求木卫二和土卫六简介

求木卫二和土卫六简介
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土卫六(Titan,''泰坦星'')是环绕土星运行的一颗卫星.它是土星卫星中最大的一个.在1655年3月25日被荷兰物理学家、天文学家和数学家克里斯蒂安·惠更斯发现,它也是在太阳系内继木星伽利略卫星发现后发现的第一颗卫星.由于它是太阳系唯一一个拥有浓厚大气层的卫星,因此被视为一个时光机器,有助我们了解地球最初期的情况,揭开地球生物如何诞生之谜.
名称
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惠更斯简单的把这颗他发现的卫星称为''Saturni Luna''(''土星的卫星'').之后,乔凡尼·多美尼科·卡西尼为了表达对国王路易十四的敬意将发现的四颗卫星(它们是土卫三-特提斯,土卫四-狄俄涅, 土卫五-雷亚以及土卫八-伊阿珀托斯)命名为''Lodicea Sidera''(''路易之星'').天文学家依据习惯把这五颗卫星以数字加以编号.其他的卫星则被称为"惠更斯卫星"或"土星的第六颗卫星"(从当时知道的距离土星远近排列,土卫一美马斯和土卫二恩克拉多斯在1789年被发现).
土卫六的英文名称"泰坦"和其他另外七颗当时已知的土星卫星的名称来自约翰·赫歇尔爵士(约翰·赫歇尔是威廉·赫歇尔爵士之子,威廉·赫歇尔本人发现了土卫一和土卫二).约翰·赫歇耳在1847年出版的《在好望角天文观测的结果》一书中把这颗新卫星命名为泰坦,泰坦在神话中是克龙(即希腊神话中的萨坦-Saturn-土星)的妹妹.
物理特性
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土卫六是土星最大的卫星,也是太阳系第二大卫星,大于行星水星的体积(虽然质量没有水星大), 在太阳系中它的大小仅次于木星最大的卫星木卫三.但最近的观测也显示其浓密的大气可能使人们过高估计了它的直径, 如同许多其他的卫星一样,土卫六比小行星134340(原冥王星)的质量和体积都要大.
土卫六平均半径2575千米,质量1.345×1023千克,平均密度1.880×103千克/米3.土卫六环绕土星公转轨道半长径为1221850千米,偏心率0.0292,轨道平面与土星赤道面的交角为0.33°,公转周期15天22时41分24秒.土卫六的自转周期与公转周期相同,这一点与月球类似.土卫六有浓密的大气,主要成分是氮,表面大气压力1.5×105帕斯卡,表面温度-178℃.
土卫六质量与木卫三,木卫四,海卫一,小行星134340大体类似.土卫六一半是水冰一半是固体材料.在多个不同结晶状冰层的3400千米下有一个固体核心.其核心内部应该仍然炽热.虽然土卫五以及其他的土星卫星也类似,但土卫六的核心密度更大,这是因为它体积巨大造成重力压缩其内部造成的.
大气情况
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土卫六是目前已知拥有真正大气层的卫星,其他的卫星最多只是拥有示踪气体.大气的存在是1944年首先被杰勒德 P. Kuiper 使用光谱望远镜发现的,他发现土卫六大气的甲烷局部圧力达到100毫巴.后来,旅行者太空船的观测也证实土卫六上拥有大气,事实上,土卫六的大气圧比地球还要大一点,星球表面的圧力是我们星球的1.5倍.土卫六表面浓密的云层遮盖住了它的表面地貌.人们一般认为土卫六表面是固态或液体乙烷.最近从地球的雷达测量发现那里没有大范围的乙烷海洋,但是仍然有可能存在小的乙烷湖. 后来,科学家对卡西尼太空船最近发回的照片进行研究,认为土卫六上或许根本不存在液态甲烷海洋.研究人员曾通过地面望远镜对土卫六进行观测,他们当时认为,种种迹象显示这一土星卫星上可能存在液态海洋.但是,科学家们对目前得出的结论仍有疑惑之处,因为以前的观测显示土卫六表面确有着闪烁的液体反光,尤其是几年前通过大型无线电望远镜观测的结果更证明极有可能存在液体海洋.
土卫六大气的94%是氮气—太阳系中惟一除了地球外的富氮行星—那里还有大量不同种类的碳氢化合物残余(包括甲烷、乙烷、丁二炔、甲基乙炔、丙炔腈、乙炔、丙烷,以及二氧化碳、氰、氰化氢和氦气.这些碳氢化合物被认为来自于土卫六上层大气中的甲烷.当甲烷因为太阳辐射而发生反应就会产生浓密的桔红色烟云.土卫六表面那像是被涂上了一层柏油的有机物沉淀叫做tholin.土卫六没有磁场保护,所以当它有时运行在土星的磁气层外时,便直接暴露在太阳风之下.这导致大气电离并在大气上层释放出一些分子.
在接近表面时,土卫六的温度大约是94K.水冰在这种温度下会升华,所以大气中会有少量的水蒸气存在.土卫六表面除了覆盖全球的迷雾之外也有各种不同的云.云可能是由甲烷,乙烷或简单的有机物组成.其他稀有的复杂化学物质是土卫六在太空外观呈现橙色的原因.
2004年11月卡西尼号飞越过土卫六照片中明亮多云的南极,但并未发现期望的甲烷存在.这令科学家们困惑,対云成分的相关研究仍然在进行中,我们过去关于土卫六大气的知识可能需要重新书写.
2004年卡西尼号观测大气的结果发现土卫六大气"超级旋转",就像金星那样,其大气要比表面旋转快很多.
表面特征
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至2004年,人类对土卫六的表面地图的了解仍然是非常缺乏了解的.无论如何,人类使用哈勃天文望远镜的红外线和卡西尼-惠更斯号拍摂到一个高亮度,有澳洲大小区域的图片.这个区域的非正式名称是''Xanadu Regio''(世外桃源)；没有人知道那里是什么样.类似的哈勃太空望远镜、Keck望远镜和甚大望远镜还观测到土卫六上另外一片大小相近的深色区域,人们推测那里可能是液态的甲烷或乙烷海洋,但卡西尼号观测的数据发现可能是其他物质.卡西尼号还发回大量土卫六高分辨率地貌图像,其中包括谜一般的线状条纹,一些科学家认为那可能是地壳构造运动产生的.
2004年11月26日的一次飞越土卫六的观测,发现土卫六光滑的表面上只有很少的冲击环形山,这些环形山在光线的作用下明暗对比强烈.这大概是土卫六烃雨或烃雪落入环形山或火山喷发活动活跃造成的经常地壳重构所致. 探测器的分光器发现亮区和暗区发射的太阳光波长一样,这就意味着它们可能由相同的物质组成(或者至少是覆盖着相同的物质).至于到底是什么物质,人们依然不清楚.人们曾希望凭借探测器观测物体或液体反射光线而发现的烃湖或烃海并未被探测到.这使得科学家怀疑土卫六表面可能是完全呈冰状或泥泞状态.
为了更好的了解表面地貌,卡西尼太空船在飞近土卫六时使用了雷达遥感测绘技术.传回的第一张图片就展现地表是一个复杂,崎岖与平坦并存的区域.这种地貌看来应该是由火山造成的.火山可能喷发出水和氨水.另外也发现了一些好像风蚀产生的条纹状地貌.还有一些看起来是已经被填平的冲击环形山,其中的液体可能是液态烃.湖中有或没有什么现在仍然无法确定.另有一些区域返回的信号看来,可能是固体或液体,但其他的解释仍然存在.土卫六看起来真的很光滑,表面没有高于50米的地貌.
探索
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土卫六是太阳系中惟一有大气层的卫星.在距土卫六表面约19公里处,“惠更斯”拍到了厚厚的一层云雾.科学家指出,这层云雾的主要组成物质极有可能是甲烷.在着陆之后,“惠更斯”还发现,土卫六表面物质正在不断蒸发,并产生更多的甲烷.据推测,早期地球上也存在大量类似甲烷的碳氢化合物.
当科学家们闻到这股和早期地球相似的气体之后,欣喜若狂.参与此次计划的安德鲁·鲍尔博士兴奋得像一个孩子喊道：“天哪!这简直太不可思议了.在对传回的那些照片和数据进行分析之后,迷雾般的橙色星球由95％的氮气组成,剩下的气体则是甲烷和其他碳氢化合物.这些大气真的和早期的地球十分相似.这意味着我们真的美梦成真了.”同时,土卫六大气中还有一氧化碳和二氧化碳的痕迹,所有这些都使科学家联想到45亿年前的地球.有天文学家称,土卫六才是太阳系内找到地外生命的最佳地点.
表面可能有黏土和水
在公开的首张土卫六彩色照片中,星球上到处是一片橙色,其表面就像海绵一样多孔而富有弹性.科学家认为,和土卫六照片中表面物质看上去最相似的,就是地球上的湿土和黏土.土卫六表面的亮度也比此前预计的暗得多.科学家还从照片中物体的底部发现了被侵蚀的痕迹,这表明它们此前可能遭到过河流的冲刷.
美国亚利桑那大学月球和地球实验室专家马蒂·托马斯科说：“我们曾推测土卫六上存在流体,但一直无法证明.”现在,根据“惠更斯”在土卫六上空16公里处拍摄的一张俯瞰照片,可以毫无疑问地对此加以肯定.他说,从照片上可以清晰地分辨出浅色的山地和丘陵,其间有黑色线状的流体穿过,这可能是熔岩,也可能是海洋.从照片上来看,这片海洋由大小不等的岛屿和薄雾包裹的海岸线组成.负责探测土卫六表面的负责人约翰·扎尼奇说：“经过研究之后,我们认为照片上黑色的部分是海洋,白色的部分则是岛屿.”此外,天文学家猜测土卫六表面可能有水,只不过是以冰的形式出现,也不排除地表深处可能存在液态水.
土卫六上有风吹过
除了传回珍贵的数据以及彩色的照片之外,“惠更斯”上的麦克风还捕捉到了一种呼啸而过的巨大声响.科学家目前还没有就此得出结论,不过探测器已经探测到,土卫六上有风吹过,其时速约为24公里.欧航局科学家马尔切洛·富尔基尼奥尼在会上播放了一个音频,它是由“惠更斯”穿越土卫六大气层过程中进行的雷达测量转换而来的.随着“惠更斯”距离土卫六表面越来越近,雷达信号也变得越来越迅疾而尖锐.
航海家1号和航海家2号曾经检视过土卫六. 航海家1号曾试图尽可能的接近土卫六.不幸的是,航海家1号上没有仪器能够穿透土卫六上的迷雾,因为当时根本不知道上面有云层的存在.多年之后,在対航海家1号桔色滤镜拍摂的图片进行复杂的数字处理后,虽仍然没有能够解释如''世外桃源''地区和''镰刀''地区明亮和黑暗地貌的成因但从那时起,这些地区就开始被哈勃天文望远镜用红外线加以观测了.航海家2号只是粗略的检视过土卫六.航海家2号团队必须从调整轨道让航海家2号详细检视土卫六和使用另外一个访问天王星和海王星的轨道中选取一个.由于航海家1号没有能够观测到其表面地貌,航海家2号团队选择了后一个方案.
卡西尼—惠更斯号已在2004年7月1日到达土星,并且开始使用雷达测量土卫六表面地形的工作; 卡西尼探测器在2004年11月26日飞跃到土卫六上方并且拍摂下很多高分辨率的土卫六表面图像,展现了人眼从来没有见过的明暗斑块.卡西尼号在2004年12月25日圣诞节释放出了惠更斯号,惠更斯号在2005年1月14日进入土卫六大气层进行详细探测.惠更斯号探测器可在土卫六的大气中烧毁前将相关数据发回.
惠更斯号探测器在2005年1月14日登陆土卫六.
女巨神秘密
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从惠更斯发现土卫六以来,至今已有300多年的历史,土卫六仍是一个待解之谜.要想对土卫六有更深刻的认识,还需要人类不断地进行探索.
“天资”出众
天文学家们为什么特别看重土卫六呢?因为土卫六“天资”出众,所以受到天文学家们的青睐和器重.土卫六与众不同的“天资”表现在如下方面：
首先,土卫六的直径为4828公里,在卫星世界中居第二位,比冥王星大许多,跟水星的个头儿差不多.它的质量是月球质量的1.8倍,平均密度为每立方厘米1.9克,约为地球密度的1／3,引力则为地球的14％.
土卫六与土星的平均距离为122万公里,沿着近乎正圆形的轨道绕土星运动.它像月球一样,总以同一面向着自己的行星——土星.也就是说,如果在土星上看土卫六的话,永远只能看到土卫六的同一个半面.它的轨道基本上在土星赤道面内.你可以想一想,土卫六这么大的天体,沿着大约122万公里的半径,居然运动在近乎正圆的轨道上,这真是有点难以想象的事.如果让我们专门画这样一个圆,恐怕也是不容易办到的.足见天体演化中的自然奇观.
第二,1944年,美籍荷兰天文学家柯伊伯对土卫六进行了系统的分光观测研究,发现土卫六上有甲烷气体,从而确认土卫六上有浓密的大气层.一直到现在,土卫六仍是太阳系内已知的60多颗卫星中有大气的唯一卫星,这怎能不受到天文学家们的特别偏受呢?
第三,根据土卫六的运动特征、物理状况和化学成分,天文学家们判定土卫六是和土星一起演化形成的,属于稳定卫星,不可能是土星后来捕获的小天体.一些天文学家曾一度将土卫六的质量、体积、表面重力、表面温度、大气成分、水和冰的含量、自转和公转等天体特征和天体环境与地球进行比较,目的是想从中获取有关早期生命物质演化的蛛丝马迹.
其他天体上有没有生命的繁衍?这个问题一直萦绕在天文学家们的脑际.土卫六的发现者惠更斯在《天体奇观,关于其他行星上的居民、植物及其世界的猜想》一书中写道：如果我们认为这些天体上除了无边无际的荒凉之外,一无所有,……
甚至进一步认为那里根本不可能存在高级生物,那么我们无异就贬低了它们,而这是非常不合情理的.诚然,判断哪个天体上有没有生命,这是一个十分严肃的科学问题.
从目前看,恐怕过于乐观是不现实的,然而过于悲观也是没有根据的,实践是检验真理的唯一标准.至于土卫六上的生命信息,至今仍是个不容乐观的谜,但是一定会在不断探测的实践中得到解决.
从地球上看去,土卫六是一颗8.4等星.凭眼睛直接看是绝对看不到的.用较好的天文望远镜观测它,也只能看到一个小小的红点似的盘状体.为什么是这个颜色呢?有人认为这可能是因为土卫六上存在着复杂的有机分子.当然,完全依靠地面观测是解决不了这类问题的,只能是“纸上谈兵”.
随着宇航事业的飞速发展,行星际探测器取得了空前的成果.目前,亲自探测过土卫六的行星际飞船共有两个.它们是美国发射的“先驱者11号”和“旅行者1号”.
1979年9月1日,“先驱者11号”飞掠土星,考察了土卫六.不过,当“先驱者11号”考察土卫六时,正赶上一阵强烈的太阳风,严重地影响了发回的信息.地面控制中心只收到它在35万公里处拍下的5张高分辨率的照片.在照片上,土卫六呈现美丽的桔红色,像熟透了的桔子.“旅行者1号”于1980年11月11日飞临土卫六.它离土卫六最近时,离云顶只有4000公里,探测取得完满的成功.就是这次,测得土卫六的直径为4828公里,而不是过去认为的5550公里.
“旅行者1号”对土卫六的考察结果表明,土卫六确有浓厚的大气层,约有2700公里厚,比地球大气密度还高.大气的主要成分是氮气,占 98％,甲烷占 1％,还有少量的乙烷和氢等.金星、地球和火星的大气中也都有氮气,但是都没有土卫六这么多得惊人.
“旅行者1号”还发现土卫六大气呈雾状.浓密的雾层使阳光不能照到土卫六的表面,影响了“旅行者1号”对土卫六表面的观测.同时,也有的科学家根据“旅行者1号”的观测资料,认为土卫六大气中充满甲烷.
为了进一步研究土卫六大气和生命的关系,美国康奈尔大学的行星物理学家卡尔·萨根等人,做了土卫六大气模拟实验.研究者认为,土卫六上含有大量氮气的大气层,产生了各种各样的生命前的化学物质.萨根指出：“早期的地球上可能也曾发生过类似的过程.但在土卫六上发生的生命前化学过程,因为那里的温度远低于水的冰点,大概是不会有生命的.”
说到这里,你有没有想到：为什么在卫星中只有土卫六有如此丰富的大气层呢?这一直是行星物理学家们在思索的问题.有人认为,这可能是土卫六表面温度高到足以维持相当数量的甲烷和氨气,以保持与其表面的冰相平衡.也可能是土卫六上的冰含有甲烷和氨,在上卫六的温度下容易形成大气.第三种可能是土卫六大气不会像受木星强磁场那样,使大气跑掉.第四种可能是土卫六的质量大,能经受内部的分化,分化出的冰向表面集中,它的引力足以使大部分的气体不至跑掉.
迄今只有先驱者11号、旅行者1号和2号三个探测器飞临土星进行过探测土星的活动.1979年9月1日,先驱者11号经过6年半的太空旅程,成为第一个造访土星的探测器.它在距离土星云顶20200千米的上空飞越,对土星进行了10天的探测,发回第一批土星照片.先驱者11号不仅发现了两条新的土星的探测器,发回第一批土星照片.先驱者11号不仅发现了两条新的土星光环和土星的第11颗卫星,而且证实土星的磁场比地球磁场强600倍.9月2日第二次穿过土星环平面,并利用土星的引力作用拐向土卫六,从而探测了这颗可能孕育有生命的星球.
1980年11月12日,旅行者1号从距离土星12600千米的地方飞过,一共发回1万余幅彩色照片.这次探测不仅证实了土卫十、十一、十二的存在,而且又发现了3颗新的土星小卫星.当它距离土卫六不到5000千米的地方飞过时,首次探测分析了这颗土星的最大卫星的大气,发现土卫六的大气中既没有充足的水蒸气,其表面也没有足够数量的液态水.
1981年8月25日,旅行者2号从距离土星云顶10100千米的高空飞越,传回18000多幅土星照片.探测发现,土星表面寒冷多风,北半球高纬度地带有强大而稳定的风暴,甚至比木星上的风暴更猛.土星也有一个大红斑,长8000千米,宽6000千米,可能是由于土星大气中上升气流重新落入云层时引起扰动和旋转而形成的.土星光环中不时也有闪电穿过,其威力超过地球上闪电的几万倍乃至几十万倍.它再次证实,土星环有7条.土星环是由直径为几厘米到几米的粒子和砾石组成,内环的粒子较小,外环的粒子较大,因粒子密度不同使光环呈现不同颜色.每一条环可细分成上千条大大小小的小环,即使被认为空无一物的卡西尼缝也存在几条小环,在高分辨率的照片中,可以见到F环有5条小环相互缠绕在一起.土星环的整体形状类似一个巨大的密纹唱片,从土星的云顶一直延伸到32万千米远的地方.
旅行者2号发现了土星的13颗新卫星,使土星的卫星增至23颗.它考察了其中的9颗卫星,发现土卫三表面有一座大的环形山,直径为400千米,底部向上隆起而呈圆顶状,还有一条巨大的裂缝,环绕这颗卫星几乎达3/4周；土卫八的一个半球为暗黑,另一个半球则十分明亮；土卫九的自转周期只有9~10小时,与它的公转周期550天相去甚远；土卫六的实际直径为4828千米,而不是原来认为的5800千米,是太阳系行星中的第二大卫星,它有黑暗寒冷的表面、液氮的海洋、暗红的天空,偶尔洒下几点夹杂着碳氢化合物的氮雨等,这是人类了解生命起源和各种化学反应的理想之处.
为了进一步探测土星和揭开土卫六的生命之谜,美国与欧空局联合研制了价值连城的卡西尼号土星探测器.1997年10月15日这个探测器发射升空,开始为期7年的漫长旅途.它预计2004年飞临附近空间,开展长达4年的环土星就近探测,并首次实现在土星的最大卫星土卫六上着陆,进行实地考察.卡西尼号直径约2.7米,总重达6吨,由轨道探测器和着陆器组成.其轨道探测器取名卡西尼号,装有12种探测仪器；着陆器取名惠更斯号,装有6台科学仪器.为了加快奔向土星的飞行速度,卡西尼号于1998年4月飞掠金星,获得第一次加速.随后它绕太阳公转一周,于1999年6月再次飞掠金星,获得第二次加速.同年8月,它在地球附近飞过,获得第三次加速.
之后,卡西尼号探测器将于2000年12月飞掠木星,得到最后一次加速.它定于2004年7月飞抵目的地与土星会合,进入环绕土星运行的轨道.同年11月,惠更斯号着陆器将脱离卡西尼号探测器飞向土卫六,穿过其云层,在土卫六上软着陆,然后将探测到的数据通过环土飞行的卡西尼号轨道器传回地球.卡西尼号进入环土星轨道后的任务是：环土星飞行74圈,就地考察土星大气、大气环流动态,并多次飞临土星的多颗卫星,其中飞掠土卫六近旁45次,用雷达透过其云气层绘制土卫六表面结构图,预计可发回近距离探测土星、土星环和土卫家族的图像50万帧.惠更斯号将成为第一个在一颗大行星的卫星上着陆的探测器.它将在2.5小时的降落过程中,用所带仪器分析土卫六的大气成分,测量风速和探测大气层内的悬浮粒子,并在着陆后维持工作状态1小时,揭示土卫六上是否有水冰冻结的海洋和是否存在某种形态的生命.它所收集到的数据和拍摄的图像通过卡西尼号探测器传回地球
这颗令人神往的土卫六表面是什么样子呢?应该说至今还没有直观的资料.科学家们做过多种可能的推测,科学幻想小说家们对土卫六的描述,更是笔下生辉.然而,一切都必须尊重科学.
根据土卫六大气中那么多氮气,同时土卫六表面温度又比地球低得多,约在-201～-190℃之间,以及土卫六的体积和质量等,有的科学家推测它的内部物理状况及表面特征,并首先寻找土卫六上的岩石和冰的比例关系.有人估算土卫六上的岩石物质约占它总质量的55％,其余为冰；土卫六表面是寒冷的液态海洋,海洋中 70％是乙烷,25％是甲烷,5％是熔解氮,整个液态海洋约有1公里厚,包围着土卫六.1989年6月4～5日,从地球上向土卫六进行了雷达探测,结果表明土卫六上也可能有陆区.
“旅行者1号”还发现土卫六的南北两半球的明暗有差异：南半球明亮,北半球暗淡.这是什么原因造成的呢?可能是土卫六上南北不同季节引起的.“旅行者1号”拜访时,土卫六北半球正好是春季的开始.不过,也有人认为这可能是土星磁层对土卫六的影响.总之,目前还解释不清楚.土卫六大气吸光能力很强,可吸收落在它上面的阳光约80％.这些热量大部分被大气中的雾粒和甲烷气体吸收,也许只有5％～10％的阳光能到达土卫六的表面.
从惠更斯发现土卫六起,300多年来,关于土卫六的不解之谜似乎越来越多.其实这是不奇怪的,这表明我们的认识越来越深刻.伟大的波兰天文学家哥白尼有一句名言：“人的天职是勇于探索.”
轨道长半径(天文距离单位) 9.539
轨道长半径(千万公里) 1427.0
公转的恒星周期(日) 10759.5
公转的会合周期(日) 378
轨道偏心率 0.056
轨道倾角(度) 2.5
升交点黄经(度) 113.3
近日点黄经(度) 92.3
平均轨道速度(公里) 9.64
赤道半径(公里) 60330
扁率 0.102
质量(地球质量=1) 95.159
密度(克/立方厘米) 0.70
赤道引力(地球=1) 1.08
逃逸速度(公里/秒) 35.6
自转周期(日) 0.426
黄赤交角(度) 26.73
反照率 0.57
最大亮度 -0.4
卫星数(已确认的) 23