[天文] 行星科普 海王星

图为旅行者2号拍摄的海王星（图源：Google）

在太阳系行星世界冰冷而静寂的边缘，寓居着一颗深邃迷人的深蓝色星球。她孤独地盘旋在漫长而荒凉的轨道上，幽蓝而深沉的面容隐匿于星际的黯黑之中，静候时光发现她的故事。

海王星是太阳系八大行星中距离太阳最为遥远的，它的轨道半径为30.11天文单位（4.5亿千米），公转一周的时间长达164.8年，它在一个地球人的一生中都不会完成一周公转。

它的大小和质量都与“亲姐妹”天王星相似，因而同样被称为“冰巨星”，质量（约为地球的17倍）比天王星略大一点，半径（赤道半经约为地球的3.9倍）却反而略小，科学家们认为这是海王星重力更大、对大气的吸引更强的结果。

海王星的自转周期为16h6min36s，平均密度为1.638g/cm3。和其它巨行星一样，高速的自转和较为疏松的物质使它严重偏离球形，其扁率约为0.017（作为比较，地球的扁率约为0.003）。

图为哈勃望远镜拍摄的海王星（图源：Wikipedia）

海王星拥有14颗已知的卫星，绝大多数都十分微小，但海卫一（Triton）却是太阳系卫星中的大块头，我们后面还会提到它。海王星还有自己的光环系统，但是颇为暗弱。

海王星的视星等约为8等，这使得我们无法用肉眼看到这个星球。但当它在天空中的位置远离太阳时，我们使用中小型的望远镜就能够看到这颗美丽的蓝色天体。

一波三折的发现史

作为一个肉眼不可见的行星，海王星直到很晚才被人们发现。发现它的过程颇具传奇色彩，它曾多次被当作恒星而错过，最终在理论计算的预先指导下才被确认发现，因此海王星也被称为“笔尖上的行星”。

后人在整理伽利略（Galileo）的手稿时发现，他可能是第一个观测到海王星的人。他记录的星图中标有无法在现代星图中找到的星，经过推算，人们判断伽利略看到的正是海王星。2009年的一项研究甚至指出，伽利略已经注意到了海王星相对恒星背景的运动，或许他是真正最早发现这颗行星的人。

但无论如何，发现海王星的桂冠并没有落在伽利略的头上（这位大师级的科学家似乎也不需要再多一个辉煌的头衔来证明他的伟大），而伽利略甚至不是唯一一个错过了海王星的发现的天文学家。

如果行星只受太阳引力作用，它们将以完美的椭圆轨道运行；但现实中行星之间会受相互的引力影响，各个行星对太阳的引力也会引起太阳位置的微扰，这些错综复杂的引力效应造成了行星轨道的摄动（perturbation），使它们的轨迹与标准的椭圆轨道有所偏离。

法国天文学家布瓦尔（Bouvard）曾经计算过当时已发现的三颗外层行星的轨道，考虑了主要的摄动影响后，木、土两星的轨道和观测结果吻合得相当完美，天王星却显得不那么“服帖”。急于发表他的结果的布瓦尔没有深究这件事，于是错过了新行星的发现。随着时间的推移，天王星的真实位置与布瓦尔的计算结果差距越来越大了。

这预示着天体力学的失败还是未知行星的存在？大多数学者都赞成第二种观点，但根据天王星的轨道计算这颗行星的位置着实是一项困难的工作，很少有人敢于尝试解决这个棘手的问题。剑桥大学的约翰·亚当斯（John Adams）花费了两年时间思考和验算，终于在1845年推定了未知行星的轨道和质量。他把结果告知了英国的天文学家们，他们却没当回事，英国人于是遗憾地错失了发现海王星的机会。

于此同时，法国著名的科学家阿拉戈（Arago）非常关注这个问题，他把寻找这颗假想行星的任务委托给了年轻的数学家和天文学家勒维耶（Urbain Le Verrier）。勒维耶在1846年给出了这颗行星应该处在的位置和大致的亮度，并寄给了天文学家加尔（Johann Galle）。加尔没有无视这个年轻人的信，并在预言的天区找到了这颗星——第八颗行星终于被确凿无疑地发现了。

图为勒维耶（Urbain Le Verrier）——海王星的（一个）发现者

（图源：Wikipedia）

尽管发现海王星最大的功绩应当归于勒维耶，但亚当斯毕竟独立给出了差不多相同的计算结果，这两个年轻的天文学家还是同时被载入史册，传为行星科学史上的佳话。尽管法国科学院的阿拉戈建议以勒维耶来命名这颗行星，但人们最终还是遵从了以罗马神话命名行星的传统，把海神Neptune的名字名副其实地赋予了这个蓝色星球。

图为亚当斯和勒维耶计算出的海王星轨道（图源：Google）

旅行者的邂逅

尽管海王星在19世纪中叶就被发现，人们对它却研究寥寥。它的视直径只有2’’左右，大气的扰动让人们很难进行成像观测，这一问题在自适应光学等技术出现后才得到解决，因此对海王星的地面观测直到很晚才发展起来。

迄今为止，人们对这颗星球的绝大部分理解都来自于功勋卓著的旅行者2号探测器。这个发射于1977年的探测器在1989年8月史诗般地飞掠了海王星，留给人们精美的照片和丰富而激动人心的观测数据。这批数据成为了天文学家们的宝藏，从此这颗遥远而黯淡的行星的秘密被一个接一个地揭开。

图为旅行者2号的飞行轨迹（图源：Google）

8月25日，旅行者2号在海王星北极上空4950km处掠过，这是旅行者2号与四颗大行星的邂逅中距离最近的一次。在飞掠前后的4个月里，探测器仔细研究了海王星的大气、磁层、行星环和卫星系统。在飞掠海王星后，它又近距离飞掠了其卫星海卫一，对这颗隐居在星空深处的卫星进行了细致的探测。

尽管以哈勃望远镜为代表的天基和地基天文设备在最近几十年间也对海王星进行了断断续续的观测，但旅行者2号的功绩仍旧是不可替代的。世界各国的宇航探测任务中尚无再次造访这颗行星的明确规划，或许旅行者2号的飞掠仍旧是可预见的未来中人类探索海王星的唯一尝试。

蓝星深处

按照本系列文章的惯例，我们仍旧首先来看看星球内部的样子。由于距离太过遥远而难于进行深度的探测，人们对这个冰巨星内部结构的认识主要通过它的大小、质量、引力场和组成物质的物理化学性质来间接推定。由于海王星在各种意义上都和天王星极为相似，二者内部结构的模型自然也如出一辙。

海王星的最外层是高空的云，其下大约10%–20%海王星半径的范围是主要由氢、氦和甲烷组成的大气。再向内则是由水、氨和甲烷组成的幔，这一层物质占据了海王星大部分的质量。它还拥有一个由铁、镍和硅酸盐物质组成的硬质核心，这个核心和地球这样的岩质行星差不多。

图为海王星的内部结构（图源：Google）

尽管它的幔被人们习惯性地称作“冰”，但那里实际的物态却是高温高密的导电液体，被称作水–氨海洋（water–ammonia ocean）。在一定的深度下，水分子将被电离成氢离子和氧离子组成的“汤”。而在更深处，氧可能会结晶，氢离子可以在氧组成的晶格之间自由流动。

海王星内部最有趣的现象或许是“钻石雨”。海王星幔中高温高压的环境可能使得烷烃被分解成氢和碳，而分解出的碳又会结晶成致密的晶体，也就是钻石。这种结晶在幔中不断发生，结晶碳像雨滴一样在幔物质的海洋中下落，一直落向它的硬质核心。这个奇特的过程尽管难以在地球上的实验室中证实（大尺度的高温高密环境很难在实验室中模拟出来），但许多科学家都相信，这样的“钻石雨”正在四颗巨行星的内部不断进行着。

图为“钻石雨”的艺术概念图（图源：Google）

海王星拥有相当强的内部热源，它的净辐射量高达它所接收的太阳辐射的2.6倍。海王星形成时物质坍缩所释放的引力能或许能够解释它如今内部的产热，但是与它组成和结构相似的天王星却几乎没有净的能量释放，这成为了解释海王星内部热源的一大挑战。

冰雪风暴

和格外宁静的天王星不同，当旅行者2号拍摄的海王星影像见诸世人，大家都被这颗深沉的蓝色行星表面复杂的气象变化惊呆了。层次分明的带状结构，神秘莫测的大黑斑，以及蓝色底色中飘浮的片片白云；在太阳系阴冷幽森的边缘，这个星球迸发出如此强劲的能量，所有的观者都对此情此景叹为观止。

海王星深邃的天蓝色与其大气中的大量甲烷有关，这种物质对波长600nm附近的红光具有强烈的吸收。但是海王星的深蓝色明显有别于天王星的蓝绿色，这或许是由海王星大气中某些尚未探知的成分造成的，当然（笔者认为）也可能与海王星和天王星所处的太阳辐射等环境的不同有关。

海王星大气的风力十分猛烈，风速可达600m/s，几乎达到了超音速的程度。在旅行者2号拍摄的照片上，海王星最显著的表面特征之一就是巨大的“大黑斑”。与木星著名的大红斑类似，这个大黑斑也是星球大气中剧烈的反气旋系统。旅行者2号还在海王星的南半球观察到了另一个较小的气旋系统，它同样是一个深色的区域，却拥有一个明亮的白色核心。

图为旅行者2号拍摄的海王星大小黑斑（图源：Wikipedia）

在海王星上还能够轻易地看到散布全球的白色云层，这使得它看起来竟然和我们的地球有些相似。旅行者2号曾在海王星高纬度地区拍摄到类似地球上的卷云的云层，它造成的阴影投射在了下方数十千米处不透明的蓝色表面上，这揭示出海王星高层大气的分层结构。

据模型推测，海王星云层的成分或许和云的高度有关——最上层的云是凝结的甲烷，向下随着温度和压强的变化，云的成分变为氨、硫化氢、硫化铵乃至水冰。云层的特征随着时间推移发生着显著改变，反映出海王星丰富的气象活动。

图为旅行者2号拍摄的海王星表面的卷云和投下的阴影

（图源：Wikipedia）

上文提到的内部热源或许是海王星展现出如此丰富的气象活动的原因，但是资料中对此的详细阐述不是很多。人类拍摄的每一张海王星照片中几乎都能找到表面暗色的风暴和大量变幻莫测的云层，最冷的一颗行星上孕育了太阳系最暴烈的气候之一，这不论是在科学界还是爱好者群体中，都是一个引人入胜的话题。

世界尽头的守护者

在距离太阳如此之远的地方存在着海王星这样一个巨大的天体，着实是一件令人捉摸不透的事。以如今那个区域的物质组成和密度，想要集聚出这样一颗大行星几乎是不可能的。于是，海王星（以及其它巨行星）的形成和演化成了天文学家众说纷纭的谜团。

人们掌握的资料实在太少，海王星的形成似乎是永远说不清道不明的。目前人们对巨行星的演化比较流行的解释是迁移假说，该理论认为海王星原本形成于距离太阳较近的位置，形成后不断与行星盘上的小天体发生碰撞和散射，从而导致角动量的交换，行星轨道因而向外迁移。直到行星盘上的物质密度变低，碰撞不再频繁发生，各个行星的轨道才稳定下来。一个比较成熟的模型被称为尼斯模型（Nice Model），有兴趣的读者可以查阅一下。

在如今的太阳系里，就像质量最大的木星维系着内太阳系的秩序（参见木星推送），海王星的引力也塑造和支配着外太阳系的柯伊柏带。柯伊柏带是海王星外侧的一个盘状区域，那里分布着大量彗星、小行星、矮行星等小天体，就像木星维持着小行星带的形态，海王星也对柯伊柏带起着类似的作用。

柯伊柏带内存在着许多与海王星轨道周期具有简单整数比的轨道，这些轨道与海王星轨道发生共振，海王星将对这些轨道内的天体施加周期性的影响。就像土星卫星的轨道共振维持了土星环的环缝，海王星的轨道共振也造就了柯伊柏带内的缝隙。在这些缝隙中会有少量天体因与海王星保持着严格的共振轨道而保持稳定，其中最著名的例子就是冥王星，它的轨道周期与海王星有着精准的3:2关系。

图为海王星的轨道共振示意图（图源：Wikipedia）

就像太阳与木星的拉格朗日点附近存在着“特洛伊小行星群”，人们同样在海王星轨道的拉格朗日点处发现了集聚的小天体——海王星也拥有自己的“特洛伊群”。

海王星作为太阳系最后一个大质量天体，仿佛是外太阳系众多小天体的“监督员”，也是内太阳系名副其实的守护者。它把大量的小天体束缚在固定的轨道上，以免它们进入内太阳系横冲直撞。她拥有一幅美丽的面容，又像是太阳系的一张名片，把行星世界的万种风情展示给遥远的深空。

与其它巨行星一样，海王星也拥有一个丰富的卫星系统，它拥有14颗已知卫星和数条黯淡的行星环。它的环主要由硅酸盐和含碳物质包裹的冰晶组成，这使得这些环略微呈现红色。

海王星有一颗非常重要的卫星，那就是海卫一（Triton）。它的直径为2710km，是整个太阳系第七大的卫星。旅行者2号在飞掠海王星后紧接着近距离飞掠了海卫一，并对它进行了细致的探测，这也是旅行者2号漫漫征程中最后一个仔细探测的天体。它是旅行者行程中的最后一个驿站，也标志着一个时代的谢幕。

图为旅行者2号拍摄的高分辨率海卫一图像（图源：Wikipedia）

海卫一的一个显著的特点是它逆行的公转轨道——与海王星自转和其它卫星公转的方向相反。这意味着它是一个被海王星引力俘获的大型柯伊柏带天体，换言之，一颗矮行星。

海卫一的组成成分中含有大量水冰，这使得它的密度只有2g/cm3左右，水冰组成的壳和幔之下则是岩石和金属质地的核心。大量的水冰也造成了这颗卫星的高反照率，达到了0.76，也就是说，照在海卫一上的已经十分暗弱的太阳光，仍有大约3/4被反射回了太空中。

微弱的热量输入使得这个星球非常冷，平均温度只有约40K，如此低的温度使得氮气都会被凝固，因而海卫一的表面附着着薄薄的一层氮冰。

真正使这颗卫星令人惊讶的，是它属于太阳系为数不多的具有活跃地质运动的卫星之一。它的表面相当年轻，很少能够见到撞击坑；冰火山和大量地质构造的记录揭示了它复杂的地质历史。极微小的能量输入就能够造就一个地质极为活跃的卫星，这又一次冲击着人们的固有印象。

图为海卫一地质活动的痕迹（图源：Wikipedia）

如此遥远、冷寂却又不安而躁动，它和它的“宗主”海王星如出一辙。它们一并为旅行者2号上演了完美的谢幕，也向人类充分展示了一个未知世界潜藏着多少出人意料的精彩。人们的好奇心和探索欲在这里奏出了最引人入胜的乐章——这亦是一场漫长旅行的终章。

不妨闭上眼睛，想象一场像旅行者一样的深空旅行。

旅程已经数亿千米，背后的太阳一天天变得黯淡，周围的世界变得越来越稀薄、越来越寒冷。

金星和地球快要看不见了，土星和天王星也已经被甩在了身后。

孤独和绝望感袭来，毕竟这是一场没有返程票的旅行。

远处浮现出幽蓝色的魅影，她一天天变得真切，仿佛在深邃的黑暗中静候情郎的佳人。

她拥有海洋一样温存的蔚蓝色、明暗相间的表面，天空中漂浮着缕缕白云。

这一切都让你想起地球——那个仅剩几个像素大小的家。

风暴呼啸着，云气在蓝色的幕布上升腾，一旁的卫星上不时有冰屑冲破壳层喷涌而出。

这强劲的力量感让人不能不流连——你已经太习惯了深空的一片死寂。

可是飞船不能减速，她被飞快地掠过，背影化作一绺弯月，蓝色的光渐渐黯淡下去。

前方什么都没有了。

你可能不会再遇到什么东西，侥幸碰上的石块也都像死了一般。

最近的生机也远在4光年外，这是穷极一生也无法企及的距离。

旅程结束了，你被困在了无尽的虚空，静候时间的终结。

你突然意识到，你本就生活在一个孤悬的囚笼里，囚禁你的不是铁窗，而是时空的距离。

你仔细搜寻了一下记忆，你找到了最后一抹兴奋的颜色。

那是飞掠海王星的时候。

图为旅行者2号拍摄的海王星与海卫一的新月状背影

（图源：Google）

【参考资料】

Wikipedia: Neptune, Earth, Exploration of Neptune, Nice Model, Triton.

Britt, Robert Roy (2009). Galileo discovered Neptune, new theory claims. NBC News News. Retrieved 10 July 2009.http://www.nbcnews.com/id/31835303.

C.弗拉马利翁，《大众天文学》p.442-448，北京大学出版社。

Views of the Solar System: Neptune. http://solarviews.com/eng/neptune.htm

Sarah Kaplan. It rains solid diamonds on Uranus and Neptune. The Washington Post. August 25, 2017. https://www.washingtonpost.com/news/speaking-of-science/wp/2017/08/25/it-rains-solid-diamonds-on-uranus-and-neptune/

文案：张亦松

排版：宣传部