海王星：壯麗旅行的最后一站

嚴小平

1989年8月25日凌晨4時，空氣霧茫茫的，十分涼爽。這時喬納森·J.倫尼從加利福尼亞帕薩迪納噴氣推進實驗室的臨時辦公室里，走出噴氣推進實驗室的成像科學區。前一天，“旅行者2”號宇宙飛船已經送回海王星及其大氣層里強風暴系的詳細照片。現在，這顆行星的最大衛星海衛一的最精美的照片，就要開始發回了。人類還沒見到過這顆遙遠衛星的芳容，但是在下一個小時，它將把自己展現于“旅行者2”號的攝像機鏡頭。作為地質學上一顆非?；钴S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”號飛近海王星和海衛一探測期間，倫尼和他的同事們入迷地觀看了它對這些奇異世界的觀察，它們遠比人們所預料的要復雜得多。同時，他們也有一點兒難過，因為他們正在親眼目睹的“旅行者2”號，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64億千米的漫漫長途。

做一次壯麗旅行的想法產生于20世紀60年代中期。那時，宇宙空間科學家們意識到，這些巨大的帶外星——木星、土星、天王星和海王星——在20世紀80年代，將會在太陽系一側排成一條直線，這是每隔175年才發生一次的大事件。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(不在適當的直線上)之外的全部帶外行星。

20世紀70年代初，美國航空航天局打算用兩艘新設計的自動探測器(后來命名為“旅行者1”號和“旅行者2”號)去完成這一壯麗旅行。噴氣推進實驗室(簡稱JPL，美國航空航天局在加利福尼亞的技術機構)的科學家和工程師們，將監視這一計劃的完成。但是當時，美國國會只批準到木星和土星的飛行計劃。

這兩艘宇宙飛船于1977年從地球上發射，1979年一起飛抵木星，1980年“旅行者1”號到達土星，然后走上遠離我們太陽系的航線。然而，當“旅行者2”號接近土星時，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，從而把它送往天王星。這個調整是成功的，“旅行者2”號于1986年到達天王星。在那兒，這艘宇宙飛船從天王星的引力場獲得另一次推力。這個推力把它送到海王星，最終實現了原來計劃的旅行目標，并送回了我們所看到的海王星的最精美的圖像。

人類最早發現海王星的記錄，顯然是1613年由意大利天文學家伽利略做出的。伽利略報告說，他通過望遠鏡看見了一顆以前從未見過的星體。計算了那時行星軌道后，現代天文學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，伽利略并沒有意識到這是一顆行星，因此不相信自己發現的是海王星。

海王星的確認共屬英國天文學家約翰·C.亞當斯、法國天文學家厄本·J.萊弗里爾、德國天文學家約翰·G.加利和他的助手亨里奇·L.達雷斯特。19世紀40年代，亞當斯和萊弗里爾各自研究了天王星在它環繞太陽的軌道上的運動，并推斷這顆行星的運行軌道稍微受到另一顆看不見的行星的作用。1845年，亞當斯在萬有引力定律(英國數學家、天文學家牛頓17世紀提出)基礎上進行計算，異常精確地預言了這顆看不見的行星的位置?；蛟S因為他那時還年輕，還不太有名氣，亞當斯沒能說服天文學家們通過他們的望遠鏡在那個位置上尋找這顆行星。1846年，萊弗里爾把他關于那顆看不見的行星位置的預言寄給了德國柏林烏拉尼亞天文臺主任加利。同年9月23日，加利和達雷斯特在萊弗里爾通過精確計算所預言的位置附近，發現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用牛頓萬有引力定律而“發現”的第一顆行星。

發現海王星后3個星期，英國天文學家威廉·拉塞爾發現了一顆循海王星軌道運行的巨大衛星，這顆衛星被命名為海衛一。不久，天文學家們發現，海衛一有一個逆行軌道，就是說，它同太陽系大多數物體運行軌道相反，是以順時針方向循軌運行旋轉。通常，這些行星和衛星在它們的自轉軸上以反時針方向繞太陽軌道運行和旋轉(所謂自轉軸是一條假想的線，它穿過一顆衛星或行星的中心，該星體即以其為軸旋轉)。

因為海王星離地球那么遠——最近點約43億千米——一百多年來，關于海王星，一直沒有更多的發現。天文學家們忙于其他問題，諸如恒星和星系的特性之類。但是在1948年，威斯康辛州日內瓦湖Yerkes天文臺的美國天文學家杰勒·P.凱珀，決定仔細觀察一下海王星，結果發現了另一顆環繞橢圓形軌道運行的衛星。為了保持天文學家們用希臘和羅馬神話中的人物給太陽系中許多天體命名的傳統，這顆小衛星即海衛二，以希望海中女仙的名字被命名為涅瑞伊德。

海衛二被發現后，人們對海王星的認識再也沒有進展。直到20世紀70年代末，天文學家們才利用一種叫做斑點干涉測量的技術，獲得海王星大氣層的粗略印象。這種技術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。這些圖像顯現出藍色背景下的明亮云團。接下來，20世紀80年代中期，天文學家們利用海王星經過一顆恒星前面時難得的直線排列，發現了殘缺光環現象(叫做環弧)。這顆恒星的光芒在海王星經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形物質。

直到1989年“旅行者2”號靠近以前，在這次壯麗旅行所訪問的行星中，人們對海王星的行星圈仍了解最少。“旅行者2”號給了我們大量的信息：它在海王星的大氣層里發現了巨大的風暴系、環繞這顆行星的4個光環以及6顆衛星。此外，這艘宇宙飛船上的科學儀器在海王星周圍發現了一個異乎尋常的磁場，而且用它的攝像機拍下了海衛一奇異的表面特征，這些特征表明，這顆衛星在不太遠的過去，地質活動曾十分活躍。

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，釋放藍光，所以海王星呈藍色。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的科學家們把海王星上這種色彩暗淡的云稱為大黑斑。科學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暴系，就像地球上颶風里的那種氣流一樣。這些風暴系的存在說明，海王星的大氣層擁有巨大能量并且非?；钴S。

“旅行者2”號無法深入被藍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，這些暗云和藍色煙霧可能是氫硫化銨構成的。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，大約在藍色煙霧以上100千米。

通過延時拍攝高層的甲烷云和下層的暗云的圖像，天文學家們能夠測量這些黑斑中風速和風向的變化。他們發現，上層的風向一個方向運動，而黑斑底部的風向另一個方向運動。整個風暴系以大約每小時390千米的速度旋轉。這個速度約為地球上普通颶風風速的兩倍。這表明，黑斑是非?？癖┑摹Ｈ绻隳荞{著飛機進入大黑斑，就會感到非常顛簸搖晃。

這種黑斑在海王星表面四處游蕩，不斷改變著經緯度位置，大約每21個海王星日為一個周期樣式，改變其形狀。一個海王星日約1611小時，在這個時間內，這顆行星完成一次自轉。由于海王星是一個由氣體組成的球，沒有堅固的表面，天文學家們通過測量其磁場的旋轉來確定它內部旋轉的速度。他們發現磁場每1611小時旋轉一周。

海王星的風暴系和各種各樣的云的形狀使科學家們頗感意外。自從20世紀70年代末觀察到海王星上云的形狀以來，科學家們就希望在海王星大氣層里看到比天王星更多的特征，但誰也沒有料到“旅行者2”號所發現的大氣層活動的全部價值。

1986年從“旅行者2”號發回的照片顯示，天王星的大氣層是非常溫和的，幾乎萬里無云。如果在天王星的大氣層有任何狂暴劇烈的活動的話，那也一定隱藏在厚厚的霧靄之下?！奥眯姓?”號上，一臺測量熱輻射的儀器——通常叫做紅外光譜儀——發現，天王星大氣層所釋放的熱能總量，大致相當于這顆行星所接收的太陽光總量。

“旅行者2”號上同一臺儀器表明，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，所接收的太陽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，海王星內部一定有額外的能源。為什么天王星和海王星的內部有如此明顯的差別?這還是一個謎——尤其是因為，這兩顆行星的大小和密度都非常相似。

當海王星內部的熱上升時，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，于是便產生了強大的湍流。這樣，與天王星截然不同，海王星大氣層簡直像一口沸騰的大鍋，使得它的能量在云層的運動中清晰可見。

雖然天王星和海王星有著完全不同的大氣層，但“旅行者2”號仍發現，這兩顆行星的磁場強度卻基本相同?？茖W家們認為，一顆行星的磁場是由它內部的導電物質的旋轉產生的。例如，他們就相信，鐵和鎳是地球內部的導電物質。和所有磁鐵一樣，鐵和鎳巖芯的旋轉所產生的磁鐵也有南北兩極。地球的磁場只是稍微有點偏離它的自轉極區。北磁極靠北自轉極，所以地球上羅盤的磁針指向北方。