躺着旋转的天王星

    天王星距太阳28.8亿公里，距地球27.3亿公里，太阳光线到达天王星也要2小时38分钟。

    威廉·赫歇耳发现天王星有点事出偶然。1781年3月13日晚，他像往常一样用他自制的望远镜巡视天空，在观察双子座的一部分天空时，他看到一颗不平常的星，它完全不像是一颗恒星，因为恒星在望远镜中只是一个光点，而这颗星呈现为一只淡绿色圆盘状。接连几个夜晚的继续观测，他发现那个天体似乎正在恒星背景下缓慢地移动着。赫歇耳以为他发现了一颗彗星。不久他就发现，这颗星缺少彗星特征——模糊的边界，它看上去边缘总是清晰的。而且它的运行路径是在土星轨道外面的一条近于圆形的轨道，赫歇耳最后认定，他发现的是一颗新行星。

    学术界决定新行星的名称是遵守希腊神话人物命名行星的传统，把新行星命名为“乌拉诺斯”，他是希腊神话主神宙斯的祖父，翻译成汉语就是“天王星”。

    天王星的发现，轰动了世界。

    天王星一下子把太阳系的疆界开拓了，打开了人类的视野，启发天文学家继续在广袤的星空中探索。

    天王星也使赫歇耳一举成名。在此之前，他是位爱好天文学的音乐家，在发现天王星以后，他荣获了勋章，被选为英国皇家学会会员，从此走上了专业天文学家的道路。直到今天，天文学家依然对他十分尊敬，他在恒星天文学方面有杰出贡献，赢得了“恒星天文学之父”的美誉。

    赫歇耳是自学成才的典型。他于1738年出生于德国，后移居英国，身为音乐界的赫歇耳却对数学发生了兴趣，继而又步入光学领域，对光学的兴趣又使他产生了用望远镜观察星星的愿望。1771年，他成了一名天文爱好者，业余时间几乎全都用于磨制望远镜。他的惊世之作是1789年造就的一架口径1.22米，镜洞长达12米的巨型望远镜，在200年前堪称奇迹。在以后长达半个世界的时间里，这架望远镜的大小无人能超越。

    赫歇耳用他自己磨的望远镜研究天空，他最感兴趣的是恒星，他最大的成就也在恒星世界中。1785年，他绘出了我们置身其中的这个恒星系统的外形，呈透镜状——就是今天的银河系，被后人认为是第一个真正发现了银河系的人。

    赫歇耳还发现了太阳的运动。1783年，他论证了太阳以每秒17.5公里的速度向武仙座方向前进，这自然使人们得出结论，太阳也不是宇宙的中心。

    他于1822年去世，享年84岁，恰好等于他发现的天王星的公转周期——84年。

    在赫歇耳发现天王星后6年，在一次试观测他自己新制的望远镜时，又获得了一个有趣的发现——天王星有两颗卫星。它们是天卫三、天卫四，今天，天王星的卫星数已增加到15颗了。另外，土星的两颗卫星，土卫一和土卫二也是赫歇耳发现的。

    天王星有一个与众不同的性质，就是它的运行姿态十分奇特。

    一般的行星，都是侧着身子绕日运动，它们的自转轴和公转轴轨道平面，全都近似垂直，有一点小的倾斜，地球为23.5°，火星24°，木星3°，土星27°，这正是引起季节变化的原因。可是，天王星的自转情况则与众不同，天王星的自转轴的倾斜度达到98°，它们的自转轴与公转轨道平面近乎平行——仅有2°的夹角。实际上天王星是躺在它的轨道面内旋转的，就跟保龄球滚在球道上的情形差不多。这一事实意味着，天王星的季节也非常奇特。在天王星的一年中（相当于地球上的84年），太阳轮流照射天王星的南极和北极。当太阳照北极，北半球处于夏季，在北极地区，太阳看起来就像悬挂在头顶的上方，而且总不下落。而当冬季来临时，这颗行星一半地方进入漫漫的寒冷冬夜中一直持续几十年。只有随着太阳渐渐照射到赤道上，天王星的世界，才有白天到黑夜的交替。即使在夏季，表温很低，－211℃。这样怪异的气候类型，无疑是因为这颗行星的大气层得到奇特的、不均匀加热的结果。

    天王星也有光环。天王星曾在1977年3月10日，在一颗微弱的恒星前通过，这种现象叫做掩食，这是对天文学家来说非常难得的观测时机。因为，天文学家可以趁此机会测量这颗行星的直径，那就是只要测出那颗恒星的光亮被遮挡的持续时间，再根据已经知道的天王星在它的轨道上运动的速度，就不难算出天王星的直径。中国和美国等五个天文台的天文学家们在预报的时间耐心等待。可是，奇怪的是，在预定开始发行掩食前半小时，那颗暗星竟然连续五次从视野中短暂消失，先被“掩”了，接着才发生掩食现象，这以后，掩食结束后半小时，那颗暗星又连续五次时隐时现又被“掩”了，这出乎意料的发现，使天文学家们惊诧不已，这意味着一个重要事实发现：天王星被五个窄环包围，1986年“旅行者2号”飞越天王星时，又发现新的天王星环，共有11道环。

    天王星成为继土星以后的第二个带环行星，打破了土星长期独领风骚的局面。但是，话说回来，天王星光环却不能与土星美丽的光环相提并论。

    土星光环又亮又宽，天王星光环又暗又窄。天王星光环由黑黑的岩石块和小固体块组成，反照率只有2％，是太阳系里最黑的物质。天王星每个光环都很细窄，在10～100公里之间，彼此间距离比较宽，结构也简单，11道窄环很难分辨出细节。

    天王星是颗蓝绿色的星球。这是因为大气中由氢和氦构成的甲烷云层吸收红光的缘故。天王星最大半径为2.5万公里，比木星、土星小，比其他行星都大。天王星的体积是地球的65倍，质量为地球的14.5倍，密度为1.19（以水密度为1）。这些似乎都显示天王星不过是一颗中等地位的行星，给人的印象平平淡淡。

    哈勃空间望远镜一张近红外波段的照片，改变人们以前的看法。天王星不再平淡无奇，让人刮目相看。

    哈勃空间望远镜1990年4月发射成功，主镜的直径为2.4米，它在好几百公里的高空进行观测，受大气干扰很少，它能观测到很暗的星（最暗的星为28等星），比地面上最好望远镜都更胜一筹，发回的照片质量较高。

    “哈勃”1997年7月28日，拍摄一张仿彩色照片，不同的颜色表示不同的温度，即代表不同的云层，显出以前从未见过的大气结构。很明显，在天王星右边缘处有几个橙红色的亮斑，在中部还可以看见一个绿色的斑，这些是大气中的云团，成为天王星上最显著的特征，每个云团的直径都有几千千米，几乎是欧洲面积大小。天王星照片中，蓝色代表大气最深也是最明亮的一层。绿色代表大气中间一层，这层对甲烷吸收敏感。红色表示处于高层的大气，对氢的吸收作用明显。大气云团都随天王星自转而转动。

    天王星环在近红外波段也明亮动人。我们看到照片最明亮的环是ε环，ε环在上部的部分最宽而且最亮，宽度也不均匀。ε环内还有两个较暗弱的环，也能看见。

    天王星的几颗卫星也在照片中，这是“旅行家2号”在1986年发现的10颗卫星中的很靠近天王星的2颗。以前人们在地面上还发现了5颗卫星，距离天王星都比较远，也比较大，从天王卫三的直径1610公里（几乎是月球的一半），到天王卫五的直径484公里不等，现在的天王星共有15颗卫星。

    天王星的卫星，在太阳系里也异乎寻常，在大卫星上，有众多的陨星撞击坑——环形山，还有大量剧烈的复杂的地壳构造痕迹，如断层。卫星的密度从天王卫五的1.26（水的密度为1），到天王卫一的1.65不等，只比天王星稍大。对天王卫星密度的测定结构否定了以前的一种理论，即天王星的倾斜是由于一颗极大的天体与天王星相撞而造成的，撞击抛出的碎片逐渐形成了卫星。如果的确是这样的话，卫星的密度该比实际所测的密度大得多。

    美国“旅行者2号”在1986年首次飞临天王星，它收获也很丰富。

    ①天王星也有强大磁场，与土星、木星、地球一样，磁场扭曲歪斜，磁场强度只有地球1％。

    ②天王星有许多巨大环形山——天王星表面有许多类似月球环形山的巨大环形山，它的大卫星上也有明显的断层区和山谷，这说明，天王星曾遭流星强烈袭击。

    ③天王星有“电辉光”现象——土星也有过，天王星也发现有辉光现象，不过“电辉光”的特征与地球极光大不相同。

    ④天王星有强烈辐射带——比土星强烈得多。

    对天王星的了解还远没有结束，我们期待对天王星的研究，能帮助我们更好地了解太阳系的秘密。

    “笔尖底下”发现的海王星

    起初，人们是不知道有海王星的，在天王星被发现后，人们的注意力被吸引到天王星上，全世界都在研究、计算这颗新行星轨道的要素，它却使天文学家伤透脑筋。人们注意到天王星并不严格按照它预期的路径移动，那时，牛顿力学正被用来计算行星以及它们卫星的轨道和位置，达到了从未有过的精确度。但天王星实际观测的位置总是同预报的位置不一致，让兴致勃勃研究新行星的人们总是扫兴而归。这就引起了天文学家们的深思。是不是有新的行星不遵从这些规律呢？可能牛顿的经典物理学定律，在远离太阳的地方根本不适用了？

    正当有些科学家开始动摇时，有两位名不见经传的天文学家，各自证明了天王星的这种反常行为是因为一颗更远的、尚未发现的行星效应。这两位天文学家是英国人亚当斯和法国人勒维耶。他们两人都论证出，天王星偏离它的预期轨道，可能是另一颗更远的未知行星引力作用的结果。他们通过计算得出了这颗未知行星可能经过的位置。1845年，英国剑桥大学学生亚当斯，比勒维耶早几个月得到正确结果。不幸的是，他仅仅把这个正确结果口头上通知剑桥天文台一位天文学家，并且错过了书面公布其发现的时间。因此发现这颗新行星的功绩反而归于勒维耶。1846年，法国天文学家勒维耶把他的研究结果，寄给了柏林天文台的加勒。引起加勒的重视，加勒当晚就进行了观测，在勒维耶预报的位置附近，果然找到了这颗新行星——海王星。发现它的位置同勒维耶指出的位置相差不到1°，海王星是凭借纸笔计算发现的，经典力学和牛顿力学竟是放之四海而皆准，证明了开普勒定律可以用来预报尚未发现的行星的存在，海王星成为笔尖底下出现的行星。这也说明当时天文计算已达到相当高的精度。

    海王星和天王星，在许多方面相似，就像是一对孪生子。他们在大小、质量、密度方面都差不多，很可能是化学组成和内部结构基本相同。

    赤道半径

    （万公里）直径

    （地球二1）体积

    （地球二1）质量

    （地球二1）密度

    （水二1）温度

    天王星2.543.76514.541.19-211℃海王星2.463.55717.241.66-230℃海王星也有大气，主要成分是氢、甲烷、氨等气体。

    1989年8月，“旅行者2号”来到了海王星，带回给我们的信息是前所未有的，海王星也是非常美丽的。它有4个光环和1个尘埃壳，周围有8个卫星环绕，大气中存在云和风暴。

    海王星的大气中，有三个显著的亮斑和二个暗斑，一个大黑斑。大圆卵形的暗斑直径大约1.28万公里，类似木星红斑，看上去尤如黑眼睛，因此相对而言地称为“大黑斑”。它位于赤道以南21°，沿逆时针方向自转，大约每10天旋转一周。大黑斑的形状不断改变。当经七个周期时，大黑斑在经度方向延伸，抛出一串暗斑向北扩展，然后拉长变薄。这个大黑斑实际上是一个气旋，是海王星大气的高压区。

    大黑斑的南部是编号为S1的亮斑，这片亮斑是发光的白云，它也在不停地增大收缩，东西移动，不过位置始终在大黑斑南部。

    在大黑斑的南部纬度为51°是第二个黑斑，不大，但颜色更黑，中心飘着醒目的白云，白云对流强烈，可以看到新的物质明显地从底部往上冒。

    海王星的大气中含有高浓度的甲烷和氢硫化物。

    海王星也有光环。木星、土星、天王星和海王星同属“类木行星”天体，前三个都已发现有环，所以人们自然就对海王星是否有环产生关注。

    海王星发现后一个月，美国天文爱好者拉塞尔用望远镜观测海王星，报告说发现海王星环。后来，英国剑桥大学天文台台长查理斯，也证实了海王星确有环。但是也有许多天文学家们找不到环，于是开展了争论，海王星有环无环，光环是否失踪成了悬案。

    这个案底还是由1977年上天的“旅行者2号”来揭开的，当它1989年飞近海王星时，发现海王星共有5个光环，其中有一个是尘埃壳。现在，所有天文学家都相信海王星是带环行星了。

    海王星的4个光环中外面2个较亮、较窄，里面2个较暗。处于两个窄环外面的尘埃壳既宽又厚，尘埃圆面宽达1万公里。

    捉摸不定的冥王星

    海王星发现后，差不多过了100年，用发现海王星同样的方法，又一次取得了轰动世界的成就——发现冥王星。

    最早在1877年，有人就预测海王星外有行星存在，后来至少不下十位天文学家发表过海王星外行星的轨道要素，其中以洛韦尔和皮克林的贡献最大。洛韦尔从1905年开始搜索直到1916年去世均毫无结果。有人甚至说这颗行星只是天文学家的想象。

    美国的洛韦尔天文台在洛韦尔去世后，仍然没有放弃对冥王星的寻找。天文台22岁的汤博终于在1930年2月的一个晴朗之夜发现了它。一个微弱但却清晰无误的亮点，出现在汤博的照相底片上。飘忽不定的冥王星露面了，冥王星出现的位置同洛韦尔预测的位置相差不到5°。

    这颗新星的发表，同样引起了轰动效应，尤其是在美国，这可是美国第一次获得发现新行星的光荣啊。最终，这颗太阳系边缘的行星被命名为“普鲁东”——地狱之神冥王星，在这片遥远而黑暗的世界由冥王来把守，含义非常贴切。

    人们同时也迷惑不解，冥王星的质量远远小于以前预测的质量，这么小的质量根本对天王星、海王星的轨道产生不了大的摄动，然而它确实又在预测的轨道位置附近发现的，怎么来解释呢？

    冥王星沿着它漫长的轨道走一圈要248年，冥王星发现至今不到70年，从发现之日起到现在只走了大约1／4的路程，它是如此缓慢地巡视着太阳系的边界。离太阳平均有40天文单位，太阳发出的光要经过5个半小时才能达到冥王星，从冥王星上看太阳，太阳就像一颗明亮的星星。这里的温度低到零下240℃，是太阳系既寒冷又黑暗的角落。

    冥王星的轨道在所有行星中最奇特。不仅在于它的长，更在于它的扁。冥王星的偏心率大到0.256，而其他行星的偏心率平均为0.06（水星的偏心率0.21）。这样扁的轨道致使它有一段时间会跑到海王星的轨道之内，从而失去太阳系中最远行星的地位。它同太阳的最远距离是49天文单位，最近20.6天文单位，最远时比最近时大19天文单位，也就是30多亿公里，这相当于天王星到太阳的距离！

    冥王星的质量在所有行星中最小。它的质量只是地球的0.002，而水星为0.06，火星为0.11，连月球的质量都差不多是它的5倍。从质量上看，既不像类地行星，又不像类木行星，轻得出奇。

    冥王星的大小是所有行星中的最末一位。冥王星又暗又远，发现后很长时间不知道它有多大。用最先进的天文图像处理方法，也测不准这位“小不点”的直径。利用卫星相互交食的方法，测出了几组精确数据。这种交食的机会在冥王星248年的公转周期内，每124年一遇，幸运的是1985年到1989年正是交食时间，刚巧，冥王星又在1989年9月过近日点，于是，地球上的天文学家们有了绝好的观测时机。

    冥王星直径2200±140公里，冥卫直径1160±100公里。

    可以肯定的是，冥王星成为了太阳系中直径最小，体积最小的行星（水星4880公里，月球3476公里）。

    冥王星的亮度变化很奇怪。自发现后的冥王星一直朝着近日点运动，按理说亮度该越来越亮，可是它恰恰相反，平均每10年变暗0.1星等。

聚合中文网 阅读好时光 www.juhezwn.com