天王星就像夜空中一颗遥远的绿色乒乓球，在1781年以前人们对它毫无所知，1781年才被威廉·赫歇尔首次看到。它的直径比地球大四倍，在遥远的轨道上围绕太阳旋转，离开太阳最近的距离是1 695 700 000英里。在旅行者号之前，人们只知道它有5个卫星。直到1977年，对它的了解依然甚少，除了知道一个奇怪的现象，那就是它的轴是“倾斜的”，倾斜度达到98度。所以，不像地球及其他行星的赤道区指向太阳的情况，天王星几乎是沿轴躺着自转的。它绕太阳一周需要84年，在此期间，每个极有42年面向太阳，然后，又有42年陷于黑暗。
就在旅行者号启程之前，1977年，有一个偶然的发现。一组天文学家正在美国宇航局的魁佩尔机载观测站进行观测，它是一架装备特殊的高空飞机，可以在地球大气的干扰区之上飞行。（现在已用另一架机载观测站代替，这个观测站叫做红外天文学同温层观测站，简称SOFIA）计划要求当天王星在一颗特定的恒星面前通过时，对它进行观测，这种方法叫做掩星法，天文学家常常用于对某个天体获取更多的信息。出乎意料的是，从天王星后面的恒星发出的光线，在通过天王星的前后，居然会稍稍变暗。难道他们已在行星的两侧发现了两个新的卫星？进一步的望远镜观测证明不是这样，而是天王星也有环！
所以，旅行者2号的主要任务之一就是对天王星光环进行贴近观察，结果发现最内侧的环距天王星云顶之上约10 000英里，11个环中的6个（其中两个是旅行者2号发现的）只有3～6英里的跨度。三个最宽的也只有10～30英里宽。更令人吃惊的是，这些环似乎主要是由大块的炭黑状物质组成，其中大多数直径在23～3 000英尺之间——比土星巨环系统的尘埃状粒子大得多。
旅行者2号还带给科学家另一不可思议的奥秘，就是天王星那奇特的磁场。太阳系其他行星的磁场大多与其旋转轴几乎平行，天王星的磁场却与它的旋转轴有55度的偏移。当这颗行星沿轴旋转时，它那偏转的磁场在空间里摇晃不定。再有，来自太阳、掠过行星的太阳风，把摇晃的磁场的远侧变成一个伸长的香蕉形。这一效应独一无二。
天王星的大气由氢、氮、碳和氧组成，大气上层熠熠生辉——也许是紫外光——整个行星都覆盖在一层薄雾中，其中的温度都惊人地均匀。强烈的200英里每小时的风，比地球上的喷气流还强一倍，从云层上部吹来。但是旅行者2号无法穿透这层薄雾。
然而，这些卫星让科学人员大吃一惊。天卫五，最靠近天王星的卫星，给出了遥远的过去曾有过剧烈地质活动的证据。它有两种不同的地形，一种非常古老，上面布满由古老陨石坑组成的凹痕；另一种比较年轻，但相当复杂，显然是重大地质变化的结果。上面刻满奇特的类似于跑道的地形以及类似于绳索的印记，再有，尽管天卫五直径只有300英里，却有5万英尺深的峡谷——比地球上的大峡谷还要深十倍——状如在它的表面上刻下的一道路径。旅行者2号还提供了其他四个最大卫星的快照。天卫一在其年轻而复杂的表面上有宽广弯曲的山谷和峡谷。天卫二黑得像天王星的光环。天卫三有可能提供最近三四十亿年间彗星撞击的证据。天卫四和天卫五一样，显示了巨大断层结构的证据，其中有高山和陨石坑，看起来像是曾经一度被黑暗的液体淹没，然后又冻结成现在这个样子。
访问是短暂的，但当旅行者2号于1986年1月离开天王星系统时，却给科学人员留下了许多发人深省的数据。旅行者2号向下一站，也是最后一站飞去，然后飞向太阳系的边缘。
外层巨星海王星
尽管从太阳向外数，第八颗行星海王星要比天王星离太阳更远10亿英里，但它和它的邻居在许多方面仍然极为相似。就离开太阳的距离来说，它是气态巨星中的最后一个，从地面上的望远镜看上去似乎没有特色。它的直径是地球的3．8倍，而其质量却是地球的17．2倍。海王星的大气几乎都是氢，加上少量的氦和甲烷，也许正是甲烷使海王星呈蓝色。有些科学家还相信，尽管甲烷的量很少，却由于吸收太阳光而影响行星的热平衡。地面测量表明，海王星发出的热多于从太阳吸收的热。有些科学家认为，这一超额热量也许是重分子逐渐沉到行星核心时所释放的能量引起的。尽管大多数行星学家认为海王星没有固态表面，但这颗行星的密度却暗示，它可能具有一个小型的坚固内核，外面覆盖着水、甲烷和氨。
但是到了1989年8月，当旅行者2号掠过海王星时，永远地改变了这颗蓝色大行星及其卫星以前从未露出的真面目。在旅行者2号之前，人们只知道两个海王星卫星：海卫一，大小和地球的月亮差不多；海卫二，因其遥远、偏心的轨道使旅行者2号不可能拍摄到它的高分辨率照片。早在1989年6月，即旅行者2号抵达海王星之前两个月，它已经发现了比海卫二还要大的黑色类似冰块的另一颗卫星。当接近海王星的光环系统时，它又发现了总共五个小卫星，类似于旅行者2号在木星和土星光环附近发现的领头卫星。
早在旅行者2号接近海王星这颗奇怪的蓝色气球时，太空船发现在它的大气里有一巨大的风暴系统，即大暗斑，其面积几乎和地球一样大。它处于与木星的大红斑同样的纬度，其相对于行星的大小也与木星上的大红斑相似。速率快到450英里每小时的狂风，使大黑斑绕着行星旋转时，看上去像是一个一头破裂的大豆莫。这只不过是几个巨大风暴系统之一，在它的顶端，还有快速移动的云团，但是让科学家感到迷惑不解的是，海王星如此远离太阳，它所得到的能量怎么能够掀起如此狂烈的风暴。
还有，旅行者号发现的另一个重大意外是海王星的光环，从地球上看去似乎是一些不完全的弧。但是，海王星离地球的遥远距离使得要对其进行鉴别实在是极其困难，而旅行者2号确定了，尽管光环非常昏暗，它们还是完整地环绕着行星，形成了光环系统。
但是当旅行者2号掠过海王星时最激动人心的时刻也许还是体现在海王星的最大卫星海卫一。这一色彩斑驳的粉红天体看来是太阳系最冷的地方，温度大约是-400°F。海卫一看来还有冰火山，甚至也许依然处于活跃期，可以把15英里大小的冷冻氮晶体喷射到稀薄的大气里。
海王星是旅行者2号最后的一站，然后它就飞向太阳系的边缘进入银河系。这一小小的太空船及其同伴留下了大量信息与图像，随着科学家用数以百计的不同方法进行检验和分析，它们源源不断地在丰富人们的想象力。
这一切的开端
所有这些来自宇宙飞船的数据，大大推进了我们关于太阳系形成过程的认识。行星地质学家和物理学家继续钻研数以百万计的照片、图像和统计资料。计算机模拟帮助他们测试场景，测量碰撞的结果、温度、轨道、角度和速度。人们大多同意，太阳、地球和太阳系其他八个行星是在比45亿年前略早一点的时候，靠巨大的星际气体云（原始星云）的收缩而形成，而星际气体主要是由氢、氦和尘埃组成。但是也有科学家相信，这一切可能是从附近超新星的冲击波，或者星际爆炸开始的，冲击波穿过太空，破坏了松散的气体云原始状态的精致平衡。
不管情况怎样，一旦过程开始，收缩就会在气体云内部自然而不可避免的引力作用下继续进行下去。气体云由于剧烈的收缩和自转，成为盘状，并且外缘扁平。与此同时，聚集在中心的大量物质继续收缩，以至质量越来越重，成为演化中的太阳。
当气体云继续旋转并越来越快时，数以亿万计的尘埃微粒开始更剧烈和更频繁地碰撞，集中于盘的平面里，渐渐地这些颗粒的外形越来越大，当这些“星子”——行星及其卫星的早期祖先——达到一定规模时，他们不再仅仅依赖于偶然的碰撞来扩充自己的质量，而是靠引力招揽和吸引更多的固体物质粒子。这些“原行星”逐渐成长，大多数继续随着母星云的方向旋转。
与此同时，尽管增大缓慢并且正在收缩的太阳还没有点燃它的核反应炉，但太阳系内部的温度已经高到足以把水、甲烷和氨等物质蒸发为气体状态。这样一来，星云中不蒸发的成分如铁和硅酸盐就形成了内行星，而离原始太阳越远，温度越低，则越有利于挥发物凝聚成巨型的外行星（木星、土星、天王星和海王星）。与此同时，也允许这些巨星从周围星云吸引和收集大量氢和氦之类的轻元素而不断膨胀。
随着太阳继续收缩，内核的密度和温度不断升高，当达到约1 000×104K的临界温度时，开始靠氢的核聚变产生能量。一旦点火，太阳开始产生太阳风，带电的粒子流就像巨型的叶片鼓风机，把剩余的气体和尘埃颗粒驱赶出太阳系。
与此同时，依靠辐射而增温以及物质增加而产生的能量，使原始行星的核心开始熔融，形成如今所见的行星的内部结构。最后，由于太重而没有被太阳风吹走的剩余星子，在长达5亿年的轰击中不断撞击正在形成中的行星，造成的伤疤到现在还可以在大多数行星上看到。
这值不值得
人类总是希望知道事情的机制和原因，所谓的“纯科学”全在于寻找答案和提出新问题，然后寻找新答案和观察新图像以及整合的方式。但是要寻找这些答案现在变得越来越昂贵了，许多人有理由问，我们为什么要知道这些？我们怎样才能判断，当地球上还有人因患疾病或因饥饿而死亡时，送宇宙飞船到其他行星上去，是值得还是不值得？
也许最好的回答是，与曾经生活在地球上的所有物种相比，在人类存在的这段短暂的时间里，我们在丰富和改善人类的生活方面所得到的成功，恰恰正是我们追求知识和理解的结果。在这一情况中，源于对大气、地质学、磁性和物理学与化学的其余部分所做的比较研究而得到的知识，是无法经别的渠道取得的。迄今所发现的各种事实及其复杂程度已经使科学家大感震惊，他们因此提出了许多问题，引出了无数的假设。行星探测的最直接和熏要结果就是我们对自己地球的精细特性有了非常重要的新理解——意识到它的生态系统在太阳系中的独特性，并且在探讨太阳系中其他无生命和不适于生存的行星过程中得到警示。
地球使命
在探索了与我们一起围绕太阳旋转的荒凉而坚固的球体以及巨型气态行星之后，再回头从太空来看我们的地球，地球更像是一片令人愉悦的绿洲，在旋转中看上去就像蓝绿白相间的大理石。川流不息的水从它的表面流过，太阳那仁慈的辐射温柔地照耀着它的大气，大气里富含氮和氧，它就像是一层保护和养育的毛毯，覆盖着所有的东西。这是迄今为止已从月亮上看到的地球升起。知的仅有一颗支持生命的行星——太空时代对太阳系的探索给我们提供了有益的信息，提醒我们认识这一支持生命的复杂系统有多么脆弱。
在20世纪后半叶，当地质学家、大气科学家、海洋学家和资源专家探索自然界各种起作用的因素时，他们利用了一种不断在增加范围的新工具，从比较行星学到放射性碳同位索测年法，再到计算机模拟和卫星测绘，追溯地球的历史和预测它的近期与远期未来。这些努力结合在一起构成了一项世界范围的使命，以探索我们地球之中难以理解的秘密。
从天上亲看
自从苏联第一颗人造卫星在1957年成功上天以来，地球本身一直处于高空盘旋的各种人造卫星经常性的观测中。尽管许多是用于收集军事情报、商业目的和通信，也还有不少是用于研究地球环境和资源的。1972年发射了第一颗地球资源探测卫星，以后又发射了其他许多卫星。这些人造卫星以不同的轨道围绕地球运行，发现了地球的范艾伦辐射带、追踪海洋里的鱼群运动、揭示沙漠中失踪的古代道路和城市、显示植被的生长和污染分布。气象卫星给我们带来了准确的天气预报，再加上有关大气状态的重要信息，其中包括发现上同温层中存在的保护性臭氧层中一个正在增长的漏洞。资源图像卫星追踪全世界森林和谷物的变化，确定矿床的分布。海洋学家还运用卫星数据研究海洋的机制及其奔腾汹涌的巨流。
实事求是地说，太空时代不仅改变了人类生活的方式，而且帮助我们认清自身在宇宙中的地位。但也许我们对地球看法最为重大的改变来自20世纪中叶以来有关地壳的一系列大胆的新思想，它们得益于新工具和方法的使用。
漂移中的大陆
我们对地壳认识的革命发生于20世纪五六十年代，这时地质学家提出一种思想，认为地壳破裂成好几个大的板块，这些板块会相对发生移动。这一思想的根源可以追溯到19世纪，当时美国纽约州有一位地质学家名叫霍尔（James Hall，1811—1898），他注意到，环绕山区而积累的沉积物厚度至少要超过大陆内部地区10倍以上。从这一观测结果引出如下思想：在地球表面的大陆地壳极为古老，最初是褶皱的槽谷，随着沉积物的日积月累，才逐渐变硬、结块。
1908年和1912年之间，德国地质学家魏格纳（Alfred Lothar Wegener，1880—1930）等人认识到，这些大陆经过漫长的时间，逐步分离、漂移，最终发生碰撞。碰撞挤压褶皱的槽谷，形成山峦地带。
魏格纳认为，各大陆边缘就像一张巨型拼图中的碎片相互可以匹配这一事实，强化了大陆漂移的概念。他还进一步指出，大西洋两侧——巴西和非洲——岩石形成的年龄、类型和结构相互匹配。它们还拥有相同的陆地生物化石，而这些生物不可能靠游泳远渡重洋。然而，并不是每个人都相信，特别是地球物理学家。
当代的故事就是从这里开始。英国地质学家布拉德爵士（Sir Edward Crisp Bullard，1907—1980）利用计算机进行分析，把这两个大陆拼凑在一起，证明完全吻合。然而，另外一些大洋边缘却并不具有同样明显的证据，特别是太平洋和印度洋周围。许多地质学家认为，沿着太平洋边缘，山脉仍然在形成之中，这就解释了在这些区域，为什么火山爆发以及地震频繁发生的原因。
