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世界科技全景百卷书: 陨星如雨
流星雨的发现和记载，也是我国最早，《竹书纪年》中就有“夏帝癸十五年，夜中星陨如雨”的记载，最详细的记录见于《左传》：“鲁庄公七年夏四月辛卯夜，恒星不见，夜中星陨如雨。”鲁庄公七年是公元前687年，这是世界上天琴座流星雨的最早记录。 我国古代关于流星雨的记录，大约有180次之多。其中天琴座流星雨记录大约有9次，英仙座流星雨大约12次，狮子座流星雨记录有7次。这些记录，对于研究流星群轨道的演变，也将是重要的资料。 流星雨的出现，场面相当动人。我国古记录也很精彩。试举天琴座流星雨的一次记录作例： 南北朝时期刘宋孝武帝“大明五年……三月，月掩轩辕。……有流星数千万，或长或短，或大或小，并西行，至晓而止。”（《宋书·天文志》）这是在公元461年。当然，这里的所谓“数千万”并非确数，而是“为数极多”的泛称。 而英仙座流星雨出现时的情景，从古记录上看来，也令人难以忘怀。请看： 唐玄宗“开元二年五月乙卯晦，有星西北流，或如瓮，或如斗，贯北极，小者不可胜数，天星尽摇，至曙乃止。” （《新唐书·天文志》）开元二年是公元714年。 流星体坠落到地面便成为陨石或陨铁，这一事实，我国也有记载。《史记·天官书》中就有“星陨至地，则石也”的解释。到了北宋，沈括更发现陨石中有以铁为主要成分的。他在《梦溪笔谈》卷二十里就写着：“治平元年，常州日禺时，天有大声如雷，乃一大星，几如月，见于东南。少时而又震一声，移著西南。又一震而坠在宜兴县民许氏园中，远近皆见，火光赫然照天，……视地中只有一窍如杯大，极深。下视之，星在其中，荧荧然，良久渐暗，尚热不可近。又久之，发其窍，深三尺余，乃得一圆石，犹热，其大如拳，一头微锐，色如铁，重亦如之。”宋英宗治平元年是公元1064年。沈括已经注意到陨石的成分了。 在欧洲直到1803年以后，人们才认识到陨石是流星体坠落到地面的残留部分。 在我国现在保存的最古年代的陨铁是四川隆川陨铁，大约是在明代陨落的，清康熙五十五年（公元1716年）掘出，重58.5千克。现在保存在成都地质学院。 “客星见于房” 有些星原来很暗弱，多数是人目所看不见的。但是在某个时候它的亮度突然增强几千到几百万倍（叫做新星），有的增强到一亿到几亿倍（叫做超新星），以后慢慢减弱，在几年或十几年后才恢复原来亮度，好像是在星空作客似的，因此给予“客星”的名字。在我国古代，彗星也偶尔列为客星；但是对“客星”记录进行分析整理之后，凡称“客星”的，绝大多数是指新星和超新星。 我国殷代甲骨文中，就有新星的记载。见于典籍的系统记录是从汉代才开始的。《汉书·天文志》中就有：“元光元年六月，客星见于房。”房就是二十八宿里面的房宿，相当于现在天蝎星座的头部。汉武帝元光元年是公元前134年，这是中外历史上都有记录的第一颗新星。但是西洋没有记载月日，也没有注明方位，远不如《汉书》详细。在上世纪，法国的比奥编《新星汇编》，就把《汉书》这颗新星列为第一颗。 自殷代到公元1700年为止，我国共记录了大约90颗新星和超新星。 其中最引人注意的是宋仁宗至和元年（公元1054年）出现在金牛座ζ星 （天关星）附近的超新星，两年以后（嘉祐元年，公元1056年）变暗。《宋会要》这部史书中就这样写着：“嘉祐元年三月，司天监言客星没，客去之兆也。初，至和元年五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。” 18世纪末，有人通过望远镜观测，在天关星附近，发现一块外形像螃蟹的星云，取名叫蟹状星云。1921年发现这星云在不断向外膨胀，根据膨胀速度可以反向推算出，这个星云物质大约是在900年前形成的，是超新星爆发的产物。这星云既有光学脉冲，也有射电脉冲。同时又发射X射线和γ射线。这些辐射都有一个周期极短 （大约是千分之三十三秒）的稳定脉冲。对这现象进行多方面研究之后，人们普遍认为：它的来源就是过去理论上所预言的一种超新星爆发后的残留核心，也就是中子星。这已经是恒星演化到晚期的阶段了。这颗超新星就是我国《宋会要》所记载的公元1054年的“客星”。 明穆宗隆庆六年（公元1572年）出现在仙后座的超新星，最亮的时候在当时的中午肉眼都可以看见。《明实录》载有：“隆庆六年十月初三日丙辰，客星见东北方，如弹丸，……历十九日壬申夜，其星赤黄色，大如盏，光芒四出，……十月以来，客星当日而见。”我国的记录，比当时丹麦天文学家第谷还早发现3天，而且多观测了约两个月。 至于明神宗万历三十二年（公元1604年）的超新星，出现的时候亮度不比金星逊色。《明史·天文志》记载：“万历……三十二年九月乙丑，尾分有星如弹丸，色赤黄，见西南方，至十月而隐；十二月辛酉，转出东南方，仍尾分。明年二月渐暗，八月丁卯始灭。” 现代由于射电天文学的飞跃发展，世界上有关学者都以极大兴趣研究我国古代的新星和超新星记录，他们的目的在于寻找银河系里射电源和超新星的对应关系。我国天文工作者在50年代以后，先后把我国古代新星记录整理发表，在国际上获得好评。其中分析我国古代12个超新星记录中，有八九个对应于射电源。这应该看成是我国古代在恒星观测上的一项重大成就，同时也是对现代天文学问题的探索的一项卓越贡献。 岁月推移，天象更迭。我们祖先辛勤劳动，留下宝贵的天象记录，无一不反映出先人孜孜不倦、勤于观测的严谨态度，无一不闪烁着我们民族智慧的光辉。这些，是我国古代丰富的文化宝库中的一份珍贵遗产。 观测唯勤，探微唯精；前人记实，后人求真。在今后更深刻的认识宇宙、探索规律的过程中，我国古代天象记录将起到应有的作用。 火星的特征 按距离太阳的次序，火星排名第四，它也是距离地球最近的一颗外行星。外行星的视运动与火星、金星两颗内行星有很大的不同。内行星与太阳的角距不能超过某一固定值，如水星是28°，金星是48°，但是外行星与太阳的角距却无限制，最大时可达180°，这时称为外行星的冲日，冲日时外行星与地球最近，是进行观测和研究的大好时机。 用肉眼看去，火星是一颗引人注目的红色星，它同地球的距离在不同时间差别很大，因此我们看到火星的亮度变化也很大，最暗时仅为+1.5等，但在火星大冲时，亮度可达-2.9等，成为全天仅次于金星的明星。 火星距离太阳平均为1.524天文单位，公转轨道偏心率为0.093，是一颗轨道较扁的大行星。当年，开普勒就是通过对火星视运动的研究，得出行星的轨道是椭圆这一结论的。火星的公转周期是687天，在轨道上的运行速度是24公里/秒；它的自转周期是24小时37分，和地球非常接近；自转轴倾角为23°59′，比地球只大32′。另外，它的外层还有一层薄薄的大气，因此火星不仅有明显的季节之分，还可以和地球一样，把表面分成五带（即热带，南、北温带和南、北寒带）。火星的赤道半径为3395公里，约相当于地球的一半，体积为地球的15％，质量为地球的11％。目前，已发现火星有两颗天然卫星——火卫1和火卫2。 在大冲时用望远镜观测火星，容易看到火星的两极被一层白皑皑的物质覆盖着，就像给火星戴上了一顶帽子，这称为火星的极冠。极冠的范围会随火星上季节的改变而变化。北半球的夏天，北极冠缩小，而南极冠变大；同样，南半球的夏天，南极冠缩小，北极冠变大。现在已经知道，火星的极冠是由冰和固态的二氧化碳（干冰）组成的。极冠的温度在-70℃～-139℃之间，极冠大小的变化主要是由于二氧化碳随温度的变化不断凝结和汽化造成的。 和地球相似，火星也存在大气。不过由于火星的质量小，无法束缚住过多的气体分子，所以，火星大气要比地球大气稀薄得多。它表面的大气密度仅与地球上 30～40公里的高空相当。火星大气的主要成分是二氧化碳，占95％，其次是氮，占3％，其他成分含量较少。 由于火星离太阳比地球远，所以火星上的温度比地球要低得多。在赤道上，中午气温也只能升到 10℃左右，晚上又降到-50℃以下；在两极，夏季气温只有-70℃，冬天可下降到-110℃以下。根据探测器发回的照片，火星表面大致被一个倾斜于赤道30°的大圆分成了外观截然不同的两个半球。南半球崎岖不平而且密布着环形山，某些地区环形山的密度可和月球相比，其中最大的环形山直径达到了1000多公里。北半球比较平整，只是稀稀疏疏的点缀着一些环形山和死火山。火星的表面还有一些大的峡谷，其中最大的是“水手谷”，长4000多公里，宽200公里，深约6～7公里，比地球上最大的峡谷还要壮观得多。 火星的颜色 在地球上观测火星是非常容易的，每年都有大半年的时间火星是远离太阳的。用肉眼看去，火星荧荧如火，发出暗红色的光芒。它的位置，亮度也经常有很大的变化，使人感到难以琢磨，故而我国古代称它为“荧惑”。在欧洲，人们认为火星那暗红的色调象征着铁和血，因此，把罗马神话中战神马尔斯的名字赋与了火星。 为什么火星会是红色的呢？这是与火星表面丰富的铁元素分不开的。火星表面大部分区域不仅被红色的硅酸盐和赤铁矿组成的沙漠覆盖着，而且土壤中还包含着铁的各种化合物。由于长期的氧化和太阳紫外线的照射，便形成了一层红色的铁氧化物，这样它反射出来的太阳光也就变成红色的了。因此我们可以说，火星表面是一个“长满了铁锈”的世界。 火星上的运河 1877年，一位意大利天文学家乔·斯基帕雷利观测了火星大冲，他利用一架当时十分优异的望远镜极为耐心地测量了火星，并绘制了一份火星图。在他的火星图上，火星表面有着大片大片的暗区，中间被一些又细又长的黑线连了起来，斯基帕雷利用意大利语给这些黑线起名叫Canali，即“水道”。他总共看见了大约40条这样的“水道”。稍后，“水道”一词在译成英语时被误译为Canals，即“运河”。“火星上有运河”，这一消息不胫而走，很快就在公众中成了“爆炸新闻”，轰动了世界。后来，又有人进一步指出，火星上明亮的区域是干燥的沙漠，而黑暗的部分是大片的植被，“运河”是智慧的“火星人”开凿的。他们通过“运河”引来水流维持着自己种族的生存，甚至还有人在“运河”的交汇处看到了一个个的小圆斑，认为这是沙漠中的绿洲。一时间，“火星人”成了全球性的热门话题。就在斯基帕雷利发现火星“运河”的同年8月，美国天文学家霍耳发现了火星的两颗卫星，它的体积都很小，而且轨道都离火星表面很近。因此，就又有人宣布说，这是火星人发射的“人造卫星”。以讹传讹，这样使得存在“火星人”的说法更加神乎其神了。20世纪初期，“火星人”已经风靡全球、深入人心了。 其实，早在火星“运河”刚被发现时，就有许多冷静的科学家对此表示怀疑。他们的理由是，由于火星的质量稍小了一点，难以束缚住足以孕育和保护生命的大气。而且火星离太阳比地球远50％，表面温度一定很低，所以存在高级生命的可能性是非常小的。但是，由于缺乏直接的证据，他们很难彻底战胜“运河”说。到了20世纪60年代，空间科学的发展帮助人们解开了火星“运河”之谜。根据飞到火星身边的探测器发回的照片，人们知道了所谓的火星。“运河”是根本不存在的，那不过是人类出于美好的愿望而引起的错觉和幻想。斯基帕雷利等人所看到的，不过是一些偶然排成一线的大大小小的环形山罢了。 有趣的是，科学家在分析“海盗1号”和“海盗2号”探测器1976年拍摄的火星高清晰度照片时，发现了火星上存在着数千条干涸的“河床”。它们确实有明显的被液体冲刷过的痕迹。不过这些河床都很细，在地面上用再好的望远镜也不可能看到。关于这些河床的成因问题，至今还在探索之中。 火星上的生命之谜 由于探测器的近距离观测证明了火星“运河”实际上并不存在，加上火星上的自然条件对生命活动来说确实太严酷了一点，所以从20世纪60年代中期以来，“火星人热”开始慢慢地降温了。各种空间探测器发回的大量资料都显示了火星表面一片荒凉、毫无生气的景象。因此，很多科学家深信，火星上是不会存在高等的、复杂的生命现象的。否定之后，人们不禁还要问：火星上会不会有像病毒、细菌这样的简单的生命现象呢？要回答这个问题，最好的办法是能亲自到火星上去考察一番。 这一想法终于在1976年变成了现实。美国发射的两个空间探测器“海盗1号”和“海盗2号”分别在火星上的两个不同的地点实现了软着陆。这两个着陆地点被认为都是水份较多、因而生命存在的可能较大的位置。每个探测器都做了3个项目的在于检测火星土壤中的微生物的实验，不过这3个实验都有一个前提，那就是活的微生物会改变自己的环境，它们是要吃、要呼吸、要排泄废物的。这3项实验，都是把一些火星土壤样品放入一个密闭容器中，必要时加一些水或营养液，然后观察容器内发生的变化。实验结果表明，火星土壤样品在实验中确实发生了一些变化，不过遗憾的是科学家无法肯定这些变化是生物学过程引起的，还是单纯的化学反应引起的。总的来说， “海盗号”的实验结果减小了火星上存在生命的可能性，带给人们的不是希望而是失望。 尽管如此，许多执着的科学家目前仍对火星存在生命抱乐观态度。他们认为“海盗号”之所以没能发现生命，可能仅仅由于选择的实验不合适。火星上的生物体也许会和地球上的生物存在着一些本质的区别，所以用地球上的标准来定义火星生物自然就不恰当了。还有的科学家建议我们应该把眼光放在火星的两极，因为那里有着充足的水份。无独有偶，最近，在地球气候最恶劣、最近似于火星环境，并且被认为不可能有生命存在的位于南极的一个山谷中，人们找到了一些微小的植物——地衣和水藻。这一新发现，又为寻找火星生命带来了一线曙光。 最近，美国宇航局已经制定了一整套详细的载人空间飞行计划。按照这一计划，人类将在2018年登上火星。如果这一计划能够顺利实施的话，可以说，揭开火星生命之谜的日子已经为期不远了。 火星的卫星 火星有两颗天然卫星，它们是美国天文学家霍耳在1877年发现的。由于它们跟随战神马尔斯（火星）形影不离，所以取名为福波斯（火卫一）和德莫斯 （火卫二），在古希腊诗人荷马的史诗中，福波斯和德莫斯都是战神之子。 火星的两个“月亮”有很多共同之处，它们都很小，而且形状都很不规则，表面上还有大大小小的洞穴，就像两个被虫蛀鼠咬过的土豆。有人猜测，它们可能是被火星俘获的小行星。 火卫一的体积只相当于月亮的三百八十万分之一，火卫二更小，只有月亮的二千万分之一；质量分别是月亮的六百四十万分之一和六千七百万分之一。由于质量这样小，它们上面的重力也就微乎其微了，一个在地球上重70千克的人，到了火卫一上体重只有44克，在火卫二上，体重只有25克。它们上面的逃逸速度也很低，人只要轻轻一跳，就可能再也不会落到它们上边了。 火星的两个小“月亮”，差不多是在火星的赤道平面上形成了一个微型太阳系。近年来，科学家发现木星向外辐射的能量是它接收的太阳能量的2.5倍，再加上木星主要是由氢组成的，就越发引起了科学家们的兴趣，有人认为木星可能是一颗尚未点燃的恒星。 根据上面的介绍，将木星尊之为行星家族的“老大哥”，想必是顺理成章、当之无愧的了。 木星的特征 到目前为止，美国宇航局已向木星发射了5个探测器。其中4个已经迢迢千万里，越过火星轨道和小行星带，然后与木星擦身而过，利用接近木星的机会，为我们发回了大量宝贵的资料。这4个探测器是“先驱者10号”、 “先驱者11号”及“旅行者1号”和“旅行者2号”；第5个探测器——“伽利略号”也已经发射，正在日夜兼程，奔向木星。 现在，先介绍一下两艘“先驱者”。“先驱者10号”发射于1972年3月2日，次年12月3日与木星会合，沿着木星赤道作了探测。“先驱者11号”于1973年4月6日发射，次年12月5日到达木星附近，在4.2万公里处从木星的北极上空掠过。这两艘探测器共发回了300多张彩色照片，并按计划做了一系列的测量和试验。 “先驱者”发现木星的磁场十分强大，强度达3～14高斯，约是地球的10倍。木星的磁极指向与地球相反，如果将地球上的指南针搬到木星上，它就变成“指北针”了。木星的磁场与太阳风相互作用，形成了木星的磁层。木星的磁层要比地球的磁层大100倍，而且十分“松软”，它的大小随太阳风的强弱频繁地变化着。木星的磁层转动也非常迅速，巨大的离心力将磁层中的带电粒子约束在木星磁赤道附近薄薄的一片区域上，这一薄片称为电流片。 “先驱者”还细致地考察了木星大气，探知木星的大气主要由氢和氦组成，它们分别占82％和17％，其他较重的元素约占1％，主要存在于木星云中。木星大气中有许多条纹，它们是木星大气环流被高速自转拉长形成的，其中亮带是高压区，而暗纹则是低压区。“先驱者”对大红斑的观测证实了它实际上是一个大气旋，在沿逆时针方向转动。同时，“先驱者”还观测到木星上的若干小红斑，它们的尺度只相当于一个地球的大小，寿命比大红斑短得多，一般只能维持1～2年。 根据“先驱者”对木星引力场的探测，科学家建立了新的木星结构模型：在厚达1000公里的大气下面，是一片蒸腾着的液态分子氢的海洋，液氢海洋的深度为25000公里。它的下面是一层能够像金属一样导电的金属氢，再下面可能是一个不太大的固体核。 继“先驱者”之后，美国于1977年8月20日和9月5日，又分别发射了两艘“旅行者”探测器，它们的设备更加精良，有许多激动人心的发现。 在“旅行者”到达木星之前，人们只知道土星和天王星有光环（海王星环的发现是1989年），而从“旅行者”发回的木星照片上，人们惊奇地发现原来木星也有光环，只是比起土星光环来，要逊色得多。木星环的宽度约6500公里，厚度不足30公里，其外边缘到木星中心约129000公里，木星环主要由一些细小的尘粒组成。这些尘粒可能来自木星的卫星——木卫一。 “旅行者”在木星的极区发现一条长3万公里的极光，并探测到了强大的极光辐射。这是人类首次在地球外发现了极光，极光的存在意味着木星也像地球一样，正遭受到许多高能粒子的轰击。“旅行者”还发回了许多木星大气和大红斑的清晰照片，照片显示出木星大气具有非常复杂的结构，但是对于大红斑的成因，仍没有给出合理的解释。 这四个探测器在考察木星的同时，还对木星的卫星进行了一系列的“侦察”，也获得了许多前所未有的重要情报。 最后，我们介绍一下“伽利略号”木星探测器。它是到目前为止人类发射的最复杂、设备最先进的行星探测器。于1989年10月由航天飞机“亚特兰蒂斯”号送上天空，目前正在漫长的旅途中奔波着，并将沿路拜访金星和两颗小行星，预计1995年12月抵达木星，它的任务主要是深入木星大气内部对大气进行详细考察。同时，还将测量木星本体的磁层和四颗“伽利略卫星”，并拍摄高清晰度的木星及木卫照片。 木星的卫星 如果你用一架小望远镜观测木星，不但可以看到木星上面的条条云带，还可以看到木星被四颗小星簇拥着，它们在木星两侧一字排开，并且不断地变换着位置，它们就是木星的四颗最大的卫星。由于它们是伽利略在 1610年首先发现的，因此又称为“伽利略卫星”。木星的周围还有众多较小的卫星，现在发现的木星卫星的总数已达18个，其中16个的数据较为准确，它们除了有自己的大名外，一般都用“木卫”后面再加上一个编号来称呼它们，比如四颗“伽利略卫星”就分别称为“木卫一”、“木卫二”、“木卫三”和“木卫四”。 木星的卫星按照到木星的距离可以被分成3群。首先是最靠近木星的一群，由4颗“伽利略卫星”以及木卫五、木卫十四、木卫十五、木卫十六组成。它们在木星的赤道面上沿着近似圆形的轨道绕木星运动着，都是规则卫星。除这一群外，剩下的木卫都是不规则卫星。离木星稍远的一群由木卫六、木卫七、木卫十和木卫十三组成。这一群的特点是卫星轨道面与木星赤道面的交角较大，为24°～29°，卫星顺行，轨道偏心率也较大，在0.13～0.21之间。最后是离木星最远的一群，由木卫八、木卫九、木卫十一和木卫十二组成。它们的轨道都很扁，而且都是逆行卫星，因此有人认为它们是被木星俘获的小行星。 空间探测器在考察木星的过程中，也对木星的一些卫星进行了观测，并得到了许多重要的发现。这里仅介绍几例。 在木卫一上，人类第一次见到了地球以外的火山喷发。它上面的火山活动异常激烈，爆发时喷出熔岩和气体的速度超过400米/秒，喷射高度达 450公里。此外，木卫一也和火星一样有极冠，不过它的极冠不是白色而是红色的。 木卫二是一个明亮的球体，表面被冰覆盖着，所以它的反照率很高。木卫二上还有很多黑色的条纹，这可能是冰层的裂缝，并且它上面的环形山不多。 木卫三是太阳系最大的卫星，直径超过了水星。它的密度较低，反照率也不高，所以表面可能由脏冰和岩石构成。木卫三的表面上还发现有一些山脊和峡谷及稀疏的环形山。 木卫四表面有一些由同心环围绕着的大盆地，地势较平坦，局部被冰层覆盖。木卫四的环形山明显多于其他几颗卫星，这说明它的地质年龄较长。 土星的特征 土星按太阳系离太阳由近及远的次序在九大行星中排行第六。在 1781年天王星发现前，它还被认为是太阳系中最外侧的行星。在我国古代认为土星每28年运行一周天，正好每年“坐镇”28宿之一，所以称土星为“镇星”或“填星”。在西方，人们用罗马神农萨都恩来命名土星。 土星在很多方面都类似于木星，它与木星同属于巨行星。土星的赤道半径约为6万公里，体积是地球的745倍，质量是地球的95.18倍，它的体积和质量在九大行星中仅次于木星，排行第二。土星没有固体的表面，组成土星的主要物质是氢和氦。土星的密度是大行星中最小的，每立方厘米的平均质量只有0.7克，比水还轻，如果把九大行星都放在一个大水盆里，只有土星会浮在水面上。 土星距太阳的平均距离为9.6天文单位，在轨道上的公转速度是9.64公里/秒，绕太阳一周要29.5年。土星还是一颗高速自转的行星，由于它具有液态的表面，所以它的自转角速度随纬度不同而变化，赤道附近自转最快，周期只有10小时14分，随着纬度的增高，自转速度逐渐减慢，到了纬度60°处，转一周要用10小时40分。高速的自转使土星变得很扁，它的扁率比木星还要大。 由于土星距太阳很远，所以它表面的温度应该很低。理论计算的结果为-197℃，而实际测量值为-168℃，这说明土星与木星一样，也存在自己的内部热源。 “先驱者”11号探测土星时，在距它128万公里处发现了土星的磁场，并且绘制了磁场图。土星的磁场比地球要强得多。 土星最引人入胜的是它那美丽的光环。在地面上即使用一架小天文望远镜也不难领略到土星光环迷人的风采。由于土星光环的平面与土星轨道面不重合，而且光环平面在绕日运动中方向保持不变，所以从地球上看，光环的视面并不固定，有时看起来像一个正圆环，有时看起来像一个宽边草帽，有时干脆根本看不见。由于土星光环很薄，厚度只有约50米，所以当视线正好与光环平面重合时，光环便会从我们眼里“消失”。光环大约每隔15年“消失”一次。由于光环的面积不断变化，引起了土星的视亮度的变化，最亮时与最暗时可相差3倍。 由于土星离我们较远，所以目前我们对土星的了解还很不够。美国宇航局和欧洲空间局正酝酿向土星发射一个新的探测器——“卡西尼”号，如该计划执行顺利，预计于2002年到达土星，对土星进行为期4年的详细观测。 土星的彩色“腰带” 1610年，伽利略用他的望远镜观测土星时，发现在土星的球状本体旁边有一个附属物。由于望远镜成像质量太差，他没能确定出这个附属物的真实形状。到了1659年，荷兰物理学家惠更斯经过仔细地观测才认识到这个附属物原来是离开土星本体的光环。以后，随着望远镜的改进。人们观察到了土星光环越来越多的细节，并发现它是由几个较小的光环组成的，而不同的光环之间还留有空隙。但在当时，人们一直认为土星环是由几个扁平的固体物质盘组成的。直到1856年，经典电动力学的奠基人麦克斯韦才从理论上证明了土星环“应该由许多独立的粒子组成，它们以不同的速度在围绕土星旋转”。 土星环有着极其复杂的结构，共由A、B、C、D、E、F、G7个环组成，它们都位于土星的赤道面上。最靠近土星的D环离土星表面还不到 7000公里，只相当于土星半径的1/9。D环向外依次为C环、B环、A环、F环、E环和G环。G环的外边缘离土星表面约5～8万公里。在土星的7个环中，A、B、C3个环较亮，称为主环，其余的4个环较暗。主环中以B环最为引人注目，它宽达22000公里，而且内部的物质最稠密，亮度也最大。在A环和B环之间是著名的卡西尼环缝，它宽约4800公里。A环内还有宽度仅 320公里的恩克缝。在A环外侧和C、 B环之间还分别有宽度为 3520公里和 4200公里的先驱者缝和法兰西缝。 以上只是土星环的一些大致结构，它实际上还要复杂得多。“旅行者1号”和“旅行者2号”在探访土星时，就发现土星环实际上是由成百上千条细环组成的，就像唱片上的纹路一样密集。卡西尼缝和恩克缝内也并不是空洞无物的，它们的内部也有一些细的环带。 土星光环是由无数大小不等的颗粒构成的。这些颗粒的直径从几微米到几米，它们有的是一些微不足道的灰尘，有的是大块的岩石和冰块。它们在太阳光的照射下形成各种各样的颜色，由于光环不同部分物质的密度不均匀，所以光环的颜色也就有深有浅。 关于光环的成因，多数科学家认为土星光环是一颗卫星被土星巨大的潮汐力瓦解后形成的。但也有人认为土星环是由太阳系形成时剩余的原始物质形成的。 土星的卫星 在探测器到达土星之前，人们只发现了 10颗土星卫星。根据“先驱者11号”、“旅行者1号”和“旅行者2号”发回的资料分析，有案可稽的就有几十个新的土卫候选天体。现在已经被确认的土星卫星达23个之多，其卫星数量超过了木星，居太阳系诸行星之首。 土卫系统中有很多有趣的现象，比如有时一些卫星占用同一条轨道绕土星运动，而且在轨道上的角距很稳定，一般接近60°，这样它们和土星就构成了稳定的天空正三角形。在土卫3前、后60°附近就各有一颗小卫星——土卫13和土卫14，这三颗卫星和土星组成了两个大正三角形。另外，有一些土卫实际上是位于土星光环之中的，它们对光环的作用是形成光环复杂结构的重要原因。 在土星的众多卫星中，最为引人注目的是土卫6、土卫8和土卫9。 土卫6又名提坦，直径4828公里，是土星最大的卫星。过去一直认为它也是太阳系中最大的卫星，但精确测量得知它比木卫3小了112公里。土卫6最独特的地方是它浓密的大气，厚度可达地球大气的10倍，而且要稠密得多。和地球一样，土卫6大气主要也是由氮组成的，但含量高于地球，约为98％，另外还有少量的甲烷、乙烷、乙烯等气体。以前，科学家曾经对于在土卫6上发现生命寄予厚望。遗憾的是，接近探测并没有发现任何生命的痕迹，但是在土卫6云层的顶端发现了一种可以孕育生命的有机分子。 土卫8的表面状况非常引人注目，它的一个半球非常明亮，另一个半球却很暗，亮暗半球的边界是模糊不清的。土卫8还像月球一样，表面有大量的陨石坑——环形山。科学家对于土卫8表面亮度问题有两种解释：一种认为土卫8曾与一块大陨星相撞，撞击造成了土卫8上强烈的火山喷发，喷出的物质覆盖住原来的冰外壳，形成黑暗面。另一种解释认为黑色物质是土卫8轨道外侧的土卫9发出的，它们降落在土卫8位于公转轨道前方的半球上，这与观测是相符的。 土卫9是离土星最远的卫星。它与土星的其他卫星有很多不同。土星的其他卫星基本上是由冰组成的，而土卫9则是由岩石组成的。土卫9还是土星唯一的一颗非同步卫星和逆行卫星。据此，科学家认为土卫9不是同土星的其他卫星一起由土星周围的星云物质形成的，而是一颗被土星俘获的小行星。 “旅行者2号”对天王星的发现 1986年，对美国的航天事业来说，是灾难性的一年，包括“挑战者号”航天飞机在内的许多航天器的发射均告失败，给人类太空事业的未来蒙上了一层久久不能消散的阴云，然而，“旅行者2号”对天王星的探测获得的巨大成功，却与前面的失败形成了鲜明的对比。人类对自然界的探索正是在失败的悲痛与成功的喜悦中勇敢地往前走。 20世纪70年代末，美国宇航局利用一次几百年一遇的罕见的行星排列机会“二箭四雕”，发射了“旅行者1号”、“旅行者2号”两颗外行星探测器。“旅行者1号”在飞过木星和土星后，完成了自己的绝大部分使命。而“旅行者2号”，则利用土星的引力，改变航向并加速飞往天王星，然后再飞往海王星。为此，设在南加州的帕萨迪纳美国宇航局喷气推进实验室的科学家，克服了许多困难。可以说，科学家们通过遥控技术，重新“组装”了一台探测器，调整了包括摄像机、动力系统和控制计算机，还有通信装置在内的大部分机载设备，并启动了设在美国、西班牙、澳大利亚的射电望远镜收发信号，这本身就是一个奇迹。1986年1月，“旅行者2号”飞到了天王星，在会合的24小时内探测器收集的资料，是自天王星发现以来人类获得的有关天王星的资料的好几倍。在此之前，我们仅知道，它是太阳系的第7颗行星，距太阳29亿公里，直径48000公里，主要由气体组成，自转轴倾倒于公转轨道面上，并且有6颗卫星。1977年发现了围绕天王星的几个光环。而现在，我们发现了天王星的10颗新卫星，新的环带和其他许许多多令我们惊奇的东西。首先，旅行者对天王星的近距离观测，显示天王星与地面观测相同，是淡蓝色的，这与木星和其他许许多多令我们惊奇的观测相同，是淡蓝色的，这与木星和土星是非常不同的，只是在其南极区略红一些，这是由于天王星大气的光化学烟雾效应造成的。另外，发现在天王星大气中各处的温度大致相同，为零下208℃，而在纬度30°的地方有一个神秘的冷圈，这使科学家们大为迷惑，他们原以为天王星的赤道应比极区冷 8℃。因为，决定其气象过程的温度梯度应与“直立”行星相反。有关天王星大气的照片，经过电子处理，科学家们找到了4块云，并考察了它的流动速度，云的跟踪表明，天王星上的风全都沿着行星旋转方向流动，风速为161公里/小时，这明显违反大气中的一个基本定律——热风方程。 当行星的极区比赤道冷时，与行星旋转方向相通的正向风随高度的增加而加快。在天王星上，极区应比赤道热，风应当是反向即风的流速应比行星的旋转速度低，而这种情况并未发生，天王星上各处温度又几乎相同，所以，科学家们不得不重新构造天王星的大气模型。天王星的磁场观测显示，磁轴的取向与其自转有很大的夹角，大约为60℃左右，这与太阳系中人类已经探测过的行星是不同的。科学家们猜想，可能是天王星的卫星和磁层的相互作用导致了天王星磁轴“奇怪”的取向。磁场非常重要，因为要想了解掩藏在天王星云雾之下的天王星非气体部分的情况，磁场是唯一可以利用的信息。科学家们测定了天王星的自转周期，大约为17.3小时。 另外，对天王星卫星的探测也取得了许多重要的数据。最初收到的信号清楚地显示出了许多火山口。从天卫四往内，卫星离天王星越近，地质活动就越强烈；天卫三上有一条长长的沟槽；天卫一上则有很多仿佛刚结霜的浅色带状区域；而在天卫五上有奇特的明亮特征，形状与火山相似。只有在天卫二上没有地质活动的迹象，它一直保持着漆黑和呆滞的样子。后来，在发回的卫星拼图中，科学家们得以更仔细地研究天王星的卫星。天卫五好像流行歌曲的精华集，而不是专集，它集中了几乎太阳系中所有的地质特征！长长峡谷仿佛火星表面的大峡谷，一排排沟槽与木卫三表面相似，下陷的岩石又像水星压力断层，但最突出的3种特征以前从未见过，在卫星的边缘上有一系列的暗线，看起来仿佛是从侧面观看一堆薄饼，在其右侧有一个山形结构，它被狭长曲折的同心裂缝包围。更往右边，接近卫星的日照一侧的边缘，有一系列互相平行的沟槽，在一端一起垂直地拐弯，仿佛长方形赛马场。沿赛马场的一侧，有一个深深的狭谷，显露出高达数公里的一排悬崖峭壁。实际上，“旅行者2号”对天卫五提出的问题比其揭示的问题要多得多。有关天王星环的探测也获得了重大的收获。 天王星的环 1973年英国天文学家高登·泰勒预报 1977年 3月10日有个恒星SAO158687将被天王星掩食。天文学家本想用此罕见相会观测天王星的大气和测定它的直径，但出乎意料地发现该恒星的亮度有几次下降。经过分析，证认出这是天王星的环系造成的。起初定出5个环，后又具体定出1个主环，4个小环。主环ε是100公里宽的椭圆环，另外4个小环α、β、γ、δ环为宽约10公里的圆环。它们距天王星44800公里至81000公里，与土星环类似，天王星环带都位于天王星的洛希极限内，在天王星赤道面附近绕天王星旋转。1978年，用红外光拍摄到了天王星环的照片。天王星环的发现对天王星起源和演化的研究有着重要意义。 1986年1月，“旅行者” 2号掠过天王星时，又给我们带来了天王星环带的新的发现。它发现了一个新的窄带环和100个从地球上看不到的几乎可以穿透的带。还看到了几部分环弧，其中的颗粒直径从十几厘米至几米。在环之前发现了尘埃带，颗粒约为0.02毫米。这些环不都是圆形的，而且随着远离天王星环变得宽且透明。组成环的颗粒是极其黑暗和缺乏色彩的。提出的问题是，天王星环的成因是什么？为什么尘埃带可以存在？那几段环弧是怎么来的等。科学家们认为，天王星的窄环可能是在卫星受到彗星或流星“灾变破坏期间”同时或分别形成的。这些环中的大多数都只含有相当于半径为1～2公里的天体的质量。“旅行者2号”所看到的部分弧可能是在类似于小行星带的一个小卫星带中一些较小的迄今尚未发现的成员受冲击期间释放出的碎片所形成的短暂聚集带。随着这类碎屑弧的扩张，它们可能变成对称的几乎是透明的碎屑带，能够最终导致上述相互作用的潜在天体系统可以是由成千上万甚至几百刀颗小卫星组成。它们的大小从几百到几千公里。这些小卫星可能是“旅行者2号”已经探测过的所有3个大行星系统中看到的较多较小的卫星的向内延伸的部分。小卫星簇可能在环和大卫星间提供了一个缺失环带。在靠近洛希极限处发现了这类小卫星簇并不是偶然的。洛希极限是这样一个区域，在这个区域内的行星潮汐力能够阻止大卫星的生长。科学家们推测紧缩的天王星环系统可能有一个猛烈的和混沌的过去。现在的天王星系统是由十个窄带，许多尘埃带，一些窄环弧和一群小卫星组成的。这可能是它以前的构成者本身留下的一部分，而且是正在进行的形成和丢失过程中的一个仅有的较为短暂阶段。从这一过程中将出现的天王星未来的一些环可以看出，木星、土星、海王星的环系统可能也具有类似的历史。的确环和卫星系统的某些方面如同地球上目前已知的正在漂移的大陆一样，是逐渐消失的而且是不断变化的大陆的一部分。 地球自转 1851年的一天，法国物理学家付科和他的两个助手一同走进巴黎大教堂。人们去教堂这本是正常事，没什么大惊小怪的。然而让人奇怪的是，他们并没有做礼拜或忏悔。只是东走走，西看看，后来在大教堂中间止步，仰望一阵子屋顶后就出去了。 教堂看管觉得这几个人行迹可疑，于是很快就向主教作了汇报。主教说，要提防他们，一防他们行窃，二防他们搞破坏。 第二天，付科等三人果真又进了大教堂，看管闪身躲在暗处，紧紧盯住他们的一切行踪。这时，只见其中的一个年轻人腰系一根长绳，向屋脊下的一根大梁攀登。啊！登上去了莫非要盗窃古物？看管人员这样想。但是那个人将绳子的一端在大梁上系紧后就下来了，这才使那个教堂看管松了一口气。 真是“一波未平，一波又起”。站在下面的那个年轻人又开始忙乎了，他将一个黑色的圆铁球悬吊在绳子的末端，接着又在地板上沿南北方向画了一道白线，然后沿白线方向使劲把铁球推向前去，一松手，大铁球就沿着白线方向来回摆动起来。 教堂看管暗想：他们想干什么？是不是想搞定时炸弹？那个圆家伙很可能是以摆动次数来计时的定时炸弹……想到这里，他便从隐蔽处迅速冲上前去，并大喝一声：“住手！你们想搞破坏！”随即用双手稳住了大铁球。 付科说：“请你不要激动，撒开手，让我们做完实验，然后再跟你解释。” “做什么实验？”看管员问。 “证明地球在自转的实验。”付科严肃地回答。 “地球在自转？真能骗人！我怎么看不见地球在转动呢？”看管员说道。 “那就请看我们的实验吧！”付科说完又让助手推动大铁球沿白线方向摆动。 过了几个小时之后，铁球仍在摆动，但是摆动的方向逐渐从东向西偏转了，这时已和在地板上画的南北的直线形成了较大的角度。付科指着这种现象便对教堂看管说：“看见了吧！这就证明地球在自转。” “这种角度怎么能证明地球在转动呢？”教堂看管越发莫明其妙了…… 亲爱的读者，或许你也会问，是大铁球在摆动过程中自行变更了方位吗？其实不然，大铁球靠自身的惯性始终保持着原来摆动的方向。那么这是怎么回事呢？ 原来我们脚下的地球就好像个巨大的陀螺，当用绳绕上然后拉或用鞭抽打时，可以在地上旋转一样，它也在分秒不停地自西向东旋转，每自转一圈就是一昼夜。因为地球是向东转动，而大铁球的惯性却始终是保持原来南北的摆动方向，这就产生了大铁球摆动而向西偏转的现象，因而和地板上的线段有了一个较大的夹角。如果在地球南北两极做这个实验，设法使大铁球连续摆动24小时，这时人们将会看到，大铁球的摆动平面刚好旋转了360°。 这件事发生在100多年前，当时科学还不很发达，很多自然奥秘尚未被揭示出来，人们根本不相信人类居住的地球在自转。当人们在巴黎大教堂亲眼目睹过付科的实验，并听到他的解释后，就改变了看法，相信地球在自转的人就会多起来。为了表彰付科的功绩，后人便把这种铁球大摆命名为“付科摆”。今天，包括北京西郊动物园斜对面的北京天文馆在内的世界各地的许多天文馆大厅里，都悬挂着又长又大的“付科摆”，因为它能向人们揭示地球在自转的秘密。 |
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