远日行星和矮行星

伤我心太深

　　远日行星与矮行星

　　过去的教科书曾把离太阳较远的天王星、海王星和冥王星都称为远日行星。而今冥王星已被开除出行星的行列，它与另一些天体同被列入矮行星的行列。

　　一、躺着旋转的天王星

　　按由近及远的顺序，天王星是第七颗围绕太阳运转的行星。它的最大特征是自转轴相对于公转面有98度的倾斜，被称为是一颗躺着旋转的行星。它拥有27颗卫星，是太阳系八大行星中拥有卫星较多的一颗行星。

　　1.天王星的发现及其概况

　　作为对天空的系统搜索的一种结果，第七颗行星于1781年为威廉·赫歇尔首先发现。这颗行星在乔治三世死后曾被命名为乔治·西达斯，后来按西方人的传统习惯以古代希腊、罗马神话中第一代天神乌刺诺斯的名字来命名，翻译成中文便是天王星。后来在检查以前的观测记录中发现，实际上天王星曾被看到过，但在大约20次机会中都未被弄清身份。这些观测所延伸的时间要比这颗行星的一个会合周期更长，因此能把它的轨道测定得非常精确。其轨道半径约为19个天文单位，比土星的轨道半径差不多大了一倍。自古以来，人们都是以土星作为太阳系的边界，天王星的发现打破了这个界限，大大扩展了太阳系的范围。




　　天王星所呈现的圆面很小(3.75角秒)，但换算成实际大小，它的赤道半径为23530千米，接近地球的4倍。它呈现为绿色，没有能用来测量其自转的明显的斑点，但它显示出有一个比较高的扁率，有比较高的自转速度。


　　分光测量得出的天王星的自转周期为10小时49分，还表明其自转轴接近于黄道面。实际上，自转轴与其轨道平面的交角为98度，其自转方向与除金星之外的所有行星的自转方向都相反。在其84年的公转周期中，从一极到赤道再到另一极要经历很长时间，与此同时它要改变对太阳的指向。天王星的磁轴不仅从这个倾倒的自转轴再倾倒60度，而且还偏离中心。是什么原因造成天王星自转轴的倾倒，使它就像躺在黄道面上一边滚动一边前进?有些天文学家认为，可能是在天王星形成初期被一颗较大的天体撞翻所致。但这种假说能否被证实，还有待于今后进一步探索。




　　天王星的光谱特征表明，它的大气好像与木星或土星的大气大致相同，但温度更低。甲烷波段仍很明显。因为天王星离太阳的距离是19.18个天文单位，所以非常有趣的是在这个距离上看来，地球偏离太阳绝不多于3°。


　　2.天王星的卫星


　　在这颗行星发现后不久，赫歇尔认为，他已经发现了6颗卫星。但只有两颗卫星天卫三和天卫四被确认。1851年拉塞尔又发现了两颗卫星即天卫一和天卫二。1948年柯伊伯发现了第五颗卫星天卫五。这五颗卫星全都在这颗行星的赤道平面上运行，并以与这颗行星自转方向一样的方向运转。测量它们的轨道能为天王星确定出精确的质量。天王星的平均密度与木星的平均密度相仿。后来，旅行者号的观测又发现天王星的22颗新的卫星，而使天王星的卫星总数达到27颗。


　　3.天王星的光环


　　1977年4月10日天王星遮掩一颗卫星，由此导致在这颗卫星周围发现一个光环系统。就在天王星掩星前后一段时间内，这颗星的亮度有规律地减小证明了这个光环的存在。
　　根据由光环系统反射的太阳光，人们已在红外波段实现了对它的精密观测。有9个光环处于离天王星中心42000到51000千米之间的距离上。每个环的厚度可能不到10千米。目前已确认天王星总共有13条光环。


　　天王星光环的一个特征是它们只能反射入射太阳光的4%至5%，比土星环暗得多。其原因是：土星环是由纯粹水的冰粒子所形成，而天王星的环是由水冰及甲烷冰的混合物所形成，也就是说由于放射线的反应使甲烷高分子化，并使黑色墨状的物体覆盖住表面，所以变得非常黑。另一个特征是环的宽度很窄，或者说环相当细，以至不易发觉。
　　通常，细环难以稳定存在。那么，天王星的细环为何能保持其稳定性呢?原因是在这个细环的两侧各有一颗“守护卫星”。


　　在环外侧环绕的那颗名叫欧非里亚的卫星将环的粒子压向内侧，而在环的内侧环绕的名叫柯地里亚的卫星将环的粒子往外侧推。这就造成了天王星的细环能稳定存在。天王星光环的发现要早于木星光环的发现。所以，天王星光环的发现打破了只有土星独具光环的垄断局面，成为天文学在近代的一项重要发现。


　　二、用计算发现的海王星


　　按由近及远的顺序，海王星是第八颗围绕太阳运转的行星。它于1846年被德国的伽勒所发现。由于在大望远镜中这颗行星呈现出浅蓝色，不免使人联想到蔚蓝色的大海，于是人们用罗马神话中大海之神涅普顿的名字称呼它，译成中文便是海王星。海王星的大气中存在着云和旋涡，它的周围有13颗卫星、4个光环和1个尘埃壳。


　　1.海王星的发现及其概况


　　人们计算出天王星的轨道，但通过定期的观测，发现它的轨道在不久之后明显地偏离它的预报路线。天王星反常运动的原因在好多年中令人迷惑不解。有人曾设想，引力与距离平方成反比规律并不是很确切。但研究所得的最后结论是，认为天王星的轨道偏离它的预报路线是因为它被一颗更远离太阳的行星摄动所致。1845年10月21日英国的亚当斯首先完成了对这颗行星视位置的预报工作，并写信给英国格林尼治天文台台长埃里，请他在指定的时间和天区进行观测并寻找这颗新行星。但他的工作报告为埃里所忽视。当时埃里属于怀疑引力与距离平方成反比定律的学派。亚当斯的工作虽不为公众所知，但在1846年这个问题也为法国天文学家勒威耶所解决。勒威耶在考虑木星和土星的摄动之后也断定，在天王星的轨道之外必定有另一颗行星，他算出了这颗行星在天空上的位置，并写信通知了柏林的天文学家伽勒。他在信中写道：“请你把望远镜对准黄道上的宝瓶座，即经度326度的地方，那么你将在这个地方一度范围内，见到一颗九等星。”这封信9月23日到达伽勒手中，当天夜里伽勒就把望远镜指向勒威耶所指的天区，发现了一颗星没有的星。第二天，这颗星没有的星在群星中位置移动了。这正是勒威耶指出的那颗新的行星，也就是现在大家所知的海王星。




勒威耶的推算和预报是以哥白尼的太阳系学说和牛顿的万有引力定律为依据的。海王星的发现证实了哥白尼的太阳系学说和牛顿的经典力学的正确性，说明了科学的推算与精密的观测同等重要，是天文学研究中不可或缺、常需结合使用的两大手段。如果说天王星的发现应主要归功于赫歇尔辛勤的精密观测，那么海王星的发现无疑应主要归功于依据科学理论所进行的正确推算，因而在天文学史上海王星的发现曾被称为是“在笔头尖端上的发现”。


　　用望远镜看来，海王星呈现为一个浅蓝色的圆面，其角直径恰好为2角秒，赤道半径为24600千米，接近于天王星的赤道半径。在它的可见圆面上无标志可见。这个圆面小得不能以某种精度测量出它的扁率。但由分光测量确定它的自转周期为15小时40分。由于它的自转比较快，因此可以断定其扁率相对说来是比较大的。


　　海王星离太阳很远，它的公转轨道半径约为30个天文单位，也就是日地距离的30倍。它从太阳上所得的热量只有地球所得太阳热量的千分之一。其表面温度很低，有效温度只有46K。它的公转周期约为165年。自转轴向公转面倾斜29度。虽然它从1979年开始成为位于冥王星外侧的最远行星，但在1999年2月后又再次将自己置于比冥王星更近的位置上。海王星的平均密度为1.66克/立方厘米，在类木行星中是最大的。因此，虽然它的体积与天王星差不多，但其质量则要大不少。目前认为海王星内部有一个质量与地球相似的核，核由岩石构成，核的温度为2000至3000K。核外是质量较大的冰的包层，再外面覆盖大气。


　　海王星的大气主要是由氢及氦所形成，外带少量的甲烷。海王星之所以看起来成蓝色就是因为甲烷将橙红色的光吸收掉了。大气层分成到高度80千米为止的对流层，以及比它更上方的平流层。平流层里有像被扫把扫过似的绢状云。1989年旅行者号探测器观测到海王星大气中有一个与地球直径差不多大的“大暗斑”，与木星的大红斑相类似，被认为是向西以秒速300米进行移动的高气压旋涡。但到1994年，在哈勃太空望远镜进行的海王星观测中，大暗斑却消失了。在经过几个月的观测后，在北半球发现了新的暗斑，于是知道了海王星的上层大气会在短时期内产生大幅度的变化。


　　2.海王星的卫星


　　有13颗已知的卫星在围绕海王星运行。海卫一于1846年被拉塞尔发现，而海卫二则在1949年被柯伊柏发现。其余的卫星中有6颗均在1989年由旅行者号所发现。旅行者号发现的6颗卫星的半径都在200千米以下，且表面的反射率约为5%，既小又黑。处在最外面的是新卫星1989N1，它环绕海王星的转动周期是27小时，半径为200千米。往里数，下一颗卫星是1989N2，它是一个不规则天体，面积为210×190平方千米，环绕海王星的转动周期是13.3小时。1989N3和1989N4这两颗新卫星的半径分别为80千米和70千米，它们分别伴随一个海王星环。1989N5和1989N6这两颗新卫星更小，其半径分别为45千米和25千米。





　　海卫一是海王星的所有卫星中最大的一颗卫星，其半径为1750千米，比月球略小，其体积和质量在太阳系卫星中均是比较大的。海卫一的表面主要被氮的冰覆盖，并夹杂着一氧化碳或甲烷的冰。表面地形在北半球和南半球极为不同。在北半球有和哈密瓜模样相似的网目状地形，并且可看到直径超过200千米、与火山口地形相似的同心圆结构，其地形富有起伏，高差达数千米。在南半球广布着高差在数百米以下的平缓地形。南极有被认为是由氮和甲烷的冰所形成的极冠。海卫一的上空存在着一层相当稀薄的大气，表面压力仅为地球的10万分之一，由氮和少量甲烷气体所组成。


　　海卫一在离海王星355000千米的圆轨道上运行。海卫一的轨道平面与海王星的赤道平面的交角为160°，以每秒4.4千米的速度环绕海王星逆向运行，周期为5.877天。和月球一样，它的自转周期与公转周期一致，因此总是以同一面向着海王星。由于它逆向运行，并受到海王星的巨大潮汐力，所以它的公转半径会逐渐变小，被认为最终会撞向海王星。


　　3.海王星的光环与尘埃壳


　　在海王星的赤道半径1.5至2.5倍的上空有四条光环。外侧的两个环1989N1A和1989N2A是完整环，最靠外的环1989N1A内有一段弧特别明亮，其中的粒子高度密集。靠里的两个环是弥散环。在海王星可见环的外侧有一个约10000千米厚的尘埃圆面。它被包围在一个稀薄的尘埃晕中。这个尘埃晕在环平面上下至少延续了一个海王星半径。


　　三、降格为矮行星的冥王星


　　由于这颗矮行星离太阳十分遥远，在那里是一个阴暗寒冷的世界，使人们想起阴森森的地狱。因此，西方人用地狱之王普路同的名字称呼它，译为中文就是冥王星。虽然，它比太阳系八个行星小得多，最近从行星降级为矮行星，但它的发现大大拓展了太阳系的疆界，在科学上具有重要意义。


　　1.冥王星的发现及其概况


　　在发现海王星一段时间后，人们发现海王星的存在并不足以解释天王星轨道的摄动，并再次对存在一颗更远的未知行星的可能性抱有希望。这个理论分析主要是由洛韦尔完成的，并且正是他开始了这种搜寻。问题在于这种微弱天体必然运动缓慢，想找到它是非常困难的。即便如此，在许多年之后，汤博于1930年发现了这颗随后被叫做冥王星的天体。具有讽刺意义的是，在发现冥王星之后，作为这种搜寻工作的一部分，查阅大约50年前拍摄的照片时发现，冥王星己被记录下来过，却没有引起人们的注意。


　　冥王星离太阳的平均距离为39.4天文单位，它的轨道偏心率很大，在近日点时它处于海王星轨道之内约几千万千米的地方。在此期间，它比海王星更靠近太阳。冥王星的公转周期为247.7年，自转周期为6.39天。其自转方向与公转方向相反，是从东向西转。冥王星是如此遥远，以至它很难呈现出用望远镜才看得见的圆面。但在1950年柯伊伯设法用200英寸(5.08米)望远镜看到了这个圆面，量得它的角直径为0.23角秒，直径为2320千米，体积为地球的1%，质量为地球的0.24%，比水星、月球还要小。1988年的一次掩星观测发现冥王星存在大气层，其大气层分内外两层，外层透明，内层不透明。它的表面温度在零下230℃至210℃之间。大气的主要成分是氮，一般认为在其表面有由氮、甲烷、氨、一氧化碳等形成的固体以霜的形式堆积着。从哈勃太空望远镜所作的观测知道，冥王星的表面的反射率因地点不同而异。其南北极地区的反射率很高，估计在极区附近可能存在和火星一样的极冠。冥王星可能像彗星一样，是由星际物质包裹起来而形成的。冥王星的密度平均为1.95克/立方厘米左右。一般认为它们的内部均是由岩石与冰所构成。


　　2.冥王星的卫星


　　1978年发现冥王星有一颗较大的卫星，取名为卡戎。在希腊罗马神话中卡戎是冥王的役卒，负责用渡船把亡灵送过冥河到地狱那边去，所以有“冥河艄公”之称。卡戎的直径为1200千米，它在围绕冥王星的轨道上运行，其轨道半径为20000千米，其公转周期与自转周期都是6.39天，与冥王星自转周期相等。


　　因为卡戎的公转周期与冥王星的自转周期相等，所以它总是以同一半球面朝向冥王星，又由于卡戎的自转周期与冥王星的自转周期相等，所以它又是冥王星的天然同步卫星，始终处于冥王星某处的上方。从远处看来，它们好像一对跳贴面舞的舞伴，尽管都在旋转，但始终保持面对面，堪称宇宙中的一大奇观。


　　因为卡戎的直径相当于冥王星的一半，所以就大小而言，卡戎与其中央星冥王星的比率是太阳系中最大的。这使它看上去更像是冥王星的姐妹星，或者可以把它们更确切地说成是冥王星—卡戎双星系统。如前所说，按照国际天文协会现在对太阳系天体的重新定义，现已将冥王星降格为矮行星，而卡戎将有可能被升格为与冥王星并起并坐的矮行星。


　　2005年5月15日，冥王星的两颗疑似卫星首先被哈勃望远镜的ACS高级巡天照相仪拍摄到，两天体的亮度大约只有冥王星的1/5000。三天后，即5月18日，哈勃望远镜重新观测冥王星附近区域时，这两颗疑似卫星的天体仍然出现在冥王星附近，后期经过图像数据分析显示，两个新发现天体正在冥王星附近各自的圆形轨道中绕着中央星冥王星运转着。


　　新发现的这两颗疑似冥王星卫星先暂定名为S/2005P1和S/2005P2，直径分别只有32千米和70千米。根据哈勃望远镜的观测，新发现的卫星分别在距离冥王星约4.4万千米和5.3万千米的圆形轨道上飞行。在获得完全确认后，S/2005P1和S/2005P2被呈送至国际天文协会进行最终命名。国际天文协会现已将这两颗新发现的卫星S/2005P1和S/2005P2正式命名为冥卫三(HY-DRA)和冥卫二(NIX)，NIX是西方神话中的黑暗和夜晚女神，HYDRA则是长九个头的妖怪。现在，冥王星已成为迄今为止柯伊伯带区域内唯一被发现拥有一个以上天然卫星的天体。