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第17章 遥远的三大行星(1)

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%。

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