卫星的故事

卫星的故事
著：William Sheehan 译：Alex

从伽利略时代到今天，新望远镜和新技术在不断地促进着卫星的发现。

在他的诸多发现之中，伽利略最欣赏的是木星的四个伽利略卫星。当时伽利略身为Padua大学的数学教授；1610年1月7日，他将一架原始的望远镜指向了明亮的木星，一下子就注意到了“我以前从未注意到的现象……即，有三颗小而亮的星星，非常地靠近木星。”两颗在木星东侧，一颗在木星西侧。

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                      /*图一伟大的天文学家伽利略*/

    刚开始，他以为那不过是视场中的恒星罢了。但是第二夜他却发现三颗星排成一列，都跑到木星的西侧去了。在1月10日，他只看到两颗星，而且都分布在木星的东侧。伽利略后来写道，“所以，我就毫不犹豫地下了结论，在天空之中有三颗星绕着木星运动，就像金星和水星绕着太阳一般。” 通过更进一步的观察，他逐渐确立了“前所未闻的四颗行星”的存在。

    1610年之前，人类已知的只有一颗卫星，那就是地球在宇宙中的唯一侣伴——月球。就如同当时地球在人们心目之中一样，月球也是地位独尊的。然而，突然地，新的卫星纷至沓来，扩充了人们对于太阳系的观念——人们不得不接受太阳系的新子民。伽利略的发现，和当时的新发明——望远镜，带来了天文学的新纪元。从1610年至今，每当新型望远镜或其他新技术冲破极限，新的卫星就会随之闯入我们的视野。

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/*图二伽利略卫星“全家福” 这可是太阳系中最显赫的家族——木星与它的四颗伽利略卫星。从左往右，分别是木卫三、木卫四、木卫一、木卫二。*/

    德国的开普勒第一个认识道伽利略发现的重要意义。当刚听说伽利略发现的传闻时，他首先想到那可能是绕着其他恒星旋转的行星——我们今天称为太阳系外行星。当疑云散开、事实澄清后，开普勒建议称新天体为“卫星”。他写道：

    “让我们把这个问题，也就是万能和深谋远虑的人类守护者允许无益的事物存在及其缘由，留给（哲学）考虑吧；他，就像一个经验丰富的管家，在特殊的时刻为我们打开其大厦的内室……还是上帝——造物主……引导着我们人类——就像年轻人逐步迈向成熟——一步一步的从知识的一个阶段跨越到另一个？”

    开普勒从他的假设进一步推断，造物主绝不会毫无目的地创造任何事物：

    “结论应当很清楚。我们的月球为地球上的我们而存在，并非为其他星球。而这四个小月亮为木星存在，并非为我们。从这条道理我们可以推断，木星在很大可能上是有人居住的。”

    除了意识到发现的重要性，开普勒还第一个用望远镜独立地验证了木星卫星的存在。1610年8月30日到9月9日之间，他用伽利略送给科隆皇太子的望远镜看到了它们。英国的Thomas Harriot和法国的Nicolas－Claude Fabri de Peiresc也在那个秋天看到了它们。直到1614年，德国天文学家Simon Mayr（他的拉丁化名字Marius更广为人知）宣称他在伽利略之前发现了木卫。但他是在伽利略之后才宣布观测结果的，因而他没能说服天文界承认他的优先权。很可能他在1609年11月或12月看到了这些卫星，但他并没有将它们与恒星区分开来。

    在接下来的几十年之中，望远镜技术进展缓慢，因而下一次卫星发现是45年之后的事情了。1655年，荷兰的天文学家惠更斯发现了土星最大的卫星——土卫六；他使用的是新型5厘米镜，其光学性能上要优于伽利略的折射镜。用这台望远镜，惠更斯也第一个认识道土星光环的真貌——一个不与星球相接触的“薄而平的环”。

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/*图三土卫六，土星最大的卫星，其庐山真面目常遮掩于它厚厚的大气层之后。上图是天文学家们第一次得以看到它的地貌，这是由哈勃太空望远镜的近红外摄像仪拍摄的。*/

    此时，在天文学上能与惠更斯匹敌的，只有意大利出生的天文学家卡西尼了。法王路易十四邀请卡西尼接管巴黎的新国家天文台。但是天文台的建筑师更注重于雅致而非实用，因而卡西尼发现有必要将他的望远镜建在乡间。

    用他的5米长望远镜，卡西尼在1671－1672年间发现土星的两颗卫星。为向他的赞助人“太阳王”路易十四表示敬意——同时，恰巧这时太阳系中已知天体达到14颗——卡西尼将这两颗卫星命名为“路易星”。而它们今天的名称（Iapetus和Rhea，即土卫八和土卫五）是十九世纪初约翰·赫歇尔爵士起的。

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/* 图四“路易星”——土卫五土卫六是土星卫星中的“大哥”，位居次席的就属土卫五了。它主要由水冰组成，但有一个岩石核。土卫五和月球差不多，也是只有一面朝向土星，而其另一面也就易受陨星撞击，也就“伤痕累累”。*/

    不过，“太阳王”运气实在不佳——在他生前太阳系天体就超过了十四个。在1684年，卡西尼自己就又发现了两颗新的土星卫星：土卫三和土卫四。他所用的是惠更斯首先设计制造的，长度极大的管状“天线望远镜（aerial telescope）”。透镜组固定在一个长杆子上，观测者则站在地面上，手里拿着目镜，顺着引导线的方向看放大的物象。卡西尼发现土卫三和土卫四用的望远镜分别长30米和41米——的确是了不起的功绩，也是对他耐心和技艺的考验。

    1686年，卡西尼宣称他发现了金星的卫星。其实他是被那颗亮行星的鬼象所欺骗了。自卡西尼之后，大多在18世纪，也有很多其他的观测记录，而观测者使用的仪器光学质量都有问题。事实上，金星没有卫星。

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                         /* 图五天文学家卡西尼*/

    惠更斯和卡西尼及其同时代人，已经将天线望远镜发挥到了实用极限；一个世纪之后才出现了可以发现新卫星的仪器。这是威廉·赫歇尔的大型金属反射镜，它的缺点是易失去光泽，必须经常重新打磨。不过在合适的人手中，它就会成为威力强大的装备。

    1781年3月，赫歇尔就用17.8厘米（7英寸）口径的这种望远镜，发现了从史前时代开始的第一颗新的大行星——天王星。1787年，他用48.3厘米（19英寸）镜发现了天王星的两颗卫星：天卫四和天卫三。这结束了卫星发现史上将近一个世纪的沉寂。

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    /*图六天卫四这是天卫四的地表照片。右方的大撞击坑被命名为哈姆雷特坑。*/

    两年之后，也就是1789年的夏天，英吉利海峡的彼岸，法国大革命正进行地如火如荼。赫歇尔此时正在初次试用他的122厘米（48英寸）望远镜，他怀疑他发现了土星的一个新卫星。那一年，土星环的侧面朝向我们，几颗卫星看起来就像穿在绳子上的珍珠。那一年夏天的晚一些时候，他使用更好用一些的48.2厘米（19英寸）确认了它的存在。后来，他又发现了一颗土星卫星。这两颗就是土卫二和土卫一。

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                          /*图七英国天文学家赫歇尔*/

    伴随着新型望远镜的出现，十九世纪中期出现了又一次卫星发现狂潮。富裕的酿酒人和天文学家，英国人拉塞尔，在他的工程师朋友James Nasmyth的协助之下，拥有了带有赤道仪的61厘米（24英寸）反射镜。1846年，在海王星发现不到一个月之后，拉塞尔用它就发现了其最大的卫星海卫一。但他第二年才却确证了这个发现。海王星是一个第一个被发现的逆行卫星，也就是说它在轨道上的绕转方向和行星自转方向相反。

    1848年，拉塞尔也和美国天文学家邦德一起分享了土卫八的发现。9月17日，邦德用哈佛大学的38.1厘米（15英寸）反射望远镜观测到了它。在大西洋彼岸的拉塞尔，在不知道情的情况下，第二天夜里也看到了土卫八。1851年，拉塞尔还用他的61厘米反射镜发现了天王星的两颗新卫星（天卫一和天卫二）。

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                         /*图八英国天文学家拉塞尔*/

    拉塞尔的成功非常值得赞扬，因为拉塞尔位处英国利物浦，那里常常阴云密布，空气之中还散布着煤灰。为了有一个更好的观测环境，他将他的61厘米反射镜搬到了地中海的岛国马耳他。虽然那里气候很好，但他再也没有发现新卫星。当然，他仍旧是维多利亚时代的伟人。维多利亚女王都给予他拜访的荣耀；拉塞尔和其他人用大望远镜做出的发现，也激发了当时的大诗人Alfred Lord Tennyson的灵感，以至赋诗一首：

科学伸开她的双臂，
来探触一个又一个世界，
从最近知晓的卫星的奥秘，
来展现其无尽魅力。

(
...Science reaches forth her arms
To feel from world to world, and charms
Her secret from the latest moon.
)

    Tennyson也许在无意之间，还为下一次卫星发现作出了贡献呢。在另一首诗中，他写下了常被引用的一行：
“那没有月亮的火星之冰雪覆盖的两极。”

    一位美国天文学家Asaph Hall后来写道，他已经厌倦了老读到没有卫星的火星——这是基于威廉·赫歇尔和其他观测者不成功的搜索——他最后决定自己找找试试。1877年，正值火星最接近地球之际，这是Hall的大好机会。他当时正在主管位于美国华盛顿的美国海军天文台的66厘米（26英寸）反射镜。开始，他认为所有的卫星都应该距行星一段可观的距离，但每当他发现一个可疑星体，最终都被证明为是视场中的恒星。当他都快要放弃时，是他的妻子Angelina说服他回到圆顶，再试最后一次。他后来这样写道：

    “我开始在行星附近的区域检测，甚至在它周围的光芒之中。为了达到这个目的，我保持行星本身在视场之外，而且旋转镜头以将行星周围全部看到。在8月11日观测时，我发现了一个暗天体。。。这时来自波拖马可河的雾阻止了观测，以至我但没有时间来确定它的位置。”

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/*图九火卫一：在劫难逃的火星卫星火卫一上布满陨坑，象一颗小行星。它直径约为27千米，8小时就穿过火星天空一次。火卫一的轨道距火星太近（它距火星的距离只相当于月球距地球距离的六十九分之一），其“悲惨”命运在劫难逃——无情的引潮力在将它不断地向火星拉去，在过约一亿年，它将撞到火星上，或被撕成碎片，变成环绕火星的一个尘埃环。*/

    1877年，美国海军天文台坐落于被称为“雾滩（foggy bottom）”的沼泽地（此台是1892年迁入现在所在地Georgetown地区的）。Hall经常得与涌入圆顶百叶窗的雾气作斗争。而且，八月这里闷热的天气使人感到厌烦——也许这就是为何美国国会此时休会的原因吧。但在Angelina的鼓励之下，Hall坚持下来了，终于确认这的确是火星的卫星——也就是我们现在所称的火卫二。8月17日，他发现了更靠近火星的卫星，火卫一。Angelina也获得了以她未婚时的姓氏Stickney，来命名火卫一上最大的撞击坑的荣耀。

    1892年，巴纳德用里克天文台（位于美国加利福尼亚州）的91.4厘米（36英寸）反射镜，发现了木卫五；这也是从伽利略1610年以来发现的第一颗新的木卫，也是最后一颗用目视法发现的卫星。

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                         /*图十天文学家巴纳德*/

    1898年，哈佛的天文学家皮克林用照相法发现了土卫九——这颗远离距土星卫星，一个卫星发现的新纪元开始了。这样的方法更加高效，但个人因素也减小了。使用照相感光板，几个小时就能成像；它对天体的敏锐度比目视高得多，就像蒸汽锤之于约翰·亨利。（注：约翰·亨利是美国歌谣中的一个人物，他常被描述为一个黑人工人，在一次使用大锤和蒸汽锤比力量之后，劳累而死。）

    自从皮克林的发现之后，大约每隔十年就会发现一、两颗新卫星。1900年，已知太阳系内共有22颗卫星，而到了五十年代中期，这个数目就长到了31颗。可惜但它们的发现，就不像以前目视法的发现有那么多浪漫的故事了。而且这些卫星都大多像土卫九那样，是“不规则”卫星。它们个头也小，绕行星旋转的方向也“不对头”（逆行）——估计它们都是被行星捕获的小行星。

    在1904年和1905年，用里克天文台的91.4厘米（36英寸）反射镜，Charles Dillion Perrin分别发现了木卫六和木卫七。1908年英国格林威治天文台，当P.J. Melotte跟踪这两个卫星的轨迹时，在底片上发现了木卫八。
受到Perrine成功的激励，Seth Nicholson也加入了这场寻找卫星的竞赛中来。Seth Nicholson是自从赫歇尔和拉塞尔以来最多产的卫星猎手——在1914年至1951年间，他有4颗木卫入帐。从作为里克天文台的研究生开始，他就被分配拍摄木星的遥远、暗弱卫星的任务。在做这个工作期间，也就是1914年，他发现了木卫九。他后来去了威尔逊山，一直在那里工作到1938年。他在那里专门用照相法寻找未被发现的卫星，其间发现了木卫10和11。他用跟踪行星的办法——这样在底片上，暗淡卫星显现出环形轨迹，而恒星是直线。1951年，用相同的方法，他发现了木卫十二。

    1944年，伟大的荷兰裔美国天文学家柯伊伯，用分光镜发现了土星最大的卫星土卫六上有大气。四年之后，他发现了天王星很特异的一个卫星天卫五。不像在这之前四十年发现的大部分卫星，天卫五大得足以形成球状。一年之后，他又发现了海王星的一个小而遥远的卫星，海卫二。

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/*图十一：天王星的卫星天卫五天王星的云层的确平淡无奇，而距它最近的卫星天卫五却有几处很有意思的地貌。天卫五是旅行者2号飞船飞得最靠近的一个太阳系天体，因而也就得到了无以伦比的细节。天卫五严重被撞击的地形与木卫三较为相似，它上面还有峡谷和悬崖。天卫五是由大概一半对一半的冰和岩石组成的。*/

    1966年十二月，当土星环看起来最薄的时候，法国墨东天文台的Audouin Dollus和美国海军天文台旗杆站（Flagstaff Station）的Richard Walker，发现了距土星150000千米处有一个暗至14等的卫星——土卫十。Dollus当时给他的卫星候选人起名为Janus。但这之后十多年，他的距离测量都有争议。1977年，美国亚里桑那大学的Steve Larson和John Fountain在分析了1966年的一组照片之后，宣布在距土星150000千米有可能有一颗卫星。1980年，美国亚里桑那大学的Larson, Bradford, 夏威夷大学的Dale Cruikshank等人，用地基望远镜拍摄的照片证实以上的分析，并发现实际上是两颗卫星——土卫十和土卫十一，共同在距土星151000千米的轨道上绕转。

    然而，本世纪最重要的卫星发现可能是冥王星的卫星卡戎了。自从1930年汤博发现冥王星之后，科学家们就一直在争论其质量是否足以扰动天王星和海王星。1978年，当詹姆斯·克里斯蒂（James Christy）发现了卡戎后，争论才告一段落。当他在美国海军天文台旗杆站（距汤博发现冥王星的地方只有几里地）检查冥王星的照片时，发现它们有些拉长。克里斯蒂当时意识到，这些拉长的影照表明冥王星有一颗不一般大小的卫星——
也就是我们后来所说的卡戎。最后，这可帮助我们计算出冥王星的精确质量。结果，其质量仅有月球质量的五分之一，地球质量的千分之二。显然，对于一个行星来说，这太小了。

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                         /*图十二冥王星及其卫星卡戎*/

    卡戎的发现恰昭示着另一个新纪元的开始。这次发现狂潮是外行星探测器旅行者号掀起的。1979年，旅行者1号发现了一颗新的木卫，1980年三颗土卫。（这一年，正当土星环“切”向地球，地面的天文学家们确认了不止三颗土卫。）而旅行者2号一下子发现了两颗新木卫，一颗新土卫，十颗新天王星卫星及六颗新海王星卫星。而旅行者号的图象处理组的Stephen Synnott和Richard Terille，以分别发现12和5颗卫星，堪称卫星猎手之首。

    即便如此，新发现并没有停滞。宽视场CCD带给天文学家们以无以伦比的洞察宇宙之能力。在最近一段时间，天文学家们把他们的视野放的更广，发现了木星、土星及天王星许多遥远的卫星——非常可能是它们捕获的小行星。伽利略飞船甚至在小行星艾达附近发现了其卫星；而天文学家用地基望远镜，又发现了几个小行星也有它们的月亮。

    现在被确认的卫星大概如下：土星30个，木星28个，天王星21个，海王星8个，火星2个，地球1个，冥王星1个。发现结束了吗？还是仍旧前景远大？

    当然，卫星的数量可能永远也数不清，就像海滩上的沙砾——它们实际上不可数。因为，木星，土星，天王星和海王星除了现在的一批“跟班”之外，还有复杂的环系。可以说，这环就是由不计其数的小卫星组成。

    从伽利略、卡西尼和赫歇尔到今天，科学已长足进步且还大步向前。科学仍旧不断探触一个又一个世界，从最近知晓的卫星的奥秘，来展现其无尽魅力。我们永远也不能说，我们已经做出了最后的发现。

译自 Mercury杂志2001年3－4月刊（Vol.30, Issue 2）