【蔻享天文】哈勃眼中的奇妙宇宙（十三）：太阳系的八大行星

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太阳系是我们的家园。我们的地球就处于太阳系。太阳系中围绕太阳运转的天体有行星、矮行星、小行星、彗星以及绕着各类行星运转的卫星。

根据2006年国际天文学会给出的定义，行星必须满足三个条件：围绕恒星运转，自身引力可以让自己成为圆球形，能够扫除轨道附近的其他天体。根据这个定义，太阳系内已经被发现的行星共有8颗，根据它们与太阳的距离由近到远依次为：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星与海王星。

由于水星距离太阳太近，哈勃无法对准其观测；另外，哈勃不观测地球。所以这类介绍的实际上是除了水星与地球之外的六大行星。哈勃对这些行星中（尤其是火星、木星、土星、天文星与海王星）进行了富有成效的观测，取得了一些重要成果。我们按照它们与太阳的距离，由近及远，依次介绍哈勃拍摄的金星、火星、木星、土星、天王星与海王星的图像。

金星

金星 (Venus) 金星的质量是地球的0.815倍，半径是地球半径的0.95倍，与太阳的平均距离是0.72个天文单位。地球与太阳的平均距离被定义为1天文单位，约等于1.5亿千米。金星是离太阳第二近的行星，绕太阳转一圈只需要0.615地球年。

金星表面温度很高，高达450摄氏度。如此高温的一部分原因是它非常接近太阳，另一部分则因为它的大气中的绝大部分是温室气体二氧化碳，且大气压强达到地球大气压的92倍——浓密的二氧化碳引起非常严重的温室效应。金星的云层中富含硫酸，而不是水。浓密的大气永远覆盖着金星的表面。

图：哈勃的第二代宽场与行星照相机 (WFPC2) 于1995年1月24日拍摄的金星的云层顶端部分的紫外伪色成像图，当时金星与地球的距离是1.14 亿千米。

Credit: L. Esposito (University of Colorado, Boulder), and NASA/ESA

https://esahubble.org/images/opo9516g/ 

奇怪的知识：太阳系内的八大行星又被分为两大类：水星、金星、地球与火星的核心部分为岩石，因此是岩石行星；木星、土星、天王星与海王星大部分成分为气体，且体积与质量都远超过地球等岩石行星，因此属于气体巨行星。

火星

火星是地球人最关心的行星，它被视为将来人类移居的星球。

1976年，美国的NASA发射的“海盗一号” (Viking 1) 登陆火星，成为人类第一台登陆火星的探测器，此后几十年，又有7个NASA的火星探测器成功抵达火星陆地，最近的一个是2021年美东时间2月18日登陆火星的“毅力号”。

2021年5月15日携带“祝融”号火星车登陆火星的中国火星探测器“天问”则首次在火星上留下了中国人的印记。

火星与太阳的平均距离为1.5个天文单位，绕太阳公转一圈需要1.88地球年。火星的半径是地球半径的0.53倍，质量只有地球的0.11倍。火星表面有丰富的氧化铁，因此看起来是红褐色的。

由于质量太低，火星无法有效束缚住足够浓密的大气，因此火星大气稀薄，表面大气压只有地球海平面大气压的千分之六。稀薄的大气不利于阻挡外来天体的撞击，因此火星上面有较多撞击坑。由于火星的内部运动不活跃，许多撞击坑可以长期保持原貌。

尽管哈勃的远距离观测效果比不上火星车的近距离的拍摄，但它却有火星车无法取代的优势：它可以清晰地观测火星全貌，且可以观测火星上层大气活动与沙尘暴等现象。

火星地表与火星全景图

下图为由哈勃拍摄的火星地表图。

图：火星地标。其中，Dust Storms表示沙尘暴；North Pole为北极；South Pole Cap为南极盖；Water Ice Cloud为水冰云；Syrtis Major是大瑟提斯高原 (Syrtis Major Planum) 的简称，也被称作“大流沙”，因为黑色的玄武岩未被沙子覆盖，因此显示为一个明显的暗区；Hellas Basin是赫拉斯撞击盆地；Viking 1指的是NASA的火星车“海盗一号”登陆的地点。Pathfinder是NASA的“火星探路者号” (Mars Pathfinder, MPF) ，于1997年07月04日在火星登陆，并在此后释放了人类第一个火星车“索杰纳号 (Sojourner) ”。

Credit: Jim Bell (Cornell University)

https://esahubble.org/images/opo0124c/ 

下图为展开后的火星全景图。火星表面是球面，无法等距离地展开为平面，因此这样的全景图存在距离的扭曲。

图：火星-全景投影图。根据2007年火星冲日前几星期拍摄的图，天文学家将火星的表面摊开，就像人们把一颗橙子的皮剥开后平摊在桌面上，得到了这张火星全景地图。

Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), J. Bell (Cornell University), and M. Wolff (Space Science Institute, Boulder)

https://esahubble.org/images/opo0745g/ 

冲日时的火星图

观测火星的最适合时刻是火星“冲日”的时期，此时火星与地球的距离最近。下图是哈勃在1995、1997、1999、2001、2003、2005、2007年的火星冲日时拍摄的图像。

图：哈勃拍摄的几次火星冲时的火星的可见光图像。

Credit: NASA, ESA, and Z. Levay (STScI)

https://esahubble.org/images/opo0745h/ 

奇怪的知识：火星冲日。地球与火星都在绕太阳运转，当三者成一直线且地球恰好在太阳与火星之间时，就是“火星冲日” (Opposition of Mars) ，简称“冲”。火星冲每隔23到25个月——大约2年——发生一次。

图：由哈勃的WFPC2于2001年拍下的火星的可见光与近红外合成的火星图像，从中可以分析出16千米的细节。当时火星与地球距离为6800万千米。图中火星的北极与南极都有水冰覆盖，东边有水冰构成的云，北极水冰云附近是一个正在发生的巨大的沙尘暴。图中右下方是南半球巨大的赫拉斯 (Hellas) 撞击盆地，附近有另一个沙尘暴正在发生。

Credit: NASA/ESA and The Hubble Heritage Team STScI/AURA

https://esahubble.org/images/opo0124a/ 

如果火星冲日时，火星又处于近日点，即最接近太阳的点，那么此时火星与地球的距离最近，只有5600万千米，这就是火星的“大冲”。此时是观测火星的最佳时刻中的最佳时刻。“火星大冲”每15年或17年发生一次，上两次分别是2003年与2018年，下一次是2035年。

图：过去6万年来最近的火星大冲。2003年8月26日下午6点20分到7点12分，哈勃的WFPC2多次拍摄火星，最后被合成为这张可见光图像。哈勃拍摄这张图之后11小时，火星与地球的距离仅5576万220千米，不仅是大冲，而且是此前6万年来与地球最近的距离。图中显示出许多小陨石坑。图像中心是跨度达到450千米的惠更斯 (Huygens) 陨石坑。白色区域是火星南极覆盖的冰盖。奥林匹斯火山与长达4000千米的水手峡谷也在图中。

Credit: NASA/ESA, J. Bell (Cornell U.) and M. Wolff (SSI)

https://esahubble.org/images/opo0322g/ 

图：2007年12月18日，火星冲日，与地球的距离为8800千米。哈勃的WFPC2在火星冲日前的12月1日到7日拍摄了火星的图像。每张图像之间的差异是90度转角，即第二张图中的火星是第一张图中的火星旋转90度之后，以此类推。

Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), J. Bell (Cornell University), and M. Wolff (Space Science Institute, Boulder)

https://esahubble.org/images/opo0745b/ 

火星上的沙尘暴

火星上每“年”都会发生一定规模的沙尘暴。每次沙尘暴的覆盖范围可以达到地球上一个大洲那么大，并持续几个星期到几个月。在火星上的春夏之交，火星与太阳之间的距离变小，火星南半球吸收了更多太阳热量，温度升高到一年中的最高值，从而引发更大的风与沙尘暴，这样的沙尘暴可以覆盖几乎整个火星。

火星车可以研究高度较低的大气中的沙尘暴，而哈勃可以研究高度较高的大气中的沙尘暴，与火星车对低层大气沙尘暴的研究互相补充。

图：左图为哈勃的WFPC2于2001年6月26日拍摄出的火星上Sinus Meridiani区域，附近为机遇号火星车着陆点。右图为哈勃的ACS于2005年10月28日拍摄出的火星上Sinus Meridiani区域，比起2001年的图像，可以看出此时这个区域发生了沙尘暴，覆盖的长度达到了1500千米。

Credit: NASA, ESA, The Hubble Heritage Team (STScI/AURA), J. Bell (Cornell University) and M. Wolff (Space Science Institute)

https://esahubble.org/images/opo0534b/ 

火星极冠区冰盖的演化

火星上温度最低的地方是其极盖，因此一些二氧化碳在这里凝华为干冰。随着季节变化，极盖附近温度发生变化，导致极盖上覆盖的干冰的一部分重复升华、凝华，进而导致极盖上的干冰覆盖的面积忽大忽小。哈勃拍摄的火星极盖的图显示出了极盖干冰的明显的变化。

图：哈勃的WFPC2于1996年12月30日到1997年1月4日拍摄了火星北极冰盖的季节变化，组成此图。随着火星上春天到来，温度上升，火星北纬70度以下的区域的二氧化碳结成的冰升华为二氧化碳气体。白色冰盖区域内暗淡圆圈是火星北极附近的沙丘的图像，沙丘吸收了更多太阳热量，上面的二氧化碳冰更快升华。

Credit: Phil James (Univ. Toledo), Todd Clancy (Space Science Inst., Boulder, CO), Steve Lee (Univ. Colorado), and NASA/ESA

https://esahubble.org/images/opo9715b3/ 

图：火星北极冰盖的季节变化。图中给出了哈勃的WFPC2在1996年10月、1997年1月与1997年3月拍摄的火星北极冰盖附近延伸到北纬50度区域的图像。随着时间推进，北极附近的冰盖逐渐收缩。1997年3月时，接近火星的夏至日，整个北极几乎没有黑夜，此时的火星北极附近的温度最高，因此冰盖融化到最小。

Credit: Phil James (Univ. Toledo), Todd Clancy (Space Science Inst., Boulder, CO), Steve Lee (Univ. Colorado), and NASA/ESA

https://esahubble.org/images/opo9715b/ 

木星

木星是太阳系中半径最大的行星，半径大约为地球半径的11倍，体积是地球的1000多倍。木星也是太阳中质量最大的行星，质量是地球的318倍，是其他所有行星的质量之和的2.5倍。它的密度只有地球的0.3倍左右。

木星是一个气态巨行星，内部主要是气体和液体，其中百分之89是氢，百分之10是氦，剩余的少量是氨、甲烷、水等物质。木星与太阳的平均距离为5.2个天文单位，每11.862地球年绕太阳转一圈，每9小时50分自转一圈。

图：哈勃的WFC3于2020年8月25日拍摄的木星的图像，当时木星与地球的距离为6.53亿千米。图中左侧白色星球为木星的卫星之一的木卫二。

Credit: NASA, ESA, A. Simon (Goddard Space Flight Center), and M. H. Wong (University of California, Berkeley) and the OPAL team.

https://esahubble.org/images/heic2017a/ 

木星上最显著的特征之一就是其上的大红斑。它是巨大的气体风暴眼，其直径超过地球的直径。哈勃的持续观测表明，在过去一些年，木星的大红斑在不断缩小。与此同时，木星上还生成了新的相对小的红斑。

图：2014年4月21日哈勃的WFC3拍摄的木星。右侧三个小图为1995年、2009年拍摄的木星大红斑与2014年拍摄的大红斑的比较。这三个时期拍摄的大红斑在依次减小，从直径21 000千米减小到18 000千米，再减小到16 000千米。

Image Credit: NASA, ESA, and A. Simon; Science Credit: A. Simon, G. Orton, J. Rogers, and M. Wong and I. de Pater

https://esahubble.org/images/heic1410b/ 

图：哈勃的ACS于2006年4月8日与16日分别拍摄到的木星上新形成的“小红斑”，左图的局部图与右图的全图分别为由8日与16日得到的可见光与近红外数据合成的图。这个小红斑的直径大约是著名的大红斑的一半。这是天文学家首次看到木星上形成新的红斑，它可能是由于木星气候的剧烈变化引起的气体风暴。

Credit: NASA, ESA, A. Simon-Miller, and I. de Pater

https://esahubble.org/images/opo0619a/ 

图：2006年4月8日，哈勃拍摄的包含刚形成的小红斑的木星局部图的放大。

Credit: NASA, ESA, and A. Simon-Miller (NASA/GSFC)

https://esahubble.org/images/opo0619b/ 

图：根据哈勃2015年1月19日拍摄的照片得到的木星的全景地图。根据这张图，科学家们可以确定出木星上的风的速度，确认木星大气中的不同现象，追踪大红斑等重要特征的变化。

Credit: NASA, ESA, A. Simon (GSFC), M. Wong (UC Berkeley), and G. Orton (JPL-Caltech)

https://esahubble.org/images/heic1522b/ 

当带电粒子沿着行星的磁力线进入行星大气，打击大气中的氧与氮原子，使那些原子的电子被激发，随即发出各种频率的光子。这就是极光。地球上的极光由太阳发出的电子粒子激发。

木星上也会发生极光现象，其中一部分来自太阳发出的带电粒子，另一部分则源自木星的几颗大卫星上的电流，电流产生的辐射进入木星，激发出极光。由卫星上的电流激发出的激光，在太阳系仅有木星才有。

图：1998年11月26日，哈勃的成像光谱仪拍摄到的木星的紫外线照片，当时木星与地球的距离是7亿千米。图中白色部分表示木星的极光。图中极光有三个部分。第一个部分是靠近木星北极的椭圆形极光；第二部分是在第一个部分内部的弥散型极光；第三部分是这么产生的：木卫一、木卫三、木卫二上面的电流产生的辐射，辐射沿着木星磁力线跑到木星大气，产生极光，分别对应着极光左边、椭圆区域下方、与椭圆区域右下方的光斑。

Credit: NASA, ESA & John T. Clarke (Univ. of Michigan)

https://esahubble.org/images/heic0009a/ 

土星

土星是太阳系第二大行星，半径大约是地球半径的9倍，质量大约是地球质量的95倍。土星的密度非常低，每立方厘米只有0.786倍，是水密度的0.786倍，是太阳系行星中唯一一个密度小于水的。如果我们将土星扔到一个足够大的大海中，它将漂浮在这个超级大的大海上。土星与太阳的平均距离为9.58个天文单位，每29.46年绕太阳转一圈。

根据土星反射的来自太阳的红外线，人们可以研究土星大气中的云雾的一些细节信息。下图为哈勃于1998年获得的土星的红外伪色成像图。由图中可以发现，土星南极点附近的云层中存在空洞。

图：哈勃于1998年1月4日拍摄的土星的红外伪色成像图，在哈勃升空8周年时被公布，作为8周年纪念图。图中蓝色部分表示土星的云层上方的大气，暗区域表示云层中的空洞。蓝色底纹表示可能由氨结晶形成的晶体。绿色与黄色分别表示云层上方的薄与厚的雾霾。红色与橙色区域表示到达大气上层的云，红色表示的云比橙色表示的云更高。赤道附近的白色区域表示土星上的风暴中心。从图中可以看出，土星南极雾霾区域比较大。

Credit: Erich Karkoschka (University of Arizona), and NASA/ESA

https://esahubble.org/images/opo9818a/ 

土星有非常漂亮的光环，质量只有土星卫星之一的土卫一的质量的一半左右，但摊出的面积却达到地球表面积的80倍。在不借助其他仪器的协助下，人的肉眼无法看到土星环。

1610年，伽利略用他自己制作的天文望远镜观测了土星，发现了土星的环，他当时并不知道那是什么，只是说那是土星的“耳朵”。由于土星的环很薄且随着土星的运动而变化方向，伽利略一度无法再观测到土星环。

土星的环由多个环层层嵌套而成，环与环之间有空隙，每个环都是由无数独立的晶体构成，这些晶体最小的只有几毫米，最大的有几米；晶体的成分中99.9%是水冰，夹杂少量的硅酸盐与复杂分子“索林斯”。

图：2018年6月6日，哈勃的WFC3拍下了土星光环倾斜最大时的图像，此时土星与地球的距离大约是14亿千米。土星大气中的风与云形成了土星不同纬度上的带状结构。图中光环的最外层为A环，中间有著名的恩克缝；A环旁边的大缝隙是著名的卡西尼缝；卡西尼缝往内是B环，在往内分别是C与D环。每个环之间都有大大小小的缝。

Credit: NASA, ESA, A. Simon (GSFC) and the OPAL Team, and J. DePasquale (STScI)

https://esahubble.org/images/heic1814b/ 

奇怪的知识：天文学家猜测，大约2亿年前——当时地球上正处于恐龙称霸地球的侏罗纪，土星的引力将一颗卫星瓦解为无数晶体，这些晶体堆积成一个个环，这些环组成一个大环。这只是环形成的众多理论之一。

土星的大气也会产生极光。土星极光的持续时间可以达到几天的时间；作为对比，地球上的极光最多只能持续几小时。此外，土星极光也比地球极光更亮。土星极光也是太阳风中的带电粒子打击土星大气后产生的。

图：根据哈勃的ACS拍摄到的紫外与可见光数据与卡西尼飞船拍摄的数据合成而成的图。图中的三张图的紫外图像是哈勃分别于2004年1月的24、26、28日获得，显示出土星、土星环与土星南极点附近的极光的演化。图中的极光先是以环状形态出现，围绕着土星的南极点，然后逐渐向中心演化。如果使用可见光成像，这些极光是红色的。

Credit: NASA, ESA, J. Clarke (Boston University, USA), and Z. Levay (STScI)

https://esahubble.org/images/heic0504a/ 

天王星

天王星的平均半径大约是地球半径的4倍，质量是地球质量的14.54倍。它的内部主要是岩石与水、氨、甲烷结成的冰，因此是一颗冰巨行星。天王星与太阳的平均距离大约为19个天文单位，每大约84年绕太阳一圈，它的自转轴与公转轴几乎垂直，因此是“躺着”绕太阳公转。

天王星无法只用肉眼就可以看到。弗莱姆斯蒂德 (John Flamsteed, 1646-1719) 、伽利略 (Galileo Galilei, 1564-1642) 等天文学家曾经先后观测到天王星，但他们以为那是一颗恒星。直到后来赫歇尔 (Friedrich Wilhelm Herschel, 1738-1822) 重新发现天王星并指出它是一颗新的行星，天王星才算被真正地发现，赫歇尔也因此被公认为天王星的发现者。

图：哈勃的成像光谱仪与ACS拍摄下的天王星的照片.

Credit: NASA/ESA and Erich Karkoschka, University of Arizona

https://esahubble.org/images/opo0405d/ 

图：哈勃的WFPC2于2003、2005、2007年分别拍摄的3张天王星与环的照片。越往后的照片，里面的天王星的环越倾斜，并在2007年达到最倾斜，只能看到侧面。

Credit: NASA, ESA, and M. Showalter (SETI Institute)

https://esahubble.org/images/opo0732a/ 

图：天王星的光环与极光。这张图由旅行者2号拍摄的可见光图像与哈勃的ACS及STIS拍摄的紫外线数据图像合成。2011年，哈勃首次拍到天王星的极光。2012年与2014年，法国巴黎天文台的一个小组利用哈勃分别拍了天王星的环与极光，发现天王星的极光与天王星一起旋转。他们还借此重新发现了天王星的磁极，这是自1986年旅行者2号首次发现天王星磁极之后的重新发现。

Credit: ESA/Hubble & NASA, L. Lamy / Observatoire de Paris

https://esahubble.org/images/potw1714a/ 

图：2006年8月23日，哈勃拍摄的天王星的图像上出现风暴与暗斑。这个暗斑位于东面，大小为1700千米乘3000千米，因为天王星上的旋风而产生。

Credit: NASA, ESA, L. Sromovsky and P. Fry (University of Wisconsin), H. Hammel (Space Science Institute), and K. Rages (SETI Institute)

https://esahubble.org/images/opo0647b/ 

海王星

在赫歇尔发现天王星之后，人们发现天王星的轨道有些不正常，并猜测这可能是因为天王星外面有一个大的行星，它的引力作用使天王星的偏离正常轨道。英国天文学家亚当斯 (John Couch Adams, 1819-1892) 与法国天文学家勒维耶 (Urbain Jean Joseph Le Verrier, (1811-1877) ) 分别独立计算出这个猜想中的行星的轨迹。1846年，天文学家果然在预言的位置附近发现了这颗行星，它因此被称为“笔尖上发现的行星”，并被命名为海王星。

海王星的轨道比较圆，近日点与远日点的距离相差不大，分别是29.81与30.33天文单位，与太阳的平均距离大约为30个天文单位，是太阳系中距离太阳最远的大行星，也是太阳系中最冷的大行星。海王星绕太阳一圈需要165年。

它的赤道半径是地球半径的3.9倍，略小于天王星的半径。它的质量是地球质量的17.15倍，略大于天王星的质量。正因为其质量略大于天王星，它对其大气的引力更大一些，因此大气压缩地更厉害一些，导致它半径比天王星更小一些。海王星的核心主要由冰和岩石构成，因此被归类为冰巨星。大气主要成分为氢与氦，其中氢占了百分之80，氦占了百分之19；此外，海王星大气中还有少量碳氢化合物与氮。由于海王星大气中有微量甲烷，因此呈淡蓝色。

图：海王星上的冰风暴。2011年6月，是海王星被发现之后完整绕太阳一圈的时间，也被视为海王星的“生日”。6月25与26日，哈勃上的WFC3每4小时拍摄一张海王星照片，拍了4张海王星照片。这张照片成为此后天文学家研究海王星大气性质的重要依据。海王星大气富含甲烷，甲烷吸收阳光中的红光，散射绿色光，因此海王星整体上显示为浅绿色。图中粉红色光芒表示海王星的云团反射的红外线，这些云团由固态甲烷（甲烷冰晶）构成。

Credit: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

https://esahubble.org/images/ann1115a/ 

编辑：王茹茹

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文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表23篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。

王善钦专栏链接：https://www.koushare.com/category/singlecolumn/60

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