太阳系的“天”崖“海”角
发布时间:2024-10-30 16:44 浏览量:2
深邃的夜空中,约有6000颗星是我们肉眼可见的。其中,水星、金星、火星、木星、土星在星座间穿行,它们的运动激发了人们的想象和探索。
太阳系行星家族(图源:《知识就是力量》杂志)
随着地球也被列为行星,在望远镜帮助下,天王星和海王星这两颗气态冰巨星也先后被人们探测到,太阳系行星家族正式“团圆”。
太阳系行星家族(图源:《知识就是力量》杂志)
那么,这两颗距离我们最远的气态冰巨星——天王星、海王星又有多少秘密?就让我们走近这两颗行星,解开太阳系“天”涯“海”角背后的谜团。
行星的诞生
太阳系所有天体都起源于同一团物质,这一团物质中的绝大部分由于质量引力坍缩到中心形成太阳,剩余部分形成前行星盘(在原太阳或恒星周围的气体尘埃盘),行星和卫星等天体在其中诞生。
太阳系(图源:千库网)
前行星盘上距离太阳近的区域温度高,易挥发物质难以生存。金属、岩石这些固体物质也在经年累月的运动中,逐渐黏合形成石块乃至更大的星子。星子之间发生碰撞、合并,在太阳系内部“组装”成类地行星,即水星、金星、地球、火星。
而在远离太阳的低温区域,水、甲烷等易挥发物质以冰雪的状态存在,前行星盘中更大的星子结合形成大质量的行星核,迅速吸附大量气体,形成巨行星。离太阳稍近处是木星和土星,稍远处的行星含有更多冰雪类物质,即天王星和海王星。
变幻莫测的大气层
由于天王星、海王星与地球相距遥远,截至目前,只有旅行者2号探测器分别在1986年和1989年近距离飞越过它们。它们的大小、自转、大气、磁场等信息,多是由地面望远镜和哈勃空间望远镜、斯皮策太空望远镜、韦布空间望远镜获得的。而旅行者2号探测器获取的数据,至今仍在被天文学家发掘、研究。
青蓝行星之谜
浓厚的大气层是人们对天王星和海王星的第一印象。它们的大气都是太阳系形成早期从前行星盘中吸积的,成分主要是氢(约占80%)、氦(约占10%)以及更少的甲烷(约占2%)等气体,还包括氨、水、碳氢化合物的水合物等冰质成分。
旅行者2号探测器于20世纪80年代拍摄的天王星(左)、海王星(右)(图源:《知识就是力量》杂志)
甲烷吸收红光,反射蓝光,因此天王星和海王星都呈现暗淡的青蓝色,同时,由于天王星有较多的雾,大气层浑浊且甲烷含量稍低,颜色偏青色;而海王星雾较少,大气层清澈,则更偏蓝色。
天王星“躺平”的一生
不同于木星上空规模巨大的云带和气旋,旅行者2号探测器拍摄到的天王星安静平和,但随着它接近两分点(春分或秋分),大气活动显著增强——高纬度区域会出现约250米/秒的强风。并且天王星几乎是“躺”在它的公转轨道上运动,这也意味着天王星上大部分区域交替经历漫长的极夜和极昼,大气活动有强烈的季节性变化。
天王星(图源:《知识就是力量》杂志)
海王星的神秘云层
海王星外层的大气是太阳系最寒冷的地方之一,平均温度约为零下214摄氏度。相对于天王星,它的大气也更活跃,旅行者2号探测器在其南半球发现的风暴结构——大暗斑能放得下整个地球,风速高达700米/秒左右。
海王星(图源:《知识就是力量》杂志)
然而,两年后哈勃空间望远镜探测到大暗斑消失了。又过了两年,哈勃空间望远镜发现其北半球出现了一个较小的暗斑。
这些忽隐忽现的暗斑结构反映了海王星上空云层(由氨、硫化氢等形成)的活动,而驱动这些云层运动的能量,则是海王星内部持续向外释放的热能。
海王星云层的神秘不止于此。人们还发现海王星的云层变化与太阳活动周期有关,太阳活动增强时,云层会消失;太阳耀斑爆发时,太阳风将带电粒子吹向宇宙空间,影响行星的磁场。海王星的云层与太阳活动的关联,也显示磁场在云层演化中的作用。
天王星、海王星的磁场与自转轴情况
(图源:《知识就是力量》杂志)
偏斜的磁场
天王星和海王星的磁场由其幔层中金属氢形成的电流所产生,但与地球、木星等位于行星中心、与行星自转轴同方向的偶极磁场不同,天王星与海王星的偶极磁场方向分别偏离自转轴约59度和47度,并且都偏离行星中心达到行星半径的55%和31%。太阳风粒子在这既偏又歪的磁场的引导下,与两颗行星的行星环系统产生了复杂的相互作用。
结构精细的环
目前已知天王星和海王星分别有28颗和16颗卫星,普遍又小又黑,难以观测。只有海王星的卫星——海卫一是个例外,它又大(直径相当于月球的80%)又白(反照率高达0.76),因而在发现海王星17天后就被发现。
不同于土星环的壮丽夺目,天王星和海王星的环暗淡、狭窄、稀薄。1977年才第一次通过掩星方法(指一个天体在另一个天体与观测者之间通过而产生的遮蔽现象)确认了天王星的环,其后利用掩星方法寻找海王星环的数次尝试都失败了,直到旅行者2号探测器飞越时才确认海王星也有行星环。
海王星和海王星的环
(图源:《知识就是力量》杂志)
天王星和海王星的行星环由微小的颗粒组成,在太阳辐射和相互碰撞的作用下,会在空间弥散而逐渐消失。但天王星和海王星都存在一些特别窄的环。
有天文学家提出,这些窄环可以由所谓的“牧羊犬卫星”(指那些在巨型行星的环两侧的小型卫星)维持,随即这一机制被观测所证实。另外,天王星和海王星的某些环不是完整连续的,而是沿着轨道形成几段高密度的弧段,这些弧段的维持机制至今仍然是个谜。
“牧羊犬卫星”维持窄环示意图
(图源:《知识就是力量》杂志)
天王星与海王星处于遥远的太空,由地球出发的航天器需要10年左右的飞行时间才能到达。目前,我国天文学家正在紧锣密鼓地深入探讨太阳系边界(包括天王星和海王星)探测计划,希望不久的将来,中国的深空探测器能率先闯进这两颗行星神秘的领地,进一步拓展人类的视野,为我们解开更多的谜团。
撰文 | 周礼勇
责任编辑 | 王佳璇、段阳阳
运营编辑 | 段阳阳
质量审核 | 业蕾
❖ 文章来源:《知识就是力量》杂志
《太阳系的“天”涯“海”角——天王星与海王星》 ❖