海王星：壯麗旅行的最后一站

嚴(yán)小平

1989年8月25日凌晨4時(shí)，空氣霧茫茫的，十分涼爽。這時(shí)喬納森·J.倫尼從加利福尼亞帕薩迪納噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的臨時(shí)辦公室里，走出噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的成像科學(xué)區(qū)。前一天，“旅行者2”號(hào)宇宙飛船已經(jīng)送回海王星及其大氣層里強(qiáng)風(fēng)暴系的詳細(xì)照片?，F(xiàn)在，這顆行星的最大衛(wèi)星海衛(wèi)一的最精美的照片，就要開始發(fā)回了。人類還沒見到過這顆遙遠(yuǎn)衛(wèi)星的芳容，但是在下一個(gè)小時(shí)，它將把自己展現(xiàn)于“旅行者2”號(hào)的攝像機(jī)鏡頭。作為地質(zhì)學(xué)上一顆非常活躍的星球，它有著巨大的極冠，大量蜿蜒的山谷，充滿冰體和火山熔巖的古老盆地，以及后來證明是活躍的間歇泉的奇怪的、暗黑的斑塊和條紋。

在“旅行者2”號(hào)飛近海王星和海衛(wèi)一探測(cè)期間，倫尼和他的同事們?nèi)朊缘赜^看了它對(duì)這些奇異世界的觀察，它們遠(yuǎn)比人們所預(yù)料的要復(fù)雜得多。同時(shí)，他們也有一點(diǎn)兒難過，因?yàn)樗麄冋谟H眼目睹的“旅行者2”號(hào)，在它四大帶外行星的壯麗旅行中，做最后一站的旅行。這一行程于1977年開始，跨越了64億千米的漫漫長(zhǎng)途。

做一次壯麗旅行的想法產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代中期。那時(shí)，宇宙空間科學(xué)家們意識(shí)到，這些巨大的帶外星——木星、土星、天王星和海王星——在20世紀(jì)80年代，將會(huì)在太陽(yáng)系一側(cè)排成一條直線，這是每隔175年才發(fā)生一次的大事件。這種“壯觀陣列”可讓宇宙飛船用一顆帶外行星的引力場(chǎng)加速，在彈射飛行的作用下，飛向下一顆行星。這樣，宇宙飛船就能夠飛遍除冥王星(不在適當(dāng)?shù)闹本€上)之外的全部帶外行星。

20世紀(jì)70年代初，美國(guó)航空航天局打算用兩艘新設(shè)計(jì)的自動(dòng)探測(cè)器(后來命名為“旅行者1”號(hào)和“旅行者2”號(hào))去完成這一壯麗旅行。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(簡(jiǎn)稱JPL，美國(guó)航空航天局在加利福尼亞的技術(shù)機(jī)構(gòu))的科學(xué)家和工程師們，將監(jiān)視這一計(jì)劃的完成。但是當(dāng)時(shí)，美國(guó)國(guó)會(huì)只批準(zhǔn)到木星和土星的飛行計(jì)劃。

這兩艘宇宙飛船于1977年從地球上發(fā)射，1979年一起飛抵木星，1980年“旅行者1”號(hào)到達(dá)土星，然后走上遠(yuǎn)離我們太陽(yáng)系的航線。然而，當(dāng)“旅行者2”號(hào)接近土星時(shí)，JPL的工程師們確信，只要改變這艘宇宙飛船的航線，他們就可以使它盡可能靠近土星，以便獲得一種引力的推動(dòng)，從而把它送往天王星。這個(gè)調(diào)整是成功的，“旅行者2”號(hào)于1986年到達(dá)天王星。在那兒，這艘宇宙飛船從天王星的引力場(chǎng)獲得另一次推力。這個(gè)推力把它送到海王星，最終實(shí)現(xiàn)了原來計(jì)劃的旅行目標(biāo)，并送回了我們所看到的海王星的最精美的圖像。

人類最早發(fā)現(xiàn)海王星的記錄，顯然是1613年由意大利天文學(xué)家伽利略做出的。伽利略報(bào)告說，他通過望遠(yuǎn)鏡看見了一顆以前從未見過的星體。計(jì)算了那時(shí)行星軌道后，現(xiàn)代天文學(xué)家們提出了充分的理由證明，伽利略看到的正是海王星。但是，伽利略并沒有意識(shí)到這是一顆行星，因此不相信自己發(fā)現(xiàn)的是海王星。

海王星的確認(rèn)共屬英國(guó)天文學(xué)家約翰·C.亞當(dāng)斯、法國(guó)天文學(xué)家厄本·J.萊弗里爾、德國(guó)天文學(xué)家約翰·G.加利和他的助手亨里奇·L.達(dá)雷斯特。19世紀(jì)40年代，亞當(dāng)斯和萊弗里爾各自研究了天王星在它環(huán)繞太陽(yáng)的軌道上的運(yùn)動(dòng)，并推斷這顆行星的運(yùn)行軌道稍微受到另一顆看不見的行星的作用。1845年，亞當(dāng)斯在萬(wàn)有引力定律(英國(guó)數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家牛頓17世紀(jì)提出)基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，異常精確地預(yù)言了這顆看不見的行星的位置。或許因?yàn)樗菚r(shí)還年輕，還不太有名氣，亞當(dāng)斯沒能說服天文學(xué)家們通過他們的望遠(yuǎn)鏡在那個(gè)位置上尋找這顆行星。1846年，萊弗里爾把他關(guān)于那顆看不見的行星位置的預(yù)言寄給了德國(guó)柏林烏拉尼亞天文臺(tái)主任加利。同年9月23日，加利和達(dá)雷斯特在萊弗里爾通過精確計(jì)算所預(yù)言的位置附近，發(fā)現(xiàn)了這顆后來命名為海王星的行星。這樣，海王星就成為精確應(yīng)用牛頓萬(wàn)有引力定律而“發(fā)現(xiàn)”的第一顆行星。

發(fā)現(xiàn)海王星后3個(gè)星期，英國(guó)天文學(xué)家威廉·拉塞爾發(fā)現(xiàn)了一顆循海王星軌道運(yùn)行的巨大衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星被命名為海衛(wèi)一。不久，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，海衛(wèi)一有一個(gè)逆行軌道，就是說，它同太陽(yáng)系大多數(shù)物體運(yùn)行軌道相反，是以順時(shí)針方向循軌運(yùn)行旋轉(zhuǎn)。通常，這些行星和衛(wèi)星在它們的自轉(zhuǎn)軸上以反時(shí)針方向繞太陽(yáng)軌道運(yùn)行和旋轉(zhuǎn)(所謂自轉(zhuǎn)軸是一條假想的線，它穿過一顆衛(wèi)星或行星的中心，該星體即以其為軸旋轉(zhuǎn))。

因?yàn)楹Ｍ跣请x地球那么遠(yuǎn)——最近點(diǎn)約43億千米——一百多年來，關(guān)于海王星，一直沒有更多的發(fā)現(xiàn)。天文學(xué)家們忙于其他問題，諸如恒星和星系的特性之類。但是在1948年，威斯康辛州日內(nèi)瓦湖Yerkes天文臺(tái)的美國(guó)天文學(xué)家杰勒·P.凱珀，決定仔細(xì)觀察一下海王星，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了另一顆環(huán)繞橢圓形軌道運(yùn)行的衛(wèi)星。為了保持天文學(xué)家們用希臘和羅馬神話中的人物給太陽(yáng)系中許多天體命名的傳統(tǒng)，這顆小衛(wèi)星即海衛(wèi)二，以希望海中女仙的名字被命名為涅瑞伊德。

海衛(wèi)二被發(fā)現(xiàn)后，人們對(duì)海王星的認(rèn)識(shí)再也沒有進(jìn)展。直到20世紀(jì)70年代末，天文學(xué)家們才利用一種叫做斑點(diǎn)干涉測(cè)量的技術(shù)，獲得海王星大氣層的粗略印象。這種技術(shù)參與快速拍攝大量照片，以矯正地球大氣層中湍流的影響，這些湍流使得圖像模糊。這些圖像顯現(xiàn)出藍(lán)色背景下的明亮云團(tuán)。接下來，20世紀(jì)80年代中期，天文學(xué)家們利用海王星經(jīng)過一顆恒星前面時(shí)難得的直線排列，發(fā)現(xiàn)了殘缺光環(huán)現(xiàn)象(叫做環(huán)弧)。這顆恒星的光芒在海王星經(jīng)過它的前后變得暗淡。這種變化表明，這顆行星周圍存在著某種環(huán)形物質(zhì)。

直到1989年“旅行者2”號(hào)靠近以前，在這次壯麗旅行所訪問的行星中，人們對(duì)海王星的行星圈仍了解最少。“旅行者2”號(hào)給了我們大量的信息：它在海王星的大氣層里發(fā)現(xiàn)了巨大的風(fēng)暴系、環(huán)繞這顆行星的4個(gè)光環(huán)以及6顆衛(wèi)星。此外，這艘宇宙飛船上的科學(xué)儀器在海王星周圍發(fā)現(xiàn)了一個(gè)異乎尋常的磁場(chǎng)，而且用它的攝像機(jī)拍下了海衛(wèi)一奇異的表面特征，這些特征表明，這顆衛(wèi)星在不太遠(yuǎn)的過去，地質(zhì)活動(dòng)曾十分活躍。

海王星大氣層圖像是第一件讓人驚喜的事。由于有甲烷氣體，它吸收并散射紅光，釋放藍(lán)光，所以海王星呈藍(lán)色。在海王星的大氣層中，大量存在的氣體是氫和氦?！奥眯姓?”號(hào)所拍攝的圖像還展示了它像木星和土星一樣形狀千奇百怪的云。最突出的是一種直徑大如地球的云，很像木星大氣層中一種有類似特征的大紅斑。JPL的科學(xué)家們把海王星上這種色彩暗淡的云稱為大黑斑?？茖W(xué)家們還觀察到一種小的黑斑，直徑大約是地球的1／2。這兩種斑很可能都是帶螺旋形氣流的風(fēng)暴系，就像地球上颶風(fēng)里的那種氣流一樣。這些風(fēng)暴系的存在說明，海王星的大氣層擁有巨大能量并且非?；钴S。

“旅行者2”號(hào)無法深入被藍(lán)色煙霧籠罩的海王星的底層大氣，而黑斑就在這種煙霧里面。在黑斑里有較暗的云，這些暗云和藍(lán)色煙霧可能是氫硫化銨構(gòu)成的。明亮的白云，類似地球上形成雷暴的堆積云(只不過在海王星上是由寒冷的甲烷組成)，聚積在大氣層的上層部分，大約在藍(lán)色煙霧以上100千米。

通過延時(shí)拍攝高層的甲烷云和下層的暗云的圖像，天文學(xué)家們能夠測(cè)量這些黑斑中風(fēng)速和風(fēng)向的變化。他們發(fā)現(xiàn)，上層的風(fēng)向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而黑斑底部的風(fēng)向另一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。整個(gè)風(fēng)暴系以大約每小時(shí)390千米的速度旋轉(zhuǎn)。這個(gè)速度約為地球上普通颶風(fēng)風(fēng)速的兩倍。這表明，黑斑是非?？癖┑摹Ｈ绻隳荞{著飛機(jī)進(jìn)入大黑斑，就會(huì)感到非常顛簸搖晃。

這種黑斑在海王星表面四處游蕩，不斷改變著經(jīng)緯度位置，大約每21個(gè)海王星日為一個(gè)周期樣式，改變其形狀。一個(gè)海王星日約1611小時(shí)，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，這顆行星完成一次自轉(zhuǎn)。由于海王星是一個(gè)由氣體組成的球，沒有堅(jiān)固的表面，天文學(xué)家們通過測(cè)量其磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)來確定它內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的速度。他們發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)每1611小時(shí)旋轉(zhuǎn)一周。

海王星的風(fēng)暴系和各種各樣的云的形狀使科學(xué)家們頗感意外。自從20世紀(jì)70年代末觀察到海王星上云的形狀以來，科學(xué)家們就希望在海王星大氣層里看到比天王星更多的特征，但誰(shuí)也沒有料到“旅行者2”號(hào)所發(fā)現(xiàn)的大氣層活動(dòng)的全部?jī)r(jià)值。

1986年從“旅行者2”號(hào)發(fā)回的照片顯示，天王星的大氣層是非常溫和的，幾乎萬(wàn)里無云。如果在天王星的大氣層有任何狂暴劇烈的活動(dòng)的話，那也一定隱藏在厚厚的霧靄之下?！奥眯姓?”號(hào)上，一臺(tái)測(cè)量熱輻射的儀器——通常叫做紅外光譜儀——發(fā)現(xiàn)，天王星大氣層所釋放的熱能總量，大致相當(dāng)于這顆行星所接收的太陽(yáng)光總量。

“旅行者2”號(hào)上同一臺(tái)儀器表明，海王星大氣層所釋放的熱能總量同天王星所釋放的大致一樣，盡管海王星更遠(yuǎn)，所接收的太陽(yáng)光總量不到天王星所接收的一半。要釋放同天王星等量的熱能，海王星內(nèi)部一定有額外的能源。為什么天王星和海王星的內(nèi)部有如此明顯的差別?這還是一個(gè)謎——尤其是因?yàn)?，這兩顆行星的大小和密度都非常相似。

當(dāng)海王星內(nèi)部的熱上升時(shí)，穿過大氣層必然形成上升的氣柱，這就有助于在任何遮天蔽日的煙霧上面充分形成云，于是便產(chǎn)生了強(qiáng)大的湍流。這樣，與天王星截然不同，海王星大氣層簡(jiǎn)直像一口沸騰的大鍋，使得它的能量在云層的運(yùn)動(dòng)中清晰可見。

雖然天王星和海王星有著完全不同的大氣層，但“旅行者2”號(hào)仍發(fā)現(xiàn)，這兩顆行星的磁場(chǎng)強(qiáng)度卻基本相同?？茖W(xué)家們認(rèn)為，一顆行星的磁場(chǎng)是由它內(nèi)部的導(dǎo)電物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。例如，他們就相信，鐵和鎳是地球內(nèi)部的導(dǎo)電物質(zhì)。和所有磁鐵一樣，鐵和鎳巖芯的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的磁鐵也有南北兩極。地球的磁場(chǎng)只是稍微有點(diǎn)偏離它的自轉(zhuǎn)極區(qū)。北磁極靠北自轉(zhuǎn)極，所以地球上羅盤的磁針指向北方。