澳门威斯尼斯人手机版世界科学技术全景百卷书,天王星小档案

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  1682年,惊慌和恐怖的气氛正笼罩着伦敦。

  颠倒的行星世界

  夜晚,天空中挂着一根银光闪闪的木棒,或者说是一把寒气逼人的利剑,它使满天星斗为之失色。它扰乱了天空的正常秩序,同时也扰乱了尘世间人们的心灵。在伦敦街头,人们惶恐不安地望着天空,有的人跪在地上,在向上帝做祷告。

  天王星是在土星外面绕太阳公转的,84.01个地球年公转1周。天王星自转方式非常奇特,就像一个耍赖的小孩,躺在地上打滚似的。天王星横躺在轨道上一边打着滚,一边绕太阳转圈。天王星如此运动的结果是天王星上的春秋两季,有着快速的昼和夜的交替,约每隔16.8小时太阳就升起一次。而冬夏两季和春秋两季则截然不同,当天王星的南半球对着太阳时,南半球处于夏季,这时期的太阳总是在南半球上空转圈子,永不下落。整个夏季南半球始终是白昼。这时背向太阳的北半球则处于冬季,整个冬季要度过长达21个地球年的漫长黑夜,难怪有人把天王星称作为“一个颠倒的行星世界”。

  “天啊,这是什么怪物啊!”

  天王星的卫星

  “连月亮也被它淹没了!”

  在1977年之前,我们只知道天王星有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。因为天王星的自转轴倾斜为98°角,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,其余三颗比较小,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。

  教堂里的牧师说,这是灾祸的预兆,是上帝发怒时所派遣的可怕的使者。牧师要人们向上帝祷告忏悔自己的罪过:“只有信仰上帝,信仰耶稣,才能得救。”

  1986年旅行者2号探测器造访了这颗行星,发现了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20~100千米之间。最大的一颗直径为160千米,此卫星被称为1985UI。只有这颗卫星是旅行者2号在飞往天王星的旅途中发现的。

  在伦敦东南近郊的格林威治天文台。天文学家佛兰姆斯第德正对着天文望远镜,观测着这个怪物,记下它所在的位置,及它在天空中所占面积的大小,查对它位置的移动和大小的变化。

  天王星的面目才稍稍揭开,还会不断有新的疑谜产生。要想更深地了解谜一样的天王星,还要靠天文学家们的长期不懈的努力。

  “这真是少见的大彗星!”他赞叹地说。在天文学家的眼里,在望远镜里,彗星是经常见到的,并不足怪。然而这样巨大的光亮的彗星,他过去却从没见过。

  意外的发现

  佛兰姆斯第德刚刚写完一段记录,就有人告诉他:哈雷先生来了。

  土星有美丽而奇特的光环早已是众所周知的事了,光环似乎成了土星的

澳门威斯尼斯人手机版,  哈雷是一个青年科学工作者,只有26岁。由于他对南半球星座的研究,和对一次水星凌日现象所作的观测记录,使他成为英国皇家学会最年轻的成员,天文学界的人都知道他。佛兰姆斯第德快步走进会客室,和他亲热地握手。

  “专利”。直到本世纪70年代才打破了这种垄断现象。

  “亲爱的佛兰姆斯第德先生,你看到那个大怪物没有?”

  1977年3月10日,在一次天王星掩恒星的天象观测中,天王星在天空缓慢移动,从天秤座中一颗编号为SAO158687号的暗恒星后面经过,出现了罕见的掩星天象。中国、美国、澳大利亚、印度和南非的天文台都抓住这难得遇到的机会进行观测。掩星前出现5次和掩星后出现5次忽暗忽亮现象。经过天文学家们的分析,确认天王星也有光环,是9条细环,宽度约10万千米。

  “当然看到了。哈雷先生,我知道你所说的是彗星。我已经注意它半个多月了。”

  1986年1月24日旅行者2号探测器以每小时72000千米的速度飞掠天王星时,又发现了天王星的11个环,纠正了9个环的认识。天王星共有20个环,不同的环有不同的颜色,给这颗遥远的行星增添了新的光彩。

  “对呀!”哈雷说,“佛兰姆斯第德先生,你知道不知道,它在社会上引起多大的骚乱!它让愚昧和迷信统治着人们的头脑!你们天文台,有责任解释它的存在,用科学扫除愚昧和迷信!”

  海王星也具有辐射带,还有类似于在地球南北极出现的极光。隔
16小时3分至16小时5分发生一次,说明海王星也有磁场。海王星磁场与其自转轴之间的倾角约为50°,其磁层中主要是由氢离子,氦离子和氨离子构成。

  佛兰姆斯第德抱歉地赔笑道:“你说得对,我们有责任。可是,我们现在还不知道这怪物是从哪里来的啊。”

  笔尖上的发现

  哈雷在天文台的望远镜里观察了这颗彗星。它横贯半边天空,光芒四射。它的一端比较浓,像是一团浓雾。

  自从1781年天王星被发现以后,人们发现天王星老是不守“规矩”,在绕太阳转圈的轨道上总是东摇西晃的,使众多的天文学家们感到困惑不解:或许在天王星的外侧还有1颗大行星,由于它的存在,造成天王星的行动异常!
19世纪,许多天文学家们致力于搜索这颗“天外行星”的热门工作。

  佛兰姆斯第德在旁解释说:“你看那浓雾似的一头,叫做彗头。那彗头的中心有个明亮的光点。看见了吗?我最初看见它时,它就只有那么个光点,和普通星星一样。后来,我才看见这团浓雾似的光斑。再过几天,它靠近太阳,就伸出那个长长的尾巴,而且一天比一天长。”

  当时有两位青年——英国亚当斯和法国勒威耶在互不知晓的情况下,分别进行了整整2年的计算工作,1845年亚当斯先算出“天外行星”的轨道,但是,格林尼治天文台却把他的论文束之高阁,错过了首先找到新星的良机。1846年9月18日,勒威耶把计算结果寄到了柏林,却受到了重视。柏林天文台的伽勒不失时机地搜索这颗“天外行星”,最终在勒威耶指点的位置附近发现了这颗新行星,这就是太阳系家族的第八颗大行星——海王星。

  哈雷看着长长的彗尾,是一条或明或暗的光带,很淡薄,很模糊。这光带是如此淡薄,以致哈雷还能透过它,看到它后面的某些恒星闪烁发光。

  笔尖下发现的海王星,使太阳系的疆域又一次向外推移,达到了45亿公里之遥,同时,为哥白尼学说和牛顿力学提供了最好的佐证,成为科学史上一段脍炙人口的佳话。

  佛兰姆斯第德说:“彗星越靠近太阳,尾巴越长,然而当它过分逼近太阳的时候,它就隐没在太阳的光辉里,最终看不见。像这一颗彗星,过些日子也会被太阳的光辉掩没。几天以后,它又会带着长长的尾巴出来。出来以后,它的尾巴慢慢变短,最后只剩下一个光点,渐渐消失在天空,连望远镜也看不见了。”

  海王星

  佛兰姆斯第德取出一大叠资料给哈雷看,这是天文台历年来观测到的许多彗星的记录。哈雷非常感兴趣地翻看着。他一面看资料,一面自言自语地说:“彗星怪是怪,但是也有运行的规律,不是胡来乱闯的嘛!”

  在大型天文望远镜里的海王星,呈现出淡蓝色的圆面,人们自然而然地联想到蔚蓝色的大海,于是,西方人用罗马神话中的大海之神——尼普顿的名字来称呼它,中文译为海王星。

  两年以后,哈雷到剑桥大学去,访问大名鼎鼎的天文学家牛顿,他同时也是数学家和物理学家。

  天王星的兄弟

  牛顿房间的墙上,挂着一幅《太阳系图》,图的中间是太阳,四周画的水星、金星、地球、火星、木星、土星六大行星,以及它们绕着太阳公转的轨道。有的行星旁边还画着卫星。这就是当时已知的太阳系全体成员了。

  海王星绕太阳运转的轨道半径为45亿千米,是地球距离太阳的30倍,公转一周需要165年。从1846年发现到今天,海王星还没走完一个全程。

  哈雷一走进房间,牛顿就热情地欢迎道:“啊,哈雷先生,年轻的天文学家!我很高兴见到您。我正有个困惑的问题要向您求教呢。”

  海王星的直径是49400千米,和天王星类似,质量比天王星略大一些。因此海王星的内部结构与天王星极为相近,所以说是天王星的孪生兄弟。

  “啊哟!”哈雷吃了一惊:鼎鼎大名的牛顿竟会向我求教!他恭敬地站着说道:“尊敬的牛顿先生,我是因彗星的问题来向您求教的。我怎么能解答您感到困惑的问题?”

  海王星表面也有厚厚的大气层包围着,大气中含有氢、甲烷和氨等气体。由于海王星离太阳遥远,表面有效温度为-230℃,但在红外波段,海王星的辐射能量超过它所吸收的太阳能量,这表明海王星也可能存在内部局部能源。从1989年8月“旅行者2号”考察海王星时发回的照片上发现,海王星上面有一个大鹅卵形黑斑,二个暗斑和三个亮斑。黑斑的直径约为1.28万公里,看上去像一只大眼睛,大约每10天逆时针旋转一周。这个大黑斑实际上是一个气旋,它是海王星大气的高压区,在它上面约50公里处有一些像卷云般的云朵。分析表明,在海王星大气中含有高浓度的甲烷和氢硫化物。

  “你在研究彗星?很好。不过我们还是先谈谈行星吧。我们已经知道,行星都是围绕太阳公转的。”他指着墙上的《太阳系图》说,“我们不了解的是,为什么行星不会脱离太阳,飞往更遥远的空间呢?”

  天王星和海王星的内部结构既不像类地行星富含硅、铁,又不像巨行星那样富含氢、氦,它们基本上是由水、甲烷、氨等氢化物构成;而硅酸盐、铁、氢和氦只是次要成分。这就是说,虽然天王星和海王星也像巨行星那样是液态行星,但它们的化学成分已不是原始星云物质。

  哈雷想,这问题不难。他说:“这恐怕用得着您著名的苹果故事了。”

  现在认为天王星和海王星的大气中氢仍是主要成分,其内部结构分为三层:富氢的大气层,其质量为1~2地球质量;由甲烷、氨和水构成的液态幔,其质量约为地球质量的10倍;岩—冰核,其质量约为地球质量的3倍。

  苹果故事便是牛顿自己的故事。“你是说,太阳具有强大的引力,吸引行星不离开它,对吗?”

  根据地面观测,天王星和海王星也有磁层。为此,“旅行者2号”的探测项目中设置了对天王星、海王星磁层的探测项目。“旅行者2号”在到达天王星最近距离点之前,就探测出天王星发出的射电信号和带电粒子流。经测定,天王星也有磁层结构,其磁层中主要是由质子和电子构成的等离子体。磁层在朝向太阳的一面至少延伸到59万公里的高度,其磁尾延伸到600万公里。天王星也有与地球范艾伦带类似的辐射带。

  哈雷含笑点点头。

  1989年8月24日,“旅行者”2号抵达海王星近区,对海王星进行多方面的探测。观测资料向我们展示了海王星的“画卷”。海王星是一颗蓝绿色的行星,大气层内十分活跃,各层的云都在高速流动,风暴层出不穷。在大气层中存在两个暗斑和3个亮斑。其中一个大暗斑在东西方向上达12000公里,南北方向上达8000公里,位于海王星南半球南纬21°,与木星大红斑一样,是沿逆时针方向运动的气团。大黑斑的南部还伴有明亮的白斑。“旅行者”2号还新发现海王星有6颗卫星,使海王星卫星总数达到8颗。发现海王星有5条光环。迄今为止,木星、土星、天王星和海王星都具有光环。它们同属类木行星。这给关于太阳系起源和演化的研究注入了新的活力。

  “那么,”牛顿又说,“太阳为什么不把行星吸引到自己身上,也像地球吸引苹果一样呢?”

  探索海王星

  哈雷沉思了一会,摇摇头说:“这个我说不清楚。”

  1989年8月24日,经过12年长途拔涉的旅行者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中看花那样朦朦胧胧了。

  “我是这样想的,”牛顿拿出一张图说,“您看,这行星P本要向P的

  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。

  1方向前进的,然而它被太阳吸引,而向P方向前进了。但是到了P以后,它也并不是沿着PP的方向前进,因为受了太阳引力的影响,它到了P。同样的道理,行星又转向P。总之,由于各种力量的平衡,行星就以椭圆形(接

  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。飞近探测后又发现了6颗卫星,从而使海王星的卫星总数达到8颗。新发现的卫星暂命名为1989N1~1989N6。1989N6距海王星最近,其他依次是1989N5、1989N3、1989N4、1989N2、1989N1、海卫一和海卫二。

  4近正圆)的道环绕太阳运行。您说对吗?”

  旅行者2号重点考察了海卫一。当它从南边逼进海卫一时,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。旅行者2号发现海王星有5条光环,里面的3条比较模糊,可能是海王星碎片构成的。外面的两条环比较明亮,较里面的环原整,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7~8团冰块(最大的直径约为10~20千米),其他的则是很小的冰晶和碎石。

  “可是,”牛顿又说,“这却只是一种设想。要证明这种设想,就必须把这几种力量的大小计算出来,看是否与设想相符合。”

  当旅行者2号探测器飞进海王星周围的空间时,它的磁强计测量了海王星的磁场和磁层。发现海王星的磁极与海王星的南北极偏差50°,在此之前,天文学家一直把天王星的偏心磁场看作异常,现在海王星也如此,事情就不那么简单了。如何解释这两个行星的磁场,成为摆在科学家面前的一个难题。

  “我知道了!”哈雷抢着说,“我们如果算出太阳的质量多大,行星的质量多大,便能算出它们相互的引力有多大。不过,如果相隔距离太远,那么相互间的引力就会要小些吧?”

  冥王星

  “对极了!”牛顿说。

  九大行星中同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59亿千米的寒冷阴暗的太空中跚跚前行,这情形和罗马神话中住在阴森森的地下宫殿里的冥王普鲁托非常相似,因此,称为冥王星。

  “行星运行速度越大,它所造成的离心力也就越大,这也会抵销太阳的引力,正像您刚才所阐述的那样。是吗?”

  冥王星是最晚发现的一颗行星。

  牛顿听了非常高兴。他说:“您讲得完全正确。”关于行星运行的轨道问题,他们已经在互相讨论中取得了一致的看法。现在牛顿把话题拉回到哈雷所提出的问题上来,他说,“哈雷先生,请您再想一想,您所要研究的彗星,不也是太阳引来的吗?可是它并不会跌到太阳上面去,而也有它自己的轨道。我们能不能算出它的轨道呢?”

  在寻找冥王星的工作中,最积极的莫过于美国天文学家洛韦尔了。这位天文爱好者出身的天文学家,从详细算出这颗未知行星的位置,到用望远镜仔细寻找,付出了十几年的心血。1916年11月16日,他突然去世,使发现海外行星的工作整整中断了13年。

  牛顿的话虽然没有直接解答哈雷提出的问题,但是给了哈雷很大的启发。从此以后,哈雷便全身心地投入到引力问题的研究之中,他进行了种种复杂的计算。后来他的研究,对牛顿也有所启发和帮助。

  1925年,洛韦尔的兄弟慷慨地捐献了一架大视场32.5厘米的照相望远镜,性能非常好,为继续搜寻新行星提供了优越的条件。1929年,洛韦尔天文台台长邀请汤博(Tombaugh
clyde
william)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。1930年3月30日,发现新行星的消息电告了哈佛大学天文台,从那里向全世界宣告了20世纪天文学的这项重大发现,人类对太阳系的认识又前进了一大步。

  1687年,牛顿关于万有引力的著作出版了。根据万有引力的理论,一切物体都是互相吸引的,引力的大小和物体的质量成正比,和物体之间距离的平方成反比。牛顿还计算了物体运动的速度和引力的关系、他用精密的计算,论证了一切天体都要受万有引力理论的支配。

  浑身是谜

  就行星的运行而论.牛顿计算了太阳和各个行星的质量以及相互之间的距离.他还计算了行星运动的轨道和速度,对行星绕太阳公转作出了明确有据的解释。

  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8颗被行星际探测器近探过,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,表示不准确。

  对于这怪异笑星,牛顿同样也提出了研究它的轨道的方法。举星出现的一段时间,它在天空星座之间运行的路线是可以观测记录的。分析这些记录,可以算出它的轨道和速度,可以算出它和太阳相互吸引的作用力,从而取得很多数据。于是,通过这已知的数据,再运用万有引力的理论,就能算出智星整个轨道的情形,包括它出现以前以及隐没以后在茫茫天空运行的情形。

  除了一大串未知数外,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%,这同外行星的几颗冻结的大卫星很相似。冥王星究竟是行星还是卫星?抑或是一颗大的小行星?然而,不管它是什么,作为太阳系遥远边界上的一个天体,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。

  哈雷按照牛顿提出的方法,计算了1682年大智星的轨道。但是由于当时天文观测资料不够精确,似乎这轨道是一条抛物线,也就是从一端来,绕过太阳到另一端去,永远不回来了。然而经过仔细分析,发现这轨道又像是一个偏心率很大的椭圆。如果是一个偏心率很大的椭圆,那么管星在离开太阳亿万公里以后,又会折回头,向太阳前进,重复出现在人类的眼前。

  直径有多大

  这轰动人类、扰乱天空的旁星,究竟是太阳系的常住户,还是天外飞来的过客?哈雷为此又去格林威治天文台,查阅历来观测彗星时留下的记录。他耗费了巨大的精力,进行无数次复杂的计算,发现
1607年的那颗彗星和1682年的那颗彗星,有着相同的轨道。接着又发现1531年的彗星也和1682年的那颗轨道相同。同时人们描述见到的这三颗彗星的形状大小也相像。

  由于冥王星太暗太小,发现后很长时间不能确定它的大小。最早估计它的直径是6600千米,1949年改为10000千米。1950年,柯伊伯用新建的5米望远镜将其修正为6000千米,1965年又用冥王星掩暗星的方法定出直径的上限为5500千米。1977年发现冥王星表面是冰的甲烷,按其反照率测算,冥王星的直径缩小到2700千米。1980年用莫纳克亚山上的3.6米红外望远镜测出的冥王星直径在2600~4000千米之间,查龙直径为2000千米。近年一些天文学家观测指出,冥王星的直径约为2400千米,比月球(3475千米)还小,而查龙直径为1180千米,它与冥王星直径之比是2∶1,是九大行星中行星与卫星直径之比最大的。所以,有人说冥王星和它的卫星更像一个双星系统。

  “这三颗彗星实际上是同一颗彗星出现了三次!”哈雷想。

  亮度变化之谜

  1682-1607=75 1607-1531=76

  最近一次冥王星过轨道近日点,是在1989年9月。也就是说,从它发现之日起,它正在一刻不停而缓慢地接近太阳,直到过近日点之后,它才逐渐远离太阳。

  这三次出现,每两次之间相隔75年或76年,这就是这颗彗星出现的周期吗?

  既然是在接近太阳,那么,80年代末之前冥王星的亮度应该呈增大的趋势。可是,观测结果并非如此。大体上说来,在50年代里,它的平均亮度是14.9等,60年代下降到15.0等,70年代又暗了一些,为15.1等,而80年代继续变暗为15.2等。

  哈雷从1531年再向前推75年,则是1456年,但没有天文台观测资料,然而历史书上记载着,1456年,出现过大彗星。再由此往上推,1380年和1305年也都出现了大彗星,它们之间也是相隔75年或76年。

  这是为什么呢?星等差0.3等,大致相当于亮度差1.3倍。为什么在长达好几十年的时间里,冥王星的亮度有那么不算小的变化呢?

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