自伽利略、开普勒以来行星科学四百年
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自伽利略、开普勒以来行星科学四百年。开普勒|titan|太阳系|太阳---
[摘要]自人类使用望远镜观测天空以来，人类对太阳系的了解发生了多次变革，特别是太空时代开始以来，航天器精准和近距离的观测极大拓展了人类对宇宙的认识，并将这种变革延续下去。
中国科学院理化技术研究所 戴闻 编译自Joseph A. Burns , Nature 466, ( 2010): 575–584
文章摘要
伽利略1610年作出了一系列天文学重大发现，此后的350年间，地面望远镜和理论建模两种手段，提供我们知晓太阳系行星的方方面面。进而，在过去的五十年中，航天器的发射完成了对许多目标的访问，转换了我们某些早期的概念，揭示了太阳系天体的多样性，并展示了行星富有生气的行为方式。具有挑战性的事件已经一次次被写入行星和卫星的历史，以至于它们的面貌大大改变。当代知识终于允许我们发展关于太阳系起源可测试的模型，寻找地外生命潜在的住所。未来的行星研究应包括对选定目标的聚焦，连同太阳系外行星。
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Figure 1: The ‘magnificent desolation’ of the Earth’s Moon. 月亮——荒凉之美
a 伽利略的草图（1610年）描绘月球：正如地球一样，具有粗糙不平的表面，蜿蜒崎岖；到处充满了巨大的结节，深的峡谷。
b Harrison Schmitt，唯一受过科学训练的登月宇航员，工作在月球车近旁，“家庭山”在后面（NASA图像as17-137-21011）。38年前阿波罗17号升空，在此期间载人登月计划突然停止了。月球探测在20世纪60年代提供了丰富的科学发现，特别是关于地质学和实验室宇宙化学；后者促使产生新的月球起源（见图2）模型，模型迄今仍然支撑着我们理解巨大的冲击。冲击能摧毁一些行星，但同时也能创造其他行星。同样重要的是，月球计划开发和完善了关键基础设施（包括发射，导航，遥感和航海）。将宇航员送上月球的技术成为我们迈入深空的垫脚石；创新任务的设计（如重力助手，轨道操纵和敏感通信协议），保证航天器在恶劣的环境中运行几十年。更具活力的月球研究发现，2007年后的月球比之前一度认为的较少干燥，使人类的殖民设想更为贴近现实。这已经重新点燃了激烈的政治和科学争论——关于人类探索太阳系的步伐和价值。
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Figure 2: Dynamical studies complement the Solar System’s exploration by spacecraft. 动力学研究作为太阳系航天器探测之补充
a 此图取自新天文学杂志（1609年），开普勒展示：地球和火星两个行星都遵循椭圆轨道；从地球上观察，火星的位置是如何变化的。出版是在伽利略具有里程碑意义的观测之前。开普勒的书宣布了与伽利略齐名的革命性发现，即支配行星运动的两个定律：行星沿椭圆（太阳是焦点）作轨道运动，运动中相等的时间间隔扫出相等的面积。
b 平滑化粒子流体动力学计算机模拟：在略高于相互逃逸速度的情况下，与火星质量相近的天体撞击原地球。本图显示，在撞击后，圆盘侵位的4个时间步之图像。撞击产生一个约1.3个月球质量的盘，几乎没有铁和烘烤产生的挥发性物质，总体具有今天地-月系统的角动量。颜色分度表示开尔文温度。通过上述天体(计算机)模拟，测试各种复杂场景如何演变。大幅度增强计算机的速度和内存，已推动了当代天体力学领域的伟大复兴（它开始于50年前，太空时代初年）。通过这样的数值实验，计算机已经成为天文学的基础“实验室”，使理论学家能够更好的探索：太阳系的现存结构是如何演变来的。据此，我们现在了解轨道和自转如何涨落演化，陨石流星如何转运到地球，彗星起源于何处，什么机制造就了行星环的复杂形貌，等等。关于太阳系形成与运行，理论研究对现在认识的影响，与航天器探测以及望远镜巡天相辅相成。
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Figure 3: Titan: a new world is uncovered by space missions. 土卫Titan :一个新世界被太空探测揭示
a 使用他的新建成的当时最先进的望远镜，在1655年惠更斯观察并描绘了木星（图右）和土星（图左），目的是将木星的卫星系统与明显缺乏卫星的土星相对照；值得庆幸，两个晚上以后，他终于看见了土卫Titan。
b 此后，下一个里程碑是柯伊伯1944年识别甲烷大气。但这颗现在最迷人的卫星，从地球看上去，仍然基本上是一个模糊的橙色球，直到旅行者1号短暂的飞越。飞越表明：Titan有厚厚的烟雾弥漫的大气，顶部富集有机雾霾，大气条件可能催生甲烷雨。卡西尼号曾七十多次飞越这土卫Titan，一个复杂的和引人入胜的世界已经被揭示。利用雷达，并通过红外和可见光窗口，检测土卫的表面，这一瞥为地质学家带来喜悦：全球布满碳氢化合物的沙丘，明显的树枝状流域和区域尺度的甲烷湖。缓和的地表起伏和少量陨石坑，每一个都是年轻表面的标志，给出了活跃的土地侵蚀信号。欧洲航天署的惠更斯探测器，借助降落伞穿越稠密的大气层，降落在富含甲烷，撒落有多彩冰砾的平原。这幅河谷网络图像，出口是黑暗平滑的流域。同时，等离子体，重力和磁场观测表明，土卫Titan内部有一个液态水的海洋(氨水)。这些发现（表明，像Titan这样的真实卫星都是奇妙的世界，正如科幻作家所想象的；）没有一个可以从地面或者从环地球轨道探测器获得。
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Figure 4: Jupiter’s Galilean satellites and other moons of the giant planets. 木星之伽利略卫星以及其他巨行星的卫星
a 伽利略的图形记录显示，1610年一月份，他所见到的一颗木星四颗卫星的配置。当时的物理学同行报道，这一发现将激发起持续的震惊。四颗卫星漫步环绕木星，正如月球绕地球轨道飞行，而两者叠加在一起勾绘出了一次关于太阳的大革命；他从而推翻了原先错误的认识——认为地球是所有天体运动的中心。
b 木卫Io，是最靠近木星的一颗伽利略卫星，在木星动荡的大气前漂浮，图中它和自己的影子位于木星大红斑的右侧。在旅行者1号飞越木星时，大多数行星专家惊讶：Io显示高耸的硫磺火山羽，活动性超过地球。木星的其他伽利略卫星，每个大约是地球月亮大小，都各具特色：木卫Europa巧妙地包裹在一个薄的碎冰壳中，冰壳下方是覆盖全球的海洋；最外围和最黯淡的木卫Callisto，密集地布满陨石坑。土星的著名卫星有Titan和Enceladus；它们尺寸不大，但喷射水蒸气到太空。海王星卫星Triton为间歇喷泉提供热能，水从冰冻的哈密瓜般的表层裂缝中喷出。一个行星地质学家声称，天王星卫星Miranda，连同它的带有补丁的表面，是最奇怪的地方。总之，卫星是惊人的活跃和迷人，正如行星本身。
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Figure 5: The allure of the outer Solar System. 太阳系外层的诱惑
a 在1612到1613年期间，伽利略在观察木星时，注意到附近有一个天体运动，现在已经知道是海王星。实际上，一些历史学家揣测，伽利略——这位意大利的观察者，已经发现了这一颗新的行星。
b 一幅旅行者-2号拍摄的假色彩图像，显示海王星（一颗冰冷的巨行星），包括其大暗斑，一些随伴的白色卷云，以及其他大气风暴。当旅行者号航天器发回自己的第一个数据，提示我们：不像我们地球的近邻（岩质的陆地行星），在太阳系外层，行星在组成和背景等方面，挑战我们原先的模型。它们主要由氢和氦组成的，气体巨人木星和土星之尺度令地球相形见绌。它们精巧的环和卫星，花样多多；并且持续活跃，尽管有限的能源供给（图4和6）。一个科学采访人员描述对旅行者号成果的感受：“纯粹知识的乐趣，从来没有什么能与旅行者号的见闻相比。在木卫Io上的火山，围绕土星的环，还有其他编织的环——惊人至极”。除了这些特性，行星上动荡的环境更是壮观：湍流大气，强大的雷暴和活力四射的极光。海王星，太阳系中的离太阳最远的行星，具有最强的西风带，尽管太阳能对它供应有限；海王星的卫星Triton质量大，环绕Triton有三个闪闪发光的环弧。天王星，另一个冰巨星，有一系列交错的环和卫星，一个高度畸变的磁环境和奇异的卫星——天王星的月亮 Miranda。
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Figure 6: Saturn’s rings provide analogues to protoplanetary disks. 土星环提供了原行星盘之模拟
a 伽利略素描土星的草图（1610年晚），导致了惠更斯1659年的评论，“我很惊讶，难道土星……不是一颗恒星，而是三个在一起。” 实际上，伽利略（第一个天文学家）已经简单地曲解了未聚焦好的土星环。
b 这个图像显示了土星环不寻常的暗淡，这是因为太阳光从下面射来。无色彩的阴霾笼罩土星的北半球（因缺少阳光更为寒冷），而环的阴影会产生尖锐的黑暗的中央带，越过土星的的中间部分。不不计其数的厘米至米尺度的冰粒，在土星环中形成一个很薄的，几乎是不透明的盘；这个盘在以天计算的时间尺度上变化，更在亿万年的时间尺度变化。相当大的径向结构是通过外部卫星（沿主环外轨道飞行）的周期性强迫。在其他地方，两个小的嵌入式卫星已经清除了最外圈的环间隙；众多的，甚至更小的，看不见的小卫星，扰乱着环。土星圆盘的动力学行为，其内含的质量，与太阳系原行星盘具有许多相似之处（但也有某些差异）。c，Fomalhaut b，一个木星大小的太阳系外行星（在图c白框中），走出一条路，沿碎屑环内缘，（这个环围绕年轻的A3恒星，半径115个天文单位）。这个假彩色图像取自哈勃太空望远镜。类似地，若干颗土卫嵌入在土星的环中。上述这颗系外行星的存在，最初是从环带的形状和环带的内边界推断。我们探索关于太阳系的详细信息，有助于我们理解太阳系外行星的形成，反之亦然。
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Figure 7: Radar observations unveil Venus’ hellish landscape.雷达观察揭示金星地狱般的景观
a 伽利略关于金星位相的草图（1610年底）揭示，金星的外观很像月亮：既有轨道相的阴晴圆缺，又有视觉上大小的变化。主流物理学家认为“绝对必然的……金星围绕太阳转，就像其他所有的行星”，从而拒绝相信地心宇宙观。
b 麦哲伦雷达已经穿透金星的云层，提供了100米分辨率，假彩色图像的中心位于东经180°。由于其相似的大小和质量，金星曾经被认为是地球的双胞胎，而实际的金星却完全是一副坏样子。浓密的二氧化碳气氛造成了温室效应失控，今天产生的高温使几乎所有的金星水都逃脱了。金星的云是由硫酸组成，而不是像我们地球的水滴。这颗行星的表面是令人惊讶的年轻，火山广泛存在。8亿年前，河流的泛滥被认为已经抹去了大部分的金星表面特征。地球最近的兄弟提出了一个发人深省的例子——行星表面的条件对其大气是何等敏感。一些新发现的（主要是气体的）系外行星，由于其接近中央恒星，导致有过热的大气。这些热结构是惊人的，可能需要额外的热源，例如潮汐加热。
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Figure 8: The Earth’s sibling, Mars. 地球的兄弟——火星
a 早期望远镜观测确认了火星极冠随季节的变化，行星的特征变化，甚至偶尔有遮蔽全球的沙尘暴；这种类似地球的行为激起了大众对火星的兴趣。Lowell 1905年的火星北极素描，显示许多大致线性特征（类似河渠），他解释说，是智能居住的证据。
b 暗的地面轨迹记录，众多尘暴路径。纵横交错的浅色沙丘；梳状阵列从山脊顶滑坡。火星的大部变异（包括被Lowell突出强调的），其原因是：当二氧化碳干冰升华，尘埃被运送通过全球距离。火星被发现是除了地球之外最富有的行星。这是人类探索计划的最终目标，也是最有可能的地外生命栖息地。因此，这颗红色的行星是苏联/俄罗斯和美国的空间计划之中心。对火星的研究可以比对地球的研究过程，在这样的信念中，对两个行星的协同研究可以揭开他们的秘密。例如，包围火星的两极的分层沉积记录，可能反映火星所经历过的实质性的轨道/自转振荡效应；这能证实地球气候变化的米兰科维奇模型。我们对火星的理解在两个问题上是波动的：火星是否曾经有充足的流水，火星上是否有过生命。
引言
我们的祖先最早有组织的尝试对周围环境的感受，便是观察夜空。因此，天文学被认为是最古老的科学。早期九成的历史记录反映，天文学在很久以前只是关注行星的位置变换。另外，无论是日月食，新星，彗星或流星雨都可能用于占卜凶吉。一切都显得十分平静，除了那些偶尔造访的“漫游者”。现在我们知道，它们是地球的兄弟姐妹。
行星科学快速起步
在1609–1610年冬，行星变得比上一季亮了许多，一颗颗亮斑镶嵌在天空背景。在上年夏天，在知道了荷兰人发明望远镜之后仅仅数周，伽利略便构建自己的望远镜。将凹、凸透镜安装在一米长的纸板管的两端。尽管仍然属于初级，但效果未曾设想。伽利略在改进之后，将望远镜对准天空，接着他看到“最美丽的和令人愉快的景象……所有自然现象观察者最有趣的事……天然卓越，绝对新颖……”，他为发现兴奋地呼喊。在伽利略一本24页的小册子中，他宣布了几项革命性的发现：月球的表面性质，如地球一样，充满崎岖（图1a）；有的发现是在同年晚些时候。伽利略惊人的发现为哥白尼的太阳系日心模型（1543年）提供了关键支持。
纵观科学史，观测的发现和理论的进展往往是手牵手前进。因此，顺势发展，天体物理学也开始于那个时期，标志性的事件是： 约翰内斯·开普勒的新天文学杂志（1609；参见图2a）出版。令人不解的是，在周年纪念日开普勒收到的关注度，大大低于伽利略在国际天文年尾的收获。这或许因为，观测事实与理论建构相比，前者受众更广。另外，伽利略的故事，他经常面对教会抗争，加深了人们的印象。
今天，距伽利略革命性杰作发表刚好四个世纪，又正值火箭首次造访太阳系近邻五十周年。地球的使者已经探索了每一颗由国际天文联盟确认指定的行星星球。在那些经典的已知的行星中，绝大多数由我们的空间探测器监测。同时，地球周围宇宙飞船的存量已呈拥堵状态。他们收集来自地球表面、大气层和磁层中的科学信号。不知疲倦的旅行者号飞船，已经到达我们太阳系遥远的边缘，现正在进入星际空间。
望远镜时代
伽利略的初始观察，本质上重塑了我们对宇宙邻居的认识。通过高标准，在接下来的三世纪半，天文学的后续进展缓慢。进步通常是基于望远镜及其附属设备的改进。在这期间，不同的太阳系天体都在加速确认，其力学性能（例如，轨道，大小和自转）和光度（亮度）特性被精测。但他们的化学和物理属性（例如，组成和大气条件）仍然不清楚，直到20世纪的最后三分之一。
直到1717年，有了越来越多的测量太阳系天体精确位置的工作。仅仅注意天体目标在天幕中的移动，刺激数学家在这十七，十八，十九世纪，将优雅的动力学理论（拉格朗日和拉普拉斯）推至顶峰。这项工作受到重视的主要原因是，在海上航行时为确定经度，需使用相关技术。今天很明显，在所有物理学分支中，天文学大部分历史显现出实用性并可获经济回报。此外，如果今天天文学再一次地包含星象学（有史以来，总有人以此获利），也不足为怪。
太阳系的发现在十七和十八世纪不断积累，此间土星的五颗卫星于1655和1684年之间被发现。此前，第谷·布拉赫（通过视觉观察）确认，彗星是天体而不是大气现象。爱德蒙·哈雷关于彗星的轨道计算（1682年，事后，学界以他的名字命名了这颗彗星）解释了多次闯入地球视野的彗星，为何遵循75年的特定周期。更重要的是，这一分析极大地展示了牛顿世界观的预测力。
在第十八世纪末，威廉·赫歇尔发现了另外四颗土星卫星。更大的成果是，在1781年当他从自家后院系统地寻找天空中靠在一起的双星，他偶然发现了天王星。这个意外的对肉眼不可见行星的探测，有效地将太阳系的尺度增加一倍，推翻了之前的认识：认为（至少）附近的宇宙是空空如也。
第十九世纪天文学发生了深刻变化。第一个不可见辐射（红外线和紫外线）于1800和1801年被检测到。在同一时期，发现谷神星——第一个被发现的小行星。发现竟然是精确定位在Titius–Bode经验定律（1772年）预言的位置。一度陨石被认为有一个宇宙起源，化学家们开始分析外星材料。正确推断出天王星轨道不规则的原因，天文学家引导观察员发现了海王星（1846年）。现在被归类为我们的太阳系的第八大，也即最后一颗行星（冥王星归类为矮行星）。
几个19世纪中期发展包括：长期探测各恒星视差，以及光谱和摄影图像的制作；转化望远镜的观察结果。这些重新定向的天文学关注的对象包括：从行星到遥远的恒星。这一趋势在第20世纪早期加速，当现代的进步将天文学转变为天体物理学。随着恒星和星系的研究吸引力之增强，行星和卫星的研究陷入了相对弱势。根据传统的共识，行星研究的专业地位下降主要原因是，社会对Percival Lowell宣扬火星上可能存在智能生命的反应，但最近学术界质疑这一历史解释。行星科学地位后来的改善，可能得益于两本有影响力的教科书（请参考原文）在上世纪中期出版。
直到上世纪60年代中期，地基天文研究主导了我们对行星的理解。甚至二十年后，地面上的望远镜仍然是探测太阳系目标的主要工具。今天，彗星和小行星的观测普查，有了我们对这些类天体的理解。航天器的飞行计划不多，很难飞临这些目标。
行星观测再定义
行星探索在科学史上是相当不寻常的：当一个神秘的研究专业，被一些远远超出其控制的事件（box 1），突然推升至名声大噪；它几乎是一个瞬间诞生的学科。太空竞赛期间，美国和苏联政府资助的行星科学，目的是为了展示军事实力和提升国家声望。许多公民，包括科学家，只是被“探索其他星球的奥秘”所蒙蔽。同时，工业部门收到激励，收获利润和技术进展。
地球大气层吸收诸多形式的电磁辐射，大气湍流在整个谱带宽度范围模糊了光谱分辨率。因此，简单地移动仪器到太空，允许在所有波长获得更清晰的图像。此外，太阳系不同于更遥远的天文目标，它是利用星际交通手段实际可到达的。航天器上所载的小望远镜，可以将微小的光点放大至，可展现其自身价值的奇妙的大世界。对于典型的火星和土星的轨道仪器，分辨率可提高105和106 ；而一个场景的像素数，则分别提高到1010和1012。此外还有，开辟表面着陆的可能性，从选定的岩石取样，抽取大气样本，尤其是寻找意外的发现。地外行星材料的物理样品，然后可以被转送回到设备齐全的地面实验室，在那里可以详细分析矿物学参数和同位素组成。为行星探测而设定太空任务，其优越性已经为许多案例展示，例如，卡西尼号飞船对土星最大卫星Titan的成功探测（见图3）。
迈入太空
现在很少有公民意识到，50年前人们对太阳系成员（包括地球）的了解是多么少。简单地说，只有少数事实可以说明人们对太阳系的了解。考虑以下事例，令人惊讶：1966年后期，著名科学家争论，是否植被会覆盖火星。十年前，科学人在金星的问题上发生分歧，是否金星被沙漠、沼泽或海洋覆盖。月球环形山，这样的结构只有在太阳系被观察到(并且只限于少数类地行星)，直到1950年一直被误认为是火山。天然卫星被认为是由岩石或冰构成的毫无生气的死疙瘩…。然而，在太空任务开始执行的50年后，已经从根本上改变了我们的孩子（这一辈）关于太阳系的认识。
1957年在第一颗人造地球卫星发射后不久，对地球邻居的探测便以闪电战的速度展开。在六个月内，地球辐射带被辨认（第一个太空时代的惊喜）。1959年1月，月球1号挣脱了地球的引力，掠过月球，在路途上发现太阳风。9月中旬，月球2号撞击月球。仅仅三个星期之后，月球3号发回了月球背面充满陨石坑的模糊照片。1962年水手2号飞越金星，航天器第一次成功地与行星相遇，测量了该行星的灼热。30个月后，水手4号看到了（高能粒子）对火星温和地区一反常态的轰炸。
在六、七十年代后期，本文作者的职业生涯开始了。指向内层太阳系的远征似乎每隔几个月就要出发一次（box 2）。地球的月亮是一个主要目标（图1）。我变得沉迷于太空探索, 一层层地剥离所有内行星的面纱。这包括：水星（在1974–75年，水手10号3次飞越）；金星（水手5号和10号，维纳斯先锋号在1978年，富有成效的Venera号和织女星号系列，雷达可见的麦哲伦号）；火星（水手6号和7号，革命性的水手9号在1971年，最后海盗号登陆车寻求生命迹象在1970年代中期）。
但是，35年前人类冲进空间的步伐有所放缓。美国放弃了70年代初重点关注的月亮（图1），以及若干正在审批的行星任务。在这一时期，苏联的探测计划经历了一连串的灾祸，从而失去了资金和影响力。幸运的是，自1977年发射成功，美国旅行者号两艘飞船已经开始了它们雄心勃勃的“大旅行”：第一，两个航天器在1979年造访木星（图4），然后在1980年和1981年造访土星；旅行者2号在1986年冒险飞过天王星，并且三年后按照计划与海王星相遇（图5）。在这个乏味的时期，人类的太空计划是靠这些鼓舞人心的飞行支撑；当今的许多太阳系探索事业的领导者，在参与上述太空任务的实践中成熟起来。
在20世纪80年代，尽管旅行者号的胜利，美国的探测计划仍然萎缩：里根政府考虑削去所有行星研究，一些任务失败或被取消。挑战者号载人飞船灾难性发射事故降低了航天器的总体发射能力，也减少了重新安排的预算资金。在上世纪90年代中期，以Discovery命名的一项计划（规模小但目标集中的发射任务）使行星科学得到部分复苏。这些发射对太阳系内轨道的天体完成了多方面研究，强调小天体和月亮，并试图寻找太阳系外行星。不幸，尽管美国航空航天局喊出“更快，更好，更便宜”的口号，能同时满足所有三个形容词的情况是很少的。
旗舰任务（1989年伽利略号飞向木星；1997年卡西尼-惠更斯号飞向土星）被指派提供延伸观测，从而充实旅行者号对气态巨行星及其周边附属物之勘察数据。非凡的工程成就包括：伽利略飞船抛下一台大气探测器（木星大气的气压高达10巴）；使用降落伞惠更斯号着陆舱在土卫六Titan表面安全软着陆（图3）,返回一个小时的科学测量数据。尽管天线故障一度终止数据传输，伽利略号飞船仍然传回了惊人的图像（集中于木卫一Io的火山和木卫二Europa的冰壳裂缝）。目前，在卡西尼号的第七年，飞船绕最美丽的行星（土星）（见图6）作轨道飞行。土卫Titan（参见图3）也已展现出它在诸多方面引人注目的面貌。土星环被认为是大尺度天体物理盘的局地动力学原型。
90年代中期人们还见证了行星科学的一个重大的重定向，以及美国航空航天局的天文组合项目，大部分是指向起源的研究。一些新的发现推动了起源研究的重生：太阳系外行星越来越普遍地被发现，许多存在于复杂系统；在火星陨石ALH84001中，貌似真实（但现在不足信）的化石生命形式的鉴定；地下生命可以生存，甚至在极端环境中存活。行星起源的问题，以及生命本身起源的问题，开始被关注，并获得资金。天体生物学，部分得益于最终有了一个名号，成为一门公认的科学。在短期内，美国宇航局的行星预算增加很快，大致均等地分配给火星项目和其他项目。
除了美国和苏联以外，其他国家也进入了宇宙。国际舰队，包括来自欧洲的（欧洲航天署）和日本的创始发射，迎接1986年哈雷彗星的回归。在此前的几年里，欧洲航天署，印度，中国和日本也加入了美国的计划，顺路拜访地球的卫星（月亮），传达出全球对月球兴趣复苏的信号（图1）。
今天，地基和地球轨道望远镜可以补充太空发射任务，与20年前相比，它们对行星科学的贡献增加了许多。大口径望远镜与（带有敏感探测器和强大计算机的)自适应光学系统结合在一起。这些设备1992年观测了第一个柯伊伯带天体（除了冥王星），并且继续普查这些迷人的天体。此外，高品质低成本的系统，允许业余爱好者和小规模学术天文台，为综合巡查提供有价值的数据，监测选定的目标。现在，我们太阳系的居民，最新的户籍名单包括一些额外的天体（例如，小行星双星和海王星轨道外星体），包括柯伊伯带天体，离散盘和奥尔特云彗星，彗星/小行星过渡目标，不规则卫星以及各群体内之家族。
对行星和起源的洞察
在太空时代，关于我们的天体邻居，我有五个最喜欢的研究发现领域：（1）我们现代对太阳系组成的理解；（2）众多充满活力的行星和卫星；（3）天体生物学；（4）太阳系的起源；（5）其他行星世界。
对太阳系居民的信息普查
图5，6，7和8，展示了对一些行星（海王星，土星，金星和火星）今天的认识。与发射人造卫星的时代相比，现在我讨论一些关于卫星和小型天体的修正观点。
通过空间任务探测天然卫星，发现它们是一个个颇具特色的世界。当然，地球的月亮（图1）是第一个要被观察的地外目标，最初的任务由Rangers号和搭载仪器的轨道器完成，然后用登陆器，最终是人（宇航员）登上月球。今天，无人驾驶探测装置已经再度兴起，继续改善科学家对地球之天体邻居的理解，这也许是一个更强劲的人类探索计划的前奏。正如我们看到过的照片，月亮具有荒凉之美。外星人不会奇怪，月亮是一个布满陨石坑的惰性世界。其他行星的卫星自然地被期望与月亮相似，更小的月亮一般较少引起兴趣。然而，火星的卫星Phobos（火卫一），可能是真正超凡脱俗的下一个研究目标。它形如一个25公里长的土豆，纵横交错的沟槽和全球尺度的环形山构成网。较小的天体，每单位体积的表面积较大，小天体冷却速度更快，因此往往被认为是寂静的、乏味的。但是，太空飞船的访问已经发现，许多太阳系外层天体，它们一般被认为是冷的，而实际上惊人地活跃（图3和4）。
众多相对小型的太阳系天体（小行星，彗星，流星等等）已经通过望远镜被详查，还有一些被航天器访问。小行星以前被认为是惰性岩石块，除了偶尔相互碰撞，不再多做什么。有时它们破裂成碎石堆：Yarkovsky 效应无情地修改小天体的轨道和自转；偶尔，通过潮汐和离心作用，破碎生成双星。彗星不是以往所认为的脏雪球（水冰球），而是冰冷的成分复杂的被柏油之类的有机物弄黑了的脏球。令人惊讶的是，尽管这些游客来自最冷的深空，它们之中仍有一些在某个时间体验过大大升高的温度。
我们太阳系的寒冷边缘包含一个迷人的动物园：从小到大的天体；一些是原生的，另一些是混融的；不同的部落颜色不同，轨道模式也不同。当太阳系在数十亿年前形成，所有这一切无规地聚集在一起。柯伊伯带二十年前几乎是是未知的（除了其中的冥王星），但今天已有超过一千的遥远的、巨大的冷天体被追踪。科学家提出，本地居民的径向扩张和轨道构成类似于未来将诞生恒星的碎片盘。除了被降级的矮行星冥王星，这个区域至少还包含有三颗矮行星（Haumea，厄里斯和梅克梅克）。在所有海王星轨道外行星家族中（小行星谷神除外），冥王星目前较少引起人们的关注。
人类探索太阳系的最终目标是要认识我们的地球（作为一颗行星）。阿波罗探月项目摄取的标志性图像，展示了地球从月亮地平线升起的壮丽景象，同时它也改变了我们每个人对地球的印象（水蓝色大理石），引发了上世纪70年代的全球性生态运动。我们的栖息地不是孤立的空间。相反，我们的宇宙环境深刻地影响着我们。小行星和彗星猛烈的碰撞，一次次地打断过在我们星球上的生命进程，并将再次打断。
一个不断变化且经常狂暴的太阳系
随着太空时代的到来，天体的运动被认为是完全可以预测的。然而，事实上它不再是一个时钟样的宇宙；今天的许多混沌原型涉及天体动力学：在几百万年间，见证有Hyperion（希腊神）自转，火星轴倾斜，和行星轨道倾斜。
当粒子被推入混沌轨道，其路径可能明显改变，粒子进入到某些区域，在这里碰撞可以将它们赶走，从而清出整片轨道空间。因此，在太阳系积累和演变的进程中，混沌起到决定性作用，其中许多构建结果今天可见。混沌的必然结果是，当代的太阳系仍然在不断变化。轨道可能不稳定（例如，Yarkovsky效应的扰动），从而漂移进入共振态（在那里，质量的相对位置，按照强迫周期的简单分数重复）。
随着我们的天体后院的随机性质被揭示，规律也已被同时确定。有时天体从普遍存在的共振地点被优先消除：事实上，空虚间隙在环系统中很突出（见图6），它们也渗透到小行星带和柯伊伯带。在其他情况下，质量可能会被驱动到共振的路径：一些小行星与木星分享了这种安排，此外卫星一般驻留于共振对。这些配置意味着变异，并不是与生俱来之物。
一度，偶发事件（彗星造访，日月食等）被视为在地球附近发生的自然现象，但在混沌已成为常识之前，太阳的领域被认为是平和不变的。这个观点逐步调整，环形山（太阳系星体岩质表面的重要地质形貌）被理解为源于星体碰撞。这种碰撞自然是源于轨道混沌，正是混沌诱导了轨迹交叉。许多人认为，后期严重的爆炸，撞击事件强脉冲，在39亿年前重创了太阳系内层。白垩纪生物灭绝被解释为气候灾难的结果，而气候灾难则源于一颗直径10千米的地外小行星撞击具有岩质表面的地球。1994年人类见证了另一次特大灾难性的事件，潮汐力扯破了苏梅克-列维9号彗星，二十块以上超巨星体残存物轰击了木星。
在达尔文诞辰二百周年，科学界强调一种想法，缓慢的修饰也可以产生生命改变的后果。太阳系探索的开始，就像上世纪60年代板块构造革命，建立了量化的全球进程，同时说明了各区域和地方的地球物理特征。因为许多早期的行星研究人员，被训练成为地质学家，现代地球物理学轻车熟路，得以立即通报他们的认识，解释在其他的类地行星上可见的特征。
虽然行星科学家们接受全球行星变化的普遍判断，变化的证据在最开始是缺乏的。火星早期的图像误导了我们的社会，期待每一个固态天体都会像地球一样，伴随出现一个月亮。在1971年水手9号（环绕另一颗行星做轨道飞行的最初的太空飞船），揭示了火星的风景。在某些方面它很像地球：古河谷，火山，峡谷，风化等。很明显，这颗红色星球至少发生了两次重大变化（最初是充满陨石坑的形貌；一度是类地温和的环境，然后是干燥寒冷的状态）。此外，火星当代监测记录，相关资料丰富，扩展了历史积淀，也见证了新的陨石坑，层叠的山体滑坡和喷发火山造就的小河（在水手9号任务期间）。同样，一度麦哲伦号雷达能透过金星厚厚的云层仔细观察这颗行星。地球内向（指向太阳）近邻被观察，为的是复原其诞生的历史记录（图7）。金星的表面被火山岩平原覆盖，它相对年轻，少有陨石坑。巨行星也有全球遍化，不仅表现在它明显搅动的大气（例如，色彩斑斓的木星大红斑，见图4），而且表现在它们持续的冷却。
正在发展的地质活动已经被探测，连同几个外行星之卫星（见上面，和图3和4）。在土星环（图6）和其他环系统，选定的特性已被具体观察，这些环从发展到消失经历几天到几十年。因此，某些太阳系范围内的活动，与我们地球的环境竞争。
思索生命的开始
关于地外生命可能存在的话题可以向前回溯一千年。这场辩论自上世纪90年代中期开始愈演愈烈，部分是由于激发性科学发现的驱动（见上述），也包括了对神创论者攻击（有关生命起源和后来的进化）的反应。
天文学家们之发现越来越复杂，但仍然可以说相对简单：有机分子遍及星际间介质，遍及我们银河系以及河外星系环绕恒星的环境。类似的分子已被发现在行星（和卫星）的大气中，也发现于真空的月球表面，彗星和柯伊伯带天体的表面；更复杂的有机物是在碳质球粒状陨石中发现的。于是，一种普通的化学组成，显然可将地球上的生命体与宇宙联系在一起。因此，观测证据提示人们，应在一个远比达尔文设想广阔的框架内考虑生命。
关于外星生命可能发展的地域，坚持到现在，突然变得面目逐渐清晰。普遍的看法是：生命需要能量、有机物和溶剂（可能是水）。这一观点激励NASA提出“外空生物学”战略——寻找水。
在太阳系王国潜在的地外生命栖息地，满足这些假定条件的地方包括：古代火星河及其流域；木卫Europa的水冰壳，及其允许液态水喷出的冰壳裂缝；土卫Enceladus温暖的羽状物的源域；土卫Titan，有其丰富的有机环境但极其寒
冷；剩余的天文生物学兴趣，主要是展示某种复杂性：在生命孕育出现之前，有机分子可能先行到达。潜在目标的上述列表，显示了生物学宜居区域的大幅度扩展。如果发现地外生命，或许它不会是在目前科学家预测的地方。
过去十年，火星全球测绘和漫游活动，提供了大量证据（关于古代遗留下来的浅水湖泊；关于当前活动剧烈的火星）。至于木卫Europa横贯表面的裂缝，公认的成分是含水无机盐、硫酸盐或碳酸盐。有关争论的焦点是：它下面的海洋是否有可能设法到达。土卫Enceladus的大部材料是富钠的，这表明它的深部是温暖的。然而，卫星产生热量和卫星喷流的机制仍然存在争议。如果经过全面搜索，证明生物分子在所有这些地方是不存在的，我们未来的努力将严格限制于地球生命如何起源。
关于太阳系起源的思考
从古代文明的神话开始，经由基督教康德星云假说，再延伸到一个世纪以前的潮汐和遭遇理论；太阳系起源的考虑，往往只是历史角度的哲学沉思，适合于开发可利用的计日数学。能约束投机的科学事实根本不能利用。现在，不再是这样的状况。
毫米或更小尺寸的陨石样品，彗星尘埃，和月球样本，上述三类样品的年龄，通过比对同位素比，已确定在一百万年的范围之内。这样精的年龄测定，严格限制了可能的过程，并排列了太阳系婴儿期（45-46亿年前）?关键事件的顺序。
从太阳系洞察，从原行星盘崩塌以及系外行星的观察，已经推进了我们的理解——行星是如何起源的。前者（系内研究）添加了关于附近行星成功诞生的启发性细节；后者（系外研究）则提供了数百个天体物种广泛的信息。
因为许多形成过程是深藏在太阳系以外的盘之内部，因为早期所有当时的观测仅具有粗糙的分辨率，事件常常必须推断。因此，并行的理论进展，对于指导这样的观察至关重要。然而，在过去的十年中，太阳系的起源（就像宇宙学）已经从推断，进步为一门成熟的科学。为此，每一假设都面临着观察测试。
当一团致密的分子云坍缩，我们的太阳系诞生了。我们的原恒星通过吸积增加质量，时间超过~ 105到106年，一个扁平的且不断展开的原行星气体-尘埃云，包围着它。在早期，尘埃结块形成卵石，然后，通过一个未知的机制，迅速凝聚成千米大小的行星星子。这些星子可能是松散的碎石堆，正如我们从测量小行星和彗星的密度（密度低）所导出的结论。但500米尺度在地球附近的小行星itokawa，是一个由大小不同的石块堆成的分成两团的聚积体，这提示：今天球对称聚积模型可能是过于简单。然后，再经历失控的吸积大约105到106年，这些星子聚积到千公里级行星胚胎的尺度。
在靠近太阳的加热区，只有耐火材料（例如，硅酸盐和金属）可以呈固态。在那里，晶胚之间的高能碰撞产生类地行星。当这最后阶段结束，即星云开始坍缩之后3000万至5000万年，一个火星规模的星体击中了原地球，掀开了地球地幔的一部分，形成了一个环绕行星地球的盘，从这个盘我们的月球迅速长大。（图2）。
与此同时，在巨行星区域，大量的星核（质量大，组成多样——各种易挥发的冰）开始了失控的星云气体吸积，这些气体构成了现在气体巨行星的外壳。为了产生巨行星，传统的观点是星核吸积模型，另有少数人主张的机制是：在星云中整体的引力不稳（坍缩）。根据大量的系外行星的观测，积累过程仅仅持续了106年，远低于先前的猜测。在这段时期内，巨行星由于与邻近盘相互作用漂移轨道。类似的迁移机制，有可能将许多系外行星带到它们的恒星附近；土星的光环显示，它与太阳系盘可比。随后，巨行星迅速进化，抛甩任何剩余的星子到奥尔特云。从那里，有一些作为今天的彗星最终返回。
现在受人青睐“NICE模型”主张，在未来的5亿年太阳系将有一个离开紧凑配置的飘移。巨行星轨道将戏剧性地重新排列，造成大破坏（包括the Late Heavy Bombardment），并产生许多太阳系的独特结构。虽然我们最近已经学到了许多关于太阳系的起源，在未来的十年中，我们应该见证更大的进步。
系外行星是今天的“漫游者”
一颗脉冲星带有3颗行星，这是18年前的惊人发现。今天，各种各样的系外行星已经构成一个动物园，每一个都有它自己的位置。在1700年，对我们的行星，我们可以计算出轨道解。迄今，近500颗系外行星的轨道运动被地基或空基仪器监测。首批行星被追踪（见图6），系外行星的范围从“热木星”、“超级地球”，到数百天文单位以外的超大质量天体。掩星观测提供了初步表征（质量，半径，密度和组成）允许打开行星研究新视窗。测量数据的多样性提供了大量目标，行星科学分支可以有针对性地应用（例如，动力学，气象学和宇宙化学）。这样的应用会帮助我们理解太阳系外行星，而且会尽可能多的揭示我们的邻近行星。简单地说，行星的研究的意义也因此被放大，远远超过太阳的周围环境（box 3）。
过去成为未来
当我们回想起其他科学革命，在Tom Stoppard的戏剧“世外桃源”中有句话：“自从我们气势汹汹不知天高地厚，像这样的一扇门已经打开过五或六次。对活着来说，这可能是最好的时光，此刻几乎所有你以为你知道的事都成为错误…。”自从太空时代开始以来，行星科学正是如此，它正值最美好生活时期。这五十年，在行星蒙昧和行星认知之间的相对短暂的插曲，对我们这批幸运的星球探险家来说，确实美妙动听。
在一些科学家脑海中，被太空任务探索的邻近世界如此不同，许多并不怎么迷人。对于土星质朴美丽的环，对于金星环境恶劣的火山平原，或者对美人鱼卫星Triton冰冷的优雅，要做出选择是困难的。这些世界，遵循相同的物理和化学规律，却是那么的不同。然而，所有的都是地球的兄弟姐妹，出生在同一个星际云，出生在相似的时间。
当第一批系外行星之细节能被观察，地球上的居民毫无疑问地会将它们看作是最美丽最讨人喜欢的风景；正如1610年伽利略的惊喜。我们的行星探索将周而复始，随后的发现将逐步转换这些太阳系外灯塔，使之成为我们的后代所熟悉的世界；就像今天我们眼中的火星和土星。
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