航向天王星

【摘要】航海家二號於今年初最接近天王星，拍攝到的照片有助於科學家對天王星的了解。

航海家二號（Voyager 2）於一月二十四日最接近天王星，此次的遭遇非常成功，在它所拍攝而傳回地球的一系列照片中，包括了天王星的大氣層、光環及它的五個衛星。

回顧歷史，由於對天王星的了解實在太少，所以此次的遭遇，是無法避免有出人意料之處。天王星比土星小了二倍半，卻比土星距太陽的距離多了一倍，它的光度剛好在肉眼觀測的極限。天王星是在1787年三月二十三日，為音樂家兼業餘天文學家賀歇爾（W. Herschel），以直徑16公分的望遠鏡觀察夜空中的雙星時，意外發現的。由於它不似其他星體一樣呈點狀，最初以為是一個新的彗星，經過計算軌道，才證明它是一個繞太陽遠超過30億公里的行星。

事實上，在1690∼1780年之間，天王星就已被繪在星圖上。從地球上觀測，天王星約占了4弧秒的角度（約千分之一度），如同觀測在五個足球場長度外的一顆豌豆，再加上大氣的擾動，即使用最大的望遠鏡，天王星看起來仍像是綠色的碟子，而無法看得更清楚。由於它距離太陽如此遙遠，航海家二號以光速傳回地球的無線電波訊號得花上二小時四十五分鐘。太陽光在天王星上顯得十分微弱，約是地球上的四百分之一。因此在技術上必須設法穩定住太空船，以便進行長時曝光攝影。另一方面，為了要在微弱的信號中填塞更多的資料，必須以資料濃縮的技術來重新設計大空船上的電腦通訊程式。同時地球上的天線必須連結成列同時接收，以確保能捕捉到所有的訊號。

自轉軸、核心、海

在遭遇之前，我們已知天王星的自轉軸，不像其他行星一樣幾乎與它們的軌道面（即黃道面）垂直，而是平躺在它的軌道面內。其實目前天王星的南極幾乎直指向太陽，它的衛星及光環則圍繞著赤道，形如「箭靶」狀。很可能這形狀是由於在天王星形成的初期，有一巨大的物體撞擊所致，但是沒有人知道那個物體是什麼，或者是撞擊後產生了什麼影響。

一個比較難以理解的特性是天王星的結構與組成。航海家二號先前探訪過的木星與土星在許多方面都十分類似，它們的「核心」都是由矽酸鹽的岩石和其他較重的化合物所組成，約為地球質量的25倍，同時核心外都是由氫和氦的氣體所圍繞。土星和木星早已因為是氣體巨星而著稱，它們的質量分別是地球質量的95倍及318倍。

天王星是航海家二號的第三站（預計在1989年到達海王星），也可歸類馬氣體巨星。但是相對於它的高密度核心，天王星的氫及氦的大氣層較薄，使它與木、土星有明顯的不同。反而天王星倒與海王星十分相似，它們的質量分別僅有地球的14.5倍和17倍。行星科學的基本挑戰之一，便是要了解這四個氣體巨星──木星、土星、天王星、海王星──它們的核心質量僅差了3∼4倍，而包圍它們的氣體質量卻相差了10∼20倍。

航海家二號本身當然不會回答這個問題，但是在它偵測環繞天王星的磁場與環繞土星及地球的磁場，並且在強度上比較時，卻提供了一些有關天王星內部結構的重要資料。由於在天文物理上認為，磁場是肇因於在一物體內有導電流體的對流運動──如地球核心的熔融鐵及太陽中心的氫電漿──此暗示天王星的核心有類似的導電流體存在著。

這個發現是喜悅多於驚奇，因為理論家長久以來都懷疑著天王星有個對流的核心。由元素在宇宙的分布，他們提出的太陽系早期的模型認為，一個在距離太陽有天王星一般遠所形成的行星，其組成大約是等量的岩石（矽酸鹽化合物及其他重元素）和冰的混合體。因此他們的天王星模型可分為三層：由重的岩石質的物質構成的核心；由水圍繞著核形成數千公里深的「海」的地函；向外延伸數千公里厚由氣態氫及氦所組成的大氣層。

天王星的「海」除了水以外，似乎還包含了甲烷及氨的混合物。由於其上面覆蓋物質的重量，因此壓力非常大，同時溫度也有絕對溫度數千度。在這種的情況下，根據可靠的數據顯示，水分子會游離成鋞離子（H⁺）及氫氧離子（OH^-），氨則會產生銨離子及質子（甲烷則完全崩解掉）。所以天王星的海幾乎完全是導電的──這幾乎與熔融的鹽相似──甚至靠近中心部分可能是金屬的。

偏斜的磁場

當然，天王星有磁場的存在並不使人感到意外，不過它的方位卻令人訝異。航海家二號發現它與旋轉軸差了60度，是目前太陽系中角度最大者（地球僅有11度）。就此而言，天王星倒與天文物理上其他的「斜自旋體」（oblique rotator, 如中子星）是十分類似的。地球上每隔50萬年左右會發生磁極逆轉（參見科學月刊74－1月號李德貴的「古地磁學簡介」），不知天王星是否也有此現象。

傾斜的磁場的確會產生有趣的效果。如同地球及其他行星一樣，天王星受來自太陽帶電粒子的吹襲（太陽風），使它的磁場產生一長「磁尾」（magnetic tail）。因為磁場太傾斜，磁尾旋轉成像個酒瓶拔塞鑽。磁尾在太空中掃動的週期與產生磁場的行星核心的自轉週期相同。所以分析磁場資料，可以得到天王星的自轉週期，由航海家二號測得的是17.3小時，因為天王星表面並非固體，所以不易以其他方法求得其自轉週期。

負責航海家二號攝影組的成員發現，要想研究天王星的大氣很難，因為它沒有類似木星變幻的雲層和土星的帶狀變化。天王星碧綠色的表面反倒像地球上深且變化緩慢的大海。此行星是相當的寒冷，大氣的頂部在絕對溫度60度左右，厚層氣態的包圍體因能量輸入而產生變化的時間要數百年。它的碧綠色來自甲烷，在天王星上甲烷比木星或土星上的多。如果木星式的雲存在的話，它們沈在大氣深處，就像是要透過太平洋看海底的山丘一樣。此外，航海家二號的科學家們對天王星大氣中有平行緯度的帶狀構造，感到十分滿意，不容置疑的這些影像是十分微弱的，但是在加強影像後，天王星就如同土星一樣地富有條紋了。

帶狀構造

科學家認為天王星大氣中的帶狀構造是由溫差所引起的，上湧的區域產生高且亮的雲或霧，下降的區域則是低且暗的部分，由於行星的自轉，使這些運動偏轉為東西向。在遭遇之前曾推測，太陽光直接照射天王星的極區可能會擾動這個現象，事實上，航海家發現唯一明顯的影響是，有一微弱的棕色光化學煙霧蓋在陽光照射的極區。因此，在天王星發現帶狀構造是一個重要發現，它證實了是自轉而不是陽光造成帶狀起伏偏轉運動。

在木星與土星上，產生平行緯度帶狀構造的力量，同樣造成沿帶狀邊緣的噴射流。於是航海家二號影像組希望能找到單獨的雲層，如此他們便可追蹤出天王星的風。然而他們傾全力在影像處理上，卻只在緯度25∼50度之間發現4塊雲層，雲層間的相對速度可達到每秒100公尺之多，地球上的噴射流卻僅有每秒40公尺的速度。此外，這些雲塊類似地球的雷雨雲，或許它們是在天王星上某種風暴中心上面翻騰著。

風的另一個顯著特徵是它們的方向。早先天王星的模型是預測赤道區域要比極區冷約絕對溫度5度，是因為84年週期的天王星，由於軸的方向對著太陽可以接受到較多的輻射。標準氣象學理論上的預測在該情況下，在高緯度的風有逆向吹的傾向，就是與行星的自轉方向相反。

找出風向並不簡單，因為必須知道藏在大氣下的行星本身究竟自轉多快，才能由雲層的轉速來推斷大氣與行星的相對運動方向。幸好航海家二號的磁場資料，可定出天王星的自轉週期是17.3小時，結果發現天王星上的風是順向風，也就是與行星自轉的方向相同。

表面上看來，這個發現可推知天王星的赤道比較溫暖，此恰與理論預測的相反。由航海家二號紅外線儀器偵測所得的溫度曲線指出，兩者皆不正確。事實上從赤道到兩極，溫度是不變的（最顯著的差異是在緯度20∼40度之間的一個溫度較低的帶狀區域，可能是一上升氣流區）。這意味著在大氣深處有某種東西使得熱量重新分配，是什麼呢？這個初看起來平常的大氣的確會使理論家忙上一陣了。

由於天王星向一側傾斜，且其軸目前是指向太陽。航海家穿越天王星的環與衛星的平面時，就好像箭射穿標靶似的，所有在天王星主要的觀測都必須在6小時的逼近期間中完成。同時航海家二號還必須在正確的位置下通過，如此天王星的重力場將會把它甩向海王星，所以任務的計劃人員必須小心謹慎地決定航海家二號在何處穿越，才可以得到一個鄰近衛星的最接近、解析力最高的影像，而那個衛星就是米朗達（Miranda）。

穿著百衲衣的小衛星

米朗達發現於1948年，500公里寬，是在航海家二號到達之前，天王星已知的五個衛星中最小、最內的。如同其他衛星一般，它大部分由冰所構成，其中也可能摻雜了岩石及甲烷氣體。事實上，米朗達是航海家二號迄今所見天體中最使人困惑的。它的表面是許多其他行星或衛星特性的大雜燴，它有火星上蜿蜒的河谷，其溝槽式的地形卻像木星衛星甘尼米迪（Ganymede），而布滿坑洞的高地與我們的月球不無相似，且由剪力造成的陡坡比大峽谷的峭壁還高。難怪有人比擬米朗達是，太陽系中由各種特異地貌所聚合成的奇異混合體。

其實，用「百衲衣」來形容米朗達可能是非常恰當的。目前的初步假想是，米朗達與其他衛星同是由雪球開始，在它形成之後，在所有岩石質的物質已經有足夠的時間分離並沈降到其中心後，這個原始的米朗達被某種東西撞擊而分裂。原始衛星的各大塊碎片再度聚合，但部分巨塊是冰層在外，這造成正常的地形，而部分巨塊則是核心朝外，使得深暗石質的部分暴露出來，形成了筆直的山形特徵。顯然，在接受這個假說之前尚需要更多的努力，但至少目前還沒有更好的假設。

四個較大的衛星

其他四個較大的衛星，雖不似米朗達那麼富有戲劇性，卻也深具挑戰性。以它們是由冰所組成的來說，它們卻都出奇地黑，其反射率僅約有20％。換言之，在衛星形成時，冰可能混合了相當分量的甲烷──表面大約是絕對溫度80度──在此狀況下，太陽系46億年的歷史中，輻射線的影響會將甲烷變成暗色的長鏈有機物（航海家二號證明了天王星的輻射帶的確撞擊到這些衛星）。

令人訝異的是，當更靠近天王星時，這些衛星有強烈活動增加的信號顯示出來。最外的衛星，歐北容（Oberon），幾乎布滿了坑洞，除了數個坑洞有某種深色熔岩的分布之外，顯示幾乎沒有內部活動的證據。

泰坦尼亞（Titania），由外向內數第二個衛星，也有類似的坑洞排列，但航海家二號亦發現有溝槽、懸崖及其他的沈降特徵。泰坦尼亞和歐北容的直徑都約1,600公里。

第三個是恩比爾（Umbriel），軌道介於二個活躍的衛星泰坦尼亞及埃瑞爾（Ariel）之間。恩比爾是古老深暗及不活動的，它的表面均勻地布滿著直徑100∼200公里的大坑洞，且它的顏色及亮度鮮有變化。由恩比爾附近其他衛星似乎都經過大擾動看來，它的少變化是很奇怪的。它唯一的奇特點是位於其頂部像一小丑帽的直徑約150公里的白環。也許是冰霜遮著的坑洞，但沒人知道到底是什麼。

第四個衛星是埃瑞爾，約1,200公里寬，比最外二個衛星略小，卻比它們更活躍。埃瑞爾表面由山谷及斷層崖交錯著，更甚著，較大的山谷橫越其谷底多是平坦且連續的，表示它們被許多神奇的冰「熔岩流」所氾濫過。一些觀測者的確發現，這類冰有過冰河似的運動而在這些山谷留下記號。

最內的大衛星當然就是米朗達了。

問題是，一系列80K的冰球在那裡得到這些能量來產生這麼多變化的地形？有些理論家認為，在很久以前衛星間的潮汐交互作用可以產生足夠的熱能，就如同潮汐的交互作用目前正在加熱木星的火山衛星艾歐（Io）一樣。因為天王星的衛星溫度較低，實際上可能使它們比溫暖的衛星更活躍，因為在絕對溫度80度，它們由固態甲烷及氨組成，而這些「冰」的熔點很低，只有一點能量輸入就會產生構造活動。

（本文譯自M. M. Waldrop, "Voyage to a blue planet", Science, 231：916∼918, 28Feb., 1986.）

趙維國現在美國進修

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