遥远的三颗行星

第七节　遥远的三颗行星

(上图)土星的光环是土星最惹人注目的地方。

(下图)土星结构图

在太阳系中，有着三颗远离太阳的行星，它们分别是天王星、海王星和冥王星。

天王星是太阳系中第三大行星，是太阳系中离太阳第七远行星，由威廉·赫歇耳通过望远镜于1781年3月13日发现。天王星是在现代发现的第一颗行星。事实上，它曾经被观测到许多次，早在1690年就有天文学家观测到它的存在了，只不过当时被误认为是另一颗恒星。赫歇耳在发现它之后，把它命名为“the Georgium Sidus”（乔治亚行星），用以纪念他的资助者，即那个对美国人来说算是臭名昭著的英国国王——乔治三世；而除了赫歇耳之外的其他人却称天王星为“赫歇耳”。由于其他行星的名字都取自古希腊神话，因此为了保持一致，波德首先提出，将天王星“赫歇耳”称为“乌拉诺斯”，乌拉诺斯是古希腊神话中的宇宙之神，是最早的至高无上的神。他是盖亚的儿子兼配偶，是农神、独眼巨人和泰坦（奥林匹斯山神的前辈）的父亲。直到1850年，天王星一名才开始广泛使用。

天王星是一个蓝绿色的圆球，它的表面具有发白的蓝绿色光彩和与赤道不平行的条纹，这大概是由于自转速度快而导致的大气流动造成的。天王星的质量约为地球的14.63倍，密度较小，平均密度1.24克/立方厘米，其体积比海王星大，质量却比海王星小。天王星基本上是由岩石及各种各样的冰组成的，仅仅只含有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，但它们的物质分布却几乎相同。其大气层中含有约83%的氢、15%的氦和2%的甲烷。同时，天王星有带状的云围绕着它快速飘动，但相对来说比较微弱。

天王星的发现者——威廉·赫歇耳

天王星的公转轨道是一个椭圆，轨道半径长为29亿千米，它以平均6.81千米/秒的速度绕太阳公转，公转一周要84年，其自转周期则短得多，仅为15.5小时。在太阳系中，所有的行星基本上都遵循自转轴与公转轨道面接近垂直的方式，只有天王星例外，它的自转轴几乎与公转轨道面平行，赤道面与公转轨道面的交角达97°55′，也就是说它差不多是“躺”着绕太阳运动的。于是有些人把天王星称作“一个颠倒的行星世界”。说到天王星转轴的问题，值得一提的还有它十分奇特的磁场，它并非是在此行星的中心，而是倾斜了近60°。这可能是由天王星内部较深处的运动造成的。

这一奇特的现象说明天王星两极地区所得到的来自太阳的能量比其在赤道地区得到的要高。然而天王星赤道地区的温度却比两极地区热。其中原因还不为人所知。

天王星上的昼夜交替和四季变化也十分奇特和复杂，太阳轮流照射着北极、赤道、南极、赤道。因此天王星上大部分地区的每一昼和每一夜，都要持续42年才能变换一次。太阳照到的那一极，就是夏季，太阳万亿年不会下落，也没有黑夜；而背对着太阳的那一极，则处在漫长黑夜所笼罩的寒冷冬季之中。天王星只有在赤道附近的南北纬8°之间，才会有因为自转周期而引起的昼夜变化。

(左图)天王星

(右图)天王星的结构图

天王星的颜色呈现为蓝色，这是由于它外层大气层中的甲烷吸收了红光的结果。其实，天王星上或许也有像木星那样的彩带，但由于其上有甲烷覆盖着，所以将彩光遮住了。天王星同其他气态行星一样，也有光环。它的光环非常暗，同木星的一样，但大小又像土星光环那样。天王星的光环由20条细环组成，每条细环颜色各异，色彩斑斓，异常美丽。天王星的光环是继土星光环被发现后的第一个新发现。这一发现具有重要意义，由此我们知道了光环是行星的一个普遍特征，而仅非土星所特有。

与太阳系中的其他天体不同，天王星的卫星并不是以古代神话中的人物而命名的，而用的是莎士比亚和罗马教皇的作品中人物的名字。已经命名的天王星的卫星有15颗，还有两颗已被发现的卫星暂未命名。

经过科学家的探索，天王星的面目才稍稍揭开，接下来还会有不断的新的疑团产生。要想更深地了解谜一样的天王星，还需靠天文学家们长期不懈的努力。

(左图)纪念碑上的天王星系

(右图)天王星也有光环，但其光环较暗。

自从1781年天王星被发现以后，人们就发现天王星老是不守“规矩”，在绕太阳公转轨道上总是东摇西晃的。对此，众多的天文学家们感到困惑不解。他们推测或许在天王星的外侧还有一颗大行星。正是由于它的存在，才造成天王星的行动异常。于是，到了19世纪，许多天文学家们便开始致力于搜索这颗“天外行星”的工作。

天王星和它的六大卫星

当时，有两位年轻的科学家，英国的亚当斯和法国的勒威耶，他们在互不通晓的情况下，分别进行了整整两年的计算工作。亚当斯于1845年先算出了“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，错过了率先找到新星的良机。1846年9月18日，勒威耶也得出了结果，他把计算结果寄到了柏林，却受到了重视。柏林天文台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。海王星的发现，使太阳系的疆域又一次向外推移了，达到了45亿千米之遥。同时，它的发现也为哥白尼学说和牛顿力学提供了最好的证明，成为科学史上脍炙人口的佳话，广为传诵。

海王星是环绕太阳运行的第八颗行星，其赤道半径为24750千米，为地球赤道半径的3.88倍。海王星呈扁球形，它的体积是地球体积的57倍，质量是地球质量的17.22倍，平均密度为1.66克/立方厘米。海王星在太阳系中，仅比木星、土星和天王星小，是太阳系的第四大行星。在古罗马神话中，海王星代表海神。在古希腊神话中，海王星名叫波塞冬。

海王星的自转周期为22小时左右，它的赤道面和轨道面的交角是28°48′，海王星绕太阳公转的轨道很接近正圆形，轨道面和黄道面的夹角很小，只有1°8′，它以平均每秒5.43千米的速度公转，大约要164.8年才能绕太阳一周。从1846年被发现到现在，它还没走完一个全程。

英国皇家格林尼治天文台

1989年8月25日，“旅行者2号”探测器飞越海王星，这是人类首次用空间探测器探测海王星。它在距海王星4827千米的最近点与海王星相会，从而使人类第一次看清了远在距离地球45亿千米之外的海王星面貌。海王星内部有一个质量和地球差不多的核，核是由岩石构成的，是各种各样的“冰”和含有15%的氢和少量氦的岩石，温度为2000℃～3000℃。核外面是质量较大的冰包层，再外面是浓密的大气层，大气中主要含有氢、甲烷和氨等气体。这与天王星极为相似，但海王星很有可能拥有一个岩石质的小型地核（质量与地球相仿）。海王星的蓝色也是由于大气中的甲烷吸收了日光中的红光所造成的。和土星、木星一样，海王星内部也有热源。它辐射出的能量是其吸收到的太阳能的两倍多。

从“旅行者2号”拍摄的6000多幅海王星照片中发现，海王星南极周围有两条宽约4345千米的巨大黑色风云带和一块面积如地球那么大的风暴区，这片区域就是如木星大红斑一样的大黑斑。这块大黑斑沿中心轴逆时针方向旋转，每转360°需10天。然而，1994年，在通过哈勃望远镜对海王星的观察中，大黑斑突然消失了！或许是消散了，又或许是暂时被大气层的其他部分所掩盖。但在几个月后，哈勃望远镜在海王星的北半球发现了一个新的黑斑。由此可见，海王星的大气层变化是十分频繁的。引起这个细微变化的也许是因为云的顶部和底部存在着温度的差异。

海王星也有光环。在地球上只能观察到暗淡模糊的圆弧，而非完整的光环。根据“旅行者2号”发回的图像显示，图像上显示的那些弧完全是由亮块组成的光环。其中有一个光环看上去似乎呈奇特的螺旋形结构。

海王星结构图

海王星和天王星一样，也有磁场和辐射带，大部分地区有像地球南北极那样的极光。海王星的大气层动荡不定，大气中含有由冰冻甲烷构成的白云和大面积气旋，跟随在气旋后面的是时速为640千米的飓风，这些旋风还有大风暴均按带状分布。海王星上的风暴是太阳系中最快的，其时速可高达2000千米。海王星上空有一层因阳光照射大气层中的甲烷而形成的烟雾。关于海王星的四季，并非像地球那么显著，其冬季、夏季温差很小。

根据探测，到目前为止，已经发现的海王星的卫星有8颗：7颗小卫星和“海卫一”。其中，“海卫一”是太阳系中质量最大的卫星，是唯一一颗沿行星自转方向逆行的大卫星，也是太阳系中最冷的天体。它的表面温度为-240℃，部分地区被冰和雪覆盖，而且还时常下雪。上面有3座“冰火山”，曾喷出过冰冻的甲烷或氮冰微粒，喷射高度有时达32千米。“海卫一”上有一层由氮气组成的稀薄大气层，它的极冠被冻结的氮形成一个耀眼的白色世界。

海王星给人类留下了很多疑问，科学家会沿着这条探索之路继续探索下去的。

(左图)海王星上也有光环，但在地球上观察到的光环是暗淡模糊的圆弧。

(右图)海王星

冥王星原是九大行星之一，但根据2006年8月24日国际天文学家联合大会的决议，冥王星被排除在大行星之列，不再被视为大行星，而被认为是太阳系的“矮行星”。

海王星和“海卫一”影像

在罗马神话中，冥王星被看做是冥界的首领普鲁托。而希腊人则将冥界的首领称为哈迪斯。这颗行星之所以叫这个名字，是因为它离太阳太远了，以至一直处于沉默的无尽的黑暗之中，而凑巧的是冥王星的英文“Pluto”开头的两个字母是其发现者Percival Lowell的缩写。

这颗行星是在1930年由于一个幸运的巧合而被发现的。一个后来被发现错误的计算“断言”：基于对天王星与海王星的运行研究，在海王星后还有一颗行星。美国亚利桑那州天文台由于不知道这个计算是错误的，就按这个错误的计算结果对太阳系进行了一次非常仔细的观察，就在这个巧合下，冥王星被发现了。

冥王星的半径还不很清楚，关于冥王星和“冥卫一”的质量也很难确定。要想得到真正精密的数据，只有通过太空飞行器的探测来完成。冥王星是唯一一颗还没有太空飞行器访问过的行星，就连哈勃太空望远镜也只能观察到它表面上的大致容貌。冥王星的表面温度我们也不是很清楚，只知道在35K～45K，即-238℃～-228℃之间。

人们发现冥王星后，很快发现冥王星与其他行星运行的轨道存在着差异，因为冥王星的轨道十分反常，有时比海王星离太阳的距离还近。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的行星大。冥王星在近日点附近时比海王星离太阳还近，这时海王星就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，在黄道投影图上显示两颗行星的轨道是交叉的。但不必担心它们会碰撞，因为它们的轨道平面并不重合，即使在交叉点附近，它们之间的距离仍然很大。冥王星只有一颗卫星，即“冥卫一”。1978年，当它正向着太阳系内运行时，恰运行到轨道的边缘时便被发现了。

(上图)冥王星

(下图)哈勃太空望远镜。通过哈勃太空望远镜也只能观察冥王星表面的大致容貌。

冥王星的成分还不知道，它的密度大约是2克/立方厘米。冥王星可能像“海卫一”一样是由70%岩石和30%冰水混合而成的。地表上光亮的部分可能覆盖着一些固体氮以及少量的固体甲烷和一氧化碳，冥王星表面的黑暗部分的组成还不知道，极有可能是一些基本的有机物质或是由宇宙射线引发的光化学反应。

有关冥王星的大气层，了解的情况也比较少，据推测有可能是由氮和少量的一氧化碳及甲烷组成。大气极其稀薄，可能只有在冥王星靠近近日点时才是气体；在其余时间内，大气层的气体就凝结成固体的形式存在。

有人曾认为冥王星在未被发现前是海王星的一颗卫星，但现在认为并不是这样。一个更为普遍的说法是认为“海卫一”同冥王星一样，同是自由地运行在环绕太阳的独立轨道上，后来被海王星吸引过去的。而“冥卫一”可能是像地球与月球一样，是冥王星与另外一个天体碰撞的产物。

作为太阳系遥远边界上的一个天体，冥王星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。

冥王星和它的卫星卡戎

“新地平线”号探测器飞近冥王星假想图