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别处的天空_趣味天文学

时间:2020-01-31 理论教育
别处的天空_趣味天文学

我们已经在想象中飞到月球表面,把地球和别的天体大致看过一遍了。

现在我们想象飞到太阳系的其他行星上,去欣赏另外的天空的景色。

我们首先去游览金星。如果金星上的大气足够透明的话,我们在金星上看到的太阳就会比在地球上看见的大一倍(图66)。相应地,太阳洒向金星的热和光也是地球上的两倍。金星上夜晚的天空有一个星星会特别耀眼,这就是地球。它在金星天空中的亮度,比我们在地球上所见到的金星亮很多,虽然二者的大小基本一致。要明白这一点是很容易的。由于金星比地球距离太阳更近,所以当它最接近地球的时候,我们无法看到它,因为它没有受到太阳照射的一面朝向我们。直到它走开一些的时候我们才能看见它,这时候也只能看见它狭窄的月牙形,那只不过是金星表面不大的一部分。金星天空中的地球,当它跟金星相离最近的时候,却是个完整的圆,就像我们看见大冲中的火星一样。

图66 从地球和其他行星上看见的太阳。

因此,金星天空中的地球在全位相的时候,亮度是我们所见的最亮的金星的6倍,不过应当指出的是,此时金星的天空应该假定是很清澈的才行。但我们却不能就此认为,金星上的“灰色光”是由于金星上夜的半面受到地球的照明而形成的。地球照在金星上的光,就强度来说,只相当于35米之外的一支普通的蜡烛,这显然是不足以使金星产生“灰色光”的。

金星的天空中除了地球光之外,常常还有月光,这里的月光是天狼星的4倍强。在整个太阳系中很难找到比金星天空中“地球和月亮”这一系统还亮的了。在金星上的人通常所见到的是分别位于天空中的月亮和地球,而通过望远镜,甚至都可以分辨清楚月亮表面的细节。

金星天空中还有另外一颗很亮的行星——水星。水星是金星的晨星和昏星。从地球上看去,水星也是一颗很亮的星星,天狼星在它面前都会黯然失色。从金星上看水星的亮度,是从地球上看它的3倍。此外,看火星的亮度只是地球上所见到的149-01,比我们所看见的木星还要稍微暗一些。

至于那些不动的星星,在太阳系所有行星的天空中的轮廓都是一样的。不论从水星、木星、土星、海王星或者冥王星上来看,这些星系的图案都是一样的,这是因为这些星星离我们实在太远了。

现在我们离开金星,飞到小一些的水星上去。这是一个没有大气、没有昼夜交替的奇怪的世界。水星天空中的太阳是一个很大的圆面,从面积上来讲,相当于地球上空的太阳的6倍(见图66)。地球在水星天空中的亮度,比金星在地球天空中的亮度大1倍。金星在此地也是出奇的亮。金星在没有云彩的水星的黑色天空中是如此之亮,太阳系中竟再也找不出另外一颗如此亮的星星了。

现在我们去火星。这里所见到的太阳圆面只有地球上所见的一半大(见图66)。地球是火星的晨星和昏星,就像金星对地球一样,只不过没有金星这么亮,它跟地球上所见的木星差不多亮。火星上永远也见不到全位相的地球:火星人所见的地球,最大也就是地球表面的150-01。月亮几乎和天狼星一样亮,火星人用肉眼就可以看到。如果使用望远镜的话,无论是地球还是月球的位相变化都可以看到。

火星的天空中最能引起我们注意的是它那颗最近的卫星——福波斯。它的体积很小(直径为15千米),但由于它离火星十分近,因此在满轮的时候我们见到的福波斯是我们所见的金星亮度的25倍。另外一个卫星德莫斯要暗一些,但在火星的天空中它依旧掩盖了地球的光辉。虽然体积很小,但是由于福波斯距离火星很近,所以从火星上仍旧可清晰地看到它的位相。视力敏锐的人,也许还能见到德莫斯的位相。

在飞到别的星球去之前,我们先去离火星较近的一颗卫星上停留一下。我们从此处可以见到完全异样的风景:这里的天空中有一个无比庞大的圆面,它的位相变化得很快,比我们的月亮亮几千倍,这就是火星。它的圆面所占的视角是41°。它的大小是月亮的80倍。这样的奇景,只有在木星的最近的一颗卫星上才可以观察得到。

我们现在来到了前面所提到过的那颗最大行星的表面上。如果木星的天空足够清晰,那么它天空中的太阳,从体积上讲,就只有地球天空中太阳的151-01(见图66)。太阳投向木星的日光也只有它投向地球的151-01。这里的白昼只有短短的5小时,并且很快就被黑夜所代替。我们下面来寻找一下熟悉的行星。我们可以找到它们,但是它们已经发生了巨大的变化。只有在黄昏的时候才可以通过望远镜观察到金星和地球,它们和太阳一同落山[9]。火星刚刚能看见,可土星和天狼星却很亮。

木星的天空中占据着显著地位的是它的那些卫星。卫星Ⅰ和Ⅱ跟地球天空中的金星差不多亮,卫星Ⅲ比金星上所见的地球亮一倍,卫星Ⅳ和Ⅴ比天狼星亮好多倍。至于这些卫星的大小,前四个卫星的视半径比太阳的半径大。前三个卫星每一次运转中都会没入木星的阴影,因此我们永远见不到它们整个圆面的位相。这个地方也有日全食,但是只有木星上极其狭窄的地带才可以观测到。

木星上的大气很难有地球上的大气那般清澈,因为这里的大气层太厚、太稠密。由于大气的密度极大,木星上还会发生由于光的折射而引起的极其特别的光学现象。地球上光的折射不是很明显,所以我们能看见的天体的位置比它们的实际位置稍高一些(见图15);但在木星上极厚、极稠密的大气条件下,光学现象十分明显。从木星表面所发出的光线(见图67),由于偏折十分厉害,就不可能射到大气层,而是要折向木星表面,像地球大气中的无线电波一样。这样的话,站在发光点的人就能看见一种极不寻常的景致。他会觉得自己仿佛是站在一只大碗的底部。这颗大行星的整个表面差不多都在碗底,靠近碗边的地方发生了很大的紧缩。碗口上空是天空——并不是我们地球上所见的半个天空,而几乎是整个天空,只不过碗边上的轮廓比较暗淡和模糊一些罢了。太阳永远不会离开这个天空,因而半夜的时候我们站在木星上的任何地方都可以见到太阳。然而木星上是否真的有这般不同寻常的景色,现在还很难说清楚。

图67 光线在木星的大气中可能发生的偏折。

从木星较近的卫星上所见到的木星也是一道亮丽的风景(见图68)。比如说,从它的第五卫星(最近的卫星)上所见到的木星的直径,几乎是月亮的90倍[10],其亮度只有太阳的152-02152-03。当它的下边缘接触到地平线的时候,它的上边缘还在半天中。当没入地平线的时候,它的圆面占据着整个地平圈的152-04。在这个快速旋转的圆面上,不时有小黑点掠过,这是木星卫星的阴影。不过这些阴影的影响力并不大,只不过是使这个巨大的行星稍微黯淡了一些而已。

图68 从木星的第三个卫星上所见到的木星。

我们现在到下一个行星——土星上去。我们是想去看看久负盛名的土星光环。

首先,我们会发现并非任何地方都能见到光环。从土星的南北纬64°到南北极之间,一点光环也见不到。站在这个极区的边缘,只能看见环的外缘(图69)。在纬度64°到35°之间,看见的光环越来越阔。在35°纬度的地方,就能欣赏到整个光环带了,这时看到的环的视角最大,有12°。越靠近赤道,见到的环逐渐变窄,同时它们离“地半线”的距离也逐渐增高。倘若站在土星的赤道上,就会发现,光环已经升到了天顶,我们只能看到它的侧面了,犹如一条极其狭窄的带子。

图69 怎样确定土星表面各点所看到的环的可见度。在土星的极区和64°之间,环是一点都看不见的。

大小、质量、密度、卫星数量

距太阳的距离、公转周期、自转周期、引力

上述并未把光环的各种情况都说清楚。还应当注意,光环只有一面被太阳光照亮,另一半仍是阴影。因此,只有站在面对光环被照亮的一面的半个土星上,才能看到照亮了的光环。在土星上的上半年,我们只能在土星的这一半球上看见光环,并且是在白昼的时候。在夜间可以看见环的很短暂的几个小时内,环的一部分要没入土星的阴影里。最后,还有一个有趣的细节,即土星的赤道地区,在许多地球年的时间里都是处在光环的阴影中的。

从土星最近的一个卫星上所看见的土星,毫无疑问是最奇妙的天空景色。土星和它的光环,尤其是在土星呈现月牙形的时候,景致最妙,这样的景致在太阳系中很难找到第二个。天上会出现一个巨大的月牙形,月牙形的腰部有一条狭带横着,这就是环的侧面。一群土星的卫星围绕着这个月牙形和狭带,这些卫星也都是月牙形,不过更小一些。

这张图应当放在离眼25厘米处看,在这个100倍的望远镜时所见的一样。

下表所列的是各个天体在别的行星天空中的亮度对比,依照从大到小的次序排列:

1. 水星天空的金星

2. 金星天空的地球

3. 水星天空的地球(www.guayunfan.com)

4. 地球天空的金星

5. 火星天空的金星

6. 火星天空的木星

7. 地球天空的火星

8. 金星天空的水星

9. 火星天空的地球

10. 地球天空的木星

11. 金星天空的木星

12. 水星天空的木星

13. 木星天空的土星

表中第4、7、10三项(用下划线标出)表示的这几种亮度是我们所熟悉的,可以用作估计别的行星天空中天体亮度的标准。从这个表可以看出,地球在接近太阳的几个行星(金星、水星、火星)的天空中的亮度都居首位。在水星的天空中,它也比我们所见到的金星和木星的亮度更大。

在第四章中,我们还会把地球跟别的行星的亮度作更精确的比较。

最后,我们附上一些有关太阳系的数字,供大家参考。

太阳:直径1390600千米;体积(地球=1)1301200;质量(地球=1)333434;密度(水=1)1.41。

月亮:直径3473千米;体积(地球=1)0.0203;质量(地球=1)0.0123;密度(水=1)3.34;离地球的平均距离是384400千米。

图70中是几个天体在小型望远镜中被放大了100倍的情景。为了比较起见,左边画了一个放大了相同倍数的月亮(这个应当放在离眼睛25厘米处观察,亦即明视距离处)。在图的右边,上面是从地球上看见的最近的和最远的水星;其次是金星,下面是火星、木星和它的四个大卫星,以及土星和它的最大的卫星[11]

图70 在望远镜中放大100倍后的月球和行星。距离里,图中的星面才会跟眼睛凑在放大

[1]弗朗索瓦·阿拉戈(D. F. J. Arago),法国天文学家(1786~1853)。——译者注

[2]中国也有七曜的说法,星期日叫日曜,星期一叫月曜,星期二叫火曜,星期三叫水曜,星期四叫木曜,星期五叫金曜,星期六叫土曜。其实所以叫星期也就是因为这个缘故。——译者注

[3]参看2.7“月球上为什么没有大气?”

[4]“宇宙空间的温度”,物理学家指的是一支日光完全照射不到的涂黑了的温度计在宇宙空间所指示的温度。这温度比绝对零度(-273℃)略高,那是因为星体的辐射线也会发热的缘故。

[5]关于天平动,参阅2.5“月亮看得见的一面和看不见的一面”。在月球的情形所求得的那个近似法则,对于水星的经天平动同样适用:水星的那一面并不是始终朝向太阳,而是朝向它相当扁长的轨道的另一焦点。

[6]在更远的行星天王星,尤其是海王星上面,大气中沼气的含量还要多些。1944年,又发现土星的最大卫星泰坦上也有由沼气组成的大气。——编者注

[7]显然,开普勒在这里所依据的是关于行星的卫星个数成级数的假定:已经知道地球有一个卫星,木星有4个卫星,他便认为地球和木星之间的火星一定有2个卫星。同样的想法也会是以前许多人认定火星的卫星个数是2。但这个有趣的推测,在1877年豪尔利用强大的望远镜发现了火星的卫星确实是两个的时候,才完全得到了证实。

[8]小行星的数目继续不断地增加,已经使今天的天文学家觉得是一种麻烦了;已经有人提出,“再去追求小行星数目的增加是完全不合理的。这只能使那些已知的行星的研究受到损害……近年以来发现次数的增多已经使观察的人和计算的人都不能像从前一样好好研究从前的行星了……截至1934年6月,已登记的行星有1264个,其中有一部分(271个)是处在‘受威胁的’位置的:那就是说,它们的轨道知道得极不准确,以致它们颇有失踪的危险……对于新发现的行星,无可避免地应该只去计算和观察其中最明亮、在理论上最有趣的几个。”

[9]地球在木星的天空中的亮度只相当于一个8等星。

[10]从这个卫星上看见的木星视角直径大于44°。

[11]关于行星的视大小,要知道详细情况可参看作者的《趣味物理学》(续编)第九章。