海王星：壮丽旅行的最后一站

严小平

1989年8月25日凌晨4时，空气雾茫茫的，十分凉爽。这时乔纳森·J.伦尼从加利福尼亚帕萨迪纳喷气推进实验室的临时办公室里，走出喷气推进实验室的成像科学区。前一天，“旅行者2”号宇宙飞船已经送回海王星及其大气层里强风暴系的详细照片。现在，这颗行星的最大卫星海卫一的最精美的照片，就要开始发回了。人类还没见到过这颗遥远卫星的芳容，但是在下一个小时，它将把自己展现于“旅行者2”号的摄像机镜头。作为地质学上一颗非常活跃的星球，它有着巨大的极冠，大量蜿蜒的山谷，充满冰体和火山熔岩的古老盆地，以及后来证明是活跃的间歇泉的奇怪的、暗黑的斑块和条纹。

在“旅行者2”号飞近海王星和海卫一探测期间，伦尼和他的同事们入迷地观看了它对这些奇异世界的观察，它们远比人们所预料的要复杂得多。同时，他们也有一点儿难过，因为他们正在亲眼目睹的“旅行者2”号，在它四大带外行星的壮丽旅行中，做最后一站的旅行。这一行程于1977年开始，跨越了64亿千米的漫漫长途。

做一次壮丽旅行的想法产生于20世纪60年代中期。那时，宇宙空间科学家们意识到，这些巨大的带外星——木星、土星、天王星和海王星——在20世纪80年代，将会在太阳系一侧排成一条直线，这是每隔175年才发生一次的大事件。这种“壮观阵列”可让宇宙飞船用一颗带外行星的引力场加速，在弹射飞行的作用下，飞向下一颗行星。这样，宇宙飞船就能够飞遍除冥王星(不在适当的直线上)之外的全部带外行星。

20世纪70年代初，美国航空航天局打算用两艘新设计的自动探测器(后来命名为“旅行者1”号和“旅行者2”号)去完成这一壮丽旅行。喷气推进实验室(简称JPL，美国航空航天局在加利福尼亚的技术机构)的科学家和工程师们，将监视这一计划的完成。但是当时，美国国会只批准到木星和土星的飞行计划。

这两艘宇宙飞船于1977年从地球上发射，1979年一起飞抵木星，1980年“旅行者1”号到达土星，然后走上远离我们太阳系的航线。然而，当“旅行者2”号接近土星时，JPL的工程师们确信，只要改变这艘宇宙飞船的航线，他们就可以使它尽可能靠近土星，以便获得一种引力的推动，从而把它送往天王星。这个调整是成功的，“旅行者2”号于1986年到达天王星。在那儿，这艘宇宙飞船从天王星的引力场获得另一次推力。这个推力把它送到海王星，最终实现了原来计划的旅行目标，并送回了我们所看到的海王星的最精美的图像。

人类最早发现海王星的记录，显然是1613年由意大利天文学家伽利略做出的。伽利略报告说，他通过望远镜看见了一颗以前从未见过的星体。计算了那时行星轨道后，现代天文学家们提出了充分的理由证明，伽利略看到的正是海王星。但是，伽利略并没有意识到这是一颗行星，因此不相信自己发现的是海王星。

海王星的确认共属英国天文学家约翰·C.亚当斯、法国天文学家厄本·J.莱弗里尔、德国天文学家约翰·G.加利和他的助手亨里奇·L.达雷斯特。19世纪40年代，亚当斯和莱弗里尔各自研究了天王星在它环绕太阳的轨道上的运动，并推断这颗行星的运行轨道稍微受到另一颗看不见的行星的作用。1845年，亚当斯在万有引力定律(英国数学家、天文学家牛顿17世纪提出)基础上进行计算，异常精确地预言了这颗看不见的行星的位置。或许因为他那时还年轻，还不太有名气，亚当斯没能说服天文学家们通过他们的望远镜在那个位置上寻找这颗行星。1846年，莱弗里尔把他关于那颗看不见的行星位置的预言寄给了德国柏林乌拉尼亚天文台主任加利。同年9月23日，加利和达雷斯特在莱弗里尔通过精确计算所预言的位置附近，发现了这颗后来命名为海王星的行星。这样，海王星就成为精确应用牛顿万有引力定律而“发现”的第一颗行星。

发现海王星后3个星期，英国天文学家威廉·拉塞尔发现了一颗循海王星轨道运行的巨大卫星，这颗卫星被命名为海卫一。不久，天文学家们发现，海卫一有一个逆行轨道，就是说，它同太阳系大多数物体运行轨道相反，是以顺时针方向循轨运行旋转。通常，这些行星和卫星在它们的自转轴上以反时针方向绕太阳轨道运行和旋转(所谓自转轴是一条假想的线，它穿过一颗卫星或行星的中心，该星体即以其为轴旋转)。

因为海王星离地球那么远——最近点约43亿千米——一百多年来，关于海王星，一直没有更多的发现。天文学家们忙于其他问题，诸如恒星和星系的特性之类。但是在1948年，威斯康辛州日内瓦湖Yerkes天文台的美国天文学家杰勒·P.凯珀，决定仔细观察一下海王星，结果发现了另一颗环绕椭圆形轨道运行的卫星。为了保持天文学家们用希腊和罗马神话中的人物给太阳系中许多天体命名的传统，这颗小卫星即海卫二，以希望海中女仙的名字被命名为涅瑞伊德。

海卫二被发现后，人们对海王星的认识再也没有进展。直到20世纪70年代末，天文学家们才利用一种叫做斑点干涉测量的技术，获得海王星大气层的粗略印象。这种技术参与快速拍摄大量照片，以矫正地球大气层中湍流的影响，这些湍流使得图像模糊。这些图像显现出蓝色背景下的明亮云团。接下来，20世纪80年代中期，天文学家们利用海王星经过一颗恒星前面时难得的直线排列，发现了残缺光环现象(叫做环弧)。这颗恒星的光芒在海王星经过它的前后变得暗淡。这种变化表明，这颗行星周围存在着某种环形物质。

直到1989年“旅行者2”号靠近以前，在这次壮丽旅行所访问的行星中，人们对海王星的行星圈仍了解最少。“旅行者2”号给了我们大量的信息：它在海王星的大气层里发现了巨大的风暴系、环绕这颗行星的4个光环以及6颗卫星。此外，这艘宇宙飞船上的科学仪器在海王星周围发现了一个异乎寻常的磁场，而且用它的摄像机拍下了海卫一奇异的表面特征，这些特征表明，这颗卫星在不太远的过去，地质活动曾十分活跃。

海王星大气层图像是第一件让人惊喜的事。由于有甲烷气体，它吸收并散射红光，释放蓝光，所以海王星呈蓝色。在海王星的大气层中，大量存在的气体是氢和氦。“旅行者2”号所拍摄的图像还展示了它像木星和土星一样形状千奇百怪的云。最突出的是一种直径大如地球的云，很像木星大气层中一种有类似特征的大红斑。JPL的科学家们把海王星上这种色彩暗淡的云称为大黑斑。科学家们还观察到一种小的黑斑，直径大约是地球的1／2。这两种斑很可能都是带螺旋形气流的风暴系，就像地球上飓风里的那种气流一样。这些风暴系的存在说明，海王星的大气层拥有巨大能量并且非常活跃。

“旅行者2”号无法深入被蓝色烟雾笼罩的海王星的底层大气，而黑斑就在这种烟雾里面。在黑斑里有较暗的云，这些暗云和蓝色烟雾可能是氢硫化铵构成的。明亮的白云，类似地球上形成雷暴的堆积云(只不过在海王星上是由寒冷的甲烷组成)，聚积在大气层的上层部分，大约在蓝色烟雾以上100千米。

通过延时拍摄高层的甲烷云和下层的暗云的图像，天文学家们能够测量这些黑斑中风速和风向的变化。他们发现，上层的风向一个方向运动，而黑斑底部的风向另一个方向运动。整个风暴系以大约每小时390千米的速度旋转。这个速度约为地球上普通飓风风速的两倍。这表明，黑斑是非常狂暴的。如果你能驾着飞机进入大黑斑，就会感到非常颠簸摇晃。

这种黑斑在海王星表面四处游荡，不断改变着经纬度位置，大约每21个海王星日为一个周期样式，改变其形状。一个海王星日约1611小时，在这个时间内，这颗行星完成一次自转。由于海王星是一个由气体组成的球，没有坚固的表面，天文学家们通过测量其磁场的旋转来确定它内部旋转的速度。他们发现磁场每1611小时旋转一周。

海王星的风暴系和各种各样的云的形状使科学家们颇感意外。自从20世纪70年代末观察到海王星上云的形状以来，科学家们就希望在海王星大气层里看到比天王星更多的特征，但谁也没有料到“旅行者2”号所发现的大气层活动的全部价值。

1986年从“旅行者2”号发回的照片显示，天王星的大气层是非常温和的，几乎万里无云。如果在天王星的大气层有任何狂暴剧烈的活动的话，那也一定隐藏在厚厚的雾霭之下。“旅行者2”号上，一台测量热辐射的仪器——通常叫做红外光谱仪——发现，天王星大气层所释放的热能总量，大致相当于这颗行星所接收的太阳光总量。

“旅行者2”号上同一台仪器表明，海王星大气层所释放的热能总量同天王星所释放的大致一样，尽管海王星更远，所接收的太阳光总量不到天王星所接收的一半。要释放同天王星等量的热能，海王星内部一定有额外的能源。为什么天王星和海王星的内部有如此明显的差别?这还是一个谜——尤其是因为，这两颗行星的大小和密度都非常相似。

当海王星内部的热上升时，穿过大气层必然形成上升的气柱，这就有助于在任何遮天蔽日的烟雾上面充分形成云，于是便产生了强大的湍流。这样，与天王星截然不同，海王星大气层简直像一口沸腾的大锅，使得它的能量在云层的运动中清晰可见。

虽然天王星和海王星有着完全不同的大气层，但“旅行者2”号仍发现，这两颗行星的磁场强度却基本相同。科学家们认为，一颗行星的磁场是由它内部的导电物质的旋转产生的。例如，他们就相信，铁和镍是地球内部的导电物质。和所有磁铁一样，铁和镍岩芯的旋转所产生的磁铁也有南北两极。地球的磁场只是稍微有点偏离它的自转极区。北磁极靠北自转极，所以地球上罗盘的磁针指向北方。