当太阳耀斑爆发喷入日冕时, Ｘ射线辐射会明显地增加。这时的Ｘ射线强度表明, 耀斑上方日冕的温度高达1亿度。 日冕的稀薄气体为什么会有如此高的温度, 至今仍然是一个有争议的问题。 (一定要把这里所说的温度同热区分开来。日冕中的温度是气体中原子或粒子动能的一种量度, 因为气体中粒子很少, 所以单位体积的实际热容量非常低。Ｘ射线就是由这些极高能粒子碰撞产生的。)
太阳系以外的地方也有Ｘ射线射来。1963年, 罗西与其他天文学家一起利用火箭把一些仪器带到空间, 想知道太阳的Ｘ射线是不是由月球的表面反射来的, 结果从天空的其他地方探测到两个特别集中的Ｘ射线源。较弱的一个 (金牛Ｘ－１, 因为它在金牛星座里) 很快就同蟹状星云联系在一起。而较强的一个则是天蝎座里的天蝎Ｘ－１, 1966年发现它与一个光学天体联系在一起, 这个光学大体似乎是一个老新星的残骸 (与蟹状星云相似) 。此后, 在天空中又探测到许多其他Ｘ射线源。
要发射出跨越星际空间后强度仍足以被探测到的高能射线, 必须要有一个温度极高而且质量极大的射电源。太阳日冕发射的Ｘ射线的强度完全达不到这种程度。
一个天体同时具有巨大的质量和100万度的温度, 这表明它是一种比白矮星更致密、更极端的天体。早在1934年, 兹威基就提出过, 在一定的条件下, 白矮星的亚原子粒子可能会结合成为叫做中子的不带电粒子。而后这些中子被挤压到一起直到互相贴着, 结果会形成一个直径不超过16公里 (10英里) 的球体, 却仍然保留着原来整个恒星的质量。1939年, 美国物理学家奥本海默比较详细地研究了这种中子星的特性。这种天体可以得到极高的表面温度, 从而放射出大量的Ｘ射线, 至少在形成后的初始阶段是这样。图: 哈勃望远镜认为这是一颗孤单的中子星
弗里德曼重点在蟹状星云中搜寻这种中子星存在的实际证据, 因为人们认为, 形成蟹状星云的大爆发遗留下来的可能不是一颗致密的白矮星, 而是一颗超致密的中子星。1964年7月, 当月球掩食蟹状星云时, 曾向大气层以外发射了一枚火箭; 以记录Ｘ射线辐射。如果Ｘ射线辐射来自一颗中子星, 那么, 当月球从这个微小的天体前面经过时, 会一下子把Ｘ射线辐射全部挡住。如果Ｘ射线辐射来自整个蟹状星云, 那么, 在月球一点儿一点儿地掩食星云时, Ｘ射线辐射会逐渐衰减下去。结果证明是后一种情况, 蟹状星云似乎只不过是一个更大、更强的星系冕。
一时间, 中子星实际存在并可以被探测到的可能性减小了; 但是在对蟹状星云试验失败的同一年, 在另一方面却有了新的发现。某些射电源发射的射电波, 在强度方面似乎显示出极快速的起伏, 就好像天空到处都有射电波"闪烁"。
天文学家们很快就设计出了能够捕捉到这种爆发时间很短的射电辐射的仪器。他们认为, 利用这些仪器能够非常详细地研究这些快速的变化。英国剑桥大学天文台的天文学家休伊什使用的就是这种射电望远镜。他监造的2048个单独的接收装置, 在大约12000平方米的面积上摆成阵列; 1967年7月, 这个阵列开始工作。在不到几个月的时间里, 在一位年轻的英国研究生J.贝尔的控制下, 在织女星和牛郎星中间的一个地方探测到射电能的爆发。这种短的爆发并不难探测到。如果天文学家早些时候期待发现这种短的爆发并研制出探测它们的仪器的话, 本来是可以早些年发现它们的。碰巧, 这些爆发短得惊人, 仅持续1/30秒的时间。更令人惊讶的是, 这些爆发以1.33秒的间隔一个接一个非常有规律地发生。事实上, 这些有规律的问隔可测到一亿分之一秒的精确度: 即1.337 301 09秒。
当然, 没有办法说明这些脉冲代表着什么, 至少在最初时是这样。休伊什只好认为这是一种脉动着的恒星, 每一次脉动都有一次能量爆发。这个名字很快就被简称为脉冲星, 从而人们又知道了一种新的天体。
应该说这种新天体不止一个。休伊什发现了第一颗脉冲星以后, 马上搜寻其他的脉冲星, 1968年2月, 当休伊什宣布他的发现时, 他已经找到了4颗脉冲星的位置, 终于他获得了1974年的诺贝尔物理学奖。这时, 其他的天文学家才开始热心地搜寻脉冲星, 现在知道的脉冲星已有400多颗。 在我们的银河系中可能一共有10万颗脉冲星, 有些可能近在100光年左右。 (没有任何理由认为在其他星系中没有脉冲星, 但是在如此遥远的距离, 它们大概过于微弱而探测不到。)
所有脉冲星都有极规则的脉动, 但是它们的精确周期却各不相同。有一颗脉冲星的周期长达3.7秒。 1968年11月, 天文学家在西弗吉尼亚的格林班克探测到蟹状星云里的一颗脉冲星, 周期只有0.033089秒。它每秒脉动30次。
人们自然会问: 到底是什么东西能够产生如此规律而短暂的爆发? 某个天体一定在经历着某种非常有规律的变化, 而变化的间隔快得足以产生这些脉冲。会不会是一颗行星, 在绕恒星运行的过程中, 每公转一周都要运行到恒星背后一次 (从地球的方向看去) , 而当它再出现时, 发射出射电波的强烈闪光? 或者, 会不会是一颗自转着的行星, 每自转一周, 它表面上的某个会放射出大量射电波的特殊斑块就朝我们的方向扫射一次? 图: 脉冲星模型
但是, 要是这种情况的话, 一颗行星必须以几秒或几分之一秒的周期绕恒星公转或绕自己的轴自转, 而这是难以想象的。要产生像脉冲星的脉冲那样快的脉冲, 某个天体必须以巨大的速度自转或公转, 这就要求这个天体的体积非常小, 但同时要有极高的温度或强大的引力场或两者兼有。
这使人们立即想到了白矮垦, 但即使是白矮星, 它们相互绕转。自转或脉动的周期也短不到可以说明脉冲星的程度。此外, 白矮星的体积还是太大了, 而它们的引力场却太弱了。
戈尔德立即提出, 这可能是中子星。他指出, 中子星体积小而密度大, 足以在4秒或在更短的时间内自转一圈。 而且, 理论上已经证明, 中子星会有非常强的磁场, 而磁极不一定在自转极的位置。电子被中子星的引力紧紧地束缚住, 只能在磁极处逸出。当这些电子被甩出时, 它们会以射电波的形式失去能量。因此, 从中子星表面相对应的两个点上, 会发射出稳定的射电波束。
如果中子星自转时, 一束射电波或两束射电波朝我们方向扫过的话, 那么, 中子星自转一周我们就会探测到一次或两次短暂的射电波能爆发。如果是这种情况的话, 脉冲星在自转时必须至少有一个磁极正巧朝我们的方向扫过, 我们才能深测到它们, 一些天文学家估计, 100个中子星中大约只有1个符合这个条件。如果在银河系里真有10万个中子星的话, 从地球上大概只能探测到1000个。
戈尔德进一步指出, 如果这个理论是正确的, 则中子星会从磁极泄漏出能量, 从而使自转的速度减慢。因此, 脉冲星的周期越短就越年轻, 损失能量和减慢速度也就越快。
当时知道的最快的脉冲星在蟹状星云里。它可能是最年轻的一个, 因为遗留下这颗中子星的超新星爆发, 发生的时间还不到1000年。
人们对蟹状星云脉冲星的周期进行了仔细研究, 果然发现, 正如戈尔德所预测的那样, 它的自转速度在减慢。它的周期每天增加10亿分之36．48秒。在其他脉冲星中发现也有同样的现象。进入20世纪70年代后, 中子星假说被人们广泛接受。
有时候脉冲星会突然稍微加快周期, 然后又恢复减慢的趋势。一些天文学家认为, 这可能是由星震造成的。星震是中子星内部质量分布的转移现象。也可能是某个相当大的大体冲入中子星, 把它的动量加到了中子星上,
没有理由认为, 从中子星里发射出来的电子只是以微波的形式失去能量。这一现象应该产生光谱中所有的波。它还应该产生可见光。
人们将注意力集中在蟹状星云里的一些天区中, 那里可能会有过去超新星爆发遗留下的可见残骸。 果然, 1969年1月, 人们注意到, 在蟹状星云里有一颗暗星的光以微波脉冲的准确时间忽隐忽现。如果天文学家过去有过应该搜寻这种快速明暗交替的想法的话, 很早以前就会发现这颗星。蟹状星云脉冲星是发现的第一颗光学脉冲星, 即第一颗可见的中子星。
蟹状星云脉冲星也会放射出Ｘ射线, 在来自蟹状星云的全部Ｘ射线中, 大约有5%是从这个微小的闪烁着的光点放射出来的。于是, 1964年似乎已经奄奄一息的Ｘ射线与中子星之间的关系, 又胜利地复活了。图: 船帆座脉冲星 (中子星) 喷发出高能粒子。钱德拉Ｘ射线望远镜摄
人们可能会认为, 中子星不会再有令人惊讶的事了; 但是1982年, 天文学家们在波多黎各利用300米口径的阿雷西博射电望远镜发现了一颗脉冲星, 每秒钟脉动642次, 比蟹状星云脉冲星快20倍。这颗星可能比大多数的脉冲星都小, 直径大约不会超过5公里; 而质量可能是我们太阳质量的2倍或3倍; 此外, 引力场也必定非常强。但即使是这样, 如此快速的自转也一定近乎于把它扯碎的程度。另一个令人迷惑的问题是; 与它消耗的巨大能量比起来; 它自转的速率减慢得没有预料的那么快。
后来又探测到第二颗这样的快脉冲垦, 科学家们正在忙着推测它存在的原因。
阿西莫夫最新科学指南·宇宙学·新天体·黑洞《阿西莫夫最新科学指南·宇宙学》
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阿西莫夫最新科学指南·宇宙学·新天体
黑洞
中子星也不是极限。当奥本海默在1939年研究出中子星的性质时, 他还预言, 一颗质量足够大的恒星 (超过我们太阳质量的3．2倍) 可能会坍缩成一个点 (奇点) 。当这种坍缩超过中子星阶段以后, 引力场的强度将变得十分强大, 任何物质 (实际上, 连光线在内) 都不能逃逸出来。任何物质如果被它的难以想象的强引力场吸住, 都会陷进去而再无逃脱的机会, 因此可以把它形象他说成是空间的一个无限深的"洞"。因为连光线也逃逸不出来, 所以是个黑洞, 黑洞这个词是美国物理学家惠勒在20世纪60年代首先使用的。
具有足够的质量而有机会在坍缩时形成黑洞的恒星大约只占1/1000; 而在这1/1000的恒星中, 大多数在超新星爆发的过程中会失去足够质量, 从而避免形成黑洞的命运。即使如此, 目前仍可能有数千万颗这样的恒星存在, 而自我们银河系存在以来可能已有10亿颗。即使这些大质量恒星实际上只有1/1000在坍缩时形成黑洞, 在我们银河系的各个地方仍应该有100万个黑洞。 如果真是这样的话, 那么, 它们到底在哪里呢?
麻烦的是, 黑洞极难探测到。因为它们不发射光或任何形式的辐射, 所以用一般的方式看不到它们。而且, 尽管它们的引力场对邻近的区域非常强大, 但在星际距离上引力场的强度并不比一般恒星大。
但是在某些情况下, 黑洞会在一些特殊的条件下存在, 因而可能被探测到。假设一个黑洞是一个双星系统的一部分, 它和一颗伴星环绕着一个共同的引力中心转动, 而这颗伴星是一颗普通的恒星。
假如它们彼此间靠得非常近, 那么, 普通恒星上的物质便一点儿一点儿地向黑洞漂移, 并形成一个环绕黑洞的轨道。这种在环绕黑洞的轨道上的物质叫做吸积盘, 在吸积盘里物质会一点儿一点儿地螺旋般地进入黑洞, 并在进入黑洞的过程中放射出Ｘ射线。图: 天体GRO J1655-40可能是一个正在快速旋转的黑洞。钱德拉Ｘ射线望远镜负责组的A. Hobart作图。
然后, 我们必须在看不到恒星的天空中搜寻有没有Ｘ射线源, 但这个源必须看上去环绕着另一颗邻近的可见恒星转动。
1965年, 在天鹅座探测到一个特别强的Ｘ射线源, 被命名为天鹅Ｘ－１。据推测, 它大约距离我们10000光年。 1970年从肯尼亚海岸发射了一颗Ｘ射线探测卫星, 从空间探测到161个Ｘ调射线源。而在此之前, 天鹅Ｘ－１一直被认为只是又一个普通的Ｘ射线源。1971年, 这颗Ｘ射线探测卫星探测到, 从天鹅Ｘ－１发射出来的Ｘ射线在强度上有不规律的变化。这种不规律的变化正是物质在喷发中从吸积盘进入黑洞时所预料发生的。
立即对天鹅Ｘ－１进行了仔细地搜寻, 在它邻近的地方发现了一颗质量约为我们太阳30倍的又大又热的蓝星。天文学家博尔特在多伦多大学证明, 这颗星和天鹅Ｘ－１相互绕着对方旋转。从轨道的性质来判断, 天鹅X1是一颗普通的恒星, 它必然会被观测到。因为它不曾被人看到, 所以它必定是一个非常小的天体。同时, 因为它的质量太大, 不可能是一颗白矮星, 甚至不可能是一颗中子星, 所以它必定是一个黑洞。虽然天文学家还没有完全肯定这个假设, 但是大多数天文学家对这个证据表示满意, 并且相信天鹅Ｘ－１是将被发现的第一个黑洞。
黑洞似乎可能在恒星分布最稠密的地方和大块物质可能在一处聚集的地方形成。因为辐射的高强度是和球状星团或星系核等恒星聚集的中心区域联系在一起的, 所以, 天文学家们越来越相信, 在这种星团或星系的中心存在着黑洞。图: 星系NGC4261的中心可能是一个黑洞。哈勃望远镜摄。
在我们银河系的中心确实探测到一个致密而高能的微波源。这个微波源会不会是一个黑洞呢, 一些天文学家推测那的确是一个黑洞, 并推测我们银河系的黑洞有1亿颗恒星的质量, 相当于我们整个银河系质量的1/1000。 它的直径约为太阳的500倍 (相当于一颗巨大的红巨星的直径) , 大到足以通过潮汐效应将恒星分裂。如果恒星接近的速度够快的话, 甚至会在恒星瓦解之前将它整个吞掉。
实际上, 现在看来, 物质从黑洞中逃脱出来是可能的, 当然不是以一般的方式。1970年, 英国物理学家霍金指出, 黑洞所含的能量有时会产生一对亚原子粒子, 其中之一会脱离黑洞。实际上, 这就是说黑洞会挥发。一般恒星般大小的黑洞挥发的非常慢, 要把黑洞全部挥发掉, 需要的时间长得令人难以想象 (大约是目前宇宙寿命的几万万亿倍) 。
然而, 当黑洞的质量变小时, 挥发的速率会增加。一个大小不超过一个行星或小行星的微型黑洞, 它的挥发速率将会快得足以发射出大量的Ｘ射线。而且随着挥发和质量的减小, 挥发的速率和Ｘ射线的产生率都会稳定地增加。最后, 当微型黑洞小到一定程度后, 它就会爆发并发射出具有γ射线特性的脉冲。
但是, 究竟是什么力量把少量的物质压缩到形成微型黑洞所需要的如此高的密度的呢? 大质量恒星可以由本身的引力场自行压缩, 但是行星般大天体靠自身的引力场就不行了, 因为后者比前者需要更大的密度才能形成黑洞。
1971年, 霍金提出, 微型黑洞是在大爆炸时形成的, 因为那时的条件远比其他任何时候极端。那时形成的微型黑洞有一些可能是非常小的, 即使今天, 在它们存在150亿年之后, 它们已经挥发成为一个爆炸点, 而天文学家仍可能会探测到γ射线, 从而证实它们的存在。
这个理论虽然具有吸引力, 但到目前为止, 还没有人报道过这种证据。
阿西莫夫最新科学指南·宇宙学·新天体·"空虚"的空间《阿西莫夫最新科学指南·宇宙学》
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阿西莫夫最新科学指南·宇宙学·新天体
"空虚"的空间
但是, 如果说宇宙中存在着使我们惊奇的天体的话, 在恒星之间广大并非空虚的空间里, 也存在着许多令人惊奇的东西。这个并非真正"空虚的"空间, 已证明是天文学家观测比较近的天空的一个困难。
在某种意义上, 最难观测的星系是我们的银河系。原因之一就是我们处在银河系之中, 而其他星系我们都可以从外面看到它们的全貌。两者之间的差异就好像站在一个低屋顶上和在飞机上观看一个城市一样。而且, 我们离银河系中心相当远, 更有甚者, 我们处在一个充满尘埃的旋臂上。换句话说, 我们就好像是在一个有雾的天气里, 站在郊外的低屋顶上眺望城市。
一般说来, 即使在最好的情况下, 恒星间的空间也不是完全的真空。在各星系内部, 通常都有一种稀薄的气体弥漫于其间。1904年, 德国天文学家哈特曼首先探测到由这种星际气体引起的光谱吸收线。在一个星系的边缘, 气体和尘埃的浓度变得很大。我们可以看到在较近星系的周围有这种暗尘埃雾。图: 马头星云
实际上, 有一种简单的方法, 我们可以把银河系的尘埃云看成是银河里的暗区。例如, 黑暗的马头星云, 就是由环绕在其周围的几百万颗明亮的恒星衬托出来的; 而位于南十字座的煤袋暗星云则是另一个有名的例子, 它距离我们约400光年, 尘埃粒子散布在直径为30光年的区域中。图: 银河中的暗区煤袋星云
虽然气体尘埃云遮住了我们直接观看银河系旋臂的视线, 但是我们仍可借助分光镜观测旋臂的结构。气体尘埃云中的氢原子被旋臂中的明亮的星族Ⅰ的恒星所发射的高能辐射电离成带电的亚原子粒子。1951年初) 美国天文学家摩根发现电离氢的条纹, 并标示出蓝巨星--也就是旋臂--的谱线。它们的光谱与仙女座星系旋臂所显示的光谱非常相似。
最靠近我们的这样一条电离氢条纹, 包含了位于猎户座的蓝巨星, 因此这个条纹被称为猎户臂, 我们的太阳系就在这个旋臂中。另外两条旋臂也是用同样的方法找到的, 其中一条比我们距离银心还远, 包含了英仙座的巨星, 称为英仙臂。另一条距离银心较近, 含有人马座里的亮星云 (人马臂) 。每条臂似乎有大约10000光年长。
后来射电波成为一种更有力的工具, 因为它不仅可以穿透模糊的星云, 顶且还能够通过它们自己的声音让星云讲出自己的经历。这是荷兰天文学家范得胡斯特研究的结果。1944年, 荷兰在纳粹军队的占领之下, 天文方面的观测几乎是不可能的, 因此, 范得胡斯特只能利用纸和笔来研究星际气体中的主要成分普通氢原子的特性。
他提出, 这种原子偶尔在碰撞时会改变它们的能态, 并在改变能态的过程中放射出光谱中射电部分的微弱辐射。一个氢原子大约要1100万年才改变一次能态; 但是星系际空间存在着大量的氢原子, 因此, 每时每刻都会有足够的氢原子发射出可以连续探测到的辐射。
范得胡斯特计算这种辐射的波长应该是21厘米, 果然, 随着战后新射电技术的发展, 1951年, 哈佛大学的琅塞耳和尤恩探测到了这支"氢之歌"。
通过接收聚集氢的21厘米辐射, 天文学家能够察觉各条旋臂的踪迹, 并跟踪很长的距离--在大多数情况下几乎能绕银河系一周。于是发现了更多的旋臂, 而氢的聚集图显示出6个以上的条纹。
此外, "氢之歌"还告诉了我们氢的运动情况。像所有波一样, 这种辐射也有多普勒－斐索效应, 。这就使天文学家能够测量出运动着的氢云的速度, 从而除了别的之外, 探测到我们银河系的旋转。这项新技术证实, 银河系的旋转周期 (在我们到银心的距离上) 为2亿年。
在科学上, 每一项新发现都会打开通往新的神秘的大门, 同时, 最重大的发展往往来自意外的发现, 即推翻原有观点的发现。这里有一个有趣的例子, 对我们银心的一个氢聚集区的射电研究, 发现了一个令人困惑的现象。似乎仍在扩散着的氢却被局限在银河系的赤道面上。这种扩散本身是令人惊奇的, 因为没有一种理论能够解释这种现象。而且, 如果氢正在扩散着, 那么, 在银河系长久存在期间, 它为什么没有全部消散? 它是否表示, 像奥尔特所猜想的那样, 大约1000万年前银河系中心曾经爆发, 如同更近时期M-82所发生的爆发一样? 再者, 氢的平面并不是非常平的, 而是一端向下弯曲, 另一端则向上弯曲, 为什么会有这种现象, 到目前还没有人提出适当的解释。
就射电波而言, 氢不是 (也不应该是) 惟一的元素。每一种不同的原子或原子的组合, 都能够发射出特征射电辐射, 或者从总的背景中吸收特征射电辐射。因此, 天文学家便自然地开始搜寻除最普通的氢以外的其他原子的蛛丝马迹。
自然界里的氢几乎都属于最简单的一种, 即氢－１, 另外, 还有一种比较复杂的氢－２, 也称为氘或重氢, 天文学家仔细搜寻天空中不同位置放射的射电波辐射, 企图找出理论预测的氘的波长。1966年终于探测到了这种波长, 同时测知宇宙中氢－２的含量大约是氢１的5％。图: 全天氢分布图, 横亘在中间的是银河
宇宙中最普通的成分, 除了氢以外, 就是氦和氧了。一个氧原子和一个氢原子结合形成一个羟基。在地球上, 这种结合是极不稳定的, 因为羟基很活泼, 几乎可以与它遇到的所有其他原子或分子结合。它特别容易与第二个氢原子结合形成一个水分子。然而, 在星际空间中, 由于原子扩散得很稀薄, 因而原子间碰撞的机会极少, 羟基一旦形成, 就会长时间不受干扰, 正如1953年苏联天文学家什克洛夫斯基所指出的那样。
经计算证明, 这种羟基会放射或吸收4种特殊波长的射电波。1963年10月, 其中的两种射电波被麻省理工学院林肯实验室的射电工程师小组探测到。
由于羟基的质量大约是单个氢原子的17倍, 所以运动比较缓慢。在任何特定的温度下, 羟基的运动速度只有氢原子的1/4。一般来说, 运动会使波长变得模糊起来, 因此, 羟基的波长比氢的清晰。羟基的位移比较容易测定, 同时, 也比较容易判断含有羟基的气体云是在接近还是在退离。
当天文学家在广阔的星际空间发现了含有两个原子的化合物时, 虽然很高兴, 但并不感到十分惊讶。他们自然而然地开始搜寻其他化合物, 但并不抱有很大的希望。由于在星际空间原子扩散得十分稀薄, 因此, 使两个以上的原子有足够长的时间相聚而形成化合物的机会是极少的。不如氧原子普遍的原子 (例如碳和氮, 它们是仅次于氧的比较容易形成化合物的元素) 似乎根本没有形成化合物的可能性。
但是, 从1969年开始, 却出现了真正令人惊讶的事情。同年11月, 天文学家发现了水分子 (H2O) 的射电波"指纹"。 这些水分子是由2个氢与1个氧共3个原子结合成的。 在同一个月里, 还探测到了氨分子 (NH3) , 这更加令人惊奇。氨分子是由4个原子结合成的, 其中3个是氢, 另1个是氮。
1969年, 又探测到含有1个碳原子的4原子化合物。这就是甲醛 (H2CO) 。
1970年又有一些新发现, 其中包括5原子的分子丙炔腈, 它含有一条由3个碳原子构成的链 (HCCCN) ; 另外还探测到含有6个原子的分子甲醇 (CH3OH) 。
1971年, 探测到由7个原子结合成的甲基乙炔 (CH3CCH) 分子。而1982年, 探测到13个原子的化合物氰基癸五炔, 它含有1条由11个碳原子构成的直链, 链的一端有1个氢原子, 另一端有1个氮原子 (HC11N) 。
天文学家们发现, 他们面临着一门崭新的、未曾预料到的科学分支: 天体化学。
这些原子是如何聚集在一起而形成复杂分子的呢? 这种分子在恒星的硬辐射的冲击下是怎样保留下来的呢? 在通常情况下, 这些分子是会被分解的。对此目前天文学家还无法解释。据推测, 这些分子并不是在我们想象的空虚的星际空间形成的, 而可能是在即将演化成恒星的正在增厚的尘埃云区域产生的。
如果是这样的话, 人们可能会探测到更加复杂的分子, 而这些分子的存在会使我们对行星上生命演化的观点发生彻底的改变。对此我将在下面几章中加以阐述。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·太阳系的诞生《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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阿西莫夫最新科学指南·太阳系
太阳系的诞生
无论宇宙多么壮丽辽阔, 深邃莫测, 我们总不能永远沉湎于它的宏伟之中。我们必须回到我们生活的星球小家族中来, 回到我们的太阳以及环绕着太阳的星球上来。
到了牛顿时代, 人们已经能够把地球和太阳系的产生作为整个宇宙产生问题中的一个单独问题进行理智的推测。 (太阳是构成我们银河系的亿万颗恒星中的一颗, 而地球是环绕着太阳的行星中的一个。太阳系的示意图表明, 太阳系是一个具有某些统一特征的结构。
太阳系示意图, 点击上图看更大尺寸图片
１．所有的大行星几乎都在太阳的赤道面上环绕着。换句话说, 如果你给太阳和它的行星做一个立体模型的话, 你就会发现这个模型可以做得正好放进一个非常浅的平底锅上。
２．如果你从北极星方向往下看太阳系的话, 所有的大行星都以相同的方向--逆时针方向绕着太阳转动。
３．各个大行星在绕太阳公转的同时, 还绕自己的轴逆时针方向的自转 (有某些例外) ; 太阳本身也在逆时针方向自转。
４．这些行星离太阳的距离平稳地增加, 而且都有近乎圆形的轨道。
５．除了某些例外, 所有的卫星都在其各自的行星赤道面上, 以近乎圆形的轨道沿着逆时针方向绕行星运行。
这张图中的普遍规律性使人们自然而然地认为, 整个太阳系是由某种单一的过程产生的。
那么, 太阳系的生成过程是怎样的呢? 到目前为止, 所提出的全部理论可以分为两类: 灾变说和演化说。灾变说的观点是, 太阳是单独生成的, 在其历史上的某个较晚的阶段, 由于发生了某个激烈的事件, 结果使太阳得到了一个家族。演化说则认为, 太阳和行星, 整个系统从一开始就是以有条不紊的方式形成的。
在18世纪, 当时科学家们仍迷惑于圣经故事中的大洪水之类巨大事件, 因此认为地球的历史充满着激烈的灾变的假说颇受欢迎。那么为什么不能有一次超级大灾变来开始这整个过程呢? 法国博物学家布丰1745年提出了一个流行的理论, 认为太阳系是太阳和一个彗星在一次相撞时产生的碎片生成的。
布丰当然指的是太阳和另一个具有相当质量的天体的碰撞, 他之所以称这个天体为彗星是由于想不出别的名称。我们现在知道, 所谓彗星, 其实是被几缕极稀薄的气体及尘埃包围着的微小天体。但布丰的理论仍然可以存在, 只要我们给碰撞的天体另起一个名字就行了。后来, 天文学家们又回到了他的想法。
虽然如此, 对某些人来说, 把引起太阳系诞生的过程, 设想成一个时间很长很长的非灾变的过程, 似乎更为自然, 更少偶然性。这种想法能以某种方式适应牛顿所提出的支配宇宙中星球运动的自然定律。
牛顿自己曾经提出, 太阳系可能是由稀薄的气体尘埃云在万有引力的作用下逐渐凝聚而成的。当这些粒子聚集在一起时, 引力场会增强, 从而会加速凝聚, 最后, 整个质量就会坍缩成一个致密的天体 (太阳) , 收缩所释放的能量使天体变得炽热。
实质上, 这是今天有关太阳系起源的一些最流行的理论的基础。但是要回答一些具体问题, 还有许许多多困难的问题需要解决, 比如说, 高度离散的气体怎么能被非常微弱的引力聚集在一起呢? 近几年来, 天文学家提出, 这一起始力可能是一次超新星爆发。设想一大片数十亿年来没有多大变化的气体尘埃云, 恰巧行经一颗刚刚爆发的超新星周围, 爆发产生的激波和巨大的尘埃气体风暴强行冲入那片接近宁静的气体尘埃云, 增强了它的引力场, 开始了它的凝聚, 结果就形成了一颗恒星。
示意图: 形成太阳系的原始星云
如果这就是太阳诞生的方式, 那么行星又是如何产生的呢? 它们是从哪里来的呢? 1755年康德首先试图解答这个问题, 1796年法国天文学家兼数学家拉普拉斯也试图独立地解答这个问题。拉普拉斯描述得比较详细。
根据拉普拉斯的描述, 开始时这一大团收缩的物质云在旋转着, 越收缩旋转得越快, 正如滑冰的人把手臂内收时旋转得更快一样。 (这种效应是由于角动量守恒: 角动量等于转动物体的转动惯量Ｉ和角速度ω的乘积, 即Ｉω。对于不受外力作用的给定物体, 总角动量为恒量。当滑冰者双臂收回时, 转动惯量Ｉ减小, 角速度ω增大, 所以旋转得更快。) 当这团旋转的气体尘埃云加速后, 按照拉普拉斯的说法, 会从其快速旋转的赤道上抛出一个物质环, 从而减少了一些角动量, 剩下的气体尘埃云就慢下来。但是因为它进一步收缩, 它就会再一次达到那个速度; 使它抛出另一个物质环。这样, 正在聚结中的太阳就留下一系列的圆环--轮胎状的物质云。拉普拉斯认为, 这些圆环逐渐凝聚成行星, 而它们自身也按着这个过程抛出一些小圆环, 形成它们的卫星。
因为根据这个观点, 太阳系的起源乃是一团云或星云, 同时因为拉普拉斯曾举仙女座星云为例 (当时还不知道仙女座星云是一个巨大的星系, 而被认为是一团旋转着的气体尘埃云) , 所以这种说法被称为星云假说。
拉普拉斯的星云假说看起来非常符合太阳系的主要特征--甚至某些细节。比方说, 土星的光环很可能是凝结不起来的卫星环 (如果把这些环聚集在一起, 的确能够形成一个相当大的卫星) 。同样, 在火星和木星之间的一条带区里绕着太阳运转的小行星, 可能是一个环的一些节段的产物, 这个环未能聚合成一个行星。而当亥姆霍兹和开尔文勋爵逐步建立起太阳的能量来自太阳慢速收缩的理论时, 他们的理论似乎也符合拉普拉斯的说法。
星云假说盛行了大半个19世纪, 但在19世纪结束之前却出现了明显的致命缺陷。1859年, 麦克斯韦以数学的方法分析土星环, 发现由任何物体抛出的气体物质环只能凝结成像土星环那样的小粒子集合体, 永远不会形成一个固体, 因为万有引力会把环拉散, 不让它凝聚成一个坚固天体。
角动量的问题也出现了。原来在太阳系中, 行星所占的质量仅略大于1．1％, 却拥有总角动量的98％！单是木星就占有整个太阳系总角动量的60％。太阳则只占原始星云角动量的极小的一部分。那么, 为什么几乎全部的角动量都集中在从星云分裂出去的小环上呢?
由于下述情况, 这个问题变得更加令人迷惑不解: 木星和土星都有一个卫星系统, 看上去像是两个小型的太阳系, 而且可能是以同样的方式形成的, 但是中心的行星体却保留了大部分角动量。
到了1900年, 星云假说已经毫无生气, 以致任何演化的观点似乎都不可相信。于是灾变说又登场了。1905年, 两位美国科学家钱伯林和莫尔顿用一个比彗星更好的字眼, 把行星解释成是太阳和另一颗恒星几乎碰撞的结果。这次相遇从太阳和那颗恒星中拉出一些气体物质, 留在我们太阳附近的那些物质云团后来凝缩成一些小的星子, 然后再聚成行星。这就是星系假说。至于角动量的问题, 英国科学家金斯和Ｈ·杰弗里斯1918年提出了一种潮汐假说, 他们认为, 从我们太阳旁边经过的那颗恒星的万有引力把被拖出去的气体物质从侧面猛拉了一下, 从而使气体物质有了角动量, 如果这种灾变理论是正确的, 那么行星系统将会是非常稀少的。超新星爆发已经是很罕见的了, 而分布遥远的恒星发生碰撞的可能性还不到超新星的1/10000, 据估计, 根据这种理论在银河系的一生中, 能够产生太阳系这类的碰撞大概只发生过10次。
但是, 在数学分析的检验之下, 这些设计灾变的最初企图均未成功。罗素证明, 在任何这种接近碰撞中, 行星在离太阳就像实际那么远的地方就早毁灭了。此外, 为了补救这一理论, 人们曾经设想了各种实际碰撞而不是接近碰撞的情形, 也没有什么成效, 在20世纪30年代, 利特尔推测有一次三颗恒星相撞的可能性; 后来, 霍伊尔提出太阳曾经有过一个伴星, 以后变成超新星消失了, 留下了现在这些行星。然而1939年, 美国天文学家斯皮策证明, 在任何情况下, 从太阳抛射出来的任何物质都会因过热而无法凝聚成为星子, 而只能扩散成稀薄的气体。这个结论似乎结束了灾变的一切想法。 (不过, 1965年仍有一位英国天文学家伍尔夫森认为, 太阳可能是从一个松散的冷恒星那里得到它的行星物质的, 如此将不涉及极高温的问题) 。
于是, 在星子理论结束之后, 天文学家们又回到了演化的观点, 而对拉普拉斯的星云假说另眼相看了。
这时, 天文学家们对宇宙的了解已有了巨大的进展, 现在他们必须说明星系的形成。形成星系所需要的气体尘埃云, 要比被拉普拉斯设想为我们太阳系之母的云团大得多。同时, 现在看来, 这样一些巨大的物质集合体会经过湍流而分裂成许多旋涡, 而每个旋涡都有可能凝结成一个独立的系统。
1944年, 德国的天文学家韦扎克对这个构想作了透彻的分析。他计算出, 最大的旋涡含有形成星系的足够物质。旋涡在湍流收缩期间会产生子旋涡, 每个子旋涡也很大, 足以产生一个太阳系 (包含一个或多个太阳) , 而在太阳旋涡外围的亚子旋涡则可能形成行星。于是, 在这些亚子旋涡汇合处就像啮合的齿轮一样反向运转, 形成的尘埃粒子会互相碰撞并聚合在一起, 先形成星子, 然后再聚合成行星。
在解决行星角动量的问题上, 韦扎克的理论本身并没有超过比它简单得多的拉普拉斯理论。瑞典天体物理学家阿耳文考虑到了太阳的磁场。当年轻的太阳快速旋转时, 它的磁场就如同制动器一样使它减速, 从而将角动量传递给行星。霍伊尔对这一观点作了详细的说明, 因而使修改后的韦扎克理论既包括万有引力也包括磁力, 似乎是迄今为止能够说明太阳系起源的最好的理论。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·太阳《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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阿西莫夫最新科学指南·太阳系
太阳
很明显, 太阳是地球上光、热和生命本身的源泉。甚至在史前时代, 人类就必定会把太阳当做神来崇拜, 我们所知道的第一个一神论者, 是公元前1379年取得埃及王位的法老埃赫那顿, 他就把太阳当做惟一的神。在中世纪时代, 太阳是完美的象征, 虽然它本身没有被认为是神, 但无疑地认为它代表着上帝的完美。
最早对太阳的实际距离有概念的是古希腊人。阿利斯塔克的观测指出, 太阳离我们至少有数百万公里远, 因此根据肉眼所见的大小来判断, 它必然比地球大。然而只是大小尚不能给人以深刻的印象, 因为很容易把太阳设想成是一个仅由非实体的光所构成的大球。图: 太阳
直到牛顿时代才知道, 太阳不仅比地球大, 它的质量也远超过地球。同时还知道, 地球精确地沿一定的轨道绕太阳运行, 是因为地球受到太阳的强大的引力场的影响。我们现在知道, 太阳距离地球1.5×108公里; 直径1, 392, 000公里, 是地球直径的 110 倍。它的质量是地球的33万倍, 也是太阳系所有行星物质总和的745倍。换句话说, 太阳占有太阳系中99.86%的物质, 是这个系统中压倒一切的首领。
然而我们不应当过分注重它的大小; 其实它并不是一个完美的天体--如果我们像中世纪的学者们那样, 把完美定义为亮度均匀和毫无斑点的话。
在1610年将近年底的时候, 伽利略用他的望远镜在黄昏的雾霭中观察太阳, 结果每天都在日轮上看到深色的黑子。根据这些黑子横过太阳表面稳定前进, 以及它们在接近太阳边缘的过程中缩短的情形, 伽利略断定, 这些黑子是太阳表面的一部分, 同时推断, 太阳在略多于25个地球日的时间内绕自己的轴自转一周。
当然, 伽利略的发现遭到强烈的反对; 因为根据古老的观念, 这简直就是对神明的亵读。德国天文学家席纳尔也观察到了这些黑子, 不过他认为, 这些黑子并不是太阳的一部分, 而是一些绕太阳旋转的小天体, 只不过在明亮的日轮的衬托下显得较为黑暗而已, 但是伽利略获得了这场争辩的胜利。
1747年, 苏格兰天文学家威尔逊在靠近太阳边缘的地方看到了一个太阳黑子, 当从侧面看的时候, 有些内凹, 仿佛是太阳上的一个火山口。这一点在1795年被Ｗ·赫歇耳所采纳。Ｗ·赫歇耳认为, 太阳是一个既黑暗又寒冷的天体, 被一层燃烧着的气体包围着。按照这一观点, 太阳黑子则是一些洞, 透过这些洞可以看到里面那个寒冷的天体。Ｗ·赫歇尔猜测, 那个寒冷的天体上可能有一些有生命的东西居住着。 (请注意, 优秀的科学家也会提出一些鲁莽的理论, 这些理论在当时的知识背景之下, 似乎是合理的, 但是随着日后更多证据的累积, 终于被证明原来是非常荒唐的错误。)
实际上, 太阳黑子并不真正是黑色的。它们是太阳表面上一些比较冷的区域, 所以看上去显得比较暗。然而, 如果水星或金星运行到地球和太阳之间的话, 都会在日轮上显出一个真正的小黑圆圈。如果这个圆圈移动到一个太阳黑子附近, 人们就会发现太阳黑子其实并不真正是黑色的。 图: 黑子
然而即使是完全错误的观点也会有用, 因为Ｗ·赫歇耳的看法使人们增加了对太阳黑子的兴趣。
癖好天文学的德国药剂师施瓦贝在这个问题上却有了真正的突破。由于他白天整天工作, 无法晚上熬夜来看星星, 便设法给自己找一件白天能做的事, 最后决定观察日轮, 寻找接近太阳的行星, 行星从太阳前面经过, 可以证实这些行星的存在。
1825年, 他开始观察太阳, 因而经常看到太阳黑子。过了一段时间以后, 他把行星的事丢到了脑后而开始描绘这些每天都改变位置和形状的太阳黑子。只要不是全阴天, 他就天天观察太阳, 一直坚持了17年之久。
到了1843年, 他非常有把握地宣称, 这些太阳黑子并不是随意出现的, 而是有一个周期, 年复一年, 太阳黑子愈来愈多; 一直达到一个顶峰; 然后数量逐渐减少, 直到几乎没有; 于是一个新的周期再度开始。我们现在知道, 这个周期有点不规则, 但平均起来大约是１１年。施瓦贝的发现并没有受到重视 (毕竟, 他只是个药剂师) ; 直到著名的科学家洪堡1851年在他的一部科学著作《宇宙》中提到这个周期之后; 才为人们所接受。
此时, 苏格兰血统的德国天文学家拉蒙特在测量地球的磁场强度。他发现地球磁场的强度有规律地上升和下降。1852年, 美国物理学家赛宾指出, 这个周期与太阳黑子的周期时间相合。
这样看来, 太阳黑子对地球有影响, 因而人们开始怀着浓厚的兴趣研究太阳黑子。每年都根据一个公式给出一个苏黎世太阳黑子数, 这个公式是在苏黎世工作的瑞士天文学家沃尔夫1849年首先提出的。 (他还率先指出, 极光发生率的升降也与太阳黑子的周期合拍。)
太阳黑子似乎与太阳的磁场有关, 并且似乎出现在磁力线的出射点上。1908年, 在发现太阳黑子３个世纪之后, 海耳探测到一个与太阳黑子相联系的强力磁场。太阳的磁场为什么会有那些表现, 为什么会在不固定的时间和地点出现在太阳表面上, 为什么其强度会随着某些不规则的周期而增减? 这些问题到目前为止仍属于未能解决的太阳之谜。
1893年, 美国天文学家蒙德为了建立伽利略发现太阳黑子后的第一个世纪中太阳黑子周期的资料, 检查了所有早期的报告。他惊讶地发现, 在1645年--1715年竟然没有有关太阳黑子的报告。诸如Ｊ·Ｄ·卡西尼等重要天文学家都寻找过太阳黑子, 并对他们一个黑子也没有找到的事发表过评论。蒙德1894年将此发现予以公布, 1922年再次公布, 但是, 他的工作没有受到重视。太阳黑子的周期已经被证实得如此充分, 以致要说有一段70年的时间几乎没有太阳黑子出现, 这似乎是难以令人相信的。
20世纪70年代, 美国天文学家埃迪无意中发现了这份报告, 经仔细检查, 发现的确有所谓的蒙德极小期。他不仅重复了蒙德的研究, 而且调查了从包括远东在内的许多地区收集来的用肉眼观测到的特大太阳黑子的报告--这些都是蒙德未得到的资料。这些纪录追溯到公元前5世纪, 通常每个世纪有5～10次的观测记录。在这中间也有间断, 其中一次间断跨越了蒙德极小期。
埃迪还检查了关于极光的报告。极光的频率和强度以太阳黑子的周期升降。结果表明, 1715年以后这种报告很多, 1645年以前也不少, 但是在1645年--1715年却一份也没有。
再者, 当太阳磁场活跃并有许多太阳黑子时, 日冕会充满日冕射线而显得非常美丽。当缺乏太阳黑子时, 日冕看起来像是毫无特色的烟雾。日冕在日食时可以看到; 尽管在17世纪天文学家很少旅行去观察日食, 但是, 在蒙德极小期期间同样存在着日食报告, 这样的报告讲的一律都是没有或很少有太阳黑子时的那一类日冕。
最后, 在黑子极大期之时, 会发生一连串的事件, 使碳－14的产量比平常低。因此, 可以分析树木年轮中碳14的含量, 以碳14含量的升降来判断太阳黑子的极大期或极小期。这种分析也证明了蒙德极小期的存在, 实际上, 在更早的一些世纪中已有许多个蒙德极小期。
埃迪的报告指出, 在最近的5000年内大约有12个周期, 而每次蒙德极小期持续的时间从50年-200年不等。 例如, 在1400年-1510年就有一个蒙德极小期。
既然太阳黑子的周期对地球有影响, 我们或许会问, 蒙德极小期对地球有什么影响? 这个影响可以说与冷期有关。在17世纪的第一个10年当中, 欧洲的冬天非常寒冷, 以致被称为小冰河时期。在1400-l510年的蒙德极小期期间也很寒冷, 当时格陵兰岛上的挪威移民都消失了, 因为天气冷得简直无法生存。图: 日食
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·月球《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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阿西莫夫最新科学指南·太阳系
月球
当1543年哥白尼把太阳放在太阳系的中心以后, 地球的忠实跟随者仅剩下月球了。过去长久以来, 地球一直被认为是太阳系的中心。
月球每27.32天绕地球一周 (相对于恒星而言) 。它也以同样的时间绕自己的轴自转一周。由于公转和自转周期相同, 导致它永远以同一面对着地球。这个公转和自转周期的相等并不是一个巧合, 而是地球对月球有潮汐作用的结果, 这一点我将在下面解释。
月球相对于恒星的公转我们称为恒星月。然而当月球绕地球公转时, 地球也绕着太阳公转。这样当月球绕地球一周时, 由于地球的运动带着月亮一起运动, 所以太阳在天空的位置也略有移动。月球必须再公转两天半的时间才能赶上太阳, 回到和以前相同的相对与太阳的位置。月球相对于太阳绕地球公转称为朔望月, 朔望月是29.35天。
对人类而言, 朔望月远比恒星月重要得多, 因为在月球绕地球公转的过程中, 日光照射到我们所看见的月面上的入射角会经历稳定的变化, 而这个角度决定乎月球相对于太阳的公转。月球要经历接连发生的月相。在一个月的开头, 月亮正好位于太阳的东边, 只有日落以后才能看到一弯细细的娥眉月。
图: 月相
夜复一夜, 月球行离太阳愈来愈远, 娥眉月也愈来愈粗, 终于, 月球明亮的部分变成了半个圆, 之后, 它超过了半圆。当月球运行到正好与太阳相对的天空位置时, 太阳光便通过地球的"肩膀" (打个比方) 照亮我们可以看到的整个月面: 这个明亮的圆月面称为满月 (望) 。
之后, 黑影从娥眉月出现的地方侵入月球。夜复一夜, 月球明亮的部分逐渐减少, 直到再次成为半圆; 但明亮部分和上次的半圆相反。最后, 我们只能在破晓时看到一弯娥眉月出现在太阳的西边, 但弯钩的方向却和月初的娥眉月相反, 然后月球通过太阳; 再度在夕阳之后以娥眉月出现, 整个变化又重新开始。
月相变化的整个周期持续29.5天, 正好是朔望月的时间, 构成了人类最早历法的基础。
人类当初以为月球随着月相的变化, 真的是在盈、亏、生、死。甚至有人认为, 每次在日落后出现于西方天空的娥眉月确确实实是一个新的月球, 直到今天人们仍称之为新月。
图: 新月
然而, 古希腊的天文学家认识到, 月球一定是一个球; 由于只能反射太阳光而发光, 所以才会有月相变化; 而月球在天空中相对于太阳的位置变化恰恰正是发生月相的原因。这是一个十分重要的事实。希腊哲学家, 特别是亚里士多德, 企图证明地球的性质和其他天体共有的性质全然不同, 以此把地球和其他天体区分开来。于是, 他们提出, 地球是黑暗的并且不发光, 而所有其他的天体都发光。亚里士多德认为, 天体是由一种他称为以太 (源自希腊语"发光") 的物质构成的, 这种物质与构成地球的物质根本不同。然而月球的月相周期表明, 月球和地球一样自身不发光, 只是因为反射太阳光才发亮。所以, 月球至少在这一点上和地球是相同的。
此外, 有时太阳和月球正巧位于地球的两边, 太阳光被地球挡住而无法到达月球, 于是月球便通过地球的阴影而发生月食; 月食总是发生在满月的时候。
在远古时代, 人们认为, 月食是月球被某种邪恶势力所吞噬, 会永远完全消失。这曾经被看成是一种可怕的现象; 而科学的一项早期成果, 就是能够预报月食, 并证明这是一种很容易解释明白的自然现象, (有人认为, 英国索尔兹伯里平原上的史前巨石阵就是远古石器时代的天文台, 可以根据太阳和月亮相对于这一结构中规则排列的石柱的位置变化, 来预报月食的来临。)
事实上, 当月球是娥眉月时, 有时可以看到以微红的光勾画出来的月球其余部分的暗淡轮廓, 伽利略认为, 地球和月球一样, 一定也反射太阳光而发亮, 而月球上没被太阳照到的部分会被地球光朦胧地照亮。只有当能够被看到的受太阳照射的部分非常小, 小到它的光不至于淹没掉暗淡得多的地光时, 才能看到这种情景。所以, 不仅月球像地球一样不发光, 地球也像月球一样反射太阳光, 并和月球一样出现位相变化 (如果从月球上来看的话) 。
地球和其他天体之间另一个想象的根本差异是: 地球是有瑕疵的、不完美的、不断变化的, 而其他天体则是完美无缺的、永恒不变的。
天上的星球中; 只有太阳和月球在人的肉眼看来不是光点。在这两者之中, 太阳看上去是一个完美的光圆, 而月球--即使不考虑它的月相变化--是不完美的。在满月的时候, 月亮看来似乎是一个非常完美的光盘, 然而很明显它并不完美。在它柔和的光面上有许多污迹, 它们损害了完美的观念。远古的人类把这些污迹当作绘画的题材, 每种文化所画出来的图画都不一样。人类的自负使得人们把这些污迹看成是一幅人的图画, 至今我们仍然说到"月球上的人"。
1609年, 伽利略首次用望远镜观察天空, 当他将镜头指向月球时, 看到了高山、环形山和平原, 最终证明月球并不是一个完美的天体, 它与地球十分不同, 但却是一个和地球类似的世界。
图: 月球
但是, 这项认识本身并没有完全推翻古老的想法。希腊人注意到, 在通常情况下, 天空中有几个天体稳定地改变着相对于恒星的位置, 其中月球改变得最快。他们认为, 这是因为月球距离地球比其他天体近的缘故 (这一点希腊人是对的) , 有人可能会争辩说, 因为月球靠近地球, 所以多少会受到地球不完美的污染, 月球受了近邻之害。直到伽利略发现太阳黑子后, 完美天体的想法才真正被打碎。测量月球
如果月球是最接近地球的天体, 它有多近呢? 在企图确定这个距离的古希腊天文学家中, 喜帕恰斯基本上得出了正确的答案。现在知道月球离地球的平均距离是384 401.377公里, 大约是地球周长的9.6倍。
如果月球的轨道是圆的, 那么它和地球之间会总是这个距离。然而月球的轨道有点椭圆, 而且地球并不在椭圆的中心, 而是在中心以外的一个焦点上, 所以月球在近乎一半的轨道上略接近地球, 而在另一半轨道上则略远离地球。最接近地球的地方称为近地点, 距离地球356 400公里; 离地球最远的地方称为远地点, 距离为406 600公里。
如同希腊人猜测的那样, 月球是所有天体中最接近地球的天体。即使我们不管恒星而只考虑太阳系, 那么相对来说月球也是在我们的后院。
月球的直径从它的距离和视大小来判断, 大约是3480公里, 地球的直径是它的3.65倍, 太阳的直径则是它的412倍, 碰巧太阳到地球的距离大约是月球到地球平均距离的390倍, 所以距离和直径的差异几乎抵消, 使这两个实际大小相差很大的大体在天空中看起来却差不多大。由于这个缘故, 当月球运行到太阳正前方时, 这个小而近的天体几乎可以完全遮掩住大而远的太阳, 使日全食成为壮丽的奇观。这是一个惊人的巧合, 它对我们有益。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·到月球上去 《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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到月球上去
月球离地球如此之近, 在天空中的形象又是如此地突出, 所以长久以来一直激励着人们的想像力。是不是有方法到月球上去呢? 人们可能也想到太阳上去, 但太阳明显的又高又热使这些人泄了气。月球不仅近得多, 而且温和得多, 显然是一个比较理想的目标。图: 从月球上看到的地球, 阿波罗8号所摄。这是伽利略所梦想的景象
在早些时候, 人们似乎并不认为到月球上去是一件无法完成的工作, 因为那时候人们认为大气延伸到所有的天体, 所以任何能把你带到空中的东西, 在极端的情况下有可能会把你带到月球上去。
因此, 在之世纪时, 叙利亚作家卢奇安写了我们所知道的第一个空间旅行的故事。故事中说, 一艘船遇上龙卷风, 船被龙卷风卷起的水柱顶上了云霄, 高得可以到达月球。
接着1638年, 出现了一本名为《月中人》的书, 作者是英国牧师戈德温 (在这本书出版之前作者就去世了) 。书中的主人公乘着由大鹅拉的马车到了月球; 这些大鹅每年都要移栖到月球上去。
然而1643年, 空气压力的性质逐渐为人们所了解, 人们立刻发现, 地球的大气不可能延伸到地球表面几公里以外的地方。地球和月球之间的空间大部分是真空, 水柱无法穿透, 大鹅也不能飞行。到月球去的问题空然变得难以解决, 但仍然不是毫无办法。
1650年, 出现了一本叫做《到月球去旅行》的书, 是法国作家西拉诺·德·贝热拉写的, 这本书是在作者死后才出版的。西拉诺·德·贝热拉在书中列出7种可能到达月球的方法, 其中6种因种种理由发现是完全错误的。但他的第七种方法是利用火箭。火箭的确是那时 (或现在, 就此而言) 所知道的可以穿越真空的惟一方法。图: 凡尔纳的杰作《从地球到月球》
然而直到1687年, 人们才明白了火箭的原理。那年, 牛顿出版了他的巨著《自然哲学的数学原理》, 其中列出了他的运动三定律。第三定律就是尽人皆知的作用与反作用定律: 当一个力作用在某个方向时, 在另一个方向上会产生一个大小相等、方向相反的力。因此, 如果一枚火箭往某方向喷出大量物质的话, 火箭的其余部分会往另一个方向运动, 无论在空气中还是在真空中都是这样。实际上, 在真空中会运动得更轻松, 因为没有空气阻抗运动。 (人们通常认为, 火箭需要某个东西来推它, 这种看法是错误的。)
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火箭技术
火箭并不只是理论上的事物。早在西拉诺·德·贝热拉把它写下来以及牛顿把它理论化之前的几个世纪中, 它就存在了。
中国人早在13世纪就发明并利用小火箭来进行心理战--吓唬敌人, 而现代的西方文明则是将火箭当作杀人的武器。18世纪80年代, 印度军队曾使用火箭来抵抗英军, 英国大炮专家康格里夫由此在东方学到了火箭的秘诀。1801年他设计了许多致命的飞弹。有些飞弹在1812年战争中被用来和美国作战, 其中著名的一次是1814年麦克亨利堡大轰击, 这次大轰击激发弗朗西斯·司各特·基写了《星条旗》, 歌颂"火箭的眩目红光"。但是当传统大炮在射程、准确性和威力方面获得改进之后, 火箭就一蹶不振。然而在第二次世界大战中发展起来的火箭炮 (美国的火箭筒和苏联的喀秋莎) , 基本上是利用火箭推进的炸药包。另外, 喷气式飞机也是利用火箭的作用和反作用原理, 只是规模大得多。
大约在20世纪开始的时候, 有两个人不约而同地想到了一种新的更好的利用火箭的用途--探测高层大气及空间。他们分别是俄国的齐奥尔科夫斯基和美国的戈达德。 (富有想像力的德国发明家赫尔曼·甘斯温特在当时也提出过甚至更加雄心勃勃但不太系统、不大科学的构想, 所以, 考虑到后来的发展, 说一个俄国人和一个美国人是火箭时代的第一批先驱, 这的确是很奇怪的。)
齐奥尔科夫斯基在1903－1913年之间首先出版了他的推测和计算; 戈达德则直到1919年才出版。但戈达德却是第一位将推测付诸实际行动的人。 1926年3月16日, 在马萨诸塞州奥本一个冰雪覆盖的农场里, 戈达德发射了一枚火箭, 升入空中60米 (200英尺) 。值得注意的是, 他的火箭是由液体燃料助推, 而不是火药。普通的火箭、火箭炮和喷气式飞机等都是利用周围空气中的氧, 而戈达德的火箭当时就是为在外层空间工作而设计的, 所以必须携带液态氧作为氧化剂。
图: 戈达德与他的火箭
凡尔纳在他19世纪的科幻小说中, 曾设想以大炮作为去月球旅行用的发射装置。但是, 大炮在发射时就把全部力量一下子用完了, 而此时正是大气最稠密、阻力最大的时候。不仅如此, 宇宙飞船在起飞的时候就得到它所需要的全部加速度, 这种加速度大得足以把宇宙飞船内的任何人压得粉身碎骨。
戈达德的火箭在一开始慢慢地上升, 逐渐增加速度, 在大气稀薄、阻力微小的高空使用它最后的冲力。速度的逐渐增加就是把加速度保持在能够承受的水平, 这一点对于载人的宇宙飞船是非常重要的。
遗憾的是, 戈达德的成就几乎没有得到任何重视, 只有他那生气的邻居一直想把他赶到别处去做实验。于是戈达德便将火箭发射场移到一个更隐秘的地方。在1930－1935年之间, 他的火箭达到了每小时885公里 (550英里) 的速度, 高度达2．5公里0．5英里。他研制出了控制火箭飞行的系统和使火箭保持正确航向的陀螺仪。戈达德也申请到多节火箭的专利。由于多节火箭每一节都甩掉部分原始重量, 同时新的一节从上一节得到的速度开始加速, 因此起始速度一节比一节高, 所以, 一枚多节火箭与一枚载有同量燃料的单节火箭相比, 得到的速度要大得多。
第二次世界大战期间, 美国海军不认真支持戈达德做更深入的实验。就在这时候, 德国政府使用了一批起初受过奥伯特鼓舞的年轻人作为它的特种部队, 在火箭研究方面做了很大的努力。奥伯特是一位罗马尼亚的数学家, 曾在1923年写了一些关于火箭和宇宙飞船的作品, 这些作品与齐奥尔科夫斯基和戈达德毫无关系。德国的研究开始于1935年, 终于发展出V－2火箭。在火箭专家冯·布劳恩 (第二次世界大战之后, 他把他的才能交给了美国来支配) 的指导下, 1942年发射了第一枚真正的火箭飞弹。V－2在1944年投入战场。尽管总共发射了4300枚, 并且有1230枚击中伦敦, 但已无法使纳粹获得这场战争的胜利。冯·布劳恩的火箭杀死了2511名英国人, 重伤5869人。
图: Ｖ－２火箭 1945年8月10日, 几乎就在第二次世界大战结束的同一天, 正好在戈达德最后看到他的火花烧成熊熊火焰的时候, 他死了。由于受到V－2成功的刺激, 美国和苏联都全力网罗德国的火箭专家投入火箭的研究。
起初, 美国用掳获的V－2火箭研究高层大气, 到1952年, 这些库存火箭用完了。而在那时, 美国和苏联都已经建造了更大更先进的火箭助推器。火箭技术在继续发展。
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探测月球
一个新纪元开始了！1957年10月 4 日 (在纪念齐奥尔科夫斯基百年诞辰的那个月内) 苏联把第一颗人造卫星 (卫星１号) 送入轨道。卫星１号以椭圆轨道绕地球运行, 在近地点时, 位于地球表面上方251公里 (156英里) , 或者说距离地球中心6600公里 (4100英里) ; 在远地点时, 则远离地球900公里 (560英里) 。椭圆轨道有点像公园中游玩用的滑行铁道场。从远地点到近地点的运行中, 我们可以说人造卫星是滑下坡, 因而失去引力势, 速度增加, 使人造卫星在近地点时能以最高速度再度开始上坡, 就像滑行铁道的作用一样。在上坡时, 人造卫星速度降低, 并且在远地点达到最低速度, 然后再次下滑。图: 卫星１号, 新纪元的象征
卫星１号在近地点通过稀疏的高层大气。那里的空气阻力虽然很小, 却足以使人造地球卫星每次旅行的速度略有降低。每次绕行都无法达到上一次远地点的高度。渐渐地, 它像螺旋一般向内行进。最后, 因失去能量大多, 被地球的强大拉力拉进稠密的大气, 而给空气的摩擦燃烧掉。
人造卫星的轨道以这种方式衰退的速度取决于人造卫星的质量、形状和所通过的空气密度。因此, 我们可以计算出那个高度的大气密度。人造卫星使我们首次能够直接测量高层大气的密度。结果证明高层大气的密度比想象的要高, 但是, 举例来说, 在240公里的高度, 大气密度仍然只有海平面的10-7, 在360公里的高度则只有海平面的10-9。
然而这些十分稀薄的空气却不可忽视, 即使在1600公里的高空, 大气密度只有海平面的10-14, 但这个密度却是外层空间的10亿倍。地球的大气层向外扩散得非常远。
在这个领域, 苏联并未独占下去, 在不到4个月的时间里, 美国也加入进来。1958年1月30日, 第一颗美国人造卫星探险者１号送入了轨道。
人造卫星一被送入地球轨道, 人们的眼睛就更热切地转向月球。诚然, 月球已经失去了一部分魅力, 因为虽然人们认识到它是一个世界, 而不仅仅是天空中的一个发光体, 但它己不再是早些时候人们所想象的那个世界了。
在伽利略的望远镜出现之前, 人们总是认为, 如果天体是一个世界的话, 必然会充满生物, 甚至会有像人类一样聪明的生物。早期的科幻小说对月球作了这样的假设, 以后的科幻小说也是如此, 直到20世纪。
1835年, 一位名叫洛克的英国作家为《纽约太阳报》撰写了一系列的文章, 主要是描述对月球表面的严肃的科学研究, 说在月球表面发现了许多种生物。这些描述非常详细, 很快就为许多人所深信。
然而在伽利略用他的望远镜观察月球后不久, 即发现月球上显然不会有生命存在。月球表面从来不曾被云或雾遮掩过, 明暗两半球间的分界线总是那么清晰, 因而没有可以察觉到的曙暮光。月球表面暗色的"海", 伽利略曾以为是一片片的水, 后来发现其上散布着一群小的环形山, 充其量这些"海"只是相对平坦的沙地而已。事情很快就清楚了, 月球并不含任何水及空气, 因此没有生命。
然而, 这样匆匆地下结论或许太草率了。人们始终看不到的月球背面, 其情况又是怎样的呢? 会不会在背面有少许的水分, 虽然不能养活大的生物, 但却足以养活类似细菌之类的东西呢? 或者, 如果根本没有生命, 会不会在土壤中有一些能够表示一种缓慢而可能夭折了的向着生命演化的化学物质呢? 即使这些都没有, 对月球仍有一些与生命无关的问题需要回答。月球是在哪里形成的? 它的矿物结构如何? 它有多大年龄?
所以, 在卫星１号发射之后不久, 这项新技术就开始用来探测月球。第一枚成功的月球探测器, 即第一颗近距离通过月球的人造卫星, 在1959年1月2日由苏联发射升空。它就是月球１号, 第一个环绕太阳运行的人造物。不到两个月, 美国也取得了同样的成就。图: 月球１号
1959年9月12日, 苏联发射了月球２号, 目的是让它击中月球。这是人类有史以来第一次把人造物降落在另一个世界的表面。接着一个月后, 苏联人造卫星月球３号在月球上方滑行, 并且将电视摄影机朝向我们在地球上永远看不到的月球背面, 从月球表面上方64000公里之处传送回来40分钟月球背面的图像。 画面模糊不清而且质量很差, 不过显示了一些有趣的东西。月球的背面几乎没有正面那样明显的"海"。为什么会有这种不对称还不大清楚。不过根据科学家的推测, "海"的形成在月球历史上可能相当晚, 这个时候月球已经永远以同一面向着地球, 而大流星受地球重力的影响, 偏向月球朝着地球的那一面, 造成了月球上的"海"。
但是探测月球只是刚刚开始。1964年, 美国发射了一枚月球探测器徘徊者７号, 目的是撞击月球表面, 并在接近月球时拍摄照片。1964年7月31日, 它圆满地完成了任务, 在一处现在叫做已知海的地方拍了4316张照片。1965年初, 徘徊者８号和徘徊者９号取得了更大的成功。这些月球探测器查明, 月球表面非常坚硬, 并不像某些天文学家所猜测的那样, 上面覆盖着一层厚灰尘。这些探测器还表明, 即使在望远镜中看起来非常平坦的地方, 实际上也布满环形山, 这些环形山太小, 在地球上无法看到。
苏联的探测器月球９号1966年2月3日成功地完成了一次不造成任何破坏的软着陆。1966年4月3日, 苏联将月球１０号送入每３小时绕月球一周的轨道。它测量了月球表面的放射性, 图像表明, 月球表面的岩石和地球海底下的玄武岩相似。
美国的火箭专家以更为精巧的火箭技术沿着这个开端前进。
1966年6月1日, 美国的探测者１号在月球上首次软着陆。1967年9月, 探测者５号在地球上的无线电遥控下处理和分析了月球上的土壤, 证明的确类似玄武岩, 而且含有可能是出自流星的铁的微粒。 1966年8月10日, 美国发射了第一枚月球轨道环行器。这枚月球轨道环行器对月球的各个部分都作了详细的拍照, 使人们非常详尽地了解到月球表面各个地方 (包括地球上永远看不到的那一面) 的特征。此外, 还拍摄了一些令人吃惊的从月球上所看到的地球的照片。
顺便说一下, 月面环形山过去是以天文学家和其他伟人的名字来命名的。因为大部分的名字都是由意大利天文学家里乔利1650年左右决定的, 所以较大的环形山以希腊天文学家亚里士多德、阿基米得及托勒玫和老天文学家哥白尼、第谷和开普勒命名。图: 哥白尼环形山
由月球３号首先揭示出来的月球背面则提供了一些新的命名机会。其中一些注目的特征都被俄国人抢先占有, 这也是他们的权利。他们不仅以齐奥尔科夫斯基这位伟大的空间旅行的预言家来命名, 而且还以18世纪后期的两名化学家罗蒙诺索夫和波波夫来命名。他们也用环形山来表彰西方的名人, 如麦克斯韦、赫兹、爱迪生、巴斯德和居里夫妇, 这些人都在本书中提到过。另外, 在月球背面还有一个非常相称的名字, 就是法国科幻小说先驱作家凡尔纳。
1970年, 人们对月球的另一面已经了解得非常清楚, 所以能够对其特征系统地加以命名。在美国天文学家门泽尔的领导下, 一个国际组织确定了数以百计的名字来纪念过去以各种方式对科学发展作出贡献的伟人。非常突出的环形山分给了诸如门捷列夫 (第一个研究出元素周期表的人, 我将在第六章中讨论他) 和加加林 (第一个进入绕地球轨道运行的人, 后来在一次飞机失事中死亡) 那样的俄罗斯人。另一些突出特征用来纪念荷兰天文学家赫茨普龙、法国数学家伽罗瓦、意大利物理学家费密、美国数学家维纳和英国物理学家科克罗夫特。在一个限定的区域内, 我们可以找到能斯脱、伦琴、洛伦兹、莫塞莱、爱因斯但、玻尔和道尔顿, 所有这些人在发展原子理论和亚原子结构方面都起了非常重要的作用。
由于对科学著作和科幻小说的喜好, 门泽尔决定将几个环形山分配给一些人, 他们在正统科学把空间飞行视为妄想而不予理睬的时候, 却帮助激发起整整一代人对空间飞行的热情。为此有一个环形山被用来纪念根斯巴克, 他出版了美国第一本全部登载科幻小说的杂志; 另一个环形山则用来纪念威利·莱, 在所有作家当中, 他是最不屈不挠地精确描述火箭的潜力及其成就的人。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·宇航员和月球《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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宇航员和月球
然而不载人的月球探险, 无论多么地精彩和成功, 也还是不够的。难道人就不能和火箭做伴吗? 实际上, 在卫星１号发射后, 仅用了３年半的时间, 人们就朝着这个方向迈出了第一步。图: 加加林
1961年4月12日, 苏联宇航员加加林被射入轨道而且安全返回地面。3个月后的8月6日, 另一位苏联宇航员季托夫绕地球17圈才着陆, 自由飞行了24小时。1962年的2月20日, 美国把它的第一位宇航员格伦送入轨道, 绕地球3圈。此后, 许多人离开过地球, 有的甚至留在空间达数月之久。1963年6月16日, 苏联的一位女宇航员捷列什科娃被射入轨道, 自由飞行71小时, 共绕地球17圈。1983年, 赖德成为美国第一位被送入轨道的女宇航员。
火箭也曾一次载2～3人离开地球。第一次是在1964年10月12日, 载有苏联宇航员科马罗夫、费奥克季斯托夫和叶哥罗夫。美国则在1965年3月23日首次发射载有多人的火箭, 上有格里索姆和J.W.扬。
1965年3月18日, 苏联宇航员列昂诺夫成了第一位在空间离开宇宙飞船的人。1965年6月3日, 美国航天员怀特也做了空间行走。
虽然在1965年之前苏联取得了大部分的空间"第一", 但是美国却后来居上。载人航天器在空间进行演习、会合和对接, 并且开始飞向越来越远的地方。
然而, 在航天计划的进行中也有灾难发生。1967年1月, 三位美国宇航员格里索姆、怀特和查菲在一次例行测试中因航天舱起火而丧生于地面。之后1967年4月23日, 科马罗夫在返回地面时因降落伞缠结而殉难, 他是第一位在航天飞行中死亡的人。
由于这些灾难, 美国重新设计了航天舱, 使之更为安全, 因而推迟了使用三人宇宙飞船登月的阿波罗计划, 但是这个计划并没有被放弃。第一艘载人的阿波罗宇宙飞船阿波罗７号, 于1968年10月11日发射, 载有3名宇航员, 以拉希为指令长, 阿波罗8号于1968年12月21日发射, 在博尔曼的指挥下接近月球, 以相当近的距离环绕月球。1969年5月18日发射的阿波罗10号也接近月球, 并把一枚登月舱送到离月球表面14．5公里 (9英里) 的地方。
终于, 1969年7月16日, 阿波罗11号在N.A.阿姆斯特朗的指挥下发射了。7月20日, 阿姆斯特朗成为第一位站在另一个世界土地上的人。图: 我的一小步, 人类的一大步
从那次以后又发射了6艘阿波罗宇宙飞船, 其中有5艘--12、14、15、16、17号--非常成功地完成了它们的任务。阿波罗13号因在空间发生了故障被迫返回, 没有在月球着陆, 不过它安全地返回了地球, 无人丧生。
苏联的航天计划中还没有包括载人到月球的飞行, 但是1970年9月12日, 往月球上发射了一艘不载人的宇宙飞船。这艘飞船在月球上安全地软着陆, 采集了一些土壤和岩石的标本, 然后把这些标本平安地带回了地球。在这之后, 苏联一艘自动宇宙飞船在月球上着陆, 从地球上遥控着在月球上移动了几个月, 不断地把资料送回地球。
从对月岩 (载人的或不载人的登月所带回的) 的研究中, 得到一项惹人注目的结果, 就是月球似乎完全是死的。月球表面好像一直曝露在高热之下, 因为上面覆盖着一层像玻璃一样的东西, 看来可能是表面岩石被熔化的结果。没有任何水的痕迹, 也没有迹象表明月面下面可能存在水或过去可能存在水。那里没有任何生命, 甚至没有任何可能与生命有关的化学物质的迹象。
从1971年12月之后, 再没有任何登月活动, 目前也没有任何登月的计划。然而毫无疑问, 人类的技术能够把人和机器在任何需要的时候放到月球表面, 同时, 航天计划在其他方面仍在进行。扫校者注: 90年代中期开始对月球进行了新的考察。人们猜想上面可能存在着水, 但现在 (2001年) 还没有发现可靠证据。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·金星和水星《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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金星和水星
在环绕太阳的行星中, 有两个比地球更靠近太阳, 它们就是金星和水星。地球至太阳的平均距离是1.5×l08公里, 金星是1.08×l08公里, 而水星是0.58×l08公里。
因此我们总是在太阳的附近看到金星和水星。从地球上看, 金星离太阳不会超过47°, 而水星离大阳永远不会超过28°。当金星或水星在太阳东边的时候, 在傍晚日落后就出现在西方的天空, 并在不久之后也落入地平线, 因此被称为昏星。
当金星或水星位于其轨道的另一边, 也就是在太阳西边的时候, 则出现于黎明前的东方, 而在太阳升起后即消失在太阳的光辉中, 因而被称为晨星。
起初, 人们似乎自然而然地认为, 两颗昏星和两颗晨星是四颗不同的星。但是, 从观察中逐渐发现, 当其中一颗昏星出现在天空时, 相对的那颗晨星从不出现; 反之亦然。人们开始觉得似乎只有两颗行星, 每一颗都穿梭般地在太阳的两边来回移动, 轮流扮演昏星和晨星的角色。第一位发表这个想法的是公元前６世纪的希腊人毕达哥拉斯, 而他的这个想法可能是从巴比伦人那里学来的。图: 金星在天空中的运动轨迹 (点击放大图片)
在这两颗行星中, 观察金星比观察水星要容易得多。首先是它离地球比较近。当地球和金星在太阳的同一侧的时候, 它们的距离可以近到只有4023万公里 (2500万英里) , 因此金星到地球的距离仅是月球的100倍左右。 除了月球之外, 没有一个大的天体比金星更接近我们。当水星和地球位于太阳同一侧时, 两者之间的平均距离是9200万公里 (5700万英里) 。
金星不仅比较靠近地球 (至少, 当两者在太阳的同一侧时) , 而且也是一个比较大的天体, 能够接受比较多的阳光。金星的直径有12100公里, 而水星只有4880公里。 此外, 金星有云, 可以比水星反射更多的阳光; 水星则没有大气, 只能像月球一样以光秃的岩石来反射光。
结果金星的最大亮度是－4.22星等, 这个亮度是天空中最亮的恒星--天狼星的12.6倍, 除了太阳和月亮之外, 的确是天上最亮的天体了。金星是如此之亮, 在没有月亮的黑夜里, 它能够投射出可以觉察到的阴影。水星的亮度只有－1．2星等, 和天狼星差不多, 但仍然只有金星最亮时的1/17。
因为水星离太阳很近, 所以只有在天空尚有暮光或黎明的时候在地平线附近才能看到。因此, 尽管它很亮, 还是很难观察到。人们常说, 哥白尼本人从未看见过水星。图: 水星伴月 (点击放大图片)
金星和水星总是在太阳附近被发现, 而且从太阳的一边到另一边来回移动; 这些事实自然地会使一些人猜想, 这两颗行星绕太阳而不是绕地球运转。这个想法是由希腊天文学家赫拉克利德斯在公元前350年首先提出的, 但没有被人们接受, 直到19个世纪以后, 哥白尼再度提出这个构想, 不仅水星和金星, 而且所有的行星都绕太阳运行。
如果哥白尼是正确的, 如果金星是一个不透光的天体, 只是像月球那样靠反射太阳光而发亮的话, 那么, 从地球上观察, 金星应该和月亮一样有位相。1610年12月11日, 伽利略从他的望远镜中观察金星, 看到它的球面只有部分发亮。他不时地观察它, 发现的确有和月亮一样的位相变化。这对以地球为中心的行星系统是最后的致命一击, 因为这个系统无法解释实际观察到的金星的位相变化。最后天文学家也观察到了水星的位相变化。测量金星和水星
金星和水星都很难用望远镜进行观察。由于水星离太阳那么近, 体积那么小, 离地球又那么遥远, 所以很难辨认出它表面上的标志。然而意大利天文学家斯基帕雷利却一直在仔细地研究那些标志。根据那些标志随时间变化的方式, 1889年他宣称, 水星以88天的周期绕它的轴自转。
这个说法似乎有道理, 因为水星绕太阳公转的周期也是88天。水星离太阳很近, 足以被太阳的引力锁定, 如同月球被地球锁定一样, 使水星自转和公转的周期相同。
虽然金星比较大, 而且离地球比较近, 但是它更难观察, 因为它永久地被一层厚而不散的云层所遮掩, 呈现给所有观察家的是一片没有特征的白茫茫的景象。没有人知道它的自转周期, 虽然有些人认为, 金星可能也被太阳的引力锁定, 所以自转周期和公转周期相同, 都是224.7天。
由于运用雷达技术的发展, 使这种状况有了改变。我们可以对物体发射微波束, 然后再来测定被物体反射回来的微波束。在第二次世界大战期间, 雷达被用来侦察飞机, 而天体也能反射微波束。
举例来说, 1946年, 匈牙利科学家巴伊向月球发射的微波束被反射回来, 他收到了回波。
然而月球是一个比较容易达到的目标。1961年, 三个不同的美国小组、一个英国小组和一个苏联小组, 都成功地发射微波束到金星并收到回波。当时人们已经确知, 这些波束以光速行进。从波束往返金星所用的时间, 可以计算出金星的距离, 这比到当时为止任何方式的测量都要准确。利用这种测量方式, 太阳系中所有其他的距离都可以重新计算, 因为当时这些行星的相对位置已经非常清楚。
此外, 所有的天体只要不真正是 (实际上没有任何天体是) 绝对零度, 就会持续地发射微波束, 而根据波束的波长展开度便可以计算出发射天体的温度。
1962年, 科学家探测到由水星的黑暗面 (即未被太阳照射的那一部分) 发射出来的微波。如果水星的自转周期真是88天, 那么这个行星有一面会始终朝着太阳, 因而会非常地热, 而另一面则会永远背着太阳, 因而非常地冷。然而, 从它发射的微波的性质来看, 水星黑暗面的温度比人们预想的高很多, 因此, 它必然在某些时候得到阳光。
当一束微波从一个旋转的天体上反射回来时, 由于天体表面的运动, 这一波束在反射中发生某些变化, 而这种变化的性质使我们可以计算出运动表面的速度。1965年, 从事微波束反射工作的两位美国电气工程师戴斯和佩滕吉尔发现, 水星表面的转动比预想的要快: 水星以59天的周期自转, 所以水星表面的每一个部分都会在某些时候曝露于阳光之下。
精确的自转周期被证实是58.65天, 正好是公转周期88天的2/3。这也表明它的确己被太阳的引力锁定, 虽然比自转和公转周期相等的最终情况还差一点儿。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·金星探测器《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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金星探测器
金星还有更多令人惊奇的事情。由于和地球差不多大 (可以比较一下它们的直径, 金星的直径是12, 100公里, 地球的直径是12, 756公里) , 所以它常被视为地球的"孪生姊妹"。金星距离太阳相当近, 但有一层云起保护作用, 使它可能不至于太热。人们猜测, 这一层云是由水滴组成的, 因此金星本身有一个海洋, 或许比地球的海洋还要宽广, 因而可能有丰富的海洋生物。很多科幻小说 (包括我写的一些) 都提到这个水源充足和富有生命的行星。
1956年传来了第一个惊人的消息。以C.H.迈耶为首的美国天文学家小组, 在研究由金星黑暗面发射的微波后得出结论, 那一面的温度必然远远超过水的沸点。金星必定非常热, 因此辐射非常高。
这个结论几乎无法使人相信, 似乎需要一种比微弱的微波束更能打动人心的东西。既然能把火箭成功地发射到月球的附近, 那么向各个行星发射探测器看来也是合乎逻辑的,
1962年8月27日, 美国成功地发射了第一枚金星探测器水手2号, 上面载有能够探测和分析金星辐射的微波并把结果经由几千万公里的真空传回地球的仪器。
图: 水手２号
1962年12月14日, 水手2号通过了近35000公里 (22000英里) 厚的金星云层。一切怀疑都消失了。从两极到赤道, 从黑暗面到日照面, 整个金星的表面都是地狱般的炎热。隶星表面的温度约有475℃, 高过锡和铅的熔点以及水银的沸点。
1962年的成就不止于此。微波能够穿透云层。向金星发射的微波直接穿透云层到达金星的固体表面, 然后反射回来。虽然人类靠光波看不见金星表面, 然而这微波能够"看见"。1962年, 从反射波束的畸变中, 卡彭特和R.M.戈德斯坦发现, 金星的自转周期大约是250个地球日。 美国的物理学家夏皮罗后来的分析证明是243.09天。这样慢的自转并不是太阳引力锁定的结果, 因为它的公转周期是224.7天。金星绕轴自转要比绕太阳公转慢。
此外, 金星以"错误的方向"绕它的轴自转。如果想象从地球北极正上方高处的某一点观看的话, 一般行星的旋转方向都是逆时针, 但金星却是顺时针。到目前为止, 对这种逆行仍然没有适当的解释。
每次金星最接近地球 (下合) 时, 都正好自上次接近以后绕自己的轴逆转5周, 因此, 在最接近时, 金星总是以同一面对着地球。显然, 金星和地球被引力锁在了一起, 但是地球似乎太小了, 与金星之间的距离又是那么远, 因而不会对金星有什么影响。
水手2号以后, 美国和苏联又都发射了金星探测器。苏联设计的探测器可以穿透金星的大气层并用降落伞软着陆, 但因金星的环境非常严酷, 苏联的一系列金星号探测器进入金星大气层后均未存留多久, 不过他们的确得到了一些有关金星大气的资料。
金星的大气浓密得惊人, 大约是地球大气的90倍, 主要由二氧化碳组成, 这种气体在地球大气中占很小的一部分。金星的大气有96.6％的二氧化碳和3.2％的氮。 (然而, 尽管金星的大气那样浓密, 它的总含氮量却只有地球的3倍左右。)
1978年5月20日, 美国发射了金星先驱者号, 金星先驱者号于1978年12月4日到达金星, 进入环绕金星的轨道, 并以相当近的距离通过金星的两极。随后, 许多探测器离开金星先驱者号进入金星的大气, 进一步确认并扩展了苏联金星号探测器所收集的资料。
金星上的主云层大约有3公里厚, 位于金星表面上方约50公里。云层由含大量硫的水组成, 而在主云层的上方是一层具有腐蚀性的硫酸雾。
云层下面到金星表面上方32公里处, 其间是霾层, 而再往下, 金星的大气似乎完全清澈透明。低层大气好像很稳定, 没有风暴或任何天气的变化, 到处都是难以置信的稳定的热。那里只有微风, 但是以金星的空气密度来说, 即使是微风也有相当于地球上飓风的力量。总之, 人们很难想出另一个比地球的"孪生姊妹"更为糟糕的世界。
图: 金星云层的紫外线照片, 金星先驱者号1979年2月5日摄
到达金星的阳光几乎全部被云层反射或吸收, 但还是有3％到达清澈的低层大气, 而可能有2.5％到达金星地面。 考虑到金星离太阳比较近, 可以首先得到比较明亮的阳光, 因此, 虽然有厚而永久的云层, 金星表面得到的阳光仍相当于地球的1/6。 和地球比起来, 金星可能比较暗, 但是, 如果有办法在那里生存下来的话, 我们仍能在金星表面上非常清楚地观看。
实际上, 有一枚苏联探测器在金星表面登陆后拍摄了金星表面的照片。这些照片显示了金星表面散布的石头, 边缘锐利, 表明没有受到严重的腐蚀。
如果能够像用眼睛或照片探测和分析光波那样, 用仪器来探测和分析反射回来的微波束, 我们就可以利用发射到金星表面后反射回来的微波束"看见"金星的表面, 就好像可以利用光波来看金星一样。微波比光波长得多, 因而"看见"的东西更模糊, 但总比什么也看不到要强。金星先驱者号利用微波绘出了金星表面的地形图。
金星大部分的表面看来像地球的陆地, 而不像地球的海底。不过地球的陆地只占总面积的3/10, 其余7/10为广大的海面; 而金星的超级大陆却占了总面积的5/6, 剩下的1/6则是没有水的低地。
覆盖金星的超级大陆似乎相当平坦, 有一些环形山的迹象, 但是不多; 浓密的大气可能早已把它们腐蚀光了。不过在超级大陆上也有些部分凸起, 其中有两处面积很大。
在金星上相当于地球北极的地方, 是一片和美国差不多大的大高原, 称为伊什塔尔高地。在伊什塔尔高地的东部是麦克斯韦山脉, 有些山峰比高原外的一般平面高出11.7公里 (7.3英里) 。这些山峰比地球上的任何山峰都要高。
在金星的赤道附近, 另有一片更大的高原, 叫做阿佛洛狄特高地。它的山峰没有伊什塔尔高地上的高。
很难说金星上有没有真火山, 但有两座可能是火山, 至少是死火山; 其中瑞亚·蒙斯山延伸的地区有美国的新墨西哥州那么大。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·水星探测器《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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水星探测器
水星的表面没有像金星那样的问题。水星没有大气, 没有云层, 只要送一枚水星探测器上去就行了。
1973年11月3日, 水手10号发射了。它在1974年2月5日近距离地通过金星, 从金星附近传回有用的资料, 然后继续朝水星前进。
图: 水手10号
1974年3月29日, 水手10号从离水星表面700公里 (435英里) 的地方通过, 然后进入周期为176天的公转轨道, 环绕太阳运行, 其周期正好是两个水星年, 这使它每次回到水星时都是在以前的同一地点, 因为水手10号每绕太阳一圈, 水星正好绕两圈。
1974年9月21日, 水手10号第二次经过水星; 1975年3月6日, 它第三次从水星上空330公里 (203英里) 处经过。此时, 水手10号耗尽了使它保持稳定位置的气体, 因此无法再对这颗行星作进一步研究了。
图: 水星表面
在三次经过水星当中, 水手10号对水星表面3/8的地区拍摄了照片, 证明了水星的地形看上去与月球表面很相似, 到处都是环形山, 最大的一个直径达200公里 (125英里) 。然而, 水星上很少有"海"; 最大的一块环形山比较少的地方宽约1400公里 (870英里) , 称为卡路里 ("热") 。因为当水星在近日点时, 它几乎直接暴露在太阳照射之下。
水星也有很长的峭壁, 大约有2.5公里高, 160公里长。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·火星《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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火星
火星是从太阳数过来的第四颗行星, 就在地球的外侧。火星离太阳的平均距离是2.28×108公里, 当地球和火星在太阳的同一侧时, 这两颗行星可以彼此接近到平均8050万公里 (5000万英里) 。由于火星的轨道偏心率较大, 有时它和地球相离只有4830万公里 (3000万英里) 。这样的近距离接近 (大冲) 每32年发生一次。
如果我们以恒星为背景来观察, 会发现太阳和月球从西方到东方位置的变化多少是稳定的, 而行星的运动要复杂得多。在大部分的时间里, 相对于恒星而言, 它们总是夜复一夜地自西向东运行, 但在某些时候, 各个行星运行减速, 最后完全停止, 然后开始从东向西倒着运行。但这种逆行始终不如顺行, 因此, 总的来说每个行星还是自西向东运行, 最终在天空中绕一整圈。逆行最大最显著的就是火星。
为什么会这样呢? 以前以地球为中心的行星系统很难解释这种逆行现象, 但以太阳为中心的哥白尼系统则很容易解释。地球以一个比火星更近的轨道环绕太阳, 所以绕一圈所要走的距离比较短。当地球和火星在太阳的同一侧时, 地球赶上并超过火星, 使火星看起来好像在往后走。只要把地球的轨道与任何其他行星的轨道加以比较, 就可以解释所有的逆行现象, 而这正是迫使人们相信以太阳为中心的行星系统的一个重要因素。
火星比地球离太阳远, 所以得到的阳光不大强。火星是颗小的行星, 直径只有6790公里 (比地球直径的一半略多一点) , 有一层非常稀薄的大气, 因此把所得到的阳光反射出来的不大多。另一方面, 它有一个比金星有利的条件。当金星最靠近地球时, 介于我们和太阳之间, 因此我们只能看到它的黑暗面。然而, 当火星最接近地球时, 是在我们的外侧, 因为它距离太阳比较远, 因此, 我们看到的是火星明亮的一面, 这就使它的亮度大为增加。在最亮的时候, 火星可以达到－2.8星等, 此时它是天空中第四个最亮的天体, 仅次于太阳、月亮和金星。然而, 这种亮度每隔32年当火星大冲时才能达到。当它所在的那一部分轨道是在和我们相对的太阳的另一侧时, 由于距离太远, 使它只能像一颗具有适当亮度的恒星那么亮。
从1580年以来, 丹麦天文学家第谷为了研究火星的运动并对它未来的位置作出更准确的估计, 于是对火星进行了非常仔细的观察 (他没有使用望远镜, 因为当时尚未发明望远镜) 。第谷死后, 他的助手--德国天文学家开普勒--利用这些观测结果计算出了火星的轨道。开普勒发现, 他必须抛弃两千多年来天文学家一直坚持的圆形轨道的观念。1609年, 他证明行星必须在椭圆轨道上运行。开普勒的行星系统到今天为止仍然适用, 而且毫无疑问, 其基本精神将永远适用。
1673年, 火星对探测太阳系作出了另一项重要贡献。当时J.D.卡西尼测定了火星的视差, 使人们第一次知道了行星之间的真实距离。
由于有了望远镜, 火星不再只是一个光点。惠更斯在1659年观察到一个黑暗的三角形标志, 他命名为大流沙地带。通过追踪这个标志, 他能够证明, 火星以大约24.5小时的周期绕它的轴自转 (如今的数据是24.623小时) 。
因为比地球离太阳更远, 火星有一个比较长的轨道, 在太阳引力的吸引下运行得比较慢。它需要668.61个火星日才有公转一周, 相当于687个地球日 (1.88个地球年) 。
火星是我们所知道的惟一一颗其自转周期和地球这么接近的行星。不仅如此, 1781年, W.赫歇耳还证明, 火星自转轴的倾斜方式也和地球非常相似。地球的自转轴比垂直轴 (指垂直黄道面的轴, 即黄极轴。--译注) 倾斜了23.45°, 所以当北极倾向太阳时, 北半球是春天和夏天, 当北极倾离太阳时, 北半球是秋天和冬天。南半球的季节则正好相反, 因为当北极倾向太阳时, 南极倾离太阳; 反之亦然。
火星的自转轴比垂直轴倾斜了25.17°, 正如W.赫歇耳通过仔细观察所证明的那样, 火星上的标志移动的方向与火星自转的方向相同。因此, 火星和地球一样有四季的变化, 只是它的每一个季节都是地球的两倍长; 当然, 也比较冷。
图: 火星, 哈勃望远镜摄
1784年发现了另一个相似点, W.赫歇耳注意到, 火星的北极和南极都有冰冠。总的来说, 火星比我们在天空中看到的其他任何一个世界都更像地球。跟月球和水星不同, 火星有大气 (W.赫歇耳首先观察到的) , 但不像金星大气那样厚, 也并不充满了云。
火星和地球的相似点并没有延伸到卫星, 地球有一个大卫星, 就是月球, 但是水星和金星却根本没有卫星。火星起初看来也没有卫星, 至少在两个半世纪的望远镜观测中没有发现任何卫星。
然而1877年, 当火星即将大冲时, 美国天文学家A.霍尔决定在火星附近寻找卫星的踪影。由于从未发现过, 所以他以为, 如果存在卫星的话, 一定非常小, 非常靠近火星, 并很可能被火星的光芒所淹没。
他夜复一夜地观察着, 到了1877年8月11日, 他决定放弃。他的妻子斯蒂克尼鼓励他再多试一夜, 结果在那多干的一夜里, 他真的发现了两颗靠近火星的小卫星。他给它们分别命名为福玻斯和得伊摩斯, 也就是火卫一和火卫二。------------
福玻斯和得伊摩斯是罗马神话中战神马耳斯 (即希腊神话中的阿瑞斯) 的两个儿子。火星的西方名称就叫马耳斯, 故有此命名。今我国对各行星的卫星有统一的定名法则, 将福玻斯和得伊摩斯定名为火卫一和火卫二。--译注------------
两个卫星中, 里面的是火卫一, 距离火星中心只有9350公里 (5810英里) , 换句话说, 离火星表面只有6000公里 (3700英里) 。它每7.65小时绕轨道一圈, 不到火星自转周期的1/3, 所以当火卫一快速前进时, 会不断地超过火星表面。因此, 如果从火星上看, 火卫一是西升东落。外面的是火卫二, 距离火星中心23, 500公里 (14, 600英里) , 大约30.3小时绕火星公转一圈。
由于这两个卫星太小, 即使用最好的望远镜观察, 也不过是个光点而已, 所以在发现它们之后的1个世纪中, 除了它们至火星的距离和公转周期外, 其余的一无所知。从卫星的距离和运动状况, 很容易算出火星引力场的强度, 从而算出它的质量。结果表明火星的质量差不多正好是地球质量的1/10, 而它的表面重力只有地球的3/8。一个在地球上重80公斤的人, 到火星上将重30公斤。
然而, 火星显然是一个比月球大的世界。火星的质量是月球的8.7倍, 表面重力是2.25倍。粗略他说, 在这些方面, 火星大约是介于月球和地球之间。 (金星和水星因为没有卫星, 所以无法这样容易地决定它们的质量。我们现在知道, 金星的质量是地球的4/5, 水星是地球的1/18。水星的质量大约只有火星的一半, 因此, 水星是8大行星中最小的1个。)
知道了一个星球的大小和质量, 我们可以容易地算出它的密度。水星、金星和地球的密度都超过水的5倍, 分别是5.48、5.25和5.52。如果这些星球都是由岩石构成的话, 这些值比预估值高, 因此人们认为每个行星都含有一个金属核心 (这个问题将在下一章中详细论述) 。
月球的密度是水的3.34倍, 因此可能完全都是由岩石物质构成的。火星居中, 它的密度是水的3.93倍, 所以可能有一个非常小的金属核心。绘制火星图
天文学家想绘制火星图, 描绘出火星表面上斑点的明暗图样, 这是很自然的事情。对于月球来说, 这项工作可以做得很好, 但是对于火星就难办了。火星即使离我们最近时, 与地球的距离也是月球的150倍, 而且还有一层稀薄而暗淡的大气, 这是月球所没有的。
然而, 1830年, 曾经详细绘制过月球图的德国天文学家比尔将注意力转移到火星: 他绘制了第一张显示明暗图样的火星图。他假定黑暗区域是水, 而明亮区域是陆地。问题是其他的天文学家也自己绘制火星图, 各个天文学家所绘出来的图各不相同。
最成功的火星图绘制者是斯基帕雷利 (就是后来将水星的自转周期误认为88天的那个人) 。1877年, 正当火星大冲, 使霍尔得以发现它的两颗卫星时, 斯基帕雷利绘制了一张图, 它看上去与以前绘制的任何图都完全不一样, 却得到了天文学家的认可。随着望远镜的不断改进, 现在人们都看到了当年斯基帕雷利所看到的景象, 而这张新火星图持续了约一个世纪。斯基帕雷利分别以古希腊、罗马和埃及地理中的名字为火星上不同的地区命名。
图: 斯基帕雷利的火星图
在观察火星时, 斯基帕雷利注意到, 在大的黑暗区域之间, 有细细的暗线连接, 就好像是海峡连接着两个海一样。斯基帕雷利使用了一个意大利名词, 把这些暗线叫做海峡, 这个词译成英语时被误译成运河, 使意思完全变了; 海峡是一种自然现象, 运河则是人造的。
斯基帕雷利的观察马上引起人们对火星的新兴趣。长久以来, 人们认为火星和地球十分相似, 只是比地球小, 引力场也比较弱。火星可能未能保持住它的大部分大气和大部分水, 因此可能早已干涸了数百万年, 火星上可能存在的任何智慧生物都必须战胜干燥才能生存。
人们很容易遐想, 火星上不仅可能有智慧生物, 而且他们可能有比我们还要先进的技术。火星人可能会开凿运河, 从冰冠取水到温和的赤道附近的农场。
其他天文学家开始探测运河, 其中最热心的是美国的洛威尔。他是一个大富翁, 1894年在亚利桑纳州建立了一座私人天文台。那里因为远离城市灯光, 有数公里高洁净的沙漠空气, 所以能见度非常好。洛威尔在那里开始绘制一张火星图, 详细程度远远超过斯基帕雷利。最后, 他绘出了500多条运河, 同时还写了几本书, 宣扬火星上有生命的想法。
1897年, 英国科幻小说作家威尔斯在一份畅销杂志上刊登了一部连载小说《星际战争》, 进一步宣扬这种观点。很多人认为火星上有生命是当然的事情。1938年10月30日, O.韦尔斯把《星际战争》改编成了广播剧, 假设火星人在新泽西州登陆。由于非常逼真, 以至有许多人以为这是真的新闻报导, 而在恐惧中出逃。
尽管如此, 许多天文学家都否认洛威尔的运河存在。他们看不见那些运河。第一位描述太阳黑子极小期的蒙德也认为这些只是眼睛的错觉。1913年, 他立了几个圆环, 再将一些模糊不清的不规则斑点放入圆环中, 然后叫一些小学生站在相当远的距离, 远到几乎很难看清圆圈里的东西。他要求学生们画下他们所看到的东西, 结果他们画的都是和洛威尔运河非常相似的直线。
此外, 直接的观察似乎也减少了火星和地球的相似性。1926年, 两位美国天文学家柯布伦茨和兰普兰德设法测量火星表面的温度, 发现比预期的要冷。白天当火星位于近日点的时候, 有迹象表明, 其赤道可能相当温和, 但是到了晚上, 似乎到处都像南极大陆最冷时那样冷。白天和夜晚的温差如此大, 看来火星的大气比想象的还要稀薄。
1947年, 荷兰血统的美国天文学家柯伊伯分析了从火星射来的光中的红外线部分, 作出了火星大气主要是二氧化碳的结论。他找不到氮、氧和水蒸气的痕迹。因此似乎不大可能形成任何像地球上这样复杂的生物。然而, 认为火星上有植被, 甚至有火星运河, 这种信念曾经长期困扰过人们, 迟迟不消。
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火星探测器
火箭升入地球大气及外层空间之后, 人们又燃起了解决这个百年悬案的希望。
第一枚成功的火星探测器水手4号, 于1964年11月28日发射。1965年7月14日, 水手4号通过火星上空9660公里 (6000英里) 处, 在通过的时候, 连续拍摄了20张照片, 并将之转变为无线电信号, 传送回地球, 然后再转变成照片。这些照片显示出, 火星上只有环形山, 没有任何运河的踪影。
当水手4号通过火星背面时, 在它消失之前, 它的无线电信号穿过火星的大气, 表明火星的大气比原来人们想象的要稀薄; 其密度不到地球的1/100。
更精巧的火星探测器水手6号和水手7号分别于1969年2月24日及3月27日发射。这两枚探测器通过火星上空3200公里 (2000英里) 处, 一共发回200张照片。火星表面的很多地方都被拍了照, 这些照片表明, 火星表面上有些区域像月球一样布满了环形山, 有些区域则相当平坦, 还有些区域非常地混乱。显然, 火星有一个极其复杂的地质发展过程。
然而, 任何地方都没有运河的踪影, 大气中至少有95％的二氧化碳, 温度甚至比柯布伦茨和兰普兰德所估计的还要低。在火星上存有智慧生物或任何复杂生物的一切希望似乎成了泡影。
但是仍然有很多工作要做。另一枚成功的火星探测器是1971年5月30日发射的水手9号: 水手9号于1971年11月13日抵达火星, 先进入轨道绕火星运行, 而不直接穿越大气。幸亏没有直接通过, 否则在它前往火星的半途中, 将遇到一个行星般大小的尘暴, 几个月之内, 除了一片霾之外, 照片上根本不会看到任何东西。在轨道上, 探测器可以等待尘暴过去。到了12月, 火星的大气明朗了, 于是探测器展开工作。
水手9号清楚地绘制出火星全图, 就如同绘制月球全图一样; 于是, 长达一个世纪的运河之谜终于被解开了。那里根本没有运河！正如蒙德所坚持的那样, 那些"被看到"的运河只是眼睛的错觉而已。所有的东西都是干燥的, 黑暗区域只不过是较暗的灰尘粒子堆, 和几年前美国天文学家萨根所说的一样。
火星的一半, 主要是南半球, 像月球一样布满了环形山。另一半则似乎有一些因火山活动而填没了的环形山, 还分布着一些大山, 它们很明显是火山 (虽然可能是长期不活动的) 。其中最大的一座1973年被命名为奥林匹斯火山。这座山比平均地面高出24000米, 中央有一个宽达64公里的巨大火山口, 比地球上任何一座火山都要大得多。
图: 奥林匹斯火山
在火星表面上有一条裂缝, 可能是造成运河错觉的原因。它是一个很大的峡谷, 大约长3000公里、宽500公里、深2公里, 现在被命名为水手峡。 它是美国科罗拉多大峡谷的9倍长、14倍宽和2倍深, 可能是在20亿年前由于火山作用而形成的。
图: 大裂缝
在火星上也有一些斑纹蜿蜒曲折地绕过火星的表面, 同时还有分支, 非常像干涸了的河床。火星会不会正处于一个冰河时期, 以至于所有的水都冻结成了冰而存于冰冠中和泥土下呢? 在较近的未来, 会不会有一个时期情况变好, 水以液体的形式出现而河水再次流动呢? 在较近的过去是否发生过这种情况呢? 如果是这样, 会不会有非常简单的生物仍岌岌可危地存在于火星泥土之中呢?
现在需要的是一次在火星上软着陆。1975年8月20日和9月9日, 美国分别发射了海盗1号和海盗2号。海盗1号于1976年6月19日进入火星轨道并放下一枚着陆器, 7月20日成功地降落在火星表面。几星期后, 海盗2号在偏北的位置也放下了一枚着陆器。
在通过火星大气时, 着陆器分析了火星大气, 发现除了二氧化碳之外, 还有2.7％的氮以及1.6％的氩, 也有一丁点儿氧。
在火星表面上, 着陆器发现白天的最高温度是-7℃。在火星上的任何地方, 表面温度似乎从来没有可能达到冰的熔点, 这就是说, 任何地方也不会有液体的水。正如金星太热生命不能存在一样, 火星太冷了, 生命也不能存在。或者说, 除了最简单的生物外, 至少对其他生物而言的确是太冷了。在最冷的地方连二氧化碳都会冻结, 而且在冰冠当中似乎至少有一部分是冻结的二氧化碳。
着陆器发回火星表面的照片, 并且分析它的土壤, 结果发现, 火星的土壤比地球的土壤富铁贫铝。大约有80％的火星土壤是富铁的粘土, 其中的铁可能以褐铁矿的形式存在。这是一种铁的化合物, 红砖的颜色就是由它造成的。火星的红色使人联想到血, 所以引起早期人类的恐惧, 其实两者毫无关系: 火星只是一个生锈的世界。
图: 红色荒原
最重要的是, 在着陆器上装备有小型化学实验室, 能够测试土壤, 看看会不会产生反应, 以了解是否有活的细胞存在。做了三种不同的实验, 却没有一个明确的结果。看来生命只是在想象中存在, 无法得到真正的肯定。使科学家们对生命存在的说法感到怀疑的是, 土壤分析表明, 就是有机化合物--这是与生命有关的化合物类型而言--没有可察觉的量。科学家们根本不打算相信可能存在无机生命, 这个问题必须等到更精密的着陆器降落在火星上, 或者是人类自己到达这个星球后, 才会有解答。扫校者注: 1997年7月4日, 美国"火星探路者"着陆器抵达火星表面。仍然没有发现生命迹象, 也没有发现水, 但有迹象表明火星上可能仍有冰冻的水, 并且可能曾经有过液态水。对火星之水的希望使得这颗红色行星成为21世纪初的宇宙探索热门目标。在由于事故连续折损了两个探测器之后, NASA仍然在2001年发射了"火星奥德赛" (根据克拉克著名的科幻小说《2001: 太空奥德赛》命名) 。欧洲航天局的"火星特快"将于2003年发射, 释放着陆器"贝格尔2号"在火星上寻找生命的痕迹。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·火星的卫星《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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火星的卫星
起初并没有打算让火星探测器对火星的小卫星做详细的研究, 但是当水手９号在绕火星的轨道运行中发现因为尘暴而没有照片可拍时, 人们便将它的摄影机转向卫星。卫星的照片显示, 它们的轮廓并不规则。天体通常被认为是圆球, 但只须当它们足够大, 因而有一个强大的引力场, 能够把主要的不规则区域拉平时, 它们才会是圆球。事实上, 每个卫星的轮廓看起来都有点像是烘干的马铃薯, 甚至连陨石坑都非常像马铃薯上的芽眼。
图: 火卫一
两个卫星中比较大的火卫一, 直径变化是19～27公里 (12～17) 英里, 而火卫二的直径变化是10～16公里 (6 ～10英里) , 它们简直就像绕火星飞行的两座山。不论是哪一个卫星, 长的直径总是朝着火星, 所以两者都被火星的引力锁定, 如同月球被地球锁定一样。
火卫一上最大的两个陨石坑被命名为霍尔和斯蒂克尼, 以纪念它们的发现者和他的妻子--那位鼓励他多观察一夜的女士。火星二上最大的两个陨石坑则分别以法国讽刺作家伏尔泰和英国讽剌作家斯威夫特的名字命名, 因为他们两位都在自己的小说里想象火星有两颗卫星。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·木星《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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木星
木星, 从太阳往外数第五颗行星, 是行星系统中的巨人。它的直径有142800公里, 是地球的11.2倍, 质量则是地球的318.4倍。实际上, 它是所有其它行星质量总和的两倍多。然而和质量是它的1040倍的太阳比起来, 它还是一个侏儒。
木星与太阳的平均距离是7.78×108公里, 相当于地球到太阳距离的5.2倍。即使和地球在太阳同一侧时, 木星到地球的距离也从不少于62751万公里 (39000万英里) 。它得到的阳光只有地球的1/27, 但由于身体庞大, 在天空中依然很亮。
图: 木星, 众神之王Jupiter
在最亮的时候它会达到-2.5星等, 比任何一颗恒星都亮得多。金星和火星在最亮时会超过木星的亮度 (金星超得更多) 。但从另一个方面来看, 当金星和火星在轨道较远的部分运行时, 通常要暗淡得多。而木星则只有远离地球时才稍微显得有点儿暗, 因为它的轨道太远, 所以不管它是否和我们在太阳的同一侧, 亮度几乎没有什么变化。因此, 除了太阳和月球外, 木星常常是天空是最亮的天体 (尤其是它可以整夜出现在空中, 而金星却不能) , 所以在西方木星被冠以罗马神话的众神之王的美称朱比特。木星的卫星
当伽利略首次制成望远镜并将它转向天空时, 他没有放过木星。1610年1月7日, 他在观测木星时, 立刻看到了木星附近的 3个光点--有2个在同一侧, 1个在另一侧, 都在同一条直线上。夜复一夜, 每次观看木星时, 总看到这3个小天体, 它们的位置变化就好像是从木星的一侧到另一侧摆动一样。1月13日, 他又发现了第四个。
伽利略断定, 这4个小天体绕木星运转, 如同月球绕地球运转一样。这些是太阳系中第一批用肉眼无法看见而被望远镜发现的天体。而且, 这也是看得见的证据, 说明太阳系中有些天体并不绕地球运转。
开普勒给这 4个天体创造了一个名词--卫星 (源自拉丁文, 意思是有钱有势者的随从) 。从那之后, 凡是环绕行星的物体都叫这个名字。月球是地球的卫星, 卫星1号则是一颗人造的卫星。 组合图: 从左至右、从上至下, 分别为木卫一、木星、木卫二、木卫三、木卫四。
这4颗木星的卫星统称为伽利略卫星。 在伽利略的发现之后不久, 一位荷兰天文学家马里厄斯给这4个卫星各取了一个名字。从木星往外数, 分别是伊俄 (中文名木卫一) 、欧罗巴 (中文名木卫二) 、甘尼美德 (中文名木卫三) 和卡利斯托 (中文名木卫四) , 每个名字都和神话中的朱比特 (即希腊神话中的宙斯) 有关。
伽利略卫星当中, 最近的木卫一距离木星中心 422, 000 公里 (262, 000英里) , 差不多是月球到地球中心的距离。然而, 木卫一每1.77天绕木星一周, 不像月球绕地球一周用27.32天。木卫一之所以比月球运行得快得多, 是因为木星的质量比地球大, 因而木星的引力对木卫一的吸引也远远超过地球对月球的吸引。 (实际上, 木星的质量可以根据木卫一的速率计算出来。)
木卫二、木卫三和木卫四分别距离木星671, 000、1, 070, 000和1, 884, 000公里 (417, 000、665, 000和1, 171, 000英里) , 并且各以3.55天、7.16天和16.69天绕木星公转一周。木星和它的4颗伽利略卫星就像是一个小太阳系, 而这4颗卫星的发现使哥白尼的行星系统更为可信。
人们可以利用卫星来确定木星的质量之后, 发现木星的质量低得惊人。木星的质量大约是地球的318.4倍, 而体积却是地球的1400倍。如果木星所占的空间是地球的1400倍, 为什么没有1400倍的地球物质, 从而有1400倍的地球质量呢? 答案是木星每部分的质量要比地球相同部分的质量小。换句话说, 木星的密度比地球小。
事实上, 木星的密度只有水星的1.34倍, 即只有地球密度的1/4。很明显, 木星一定是由密度比岩石和金属小的物质构成的。
这4颗卫星本身则和月球差不多。4颗当中最小的是木卫二, 直径大约是3120公里 (1940英里) , 比月球略小一点。木卫一直径是3650公里 (2270英里) , 差不多正好和月球一样大。木卫四和木卫三比月球大, 木卫四的直径是4840公里 (3010英里) , 木卫三是5250公里 (3260英里) 。
木卫三实际上是太阳系中最大的卫星, 它的质量是月球的2.5倍, 事实上, 木卫三明显地大于水星, 木卫四则跟水星差不多。然而, 构成水星的物质密度要比木卫三大, 结果木卫三只有水星质量的3/5。靠里的两颗卫星木卫一和木卫二和月球的密度差不多, 所以必定是由岩石物质组成的。木卫三和木卫四的密度和木星相似, 所以必然是由较轻的物质组成的。
