图像首现

Amateur Astronomer - - 宇宙奥秘 - (责任编辑 张长喜)

图2就是最早呈现在世人面前的海王星光环的图像,由两张照片拼合而成。由于光环太暗弱,拍摄时已把被太阳光照亮的海王星本身遮挡住了。实际上,遥远海王星本身的近景形象也只是在海王星环被发现之前不久才被旅行者2号第一次看到。旅 行者2号飞船在海王星的近处飞越而过,最近时离海王星表面只有4400多千米,先后拍摄了6000多幅海王星照片,这是人类首次用空间探测器探测海王星。从而使人类第一次看清了远在距离地球45亿千米之外的海王星的真面目。

图4和图5分别是拍摄到海王星环的旅行者2号飞船和它的飞行路线。在旅行者2号飞越海王星期间,对海王星、海王星的环带和卫星系统都进行了详细的探测研究。在探测器相对于太阳光照射的各种不同几何位形(背向的、前向的和侧向的散射光)的条件下拍摄了各个环带的图像;研究了环带粒子的几何反照率及其与位形位相(依据环带对光线的反射角,即观测者和太阳之间的夹角)之间的关系;用紫外和可见光波段拍摄到海王星掩食恒星的光学图像等等。旅行者2号还发现了海王星的六个内卫星,其中包括了最外环带的一个牧羊犬卫星海卫六。结合以往的种种观测资料,对旅行者2号所得图像进行了详细分析研究,发现海王星的光环虽然比不上天王星的和木星的那么复杂,但也有着若干的结构。 现已得到公认的有五个环带(Rings),而在最外的环带上还有五段明显的环弧(ring arc)结构。图6是各个环带和环弧的示意图。表1列出了这五个环带的名称和位置。

探测简史

关于海王星的光环问题,最早可以追溯到1846年,首次提及海王星光环问题的是英国天文学家威廉 拉塞尔,他是海王星最大卫星海卫一(Triton)的发现者。他认为自己曾经观测到过海王星的一个光环。然而,此说法从未得到过证实,人们认为,那很可能是望远镜中的一个假象(artifact)。第一次关于海王星环的可靠探测是1968年掩食恒星的观测,但在1977年天王星环被发现之前其观测结果也从未被人注意过。

在天王星光环被发现之后不久,美国维拉诺瓦大学(Villanova University )的一个由哈罗德J. 雷茨马(Harold J. Reitsema)带领的团队开始搜寻海王星的光环。1981年5月24日,在一次掩食恒星观测的过程 中,他们检测到了恒星亮度的一次下降;然而他们当时并不认为这一下降会与某种环带有关。后来,直到旅行者号飞船飞越海王星之时,才证认出那次亮度的下降是由于海王星的一颗小卫星海卫七(Larissa)的

掩食效应引起的,但这是一个极不寻常的事件。20世纪80年代,海王星的掩食恒星事件明显增多(多于天王星),因为当时它正位于靠近银河带的星空,在恒星较为密集的天区中移动。1983年9月12日的掩星观测,第二次得到海王星可能有光环的记录,但并未有明确的结论。而在接下来的6年多时间里,又接连进行了50次左右的海王星掩星观测,但其中大约只有三分之一的观测有着有意义的结果,被认为海王星周围应该存在着类似的环带。海王星环的最终确认,是在1989年旅行者2号飞船飞越海王星时,最终拍摄到了海王星环的清晰照片后得出的。当年8月25日,飞船在接近到海王星4400千米的距离上飞越了海王星的大气,8月26日就拍摄到了海王星环的完整图像。后续的大量观测还确认了以往观测到的某些偶尔发生的掩食事件效应确是由于亚当斯环内的那些环弧引起的(见下文)。天文学家又对以往的地面掩食观测资料重新进行了分析研究,进一步得到了那些环弧在20世纪80年代时的形态,发现它们竟然与旅行者2号飞船观测时发现的形态几乎完全一致!在旅行者2号飞船飞越海王星之后,海王星那些最亮的环带(亚当斯环和勒威耶环)也被哈勃太空望远镜和地面基地的若干具有最强聚光能力和最高空间分辨率的望远镜拍摄到了图像。现今一般认为,海王星环最早是1984年时由智利的拉西亚天文台(La Silla Observatory (ESO))和托洛洛山美洲天文台(Cerro Tololo Interamerican Observatory)的观测同时发现的。前者是由巴黎天文台的安德烈 布拉西克(André Brahic)和布鲁诺•斯卡德(Bruno Sicardy)提出项目计划,由帕特里斯 布歇博士(Patrice Bouchet)、莱因霍尔德•哈夫那(Reinhold HЏfner)和金•曼弗洛伊德(Jean Manfroid)进行的观测。而后者则是由威廉 哈伯德(William Hubbard)所领导的一个计划,由F.维拉斯(F. Vilas)和L.-R•埃利斯(L.-R.Elice)所作的观测。由此,关于海王星光环的发现,现今的说法是由1989年旅行者2号飞船的探测得到 “确认”,而非“首次”发现。

环带简介

海王星五个环带的名称是用对海王星发现有着卓越贡献的五位天文学家名字命名的,按照由内向外的顺序,分别是伽勒环、勒威耶环、拉塞尔环、阿拉戈 环和亚当斯环。这些环带的相对位置见上文图6。图7是由旅行者2号拍摄到的一张显示更多细节的海王星环系的照片,其上可以看到各个环带。亚当斯环和勒威耶环是海王星环的主环。亚当斯环是海王星环的外环,而伽勒环,勒威耶环,拉塞尔环和阿拉戈环则构成了海王星环的内环系统。五个环带中,伽勒环和拉塞尔环是两个宽带环,它们的宽度分别是2000千米和4000千米;其余的则都是窄

环,其宽度只有100千米,甚至还不到。相对来说,勒威耶环和亚当斯环最为明亮,而阿拉戈环则极其暗弱。海王星环带大多是极其稀薄、暗弱而多尘埃的环带,更类似于木星的环带系统。环带的物质密度都较低,其中最密集部分的密度,也只是与土星主环密度较低的部分(例如C环和卡西尼环缝)差不多;海王星的环带是由极其暗黑的物质组成,这些物质很像是受到过辐照处理的有机化合物,而与在天王星环中发现的物质类似。环带中尘埃的比例甚高(在20%至70%之间),因而它们的标准光学深度是低到中等,一般都小于0.1。这些环带的主要物理性质可见上面表2。此外,在亚当斯环的内侧还有一个未被命名的暗弱环带,其位置与海卫六(Galatea)的轨道重合(也有人将其称为海卫六环,Galatea ring)。海王星的那颗小卫星海卫六正位于亚当斯环的内侧,轨道半径为61,953千米,就像一颗牧羊犬(shepherd)卫星那样把亚当斯环的粒子约束在一个狭窄的范围内,其轨道半径相应于42:43的外林德博拉共振(Lindblad resonance)。海卫六的引力还会影响到42轨道的半径大小,从而引起亚当斯环半径尺度的变化,其摆动的范围大约 有30千米,由此又可以推算出海卫六质量的大小。就在勒威耶环的内侧,也有一颗小卫星海卫五(Despina),其轨道半径为52526千米,这很可能是一颗对勒威耶环有约束作用的牧羊犬卫星。在勒威耶环和伽勒环之间还有另外两颗卫星:海卫三(Naiad)和海卫四(Thalassa)。除了这些明显的环带之外,在内侧的勒威耶环和伽勒环之间,还可能有一片更加暗弱的延伸物,而且很可能还向海王星的更近处延伸。在图6中的亚当斯环之外,还有三颗卫星:海卫七、S/2004 N1(尚未正式命名)和海卫八的轨道,它们也许都与海王星的环带系统有着或多或少的关系。为了易于看清那些海卫与海王星环的关系,下表列出了与海王星环有关的七个内卫星的主要参数。与天王星环类似,海王星环也被认为是相对年轻的;它们的年龄可能是明显小于太阳系的。海王星的环带很可能是源于一次内卫星碰撞后产生的碎片,碰撞事件创建了小卫星带,从而成了环带尘埃来源。从这一方面来看,海王星环带的性质与旅行者2号飞船在天王星主环内观测到的暗弱的多尘环带也十分相似。

图7 这是1989年8月26日由旅行者2号广角相机曝光591秒拍摄到的海王星环系照片。为了显示出暗弱细节的特征,图像已作了增强处理。在这张图片上可以看到海王星的所有五个已知的环带。外侧的两个明亮窄环是海王星的主环,从左向右是亚当斯环和勒威耶环。从这两个环的中间到右侧勒威耶环之间的一片宽阔暗带是拉塞尔环。紧贴在拉塞尔环外(左)侧的是一条暗弱的窄环阿拉戈环(但在此图中不容易看出)。勒威耶环的内(右)侧的一个明显暗环是伽勒环。在背景上还可以看到许多明亮的恒星。更亮的眩光是由于被新月形海王星亮光的过度曝光所致。

图6 海王星的各个环带和环弧的示意图。五个环带的英文名称是由国际天文学联合会(IA U )正式公布的正式名称。左上侧亚当斯环(A dam s ring)上的五段明显的短弧是五个环弧。图中的若干弧形虚线是有关的海王星卫星的轨道。

图5 先后拜访了木星、土星、天王星和海王星的旅行者2号飞船的飞行路线

图2 旅行者2号在1989年8月26日拍摄到的海王星光环的一对照片,可以看到三个明显的环带,当时赋予了这三个环带临时性的编号,从内到外分别是:N 42环、N 53环和N 63环。拍摄时飞船离海王星28,000千米,曝光时间都是591秒。

图3 首次被人们看到的海王星近景形象。这是1989年8月20日旅行者2号飞船拍摄到的最后一张海王星全景照片。拍摄时距离海王星约710万千米。

图4 拍摄到海王星光环的旅行者2号飞船。

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