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再探天王星

浙江都市快報(bào)
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人們在1781年前所認(rèn)識到的太陽系,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),人類對太陽系的認(rèn)識也不斷地在變化。

1781年3月的一個(gè)晚上,英國天文學(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,它不但把太陽系的疆域“擴(kuò)大”了一倍,同時(shí)也使人們認(rèn)識到太陽系不是固定不變的,行星并非永遠(yuǎn)限定于那么幾顆。這樣的認(rèn)識觸發(fā)了天文學(xué)家們尋找新行星的大行動,海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)都是在這種認(rèn)識的指導(dǎo)之下完成的。

“旅行者2號”探測器拍攝到的天王星

自天王星被發(fā)現(xiàn)后,兩個(gè)多世紀(jì)過去了,人類的探測器只有一次匆匆地飛掠過這顆神秘的星球。**1986年,“旅行者2號”探測器飛掠過天王星,觀測了天王星的大氣,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)家們再一次提到了天王星,他們計(jì)劃啟動一項(xiàng)耗資數(shù)十億美元的大型任務(wù),向天王星發(fā)射軌道器和子探測器,以探索這顆神秘的行星和它的衛(wèi)星。科學(xué)家們認(rèn)為,探索天王星將有助于更好地了解太陽系中的冰態(tài)巨行星,從而幫助人類揭開遙遠(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)。

雖然今天我們對天王星已有了一些基本認(rèn)識,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,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。在太陽系的早期,這種事情時(shí)有發(fā)生,地球就可能遭遇過類似的事。科學(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,它們在碰撞和聚集中形成了月亮。

不過,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,在太陽系形成后的6.5億年里,天王星與太陽之間的距離其實(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來。這個(gè)模擬結(jié)果是否正確,當(dāng)然還需要更多的研究來證實(shí)。

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”探測器發(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”的探測結(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)三的表面曾有過劇烈的火山活動,同時(shí)其內(nèi)部也曾發(fā)生過劇烈的變化,這種變化塑造了長達(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)量僅次于天衛(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它。

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)

1851年,英國天文學(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)了人們對這顆衛(wèi)星遭遇的很多猜想。有人推測,天衛(wèi)五最初表面是平整的,后來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。后來又出現(xiàn)了一種新理論 : 天衛(wèi)五曾經(jīng)有過強(qiáng)烈的地質(zhì)活動,活動的能量來自天王星的潮汐力,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。

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”探測器飛掠過天王星時(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)對人類認(rèn)識行星世界非常重要,它使科學(xué)家們意識到光環(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)到了正對地球的方向。天文學(xué)家們認(rèn)為,這時(shí)是觀測天王星的最好時(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)鏡將鏡頭頻頻對準(zhǔn)天王星,還拍下了清晰的光環(huán)側(cè)面照。觀測結(jié)果表明,自從“旅行者2號”探測了天王星后,天王星的光環(huán)發(fā)生了變化。例如,一條塵埃環(huán)就似乎移動了幾千千米。至于這種移動是如何發(fā)生的,人們并沒有確切的解釋,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。

天王星光環(huán)(“旅行者2號”探測器拍攝)

天王星和海王星距離太陽都很遙遠(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。對于那里的世界,人類的認(rèn)知還是相對薄弱的。

現(xiàn)在,探索天王星的計(jì)劃終于被提到日程上來。**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)過木星,利用木星的引力獲得加速,經(jīng)過13年飛行后抵達(dá)天王星。**一旦到達(dá)了那里,航天器會將一個(gè)子探測器投向天王星的大氣層,這個(gè)子探測器將對天王星的大氣成分進(jìn)行采樣,而軌道器則對天王星系統(tǒng)進(jìn)行全方位的探測。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,這次對天王星的探索一定會有很多奇妙的新發(fā)現(xiàn)?!?/p>

文/張唯誠

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