第二十讲 行星（二）
↓1.小行星、小行星的数量、侏儒世界、破碎的行星。
↓2.前二十颗小行星的名称。
↓3.木星上所看到的地球与太阳、木星年。
↓4.木星自转的速度与极地处的扁平形状、极地处的扁平形状与自转速度的关系。
↓5.在太阳、月球与其他不同的行星上观察不到极地处扁平形状、木星上的季节与白天黑夜、无尽的春天、云条与信风。
↓6.木星的卫星及其食。
↓7.罗默与光线传播的速度。
↓8.土星、土星的外貌、土星上锁看到的地球与太阳、土星年、比软木还要轻的泥土、巨大的行星、地球不能与之相比的巨大、土星上的条纹、土星的季节、土星的卫星与圆环。
↓9.从土星上看到的圆环的外貌、土星上的夜晚。
↓1.在火星轨道与木星轨道中间有一个区域，在这个区域内，有一群很小的行星在不停地转动，这些就是小行星，它们也被称为天文望远镜行星。今天我们已知的小行星的数量为84个，但我们有理由相信，将来的天文观察会发现更多的小行星。这些小行星最突出的一个特点就是，它们非常小。小行星中最大的行星分别是：婚神星（Juno）、谷神星（Ceres）、智神星（Pallas）以及灶神星（Vesta）。它们的半径从200千米到400千米之间不等。这些异常矮小的行星，小得就像太空中的灰尘一样，它们的半径一般很难达到100千米。我们只要花一天的时间就能绕着这些行星走上一圈。我们最小的一个省的面积都可能比这些小行星的面积大得多。小行星的另一个特征就是，它们的轨道是交错在一起的。太阳系的几大行星就像一些球一样，在同一个平面上绕着一个中心点转动，天文望远镜行星（即小行星）却不会遵循这一规律。小行星的轨道并不处于太阳系那几大行星的轨道公共平面上，它们的轨道一般都是非常倾斜于这个公共平面的。此外，小行星们的轨道并不是一个覆盖着另一个，而是相互交织并纠缠在一起的，就像一团偶然交织在一起的铁环一样，小行星的体积小、数量众多，在天空的同一个区域堆积在一起。它们的运行有时候会呈现出断裂而破碎的样子，它们的轨道交错而倾斜。因此我们可以假设，这些小小的星体原来是一颗行星，它突然爆炸开，爆炸后形成的碎片向着天空中各个方向落去，这些碎片就是这些小行星。这颗处于火星与木星之间的独一无二的行星，与太阳系中其他各大行星一样，在一开始的时候也是围绕着太阳旋转的。在某一个天文学年表所不能确定的时期，发生了一次爆炸，这就像地球的地下力量使得大陆产生震动、有时甚至分裂一样，只不过地球内部的这种力量要弱一些，这颗行星的内部发生了爆发，并把行星的分裂碎片投射到太空中。这一大胆的假设是由奥尔伯斯提出来的，他是一位著名的天文学家，曾发现了智神星（Pallas）与灶神星（Vesta）这两颗小行星。
↓2.对于小行星上的物理构成，我们还一无所知。它们的季节与周日运动，我们也不知道。由于它们距离我们特别远，而且体积很小，因此我们无法对它们进行观察，从而获得各种关于它们的信息。在这些小行星中，花神星（Flore）是我们所知的距离太阳最近的小行星，它与太阳的距离平均为3.36亿千米。它沿着它的轨道绕着太阳转上一圈，需要1193天。小行星Maximiliana是距离太阳最远的一颗小行星，它离太阳的距离有5.2亿千米，它一年的时间是2310天。下面就是按照发现时间早晚的顺序，所排列的前20颗小行星的名字。
↓3.在研究了众多的小行星之后，我们沿着距离近远的顺序，来到了木星。它比地球大1414倍。从地球上看去，这颗巨大的行星就像一颗普通的星星一样，发出淡黄色的白光，但是非常明亮，它的光辉比金星略暗淡些。由于木星与地球的距离是8亿千米，因此它在我们的眼中，就缩小成一个亮点了。如果这颗巨大的行星离我们地球近一些，那么它巨大的圆盘就能遮挡住一大片天空。比如说，倘若它位于月球所处的位置，那么，它所占据的面积是月球所占据面积的1200倍，要有十个那么大的圆盘，从最东边一个挨一个连到最西边。随着距离的增大，看到的物体会缩小，这两者是相互影响的。因此，如果从地球上去看一颗星，这颗星的视面积会随与地球距离的增加而减少；同样的，如果从那颗星上去看地球，那么地球的视面积也会随两者距离的增加而减少了同样多的比例。倘若木星对于地球上的人们来说，看上去是一颗星星，那么如果观察者位于木星上，所看到的地球又是什么样子呢？那种情形下所看到的地球就像一颗发出微弱光芒的小星星一样，在天空中几乎看不见。
根据木星在其轨道上所处位置的不同，它到太阳的距离也从7.52亿千米到8.28亿千米不等，它与太阳之间的平均距离是我们地球到太阳平均距离的五倍左右。在这么远的距离所看到的太阳直径，要比从我们地球上看去的太阳直径要小五倍。因此，太阳的视面积要小25倍，因此得到的太阳的热量与光亮是地球上的1/25。在木星上所看到的太阳是小得多么可怜，如果没有借助什么辅助工具，那么我们在这颗行星上所看到的太阳非常的小，它还不如一个手掌那么大。
木星上的一年大约相当于地球上的12年。也就是说，在木星绕着太阳转上一周的时间内，地球就能绕着太阳转上12周。由于木星的轨道是如此巨大，因此它看起来转动的速度很慢，但这仅是表面现象，实际上木星每小时能够运行4.8万千米。
↓4.地球每24小时绕地轴自转一周，因此地球赤道上的一个点，每秒所移动的距离是462米，这一速度与炮弹离开炮口时的速度相接近。木星要绕着它的轴自转一周，只需要10小时零5分钟。因此，这个巨大的星球赤道的一个点，在每秒内所走过的距离是12586米，这要比地球赤道上的点在每秒所移动的距离多25倍。这么快的速度所产生的后果会使得木星的两极更加扁平。我们在前文中曾经讲到过，当一个球绕着它的轴转动时，由于它的自转运动会产生一种离心力，假如构成这个球的物质具有一定的弹性，那么这个球的赤道附近就会鼓起来一些，而它的两极附近就会扁平一些。借助于地球原初状态是液态的看法，我们已经解释了地球在赤道附近凸起以及在两极附近扁平下去的现象。转动的速度越快，离心力就会越大，所以如果木星是处于可伸缩的条件下，那么它的形变程度应该比地球还要。实际上，如果我们用望远镜来观察木星，就会发现它的圆盘并不是很圆的，而是非常明显的扁圆形状。我们做精细的测量就能得知，木星的每个极压扁了4000千米，而地球上的极则只压扁了20千米。
毫无疑问，太阳系的所有星体都存在着极地扁平的这种现象，因为它们都是绕轴自转的。但是由于这种自转非常缓慢，所以这种极地扁平的现象有时非常弱，以致从我们地球上看去都觉察不到。太阳自转一周的时间是25天，月球自转一周的时间是27天，对于这两者，我们看不出它们有什么明显的变形。水星、金星与火星，它们自转一周的时间与地球差不多，由于距离遥远，我们也看不到它们的两极有什么轻微的变形。不管怎样，木星为我们提供了一个强有力的证据，它证明了行星自转的速度与它的极地的扁平程度有着密切的关系。对土星的考察会再次证明这一规律。
↓5.木星的轴并没有倾斜太多，并不像我们在前面所说的那些行星那么倾斜，而是几乎垂直于它的轨道平面的。因此，木星的赤道几乎常年受到太阳光线的直射，所以在这颗行星上并没有季节的周期性变化。木星上的一年相当于我们地球上的十二年，在这个十二年的时间里的每一年它都一直是春天，温度一直没有多大变化。在我们地球上的三月份时，这时地球会将它的赤道面对太阳。倘若我们对木星上产生的气候条件并不熟悉的话，那么木星上的气候就是将这个三月份无限地延长下去，但同时气温要比地球上寒冷25倍。这样我们就得到了一个木星气候单调的观念。这样一个无止境的春天是由一些时间长度总是相等的白天与黑夜构成的：从木星上的一极到另一极，白天都是五个小时，夜晚也是五个小时。
通过天文望远镜，我们看到，在木星的圆盘上有一些不规则的条纹，它们有时是发亮的，有时是暗的，这些条纹与木星的赤道平行。也许这些发亮的条纹是一些云彩，它们按照木星自转的方向分布。由于木星转动的速度是如此之快，因此这些云条是由类似于地球上信风一样的空气流产生的。至于那些黑暗的条纹，它们应该是云在地面上投下的影子。透过一部分清澈的大气层，我们就能看到它们。
↓6.我们已经将卫星定义为：一些围绕着行星转动的附属星体。卫星之于这些行星，就像月球之于地球一样。水星、金星与火星都没有卫星，但木星上的夜晚，却被四颗卫星照耀着，其中有三颗比月球还要大。木星的这些卫星们，有时互相分散开，有时两个两个地在一起，有时三个聚在一起，有时四个都在一起，它们从地平线上升起，有时呈满月状态，有时呈月牙状态，有时呈弦月状态，为木星的夜空带来地球上不曾见过的华丽光耀。木星最近的那颗卫星每42小时28分钟围绕着木星转动一周，最远的那颗卫星转动一周所需要的时间是16天16小时32分钟。在围绕木星公转的同时，这些卫星也绕轴自转。由于这两种转动的周期都是相同的，因此这些卫星总是将它同样的一面朝向木星，这完全就跟月球总是将它的一面朝着地球一样。这仿佛是一个普遍的规律：所有的卫星绕着它的行星公转一周所需要的时间，与它绕轴自转一周所需要的时间相等。
从我们地球上看去，木星的这四个月亮缩小成了一些小小的亮点，紧紧地贴在木星周围，不断地改变着它们的位置。我们有时看到它们经过木星的前面，掠过圆盘；有时又离它而去，走向左侧；然后又回来，消失在木星的后面；过一段时间重又回来，出现在木星的右边。在卫星经过太阳与木星之间时，每一颗卫星都会将它的影子投在木星那发亮的圆盘上，同时产生出一个个圆形的黑色小斑点。在这块黑色斑点所掠过的木星表面区域中，就会出现日食，当这颗卫星经过木星向着太阳那侧的背面时，它就会因为进入木星的影锥之中而“消失”不见了，这就是被食。这种情形跟我们月球投入地球影锥时的情形完全一样。天文望远镜可以让我们轻而易举地看到这些发生在遥远太空中的食的景象。当地球处于合适的位置时，我们就能看到木星影锥的绝大部分，这时，一个观察者就会时不时地看到：卫星绕着木星公转，有时它就会投入到木星的影锥中“消失”不见，最后又从影锥的另一侧出现，然后又放出光亮来。每当月球到了地球的后面时，月球并没有每次都进入地球的影锥中，因此并没有每次都产生月食现象，因为它的轨道严重地向着地球公转轨道所在的平面倾斜。与此相反的是，木星的至少前三个月亮，每转一次，都要分别被食一次，这是因为它们的公转轨道与木星几乎处于同一个平面上。
↓7.正是借助于木星卫星的食的现象，罗默在1675年成功地解决了天体物理学中最困难的问题之一，即光速的问题。下面我们来介绍一下他是如何解决这个问题的。在木星的四颗卫星中，其中有一颗卫星绕着木星转动一周需要42小时28分钟，在同样的一段时间里，它在木星的影锥外连续出现两次。我们假设，当地球运行到它轨道上的A点附近时，如图77所示，一位观察者记录下这颗卫星走出木星影锥的准确时间，从这一刻起再过42小时28分钟，直到这颗卫星再一次出现在木星影锥的外面。每过同样这段时间的二倍、三倍、九倍，那么这颗卫星就会从木星影锥中出现三次、四次、十次。因此，我们能够提前推算出每次卫星出现的确切时间。我们假设已经推算出了卫星第一百次出现时的准确时刻，当这个时刻到来时，我们观察这颗卫星，这时让人惊讶的事情发生了，天体的运行是非常规律的，但计算却与我们的观察结果并不一致：卫星并没有在我们预测的时刻出现。要看到它的出现，还要再等上十五、六分钟左右。这种奇怪的延迟是由什么造成的呢？我们一定要记清楚，当这颗卫星第一百次出现时，这时时间已经过去了六个月。在这段时间里，地球已经走完了它轨道一半的路程，从它原先所在的位置点A处移动到了与前者相距地球轨道直径那么长距离的位置R点处。地球绕太阳公转的速度要慢得多，在六个月的时间里，它所移动的距离几乎都可以忽略不计，因此，我们将它看成仍然处于同一个地方。在卫星出现时，它所发射出来的光线，要到达地球，使得我们看到食结束的时间，那么这些光线除了要走我们一开始通过观察所预计的距离外，它还需要走过地球轨道直径那么长的一段直线距离，即从A到R这样一段距离，即30.4亿千米。这就是产生延迟的原因。要走的路程延长了，所需要的时间也就增加了。因此，光线要走完30.4亿千米的距离，大约需要16分钟的时间。
图77
↓8.土星的体积是地球的754倍，是木星的一半，但在我们的眼中，它看上去却小得可怜。我们看到的土星，是一颗表面呈铅灰色的星星。如果从土星上能够看到地球的话，那么地球看上去应该更小。由于土星与太阳的距离很遥远，我们至少可以确定，在土星上看到的太阳视面积大概是从我们地球上看到的太阳圆盘面积的1/100。倘若太阳这个光芒四射的光源、这个宇宙中的巨大球体，从土星上看去小到只有一枚两分钱硬币那么大，那么，从土星去看地球，地球又会是什么样子呢？土星在它的轨道上运行一周，时间是29年，它的速度是每小时3.6万千米，它与太阳的平均距离是14.48亿千米，每十个半小时自转一周。土星绕轴自转的速度是如此之快，就跟木星一样，因此它的两极非常扁平。土星两个极扁平的程度是其半径的十分之一，差不多有5600千米。土星的物质密度非常小，这导致了它的极地异常扁平。在前文中，我们已经学到过，土星的平均质量只有水质量的十分之七，因此土星可以漂浮在水面上。此外，由于物质的密度从球体表面到中心是不断增加的，越是靠近中心，物质密度就会越大，而且重的物质会聚集到一起，因此，我们要知道土星的表层是由很轻的物质构成的，那里的密度要小于土星的平均密度。那么，土星的地表是以柳木与软木还要轻的物质构成的，而并不是由岩石构成的。对于这样的一个地方，你们会有什么样的想法呢？在这样一种不牢固的支撑上面，能够存在海洋吗？平衡定律认为是不可能的。在地球、金星、火星与这颗被放逐到太阳系边缘的巨大土星之间，是不可能有任何可比性的。它的体积庞大、密度很小、自转速度很快，两极非常扁平，这些因素构成了一个与众不同的世界。
另外，天文望远镜向我们提供了关于土星的很少信息。我们看到，在土星的圆盘上有一些发亮的条纹，中间还夹杂着一些黑色的条纹，它们都平行于赤道，它们看上去类似于木星上的条纹。难道这仍然是由于球体的自转速度快、在行星的大气层中产生了信风，从而产生的云条吗？我们再补充一点，土星轴的倾斜度是64度，几乎与地球的相等。因此，这颗巨大行星上的四季也与我们的四季非常相似，但是它每个季节所持续的时间是七年。连续七年都是冬天，对于我们来说有点漫长。而且，这里的太阳还要比我们的太阳寒冷100倍。
↓9.在所有的行星球体中，土星是卫星最多的一颗星球。它有八颗卫星来照亮着它的黑夜。离它最近的一颗卫星绕着它转动一圈，需要22.5个小时；而最远的那颗卫星绕着它转动一圈，则需要79天。泰坦（Titan）是八颗卫星中最大的一颗卫星，它的体积是月球的九倍。土星的卫星还不止这些，它还有第九颗卫星。这是颗在太阳系中是非常独特的一颗卫星，它是一个非常大的平的圆环，相对而言比较窄，它以土星为中心并绕着它转动，但不会碰触到这颗行星。这个环并不是连在一起的，它是由三个同心圆环组成的。里面的那圈是黑色透明的，外面的那圈是浅灰色，而中间的那圈比土星的圆盘还要亮。最后两个同心圆之间，由于有一条很宽的间隙，因此分界线非常清楚，透过这一空白区域，我们可以看到星空。我们推测，构成环的物质是流动性的物质，因为有时我们能看到非常多分开的细小部分的印迹，这说明它们能够非常容易地分离开。这三个同心圆环的全部宽度加起来有4.8万千米；将圆环与土星分离开的空白区域，其直径有3万千米，至于圆环的厚度，我们估测是400千米左右。这颗环状的卫星在土星的自转过程中一直伴随着它转动。在土星绕着轴自转时，这颗卫星绕着它转动，就像二者连成了一体一样。动力学甚至证明，土星环的转动速度必须跟土星自转的速度相等，这样才能保持这个脆弱的巨大土星环的构架不致分裂；如果土星环的转动速度跟土星自转的速度并不一致的话，那么在重力的作用之下，土星环崩解后就会将它庞大的碎片落在土星上。这个圆环自身并不发光，因为我们看到，它将自身的影子投射在土星上，同时我们也看到，土星将它自己的影子投射在这个圆环卫星上。因此，这个圆环卫星只是将来自于太阳的光线反射出去，因此对于土星来说，这个圆环卫星就像是一个形状非常奇特的月球，它环绕着土星的整个天空运行一圈，就像一条连续的卫星链一样。因为土星的球面曲线的缘故，在土星的极地区域，我们并不能看到圆环。从纬度66度开始，这个圆环卫星逐渐地从土星的地面上开始出现。越是靠近土星赤道的地方，我们看到的这个圆环卫星就越是完整。它就像一个巨大发亮的拱形桥，横跨在天空中，从一端到另一端。从赤道上看去，也就是顺着土星环的竖直面去看，它就像一根银色的绳子，在天顶处把天空分成两半。当处于一种合适的观看情形下时，土星环那壮丽的光拱，弯曲在从西方到东方的天空中，这时，它的八颗卫星，呈现出不同的相位，一起放射出耀眼的白光：土星上夜晚这种仙境般的景象，是我们无法想象的。
图78