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第27章 太阳系中的小个子—天王星

 发现历史

在天王星发现之前,人们一直认为土星就是太阳系的疆界。1781年,在英国定居的德国天文学家F.W·赫歇耳利用他自己制造的口径16厘米的望远镜,在双子座中看到一个星图中未载入的天体。起初,赫歇耳认为可能是一颗彗星,经查看前人的观测记录,发现已有几位天文学家曾经看到过这个天体了。最早观测到它是在1690年。从1750至1769年中,有一位天文学家曾观测到它达12次之多。但一直被误认为是一颗恒星,这位天文学家就是勒莫尼埃,这个粗心急躁的人最喜欢花费时间批评别人的工作,而根本不花功夫去整理自己的观测。赫歇耳根据前人的观测记录和自己的观测结果,计算出这个天体的轨道、半径和绕日公转周期。一颗新行星就这样被赫歇耳发现了,取名为天王星。天王星的发现,使人们认识到的太阳系空间扩大了3倍。

天王星的体积在九大行星中仅次于木星和土星,约为地球的65倍,质量相当于地球的14.63倍。天王星以6.81千米/秒的平均速度绕太阳公转,公转周期84年。天王星最奇特的是它的自转轴几乎倒在它的轨道面上,也就是说,它是“躺”着自转的。而其他行星都是“站”在自己轨道面上自转。有人猜测它可能是被一个天体撞倒的,目前这还没有得到证实。其赤道的磁感应强度为2.5×10-5特斯拉,比地球的3.1×10-5特斯拉略低,但是天王星内部磁场很强,所包含的能量是地球的50倍。天王星的核心是岩石物质,核心温度是2 000~3 000摄氏度。核心外面是一层很厚的水冰和氮冰,冰外面是分子氢层,再向外就是很厚的大气层,大气层中的主要成分是氢和氦。氢的含量占绝大部分,氦的含量为10%~15%。这与木星的大气组成相似。天王星同地球一样有四季的变化,但是它的一季相当于地球的21年,也不同与地球上的四季,受阳光照射的半球为夏季,另一面为冬季。天王星最亮时稍亮于6等,眼力好的人勉强可见。在大望远镜里,它呈现蓝绿色。

天王星(图2-25)具有温度较高的同温层和一个较冷的对流层。由于天王星离太阳很远,它接受太阳能只有地球的千分之二,表面温度只有-211摄氏度;仅靠太阳光是不能达到如此高温的,因而可能在天王星上存在其他能源。

天王星既不像类地行星富含硅、铁,又不像巨行星那样富含氢、氦,它基本上是由水、甲烷、氨等氢化物构成,而硅酸盐、铁、氢和氦只是次要成分。这就是说,虽然天王星也像巨行星那样是液态行星,但它们的化学成分已不是原始星云物质。

现在认为天王星的大气中氢仍是主要成分,其内部结构分为三层:富氢的大气层,其质量为1~2个地球质量;由甲烷、氨和水构成的液态幔,其质量约为地球质量的10倍;岩—冰核,其质量约为地球质量的3倍。

根据地面观测,天王星也有磁层。为此,“旅行者”2号的探测项目中设置了对天王星磁层的探测项目。“旅行者”2号在到达天王星最近距离点之前,就探测出天王星发出的射电信号和带电粒子流。经测定,天王星也有磁层结构,其磁层中主要是由质子和电子构成的等离子体。磁层在朝向太阳的一面至少延伸到59万千米的高度,其磁尾延伸到600万千米。天王星也有与地球范艾伦带类似的辐射带。

过去,人们一直认为在太阳系中,土星是惟一具有光环的行星。1977年3月10日及同年12月23日,中国、美国、澳大利亚、南非、印度等五国的天文学家在观测天王星掩恒星SAO158 687时,各自意外地发现了天王星像土星那样也有环带。这是现代天文学的一项重大发现。天文学家们最初发现天王星有5个环,由内到外分别是α、β、γ、δ、ε环。前4个环宽度仅10千米左右,ε环最宽,将近100千米。且有较复杂的结构。经仔细分析后发现,α环内还存在3个小环,β环和γ环中也有一个小环,分别为χ环、ι环、θ环和η环,η环可能由60千米宽的稀薄物质构成的。这样,就发现天王星有9个环。

根据实测,计算出天王星光环是由稀疏不等的碎石构成。整个环系距天王星大约1.5万千米。1986年1月24日,“旅行者”2号在探测天王星时,又发现了天王星的2个新环。至此,总共发现天王星有11个环。它们大多数是窄环,结构简单,位于天王星赤道面上,为圆环,且环与环之间相距较远。ε环比较特殊,是椭圆环。在环的内外两边缘上,物质相对集中。1979年,美国天文学家用红外光在5米望远镜上也拍摄到天王星环像。此外,他们还在智利将电荷耦合器件(CCD)装到2.5米望远镜上,在光学波段观测到了天王星环。观测结果表明,天王星环只反射2%的太阳光,说明天王星环是由太阳系中最黑的物质所构成,这些物质比煤还要黑。我们现在知道天王星有五颗卫星,以离它的距离由近而远为次序叙述如下:

天卫V是最近的也是最后发现的一颗,它是在1948年被柯伊伯在一张照片上找到的。它的星等是19,周期是34时,距离天王星的中心有五个赤道半径那样远,即13.5万千米。天卫V的直径不超过200千米。

天卫Ⅰ和天卫Ⅱ是1851年被拉塞尔所发现的。它们的星等分别为15与16,很难被人看见。天卫Ⅰ在距天王星19万千米处以2日12时29分的周期环绕天王星运行,它的直径只有900千米。至于天卫Ⅱ,距离天王星26万千米,周期是4日3时28分,直径是700千米。

最后天卫Ⅲ、天卫Ⅳ是1787年威廉·赫歇尔发现的,星等是14,因距天王星稍远,故比前两颗卫星还容易观测些。天卫Ⅲ在离天王星44万千米处以8日16时56分的周期运行,它的直径估计是1 700千米。天卫Ⅳ在离天王星59万千米处运行,周期是13日11时7分,直径是1 600千米。