各天体不仅是天文学研究的对象，而且也成为空间科学、地球科学、物理学、化学、以及生命科学等多学科共同关心和研究的目标，一门新兴的边缘交叉学科 -- 行星科学（Planetary Science）迅猛地形成和发展起来[1]。

行星科学的研究内容极其广泛，从天体的内部结构到表面地貌形态、火山、河流、海洋、及大气层；从宏观的形状、大小、质量、密度、引力场、磁场、运动速度等物理特征，到微观的岩石结构、矿物组合、化学成分、同位素组成、以及有机物含量等化学性质；从冲击碰撞、闪电、火山喷发等短期行为，到行星内部核、幔、壳的分异和演化、及地质活动的长期历史。

行星科学的研究方法丰富多彩，不仅有地面天文望远镜的实测，还有高空卫星观测，更有飞船莅临行星及其卫星的近距离探测，乃至登陆器实地勘探并采集样品带回地面实验室分析。

行星科学已形成一门完整和成熟的现代科学，她包含了行星化学、比较行星学、行星物理、天文观测、和空间探测等研究方向。

这几个分支学科采用了不同的研究方法和技术手段，但密切相关、相辅相成，寻求解决共同的科学问题：太阳系天体的形成和演化历史。

国外对行星科学的研究工作非常重视，许多国际著名学府都设有行星科学系及相关专业，培养和造就了大批科研人材。

国际上也有很多专门的研究机构广泛开展行星科学研究工作，美国宇航局（NASA）是全世界最大的组织，每年投入上百亿
美元的科研经费开展基础研究和太阳系深空探测活动。

行星科学发展日新月异，不断为我们带来令人振奋的新成就，揭开了太阳系内许多神秘的面纱。

近十年来，美国著名学术刊物《Science》评选的年度十大科学突破，几乎每年都有行星科学的研究成果入选。

近年来，由我国两院院士评选的年度世界十大科技进展，大量行星科学成果也榜上有名。

行星科学已成为当今国际最活跃的学科之一，也是各国展示科技实力的舞台，更是引领世界科技发展的重要驱动力。

当前国际行星科学的重点发展方向是：
1．深空探测
1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星，迈出了人类宇宙航行的第一步。

五十年来，从水星到太阳系边缘的柯伊伯带、从大行星及卫星到小行星和彗星，人类航天器已造访了太阳系的每一个角落，为我们带来无数意想不到的新发现和新成果。

“阿波罗登月计划”采集的382公斤月球岩石样品使人们对月球的认识产生了革命性的变化；木卫一上发现了正在喷发的活火山，木卫二上找到了冰冻的海洋，为我们展现出绚丽多姿的大千世界。

深空探测活动有三种主要形式：近距离行星遥感探测、行星表面的实地勘探、和采集样品回地球开展实验室分析。

火星是地球的近邻，也是当今国际空间大国的主要工作目标。

到目前为止，人类已发射了30多个艘飞船对火星进行多种探测工作，目的是要了解火星的形成和地质演化历史、火星的大气特征、火星上水的演变历史、以及火星的生命现象。

近十年来，美国宇航局的火星探测计划取得了极大的成功，多艘漫游车在火星表面开展了各项科学实验，分析了表面矿物岩石的化学成分，测试了土壤的物理性质、探测了大气的结构、找到了水和古海洋的证据。

小行星和彗星近来也成为深空探测的热点，2000年2月至2001年2月NEAR飞船成功地围绕433号小行星 Eros开展近距离观测；2005年7月4日，Deep Impact 飞船与Tempel 1彗星进行了零距离接触；2005年11月日本的“隼鸟”号探测器登上了丝川小行星，采集了表面岩石样品，现正在返回地球途中；2006年1月Stardust飞船携带了采集到的Wild 2彗星尘埃成功地返回地球；2007年9月27日，美国宇航局成功发射了“曙光”号飞船，飞往太阳系的小行星主带，探测矮行星“谷神星”和4
号小行星“灶神星”[2,3]。

2．行星物理
行星物理的研究工作包括两个内容：理论分析和天文观测。

理论工作者应用天体物理基础理论和动力学原理，分析太阳原始星云的吸积凝聚过程、大行星的形成及内部动力学、行星系统稳定性和多样性，提出太阳系、各大行星、小行星、和彗星的形成机制。

近年来较突出的工作有：徐霞生教授的X-Wind模式[4]、A. G. W. Cameron的星云凝聚理论[5]、A. P. Boss的行星形成机制[6]等。

在天文观测方面，寻找太阳系边缘Kuiper带天体是当前天文学的热点之一，深入研究Kuiper带天体的动力学演化。

近年来发现了一些较大的Kuiper带天体，其中一颗（Eris）甚至大于冥王星[7]，引起天文界关于行星定义的争论。

国际天文学联合会在2006年第26届大会通过了新的行星定义决议，将冥王星降级，与谷神星、Eris星一起归类为“矮行星”。

在小行星研究方面，着重观测小行星的物理特性和地质环境（大小、质量、密度、表面形态等）和表面物质组成（岩石类型、反照率和反射光谱）。

近地小行星也是重点观测对象，这些小行星的轨道半径与地球很接近，有些甚至与地球轨道交叉，它们有潜在碰撞地球的危险，搜索和监视这些近地小天体，预报可能的撞击地球事件并采取防卫措施，已成为全世界各国共同关注的问题。

近30年来，先后开展了几个搜寻近地小天体的计划，如帕洛玛小行星和彗星搜寻计划（PACS，Palomar Asteroid and Comet Survey），欧洲近地天体搜寻、追踪和物理观测计划（EUNEASO，European NEO Search, Follow-up and Physical Observation Programme），空间监测计划（The Spacewatch Project ），林肯近地小行星巡查（LINEAR，Lincoln Near Earth Asteroid Research），近地小行星追踪（NEST，Near-Earth Asteroid Tracking），天文爱好者巡天（TASS，The Amateur Sky Survey）等。

人们一直在提问，太阳是不是宇宙中唯一带有行星系统的恒星？经过不懈的努力，在上世纪80年代末到90年代初，天文学家在脉冲星PSR B1257+12附近发现了一颗行星。

但后来发现这颗行星并不是原生行星，而是由超新星爆发后的残留物生成的，是第二代行星，直到1995年才发现了第一颗围绕常规恒星（51 Pegasi）的行星[8]。

到目前为止，天文学家用多种方法发现了180多颗恒星伴有一颗或多颗
行星，已发现的太阳系外行星的总数超过了250颗。

这些发现为研究行星系统的形成提供了重要的依据，也为人类探索地外文明指明了方向。

太阳系外类地行星是该领域的重点观测对象，恒星原行星盘和行星系统的形成与演化的理论研究将会有重要进展。

3．比较行星学
比较行星学研究太阳系各大行星、矮行星、小行星和彗星的物质组成、内部结构、磁场和磁层、天体之间的冲击碰撞、地质作用（火山活动、构造运动、风化和流水作用、冰川和冰缘作用）、大气结构和气候变迁、有机物和生命现象、以及它们的形成和演化历史。

此领域的研究工作主要基于空间探测的结果，有近距离遥感探测、机器人实地勘探、以及分析回收采集的样品。

目前人类探测器已从里（水星）到外（柯伊伯带）飞临了太阳系内每一个角落，为我们提供了大量的观测数据；高空卫星和地面天文观测也为比较行星研究提供了很多帮助。

火星和月球是比较行星学研究的重要对象，火星在很多方面与地球相似，有大气层、四季分明的气候变化、火山活动、风成和流水作用、曾经有过河流和海洋，但目前还没有发现生命现象。

月球是地球的天然卫星，它的形成和演化与地球密切相关。

月球是当前空间探测的主要目标，也是人类唯一造访的地外天体。

4．行星化学
行星化学利用现代化的实验技术和仪器设备，分析地外物质（陨石、宇宙尘埃、和回收采集的月球样品和彗星样品）的矿物岩石组合、化学成分、同位素组成、有机物种类和含量，探索早期太阳系的形成和演化过程。

全世界目前已收集到了4万多块各种类型的陨石，它们绝大多数代表了太阳系内众多小行星的样本，如第4号小行星灶神星。

由于陨石的母体较小，自形成以来没有发生重大地质变化，较好地保留了太阳系史前分子云和早期形成和演化的信息，为研究元素的起源、星际介质和分子云的空间环境、恒星的诞生和发育、太阳系原始星云分馏凝聚与化学演化过程、行星系统的形成和内部熔融分异过程提供了珍贵的第一手材料。

近年来，行星化学研究领域取得的重要进展包括：1）在原始球粒陨石中发现
了各种类型（金刚石、石墨、氧化物、碳化物、氮化物、硅酸盐等）的前太阳系尘埃颗粒，这些尘埃的化学和同位素组成特征表明，它们来自红巨星、AGB星、新星和超新星。

恒星尘埃使我们对元素的起源、宇宙化学演化趋势、恒星的演化、内部核反应和对流机制有了更深入的认识，也为研究原始太阳分子云的物质来源提供了科学依据[9]；2）原始球粒陨石中的难熔包体和球粒被确认为太阳系中最古老的物体，它们在太阳系最初的两百万内形成，是早期所发生的重大天文事件（如：双极喷流和猎户FU型星爆发）的产物，是研究恒星和太阳形成和早期各演化阶段的重要样本；3）在原始球粒陨石中找到了短寿期放射性核素（如：26Al、41Ca、36Cl 等）的证据。

有些核素（如：60Fe）是恒星内部核反应的产物，它们随强劲星风注入太阳分子云，并诱发了原始太阳分子云核的塌缩，在极短的十几万年内形成了原太阳；有些核素（如：10Be、36Cl）则受早期原太阳的高能粒子辐射而产生，它们反映了原太阳的活动强度和物理化学环境[10,11]；4）对无球粒分异陨石和铁陨石开展微量元素和放射性同位素年代学的研究，深入了解行星内部的融熔分异过程和演化历史，获得了高精度的年代学数据，发现小行星和大行星（如：地球）的内部熔融分异过程发生得很早，在太阳系形成初期的几百万年到几千万年内就完成了；5）对月球样品、月球陨石、和火星陨石的研究工作，全面了解月球和火星的地质演化历史；6）在碳质球粒陨石中发现了多种氨基酸和糖分子，为研究生命起源提供了新的线索；最近，美国科学家在一块火星陨石（ALH84001）中发现了火星生命迹象，为研究地外生命提供了新的证据。

二．国内行星科学的近期发展现状
我国的行星科学基础研究工作相当薄弱，从业人员少，研究水准与国际前沿的差距还很大。

近年来，这种情况有了很大的改观，我国科研人员已在行星科学的诸多领域开展了不同程度的研究工作，取得了一系列的进展，有些工作甚至还处于国际领先地位。

深空探测：2000年11月22日，我国政府发表了《中国的航天》白皮书，正式提出“发展空间环境，开展深空探测”是我国近期的航天技术的发展目标之一。

2003年，我国实施启动了“嫦娥工程”，开展以月球探测为主的空间探测活动，将利用先进仪器对月球的资源和能源分布以及特殊环境进行全面的探测。

科技部和国防科工委近期也组织了国内数家科研单位对太阳系深空探测的科学目标、任务目标和应用目标进行了深化论证，确定我国未来重点探测目标将是火星和小行星。

行星物理：在Kuiper带动力学方面，发现行星碰撞等随机因素在Kuiper带天体的动力学演化中具有重要作用，并以此解释了Kuiper带分布中的一些特点；给出同时保持多种共振形式的类冥王星存在区域，为搜寻较大质量的类冥王星提供了观测指导；在太阳系外行星系统方面研究了太阳系外行星系统的轨道共振问题，得到多行星系统中的多种稳定模式，理论上给出了行星近点长期共振的判据，并得到了实测结果的验证；在小行星观测和研究，特别是寻找近地小行星和小天体的长期轨道演化研究，取得了突出的成绩。

比较行星学：这个领域的研究工作很薄弱，目前尚未取得显著的科研成果。

行星化学：这是我国行星科学的特色研究领域，虽然从业人员很少，起步较晚；但研究队伍精干，起点很高，他们活跃在国际行星化学最前沿的研究领域，在某些方面更具有特定的优势和竞争力。

近年来我国科学家在《Science》、《Nature》、《PNAS美国科学院院刊》、《ApJ》等重要SCI期刊上发表了大量有影响的学术论文，提出了一系列新观点和新思想，取得了多项世界领先的研究成果，获得了国外同行的广泛关注和高度评价。

我国科学家在原始碳质球粒陨石中首次发现了短寿期放射性核素36Cl（半衰期为30万年）的证据[11,12]，提出并论证了太阳系早期高强度高能粒子的辐射是产生36Cl的主要原因，得到了国际学术界的广泛认同[11]；对原始碳质球粒陨石的难熔包体和不透明矿物集合体的研究工作也有所突破，找到了新的稳定同位素证据，确定了集合体的成因机制，修正了太阳星云分馏凝聚过程的传统观点[13]；我国学者在陨石冲击熔融脉和高压矿物相的研究工作也处于国际领先地位，发现了多种高压矿物相，为研究太阳系早期行星之间的碰撞过程，以及地球深部矿物岩石相的研究工作作出了重要贡献[14,15]；我国学者还率先在国际上开展铁和过渡族元素稳定同位素的研究工作，在行星化学领域开辟了一个新的研究方向[16]；在第4号小行星灶神星(“曙光”号飞船探测目标之一)的岩石化学研究工
作中也有重大突破，发现了灶神星原始化学成分的不均匀性[17]；通过对铁陨石中硅酸盐包体的观测和研究，我国学者提出了铁陨石形成的新机制，该理论已多次被国外学者采用[18]；我国行星化学工作者对火星陨石和月球陨石也开展了一系列的研究工作，深入了解火星和月球的地质背景和活动历史[19,20]；中国南极科学考察队最近在南极地区收集到了大量的陨石样品（接近1万块），其中包括火星陨石、碳质球粒陨石等珍稀品种，使我国的陨石资源拥有量位居世界第三，这为我国及国际行星化学研究工作提供了宝贵的科研素材。

三．国内行星科学的近、中期发展趋势和发展目标
我国行星科学近、中期发展方向和目标是：瞄准国际行星科学的前沿研究领域，重点建设目前我国已经具备一定基础的研究方向，引进现代化的分析仪器设备，加强实验室建设，坚持基础天文观测工作，开拓理论研究的范筹，使得我国行星科学在不久的将来能在各主要研究方向上取得有国际影响的成果，同时继续积极为国家战略需求做出创新性贡献。

加强青年人才的培养，形成结构合理的基础研究和应用基础研究科研队伍。

深空探测：在开展以月球探测为主的空间探测活动的同时，我国应确定创新性的工作理念和探测目标。

我国的深空探测工作刚刚起步，无论是思想、技术、设备、管理、经费、和人才资源，都与国际空间大国有很大的差距。

目前，火星和月球是探测的热点，国际上已实施和筹备了很多探测计划，想做和能做的工作都已经做了或已在计划中。

就我国的深空探测能力，要想在这个领域完成其他空间大国想做但目前还做不了的工作，难度非常大，很多时候只能做些重复性的工作，创新意义不明显。

我国应扬长避短，集中有限的物力、财力、和人力，开展全新的深空探测活动。

在这方面我们可以借鉴日本的经验，把探测的目标定向近地小天体（小行星和彗星）。

小行星和彗星是太阳系早期行星系统形成过程中的残留物，包含了丰富的原始太阳星云物质和太阳系早期形成时的重要信息。

目前这个领域的探测计划还为数不多，而且各小行星和彗星的物理特性、地质环境和化学组成互不相同，可做的工作很多，不会有太多的重复性，创新意义重大[2,3]。

日本的“隼鸟”号探测
器首次回收采集了丝川小行星（S-型小行星）的岩石样本，整个工程耗资仅127亿日元(约合8亿人民币)，比“嫦娥一期工程(14亿人民币)”还要少很多，但它却在深空探测领域树立了里程碑的功绩[21]。

我国深空探测活动还应该遵循“请进来、走出去”的方针政策，加强与其他空间大国的合作关系，邀请国外研究机构加入我国的深空探测计划，引进国外的新思想、新方法、和新技术；同时也要积极争取参加国际空间探测活动，广泛开展各个领域的合作工作，充分利用国外的先进设备和资料（如：深空通讯网站和数据库），加快我国空间探测技术的发展，努力缩短与世界先进水平的差距。

行星物理：继续实施近地小行星的搜索计划，加强Kuiper带天体的天文实测工作，对太阳系外行星系统的观测工作也应引起足够的重视，重点应放在寻找太阳系外类地行星。

在小行星和彗星的观测方面，应着重于其物理特性（形状、大小、密度、质量、自转率等）和化学组成（表面岩石类型、化学分异程度）的工作。

理论研究方面，在传统轨道动力学研究的基础上应有扩展和突破，密切注意国际行星物理理论研究的新趋势和新进展，紧密结合国际研究工作的重要方向。

太阳系星云凝聚过程、太阳系内物质成分的化学分异和空间分布规律、行星形成机制、行星内部动力学、行星系统的稳定性、Kuiper带天体动力学、太阳系外行星系统的综合研究等方面将会有新的突破口。

比较行星学：国内比较行星学的研究工作很薄弱，应大力发展，重点扶持。

工作的重点应集中于月球、火星、木星及卫星、土星及卫星，研究这些天体的地貌形态、地质环境和活动历史、内部构造、板块运动、火山活动、大气结构、河流和海洋、表面风成和流水侵蚀作用等。

目前，国外行星遥感探测资料很多都是对外公开的，我们可以充分利用这些数据，广泛开展比较行星学的研究工作。

行星化学：行星化学是一门实验性很强的学科，研究工作主要依赖于各种现代化仪器设备[22]。

我国的行星化学研究工作起步晚，基础相对簿弱，实验室建设几乎是空白，有很多工作需要加强和发展。

当前我国行星化学研究工作中面临的最大困难就是缺乏一整套的测试仪器和实验设备，很多重要的实验工作都需要依赖国外的分析仪器才能完成，这里还将涉及到知识产权归属的问题。

因此，建立一套现代
化行星化学实验装备是我国行星科学近、中期发展的当务之急，必不可少的工作，它能使我国行星化学研究工作在短时期内赶上或接近国际水平，在世界舞台上占有一席之地。

行星化学实验设备应拥有岩石矿物分析、化学元素成分分析、和同位素组成分析的功能。

目前国际最先进的仪器设备大都在几十到几百万美元之间，相对于昂贵的天文观测设备和庞大的空间探测计划，这样的经费投入是很低的，但却能产出大量具有国际水准的创新研究成果。

在行星化学实验室研究方面，重要的发展方向有：寻找太阳系早期短寿期放射性核素的证据；分析原始球粒陨石中的恒星尘埃的同位素组成；研究球粒陨石中的难熔包体和球粒的成因；探索无球粒分异陨石和铁陨石中的微量元素和同位素组成；开展月球陨石和火星陨石的矿物岩石学和地球化学研究工作；测试碳质球粒陨石中有机物的种类和含量。

1.太阳系早期短寿期放射性核素的研究，解决太阳系物质来源和分布是否均匀的
问题。

关于太阳系早期短寿期放射性核素的成因问题，目前有两种理论：一种理论认为，这些核素是恒星内部核反应的产物，并由强劲星风注入原太阳分子云，星风产生的激波诱发分子云核的塌缩而形成原太阳；另一种理论认为，这些核素是高能粒子与原太阳分子云或太阳星云中的气体和尘埃相互作用的产物。

本领域研究的重点应在单个矿物体内同时测试多种短寿期放射性核素（如：10Be，26Al，41Ca和60Fe），系统地分析各短寿期放射性核素的含量以及相互的衰变年代学关系，并与理论计算相比较，以此来确定短寿期放射性核素的可能来源；
2.原始球粒陨石中的恒星尘埃的化学和同位素分析，使我们对恒星的化学丰度演
化，内部核反应和对流机制有了更深入的认识。

目前在实验室中已发现的恒星尘埃主要是碳化物和氧化物，理论计算和天文观测都表明恒星大气中存在大量的硅酸盐尘埃，寻找硅酸盐恒星尘埃将是重要发展方向之一。

目前所发现的恒星尘埃大多数来自红巨星或AGB恒星，另一个目标将是寻找来自超新星的恒星尘埃；
3.开展球粒陨石中难熔包体和球粒的矿物岩石学和同位素组成分析，追溯原始太
阳星云的化学分馏过程，揭示太阳系早期发生的重大天文事件；
4.分析无球粒陨石和铁陨石的微量元素和同位素组成，深入了解行星内部的融熔
分异过程和壳幔演化历史；
5.着重研究月球陨石和火星陨石的矿物组成，岩石结构，化学成分，稀土元素的
微区分布规律，氢和氧同位素组成，岩石结晶年龄，从而深入了解月球和火星内部的成岩作用，火山活动，以及壳层的构造运动。

6.碳质球粒陨石含有大量有机物，包括组成生命蛋白质的重要基元――氨基
酸。

研究陨石中有机物的含量和种类，它们的化学和同位素组成，探讨有机物的成因机制和条件，以及这些有机物对地球和地外生命起源的影响和意义。

参考文献：
[1]Encyclopedia of the Solar System, Second Edition, edited by Lucy-Ann
McFadden, Paul Weissman, Torrence Johnson, Academic Press, 2006.
[2]徐伟彪，赵海斌（2005）小行星深空探测的科学意义和展望，地球科学进
展，第20卷，第9期，107－114。

[3]徐伟彪，胡中为（2006）彗星空间探测新进展，南京大学学报，第42卷，
第1期，1-10。

[4]Shu, Frank H., et al. (1996) Toward an Astrophysical Theory of Chondrites.
Science 271, 1545-1552
[5]Cameron, A. G. W.(1995)The first ten million years in the solar nebula.
Meteoritics30, 133-161.
[6]Boss, A. P. (2007) Testing Disk Instability Models for Giant Planet Formation.
The Astrophysical Journal661, L73-L76.
[7]Brown, M. E. and Schaller, E. L. (2007) The Mass of Dwarf Planet Eris. Science
316, 1585.
[8]Mayor, M. and Queloz, D. (1995) A Jupiter-mass companion to a solar-type star.
Nature378, 355 – 359.
[9]徐伟彪（2006）恒星尘埃的实验室研究――实验天体物理学, 天文学报，
第47卷，第1期，1-8.
[10]徐伟彪（2003）太阳系早期的短寿期放射性核素――从天体化学角度看太。