太阳系的璀璨星球（六）——海王星及卫星 

王岳雷

 

海王星（尼普顿Neptune），以希腊神话的海神尼普顿命名，在1846年，法国工艺学院的天文数学教师奥本·勒维耶（Urbain Le Verrier）（1811年3月11日 - 1877年9月23日），以自己的热诚独立地完成了海王星位置的推算。同时，勒维耶也说服了柏林天文台的约翰·戈特弗里德·加勒（Johann Gottfried Galle）（1812年6月9日至1910年7月10日）搜寻行星。当时仍是柏林天文台的学生海因里希·路易·德·雷斯特（Heinrich Louis d'Arrest）（1822年8月13日 - 1875年6月14日）表示正好完成了勒维耶预测天区的最新星图，可以做为寻找新行星时与恒星比对的参考图。在1846年9月23日晚间，海王星被发现了。

海王星距离太阳距太阳45.04亿千米（30.06天文单位），虽然比天王星稍微小一些，相当于17个地球，近距点29.812天文单位（44.6亿公里），远距点30.328天文单位（45.4亿公里）。海王星的外层大气是太阳系最寒冷的地区之一，平均温度-214℃，平均云层温度-193℃至-153℃，最低云层温度接近55 K（-218℃）。赤道直径49,532公里，海王星的平均半径24,622±19公里，赤道半径24,764公里，是3.883个地球赤道半径；极地半径24,341±30公里，是3.829个地球极地半径；表面积7.6183×10⁹ 平方公里，是14.98个地球；体积6.254×10¹³立方公里，是57.74个地球体积；平均密度1.638克/立方厘米，质量1.0243×10²⁶公斤，是17.147个地球质量，是木星的1/19。海王星绕太阳一周需要约164.8年，平均轨道速度5.43公里/秒。自转周期0.6713天（16小时6分36秒），赤道旋转速度2.68公里 / 秒。海王星有14个已知的卫星。

海王星的大气主要由由氢（80％±3.2％），氦（19％±3.2％），甲烷（1.5％±0.5％），0.019％氘化氢（0.019％），乙烷（0.00015％），氨，水，氢硫化铵（NH4SH）等气体组成组成，还有微量的碳氢化合物和可能的氮，但是它含有较高比例的“冰”，如水，氨和甲烷。

海王星的大气是80％的氢气和19％的氦气，在流层顶之间的边界处于0.1巴（10千帕）的压力下。平流层低于10⁻⁵至10⁻⁴巴（1至10帕）的压力。对于1巴和5巴（100和500千帕）之间的压力，形成了氨和硫化氢的云。在五巴以上的压力下，云可以由氨，硫化铵，硫化氢和水组成。在大约50巴（5兆帕）的压力下，温度达到273K（0℃）时，应该发现更深的水冰云。在下面，可能会发现氨和硫化氢的云。然而，它的内部像天王星一样，主要由冰和岩石组成，海王星的核心可能是由铁，镍和硅酸盐组成，其内部模型的质量约为地球的1.2倍。中心压力为7兆巴（Mbar）或700吉帕（GPa），约为地球中心的两倍，温度可能为5,400 K。

1989年的“旅行者2号”飞行时，地球的南半球有一个与木星上的“红点”相当的大黑点，记录的风速高达2,100公里/小时（580米/秒；1,300英里/小时），这些天气模式是由太阳系中任何行星最强的持续风力驱动的。海王星的赤道处的甲烷，乙烷和乙炔的丰度比两极大10-100倍。由于太阳距离太远，海王星的外层大气是太阳系中最冷的地方之一，云顶温度接近55K（-218°C）。行星中心的温度约为5,400 K（5,100°C）。1989年旅行者2号发现了一个长达13000×6600公里的反气旋风暴系统，风暴就像木星的大红点。大约五年之后，1994年11月2日哈勃太空望远镜没有看到大黑点。相反，在海王星的北半球发现了一个类似于大黑斑的新风暴。被认为是大气的涡旋流动的变化。

海王星有一个微弱的行星环状系统，在1982年被发现，1989年“旅行者2号”拍摄的照片被证实。海王星有一个行星环系统，虽然比土星要小得多。这些环可能由冰粒覆盖硅酸盐或碳基材料，这很可能给它们有一个微红的色调。三个主要光环是狭窄的亚当斯环（Adams Ring），距离海王星中心6.3万公里；威瑞尔环（Le Verrier Ring），距离海王星中心53,000公里；更宽更暗淡的加勒环（Galle Ring），距离海王星中心42,000公里。威尔里环被命名为拉塞尔（Lassell），它的外缘是57,000公里处的阿拉戈环（Arago Ring）。

旅行者2号是唯一访问海王星的航天器，1989年8月25日进入海王星大气4,400公里之前，与海卫二进行近距离接触，然后在同一天晚些时候靠近最大的卫星海卫一。旅行者2号拍摄了海王星具有令人惊讶的活跃天气系统。发现了六颗新的卫星，并证明有一个行星环系统。

海王星

海王星

 

这张照片是海王星旋转17小时52分钟制作的，表面长时间的风暴似乎在向左移动。

旅行者2号于1989年8月14日在1480万公里（920万英里）拍摄的海王星。这幅图显示在南部（下部）边缘及其西北部（左上部）边界的大黑暗点上方，可以看到明亮而细小的“卷云型”云，也可以看到海王星全球带状和南极地区的细节，南部高纬度地区的一个较小的黑点在左下方附近隐约可见。

旅行者2号于1989年8月24日拍摄的海王星。北面（上）是个大黑斑，伴随着明亮，洁白的云层，外观变化迅速。“大黑斑”以南是“滑板车”的亮点。还有更远的南面是一个叫做“黑斑2”的特征，它有一个明亮的核心。

海王星和地球的大小比较

海王星上的大黑斑（顶部），滑板车（中间白云）和小黑斑（底部）

哈勃太空望远镜相隔几小时拍摄了四张照片海王星表面大气形状

1989年“旅行者2号”拍摄海王星大气的卷云,高海拔的云带在海王星下面的云层上投下阴影

海王星的“大黑点”，是一种类似于木星的“大红点”的大的反气旋风暴，由美国宇航局的旅行者2号于1989年观测。这张照片是旅行者2号在距离280万千米（170万英里）时拍摄，可以看到的最小的结构大约是50公里（31英里），图像显示羽毛状的白色云层覆盖在黑色和淡蓝色区域的边界上，黑色边界和白色卷云的螺旋风结构表明风暴系统逆时针旋转。

1989年“旅行者2号”拍摄的海王星光环

海王星和光环的复合图像

海王星和卫星

海王星和卫星距离的示意图

 

从哈勃太空望远镜拍摄的海王星与海卫八（上），海卫七（右下）和海卫五（左）的自然色彩图

1983年6月13日先驱者10号越过了海王星的轨道，它是1972年3月2日在佛罗里达州卡纳维拉尔角发射。1972年7月15日至1973年2月15日，成为第一艘穿越小行星带的航天器。从1973年11月6日开始对木星摄影，在25,000,000公里（1600万英里）的范围内，共传送约500张图像。研究小行星带，木星周围的环境，太阳风，宇宙线等。2003年1月23日，由于探测器上的无线电发射机的电力损失，与先驱者10失去了联系，探测距离地球120亿公里（80天文单位）。

海卫一（崔顿Triton），以希腊海神崔顿命名，平均距离海王星中心354,759公里，几乎完美的圆形轨道，也就是高于其云层330,000公里，近距点354,753公里，远距点354,765公里。直径2707公里，平均半径1353.4±0.9公里，表面积23,018,000平方公里，体积10,384,000,000立方公里，质量2.14×10²²千克，平均密度2.061克/立方厘米，表面温度至少是35.6K（-237.6℃），比冥王星的平均温度44 K（-229°C）更冷。表面大气压力仅为1.4-1.9 Pa。轨道周期和自转周期同步都为5.876854天（ 5日21小时2分钟28秒），平均轨道速度为4.39公里/秒。于1846年10月10日英国天文学家威廉·拉塞尔（William Lassell，1799年6月18日-1880年10月5日-）发现。海卫一表面地质活跃，表层主要是冻结的氮，主要是水冰层，但它也含干冰（二氧化碳）、水冰、一氧化碳冰和甲烷。估计其表面还含有大量氨，有液氮喷泉。冰冷的地幔和大量的岩石和金属核心。核心占总质量的三分之二。海卫一由55％氮冰和其他冰混合而成。水冰占15-35％，冰冻二氧化碳（干冰）占10-20％。微量冰包括0.1％的甲烷和0.05％的一氧化碳。海卫一是唯一一个逆行轨道的大卫星（轨道公转方向与行星的自转方向相反）。海卫一表面比较扁平，陨石坑相对较少。

 海卫一的南极地区覆盖着高度反射的冷冻氮气和甲烷喷洒的陨石坑和间歇泉的开口。因为在旅行者2号遇到的夜晚，对北极的了解甚少，但是据说海卫一还必须有一个北极冰帽。海卫一东半球发现的高平原，如西普哥平原，因此几乎可以肯定是冰冷的熔岩冲刷了以前景观的结果。平原上点缀着一些坑，比如利维坦·帕特拉（Leviathan Patera），这可能是这种熔岩出现的入口，虽然混合了氨和水，但是熔岩的成分是未知的。海卫一已经确定了四个大致圆形的“围墙平原”。他们是迄今为止发现的最平坦的地区，海拔高度差异小于200米。被认为是由冰冷的熔岩爆发形成的。海卫一东边的平原上点缀着斑点，即黄斑。有些黄斑是简单的黑斑，有弥漫性的边界，其他的则包括一个黑色的中心斑块，周围是白色的光晕，边界清晰。斑块一般直径约100公里，光晕宽度20-30公里。

 在海卫一的表面上有复杂的山脊和山谷，可能是冻融循环的结果。许多地质构造似乎也是构造的，可能是延伸或走滑断层的结果。有两条长有中央槽的冰脊，可能是沿断层的走滑运动的剪切加热由海卫一轨道完全环化之前所经历的昼夜潮汐应力所造成。这些具有平行脊从内部交叉的断层在赤道地区与谷地复杂地形。被认为是海卫一地质历史中的中等年龄，并且在许多情况下同时形成的山脊和犁沟。海卫一的西半球由一系列奇特的裂隙和直径30-40公里的凹陷组成，被称为“香瓜地形”，因为它与哈密瓜相似。尽管它的陨石坑很少，但据认为这是海卫一最古老的地形。它可能涵盖了海卫一的大部分西半部分。

海卫一 ,明亮的南极帽上面的哈密瓜地形，旅行者2号拍摄

旅行者2号拍摄的海卫一

海卫一的南半球

海卫一的艺术家的印象

海卫一的解释性地貌图

旅行者2号拍摄的海王星（上图）和海卫一（下图）

旅行者2号在海卫一的上空观察到的云

旅行者2号在海卫一拍摄的圆形的“围墙平原”

旅行者2号在13万公里拍摄海卫一哈密瓜地形的突出“X”双脊地貌

旅行者2号在海卫一的南极盖表面发现黑色条纹，被认为是氮喷泉喷发所留下的灰尘沉积物

旅行者2号拍摄海卫一地平线上的海王星，在海王星南半球清晰可见一个大黑点，位于南纬约20度的大型反气旋风暴系统。

海卫一和海王星

旅行者2号拍摄的海卫一这张照片，是以纬度为-40°和0°为中心的海卫一全球正射影像。

 

旅行者2号从不到8万公里处拍摄海卫一北半球的一个区域

旅行者2号拍摄的海卫一

旅行者2号在1989年8月拍摄的海卫一

旅行者2号拍摄的海卫一南极地形，大约有50个黑暗在流动，标志着可能是冰火山。

海卫一（左下），月球（左上角）和地球（右）比较大小

旅行者2号1989年8月31日拍摄的海王星和海卫一

旅行者2号1989年8月24日在530,000公里处拍摄海卫一，它的南半球明亮，赤道带更亮。 赤道以北较深的地区是粉红色或微红色。

 

旅行者2号1989年7月3日距离海王星7600万公里处拍摄的海王星和海卫一

海卫二（利华特Nereid），不规则形状，是海王星的第三大卫星，平均距离海王星为5,513,400公里，近距点1,374,587公里，远距点9,652,987公里。轨道周期360.1362天，平均轨道速度0.934公里/秒，自转周期0.48天（11小时31分），平均半径170±25公里，质量3.1×10¹⁹千克，平均密度1.5克/立方厘米，总面积约36万平方公里，与德国面积大致相当。平均表面温度估计为-223°C（〜50 K）。1949年5月1日由荷兰裔美国天文学家杰拉德·柯伊伯（Gerard Peter Kuiper，1905年12月7日 - 1973年12月23日）发现。表面是水冰等混合物。

海卫二

旅行者2号于1989年8月19日在距离4,700,000公里拍摄海卫二

海卫三（奈达Naiad），不规则形状，平均距离海王星中心48,227公里，近距点48,208公里，远距点48,246公里。轨道周期和自转周期同步都为0.2943958天（7小时3分55.8秒），在太阳系的所有卫星中轨道周期最短的卫星。平均轨道速度11.93公里/秒。平均直径66±6公里，尺寸96×60×52公里，体积1.5×10⁵立方公里，质量1.9×10¹⁷千克，平均密度1.2克/立方厘米，表面温度-222°C（51K）。1989年9月18日美国天文学家理查德·约翰·特里莱（Richard John Terrile）观察旅行者2号时发现，于1989年9月29日公布。1989年旅行者2号航天器从四万公里的距离获得了对海卫三表面的详细了解，所拍摄的表面的40％，表现出块状露头，山脊，谷底，沟谷，凹陷，高原，冰冷的平原和极少的陨石坑。

海卫三的艺术画

旅行者2号拍到的海卫三

海卫四（塔拉萨Thalassa），不规则形状，希腊语的意思为“海洋”。距离海王星中心50 075公里，近距点50,065公里，远距点50,085公里。轨道周期和自转周期同步都为0.31148444天，平均轨道速度11.71公里/秒。平均半径41±3公里，尺寸108×100×52公里，体积约2.9×10⁵立方公里，质量3.5×10¹⁷千克，平均密度1.2克/立方厘米，表面温度-222°C（51K）。于1989年9月29日由美国天文学家理查德·约翰·特里莱从旅行者2号的照片中发现的。

海卫四

旅行者2号拍到的海卫四

海卫五（迪斯比纳Despina），不规则形状，平均距离海王星中心52,526公里，近距点52,515公里，远距点52,537公里。轨道周期和自转周期同步都为0.33465551天，平均轨道速度11.40公里/秒。平均直径150±6（180×148×128）公里，平均半径75±3公里，体积1.8×10⁶立方公里，质量2.1×10¹⁸千克，平均密度1.2克/立方厘米，表面温度-222°C（51K）。1989年7月28日，美国天文学家斯蒂芬·辛纳特（Stephen Synnott）在“旅行者2号”航天器的摄影镜头中发现。

旅行者2号拍摄的海卫五

海卫五

海卫六（加勒蒂亚Galatea），不规则形状，距离海王星中心61953公里（海王星半径约2502），几乎完美的圆形轨道，即高于海王星的云层以上37189公里。近距点61,951公里，远距点61,955公里。轨道周期约10小时17分23.5秒（0.42874431天），平均轨道速度10.51公里/秒。尺寸204×184×144公里，平均直径176±8公里，体积约2.8×10⁶立方公里，质量（2.12±0.08）×10¹⁸千克，平均密度0.75±0.1克/立方厘米，平均表面温度估计为-222°C（〜51 K）。1989年7月28日美国天文学家斯蒂芬·P·锡诺特（Stephen P. Synnott，1946年出生于美国新泽西州）从旅行者2号探测器拍摄的影像发现，1989年8月2日国际天文学联合会（IAU）宣布这一发现。

旅行者2号拍摄的海卫六

海卫七（拉里萨Larissa），不规则形状，平均距离海王星为73,548公里，近距点73,445公里，远距点73.650公里。轨道周期0.55465332天，平均轨道速度9.63公里/秒。平均直径194±6公里，尺寸216×204×168公里，体积3.5×10⁶立方公里，质量4.2×10¹⁸千克，平均密度1.2克/立方厘米，表面平均温度-222°C（51 K）。由美国天文学家阿罗德·J·赖特斯玛（Harold James Reitsema），威廉·B·哈伯德（William B. Hubbard），拉里·A·莱博夫斯基（Larry A. Lebofsky）和大卫·詹姆斯·托伦（David James Tholen）于1981年5月24日发现。

海卫七，旅行者2号拍摄,

旅行者2号拍摄的海卫七

海卫七

海卫七地图 

海卫八（普罗秋斯Proteus），又称1989N1，意为变形虫，是一颗非球形卫星，平均距离海王星中心117,647公里，近距点117,584公里，远距点117.709公里。轨道周期1.12231477天，平均轨道速度7.623公里/秒。平均直径420±7公里，尺寸436×416×404公里，体积3.4×107立方公里，质量4.4×10¹⁹千克，平均密度1.3克/立方厘米，表面平均温度-222°C（51 K）。于1989年6月16日美国天文学家斯蒂芬·P·锡诺特和布拉德福德·A·史密斯在旅行者2号传回的图像中发现。海卫八最大的火山口灯塔（Pharos）直径超过230公里，深度约10-15公里。还有一些与大的陨石坑，陡坡，凹槽和山谷。

海卫八 

海卫八地图

 

旅行者2号从870,000公里（540,000英里）的范围内拍摄不规则的海卫八

海卫八和海王星的模拟视图

海卫九（哈利默德Halimede），是海王星逆行的不规则卫星，平均距离海王星为16,589,670公里，近距点12,261,810公里，远距点20,917,520公里。轨道周期1879.34天（1879天8小时），平均轨道速度0.56公里/秒。平均直径62公里，质量8.9920×10¹⁶千克，平均密度1.5克/立方厘米，表面平均温度50 K（-223°C）。2002年8月14日由美国天文学家马修·霍尔曼（Matthew J. Holman），约翰·卡夫拉尔斯（John J. Kavelaars），汤米·格拉夫（Tommy Grav），韦斯利·弗雷泽（Wesley C. Fraser）和丹·米里萨夫列维奇（Dan Milisavljevic）发现。

拍摄距离太阳40多亿公里海卫九的模糊图像

海卫十（普萨玛忒Psamathe），是海王星第二个最外层的不规则卫星之一，平均距离海王星46,695,000公里，近距点25,687,000公里，远距点67,703,000公里。质量1.4987×10¹⁶千克，克/立方厘米，直径38公里，轨道周期9115.91天，平均轨道速度0.37 公里/ 秒。于2003年8月29日由美国天文学家斯科特·S·谢泼德，戴维·C·杰威特，贾恩·克利纳和约翰·J·卡夫尔斯发现。

海卫十的艺术形象

海卫十一（Sao），是海王星的一颗不规则卫星，平均距离海王星中心22,182,010公里，近距点1905.46万公里，远距点25,309,430公里。轨道周期2912.72天（7.97年），平均轨道速度0.55公里/秒。平均直径44公里，质量8.992×10¹⁶千克，平均密度1.5克/立方厘米。2002年8月14日由美国天文学家马修·霍尔曼（Matthew J. Holman），约翰·卡夫拉尔斯（John J. Kavelaars），汤米·格拉夫（Tommy Grav），韦斯利·弗雷泽（Wesley C. Fraser）和丹·米里萨夫列维奇（Dan Milisavljevic）等人发现。

海王星外围卫星轨道图

海卫十二（Laomedeia），是海王星的一颗不规则卫星，平均距离海王星中心23,464,130公里，近距点14,522,070公里，远距点32,406,190公里。轨道周期3161.22天，平均轨道速度为0.52公里/秒。平均直径42公里，质量8.992×10¹⁶千克，平均密度1.5克/立方厘米。2002年8月13日由美国天文学家马修·霍尔曼（Matthew J. Holman），约翰·卡夫拉尔斯（John J. Kavelaars），汤米·格拉夫（Tommy Grav），韦斯利·弗雷泽（Wesley C. Fraser）和丹·米里萨夫列维奇（Dan Milisavljevic）等人发现。

海卫十三（奈索Neso），是在海王星的最外层，是逆行不规则卫星之一。距离海王星中心49,285,000公里，近距点21,123,500公里，远距点77,446,500公里。轨道周期9740天17小时31分钟，平均轨道速度0.35公里/秒。平均直径60公里，质量1.6485×10¹⁷千克，平均密度1.5克/立方厘米，表面温度-222°C（51K）。2002年8月14日由美国天文学家马修·J·霍尔曼，约翰·J·卡夫尔斯，汤米·格拉夫，布雷特·J·格拉德曼，韦斯利·C·弗雷泽，达恩·米利萨弗赫维奇，菲利普·D·尼科尔森，约瑟夫·A·伯恩斯，瓦莱里奥·卡鲁巴的团队让 - 马克·佩蒂特，菲利普·鲁塞尔洛，奥利弗·莫西斯，布赖恩·G·马斯登和罗伯特·A·雅各布森发现。

旅行者2号拍摄的海卫十三

海卫十四（S / 2004 N 1），距离海王星中心105283公里，轨道周期0.9362天，平均直径16至20公里，于2013年7月1日由美国天文学家马克·肖沃尔特（Mark Showalter）发现。

海卫十四轨道位置