主题：【分享】天文学基础讲座

人类对太阳系——行星的探索

中国科学院上海天文台 张建卫 人类的天职是勇于探索。 ——哥白尼（波兰天文学家）     天文学的诞生和发展是与人类社会的需求和科学技术的进步分不开的。远在原始的农、牧业发展时期，古代的天文学家就测量太阳、月亮、星星在天空的位置，研究它们的位置随着时间而变化的规律，探索季节变化和各种天文现象。从而为农、牧业生产的需要确立了时间、节气和历法，有力地促进生产的发展。     众所周知，太阳系里有九大行星，它们都有规律地绕着太阳旋转。但早在伽利略第一个用望远镜指向星空后近一个世纪当中，人类对太阳系的认识与久远的古代一样，这是肉眼便能看见的水星、金星、火星、木星、土星。随着人类的追求和探索，虽说在太阳系中第七大行星——天王星的发现是意外收获或偶然，但这一发现却反映了事物发展的客观规律和必然趋势，更重要的是人类探索宇宙的必然结果。

一. 有趣的天王星

    德意志诞生的英国天文学家威廉.赫歇尔（1738年-1822年），他出生于汉诺威，最初是一个音乐家。17岁时来到英国，当宫廷歌会的双簧管吹奏者。他一方面以音乐维持生活，另一方面他刻苦努力学习数学和物理。1774年在他36岁的时候，亲自制造成功一台反射望远镜。一生中制造了400多台望远镜，口径最大的有125厘米。在1781年3月13日，这是一个很平常的日子，晴朗而略带寒意的夜晚，跟往常一样，在其妹妹加罗琳（1750年-1848年）的陪同下，用自己制造的口径为16厘米、焦距为213厘米反射望远镜，对着夜空热心地进行巡天观测。当他把望远镜指向双子座时，他发现有一颗很奇妙的星星，乍一看象是一颗恒星，一闪一闪地发光，引起了他的怀疑。

    第二天晚上，他又继续观测。原来这颗星还在移动，尽管这颗星没有朦胧的彗发，也没有彗尾，肯定不是一颗恒星。但他以"关于一颗彗星的探讨"为题提出报告。

    经过一段时间的观测和计算之后，这颗一直被看作是"彗星"的新天体，实际上是一颗在土星轨道外面的大行星，一下子太阳系的范围被扩大了整整一倍之多。天王星离太阳系约28亿8千多公里，而土星离太阳系约14亿公里。

天王星的发现使赫歇尔闻名于世，并被英王任命为皇家天文学家。此后，他致立于天文学，一生中作出过许多贡献。

    天王星被发现以后，立即成为天文学家们的重要观测对象，都想目睹这颗大行星的真面目，这是理所当然的。在人们观测和计算中，发现天王星理论计算位置与实际观测位置总有误差。法国天文学家布瓦尔受法国经度局的委托，计算了3颗最大和最远的行星，木星、土星和天王星的位置。对于木星和土星，计算结果与实际观测十分相符，唯独对于当时所知的最远天王星的结果总是不能令人满意。与1821年计算结果相隔不到10年，1830年就发现了计算的位置与观测的结果，两者之间的差异达20″。到了1845年，这个误差值便超过2′，即在15年间扩大了6倍！这么大的误差对于天文学家是无法容忍的。而且这个误差随着时间在一个劲地增大 。人们由此得出结论，在计算天王星的位置时，一定还有某种未知因素没有考虑进去。这个因素是什么呢？一种比较被人们容易接受的想法是：在土星的轨道外面找到了天王星，为什么不能设想在天王星轨道外面还存在着一颗尚未露面的大行星呢？也许正是它对天王星的吸引力在影响着天王星的运行呢。但这颗星是怎样的未知大行星呢？离天王星有多远，质量有多大，运行的轨道又如何？等等，答案可以有无数个。问题难就难在一时无法在广阔宇宙中寻找，只有通过古怪的天王星的运动来推测这颗未知行星的运行轨道。

二. 从笔尖上发现的行星——海王星

    自从波兰天文学家哥白尼提出了日心学说后，自然科学从神学的束缚中解放出来，到十七世纪初德国天文学家开普勒总结出行星运动定律，1687年牛顿的万有引力发现，在天文学科中诞生了一个崭新的天文学分支——天体力学。到了十九世纪初天文学家已经能够准确地预报行星在任何时刻的位置。但许多天文学家都不敢来吃寻找天王星外行星这个"螃蟹"。然而，时代提出的迫切问题是不会无人问津的，两位年轻人不约而同奋起应战了，他们勇于探索的精神和高超的科学知识，依据天文观测资料来寻求使天王星在运动上造成"偏差"的一颗行星。

    在1841年7月，英国剑桥大学的一位22岁的大学生， J·C·亚当斯（1819年-1892年），在阅读格林尼治天文台台长艾里报告后，他勇敢地承担起这项艰巨的任务，他就着手对这颗"天"外行星轨道和距离进行反复思考和计算。在1843年末才24岁的他就计算出这个未知大行星的初步结果。到1845年， 26岁的亚当斯就研究推算出该假设行星的轨道，质量和当时的位置。10月21日他把计算的结果寄给了英国格林尼治天文台台长艾里，请求他用天文台的大型望远镜来观测这颗行星。不料，这位台长没有认真地对待青年天文学家的计算结果，不假思索地把亚当斯的计算结果束之高阁。到了1946年6月他收到了勒威耶发表的论文副本时，他才发现勒威耶的结果几乎与亚当斯的结果完全一致，他立即请剑桥天文台查理天文学家用望远镜搜索这颗行星，偏偏这位天文学家还对亚当斯的计算结果将信将疑，使这位天文学家奋斗多年的成果插身而过。

法国天文学家U·勒威耶（1811年-1877年）比亚当斯年长8岁，于1846年8月31日写出了一份标题是"论使天王星运行失常的那颗行星，它的质量，轨道和现在所处的位置结论性意见"。柏林天文台年轻的天文学家伽勒和他的助手根据勒威耶计算出来的新行星的位置，把望远镜指向了黄经326度宝瓶星座的一个天区，只用了30分钟就发现了一颗在星图上没有标出的8等星，为人类探索"天"外行星中找到了第八颗新的行星——海王星。后来通过天文学家们观测都证实了这颗行星的存在。太阳系第八颗大行星——海王星的发现是天文史上杰出事件，恩格斯对海王星的发现予以很高的评价，他在《路德维希.费尔巴哈和德国古典哲学的终结》一书中写道："哥白尼的太阳系学说有300年之久，一直是一种假说，这种假说尽管有99%，99.9%，99.99%的可靠性，但毕竟是一种假说；而当勒威耶从这个太阳系学说所提供的数据，不仅推算出这个行星在太空中的位置的时候，当后伽勒确实发现了这个行星的时候，哥白尼的学说就被证实了。"

    人类在探索宇宙中，有的成功，有的失去了机遇，海王星的发现，在当时，英法两国为此发现的荣誉归属问题展开了争论，但亚当斯和勒威耶两人则处之泰然，该荣誉应当由亚当斯和勒威耶两人共享。而当时，柏林天文台台长恩克在收到勒威耶的报告时，正好是他的55周岁生日，在家中与家人一起度过了幸福和温馨的生日之夜，但他失去成为看到海王星的第一位天文学家的唯一机遇，有点遗憾，他还是公正地把海王星的发现称之为"各次行星的发现中最为辉煌的一次"。

    海王星的发现也为天文学家们留下了一些需要考虑和探索的问题。

    ——从1781年天王星被发现，到1846年海王星被发现，相隔65年。海王星的大小和质量与天王星不相上下，天王星运行轨道中那些偏差，通过计算与观测，海王星影响并不能完全解释天王星运行中的偏差，这又该怎么来解释呢？

    ——天王星位置偏差的问题还没有得到完全解决，天文学家又发现，海王星的理论计算与其实际位置，也象当年天王星那样出现了偏差。它又是怎么回事呢？是否还应该象当初寻找"天"外行星那样，在寻"海"外行星呢？通过天文学家们研究，并确认，在海王星的外侧，肯定至少存在一颗够大的行星，是它在影响着天王星和海王星的运行。

  三. 朦胧的世界——冥王星

    19世纪后期，寻找"海"外行星的喧闻声逐步沸沸扬扬起来，可是宇宙的探索并不是一件容易的事。1877年位于美国华盛顿的海军天文台天文学家戴维·佩克·托德他分析天王星轨道运动的残差后，用该台的66厘米望远镜开始目视搜索这颗"海外行星"，但一无所获。

    17年后，1894年美国天文学家珀西瓦尔·洛威尔在亚利桑那州费拉格斯塔夫附近，兴建了一座私人天文台——洛威尔天文台，海拔2210米。此后，他就在那里潜心研究和搜索"海外行星"。 洛威尔用一架口径12.7厘米的折射望远镜拍摄天空照片，记录了成千上万颗暗星的位置。威尔为寻找这颗被他称为"行星×"，花费了大量的物力和精力，于1916年11月12日因寻找这颗行星疲劳过度而告别人世。临终前，他还坚信自己1909年5月对"行星×"作出的预言，这个天体星等暗于13等，也许用于搜索的望远镜太小了。

    又13年后，1929年1月克莱德·威廉·汤博继承了洛威尔的事业。汤博生于1906年，他从小酷爱天文学，并自制一架望远镜，从事天文观测。他到洛威尔天文台后，就开始对"行星×"进行搜索。当时的台长维斯托·M·斯莱弗还专门建造一架33厘米的反射式天体照相仪。经过汤博的日夜辛苦细致的工作，终于在1930年1月23日和29日夜晚拍摄到双子座δ星附近的天区有一颗未知的新行星，真是大海里捞针呀！斯莱弗台长立即对该天体作进一步的观测证实，到1930年3月13日，终于正式宣布发现了一颗海外行星。这个人类为此探索研究将近一个世纪待解的谜存疑，终于在被人类解开了。3月13日真是难忘的日子，这天正好是威勒、赫歇尔发现天王星的149年周年纪念日。也正好是发现者所在的洛威尔私人天文台的创始人，忠实寻找第九颗行星者珀西瓦尔. 洛威尔的75岁诞辰。当时为该行星命名的建议便如潮水般地拥向了洛威尔天文台。1930年5月1日，斯莱费台长决定采纳由英国剑桥一位11岁的女学生维尼夏.伯尼她建议（她觉得这很适合于一颗如此幽暗的行星），命名为普鲁托（PLUTO）——罗马神话中冥神的名字。在汉语里，行星普鲁托的名字译为"冥王星"。

冥王星的发现是人类长期精心系统地探索结果。但关于冥王星这个遥远而朦胧的世界，人类的认识目前仍然是个迷。到冥王星的发现整个太阳系的范围扩大到59亿公里。太阳系是否还存在着第十颗行星呢？根据万有引力定律，研究探索第十颗行星的天文学家们计算的结果，认为在一个遥远的地方，存在一颗行星，它的质量是地球的5倍，并以极长的椭圆轨道运行。其运行轨道可能与目前知道的行星的轨道垂直。自冥王星被发现以来，天文学家从未停止过对太阳系第十颗大兄弟的探索。因为，单是冥王星的引力不能解释海王星和天王星的轨道变化，他们需要有一个更大质量的天体拖动它们围绕着自己所沿的轨道运行。天文学家以极大的兴致探索浩瀚的冥外世界，21世纪会不会带给人们发现冥外大行星的惊喜呢？

    最近，英国传媒报道，英国约翰——默里天文学家可能发现了太阳系第十大行星。这颗奇异的行星极为遥远，与目前已知太阳系最远的行星冥王星相比，它的公转轨道大约还要远1000倍。这颗行星与太阳的距离是地球到达太阳距离的3万倍。这颗肉眼观测不到的行星体积是太阳系最大行星木星的数倍以上。按照他的计算，这颗行星环绕太阳运行一周大约需要600万年的时间。他说，这一速度可以解释人们以前为什么没有发现它的原因：它的移动速度极为缓慢。约翰——默里的探测结果正引起世界各国天文学家们的关注。随着科学技术的发展和这颗行星运行到接近太阳那时，人类将完全解开这个迷。

行星环

中国科学院上海天文台 赵君亮     土星可算是太阳系中较为奇特的一颗行星，在望远镜中看来，它的外表犹如一顶草帽，在圆球形的星体周围有一圈很宽的"帽沿"，这就是土星光环，又称土星环。光环的存在使得土星成为群星中最美丽的一颗，令观赏者赞叹不已。几百年来，人们一直以为太阳系中唯独土星才有光环。直到本世纪70年代后期至80年代后期，天王星环、木星环和海王星环的相继发现才使这一观点得以改变。 土星环和它的复杂结构     关于土星环的发现有着一段颇为有趣的故事。     自从意大利著名天文学家伽里略在1609年首次用望远镜观测星空以来，新的发现经他之手接踵而至。1610年7月，他把望远镜对准了土星。在这架放大倍数只有30倍而又不完善的望远镜中，伽里略看到土星两旁有某种奇怪的附属物。实际上他所观测到的便是土星两侧的光环部分。但是，伽里略并没有认识到这一点。鉴于在这之前他已经发现了木星的四颗大卫星，于是便相信土星两侧也有两个卫星之类的小天体。然而，由于情况不如木星卫星那样明白无疑，伽里略没有直截了当地宣布这一发现。     任何一位科学家在感觉到将要作出一项重要发现之时，往往会为两种感情所支配：一方面怕别人走在自己的前面而想尽快地发表它，另一方面又担心会犯大错误而不想轻率地过早加以发表。在伽里略时代学者们为此往往采用一种称为"字母颠倒法"的密码记录方式来简要地记载自己所作出的发现，这种记录除了发现者本人外几乎谁也无法加以破译。当发现者过一段时间后确证了这项发明之时，便把自己早已写好的那份"天书"译出来，从而保留了对该项发现的优先权。

伽里略对他的土星观测结果便采用了这种方法。他当时所做的记录是由39个拉丁字母混乱排列的一长排符号串，其真实含义是"观测到一颗最高的三重行星"。这里"最高的"即指土星，因为土星是当时所知离太阳最远的行星。1659年，荷兰科学家惠更斯证实伽里略观测到的是一个离开土星本体的光环。但他开始时也象伽里略一样采用了字母颠倒的密码记录法，不过形式稍有不同，用了总数为62个拉丁字母的若干符号串。三年后当他确信自己结论正确时才宣布了这组符号串的意义是"土星周围有一个又薄又平的光环，它的任何部分与土星不相接触，光环平面与黄道面斜交"。

    惠更斯以后，人们经历了漫长的过程才对土星环的本质有了正确的认识。在最初的两百年内，土星环一直被认为是一个或若干个扁平的固体物质盘。1856年英国物理学家麦克斯韦首先从理论上证明这种环必须是由围绕土星旋转的一大群小卫星组成的物质系统，而不可能是整块固体物质盘。40年后，美国天文学家基勒通过观测发现，土星环不同部分的旋转速度随到土星中心距离的增大而减小，并且符合开普勒运动定律。如果是刚体转动，则转速因随距离的增大而增大。这样就无可辩驳地证实了环是无数个各自沿独立轨道绕土星旋转的大小不等的物质块，从而最终阐明了土星环的本质。事实上当远方恒星在环后经过时星光并没有多大的减弱，这也说明它不是一整块东西，而是一些稀疏分布的分离物质块。现已知道组成环的小"卫星"大都是一些直径为4~30厘米的冰块，总质量约为土星质量的百万分之一。环极冷，据探测温度低达-200℃左右。

    目前，根据地面和空间观测结果得知，土星环系的主体含有A、B、C、D、E、F和G七个环以及环与环之间称为环缝的一些暗区。环编号的次序是根据发现时的先后，而不是按它们离土星本体的远近来确定的。环缝则通常以发现者的名字来命名，它们是一些质点密度相对很小的区域。最里面的是D环，内侧几乎触及土星表面，宽约为12000公里，与C环内缘隔开一个1200公里宽的盖林缝。C环很暗，宽约19000公里。C环外是既宽又亮的B环，它与C环相隔一条宽1800公里的法兰西缝，宽度约为25000公里，可以并排放上两个地球。再往外就是A环，亮度仅次于B环，宽约15500公里。A、B两环间是宽度为5000公里的卡西尼环缝，由著名天文学家卡西尼于1675年发现。卡西尼缝是永久性的环缝，另一条永久性环缝为A环中的恩刻环缝，宽度只有876公里。其他环缝既不完整又具有暂时性。A环向外依次为F、G和E环。其中F环很窄，宽度仅为30公里，它与A环间宽约3600公里的空缺区取名为"先锋缝"。F环和G环都是空间飞船发现的。E环的情况比较复杂，物质分布呈现某种结构，宽度超过8万公里，一直延绵到离土星表面20万公里以远的空间中。

    土星环系的总宽度超过20万公里，而最大厚度却不超过150米，真可谓"其薄如纸"！无怪乎当它以侧面对我们时会消失殆尽，这一点也曾使伽里略对自己的发现产生怀疑呢！关于环的起源至今未有定论，一种最流行的观点认为，当一颗卫星离开土星太近时会为土星起潮力所瓦解，其结果便形成今天的光环。

天王星环系的发现

    由于相对运动的关系，远方恒星有时会移动到太阳系天体如月亮、行星或小行星的正后方，这种现象称为掩星。掩星发生时，如果近距天体没有大气，星光便立即消失。如果天体外围有大气，则星光在完全消失前会有一个略被减弱的过程。各类掩星发生的时刻可以通过理论计算非常准确地作出预报。

    1977年3月10日曾发现一次天王星掩星的罕见天象，被掩的是一颗暗星。中国、美国、澳大利亚等国的天文学家都对此进行了观测。意想不到的奇怪事情发生了，小星在预报被掩时刻前35分钟出现了"闪烁"，也就是星光减弱又迅即复亮。这种闪烁一连出现了好几次。当这颗星经天王星背后复现，或者说掩星过程结束后，闪烁现象又重复出现。以后，经过对观测结果的仔细研究，发现闪烁是因天王星环的存在而造成的。这是继1930年发现冥王星后本世纪太阳系内的又一重大发现。由于天王星环非常暗弱，过去即使在大望远镜中也从未直接观测到过。1978年，美国用5米口径望远镜才在波长2.2微米的红外波段首次拍摄到天王星环的照片。

    现已知道，天王星环系至少由9个环组成。这些环和土星环大不一样。它们都很窄，除了最外边的e环可望宽100公里，以及h环的宽度约有60公里宽以外，其余环的宽度都大约只有10公里。一方面环很细，另一方面环和环之间则是广阔的天空，而不是土星环那样是宽环间存在窄的环缝。天王星环的反光本领很低，看起来就很暗，因此其环粒的组成也与土星环不同，可能具有碳质球粒陨星的成份，但环粒的大小至今还不清楚。