自人類歷史開端以來，我們這個物種就展現出對周圍環境非同一般的好奇心。對週遭環境的興趣，驅使著無數探險家探索地球上的大山、叢林、沙漠和海洋。早期人類也表現出對夜空的強烈興趣，尤其對佔據宇宙一個小小角落的恆星和行星的興趣。古代文明就我們的宇宙環境發展出了詳細的解釋框架，建構了複雜的、往往出乎意料地準確的模型以解釋它的運行。
17 世紀 10 年代，望遠鏡在歐洲被創造出來，肉眼觀察（眼睛只能對有限的光波和顏色做出反應）被放大工具取代，這樣，早期天文學家就可以更詳細地研究附近的天體，也可以發現此前無從知曉的更遙遠的目標。從伽利略開始，17 世紀的觀測者很快就發現了木星和土星的衛星。18 世紀和 19 世紀，更強大的望遠鏡被製造出來，天文學家在 1781 年首次直接觀測了天王星，1846 年又觀測了海王星。
到 19 世紀晚期，新的攝影技術被用於天文學。膠卷經過長時間曝光（通常幾個小時），就能夠存蓄來自天體的光線，因此，膠卷的使用，使得我們可以永久性地記載比肉眼（即便使用了望遠鏡）所能見到的更暗淡的恆星和星雲（反射附近恆星之光線的發光氣體或塵埃雲團）。正如我們在第 1 章瞭解到的，天文學家也學會了使用分光鏡，它能夠將來自遙遠地方（比如恆星）的光線分解成不同的顏色或「頻率」。
毫不奇怪，我們的太陽系對所有文化和所有時代的人類都具有巨大吸引力，因為它簡直是我們的宇宙社區。在不斷擴張的宇宙的整體框架中，儘管我們的宇宙環境相當模糊不清，不過，它對於生活在其中的我們有著相當大的魅力，正如我們著迷於自己所在的地區、大陸和地球的物理環境那樣。我們不斷嘗試解答宇宙環境的一些重要問題，比如太陽和其他行星是如何以及何時形成的，科學家已經發展了日益精密的一系列技術，它們為建構本章的敘述提供了證據。
太陽系起源的證據
三種觀測工具尤其有助於科學家積累大量證據來證明當下行星形成的理論。它們是地基望遠鏡、軌道望遠鏡以及無人駕駛航天器。另外，放射測年也讓研究者能夠精確地確定太陽系和地球歷史上許多事件的年代。
地基望遠鏡
從 17 世紀早期到相當晚近，科學家主要依靠地基望遠鏡來建構關於太陽系起源的令人信服的描述。儘管可信度強，而且精密度也在增加，但是地基望遠鏡在處理一些問題時顯得很吃力，比如光污染（即人類創造的多餘的、干擾的光線）。
軌道望遠鏡
20 世紀後半期，新技術發展起來，天文學家由此可以深入宇宙最遙遠的角落。如同 20 世紀的其他技術進步一樣，火箭技術也是為了在二戰中佔有軍事優勢而發展起來的，它使得人類首次能夠直接訪問太空。到 20 世紀 60 年代，火箭被用來將望遠鏡發射到太空。這些「移動的天文台」被送到繞地球飛行的衛星上。通過擺脫地球表面的光和其他大氣污染，這些飛翔的望遠鏡讓我們可以觀察到電磁輻射的光譜全景：從最長的無線電波到最短的伽馬射線。高度精密的傳感材料（尤其是硅，一種耐熱的惰性元素）被用來探測最廣泛波長範圍的輻射。把大型硅相機安置在巨大的軌道望遠鏡上，人類就可以直接觀測宇宙許多地區的真實面貌，這在人類歷史中尚屬首次。
1970 年發射的烏呼魯號 X 射線探測衛星是刺透宇宙最幽暗角落的早期重要探測衛星之一。通過繪製 X 射線的天空圖景（換言之，通過展示天空在 X 射線頻率上看起來是什麼樣的），過去發生爆炸的數百顆巨大恆星的殘留物被發現，另外還發現了黑洞的第一個直接證據。現在，天文學家通過利用錢德拉 X 射線望遠鏡（the Chandra X-ray observatory）和歐洲航天局發射的多鏡面牛頓射線天文望遠鏡（XMM-Newton）收集的信息，來構建宇宙的高分辨率 X 射線圖像。
在所有的軌道望遠鏡中，最突出的是美國航空航天局（NASA）的哈勃太空望遠鏡（HST），它於 1990 年 4 月 25 日由一架航天飛機送上太空，大小與一輛校車相當，每 97 分鐘繞地球旋轉一周。然而，在發射成功後數日內，哈勃太空望遠鏡傳回地面的圖像非常模糊。美國航空航天局的科學家很快找出了原因——主鏡出現了一個主要失誤，它的一條邊不平，偏差是人類一根頭髮寬度的 1/50！1993 年，「奮進號」太空飛船追上哈勃太空望遠鏡，增加一架照相機來修正鏡面出現的問題。1997 年 2 月，哈勃太空望遠鏡得到第二次維修，上面安裝了紅外線攝譜儀（參見圖 2.1）。當在地球大氣層之外運行時，它記錄了超清晰的圖像，我們的太空知識也徹底改觀。哈勃太空望遠鏡向天文學家傳回的圖像，能夠達到 0.1 弧秒分辨率（1 弧秒是 1 度的微小部分，是測量分辨率的標準單位）。科學家相信，在未來幾十年，巨大的軌道干涉儀可以將分辨率精確到十億分之一弧秒。
圖 2.1 哈勃太空望遠鏡。
衛星天文學已經改變了我們的太空知識。非凡的哈勃太空望遠鏡已經收集了大量關於太陽系和宇宙的數據資料
無人駕駛航天器
過去 40 年，許多無人駕駛航天器被送入太空，基本上它們永遠都不會返回地面。通過這些航天器發回來的數據，科學家就能夠更詳細地探究我們的太陽系。無人駕駛航天器提供的訊息不但可以駁斥舊理論，也有助於創建新理論。
長期存在的理論認為火星表面存在人工運河，一些從事探索的無人駕駛航天器駁斥了這些理論，證明這些溝渠是自然形成。航天器對火星的探測，開始於 1965 年美國航空航天局發射的「水手 4 號」探測器。1971 年，「水手 9 號」被送入圍繞火星旋轉的永久性軌道，在一年之內，它有效地拍攝了這顆行星整個表面的圖片。這種攝像考察發現了火星上的奧林匹斯山（Olympus Mons），即太陽系最巨大的火山，也發現大量看起來像乾涸河床的地形。1976 年，為了探測火星上是否曾經存在過生命，美國航空航天局讓宇宙飛船的兩個分離艙在火星表面不同地點著陸，不過，它們沒有發現任何有機物質的痕跡。
20 年之後，火星「探路者號」也在火星表面著陸，很快又有火星「全球勘探者號」的發射，後者被送入火星周圍的軌道，並且在十年間向地面輸送了大量清晰的圖片。之後，火星漫遊者「勇氣號」和「機遇號」也在這顆行星表面著陸。自 2003 年以來，在這些艱苦地形上面工作的探測器就將圖像從火星表面傳送回來，並且在那裡進行地質實驗。迄今為止，它們還沒有在那裡發現殘留水的任何跡象。不過，火星表面有關於腐蝕的證據，包括大洪水和河流網絡的痕跡，這證明，在過去某個時候，火星上存在某種液體。儘管液態水是顯而易見的候選答案，不過，也存在其他解釋，包括在液態二氧化碳爆炸的推動下，氣體、塵埃和岩石發生干冷的噴發。
2008 年 5 月 25 日，「鳳凰號」探測器在火星最北端一個地方登陸，開始在那裡探尋微生物生命和水的證據。「鳳凰號」收集的數據表明，在火星的歷史上（一直到現代），液態水一直與火星表面相互作用，同時，火星上的火山活動一直持續到相對較近的地質時代，即幾百萬年前。2012 年 8 月 6 日，美國航空航天局將「好奇號」成功地送入巨大的蓋爾坑（Gale Crater）。就大小和重量來看，「好奇號」分別是「勇氣號」和「機遇號」的 2 倍和 5 倍，它的目的在於考察火星在過去和當下有多宜居。它已經開始研究這顆行星的氣候和地質，尤其考察火星表面河流流過的證據，它現在收集的一些數據，或許有助於未來載人宇宙飛船登陸的計劃。
金星的大小與地球最接近，它也成為太空探測器探測的目標。第一個探索金星的太空探測器，是美國航空航天局於 1962 年發射的「水手 2 號」，它記錄了金星的表面溫度：高達 300 攝氏度。1965－1975 年間，蘇聯發射了 15 個不同的金星太空探測器，大部分未到達目的地或者在金星表面墜毀。不過，儘管金星溫度極高，還是有 5 個平穩登陸（通過使用石棉降落傘），並且記載了表面溫度：達到令人震驚的 460 攝氏度！1990－1992 年間，美國航空航天局的「麥哲倫號」探測器觀察了金星的兩次完整自轉（每一次自轉需要 243 天），同時繪製出金星整個表面的地形圖，從中可以看到上面有很多火山口和火山體系。
美國航空航天局「航海家 1 號」和 2 號的探索，完成了無人駕駛航天器兩次最重要的太空考察。這兩個探測器於 1977 年發射，並且利用了我們太陽系中四大氣態行星——木星、土星、天王星和海王星——罕見地出現在一條直線的時機，這種現象每 175 年才會出現一次。這樣，兩個探測器就能夠獲得來自每顆行星的引力場的速度幫助，這意味著，它們能夠以高達 56000 千米/小時的速度從一顆行星飛向另一顆行星！即便如此，「航海家 2 號」抵達天王星花了 9 年，抵達海王星花了 12 年。到 2010 年，航海家探測器已經抵達太陽系邊緣，依照計劃，2020 年之後，它們會從那裡不斷將數據送回地球。
無人駕駛太空探測器的使用，可以持續提供關於我們在太陽系的近鄰的信息，它們是基地觀測技術無法提供的。2007 年 12 月，圍繞土星旋轉的「卡西尼號」無人太空飛船證明，土星環與太陽系一樣古老，即 45 億年。這就駁斥了早先提出的理論（一定程度上基於「航海家號」提供的數據），即這些光環可能形成於最近 1 億年，其成分是隕石猛烈撞擊月球產生的碎片。
確定太陽系的年齡
正如我們在導論中瞭解到的，自 20 世紀 50 年代中期以來，天文學家在嘗試理解太陽系的時候，就已經使用了放射測年法。放射測年法通過測量放射衰變的速度，來斷定岩石之類物質的年代。這種技術為科學家提供了關於過去的確定日期，它已經成為我們所說的精密計時革命的核心。放射測年表明，地球存在了大約 45 億年，地球歷史上（從其形成到現在）其他重要的日期在年代學上也得以確定。結果表明，太陽系中大多數天體的形成時間與地球差不多。
當科學家對同位素中原子核的自發性分解或衰變——這種過程被稱為放射性——瞭解得越來越多時，放射測年的原理就被發現。我們由第 1 章得知，一個原子的原子核由質子和中子構成；在同位素中，原子核喪失的是中子，而不是質子或圍繞原子核旋轉的電子。科學家把不穩定的、具有放射性的同位素稱為母體（parent），把通過衰變而形成的同位素稱為子體產物（daughter products，又稱為衰變產物）。比如，當放射性母體鈾-238 衰變時，它會經歷許多階段，最終形成穩定的子體產物鉛-206。
這個衰變過程是有規律的，也可以進行統計學上的測量。20 世紀 50 年代，科學家意識到，放射性提供了一種可靠的方式可以用來測量含有放射性同位素的岩石和其他礦物的年齡。放射測年之所以變得可能，是因為許多同位素的衰變速度可以得到精確測量，在正常環境下，這種速度顯然不會發生變化。
科學家以半衰期（half-life）這個單位來表示放射性衰變的速度，半衰期是指一個元素的放射性原子衰變至原來數量一半所用的時間。本質上而言，當母體和子體產物一樣時，就經歷了一個半衰期。當母體原子剩下 1/4，3/4 衰變為子體產物時，母－子比率 1︰4 告訴我們，兩個半衰期已經過去了。當一個樣品中母－子比率達到 1︰15 時，四個半衰期過去了。因此，如果一個特定同位素的半衰期是 100 萬年，那麼比率 1︰15 告訴我們，已經過了四個半衰期，而樣品必然有 400 萬年古老。許多放射性同位素存在於自然之中，其中五種尤其有助於測定與地球史聯繫在一起的事件的年代。鈾－238 半衰期為 45 億年，衰變形成子體產物鉛－206。鈾－235 半衰期為 7.13 億年，衰變形成子體產物鉛－207。釷－232 半衰期為 141 億年，衰變形成子體產物鉛－208。銣－87 半衰期非常長，為 470 億年，衰變形成鍶－87。最後，鉀－40 半衰期為 13 億年，衰變形成子體產物氬－40。
事實證明，在上述五種放射性同位素中，鉀－40 衰變形成氬－40 的用途最廣，儘管鉀－40 的半衰期長達 13 億年，它在測定 10 萬年以內的礦物年代上仍然很有幫助。然而，它的使用存在一些問題，因為除非礦物自形成以來整個時期都處於一個封閉系統中，否則就無法獲得正確的年代。如果岩石一生中都暴露在高溫之下，那麼，它就會喪失氬氣，我們因而無法獲得正確的年代。科學家通過使用新鮮的、未風化的樣品來避免這個錯誤的發生。
在測定晚近事件的年代方面，最有用的同位素是碳－14，它是碳元素的放射性同位素。碳－14 的半衰期比較短，只有 5730 年，這使得它非常適合用來測定人類史和最近的地質史的年代。碳－14 存在於高層大氣中，這個同位素能夠結合在二氧化碳中，二氧化碳又能被生命有機體吸收。當植物或動物死亡時，碳－14 逐漸衰變形成氮－14，衰變的速度可以統計測量出來。儘管碳－14 只是在測定包括樹木、骨頭和棉花纖維在內的有機物質的年代上非常有用，不過，事實證明，對於考古學家、人類學家、歷史學家和地質學家來說，它是一種十分可靠的紀年方案，因此，發現碳－14 用途的化學家威拉德·F·利比（Willard F. Libby）在 1960 年獲得了諾貝爾獎。
這些非常可靠的原理和技術已經產生了許多年，放射測年成為許多領域科學家必不可少的工具。天文學家、宇宙學家和地質學家都用這種技術來測定月球岩石、小行星以及地球岩石的年代，通過這種方法，他們為太陽系和地球的歷史提供了精確的年表。
太陽：推動我們世界的能量
太陽對我們極其重要，不過，它只不過是一顆非常普通的恆星。天文學家已經發現了一些龐大的恆星，它們的質量大約是太陽的 100 倍，這些恆星往往在幾百萬年內就耗盡它們可以利用的原料，然後在超新星大爆炸中經歷災難性的死亡（參見第 13 章）。相反，太陽已存在約 100 億年。這種相對的「常態」，或許意味著可能有能夠維持生命的其他行星的存在。也就是說，如果太陽及其行星的形成過程沒什麼特別之處，那麼，這種過程可能很常見，適用於其他幾十億顆恆星和太陽系。
我們知道，和所有恆星一樣，太陽也是在一個巨大的分子星雲塌縮中形成的。塑造了我們太陽系的星雲，出現於大約 50 億年之前，它或許非常類似於天文學家一直在觀測的另一個星雲，即更晚近出現於銀河系獵戶座的星雲（參見圖 2.2）。這個星雲與地球的距離大約是 1600 光年，寬度達幾百光年，這樣，它很容易被現代天文學家發現。對獵戶座星雲的分析表明，它的成分大約為氫 70%、氦 27%、氧 1%、碳 0.3% 以及氮 0.1%。天文學家認為，該星雲總共包含大約 92 種自然化學元素，它們混合在一起，這非常類似於在太陽及其行星中發現的化學元素的混合。1993 年以來，在這個星雲中已經發現了幾百顆正在形成的恆星，大部分恆星周圍是可能形成行星的塵埃光圈（吸積盤）。獵戶座星雲提供了一個極好的視角，我們由此可以觀察可能導致我們太陽系出現的過程。
圖 2.2 獵戶座星雲。
哈勃太空望遠鏡觀測到的獵戶座星雲。這就是我們太陽系形成的方式嗎？
我們的行星（譯者註：地球）圍繞太陽旋轉，這兩個天體的構成成分是一樣的，儘管元素比例完全不同。太陽光到達地球需要 8 分鐘，穿越 15000 萬千米，不過，它溫暖了地球，使得液態水和生命有機體的存在成為可能。如果沒有太陽，地球溫度將是零下 240 攝氏度，生命也不會存在。地球臨近太陽至關重要，太陽的龐大體積（地球的 100 萬倍）同樣如此。宇宙學家布萊恩·斯威姆（Brian Swimme）說道：
這個巨大的火球讓地球上所有生命的存在成為可能。我發現，真正令人著迷的，乃是太陽發出這種光的方式。在它的核心，它正在將氫轉變成氦。在那種變化中，它把自己一部分質量轉化為能量。每一秒鐘，400 萬噸太陽質量被轉化成這種光。１
太陽系的形成：早期階段
許多世紀以來，科學家都嘗試著解釋太陽系的起源。18 世紀，德國哲學家伊曼努爾·康德（Immanuel Kant，1724－1804）和法國數學家皮埃爾·西蒙·拉普拉斯（Pierre Simon Laplace，1749－1827）分別獨立指出，肯定有一個太陽星雲（由氣體和塵埃構成的扁平而旋轉的圓盤，就像前面獵戶座星雲中觀察到的一樣）在太陽周圍凝聚起來，行星由此得以創造。這個理論經受住時間的考驗，現在已經成為廣為接受的解釋，儘管就行星的形成過程來說，還有一些問題依舊懸而未決。
這個理論認為，太陽星雲形成於一個分子星雲的高密度內核，分子星雲在引力的壓力下塌縮，這個過程也可能是一顆超新星的衝擊波觸發的。當塌縮開始時，分子星雲溫度升高，旋轉並自轉，然後物質落入到一個圓盤——它形成於正在發展的原太陽（proto-sun）的周圍。旋轉的圓盤釋放出大量能量（由碰撞的原子產生），圓盤中心的溫度或許高達 1700 攝氏度！接近中心的塵埃微粒會蒸發，不過，在太陽星雲的外部區域，星際分子、微粒和冰狀物會保留下來。最終，太陽星雲開始冷卻，分子和固體微粒重新形成，儘管旋轉的圓盤依然由 98.5% 的氣體和只佔 1.5% 的塵埃組成。不過，最近對一些隕石——現在我們已經知道，它們形成於太陽系出現的最初 300 萬年以內——成分的分析表明，在太陽形成之後 100 萬年到 200 萬年之間，太陽系附近一顆超新星所創造的大量的鐵湧入太陽系。
在太陽星雲的後續故事中，固體微粒和氣體的分佈十分重要。太陽星雲內部包含硅酸鹽和鐵化合物，外層則是大量二氧化碳、水和原來的分子星雲殘留下來的其他星際微粒。當下行星的構成和位置也反映了這種分佈，靠近中心的類地行星主要由硅酸鹽和金屬之類堅硬礦物構成，外部行星（從木星開始）主要由氫、氦和水構成。
最終，內部區域的物質旋轉速度逐漸變慢，這樣，它就被吸引到離原太陽中心質量更近的一個漩渦中。這個向心流動由大大小小（從 1 厘米到 1 米）的物體碎片組成而凸顯出來，這些碎片可能以 100 萬千米/年的速度向原太陽靠近。一些物質會落入太陽，不過，大多數倖存下來形成了堅硬的類地行星。為何不是所有物質都落入太陽呢，這是太陽星雲理論未能解答的問題之一，儘管這個問題可能與旋轉圓盤的離心力（離心力傾向於讓物質遠離中心）有關。
這個過程開始 10 萬年之後，太陽可能達到它最終的質量，塌縮結束，圓盤內的動盪也平息下來。這個時刻就是太陽系的零紀元（age zero）。球粒狀隕石（chondrites，來自小行星帶的原始礦物）放射測年已經為此確定了一個精確的年代。2007 年 12 月，加州大學戴維斯分校的研究者通過對一顆碳質球粒狀隕石（carbonaceous chondrite）的取樣分析，指出太陽系已經存在 45.68 億年。
在過去的 10 年左右，銀河系其他區域也發現了大量質量相對較小的年輕恆星，它們周圍仍然有塵埃光圈（最初的吸積盤的殘留物）。天文學家也發現暴風從許多這類恆星逃逸出來，它們比當下從太陽逃逸的太陽風更強勁。科學家現在意識到，恆星不僅僅散發輻射，也源源不斷地釋放粒子，這或許是恆星的膨脹壓力引起的；這些粒子噴射就被稱為恆星風。被發現發射這種強大星風的第一顆恆星是金牛座的 T 星，此後，這種風也就被稱為金牛座 T 型星風。當吸積盤不再直接供養恆星時，星風似乎就出現了；它們是如此強勁有力，以至於在幾百萬年內驅散了大量恆星風。當星風與圓盤內部邊緣發生碰撞時，太陽的增長過程也就結束了。只有圓盤內最重的物體未受到 T 型星風的影響，因為它們的質量大得足以抵制星風。
地球地殼的氫和氦含量極少，而巨大的氣體行星的軌道上含有大量氫和氦，這個結果也是金牛座 T 型星風導致的。這種強烈的太陽風將較輕的元素（比如氫和氦）吹向木星和土星軌道。這不但解釋了地殼主要由重元素組成，也解釋了氣體巨星的巨大體積。
當太陽的增長過程被金牛座 T 型星風終結之時，太陽也已經吸收了原來太陽星雲的幾乎所有物質。未被吸收的只是微小一部分，大概占 0.1%。這些微小的殘留物與我們後面的內容相關，因為它們被用來創造我們太陽系中包括地球在內的所有其他天體。
行星的形成：吸積
天文學家怎樣解釋太陽星雲中的殘留物是如何形成行星的呢？以某種方式成功地避免捲入太陽的較大物體（直徑達到 10 千米），被稱為星子（planetesimal）。星子之間的引力促使許多星子以橢圓形軌道旋轉，這樣，它們之間就會定期發生猛烈碰撞。儘管這些猛烈撞擊導致許多星子的崩潰，不過，其他一些星子經由引力凝聚在一起，這個過程被稱為吸積（accretion），這個詞語所描述的，乃是星體通過粒子碰撞和聚集而體積增大的過程。迄今為止，天文學家還沒有完全理解最終導致星子形成的吸積過程。主要的問題在於，當微小的粒子（直徑只有幾厘米）相互碰撞時，它們往往碎裂或反彈起來，這意味著必定有其他某種機制促使這些相互撞擊的粒子凝結在一起。最新研究的關注點在於，到底是太陽星雲的動盪創造了高密度的區域（它們增強了引力），還是運動速度放緩的氣體創造的牽引力引起了物質的堆積（它們可以凝結成為穩定的星子）。
巨大的天體獲得了更強大的引力場，並且清掃了軌道上更多的殘餘物，就像滾雪球一樣，這些實體的大小一直在增長（或發生吸積現象）。計算機模型表明，大約經過 1 萬年之後，幾百萬顆較小物體通過持續不斷的撞擊，就會形成幾百個星子，其中一些與我們月球差不多大小。這些星子會在巨大的薄光圈（就像土星環那樣）中繞太陽旋轉，它們周圍則是厚厚的氣體星雲。
在接下來 1000 萬年到 1 億年之間，持續不斷的星子碰撞導致數量更少的原行星的出現，這些行星的大小與今天我們太陽系的類地行星相似，每一個都在自己的軌道面運行。這樣，在經過 1 億年的激烈碰撞之後，最終帶來了引力和軌道的平靜，這就是今天太陽系的特點。然而，來自月球的證據表明，在 41 億年到 38 億年前之間，月球和靠內部的行星可能曾受到偏離軌道的小行星或彗星的災難性撞擊。
這個模型解釋了靠近太陽的類地行星的形成，但是，在解釋我們太陽系外層的大型氣體行星時，它沒有那麼成功。在比較外部的區域，溫度非常低，以至於主要由氫和氦構成的星子也包含了大量的雪水（water snow）。星子（它們最終形成巨大的外部行星）能夠以某種方式從星雲收集大量其他物質，其中包括較輕氣體和固體。
對這種活動做出的標準解釋就是，像類地行星一樣，這些巨大行星的內核可能是通過撞擊而形成，當內核變得越來越大時，它們就把周圍星雲的氣體和冰凝結起來。這些巨大行星不斷增加的質量導致失控的吸積（runaway accretion），即增長一直持續，直到每顆行星軌道上的氣體被一掃而光才停下來。另一個理論——引力不穩定模型——認為，這些巨大的行星或許在幾千年中直接從那個圓盤中形成，在圓盤中，一些區域由於引力作用而塌縮。
衛星的形成
早在 1610 年，伽利略就利用自己新發明的望遠鏡發現了木星的四顆衛星。現代望遠鏡已經發現，木星周圍實際上有好幾十顆小衛星，它們構成類似於太陽系行星體系的微型行星體系。太陽系內側行星之間只有少數的衛星，而那些巨大的行星有它們自己的光環體系。其中土星環（也是伽利略發現的）是迄今為止發現的最大、也是最著名的。這些光環由固體粒子構成，粒子大小不等，包括塵埃粒子、大石塊乃至小衛星（參見圖 2.3）。
圖 2.3 「航海家 2 號」與土星環。
當天文學家設法讓無人駕駛太空探測器「航海家 2 號」穿過土星環時，他們對早期太陽星雲的面貌有了清晰的認識。他們一度認為，土星環是由氣體構成的，當這個微小的無人駕駛航天器離土星足夠近時，他們意識到，土星的主環是由緊緊擠壓在一起的不斷撞擊的物體（小到塵埃微粒，大到小衛星大小的物體）構成，這類似於吸積階段太陽系的早期狀態。在緊要關頭，它們能夠改變「航海家 2 號」的航道，從而讓它在宇宙碰撞中免於毀壞
20 世紀 70 年代之前，地球衛星（即月球）的形成是一個謎，此後，科學家開始提出各種解釋。今天，標準的理論認為，大約 44.5 億年之前，地球與火星大小的天體發生碰撞。撞擊力如此之大，以至於一股巨大的蒸汽和熔岩噴射而出，其中一些落入地球周圍軌道上。吸積過程說明這些物質凝聚形成月球的形狀。一開始，月球的軌道可能非常靠近地球，不過，距離後來慢慢擴大，直到今天這副模樣。現在，由於月球軌道速度非常緩慢地增加，月球以每年 5 厘米的速度遠離地球。
月球並沒有大氣層，這意味著，與地球表面相比，它的表面更不容易遭到侵蝕。結果，與其他天體碰撞造成的傷痕，即月球上眾多的隕石坑，實際上自月球外殼穩固以來就原封不動保留在那裡。通過對宇航員從月球帶回的岩石進行放射測年，它們大約有 44.5 億年歷史。佈滿隕石坑的月球表面證明，太陽系形成的最後階段是十分暴烈的。殘留的碎片和殘餘的星子擊打著行星及其衛星的表面，直到大多數物質被吸收到我們今天所見的行星體系之中。
近來，美國航空航天局和世界上其他一些政體（包括中國、歐盟和俄國）宣佈，在月球上實施更多載人飛船登陸計劃是可能的，這或許是在月球建立某種永久性人類定居點的前奏。月球最南端將是最理想的著陸點，因為那裡不僅有可能存在冰，而且是月球表面最可能常年有陽光照射的地方。
月球曾經對地球產生了重要影響，它還會繼續產生這種影響。地球在其形成的早期階段，地軸發生傾斜，因為在形成過程中，地球與大型天體發生了多次碰撞（或許這種碰撞也導致了月球的形成）。月球的存在阻止這種傾斜變得更明顯。這種傾斜導致了地球上比較穩定的四季。如果沒有地軸的傾斜，那麼，溫帶和熱帶之間的溫差會更大，四季也會變得更加嚴酷；然而，如果傾斜得太厲害，氣候環境就會變得毫無秩序。在月球的影響下，地軸傾斜的幅度恰好使得生命可以在地球出現。
月球也引發了海洋潮汐，由此形成濕潤和乾旱地區的交替，古代四足動物，或者說有四肢的脊椎動物，如棘螈（Acanthostega）和魚石螈（Ichthyostega），在 3.8 億年前開始從海洋生活向陸地生活的演進（在第 3 章討論）。潮汐力延緩了早期地球的快速自轉，這樣，每一天的時間由 12 小時延長到 24 小時。月球與地球以多種方式密切聯繫在一起，這種關係深刻而又積極地（從人類的視角來看）影響了地球的環境。
今天的行星系
行星系的構成：四個類地行星，即水星、金星、地球和火星；外層四大行星，即木星、土星、天王星和海王星；以及其他較小天體，如衛星以及無數顆小行星（參見圖 2.4）。
圖 2.4 我們太陽系的行星。
太陽系的行星形成於太陽周圍原來太陽星雲的不同軌道環上。由太陽中心往外看，地球是太陽的第三顆行星（圖片左邊）。未按比例繪製
長期以來，冥王星被當作距離太陽最遠的行星，不過，2006 年 8 月，冥王星喪失了行星名號，當時，國際天文學聯合會（IUA）將它降格歸入「矮行星」行列。依照這個組織的新規則，行星必須滿足如下三個標準，一個行星是這麼一個天體：（a）處於繞太陽運轉的軌道上；（b）質量足夠大，使得它的自引力（self-gravity）足以克服剛體的各種力（rigid body forces），從而呈現出流體靜力學的均衡狀態（接近於球體）；（c）清除了軌道附近的區域。第三個標準致使冥王星降級，它在柯伊伯帶（the Kuiper Belt）與許多其他天體一起運轉，柯伊伯帶是海王星之外的一條彗星環，也是一個未能形成行星的吸積盤的殘留物。20 世紀 90 年代晚期，數百萬顆微小的、冰封的星子在柯伊伯帶上被發現。
外層巨大的行星周圍的衛星系統，是微型吸積盤形成的產物，這個過程類似於太陽系形成過程。太陽系內側的類地行星主要由硅酸鹽構成，內核主要是鐵。事實上，地殼的 90% 是硅酸鹽，它們是形成岩石的礦物，主要成分是硅和氧（下一部分我們將討論地球形成目前這種結構的過程）。金星和地球的質量非常接近，不過，金星的大氣層更厚，也沒有遭受地球受到的那種猛烈撞擊（這種撞擊形成了月球）。火星要小很多，質量只有地球的 1/10 多一點，水星的質量還不到火星的 1/2（參見圖 2.5）。
圖 2.5 行星的相對大小。
比較地球與土星或巨大的木星的大小
探尋其他太陽系和行星
20 世紀 90 年代之前，天文學家始終有所懷疑，認為太陽系的形成或許是恆星周圍很常見的現象，但是他們無法對這種過程進行直接觀測。在過去 20 年，這種懷疑被證明是正確的，他們已經可以直接觀察數量眾多的恆星，它們周圍有塵埃和物質環，也具有自身的太陽系。我們太陽系之外被觀察到的第一顆行星，被稱為系外行星（exoplanet），它是瑞士職業天文學家於 1995 年發現的。業餘天文學家也為這種探究做出了重要貢獻：僅僅在 2002 年，對我們太陽系之外的宇宙進行探究的後院天文學家，發現了大約 31 顆新的系外行星。不過，對這些發現做出最重要貢獻的，還是像美國航空航天局之類的大型太空機構。
美國航空航天局的哈勃太空望遠鏡的發現表明，距離地球極其遙遠的恆星有大量行星圍繞它們旋轉。美國航空航天局用來探索行星的開普勒探測器於 2009 年發射升空，它無疑會提供更多的相關信息。開普勒探測器的任務就是對天鵝座附近超過 15 萬顆恆星進行觀測，尋找凌日行星（planetary transits）的證據。迄今為止，被發現的系外行星超過 1000 顆，其中大多數與木星體積相當。它們離我們的距離以數光年計，因此，科學家無法觀測它們表面的細節；他們至多能夠探測與它們的存在、質量以及軌道寬度等相關的間接證據。不過，通過把這些觀測到的證據與我們太陽系的理論模型和知識結合起來，這些遙遠行星更複雜的圖像就顯現出來了。最新的研究表明，這類行星許多物理上很活躍，擁有可以支撐生命的大氣和氣候。
加利福尼亞（尤其聖何塞附近的裡克天文台）、夏威夷、智利以及澳大利亞等地探尋系外行星的天文學家也一直使用基地望遠鏡進行觀測，他們相互合作，密切監測著大約 2000 顆恆星。這些研究者發現了許多系外行星，不過，通過基地望遠鏡尋找行星僅僅是個開始。長期計劃包括為智能航天器（比如開普勒探測器）裝備數字照相機，然後派遣它們進行遠程考察，為那些繞遙遠恆星旋轉的行星拍照。不過，實際上，將航天器送到 10 光年至 12 光年之外的太空所需要的技術，可能還需要好幾個世紀才能開發出來。在此之前，地球上專業、業餘天文學家以及智能航天器還將繼續努力探索，以期發現與我們太陽系相近的太陽系和行星。