天王星的光環(huán)系統(tǒng)（一）

□ 劉　炎

天王星的光環(huán)系統(tǒng)（一）

□ 劉炎

圖1　天王星及其光環(huán)的合成-示意圖

土星光環(huán)是太陽系天體中最奇麗的景象之一，令人驚嘆不已！

那么，在其他的行星上是否也有光環(huán)呢？在四十年之前，很少人會想到這個(gè)問題。

一個(gè)看來是偶然的發(fā)現(xiàn)，一下子改變了人們的觀念。

1977年5月，世界著名的科學(xué)刊物《自然（Nature）》的第267期上登載了一條重要信息：

“至少有五個(gè)環(huán)帶圍繞著天王星，這是1977年3月10日當(dāng)天王星掩食恒星SAO 158687之前和之后所出現(xiàn)的五次短暫的掩食事件所顯示的。我們在柯伊伯機(jī)載天文臺（KAO）上用連接于91厘米望遠(yuǎn)鏡終端的三通道掩星光度計(jì)觀測到了這些事件。”

這消息迅即轟動了各國天文界，隨之也引起了公眾的矚目。

天王星，1781年由英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)的一顆著名行星，是太陽系由內(nèi)向外的第七顆行星，其體積位居第三（比海王星大），而質(zhì)量則是排名第四（比海王星輕）。

天王星的軌道半長軸有19.23AU（天文單位），離太陽的平均距離約30億千米，比土星的距離要遠(yuǎn)上整整一倍。因此在地面上看來，它是一顆暗弱的行星，視星等只有6等左右，而視直徑更只有3～4角秒，即使在一般的望遠(yuǎn)鏡中看來，也只是一個(gè)暗弱的星點(diǎn)。因此在天王星被發(fā)現(xiàn)以后的近二百年中，人們對于它的表面細(xì)節(jié)、大氣狀況等，一直都知之甚少。甚至對于天王星大?。ㄖ睆剑┑木_測量，也是令天文學(xué)家們大傷腦筋的事情。

一個(gè)機(jī)遇

二十世紀(jì)70年代的中期，天文學(xué)家們終于注意了一個(gè)新的時(shí)機(jī)。1973年，英國的格林尼治天文臺預(yù)報(bào)說，1977年3月10日將有一顆恒星會被天王星掩食。這顆恒星被稱為SAO158687（即史密松星表第158576號，也稱HIP 71567），是天秤座中一顆視星等為8.8等的恒星。

天體的互相掩食是一類罕見天象，日食、月食和行星凌日等就都是著名的掩食事件。天文學(xué)家們歷來對各種掩食天象都極感興趣，因?yàn)檠谑硶r(shí)往往會出現(xiàn)種種平時(shí)難以、甚至不可能出現(xiàn)的有利觀測條件。

即使是在大望遠(yuǎn)鏡中，恒星在視場中呈現(xiàn)的形象還只是一個(gè)明銳的光點(diǎn)。當(dāng)一顆行星在這種明銳光點(diǎn)的前面掩食而過時(shí)，恒星的亮度就會發(fā)生較為明顯的起伏變化。反過來，我們也就可以根據(jù)實(shí)測到的亮度變化曲線反推出行星圓面邊緣的細(xì)節(jié)狀況，由此又可以進(jìn)而推算出行星圓面的大?。ㄒ曋睆剑?，甚至行星邊緣大氣的某些物理特征了。

天王星將要掩食恒星SAO158687的消息激起了天文學(xué)家們極大的熱情，于是紛紛開始忙碌起來，準(zhǔn)備著觀測方案和探測設(shè)備。

杰姆斯·埃利奧特（James L. Elliot）是美國麻省理工學(xué)院的一位青年天文學(xué)家，他也一心想利用這一機(jī)遇來觀測研究天王星外層的大氣狀態(tài)。

獨(dú)具特色的方案

假如主掩行星既沒有大氣，也沒有光環(huán)，那么被掩恒星總亮度的變暗應(yīng)當(dāng)是突然發(fā)生。但天王星表面有大氣層，因此掩星過程中的亮度應(yīng)當(dāng)逐漸變暗，而其變暗過程的特征正與行星大氣的組成、密度和溫度等物理狀態(tài)有關(guān)，這也是用掩星方法研究行星大氣的基本原理，是天文學(xué)家們預(yù)先所期待的。

恒星SAO158687比6等星左右的天王星還要暗弱20倍，如果在可見光波段觀測，被掩食時(shí)亮度變化可能不到5%，不太顯眼。因此埃利奧特決定選用近紅外和遠(yuǎn)紅外的幾個(gè)波段上進(jìn)行觀測，這是由于天王星大氣中的甲烷會吸收紅光，而在這些紅光-紅外波段上，天王星的亮度與SAO158687相近，因此在發(fā)生掩星時(shí)，總亮度變化可望達(dá)到50%左右。

然而要在地面上進(jìn)行紅外波段的觀測是十分困難的，因?yàn)榈厍虼髿庵械乃麜碜源髿馔獾募t外輻射產(chǎn)生嚴(yán)重吸收，因此紅外觀測的最佳場所應(yīng)是在高空，用氣球、機(jī)載，甚至是衛(wèi)星、飛船。

埃利奧特的方案得到了美國國家航天局（NASA）的大力支持，NASA決定提供啟用才不到兩年、性能極強(qiáng)的高空紅外專用觀測設(shè)備——柯伊伯機(jī)載天文臺（KAO，Kuiper Airborne Observatory）用于此次掩星觀測。

柯伊伯機(jī)載天文臺

柯伊伯機(jī)載天文臺是由NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室主持運(yùn)行的一項(xiàng)國際性天文設(shè)備，是用于進(jìn)行紅外天文學(xué)觀測研究的一個(gè)著名的觀測平臺。該設(shè)備由一架C-141的噴氣式運(yùn)輸機(jī)改裝而成，1975年時(shí)為紀(jì)念荷蘭裔美籍天文學(xué)家杰拉德·柯伊伯（Gerard Peter Kuiper）而被命名。

KAO上安裝有一架口徑為91.5厘米的傳統(tǒng)式卡塞格林式反射望遠(yuǎn)鏡，主要的探測波段是1到500微米范圍的紅外光譜區(qū)。KAO的飛行高度可達(dá)14千米，幾乎可以排除地球的大氣層中全部（98%）的水蒸氣對紅外輻射吸收的影響。持續(xù)飛行距離有11000千米，因而可飛行到地球上空的任何一個(gè)位置進(jìn)行觀測。

圖2　飛行中的柯伊伯機(jī)載天文臺。1974年開始工作，1995年退役

意外的發(fā)現(xiàn)

1 9 7 7年3月1 0日，天王星掩食SAO158687的時(shí)刻終于到來。

經(jīng)過長期精心準(zhǔn)備的埃利奧特和他的團(tuán)隊(duì)合作者：愛德華·鄧納姆（Edward W. Dunham）及杰西卡·明基（Jessica Mink）一起登上了柯伊伯機(jī)載天文臺。

飛機(jī)從西澳大利亞的首府珀斯（Perth）出發(fā)，向西飛行在印度洋的上空。

埃利奧特他們把早已準(zhǔn)備好了的望遠(yuǎn)鏡和觀測設(shè)備指向了待被掩食的恒星SAO158687。考慮到對于掩食時(shí)間的計(jì)算和預(yù)報(bào)的誤差，他們提前一小時(shí)就把設(shè)備打開了。

令他們意外而吃驚的是，在天王星掩食到恒星之前的半個(gè)多小時(shí)，恒星的星光就忽然減弱下去了，幾秒鐘后又很快地回復(fù)，好像被什么東西遮擋了一下。此后又更短暫地減弱再回復(fù)了四次。而在天王星掩食過恒星之后，恒星的星光又短暫地減弱再回復(fù)了五次。他們意識到，恒星的亮度在天王星掩食前后意外對稱出現(xiàn)的這些減弱可能是由天王星周圍的一個(gè)光環(huán)系統(tǒng)造成的。

他們把所觀測到的星光強(qiáng)度的每一次減弱，都稱作為是“一次”掩食事件。對于掩食前后對稱出現(xiàn)的這五次減弱，他們在記錄紙上按順序分別用希臘字母α，β，γ，δ和ε加以標(biāo)注。

下表是他們當(dāng)時(shí)就發(fā)送給國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）天文電報(bào)中心（Central Bureau for Astronomical Telegrams）的數(shù)據(jù)資料，而且他們在電報(bào)中就已指出，這些事件應(yīng)該是由天王星周圍的一些狹窄環(huán)帶中的物質(zhì)造成的。

埃利奧特團(tuán)隊(duì)報(bào)送給IAU天文電報(bào)中心的數(shù)據(jù)。（摘自：IAU Circular（公告）No.3051）

圖4　埃利奧特和他的團(tuán)隊(duì)伙伴在柯伊伯機(jī)載天文臺的舷艙邊，前排從左向右：杰西卡·明基、愛德華·鄧納姆和埃利奧特。

圖3　正在進(jìn)行觀測的埃利奧特和他的“掩星襯衫”。

觀測后的分析研究，使埃利奧特他們最終確認(rèn)，這五次“事件”應(yīng)該就相應(yīng)于五個(gè)環(huán)帶。當(dāng)年的五月，埃利奧特和他的團(tuán)隊(duì)就在世界著名的科學(xué)刊物《自然（Nature）》的第267期上宣告了他們的發(fā)現(xiàn)：“天王星的光環(huán)”（ The rings of Uranus）。

天王星的光環(huán)系統(tǒng)是太陽系內(nèi)繼土星環(huán)之后被發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)行星光環(huán)，是自1930年湯博發(fā)現(xiàn)冥王星以來太陽系的又一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，立即引起了全世界的矚目。

不久以后，對于觀測資料的進(jìn)一步分析研究，他們又檢測出了四個(gè)環(huán)帶，其中的一個(gè)在β環(huán)和γ環(huán)之間，他們用希臘字母標(biāo)記為η；還有的三個(gè)則在α環(huán)的內(nèi)側(cè)，根據(jù)記錄紙上記錄的程序，分別標(biāo)記為4、5和6環(huán)。至此天王星的環(huán)帶數(shù)增加為九個(gè)。

1978年4月10日，美國的幾位天文學(xué)家又在紅外波段進(jìn)行了一次天王星掩食恒星的觀測，再次觀測到了九個(gè)光環(huán)的掩食效應(yīng)，從而首次確證了埃利奧特等的發(fā)現(xiàn)。此后，天王星的光環(huán)還多次被觀測證實(shí)，下圖就是澳大利亞珀斯天文臺的一次觀測記錄。

天王星環(huán)的發(fā)現(xiàn)看來十分偶然，但實(shí)際上其背后已隱藏著許多必然的條件。除了當(dāng)時(shí)觀測技術(shù)、研究水平的進(jìn)步之外，埃利奧特他們的兩個(gè)關(guān)鍵性決策：選用紅外波段在高空進(jìn)行觀測以及提前開機(jī)一個(gè)小時(shí)，也為此次發(fā)現(xiàn)提供了關(guān)鍵性的保障。

圖6　杰姆斯·埃利奧特（J a me s L u d l o w E l l i o t），1943年6月17日～2011年3月3日，美國天文學(xué)家和科學(xué)家，天王星環(huán)的主要發(fā)現(xiàn)者。也是發(fā)現(xiàn)海王星最大的衛(wèi)星海衛(wèi)一全球變暖效應(yīng)研究團(tuán)隊(duì)的主要成員之一。

圖5　澳大利亞珀斯天文臺的一次觀測天王星環(huán)掩食恒星的實(shí)測記錄

杰姆斯·埃利奧特1965年在麻省理工學(xué)院獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位（S.B.），1972年在哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位。1977年又在康奈爾大學(xué)的行星研究實(shí)驗(yàn)室獲博士后，并進(jìn)入康奈爾大學(xué)的天文學(xué)系。當(dāng)年，他與愛德華·鄧納姆和杰西卡·明基一起在康奈爾大學(xué)發(fā)現(xiàn)了天王星環(huán)。1978年他回到麻省理工學(xué)院擔(dān)任物理學(xué)教授以及地球、大氣和行星科學(xué)的教授，同時(shí)還擔(dān)任喬治·R·華勒斯（Wallace）小天體物理天文臺的臺長。2011年，因患癌癥而不幸過早地去世。

進(jìn)一步的探索

1986年1月下旬，已經(jīng)越過木星和土星的旅行者2號飛船到達(dá)了天王星，在飛掠的過程中拍攝到了九個(gè)光環(huán)的圖像，從而由觀測直接確證了埃利奧特他們的發(fā)現(xiàn)。

不僅如此，旅行者2號飛船還發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)更加暗弱的環(huán)，一開始的臨時(shí)編號為1986U1R環(huán)和1986U2R環(huán)，后來被正式命名為λ環(huán)和ζ環(huán)，從而使天王星環(huán)帶的數(shù)量增加到了11個(gè)。

2003年及2005年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡也在天王星的外圍先后發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)環(huán)帶，被稱為μ環(huán)和ν環(huán)，通稱為外環(huán)系統(tǒng)，從而令環(huán)帶的數(shù)量增加為13圈。

圖7　飛掠天王星的旅行者2號飛船。

圖8　旅行者2號飛船的飛行路線

圖9　發(fā)現(xiàn)天王星μ環(huán)和ν環(huán)的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡

2003～2004年期間，位于太平洋夏威夷島上的10米口徑的凱克望遠(yuǎn)鏡（圖10）在天王星的6環(huán)之內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)暗弱的塵埃環(huán)，把它稱作為ζ環(huán)。經(jīng)分析研究，這個(gè)ζ環(huán)的位置與旅行者2號飛船發(fā)現(xiàn)的1986U2R的位置相近，雖略有不同，但應(yīng)該是屬于同一個(gè)環(huán)帶，因此最后被定名為ζ/(1986U2R)環(huán)。

圖10　發(fā)現(xiàn)天王星ζ環(huán)的凱克望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡屬于夏威夷島上的凱克天文臺。

赫歇耳早已發(fā)現(xiàn)了天王星環(huán)嗎？

天王星的光環(huán)發(fā)現(xiàn)之后有人提出，光環(huán)的最早發(fā)現(xiàn)者應(yīng)該是天王星的發(fā)現(xiàn)者威廉·赫歇爾（Frederick William Herschel）。2007年在普利斯頓舉行的一次英國皇家天文學(xué)會的會議上，有一位叫作斯圖亞特·艾弗斯 （Stuart Eves）的英國薩里衛(wèi)星技術(shù)公司的職員最先提出了這一說法。他的依據(jù)是，在1797年的一份《英國皇家學(xué)會期刊》上，赫歇耳對于天王星的觀測有這樣的一句話：“1789年2月22日：疑有一個(gè)光環(huán)”。 赫歇耳甚至還畫了一個(gè)光環(huán)的小圖，并且注記道：“略微偏紅”。

圖11　弗里德里?！ねず招獱柧羰浚?738～1822年），出生于德國漢諾威的英國天文學(xué)家，也是一位音樂家。曾做出多項(xiàng)重大的天文發(fā)現(xiàn)，被譽(yù)“恒星天文學(xué)之父”。天王星的發(fā)現(xiàn)是他一生中最為著名的成就。

斯圖亞特·艾弗斯的觀點(diǎn)得到了一部分人的認(rèn)同，但更多的專家則表示異議。支持者聲稱，2006年4月，夏威夷凱克天文臺公布的天王星環(huán)的最新照片顯示，主環(huán)之外ν環(huán)的顏色正是偏紅的，從而可證實(shí)赫歇爾的這一注記；而反對者則認(rèn)為，在1797至1977年將近兩個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，關(guān)于天王星環(huán)的說法，很少、甚至是根本都未曾被提及過。須知近代、現(xiàn)代的天文望遠(yuǎn)鏡要比赫歇爾時(shí)代的強(qiáng)大得多，而對天王星進(jìn)行觀測研究的天文學(xué)家也應(yīng)有數(shù)以百計(jì)，為什么只有赫歇爾發(fā)現(xiàn)了天王星環(huán)，而之后其他的數(shù)百位天文學(xué)家卻沒有一個(gè)看到呢？

現(xiàn)今科學(xué)界的意見，一般都認(rèn)為應(yīng)該就是杰姆斯·埃利奧特發(fā)現(xiàn)了天王星的光環(huán)。

天王星環(huán)帶的名稱

上文介紹，迄今為止已發(fā)現(xiàn)的天王星環(huán)帶共有13個(gè)，如果按環(huán)帶離天王星的距離從內(nèi)至外排列，它們依次是：1986U2R/ζ、6、5、4、α、β、η、γ、δ、λ、ε、ν和μ。圖12是這些光環(huán)分布的示意圖。

這些環(huán)帶的名稱，是由國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）正式頒布的，得到世界各國天文界一致公認(rèn)的名稱。但乍一看來，可能會感到奇怪，因?yàn)檫@些名稱的體例甚為不一：有的是希臘字母，有的是系列編號，還有的甚至是阿拉伯?dāng)?shù)字。其實(shí)我們已經(jīng)看到，它們的來歷都是有一定歷史原因的，然而在迄今所見的各種有關(guān)的中文資料文獻(xiàn)上，還少見，甚至未見有具體的介紹，因此在我們使用這些環(huán)帶的名稱時(shí)，有時(shí)可能會發(fā)生某些疑問甚至混淆，因此筆者認(rèn)為有必要在此梳理一下。

本文前面曾說到，埃利奧特和他的團(tuán)隊(duì)1977年能在進(jìn)行天王星掩食恒星的觀測時(shí)，把所記錄到的星光強(qiáng)度的每一次減弱，都稱作為“一次”掩食事件。對于掩食前后對稱出現(xiàn)的那五次減弱變化，他們在記錄紙上按順序分別用希臘字母α，β，γ，δ和ε加以標(biāo)注。后來他們知道，這五次“減弱”事件，實(shí)際上正相應(yīng)于天王星的五個(gè)環(huán)帶的掩食效應(yīng)，于是也就用這些希臘字母來稱呼相應(yīng)的各個(gè)光環(huán)，而未再另起他名了。

用字母名稱來命名行星光環(huán)的環(huán)帶，也是符合以往的天文傳統(tǒng)慣例的。土星光環(huán)的各個(gè)主要環(huán)帶，由于歷史的原因，就都是用英文的大寫字母A、B、C、D……等來稱呼的。現(xiàn)用希臘字母來稱呼天王星的環(huán)帶，既與土星的系列相似，還可易與土星的環(huán)帶相區(qū)別。

然而后來又發(fā)現(xiàn)了天王星的多個(gè)新環(huán)帶，而那些環(huán)帶是由不同的觀測者在不同的年代得到的。他們各自以自己的方式標(biāo)注了環(huán)帶的名稱，而且這些名稱又都被保留了下來，因而就造成現(xiàn)今系列名稱的體例不一狀態(tài)。當(dāng)然，將來有可能會重新統(tǒng)一整理并編排命名，但由于對于天王星某些環(huán)帶的狀態(tài)、分布，特別是它們的細(xì)節(jié)、變化還有待進(jìn)一步探測研究，因此現(xiàn)今還保留著此種體例不一的系列。

對于天王星環(huán)帶的這些名稱，我們的中文尚未有正式的、規(guī)范的譯名，為了介紹、使用和討論的方便，筆者在此先提出了相應(yīng)的建議譯名。

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表1　天王星環(huán)帶名稱的列表，列出了IAU公布的、維基英語網(wǎng)（WIKI）列出的和筆者建議的天王星各個(gè)環(huán)帶中文譯名。鑒于名稱中出現(xiàn)多個(gè)希臘字母，為了使用方便，表中還附上了這些字母的英文名稱、音標(biāo)注音和漢字注音（供參考）。第二列的建議譯名中，加上方括號的“天王星”的含義是：一般情況下宜用全稱“天王星α環(huán)”；而在專題討論天王星的環(huán)帶時(shí)，如果上下文的意思十分明確，則“天王星”三字可以省去。這也是中文的天文學(xué)名詞中常用的處理方法。

圖12　環(huán)帶在天王星周圍分布的示意圖，圖中還畫上了若干有關(guān)的天王星衛(wèi)星的軌道。

（責(zé)任編輯張長喜）