2022年第10期 再探天王星

2022-12-07

人们在1781年前所认识到的太阳系,比现在小得多,它只有6颗行星,即水星、金星、地球、火星、木星和土星。但那时人类已经有了天文望远镜,天文学家们用望远镜观察星空,不断有所发现,人类对太阳系的认识也不断地在变化。


1781年3月的一个晚上,英国天文学家威廉·赫歇耳在金牛座、双子座一带的星空中发现了一个奇怪的天体,呈蓝绿色。威廉·赫歇耳最初认为那是一颗彗星,后来经确认,这个天体竟然是一颗行星,就是“天王星”。


天王星的发现非常重要,它不但把太阳系的疆域“扩大”了一倍,同时也使人们认识到太阳系不是固定不变的,行星并非永远限定于那么几颗。这样的认识触发了天文学家们寻找新行星的大行动,海王星和冥王星的发现都是在这种认识的指导之下完成的。


“旅行者2号”探测器拍摄到的天王星


自天王星被发现后,两个多世纪过去了,人类的探测器只有一次匆匆地飞掠过这颗神秘的星球。1986年,“旅行者2号”探测器飞掠过天王星,观测了天王星的大气,新发现了10颗天王星的卫星。那时,它离天王星的最近距离为81500千米。


2022年4月,在一份涉及行星任务的报告中,科学家们再一次提到了天王星,他们计划启动一项耗资数十亿美元的大型任务,向天王星发射轨道器和子探测器,以探索这颗神秘的行星和它的卫星。科学家们认为,探索天王星将有助于更好地了解太阳系中的冰态巨行星,从而帮助人类揭开遥远世界的奥秘。


  +

+

身世之谜


天王星是一颗气态行星,中心存在一个固体内核,外围是一层高密度的大气,其主要成分是氢、氦和甲烷。天王星的大气中隐藏着风暴世界,风速有时达到900千米/时。


虽然今天我们对天王星已有了一些基本认识,但是仍有非常多的未解之谜困扰着我们。例如,天王星和太阳系中的其他行星非常不同,它的自转轴与公转轴几乎是垂直的。这是怎么回事呢?


人们猜测,在天王星诞生的早期,很可能有一个行星大小的天体猛烈撞击了它。在太阳系的早期,这种事情时有发生,地球就可能遭遇过类似的事。科学家们认为,在地球形成后不久,一颗火星大小的天体撞上了它,大量碎片被抛到环绕地球的轨道上,它们在碰撞和聚集中形成了月亮。



不过,天王星遭遇的撞击更加猛烈,那个撞向天王星的天体应该撞歪了天王星的自转轴,导致天王星的运行状态十分奇特。同时,撞击还产生了大量的尘埃和气体,它们汇集到天王星赤道面附近,形成了天王星的光环和卫星。


为了研究天王星的“身世”,科学家们利用计算机模拟的方法推演天王星早年的运行状态。他们由此得出结论,在太阳系形成后的6.5亿年里,天王星与太阳之间的距离其实远超海王星,处在海王星的外围(现在海王星处在天王星的外围),

但后来天王星和海王星的质量发生了变化,它们的位置便完全颠倒了过来。这个模拟结果是否正确,当然还需要更多的研究来证实。


  +

+

卫星之谜


有关天王星的卫星,也一直是个引人关注的话题。1986年,“旅行者2号”探测器发现了10颗天王星的卫星。在此之前,人们已陆续在天王星周围发现了几颗卫星。1787年,威廉·赫歇耳发现了天卫三和天卫四这2颗卫星。天卫三是天王星最大的卫星,“旅行者2号”的探测结果显示,它的表面存在大量火山灰和巨大的峡谷,表明天卫三的表面曾有过剧烈的火山活动,同时其内部也曾发生过剧烈的变化,这种变化塑造了长达数千米的大峡谷。天卫四是天王星大卫星中距离天王星最远的,其体积与质量仅次于天卫三。它的表面有许多陨石坑,表明小行星和彗星曾频繁地撞

击过它。


天王星和它的6颗大卫星(从左到右分别是:天卫十五、天卫五、天卫一、天卫二、天卫三和天卫四)


1851年,英国天文学家威廉·拉塞尔发现了天卫一和天卫二。天卫一的大小在天王星的卫星中排第四,由冰和岩石组成,表面存在着比其他天王星卫星更新的地质活动痕迹。天卫二比天卫一稍大,是天王星所有卫星中最暗淡的,其表面同样经受过很多次撞击。1948年,美籍荷兰天文学家柯伊伯发现了天卫五,这颗由冰和岩石组成的天体表面布满峡谷、峭壁和凹槽,还有不少裂痕和陨石坑。这种地表特征引发了人们对这颗卫星遭遇的很多猜想。有人推测,天卫五最初表面是平整的,后来被小行星或彗星频繁撞击,每次撞击都破坏了一部分原始表面,露出了一些内部物质。经过多次这样的撞击和改变后,天卫五便有了奇异的地貌。后来又出现了一种新理论 : 天卫五曾经有过强烈的地质活动,活动的能量来自天王星的潮汐力,这种力量改变了天卫五内部的密度分布,从而造就了它奇特的地形。


截至2004年,人们已发现了25颗天王星的卫星。2005年年底,哈勃太空望远镜又捕捉到天王星的2颗新卫星。


  +

+

光环之谜


天王星的另一大谜团是它的光环。1977年3月的一天,当天王星运行到一颗恒星的前面时,天文学家们观测到那颗恒星闪烁了好多次,这暗示着天王星可能拥有多个行星环。后经分析,他们认为天王星的周围存在着9个光环。1986年“旅行者 2 号”探测器飞掠过天王星时,发现天王星拥有11个光环。2005年12月,科学家们宣布,他们借助哈勃太空望远镜又发现了2个新环。



天王星光环的发现对人类认识行星世界非常重要,它使科学家们意识到光环并不是土星所独有的,它可能是行星的一个普遍特征。


时间到了2007年至2008年前后,天王星光环的侧面转到了正对地球的方向。天文学家们认为,这时是观测天王星的最好时机,除了有可能发现卫星外,还能从全新的角度研究天王星的光环。于是,地面和天空上的大型天文望远镜将镜头频频对准天王星,还拍下了清晰的光环侧面照。观测结果表明,自从“旅行者2号”探测了天王星后,天王星的光环发生了变化。例如,一条尘埃环就似乎移动了几千千米。至于这种移动是如何发生的,人们并没有确切的解释,其中一种观点是,天王星的尘埃环一直在遭受撞击,这导致了它的移动。


天王星光环(“旅行者2号”探测器拍摄)


天王星和海王星距离太阳都很遥远,因此它们又被统称为“远日行星”。它们位于土星轨道和冥王星轨道之间。对于那里的世界,人类的认知还是相对薄弱的。


现在,探索天王星的计划终于被提到日程上来。按照这个计划,前往天王星的航天器有可能在2031年6月或2032年4月发射升空,先经过木星,利用木星的引力获得加速,经过13年飞行后抵达天王星。一旦到达了那里,航天器会将一个子探测器投向天王星的大气层,这个子探测器将对天王星的大气成分进行采样,而轨道器则对天王星系统进行全方位的探测。参与该计划制订工作的行星科学家艾米·西蒙认为:“我们确信,这次对天王星的探索一定会有很多奇妙的新发现。”


END

文/张唯诚

来源/《科学24小时》




更多精彩,尽在《科学24小时》!


订阅方式

邮局订阅


    邮发代号:32-20,

  或扫描邮局二维码订阅

杂志铺订阅


扫描杂志铺二维码订阅

电子版订阅


扫描二维码进入杂志微信小程序直接在线阅读