天王星小档案

颠倒的行星世界

　　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”。

　　天王星的卫星

　　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。

　　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。

　　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。

　　意外的发现

　　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

　　“专利”。直到本世纪70年代才打破了这种垄断现象。

　　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。

　　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。

　　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。

　　笔尖上的发现

　　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。

　　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。

　　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。

　　海王星

　　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。

　　天王星的兄弟

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　探索海王星

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　冥王星

　　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。

　　冥王星是最晚发现的一颗行星。

　　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。

　　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。

　　浑身是谜

　　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。

　　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。

　　直径有多大

　　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。

　　亮度变化之谜

　　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。

　　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。

　　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？

　　这是个难解的谜。

　　表面真相之谜

　　好些科学家相信，在离太阳30～50天文单位的区域内，存在着一个被称做“柯伊伯盘”的包层，它包含着众多的彗星，无异是个彗星“仓库”。在这个区域内运行的行星只有冥王星，如果柯伊伯盘确实存在的话，彗星袭击冥王星表面的机会就会很多，它们会毫无怜悯地频频撞击冥王星及其卫星表面，在它们表面留下清晰的痕迹。

　　通过地面观测来解开冥王星及其卫星表面真相之谜的可能性太小了，人们寄希望于飞向它们的行星探测器。如果抓紧时间，在下一个发射的有利时机（2001～2004年），就成功地发射探测冥王星的探测器，它最早也得在2015年前后飞临探测目标。错过时机的话，就得再等上13年左右。

　　身份之谜

　　我们不妨比较一下下面的一些数值：最大的小行星——“谷神星”的直径约 1020公里，冥王星直径 2300公里，次小的大行星——水星直径4880公里。我们就会看到，冥王星与谷神星的直径比，以及水星与冥王星的直径比，两者基本一致。这么小的冥王星能算是大行星吗？

　　美国天文学家马斯顿是位著名的小行星和彗星轨道专家。在冥王星发现50周年的纪念会上，他提议把冥王星降格为小行星，实在可说是开了个不大不小的玩笑。但是，马斯顿却是很认真的，他甚至还具体建议把冥王星补缺定为第330号小行星。原来的第330号小行星是“阿德尔伯特”，于1892年发现，它是用照相方法寻找小行星之后，被找到的最初几颗小行星之一，其中的第一颗于1891年12月20日被发现，编号323。遗憾的是，“阿德尔伯特”被发现之后，只观测到两次，从此就销声匿迹，再也没有见到过它。

　　冥王星难道是颗跑到海王星轨道之外去的特殊小行星吗？像冥王星那样特殊轨道的已知小行星，目前还举不出例子，但是，有点类似的小行星还是有的。其一是第944号小行星“希达尔戈”。它是在1920年10月被发现的，是颗轨道倾角和偏心率都很大的小行星。它绕太阳一周需14年，离得最近时只有2天文单位，最远时达9.61天文单位，比土星离太阳的平均距离还略大一点。

　　其二是轨道更加特殊的第2060号小行星“契龙”。这颗1977年才被发现的小行星，轨道近日点约8.5天文单位，在土星轨道内侧；远日点距离达18.8天文单位，快接近天王星了。它的公转周期是50.7年。在“契龙”被发现10来年之后，根据它的反照率较低和有时亮度突然变化等情况，天文学家们怀疑它不是小行星，比较倾向于把它列入彗星的范畴。究竟应如何分类？

　　“契龙”于1996年过轨道近日点时，定会有个比较明确的答案。

　　可见，随着资料的积累，改变一个天体原先的身份是可能的，更何况冥王星被发现才60多年，从发现以来它才走了自己运行轨道的1／4。有人甚至提出冥王星曾经是海王星的卫星。

　　冥王星的“身份”究竟应该如何确定？确实是颗大行星呢？还是小行星或者卫星呢？

　　奇特的轨道

　　冥王星是大行星中的“侏儒”。然而它却保持着众多的太阳系行星之最，其中特别值得一提的是轨道的偏心率和倾角。

　　行星绕太阳公转的轨道都是椭圆。椭圆也有各种各样的，有很接近于圆的椭圆，也有很扁长的椭圆，一般都用偏心率来表示椭圆的形状。椭圆的偏心率都比1小，越接近1的椭圆越扁；偏心率越小，椭圆就越接近圆。圆的偏心率是0。九大行星中以冥王星的轨道偏心率最大，达到0.25。也就是说，它离太阳最近或最远时，比平均距离各有25％的变化。

　　倾角指的是行星轨道平面与黄道面两者互相交错而形成的角度。黄道实际上就是地球绕太阳公转的轨道，以这个轨道平面，即黄道面为基准的话，九大行星中的8颗行星的轨道平面与黄道面相交的角度——倾角，都不大于7°，唯独冥王星超过了17°，简直是“鹤立鸡群”。

　　与冥王星相反，海王星轨道的偏心率只有0.00785，只及冥王星的三十几分之一。海王星的公转轨道与正圆相差无几，是个非常稳定的轨道。它与金星是九大行星中轨道偏心率最小的两颗行星。海王星轨道的倾角也不大，只有1.8°。

　　1989年8月，“旅行者2号”飞探海王星时，新发现了6颗不大的海王星卫星，使它的卫星数增加到8颗，不过，原先发现的那两颗卫星的特点仍非常明显，给人深刻印象。海卫一早在海王星被发现的当年，即　　　　　　　 184 6年就被观测到了。最新测定它的直径只2720公里，在已知的6O多个卫星中名列第七。它的使人惊讶的两个特点是：（1）轨道偏心率为0，即它绕海王星运行的轨道是正圆形的，这在卫星来说是不多见的； （2）它是逆向运动的，即绕海王星运行方向与其他多数卫星绕各自行星的运行方向刚好相反，太阳系卫星中也有那么几颗卫星是逆向运动的，但都是些不大的卫星。

　　过了整整一个世纪之后，于　　　 1949年发现的海卫二的最大特点是它轨道偏心率特别大，达到0.75，它离海王星平均约556万公里，而它的距离变化范围却是139～973万公里。海卫二轨道的偏心率不仅远远超过所有的卫星和行星，就是与以偏心率大而著称的彗星相比，也毫不逊色。如果你手中有一张彗星表的话，就能立即看出这一点。大家比较熟悉的哈雷彗星的轨道偏心率是较大的，为0.97，1965年我国紫金山天文台发现的“紫金山1号”和“紫金山2号”两颗彗星的轨道偏心率，就分别只有0.58和0.51，而短周期彗星中轨道偏心率小于0.7的俯拾即是。

　　轨道偏心率和运行方向如此“奇特”的两颗卫星，都处在冥王星的邻居——海王星的卫星系统内，说明什么呢？

　　逃离海王星说

　　考虑到冥王星的直径和质量都不大，而其运行轨道却比较奇特，早在1934年，日本学者山本就提出：冥王星是颗很早以前“逃”离了海王星的原海王星卫星。两年之后，里特顿进一步补充了山本的设想，认为现在的冥王星和海卫一同为海王星的卫星时，偶然的机会使两者非常靠近，引力相互作用的结果使海卫一从顺向变为逆向运动，冥王星被“抛”离原来轨道，进入另一条独立轨道，“自立门户”成为直接绕太阳转的行星。当时，冥王星的质量被认为比海卫一的大，尽管两卫星接近的机会不多，但设想有合理的一面，而受到许多人的赞赏。后来，被测得的冥王星质量越来越小，甚至比海卫一都小，说它能使海卫一的运动转向，就难以说服大家了。

　　在行星科学研究方面作出重要贡献的美国科学家柯伊伯，原则上同意冥王星是从海王星系统里“逃”出来的。1956年，他指出这次“逃”离发生在海王星及其卫星系统开始形成时的太阳系早期历史阶段。但是，他不同意这样的观点，即两颗正常运行的卫星会有机会接近到能相互起那么大作用的程度，也不同意海卫一的逆向运行是这次“事件”的结果。他还表示，除海卫一之外，太阳系内至少还有5颗卫星都是逆向运动，根本不可能会发生那么多次的“事件”。

　　1979年，哈林顿等几位美国天文学家在研究分析了前人的各种假说之后，提出了新的观点。他们认为：当初，海王星至少有3颗较大的卫星，即海卫一、海卫二和现在的冥王星。一颗行星从海王星的卫星系统中穿过时，其引力使海卫一改变了原来的运动方向而变为逆向运动，使海卫二的轨道偏心率发生剧变和极大地增大，并把冥王星“抛”离原来轨道。

　　那么，怎么样的一个天体能造成如此众多的变化呢？哈林顿等人认为，它的质量应是地球的2～5倍，在离开海王星系统之后，它循着偏心率很大的轨道绕太阳运动，而目前正处在离太阳比较远的轨道部分。它也就是假设中的太阳系第十大行星——冥外行星。

　　是由星子聚合成的吗

　　另外的假说完全无视冥王星是“逃”出来的观点，主张冥王星是由星子凝聚而成的。所谓星子，指的是从气体物质逐渐凝聚成的小块固体物质，通过碰撞、吸积等过程，小星子变成大星子，再聚合成为行星或者卫星。对于后来才形成的行星和卫星来说，星子好比是它们的胚胎。这种假设认为海卫一也好，冥王星也好，原来都是这部分太阳系空间中的星子，它们在凝聚和变大的过程中，被海王星俘获了的那个大星子就是海卫一，走上了独立轨道的那个大星子就是今天的冥王星。至于海卫一和冥王星的大小、轨道等种种情况，主要跟它们的原始状态有关，也就是跟它们的起源和演化有关。

　　我国已故天文学家戴文赛对太阳系天体的起源和演化，提出过不少精辟的见解，他对冥王星“身世”的看法是这样的：冥王星从来没有担当过海王星卫星的角色，而是由原始星云盘外部区域中的大星子形成的。在太阳系诸天体从原始弥漫星云中开始形成时，星云盘中海王星形成区域相对来说是比较宽的。由于空间范围较大，星子凝聚成行星的过程中，不可能把所有星子都吸积过来，总会有些残存的星子，甚至是较大的星子，继续在海王星附近的空间里循着原先的轨道运行着。在海王星形成的晚期，其形成区内的一个大星子被另一个较大星子碰撞，而将自己的近似圆的轨道变为偏心率很大的轨道，同时轨道倾角也增大好多，它还获得了绕太阳公转的独立轨道，它就是我们今天所说的冥王星。

　　成为冥王星的那个较大星子可能经历了不止一次的碰撞，其中有一次仅仅是略微碰了一下表面，碰出来的物质被抛到好几万公里远的地方，随后逐渐聚集成为冥王星的卫星。这样形成的冥王卫星可能还不止一个。

　　冥王星的起源问题一直牵动着天文学家们的心，是个假说不少而进展不大的谜，它与整个太阳系起源问题密切相关。冥王星自从 1930年被发现以来，我们对它一直知道甚少，1978年7月冥王卫被发现之后，情况有所好转，我们有理由相信，科学家一定会越来越了解它，彻底弄清楚它的来龙去脉。但从迄今为止的情况来看，对冥王星的观测、研究还很不够。

　　冥外行星之说

　　哥白尼提出日心说时，土星是太阳系的边界，后来，随着天王星、海王星、冥王星的发现，太阳系边界一次次外延。然而从理论上说，太阳系的范围应比现在的九大行星的范围大几十倍，甚至几百倍。太阳系中是否还存在冥外行星？对此，天文学家做了十分浩繁和艰苦的工作。汤博在发现冥王星后的14年里，一直在用发现冥王星的方法寻找冥外行星。他用闪视镜仔细检查了362对底片，从每张底片的每一小格中寻找可能存在的新行星，他发现了大量天体，却唯独没有冥外行星。科学家认为冥外行星如果存在，势必会使飞近他的探测器受到摄动，其影响足可以在探测器的运行轨道中反映出来。然而旅行者号探测器在飞越过海王星和冥王星轨道之后，运行正常，没有提供一点点证明未知天体存在的蛛丝马迹。到底有没有冥外行星，目前还是一个待解之谜。

　　人类探索九大行星