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第10章 天文发现(6)

对冥王星的命名,大家没有任何异议,但冥王星究竟是不是算出来的?天文学界对此争议很大。

有人认为冥王星的发现与海王星一样,也是先计算出来,然后发现的,于是有人也把冥王星称为是“笔尖下发现的第二颗星”。

但更多的人不同意这个说法。除了冥王星实际轨道与预测计算的结果有差距外,亮度也比预测的暗得多,看不出视圆面。它的质量太小,按冥王星的质量去计算,它对天王星和海王星的轨道不会引起足够大的摄动。因此,有人认为,冥王星的发现和海王星不一样,不能看作是计算的功劳,而是偶然的巧合。

不论怎样,发现冥王星是我们值得高兴的事。

除九大行星之外,在太阳系中是否还有第十个同类行星?经过探索,至今尚无结果。也有人认为太阳系中还一定存在第十颗行星,未知的世界需要未来的科学家去探索。

木星大红斑的发现

太阳系中的第五颗大行星木星,是9兄弟中最魁梧的巨人。木星的赤道半径达71400千米,是地球的11.2倍。按体积讲,木星是地球的1316倍。如果把地球比作一颗小小的绿豆,木星就相当于一个中等大小的西瓜。木星的质量为1.9×1027千克,相当于地球的318倍。即使把其他8个“弟兄”加在一起,也只是它“体重”的40%。

木星真是庞大无比,如果在它赤道上绕行一周,行程将达45万千米,比我们到月球的距离(38万千米)还远得多呢。人造地球卫星绕地球一圈的时间不过1个多小时(100来分钟),倘若以这个速度(8.8千米/秒)绕木星,则将需14小时以上。

木星的质量巨大,表面的引力也相应比地球的引力要大得多。同样100千克的物质,搬到木星上就会重达264千克。所以倘若有“木星人”存在的话,那么他们大约都是动作迟缓的“慢性子”,因为一举手一抬足,都要比在地球上吃力得多。

木星巨大质量所产生的引力,也为空间探测带来一系列新问题。我们知道,登月的宇航员要离开月球返回是比较容易的,因为月球质量小,逃脱月球引力的速度(也称脱离速度、逃逸速度、第二宇宙速度等),只需大于2.4千米/秒即可。但若只有这个速度,到木星上则会有去无回了,因为要摆脱它引力的速度需达59.5千米/秒以上。这个速度可使人们在1分钟内从南京到上海来回6次。

用望远镜观测木星,很容易发现它的视面并不圆。实际上它的扁率为0.0648,或者说,那两极的半径比赤道半径约短4600多千米。要在其中塞进两个水星,才与正圆差不多。

木星的转动也比类地行星快得多,按其自转周期(9小时50分30秒)及赤道半径不难算出,木星赤道上的自转线速度为12.66千米/秒,这个速度比出膛的步枪子弹快15倍,几乎与它绕太阳公转的速度(13.06千米/秒)相等了。

木星在天空中异常明亮,冲日时可达2.4等,是除金星外第二亮星(火星大冲时可达-2.9等,但一般情况下略比木星逊色)。木星是外行星,所以,除了在上合前后几十天内不易见到外,几乎常年都可见到这个灿烂的亮星。

1609年底,伽利略制造了世界上第一台天文望远镜,他首先指向的天体是月球,接着就移向了木星。1610年初,伽利略发现了木星周围有4个小星——这是人类第一次知道其他行星的卫星,同时也成为哥白尼日心学说的第一个观测证据。

伽利略后300多年来,木星一直是用望远镜观测的最好目标。用普通的天文望远镜,可以很容易把木星的圆面显示出来。1665年乔·卡西尼发现,在木星表面的南半球上有一块红色的卵形圆斑,这是有关“大红斑”的第一次记录。

木星上的大红斑,很像地球上的大洋洲。这里所说的“像”,仅仅是指外形和相对位置、相对大小,此外,二者再也没有什么共同之处了。例如,大红斑的大小虽时有改变,但至少有10000×20000千米,最大时可达14000×48000千米。这么大的范围,即使把4个类地行星一古脑儿放进去,也绰绰有余。

大红斑是木星上最显著的特征。从1878年开始,有关大红斑的记录历年不断。它长期存在,但其大小和颜色却时有明显的变化。例如在1879~1881年的几年中,它显得特别殷红绚丽,后来渐渐“褪色”,到1927~1937年间又重新“浓妆艳抹”起来,1951年时则呈现为淡淡的玫瑰色。1973~1974年“先驱者10号”驶近它时,大红斑很醒目,但随后的六七年间又变得暗淡起来……大红斑是什么呢?早先人们揣测它是木星固体表面上烧红了的“熔岩湖”,后来才逐渐明白它是一种气体运动,因为除了它的大小、形状、颜色有缓慢的变化外,它还在沿着与赤道平行的方向在慢慢移动着。现在大多数人倾向于这是一个超级的特大风暴似的气旋运动。从空间探测器摄得的近距照片中看来,大红斑中还有复杂的细节结构。整个旋涡在作逆时针方向旋转,大约每6天转一圈。令人迷惑不解的是,木星大气的平均温度约为-140℃,这样低的温度下,不少物质都冻得厉害,分子运动应当是很缓慢的,何以能维持这样大的气旋,并历经几百年而不衰?这真是一个难解之谜。

在大望远镜内,可以见到木星表面上还有许多平行于赤道的明暗带纹(明亮的白色或淡黄色的区域称“带”,红褐色的暗区称“纹”)。木星的带纹结构很复杂,虽然它们一直在慢慢变化,但始终不会消失。这是木星的又一个表面特征。

木星的大气层厚约1400千米,其成分与太阳差不多,其中氢占82%,氦占17%,还有1%则是甲烷、氨等其他成分,其密度不算大,大约只是地球大气密度的1/5左右,但因为它太厚,又有众多的带纹、云雾,所以从外面也无法窥见下面的状况。

1995年7月,美国“伽利略木星探测器”向木星发射了一个“木星大气探测器”,11月7日它进入绕木星轨道,一个月后勇敢地向木星大气层降落,经过75分钟它终于在木星上空约160千米处“以身殉职”。在这200千米的降落过程中,木星的大气温度从-160℃上升到190℃,气压从0.08巴增加到30巴(1巴为1大气压),化学成分都比预期的低,水分出奇的少。它还遇到了极其强烈的狂风和湍流,“木星风”可从云层顶端翻滚到木星表面,风速高达188米每秒,与老式飞机的速度不相上下。木星的大气中有十分强烈和频繁的闪电现象,这与神话中宙斯是“雷神”是一种有趣的巧合。根据空间探测器的资料,有人算出木星的闪电平均为245次/年·平方千米。与它相比,地球上平均是2~10次/年·平方千米,金星大气中闪电频频,可也只有30~50次/年·平方千米。如果以南京市区的面积为50平方千米计,则木星的环境会使南京人每天见到33次闪电,平均每小时1.4次。如果你能来到木星世界,仅仅这种电闪雷鸣的场面,也足以使人心惊胆颤了。

在一般人的头脑中,行星都是像地球、月球那样表面是坚实的大地,飞船要在它上面降落非得小心翼翼不可,倘若操纵、计算有丝毫失误,免不了要撞得粉碎。然而,在木星那儿情况却大不相同。

从木星的质量(1.9亿亿亿吨)和体积(1.43亿亿亿立方米)很快可以得到它的平均密度是1.33克/厘米3(或1330千克/米3),只是水的1.33倍。这个密度值甚至比太阳(1409千克/米3)还小。显然。如果木星也像地球那样,最轻的壳层密度有3300千克/米3,那岂非又要成为一个空心球?

因而,科学家认为,在它厚厚的大气层下面,并不是我们熟悉的山川大陆或者荒漠谷地,而是一片蒸腾鼎沸的汪洋大海。所以通常飞往月球和火星的宇宙飞船,如果冒冒失失闯进木星大气,将遭到灭顶之灾。

木星不具备通常概念中的固体表面,浓密的大气之下都是“海洋”,而且,组成木星海洋的竟不是水,而是氢。谁都知道,氢气是最轻的气体,怎么会变成液体?其实不必惊讶,说不定你身旁就有这样的实例——一日三餐烧的液化石油气,不就是变成液体的气体吗?物理学告诉我们,只要有足够的压力及低温,气体就会变成液态。液化气由于钢瓶内保持着高压,石油气被液化了。木星那1千多千米厚的大气层,其压力比钢瓶内要大得多。

这个科学结论,不久便得到了宇宙飞船的证实。空间探测器的资料表明,木星确实是颗“液体行星”,在它那1400千米厚的大气层下面,还可粗略地分为三大层:分子氢层、金属氢层及内核层。三层的情况大体如下表:液态分子氢的表层温度很高,仅比太阳低1000摄氏度左右。如果不是有几千大气压泰山压顶似的压着,恐怕早就蒸腾到太空中去了。

这样看来,与木星相比,金星表面那可怕的环境已是如“天堂”般的美妙了。

木星和它的卫星

木星中间的金属氢层,外表看起来似乎很平静,不如分子氢那样在剧烈地翻滚,但其温度高达11000~20000℃。在这样的高温下,氢原子中的电子都挣脱了羁绊,变成了自由电子。这样的氢就像水银那样可以导电,故称之为金属氢。现在科学家们已经能在实验室中制造出这种奇特的物质了。

最有争议的是它1万多千米的核心部分。多数天文学家认为,木星应当有一个由铁、镍和硅酸盐组成的固态核。但在几万度高温下,能否保持固态实在很难说,所以也有人认为,木星是“彻底的”液体行星,根本不存在固体物质。这个问题至今尚无定论。

木星上的磁场很强,足以使一般手表“磁化”而无法运转。但是它的磁极方向与我们地球相反,即在地球上指南的针到木星上所指的是北方。因为木星的磁场很强,所以木星大气中有绚丽无比的极光。宇宙飞船在1979年3月间经过木星时,就见到了它那范围达3万千米的极光。如果我们身临其境,那一望无际的神奇绚丽的自然景观,一定会叫人如痴似醉。

发现哈勃定律

在哈勃和赫马森研究的同时,还有许多天文学家也开始对星系的观测和研究。他们发现在整个天球的各个天区都有星系的踪迹,星系的数目远远超过了银河系内的恒星总数。在数以百万计的河外星系中,哈勃发现它们不仅大小、取向不同,而且形状也各异,除了旋涡形的,还有圆形的、椭圆形的等等。面对这些杂乱无章、数目庞大的星系,哈勃想,要把它们理出一个头绪来,才便于对它们进行进一步的研究。在充分分析了各种不同的情况下,1925年,哈勃提出了河外星系分类法——哈勃分类法。按照这一分类法,星系被分为椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系和不规则星系四类,各类又再分成几个次型。

哈勃正在用1.22米的天文望远镜进行天文观测。

椭圆星系:外貌有的呈正圆形,像是一只铅球;有的呈椭圆形,像是体育运动中用的铁饼。符号用英语Ellipse(椭圆)一词的第一个字母E表示,依照椭圆扁度又分成E0、E1…K7共8个次型。这类星系的大小为1~150千秒差距(1秒差距=3.26光年),质量为太阳的100万到10万亿倍,主要由老年恒星组成,缺乏星际气体和尘埃。

旋涡星系:通常有一个比较明亮的椭圆状的中央核区,从核区向外伸出两条以上的“旋臂”,如蚊香那样盘旋着。符号用英语Spiral(旋涡)一词的第一个字母S表示,还按旋臂卷得由紧到松的程度分为Sa、Sb、Sc3个次型。

棒旋星系:是旋臂与中央核之间呈棒状的星系,符号用SB表示。同样也分为SBa、SBb、SBt3个次型。

旋涡星系和棒旋星系的质量为太阳的10亿~14亿倍,大小为5千~50千秒差距,既含老年星,也含年轻星和星标物质。银河系和仙女座大星云(M31)都是Sb型。

河外星系距离我们究竟有多远?从20世纪20年代后期开始,哈勃的主要精力集中在有关河外星系距离的问题上。到1929年为止,哈勃已得到了18个星系的距离以及仙女座星系团四个成员的距离。哈勃对这批星系的数据进行了反复的研究,发现河外星系的距离越远,其谱线红移越大。红移是由星系视向运动的多普勒效应产生的,红移越大说明它的运行速度也越大。利用一个关系式来表示就是:

V=H0·D其中:V为视向速度,也就是沿观测者视线方向的运动速度,D表示河外星系的距离,H0为此例常数。这个关系式表明宇宙在膨胀。

不久以后,哈勃的《河外星云的距离与视向速度的关系》一文在《美国科学院会议论文集》上发表。V=H0·D公之于世。文章发表以后,立刻引起了人们的广泛注意,并且很快就得到了大家的信服。

人们把V=H0·D称为“哈勃定律”,把H0称为哈勃常数。

人们赞誉哈勃是自伽利略、开普勒、牛顿时代以来最伟大的天文学家,尊他为一代宗师,称他为“星系天文学之父”。哈勃定律的确定是哈勃一生中对天文学所做出的最卓越的贡献,也是20世纪天文学中最杰出的发现。哈勃定律的确定使人类的宇宙观念发生了深刻的变化。以前人们认为宇宙在整体上是静止的,而从此人们认识到宇宙膨胀的图景:宇宙各部分正在彼此远离,它们互相远离的速度随着它们之间距离的增加而增大。

1990年4月25日,美国肯尼迪航天中心,“发现者”号航天飞机将一架主镜口径为2.4米的望远镜送入了太空。这是一件史无前例的大事。为了纪念哈勃在天文学中的伟大贡献,这架耗资20多亿美元的太空望远镜被命名为哈勃空间望远镜。

太阳系中的小行星

太阳系里有什么?一位天文学家曾巧妙地回答说:“一小簇大行星,一大簇小行星。”

这句话的确抓住了问题的核心。太阳系中已经发现的大行星只有9颗,而从1801年发现第一颗小行星,到20世纪90年代末,已登记在册和编了号的小行星已超过8000颗,还有更多的小行星有待进一步的证实。

大行星的这些“小兄弟”究竟有多少呢?据统计,总数当在50万颗左右。其中的绝大多数都在火星与木星轨道之间运行,与太阳的距离集中在2.06~3.65天文单位。太阳系的这部分区域被称为“小行星带”。

为什么在火星和木星轨道之间,聚集着那么多小行星呢?

这个问题摆在天文学家面前已经有一二百年了,但迄今还没有普遍承认的定论。

常提到的是一种“爆炸说”,爆炸说认为:小行星带内原先是有一颗与地球、火星不相上下的大行星,后来,由于某种现在还不清楚的原因,这颗大行星发生了爆炸,炸裂的碎片就成了现在的小行星。但是,究竟从哪里来那么大的能量,居然能把整个大行星炸得粉身碎骨?炸飞的碎块又怎么能恰好集中在现在的小行星带内呢?