小行星轨道分布图
现在，我们画出一条水平线，然后注明度数，从300秒一直到1200秒，两个相邻格之间相差100秒。最后，我们将小行星的平均运动用小点标在相应的格内。
观察上面的图，我们能够发现五六个群。最外层小行星的平均运动在400秒到460秒之间，与木星的距离比较近，公转周期大约需要8年的时间。接下来是一条比较宽的空隙，然后在540秒到580秒之间有10颗小行星。随着与木星距离的缩短，小行星的数量越来越多，但700秒、750秒、900秒附近的小行星非常少，甚至完全没有。这就是奇怪的地方，这些空隙都是小行星运动与木星有着简单关系的地方。如果一颗小行星的平均运动是900秒，它绕着太阳旋转一周的时间是木星公转一周时间的1/3，600秒的是1/2，750秒的是2/5。根据天体力学定律可知，如果一颗行星与其他行星存在上述简单关系，在相互作用的影响下，行星的运行轨道会发生变化。因此，第一个发现这些空隙的柯克伍德（Kirkwood）推测，这些空隙形成的原因是空隙中的行星的运行轨道无法保持原样。不过，令人诧异的是，通约数是木星的2/3或者相等的地方，不仅不存在空隙，而且有一群小行星，其中的原因还不清楚。某些人以统计学解释说，当通约数是1/4、2/7、1/3、2/5、3/7、1/2时，它们和小行星的径向分布概率的零点相符。
爱神星
在这些小行星中，有一颗小行星非常特殊，所以我们要单独介绍一下。1898年之前，已经知道的几百颗小行星都处于火星轨道和木星轨道之间，它们在这个区域运动。但是，在1898年的夏天，柏林的维特（Witt）发现一颗小行星在近日点时竟然在火星轨道内部，此时与地球轨道的距离还不到2200万千米。维特将这颗小行星命名为“爱神星”（Eros）。它的轨道的偏心率非常大，当它在远日点时远远在火星轨道之外。此外，这颗小行星的轨道和火星的轨道像锁链的两个环一样连接在一起，假如轨道是丝线状的，它们将会套接起来。
由于轨道的倾斜，这颗小行星常常跑到黄道带外面去。1900年，当它靠近地球时，居然移动到了北方，跑得这么远，使得它在北纬中部一直在地平线之上，而经过子午圈时还在天顶的北边。由于它的运动如此特殊，所以我们无法早早地发现它。在1900年到1901年，当它向着地球运动时，我们曾仔细地研究这颗小行星，发现它的光度一直在变化。经过观测得知，这种光度变化的周期是5小时15分钟。早就有人认为，这颗行星其实是两颗行星相互绕着转动，但还有一种说法是，这颗行星表面分为光明区和黑暗区，它的变光是由对着地球的明暗区域的变化造成的。2000年，小行星探测器NEAR在爱神星附近运行，传回地球的照片让我们明白，爱神星的亮度变化表明它是一个表面凹凸不平的柱体，这个柱体的体积大约是40×14×14=8040立方千米。
关于爱神星以外的小行星，有人认为变光是它们的自转引起的，但至今没有确切的答案。
从科学角度来说，爱神星非常有趣，因为有时它和地球的距离非常近，能够准确地观测出来，由此还可以测量出太阳的距离和太阳系的大小。糟糕的是，爱神星两次与地球的距离最近时间隔的时间非常长。
1900年，爱神星和地球之间的距离大约是4800万千米。1931年1月30日，爱神星和地球的距离仅仅是2600万千米，这要比其他行星与地球的距离都近，尽管还可以缩短320万千米。
近地小行星
在已知的所有小行星中，有1400多颗小行星的轨道可能和地球轨道相交，这些小行星被称为近地小行星。它们的轨道与地球的轨道可能会交叉，其中有500多颗小行星的直径大约是1千米，只要它们中的任何一颗小行星与地球相撞，便会给人类带来毁灭性的灾难。
那么，小行星撞击地球的几率是多少呢？据说，平均几千万年出现一次毁灭人类的撞击，平均几十万年出现一次危及全世界1/4人口的撞击，平均一百年出现一次大爆炸，如1908年发生的通古斯大爆炸，爆炸的威力相当于几百颗广岛原子弹同时爆炸。幸运的是，月球和木星都在保护着地球，它们能够阻止小行星靠近地球。
为了保护地球，我们需要做一些防范工作：建立空间监测搜索网、寻找尚未发现的近地小行星、测量小行星的运行轨道等。
1985年，中国科学院国家天文台正式施行施密特CCD小行星计划，通过河北省兴隆观测基地60/90厘米的施密特望远镜进行小行星巡天观测。1995年，美国GPL和美国空军联合进行“近地小行星追踪计划”，运用美国空军在夏威夷毛伊岛建立的电子光学深空监测站。1996年3月26日，罗马建立了“太空防卫基金会”，这是一些优秀的天文学家共同组成的，他们在近地小行星领域有着杰出的表现。这个基金会在全国范围内搭建了望远镜观测网，系统地搜索和观测近地小行星和彗星。
美国宇航局主要研究小行星的本质，他们投入了大量精力观测小行星是纯铁的多，还是石铁混合在一起的多，然后采取相应的措施。只要发现直径是10千米左右的小天体可能会与地球相撞，而且运行轨道逐渐降低，这时就应该采取措施，启动太阳能帆板或者大型火箭发动机，人为改变小行星的运行轨道，让近地小行星沿着其他轨道运行。
第六节 木星及其卫星
在太阳系中，木星是最大的行星，它的外形和质量要比其他所有行星的总和大3倍，但它绝对无法和太阳系的中心天体太阳相提并论。虽然木星是一个庞然大物，但它还不及太阳的千分之一。
当木星在冲位时（每年推迟一个月，也就是每13个月一冲），它的颜色和光彩在夜晚很容易辨认出来。那时候，除了金星之外（有时火星也会比它还亮），它是天空中最亮的星星，它和火星绝对不会混淆，因为它看起来是白色的。假如我们用小型望远镜观察木星，或者是用比较好的普通望远镜观察，我们将会发现它不是一个点，而是一个不规则的球体。我们还发现，在圆面上有两道暗弱的带子，这是300年前惠更斯观察到的东西，并且将它画在纸上。假如用更大的望远镜观察，我们将会发现这些带状物是一些云状物，它们一直在发生变化，每一夜都有不同的形状。如果我们每天夜晚都认真观察木星的情况的话，我们就会发现木星自转一周的时间大约是9小时55分钟。因此，天文学家可以在一个夜晚观察到木星的整个轮廓。需要说明的是，我们现在观察到的木星表面的斑纹，与20年前观察到的有了一定的区别。因为苏梅克一列维9号彗星曾经进入木星的范围中，而且受到木星的吸引在1994年7月与木星相撞。这一次的重大撞击改变了木星表面原来的样子。
观测者用望远镜观察木星时，一定会注意到它的两个特点。一个是木星圆面的光度并不均匀，中心比较明亮，越是靠近边缘越暗弱，边缘处的光度已经不会耀眼，而是扩散开了。在这一点上，木星的情况类似于火星、月亮的情况。一般来说，人们常常认为边缘处的暗弱是受到环绕着行星的大气的影响。
木星的另一个特点是，它并不是规则的圆形，而是两极比较扁平，这一点与地球相似，甚至超过了地球。对于其他行星上的观测者来说，他们几乎不能发现地球与正圆球体的差异。由于木星的自转速度非常快，所以导致赤道部分凸出来，造成了木星的显著扁率。
木星的可见表面
通过望远镜观察到的木星样貌变化多端，犹如地球大气层中的云一样。那里有着绵延的云层，它的形成原因与大气层中的云层相同，都是源自于空气的流动。这些云层中常常出现白色圆斑。某些地方云是淡红色的，尤其是赤道附近。赤道南北的纬度中部地区的云层最暗淡，而且看得最清楚。此外，通过望远镜观察到的两条黑带就是这两个地方的云层。
木星的外貌和火星的外貌有着很大的不同，最显著的区别是前者没有固定的外貌。火星图能够准确地描绘出来，而且经过几代人的验证，但根本无法描绘出一幅不变的木星图。
尽管木星表面变化多端，但仍有一些情形长时间保持原样。其中，最主要的是，木星南半球的纬度中部地区在1878年出现的红色斑点，天文学家将其命名为“大红斑”。在鼎盛时期，这个大红斑的长度大约是2.5万千米，宽度大约是1.2万千米，能够容纳两个地球，所以很容易观察到。10年之后，大红斑逐渐消失，但有时好像完全消失了，不久之后会再次变得明亮。这种变化始终存在，而且持续到今天，甚至会持续到遥远的未来。某些人推测，大红斑出现的地方是高压区，与周围地区相比，那里云层顶端要高得多，而且温度很低。200年前，天文学家发现大红斑的下面有一块白色大斑点，现在依然能够清楚地看到。
木星的结构
我们还不清楚木星的结构，因为任何一种都无法解释所有的情况。
木星最主要的特点是，它的密度非常小。木星的直径大约是地球直径的11倍，所以木星的体积大约是地球体积的1300多倍，但它的质量仅仅是地球质量的300多倍。因此，木星的密度一定比地球的密度小。其实，木星的密度仅仅比水的密度大1/3而已。通过计算得知，木星表面的重力大约是地球表面重力的两倍多。由于受到引力的作用，我们假设木星内部是高度压缩的，所以那里的密度比较大。假如木星表面与地球表面相似，同样是由固体物质或者液体物质组成，那么，上述情况将会比较可靠。通过事实推测，木星外层的成分应该是气态物质。
我们不仅可以通过木星变化多端的外貌推测它外面包围着一层大气，而且可以根据它的自转规律进行判断。我们发现，木星和太阳有一个相同之处，它的赤道部分的自转周期要小于北纬中部地区的自转周期，尽管它绕的圈子长一些。赤道部分的自转周期要比纬度中部地区的自转周期少5分钟。这说明，如果赤道部分自转一周的时间是9小时50分钟，那纬度中部地区自转一周需要的时间是9小时55分钟。这表明两个地方的速度之差大约是320千米/小时；如果木星表面是固体物质或者液体物质，绝对不会出现这种情况。“伽利略”号木星探测器已经证明这个推测是正确的，它和苏梅克一列维9号几乎同时靠近木星。
木星的主要成分是氢，含量大约是90%，剩余的10%是氦、甲烷、水、氨。这类似于原始的太阳系星云的组成成分。“伽利略”号木星探测器仅仅探测到云层下面150千米的地方，而对木星内部结构的认识还很浅显。现在，我们推测木星有一个固体中心核，质量大约是十几个地球的质量，核的密度可能类似于其他固体行星的密度。核是由大部分行星物质聚集而成，存在形式是液态金属氢。液态金属氢的组成物质是离子化的质子和电子，与太阳的内部结构相似，但温度低得多。木星内部压强大约是4000亿帕斯卡。
木星的卫星
当伽利略第一次通过望远镜观察木星时，他发现木星附近有4颗小小的星星。经过一夜夜地认真观察，伽利略发现4颗小星星都围绕着木星转动，就像行星绕着太阳（需要注意的是，太阳中心说在当时还没有被认可）运行一样。伽利略的发现大大支持了哥白尼的日心说。
通过普通望远镜或者玩具望远镜就能看见这些小天体，甚至有人说曾经用肉眼看见过它们。如果木星不存在的话，它们就像其他小星星一样明亮，但由于木星的光辉太强，所以用肉眼很难看见这4颗卫星。
尽管木星的4颗卫星的名字是Io、Europa、Ganymede、Calliso，但我们习惯用它们距离木星的远近称呼它们。与我们所熟悉的月球相比，木卫二要小一些，而木卫一要大一些。木卫三和木卫四的直径大约是5100千米，大约是月球直径的1.5倍。在太阳系中，这是最大的卫星，而且比水星还大。不过，它们和太阳之间的距离大约是月球到太阳的距离的6倍，所以4颗卫星照到木星上的亮度还不及月球照到地球上的亮度的1/3。这4颗卫星与月球有一个相同的特点，那就是它们也永远以相同的一面对着木星，这说明它们的自转周期等于公转周期。
1892年之前，人们认为木星只有4颗卫星，直到巴纳德在里克天文台找到了第五颗卫星。与其他4颗卫星相比，这颗卫星与木星的距离更近，而且更加暗淡。它绕着木星公转一周的时间不足12个小时，除了火星的内层卫星之外，这是已知的最短公转周期，但比木星的自转周期长一些。在原来的4颗卫星中，木卫一和木星之间的距离最近，它绕着木星旋转一周的时间是1日18.5小时，而最外层的一颗卫星绕着木星旋转一周大约需要17天。
1904年和1905年，佩林（Perrine）在里克天文台找到了木星的第六颗卫星和第七颗卫星。它们到木星的平均距离超过1100千米，绕着木星旋转一周的时间大约是8个月多一些。随后又发现了另外两颗卫星，一共有9颗卫星了。1908年，梅洛特（Melotte）在格林威治天文台发现了木卫八；1914年，尼科尔森（Nicholson）在里克发现了木卫九。这两颗卫星与木星的距离在2400万千米到3200万千米之间，它们绕着木星旋转一周的时间要大于两年。在太阳系中，它们和主星的距离是最远的，而且它们还有一个与众不同的特点，那就是它们自东向西转动。
随着天文观测技术的进步，木星的卫星被发现得越来越多。2012年2月，科学家们通过各种方式已经发现了66颗木星的卫星。
在木星的卫星中，外层4颗卫星轨道的偏心率要比内层的大一些。这些卫星都非常小，直径大约是160千米，甚至还要小得多，所以要用大型望远镜才能看见它们。某些人推测，外层卫星和内层卫星的来源不同。许多天文学家认为，外层卫星可能是木星吸引来的小行星和彗星，类似于苏梅克一列维9号的情况。
这4颗卫星在绕着木星运动时，常常出现各种有趣的现象，我们通过小型望远镜能够观察到。这就是卫星的“蚀”和“凌”。当然，与其他不透明的物体相似，木星也有影子。卫星在绕着木星运行经过木星的一边时，一定会经过木星形成的阴影（有时候，木卫四和更远的卫星是例外）。当一颗卫星进入木星的阴影时，它会变得越来越暗淡，最后会消失不见。
同理，当这些卫星运行到木星的另一边时，常常会经过木星的圆面。一般来说，当一颗卫星刚刚接近木星时，它的亮度看起来要大于木星的亮度，因为木星的边缘比较暗弱。不过，当卫星在木星中央时，看起来要比木星暗淡一些。当然，并不是卫星的亮度发生了变化，而是木星的中央部分要比边缘亮得多。关于这一点，我们在上文已经说过。
卫星的影子也很有趣，在卫星从木星的圆面上经过时，这些影子常常投射到木星上，看起来有一个黑点伴随着卫星一起运动。
在历书中，关于木星的卫星的种种现象（包括卫星及其影子的“凌星”）都会有预报，所以观测者很容易知道何时会出现“星食”或者“凌星”。
在最早发现的4颗卫星中，最内层一颗卫星的食在两天内会出现一次。借助于这个时刻，一个不知自己在地球何地的观测者可以确定当地的经度。首先，他要调整自己的手表与地方时的误差——这是一种非常简单的天文观测方法，天文学家和航海家都会使用。然后，他把自己观察到的卫星凌木（或者是食）时刻与历书中预报的格林威治标准时相比较。根据本书中的“时间和经度的关系”一节所讲述的方法，凭借这个差异就能得知当地的经度。
不过，这个方法不是非常精确。这种观察方法的误差大约是1分钟，或者说赤道上的误差是24千米左右。
木星的光环
木星光环的发现没有在计划中，而是一个意外情况。当“旅行者”1号探测器航行了10亿千米之后，两位科学家希望顺便观察一下木星是否存在光环，所以木星的光环被发现了。后来，通过望远镜也观察到了木星的光环。木星的光环很暗淡（反照率大约是0.05），它的成分是许多颗粒状的岩石材料。在大气层和磁场的影响下，木星光环中的粒子很不稳定。这样一来，如果光环想要保持原形，一定要时时补充粒子。光环内部的两颗小卫星——木卫十六和木卫十七，显然是光环原料的供给站。