太陽(yáng)系的“天”涯“?！苯?/h1>
2024-10-29 00:00:00周禮勇
知識(shí)就是力量 2024年10期
深邃的夜空中，約有6000顆星是我們?nèi)庋劭梢?jiàn)的。其中，水星、金星、火星、木星、土星在星座間穿行，它們的運(yùn)動(dòng)激發(fā)了人們的想象和探索。隨著地球也被列為行星，在望遠(yuǎn)鏡幫助下，天王星和海王星這兩顆氣態(tài)冰巨星也先后被人們探測(cè)到，太陽(yáng)系行星家族正式“團(tuán)圓”。
那么，這兩顆距離我們最遠(yuǎn)的氣態(tài)冰巨星——天王星、海王星又有多少秘密？就讓我們走近這兩顆行星，解開(kāi)太陽(yáng)系“天”涯“?！苯潜澈蟮闹i團(tuán)。
行星的誕生
太陽(yáng)系所有天體都起源于同一團(tuán)物質(zhì)，這一團(tuán)物質(zhì)中的絕大部分由于質(zhì)量引力坍縮到中心形成太陽(yáng)，剩余部分形成前行星盤（在原太陽(yáng)或恒星周圍的氣體塵埃盤），行星和衛(wèi)星等天體在其中誕生。
前行星盤上距離太陽(yáng)近的區(qū)域溫度高，易揮發(fā)物質(zhì)難以生存。金屬、巖石這些固體物質(zhì)也在經(jīng)年累月的運(yùn)動(dòng)中，逐漸黏合形成石塊乃至更大的星子。星子之間發(fā)生碰撞、合并，在太陽(yáng)系內(nèi)部“組裝”成類地行星，即水星、金星、地球、火星。
而在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的低溫區(qū)域，水、甲烷等易揮發(fā)物質(zhì)以冰雪的狀態(tài)存在，前行星盤中更大的星子結(jié)合形成大質(zhì)量的行星核，迅速吸附大量氣體，形成巨行星。離太陽(yáng)稍近處是木星和土星，稍遠(yuǎn)處的行星含有更多冰雪類物質(zhì)，即天王星和海王星。
變幻莫測(cè)的大氣層
由于天王星、海王星與地球相距遙遠(yuǎn)，截至目前，只有旅行者2號(hào)探測(cè)器分別在1986年和1989年近距離飛越過(guò)它們。它們的大小、自轉(zhuǎn)、大氣、磁場(chǎng)等信息，多是由地面望遠(yuǎn)鏡和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡、韋布空間望遠(yuǎn)鏡獲得的。而旅行者2號(hào)探測(cè)器獲取的數(shù)據(jù)，至今仍在被天文學(xué)家發(fā)掘、研究。
青藍(lán)行星之謎
濃厚的大氣層是人們對(duì)天王星和海王星的第一印象。它們的大氣都是太陽(yáng)系形成早期從前行星盤中吸積的，成分主要是氫（約占80%）、氦（約占10%）以及更少的甲烷（約占2%）等氣體，還包括氨、水、碳?xì)浠衔锏乃衔锏缺|(zhì)成分。
甲烷吸收紅光，反射藍(lán)光，因此天王星和海王星都呈現(xiàn)暗淡的青藍(lán)色，同時(shí)，由于天王星有較多的霧，大氣層渾濁且甲烷含量稍低，顏色偏青色；而海王星霧較少，大氣層清澈，則更偏藍(lán)色。
旅行者2號(hào)探測(cè)器于20世紀(jì)80年代拍攝的天王星（左）、海王星（右） 天王星“躺平”的一生
不同于木星上空規(guī)模巨大的云帶和氣旋，旅行者2號(hào)探測(cè)器拍攝到的天王星安靜平和，但隨著它接近兩分點(diǎn)（春分或秋分），大氣活動(dòng)顯著增強(qiáng)——高緯度區(qū)域會(huì)出現(xiàn)約250米/秒的強(qiáng)風(fēng)。并且天王星幾乎是“躺”在它的公轉(zhuǎn)軌道上運(yùn)動(dòng)，這也意味著天王星上大部分區(qū)域交替經(jīng)歷漫長(zhǎng)的極夜和極晝，大氣活動(dòng)有強(qiáng)烈的季節(jié)性變化。
天王星、海王星的磁場(chǎng)與自轉(zhuǎn)軸情況 海王星的神秘云層
海王星外層的大氣是太陽(yáng)系最寒冷的地方之一，平均溫度約為零e/cj7NPkevY2eW00cBFLww==下214攝氏度。相對(duì)于天王星，它的大氣也更活躍，旅行者2號(hào)探測(cè)器在其南半球發(fā)現(xiàn)的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)——大暗斑能放得下整個(gè)地球，風(fēng)速高達(dá)700米/秒左右。然而，兩年后哈勃空間望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到大暗斑消失了。又過(guò)了兩年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)其北半球出現(xiàn)了一個(gè)較小的暗斑。
這些忽隱忽現(xiàn)的暗斑結(jié)構(gòu)反映了海王星上空云層（由氨、硫化氫等形成）的活動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)這些云層運(yùn)動(dòng)的能量，則是海王星內(nèi)部持續(xù)向外釋放的熱能。
海王星云層的神秘不止于此。人們還發(fā)現(xiàn)海王星的云層變化與太陽(yáng)活動(dòng)周期有關(guān)，太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，云層會(huì)消失；太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)將帶電粒子吹向宇宙空間，影響行星的磁場(chǎng)。海王星的云層與太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)聯(lián)，也顯示磁場(chǎng)在云層演化中的作用。
偏斜的磁場(chǎng)
天王星和海王星的磁場(chǎng)由其幔層中金屬氫形成的電流所產(chǎn)生，但與地球、木星等位于行星中心、與行星自轉(zhuǎn)軸同方向的偶極磁場(chǎng)不同，天王星與海王星的偶極磁場(chǎng)方向分別偏離自轉(zhuǎn)軸約59度和47度，并且都偏離行星中心達(dá)到行星半徑的55%和31%。太陽(yáng)風(fēng)粒子在這既偏又歪的磁場(chǎng)的引導(dǎo)下，與兩顆行星的行星環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生了復(fù)雜的相互作用。
結(jié)構(gòu)精細(xì)的環(huán)
目前已知天王星和海王星分別有28顆和16顆衛(wèi)星，普遍又小又黑，難以觀測(cè)。只有海王星的衛(wèi)星——海衛(wèi)一是個(gè)例外，它又大（直徑相當(dāng)于月球的80%）又白（反照率高達(dá)0.76），因而在發(fā)現(xiàn)海王星17天后就被發(fā)現(xiàn)。
不同于土星環(huán)的壯麗奪目，天王星和海王星的環(huán)暗淡、狹窄、稀薄。1977年才第一次通過(guò)掩星方法（指一個(gè)天體在另一個(gè)天體與觀測(cè)者之間通過(guò)而產(chǎn)生的遮蔽現(xiàn)象）確認(rèn)了天王星的環(huán)，其后利用掩星方法尋找海王星環(huán)的數(shù)次嘗試都失敗了，直到旅行者2號(hào)探測(cè)器飛越時(shí)才確認(rèn)海王星也有行星環(huán)。
天王星和海王星的行星環(huán)由微小的顆粒組成，在太陽(yáng)輻射和相互碰撞的作用下，會(huì)在空間彌散而逐漸消失。但天王星和海王星都存在一些特別窄的環(huán)。
有天文學(xué)家提出，這些窄環(huán)可以由所謂的“牧羊犬衛(wèi)星”（指那些在巨型行星的環(huán)兩側(cè)的小型衛(wèi)星）維持，隨即這一機(jī)制被觀測(cè)所證實(shí)。另外，天王星和海王星的某些環(huán)不是完整連續(xù)的，而是沿著軌道形成幾段高密度的弧段，這些弧段的維持機(jī)制至今仍然是個(gè)謎。
海王星和海王星的環(huán) 天王星與海王星處于遙遠(yuǎn)的太空，由地球出發(fā)的航天器需要10年左右的飛行時(shí)間才能到達(dá)。目前，我國(guó)天文學(xué)家正在緊鑼密鼓地深入探討太陽(yáng)系邊界（包括天王星和海王星）探測(cè)計(jì)劃，希望不久的將來(lái)，中國(guó)的深空探測(cè)器能率先闖進(jìn)這兩顆行星神秘的領(lǐng)地，進(jìn)一步拓展人類的視野，為我們解開(kāi)更多的謎團(tuán)。
“牧羊犬衛(wèi)星”維持窄環(huán)示意圖。衛(wèi)星內(nèi)側(cè)的粒子（紅色）運(yùn)動(dòng)比衛(wèi)星（灰色）快，它從衛(wèi)星附近經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)被衛(wèi)星引力拖累得減慢速度、損失能量，軌道變得更小，向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)。反之，從衛(wèi)星外側(cè)經(jīng)過(guò)的粒子會(huì)加速、獲得能量，向更外側(cè)運(yùn)動(dòng) （責(zé)任編輯 / 王佳璇 美術(shù)編輯 / 周游）
深邃的夜空中，約有6000顆星是我們?nèi)庋劭梢?jiàn)的。其中，水星、金星、火星、木星、土星在星座間穿行，它們的運(yùn)動(dòng)激發(fā)了人們的想象和探索。隨著地球也被列為行星，在望遠(yuǎn)鏡幫助下，天王星和海王星這兩顆氣態(tài)冰巨星也先后被人們探測(cè)到，太陽(yáng)系行星家族正式“團(tuán)圓”。
那么，這兩顆距離我們最遠(yuǎn)的氣態(tài)冰巨星——天王星、海王星又有多少秘密？就讓我們走近這兩顆行星，解開(kāi)太陽(yáng)系“天”涯“?！苯潜澈蟮闹i團(tuán)。
行星的誕生
太陽(yáng)系所有天體都起源于同一團(tuán)物質(zhì)，這一團(tuán)物質(zhì)中的絕大部分由于質(zhì)量引力坍縮到中心形成太陽(yáng)，剩余部分形成前行星盤（在原太陽(yáng)或恒星周圍的氣體塵埃盤），行星和衛(wèi)星等天體在其中誕生。
前行星盤上距離太陽(yáng)近的區(qū)域溫度高，易揮發(fā)物質(zhì)難以生存。金屬、巖石這些固體物質(zhì)也在經(jīng)年累月的運(yùn)動(dòng)中，逐漸黏合形成石塊乃至更大的星子。星子之間發(fā)生碰撞、合并，在太陽(yáng)系內(nèi)部“組裝”成類地行星，即水星、金星、地球、火星。
而在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的低溫區(qū)域，水、甲烷等易揮發(fā)物質(zhì)以冰雪的狀態(tài)存在，前行星盤中更大的星子結(jié)合形成大質(zhì)量的行星核，迅速吸附大量氣體，形成巨行星。離太陽(yáng)稍近處是木星和土星，稍遠(yuǎn)處的行星含有更多冰雪類物質(zhì)，即天王星和海王星。
變幻莫測(cè)的大氣層
由于天王星、海王星與地球相距遙遠(yuǎn)，截至目前，只有旅行者2號(hào)探測(cè)器分別在1986年和1989年近距離飛越過(guò)它們。它們的大小、自轉(zhuǎn)、大氣、磁場(chǎng)等信息，多是由地面望遠(yuǎn)鏡和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡、韋布空間望遠(yuǎn)鏡獲得的。而旅行者2號(hào)探測(cè)器獲取的數(shù)據(jù)，至今仍在被天文學(xué)家發(fā)掘、研究。
青藍(lán)行星之謎
濃厚的大氣層是人們對(duì)天王星和海王星的第一印象。它們的大氣都是太陽(yáng)系形成早期從前行星盤中吸積的，成分主要是氫（約占80%）、氦（約占10%）以及更少的甲烷（約占2%）等氣體，還包括氨、水、碳?xì)浠衔锏乃衔锏缺|(zhì)成分。
甲烷吸收紅光，反射藍(lán)光，因此天王星和海王星都呈現(xiàn)暗淡的青藍(lán)色，同時(shí)，由于天王星有較多的霧，大氣層渾濁且甲烷含量稍低，顏色偏青色；而海王星霧較少，大氣層清澈，則更偏藍(lán)色。
天王星“躺平”的一生
不同于木星上空規(guī)模巨大的云帶和氣旋，旅行者2號(hào)探測(cè)器拍攝到的天王星安靜平和，但隨著它接近兩分點(diǎn)（春分或秋分），大氣活動(dòng)顯著增強(qiáng)——高緯度區(qū)域會(huì)出現(xiàn)約250米/秒的強(qiáng)風(fēng)。并且天王星幾乎是“躺”在它的公轉(zhuǎn)軌道上運(yùn)動(dòng)，這也意味著天王星上大部分區(qū)域交替經(jīng)歷漫長(zhǎng)的極夜和極晝，大氣活動(dòng)有強(qiáng)烈的季節(jié)性變化。
海王星的神秘云層
海王星外層的大氣是太陽(yáng)系最寒冷的地方之一，平均溫度約為零e/cj7NPkevY2eW00cBFLww==下214攝氏度。相對(duì)于天王星，它的大氣也更活躍，旅行者2號(hào)探測(cè)器在其南半球發(fā)現(xiàn)的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)——大暗斑能放得下整個(gè)地球，風(fēng)速高達(dá)700米/秒左右。然而，兩年后哈勃空間望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到大暗斑消失了。又過(guò)了兩年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)其北半球出現(xiàn)了一個(gè)較小的暗斑。
這些忽隱忽現(xiàn)的暗斑結(jié)構(gòu)反映了海王星上空云層（由氨、硫化氫等形成）的活動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)這些云層運(yùn)動(dòng)的能量，則是海王星內(nèi)部持續(xù)向外釋放的熱能。
海王星云層的神秘不止于此。人們還發(fā)現(xiàn)海王星的云層變化與太陽(yáng)活動(dòng)周期有關(guān)，太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，云層會(huì)消失；太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)將帶電粒子吹向宇宙空間，影響行星的磁場(chǎng)。海王星的云層與太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)聯(lián)，也顯示磁場(chǎng)在云層演化中的作用。
偏斜的磁場(chǎng)
天王星和海王星的磁場(chǎng)由其幔層中金屬氫形成的電流所產(chǎn)生，但與地球、木星等位于行星中心、與行星自轉(zhuǎn)軸同方向的偶極磁場(chǎng)不同，天王星與海王星的偶極磁場(chǎng)方向分別偏離自轉(zhuǎn)軸約59度和47度，并且都偏離行星中心達(dá)到行星半徑的55%和31%。太陽(yáng)風(fēng)粒子在這既偏又歪的磁場(chǎng)的引導(dǎo)下，與兩顆行星的行星環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生了復(fù)雜的相互作用。
結(jié)構(gòu)精細(xì)的環(huán)
目前已知天王星和海王星分別有28顆和16顆衛(wèi)星，普遍又小又黑，難以觀測(cè)。只有海王星的衛(wèi)星——海衛(wèi)一是個(gè)例外，它又大（直徑相當(dāng)于月球的80%）又白（反照率高達(dá)0.76），因而在發(fā)現(xiàn)海王星17天后就被發(fā)現(xiàn)。
不同于土星環(huán)的壯麗奪目，天王星和海王星的環(huán)暗淡、狹窄、稀薄。1977年才第一次通過(guò)掩星方法（指一個(gè)天體在另一個(gè)天體與觀測(cè)者之間通過(guò)而產(chǎn)生的遮蔽現(xiàn)象）確認(rèn)了天王星的環(huán)，其后利用掩星方法尋找海王星環(huán)的數(shù)次嘗試都失敗了，直到旅行者2號(hào)探測(cè)器飛越時(shí)才確認(rèn)海王星也有行星環(huán)。
天王星和海王星的行星環(huán)由微小的顆粒組成，在太陽(yáng)輻射和相互碰撞的作用下，會(huì)在空間彌散而逐漸消失。但天王星和海王星都存在一些特別窄的環(huán)。
有天文學(xué)家提出，這些窄環(huán)可以由所謂的“牧羊犬衛(wèi)星”（指那些在巨型行星的環(huán)兩側(cè)的小型衛(wèi)星）維持，隨即這一機(jī)制被觀測(cè)所證實(shí)。另外，天王星和海王星的某些環(huán)不是完整連續(xù)的，而是沿著軌道形成幾段高密度的弧段，這些弧段的維持機(jī)制至今仍然是個(gè)謎。
天王星與海王星處于遙遠(yuǎn)的太空，由地球出發(fā)的航天器需要10年左右的飛行時(shí)間才能到達(dá)。目前，我國(guó)天文學(xué)家正在緊鑼密鼓地深入探討太陽(yáng)系邊界（包括天王星和海王星）探測(cè)計(jì)劃，希望不久的將來(lái)，中國(guó)的深空探測(cè)器能率先闖進(jìn)這兩顆行星神秘的領(lǐng)地，進(jìn)一步拓展人類的視野，為我們解開(kāi)更多的謎團(tuán)。
（責(zé)任編輯 / 王佳璇 美術(shù)編輯 / 周游）
