海王星(Neptune)

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上一期提到航海家 2號(Voyager 2)最後任務是造訪海王星(Neptune)1,這一期就讓我們暸解一下這顆太陽系裏最遙遠的行星。早在遠古時代人們就以肉眼觀察到五顆明亮的行星,也分別給予不同的名字,直到漢代(西元前150年左右)才跟五行之說結合在一起正式紀載為金星、木星、水星、火星及土星。又經過了一千七百多年由於望遠鏡的發明,人們可以更淸楚觀測到地球鄰近星體。

 

西元1781年一位英國天文學家就是利用自製望遠鏡在自家後院發現第七顆繞著太陽運行的行星 -- 天王星(Uranus);在此之前,人們以為那是一顆恆星。1846年9月23日發現第八顆行星 -- 海王星(Neptune)。海王星的發現不是靠望遠鏡而是靠天體運行的數學計算出來的2。自從1781年天王星被發現後,天文學家們在觀測這顆新星時發覺它的運動軌跡不符合牛頓定律,而是有擾動現象,於是推測其擾動應該是受到附近星體引力影響,進而計算出這顆從未發現的第八顆行星的軌跡及質量。

這第八顆行星是由法國和英國的天文學家各自獨立計算出來,1846年9月23日晚間,一位德國天文學家根據計算結果利用望遠鏡在與計算結果相差1度的地方正式發現這顆最遠的行星,事後發覺其實早在伽里略時期就已經觀察到這顆星球,只是因為它的移動速度超慢被誤以為是顆恆星。

一顆新星的發現,發現者競相命名甚至要用自己的名字,最後大家同意以羅馬神話中的海神Neptune 命名 -- 中、日、韓、越統一用海王星為名。以海神為命名,主要是它的地表沒有堅硬的地面,大氣是由氫氣、氦氣及甲烷組成,由於大氣上層的甲烷吸收了太陽的紅光及紅外線,並把藍光反射出去使得其呈現出一片類似海洋的深藍色(參見下圖)。

圖片來源:海王星大氣是由氫氣、氦氣及甲烷組成1

 

海王星是太陽系最遠的行星,距離太陽30倍於地球和太陽間的距離,造成它繞太陽公轉一圈需時165個地球年;海王星的自轉軸與其黃道面類似地球的傾角(約為28度),所以海王星也有四季3,只不過它的一季相當於地球的41年。

海王星核心的直徑約為地球直徑的1.5倍,由矽岩與冰岩組成,佔星體總質量的45%;海王星的地表則由水凍冰、甲烷冰及氨冰組成。因為距離太陽遠、日照微弱,海王星是顆暗黑冰冷的行星,平均氣溫在攝氏零下201度,受日光照射的強度只有地球的九百分之一。但是就算是這麼微弱的日照,海王星的冬夏溫差也有10度攝氏,可以造成夏季區域在對流層的甲烷冰氣化上昇至平流層,造成南北半球在影像上產生明顯的色差。

儘管科學家們多年來利用天文望遠鏡研究這顆行星,由於太遙遠所得不多,直到1989年NASA的航海家太空船近距離實際探測才有更深一層的暸解。由於光線微弱,照像儀器需要經過長時間曝光,因為航海家太空船高速飛行,NASA工程師們需要精密計算鏡頭的擺動方能聚焦。當航海家將一行一行的影像傳回地球時,聚集在JPL 的科學家為其美麗清晰的影像而驚艶歡呼。

儀器測得海王星大氣風速高達每小時2,160公里的超音速,這是所有行星中最高的風速,而且其風向是由東而西與球體轉向相反。航海家觀測到有一如地球般大小的颶風眼(參見下圖)。為什麼距離太陽這麼遠的星球也有這麼活躍的氣候,不禁勾起人們對海王星產生無限的想像。

 

圖片來源:海王星赤道上颶風眼2

 

雖然海王星是太陽系最遠的行星但是它卻不是最寒冷的行星,反而天王星是最寒冷的行星,科學家相信:這可能跟海王星在數十億年前,曾遭受地球般大小的物體撞擊有關,這次撞擊使得海王星的內部熱量被䆁放出來。科學家也認為:海王星的活躍氣象與這股被釋放的內部熱能有關。

包覆海王星核心的地幔(mantle) 由水、氨與甲烷冰組成,並維持著高溫高壓、電離超臨界流體的狀態。海王星的核心溫度約為攝氏7,000度,類似太陽表面溫度。科學家相信在靠近核心部分存在巨大壓力,這股壓力的強度約為地球大氣壓力的七百萬倍 -- 其壓力之大足以將部分甲烷壓成鑽石,讀者可以想像:在一片液態碳水海洋中,一顆顆原鑽像冰雹一樣地落入海洋之中(參見下圖)。

圖片來源:海王星核心溫度約為攝氏7,000度3

 

海王星體積雖然比地球大得多,其直徑是地球的四倍,但是其質量只比地球稍大些,表面重力只比地心引力大10%。海王星不像地球有固態球殼,它的表面是氣、液態,所以人是無法在海王星表面上站立。

海王星的磁場是地球磁場的27倍,而且其南北向磁極與自轉軸相差了42度之多,這個奇異現象讓科學家認為:海王星的磁場可能不單純由行星核心物質所產生,其地幔(mantle)中的導電性流體可能對磁力強度及磁力線方向有很大的影響。

海王星有14個衞星(moon)和5個環帶,衞星的西方命名都原自希臘神話中的小水神,而五個環帶分別取名於五位對海王星發現有貢獻的天文學家包括那位想把海王星取自己名字的法國天文學家。海王星最大的衛星是海衞一(Triton, 就是手拿三叉戟的海神),其質量大於其他13衛星質量總合,這顆衛星的運行方向與海王星相反,這讓科學家認為海衞一不是與海王星同時形成而是,而是可能從矮行星擄獲來的。航海家2號甚至發現海衞一有微薄的大氣層。海王星的五個環帶並不明顯,由於背景黑暗很難由地球觀測到,航海家2號首次發現這幾條環帶。

2022年九月下旬NASA 公佈了「韋伯太空望遠鏡」所觀測到海王星的照片,這是距離航海家2號1989年造訪後三十多年來,第一次從遠距離、如此清晰地觀測到這顆巨大冰球行星以及它的環帶(參見下圖)。照片不再呈現藍色那是因為韋伯太空望遠鏡是紅外線望遠鏡4。如上節所述海王星上的陽光在大氣中被其甲烷吸收了紅光而反射藍色可見光,對於這個紅外光微弱的超冷行星,韋伯太空望遠鏡的紅外線光譜儀還能清晰成相,甚至連哈伯太空望遠鏡都捕捉不到的環帶及衛星都逃不過韋伯太空望遠鏡的眼睛,難怪這些照片讓科學家嘆為觀止。

圖片來源:NASA於2022年九月公布韋伯太空望遠鏡所觀測到的海王星

 

航海家2號太空船短暫路過、造訪,所探測到的數據提供了研究海王星的珍貴資料,加上最新的韋伯太空望遠鏡讓住在地球上的人們對這遙遠的夥伴有更精確的瞭解,然而這個奇妙的冰冷世界還有太多的奇異現象有待更多的太空探測儀器繼續探索,發覺更多的故事。

 

 

參考資料:

附註一、Neptune - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Neptune

附註二、Our Solar System’s Planets: Neptune, by Astrum https://youtu.be/faKnto4Pb6c

附註三、Neptune 101 by National Geogrphic https://youtu.be/NStn7zZKXfE

附註四、有關韋伯太空望遠鏡的介紹讀者可參閱CASE在今年四月五日所刊出的韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)一文。 http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=39586

 

 

作者:

黃國華博士退休前在美國Huntsville的Troy7, Inc. 擔任總工程師(Chief Engineer),這家公司提供美國國防部飛彈防禦署(Missile Defense Agency, MDA)及NASA技術支援。黃博士有多年導航與控制(Guidance and Control)及彈道軌跡設計經驗,他全職支援MDA,並在靶彈部門的導彈軌跡組擔任組長。

王志强博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

 

 

編輯精選:

航海家(Voyagers)上篇

航海家(Voyagers)下篇

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