再探天王星

文張唯誠(chéng)

“旅行者2 號(hào)”探測(cè)器拍攝到的天王星

人們?cè)?781 年前所認(rèn)識(shí)到的太陽(yáng)系，比現(xiàn)在小得多，它只有6 顆行星，即水星、金星、地球、火星、木星和土星。但那時(shí)人類已經(jīng)有了天文望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家們用望遠(yuǎn)鏡觀察星空，不斷有所發(fā)現(xiàn)，人類對(duì)太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)也不斷地在變化。

1781 年3 月的一個(gè)晚上，英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇耳在金牛座、雙子座一帶的星空中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的天體，呈藍(lán)綠色。威廉·赫歇耳最初認(rèn)為那是一顆彗星，后來(lái)經(jīng)確認(rèn)，這個(gè)天體竟然是一顆行星，就是“天王星”。

天王星的發(fā)現(xiàn)非常重要，它不但把太陽(yáng)系的疆域“擴(kuò)大”了一倍，同時(shí)也使人們認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)系不是固定不變的，行星并非永遠(yuǎn)限定于那么幾顆。這樣的認(rèn)識(shí)觸發(fā)了天文學(xué)家們尋找新行星的大行動(dòng)，海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)都是在這種認(rèn)識(shí)的指導(dǎo)之下完成的。

自天王星被發(fā)現(xiàn)后，兩個(gè)多世紀(jì)過(guò)去了，人類的探測(cè)器只有一次匆匆地飛掠過(guò)這顆神秘的星球。1986 年，“旅行者2 號(hào)”探測(cè)器飛掠過(guò)天王星，觀測(cè)了天王星的大氣，新發(fā)現(xiàn)了10 顆天王星的衛(wèi)星。那時(shí)，它離天王星的最近距離為81500 千米。

2022 年4 月，在一份涉及行星任務(wù)的報(bào)告中，科學(xué)家們?cè)僖淮翁岬搅颂焱跣?，他們?jì)劃啟動(dòng)一項(xiàng)耗資數(shù)十億美元的大型任務(wù)，向天王星發(fā)射軌道器和子探測(cè)器，以探索這顆神秘的行星和它的衛(wèi)星?？茖W(xué)家們認(rèn)為，探索天王星將有助于更好地了解太陽(yáng)系中的冰態(tài)巨行星，從而幫助人類揭開(kāi)遙遠(yuǎn)世界的奧秘。

身世之謎

天王星是一顆氣態(tài)行星，中心存在一個(gè)固體內(nèi)核，外圍是一層高密度的大氣，其主要成分是氫、氦和甲烷。天王星的大氣中隱藏著風(fēng)暴世界，風(fēng)速有時(shí)達(dá)到900千米/時(shí)。

雖然今天我們對(duì)天王星已有了一些基本認(rèn)識(shí)，但是仍有非常多的未解之謎困擾著我們。例如，天王星和太陽(yáng)系中的其他行星非常不同，它的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軸幾乎是垂直的。這是怎么回事呢？

人們猜測(cè)，在天王星誕生的早期，很可能有一個(gè)行星大小的天體猛烈撞擊了它。在太陽(yáng)系的早期，這種事情時(shí)有發(fā)生，地球就可能遭遇過(guò)類似的事?？茖W(xué)家們認(rèn)為，在地球形成后不久，一顆火星大小的天體撞上了它，大量碎片被拋到環(huán)繞地球的軌道上，它們?cè)谂鲎埠途奂行纬闪嗽铝痢?/p>

不過(guò)，天王星遭遇的撞擊更加猛烈，那個(gè)撞向天王星的天體應(yīng)該撞歪了天王星的自轉(zhuǎn)軸，導(dǎo)致天王星的運(yùn)行狀態(tài)十分奇特。同時(shí)，撞擊還產(chǎn)生了大量的塵埃和氣體，它們匯集到天王星赤道面附近，形成了天王星的光環(huán)和衛(wèi)星。

為了研究天王星的“身世”，科學(xué)家們利用計(jì)算機(jī)模擬的方法推演天王星早年的運(yùn)行狀態(tài)。他們由此得出結(jié)論，在太陽(yáng)系形成后的6.5 億年里，天王星與太陽(yáng)之間的距離其實(shí)遠(yuǎn)超海王星，處在海王星的外圍（現(xiàn)在海王星處在天王星的外圍），但后來(lái)天王星和海王星的質(zhì)量發(fā)生了變化，它們的位置便完全顛倒了過(guò)來(lái)。這個(gè)模擬結(jié)果是否正確，當(dāng)然還需要更多的研究來(lái)證實(shí)。

天王星和它的6 顆大衛(wèi)星（從左到右分別是：天衛(wèi)十五、天衛(wèi)五、天衛(wèi)一、天衛(wèi)二、天衛(wèi)三和天衛(wèi)四）

衛(wèi)星之謎

有關(guān)天王星的衛(wèi)星，也一直是個(gè)引人關(guān)注的話題。1986年，“旅行者2 號(hào)”探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了10顆天王星的衛(wèi)星。在此之前，人們已陸續(xù)在天王星周圍發(fā)現(xiàn)了幾顆衛(wèi)星。1787 年，威廉·赫歇耳發(fā)現(xiàn)了天衛(wèi)三和天衛(wèi)四這2 顆衛(wèi)星。天衛(wèi)三是天王星最大的衛(wèi)星，“旅行者2 號(hào)”的探測(cè)結(jié)果顯示，它的表面存在大量火山灰和巨大的峽谷，表明天衛(wèi)三的表面曾有過(guò)劇烈的火山活動(dòng)，同時(shí)其內(nèi)部也曾發(fā)生過(guò)劇烈的變化，這種變化塑造了長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米的大峽谷。天衛(wèi)四是天王星大衛(wèi)星中距離天王星最遠(yuǎn)的，其體積與質(zhì)量?jī)H次于天衛(wèi)三。它的表面有許多隕石坑，表明小行星和彗星曾頻繁地撞擊過(guò)它。

1851 年，英國(guó)天文學(xué)家威廉·拉塞爾發(fā)現(xiàn)了天衛(wèi)一和天衛(wèi)二。天衛(wèi)一的大小在天王星的衛(wèi)星中排第四，由冰和巖石組成，表面存在著比其他天王星衛(wèi)星更新的地質(zhì)活動(dòng)痕跡。天衛(wèi)二比天衛(wèi)一稍大，是天王星所有衛(wèi)星中最暗淡的，其表面同樣經(jīng)受過(guò)很多次撞擊。1948 年，美籍荷蘭天文學(xué)家柯伊伯發(fā)現(xiàn)了天衛(wèi)五，這顆由冰和巖石組成的天體表面布滿峽谷、峭壁和凹槽，還有不少裂痕和隕石坑。這種地表特征引發(fā)了人們對(duì)這顆衛(wèi)星遭遇的很多猜想。有人推測(cè)，天衛(wèi)五最初表面是平整的，后來(lái)被小行星或彗星頻繁撞擊，每次撞擊都破壞了一部分原始表面，露出了一些內(nèi)部物質(zhì)。經(jīng)過(guò)多次這樣的撞擊和改變后，天衛(wèi)五便有了奇異的地貌。后來(lái)又出現(xiàn)了一種新理論:天衛(wèi)五曾經(jīng)有過(guò)強(qiáng)烈的地質(zhì)活動(dòng)，活動(dòng)的能量來(lái)自天王星的潮汐力，這種力量改變了天衛(wèi)五內(nèi)部的密度分布，從而造就了它奇特的地形。

截至2004 年，人們已發(fā)現(xiàn)了25 顆天王星的衛(wèi)星。2005 年年底，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡又捕捉到天王星的2 顆新衛(wèi)星。

天王星光環(huán)（“旅行者2 號(hào)”探測(cè)器拍攝）

光環(huán)之謎

天王星的另一大謎團(tuán)是它的光環(huán)。1977 年3 月的一天，當(dāng)天王星運(yùn)行到一顆恒星的前面時(shí)，天文學(xué)家們觀測(cè)到那顆恒星閃爍了好多次，這暗示著天王星可能擁有多個(gè)行星環(huán)。后經(jīng)分析，他們認(rèn)為天王星的周圍存在著9 個(gè)光環(huán)。1986 年“旅行者2 號(hào)”探測(cè)器飛掠過(guò)天王星時(shí)，發(fā)現(xiàn)天王星擁有11 個(gè)光環(huán)。2005 年12 月，科學(xué)家們宣布，他們借助哈勃太空望遠(yuǎn)鏡又發(fā)現(xiàn)了2 個(gè)新環(huán)。

天王星光環(huán)的發(fā)現(xiàn)對(duì)人類認(rèn)識(shí)行星世界非常重要，它使科學(xué)家們意識(shí)到光環(huán)并不是土星所獨(dú)有的，它可能是行星的一個(gè)普遍特征。

時(shí)間到了2007 年至2008 年前后，天王星光環(huán)的側(cè)面轉(zhuǎn)到了正對(duì)地球的方向。天文學(xué)家們認(rèn)為，這時(shí)是觀測(cè)天王星的最好時(shí)機(jī)，除了有可能發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星外，還能從全新的角度研究天王星的光環(huán)。于是，地面和天空上的大型天文望遠(yuǎn)鏡將鏡頭頻頻對(duì)準(zhǔn)天王星，還拍下了清晰的光環(huán)側(cè)面照。觀測(cè)結(jié)果表明，自從“旅行者2號(hào)”探測(cè)了天王星后，天王星的光環(huán)發(fā)生了變化。例如，一條塵埃環(huán)就似乎移動(dòng)了幾千千米。至于這種移動(dòng)是如何發(fā)生的，人們并沒(méi)有確切的解釋，其中一種觀點(diǎn)是，天王星的塵埃環(huán)一直在遭受撞擊，這導(dǎo)致了它的移動(dòng)。

天王星和海王星距離太陽(yáng)都很遙遠(yuǎn)，因此它們又被統(tǒng)稱為“遠(yuǎn)日行星”。它們位于土星軌道和冥王星軌道之間。對(duì)于那里的世界，人類的認(rèn)知還是相對(duì)薄弱的。

現(xiàn)在，探索天王星的計(jì)劃終于被提到日程上來(lái)。按照這個(gè)計(jì)劃，前往天王星的航天器有可能在2031 年6 月或2032 年4 月發(fā)射升空，先經(jīng)過(guò)木星，利用木星的引力獲得加速，經(jīng)過(guò)13 年飛行后抵達(dá)天王星。一旦到達(dá)了那里，航天器會(huì)將一個(gè)子探測(cè)器投向天王星的大氣層，這個(gè)子探測(cè)器將對(duì)天王星的大氣成分進(jìn)行采樣，而軌道器則對(duì)天王星系統(tǒng)進(jìn)行全方位的探測(cè)。參與該計(jì)劃制訂工作的行星科學(xué)家艾米·西蒙認(rèn)為：“我們確信，這次對(duì)天王星的探索一定會(huì)有很多奇妙的新發(fā)現(xiàn)?！?/p>