书城自然科学揭秘神奇的宇宙
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第5章 嗨!太阳系,我来了!(4)

(四)天王星的光环

天王星基本上是由岩石和各种各样的冰组成的,它含有15%的氢和一些氦。天王星和海王星在许多方面与木星和土星在去掉巨大液态金属氢外壳后的内核很相像。虽然天王星的内核不像木星和土星那样是由岩石组成的,但它们的物质分布却几乎是相同的。如其他所有的气态行星一样,天王星也有带状的云围绕着它快速飘动。但是它们太微弱了,以至只能由“旅行者2号”经过加工的图片才能看出。最近由哈勃望远镜的观察中显示的条纹却更大更明显。据推测,这种差别主要是由于季节的作用而产生的 (太阳直射到天王星的某个低纬地区可能造成明显的白天黑夜的作用)。而天王星呈现蓝绿色是其外层大气层中的甲烷吸收了红光的结果。那儿或许有像木星那样的彩带,但它们被覆盖着的甲烷层遮住了。像其他所有气态行星一样,天王星有光环。它们像木星的光环一样暗,但又像土星的光环那样由直径达到10米的物体和细小的尘土组成。天王星有11层已知的光环,但都非常暗淡;最亮的那个被称为Epsilon光环。天王星的光环是继土星的光环被发现后第一个被发现的,这一发现被认为是十分重要的,由此我们知道了光环是行星的一个普遍特征,而不是仅为土星所特有的。

(五)天王星的卫星

以前,人们只知道天王星有5颗卫星,这5颗卫星几乎都在接近天王星的赤道面上绕天王星转动。因天王星的自转轴倾斜为98°,这5颗卫星都成了逆行卫星。其中天卫三和天卫四较大,直径分别为1000千米和1630千米。其余3颗都比较小,最小的天卫五是1948年美国天文学家柯伊伯发现的,直径为484千米。天卫五的地形复杂,有高达24千米的山峰、坑坑凹凹的洞和数条线状的沟,它的成因迄今依然还是个谜。1986年“旅行者2号”探测器造访了这颗行星,发现10颗新卫星,使它的卫星数目增加了2倍,共计15颗。新发现的卫星都很靠近天王星,但都比较小,直径多在20千米~100千米之间,最大的一颗直径为160千米。

十、海王星

按距太阳的平均距离由近及远排列,海王星排行第八。它的亮度为7.85等,只有在望远镜里才能看到。由于它是一颗淡蓝色的行星,根据传统的行星命名法,它被命名为涅普顿。涅普顿是罗马神话中统治大海的海神,掌管着1/3的宇宙,颇有神通,海王星的天文符号象征涅普顿手中寒光闪闪的神叉。

海王星绕太阳运转的轨道半径长为45亿千米,公转一周需要165年。多么漫长的一个海王星年啊,从1846年发现到今天,海王星还没有走完一个全程!海王星的直径是49 400千米,和天王星类似,质量比天王星略大一些。海王星和天王星的主要大气成分都是氢和氦,内部结构也极为相近,所以说海王星与天王星是一对孪生兄弟。

海王星距离太阳太远了,所以海王星的表面温度极低,大气下的冰层估计有8 000千米厚,比地球半径还大。

(一)笔尖上的发现

天王星被发现不久,人们就注意到天王星的运动有些奇怪,总是偏离天体力学计算的轨道。有人推测天王星轨道之外可能存在一颗行星,它的引力作用使天王星的运动受到干扰,这在天文学上叫做“摄动”。1845年,英国剑桥大学数学系的学生亚当斯算出了这颗摄动行星的轨道和质量,但他的研究成果没有被重视。与此同时,法国巴黎天文台的勒威耶也在研究这一问题。1846年9月18日,勒威耶把他的研究结果寄给柏林天文台的伽勒。伽勒9月23日接到信后,当晚在勒威耶预言的位置附近找到了这颗新行星,命名为海王星。由于它是由天文计算而发现的行星,所以被称为“笔尖上的发现”。

(二)“旅行者2号”的信息

1989年8月24日,经过12年长途跋涉的“旅行者2号”探测器如期到达了旅途的最后一站--海王星,对海王星进行了详细的科学考察,给天文学家发回了大量清晰的照片和数据,使我们对海王星的了解再也不像雾里看花那样朦朦胧胧了。在“旅行者2号”考察海王星之前,一般认为海王星只有两颗卫星,那就是海卫一和海卫二。经探测后又发现了6颗卫星,从而使海王星的卫星总数达到8颗。“旅行者2号”飞近海王星拍摄的照片向人们显示,海王星是一个狂风呼啸、乱云飞渡、富有生气的世界。大气中有许多湍急紊乱的气旋在翻滚。在海王星的南半球有一个醒目的大黑斑,其形状、相对位置和行星的大小比例竟与木星大红斑类似。天文学家认为它也是一个大气旋,是令人惊心动魄的风暴区。然而,1994年利用哈勃望远镜对海王星进行观察,大黑斑竟然消失了!它或许就这么消散了,或许暂时被大气层的其他部分所掩盖。几个月后哈勃望远镜在海王星的北半球发现了一个新的黑斑。这表明海王星的大气层变化频繁,这也许是因为云的顶部和底部温度差异的细微变化所引起的。

(三)海王星的光环

天王星有美丽的光环,海王星有没有光环呢?1984年,美国和法国天文学家在两个天文台同时观测7月22日的掩星后,发现了海王星有一条不连续的环带,其长度不过100千米,宽度只有10千米~15千米。后来“旅行者2号”经过海王星时发现海王星有5条光环:里面的3条比较模糊,可能是由卫星碎片构成,外面的两条环比较明亮。最外面的环只有几段弧特别亮,仔细观察后发现,原来环中嵌有七八团冰块(最大的直径约有10千米~20千米),其他的则是很小的冰晶和碎石。

(四)海王星的卫星

“旅行者2号”重点考察了海卫一。当它从南边逼近海卫一时,摄像机前出现了一个耀眼的白色世界,冻结的氮构成的海卫一极冠覆盖了南半球的大部。海卫一表面温度大约只有-310℃。科学家推测它是由岩石和冰混合而成的天体。探测器发现海卫一上的冰火山正在喷发,喷出的是白色的冰雪团块和黄色的冰氮颗粒。由于海卫一重力不大,这种喷发物可高达32千米,是珠穆朗玛峰高度的4倍。迄今为止,海卫一是已发现的太阳系中第三个存在活火山的天体。

十一、最遥远的行星--冥王星

在九大行星中,离太阳的平均距离最远,质量最小的行星,要算冥王星了。它在远离太阳59亿千米的太空中姗姗前行。在西方,人们用罗马神话中住在阴森森地狱里的冥王普鲁托来称呼它,中文则译为冥王星。

冥王星的质量仅为0.0024倍地球质量,体积为地球体积的0.009倍,赤道直径约为2400千米,平均密度为1.5克/立方厘米,是太阳系中最小的一颗行星,还没有月球大。

冥王星距离太阳太远,接受太阳辐射极少,所以表面温度很低,估计表面平均温度低于-200℃。如此的低温使大部分物质已凝结为固态或液态,只有氢、氦、氖还可能是气态。因此,冥王星如果有大气的话,也是极稀薄的、透明的。冥王星的公转周期为248年。它绕太阳公转的轨道非常奇特,是一个扁长的椭圆形,偏心率达到0.25。冥王星离太阳最近时只有43亿千米,比海王星离太阳还近;离太阳最远时可达72亿千米。另外,八大行星绕太阳旋转的轨道基本都在黄道面内,而冥王星的轨道则与黄道面有17度左右的交角,因而冥王星有时在八大行星的上面运行,有时又跑到了它们的下面。冥王星的自转周期比较长,约为6天零9个小时。根据冥王星卫星的资料,估算出冥王星的自转轴与公转轴交角大于60度,因而是侧向自转,与天王星相似。

(一)冥王星的发现

冥王星是最晚发现的一颗行星,和天王星、海王星的发现相比,冥王星的发现可算得上“好事多磨”。冥王星的亮度很弱,只有15等,即使在大望远镜拍摄的照片上,它和普通的恒星也没有什么差别,要想在几十万颗星星中找到它,真好比是大海捞针。在寻找冥王星的工作中,天文爱好者出身的美国天文学家洛韦尔详细计算了这颗未知行星的位置,用望远镜仔细寻找,付出了十几年的心血。1929年,洛韦尔天文台台长邀请汤博加入未知行星的搜索行列。他们一个一个天区地搜索,拍摄了大量底片,并对每张底片进行细心地检查,工作艰苦、乏味。1930年1月21日,汤博终于在双子星座的底片中发现了这颗新行星。

(二)奇特的轨道

冥王星一直被认为是一颗离太阳最远的行星,但后来的事实证明并非完全如此。在1979年1月21日~1999年3月14日这段时间,冥王星就比海王星更靠近太阳。这是由于冥王星轨道的偏心率、轨道面对黄道面的倾角都比其他行星大。冥王星在近日点附近时比海王星离太阳还近,这时海王星成了离太阳最远的行星。每隔一段时间,冥王星和海王星会彼此接近,在黄道投影图上两颗行星的轨道交叉。但不必担心它们会碰撞,因为它们的轨道平面并不相合,即使在交叉点附近,它们之间的距离仍然是很大的。它们会像行驶于立体交叉公路上的车辆一样,各自飞驰而过。

(三)冥王星的卫星

目前发现冥王星只有一颗卫星,被命名为“查龙”。查龙的公转周期与冥王星的自转周期一样,都是6.39天,这样的卫星也叫做同步卫星,因此在冥王星上看到它的卫星是一个静止不动的大“月亮”。查龙的直径为850千米,是冥王星的三分之一。对于个头不算大的冥王星来说,这颗卫星确实有点大得出奇了。

(四)有待探索的行星

冥王星发现至今只有60多年,再加上又小又远,是目前大行星中面目最为模糊的一颗。20世纪70年代和80年代是太阳系航天探测的黄金时代,九大行星中已有7颗被探测器近距离探测过,只有冥王星是航天器未涉足的死角。在各种天文书刊中给出的行星参数表上,冥王星这一栏留下的空白最多,即使被列出数据,有不少也被打上问号,另外,人们对冥王星的身份也有怀疑。冥王星的直径、质量是行星中最小的,密度为每立方厘米1.8~2.1克,反照率为50%~60%,这同大行星的几颗大卫星很相似。冥卫星究竟是行星还是卫星?或者是一颗大的小行星?然而,不管它是什么,作为太阳系遥远边界上的-个天体,它的神秘感对天文学家有很大的吸引力。相信不久的将来,随着探测技术的发展,冥王星将成为行星天文学的热门课题。

十二、小行星

在太阳系中,除了九大行星以外,还有成千上万颗肉眼看不见的小天体,它们沿着椭圆轨道不停地围绕太阳公转。与九大行星相比,它们好像微不足道的碎石头。这些小天体就是太阳系中的小行星。小行星大的直径约1000千米,小的比鸡蛋还小。其中有16颗小行星的直径超过240千米。如果将所有的小行星加在一起组成一个单独的天体,它的直径还不到1500千米--比月球的半径还小。

(一)小行星带

自从1801年发现第一颗小行星,到20世纪90年代末,已登记在册和编了号的小行星已超过8 000颗。据统计,小行星的总数当在50万颗左右。它们中的绝大多数都集中在红色的火星和巨大的木星轨道之间,与太阳的距离约2.06~3.65天文单位的区域里绕太阳公转,这个区域被称为小行星带。小行星并不是我们想象中的那样密密麻麻地挤满了小行星带,而是非常空旷,小行星与小行星之间的距离非常遥远,很少有碰面的机会。在小行星带里,有些小行星的轨道还会与地球轨道相交,有些小行星还曾与地球相撞。只有极少数能真正闯进地球的大气层落到地面,成为陨星。

(二)小行星带的形成原因

由于小行星的质量很小,不会发生地球那样大的变化过程,因此保留了太阳系初期的原始状况。因此,小行星对研究太阳系的起源有重大价值。至于小行星带形成的原因,迄今还没有公认的定论,现在最多人支持的理论认为:小行星带内原来有一颗与地球、火星不相上下的大行星,后来由于远古时代遭遇了一次巨大的宇宙碰撞而发生了爆炸,炸裂的碎片就成了现在的小行星带。此外,还有所谓的碰撞说,等等。

(三)小行星的物质组成

我们对小行星的了解很多是通过分析坠落到地球表面的太空碎石。经过对所有陨星的分析,发现它们92.8%的成分是二氧化硅(岩石)、5.7%是铁和镍,剩余部分是这三种物质的混合物。含石量大的陨星称为陨石,含铁量大的陨星称为陨铁。因为陨石与地球岩石非常相似,所以较难辨别。1991年10月,伽利略号木星探测器访问了951Gaspra小行星,从而获得了第一张高分辨率的小行星照片。1993年8月,伽利略号又飞经了243Ida小行星,使其成为第二颗被宇宙飞船访问过的小行星。探测结果表明,Gaspra和Ida小行星都富含金属。1997年6月27日,NEAR探测器与253Mathilde小行星擦肩而过。这次机遇使得科学家们第一次能近距离观察这颗富含碳的小行星。