海王星

历程

发现

人们认为第一次可能看到海王星的是伽利略，因为他的图画显示海王星在木星附近。但伽利略并没有将这一发现归功于他，因为他认为海王星是一颗"定星"，而不是一颗行星。由于海王星在天空中的运动速度很慢，伽利略的小型望远镜不足以探测到海王星是一颗行星。

1821年，亚历克西斯-布瓦德公布了天王星轨道的天文表。后来的观测结果表明，天王星的轨道运动是不规则的，这使得一些天文学家认为另一个大天体是造成天王星不规则运动的原因。1843年，约翰-库奇-亚当斯计算出第八颗行星的运行轨道，这颗行星可能会影响天王星的运行。他把自己的计算结果寄给了皇家天文学家乔治-艾里爵士，后者要求亚当斯做出解释。亚当斯开始复印一份答复，但一直没有寄出。

1846年，没有与亚当斯合作的Urbain Le Verrier进行了自己的计算，但也未能得到法国天文学家的重视。然而，同年，约翰-赫歇尔开始支持数学方法，并鼓励詹姆斯-查利斯去寻找这颗行星。经过一番拖延，查利斯于1846年7月开始了他不甘心的搜索。与此同时，勒维里耶说服约翰-戈特弗里德-加勒去寻找这颗行星。

尽管Heinrich d'Arrest当时还是柏林天文台的学生，但他建议将勒维里耶预测区域内新绘制的天空地图与当前的天空进行对比，以寻找行星与固定恒星的位置变化。于是，海王星就在1846年9月23日当晚被发现，在勒维里耶预测的1°（1度（角）以内，与亚当斯的预测相差10°左右。查利斯后来发现，他在8月份曾两次看到这颗行星，由于他在工作中的粗心大意，没有认出这颗行星。

贷方和命名

发现海王星的消息传开后，法国人和英国人之间也为谁应该获得发现的功劳而争论不休。后来，国际上达成协议，决定勒维里耶和亚当斯两人共同获得功劳。然而，历史学家们在1998年重新发现"海王星文件"（皇家格林威治天文台的历史文件）后，对这一话题进行了回顾，这些文件似乎被天文学家奥林-埃根偷走并保存了近30年，直到他去世后不久才被重新发现（归他所有）。在审查了这些文件后，一些历史学家现在认为亚当斯不应该与勒维耶有同等的功劳。

海王星被发现后不久，暂时被称为"天王星外部的行星"或"勒维耶的行星"。第一个关于名字的建议来自加勒。他提出了杰纳斯这个名字。在英国，查利斯建议取名为"奥西纳斯"。在法国，阿拉戈建议把这颗新行星叫做勒维里耶，这个建议在法国以外的地方遭到了很多人的反对。法国的年鉴立即重新将天王星称为赫歇尔，新行星称为勒弗里耶。

同时，出于单独的不同原因，亚当斯建议将乔治亚改名为天王星，而勒维里耶（通过经度委员会）则建议用海王星作为新行星。斯特鲁夫于1846年12月29日向圣彼得堡科学院表示支持这一名称。很快，海王星在国际上得到了许多人的认同，于是成为新行星的正式名称。在罗马神话中，海王星是海神，与希腊的波塞冬神相提并论。

架构

质量和构成

海王星的质量为10.243×¹⁰²⁵千克，这颗行星的质量介于地球和最大的气态巨行星之间；海王星有17个地球质量，但质量只有木星的1/18。鉴于海王星和天王星与木星和土星相比，体积较小，成分差异较大，因此，海王星和天王星通常被认为是被称为"冰巨星"的气态巨行星亚类的一部分。在寻找太阳系外行星的过程中，海王星一直被用来作为确定被发现行星的大小和结构的参考。一些被发现的行星如果质量与海王星相似，往往被称为"海王星".就像天文学家把各种太阳系外的"木星"称为"木星"一样。

海王星的大气层主要由氢组成，还有少量的氦。大气层中也检测到少量的甲烷。甲烷的重要吸收带发生在600纳米以上的波长，即光谱的红色和红外线部分。大气中的甲烷对红光的吸收使海王星呈现出蓝色。

由于海王星的轨道距离太阳很远，所以它获得的热量非常少，大气层最上层区域的温度为-218℃（55K）。然而，在气体层的更深处，温度缓慢上升。和天王星一样，这种热量的来源不明，但差异较大。海王星是离太阳最远的行星 但它的内部能量足以产生太阳系中最快的风速有人提出了几种可能的解释，包括来自行星核心的辐射热、行星诞生时坠落物质产生的剩余热量继续辐射到空间，以及在对流层上方产生的重力波。

海王星内部的结构被认为与天王星内部的结构非常相似。很可能有一个被认为约为15个地球质量的核心，由熔岩和金属组成，周围是岩石、水、氨和甲烷的混合物。尽管地核附近的温度很高，但重压使这周围混合物中的冰冷部分保持为固体。大气层，向中心延伸约10～20%，在高海拔地区主要是氢气和氦气。更多的甲烷、氨和水的混合物在大气层的较低区域被发现。非常缓慢地，这个较暗和较热的区域融入到过热的液体内部。海王星中心的压力是地球表面的数百万倍。比较它的旋转速度和它的平坦程度，可以看出它的质量不像天王星那样向中心集中。

天气和磁场

海王星和天王星之间的一个区别是已经观察到（看到或测量到）的气象活动水平。当旅行者号航天器于1986年飞过天王星时，观察到该行星上的风是温和的。1989年"旅行者"号飞过海王星时，观测到了强大的天气活动。海王星的天气有极其活跃的风暴系统。它的大气层拥有太阳系中最高的风速，被认为是由内部热流驱动的。赤道地区的常规风速约为1,200公里/小时（750英里/小时），而风暴系统的风速可高达2,100公里/小时，接近超音速。

1989年，美国宇航局的"旅行者2号"航天器发现了大黑斑，这是一个面积相当于欧亚大陆的气旋风暴系统。该风暴类似于木星的大红斑。然而，1994年11月2日，哈勃太空望远镜并没有看到木星上的大黑斑。相反，在行星的北半球发现了一个类似大黑斑的新风暴。大黑斑消失的原因尚不清楚。一种可能的理论是，星球核心的热传导破坏了大气平衡和现有的循环模式。滑车是另一个风暴，是比大黑斑更南边的白色云团。它的绰号是在1989年"旅行者"号相遇前的几个月里第一次被注意到时起的：它的移动速度比大黑斑还快。后来的图像显示，云层的移动速度甚至比Scooter还要快。巫师之眼/大黑斑2号是另一个南方气旋风暴，是1989年相遇时看到的第二强风暴。它原本是完全黑暗的，但随着"旅行者"号离行星越来越近，一个明亮的核心发展起来，在大多数最高分辨率的图像中都能看到。

与其他气体巨行星不同的是，海王星的大气层显示出高云的存在，使得下方厚厚的云层上有阴影。虽然海王星的大气层比天王星的大气层活跃得多，但这两颗行星都是由相同的气体和冰块组成的。天王星和海王星并不像对木星和土星那样完全是同一类型的气体巨行星，而是冰巨行星，也就是说它们有一个较大的固体核心，也是由冰组成的。海王星非常寒冷，1989年在云层顶部记录到的温度低至-224℃（-372°F或49K）。

海王星的磁层也与天王星有相似之处，其磁场相对于自转轴强烈倾斜47°，且与行星物理中心至少偏移0.55半径（约13500公里）。比较两颗行星的磁场，科学家认为，这种极端的走向可能是行星内部流动的特征，而不是天王星侧向旋转运动的结果。^[]

海神之戒

在这颗蓝色星球周围发现了非常小的蓝色色环，但它们并不像土星环那样为人所知。当这些环被爱德华-吉南领导的团队发现时，他们最初认为这些环可能不是完整的环。然而，旅行者2号证明了这一点是错误的。海王星的行星环有一种奇怪的"笨拙"排列。虽然目前原因不明，但一些科学家认为，这可能是由于与在其附近运行的小卫星的引力接触所致。^[]

环是不完整的证明最早始于20世纪80年代中期，当时发现恒星掩星很少在行星掩星之前或之后出现额外的"闪烁"。1989年旅行者2号的图片解决了这个问题，当时发现该环系有几个微弱的环。最远的环--亚当斯，有三条著名的弧线，现在被命名为Liberté、Egalité和Fraternité（自由、平等和博爱）。

弧线的存在是很难理解的，因为根据运动定律，弧线会在很短的时间内扩散成一个环。加拉提亚（Galatea）的引力效应，即一颗刚好从星环向内的卫星，现在被认为是弧线的产生。

旅行者号相机还发现了其他几个环。另外，薄薄的亚当斯环距海王星中心约6.3万公里，勒维里耶环在5.3万公里处，更宽、更小的加勒环在4.2万公里处。莱弗里尔环的一个很小的向外扩展的环被命名为拉塞尔环；它的外缘被位于5.7万公里处的阿拉戈环包围。

2005年公布的新的地基观测结果似乎表明，海王星环比以前认为的要不稳定得多。确切地说，利伯泰星环似乎可能在不到100年的时间里迅速消失。新的观测结果似乎让我们对海王星环的理解陷入了很多困惑。

海王星的月亮

海王星共有14颗已知的卫星。由于海王星是罗马的海神，这颗行星的卫星是以较小的海神或女神命名的。最大的，也是唯一一个足够大的球体形状的是海卫一，（发音：ˈtraɪtən）由威廉-拉塞尔在发现海王星本身后17天发现。与其他所有的大行星卫星不同，海卫一的轨道是逆行的，这说明这颗卫星很可能是被捕获的，也许曾经是柯伊伯带的天体。它离海王星足够近，被锁定在同步轨道上，正在缓慢地进入海王星，有一天当它通过罗氏极限时，将被撕裂。海卫一是太阳系中被测到的最冷的天体，温度为-235℃（38K，-392°F）。它的直径是2700公里，（地月、月球的80%），质量是2.15×1022千克（月球的30%），轨道直径是354800公里（月球的90%），轨道周期是5.877天（月球的20%）。

海王星的第二颗已知卫星（按距离排列），奇异的卫星尼瑞德，拥有太阳系中最不寻常的轨道之一。

1989年7月至9月，旅行者2号发现了海王星的六颗新卫星。其中，块状的普洛特斯是已知的最大的天体，它没有被自身的引力塑造成一个球体。虽然它是海王星第二大卫星，但它的质量只有海卫一的四分之一。海王星最接近的四颗卫星，奈亚德、塔拉萨、德斯皮纳和加拉提亚，其轨道接近海王星环内。

下一个最远的拉里萨最初是在1981年被发现的，当时它与一颗恒星发生了隐伏。1989年旅行者2号观测海王星时，这颗卫星被认为是造成海王星环形弧线的原因。2004年公布了2002年至2003年发现的5颗新的异常卫星。最新的卫星是在2013年7月16日从检查哈勃望远镜图像中发现的。它的直径只有12英里，因此即使旅行者2号航天器也能躲过它的探测。

观察

单纯用肉眼是看不到海王星的，因为海王星的正常亮度在+7.7级和+8.0级之间，会被木星的伽利略卫星、矮行星谷神星以及小行星4灶神星、2珀拉斯星、7鸢尾星、3朱诺星和6赫比星所照耀。用望远镜或强光双筒望远镜可以看到海王星是一个蓝色的小点，外观与天王星相似。蓝色来自于它大气层中的甲烷。它明显的小尺寸使它很难进行视觉研究；在哈勃空间望远镜和带有自适应光学的大型地面望远镜到来之前，大多数望远镜数据都相当有限。

海王星的轨道周期（恒星周期）为164.88朱利安年，它将很快回到1846年发现它的那个地方。这将发生三次不同的情况，也有第四次，其中它将非常接近那个位置。这三次分别是2009年4月11日，它将做顺行运动；2009年7月17日，它将做逆行运动；2010年2月7日，它将做顺行运动。2010年10月下旬至11月上中旬，它也将非常接近1846年发现以来的同一时刻，届时海王星将在海王星发现的准确度上由逆行转为直行，然后在该点2角分内沿黄道停留片刻（2010年11月7日最近）。这将是未来约165年内，海王星最后一次出现在发现点。

这可以用逆行的概念来解释。像地球以外的太阳系中的所有行星和小行星一样，海王星在其同步期的某些时刻也会发生逆行。除了开始逆行之外，同步期内的其他事件还包括天体对立、回归顺行运动以及与太阳的相合。

在围绕太阳的轨道上，海王星于2011年8月返回原发现点。

勘探

目前，只有一个航天器访问过海王星。1989年8月25日，美国航天局的"旅行者2号"探测器快速飞越了这颗行星，与它进行了最近的接触，是至少有一个航天器访问过的最后一颗行星。

旅行者2号的一些重要发现是它非常近距离地飞越海卫一，并在那里拍摄了月球的几个部分。该探测器还发现了大黑斑，尽管在1994年哈勃太空望远镜拍摄海王星的照片后，它已经消失了。原本以为是一个大云或旋风系统，后来猜测只是可见云层上的一个洞。

海王星原来是太阳系所有气体巨行星中风力最强的。在太阳系的外围区域，太阳的光照比地球上要暗1000多倍(仍然非常明亮，有-21级)，四巨头中的最后一颗确实发生了科学家们实际预期的情况。人们可能会认为，行星离太阳越远，产生和运行周围非常强的风的能量和热量就越少。木星上的风速已经达到了每小时数百公里。科学家们在更遥远的海王星上没有看到更慢的风，而是发现了更快的风（超过1600公里/小时）。

对于风速较快的原因，一个可能的猜测是，如果产生足够的能量，就会产生湍流，从而减缓风速（就像木星的风速）。然而在海王星，太阳能量太少，一旦风被启动，它们遇到的阻力非常小，能够保持非常高的速度。总之，海王星发出的能量比它从太阳获得的能量要多，这些风的内部能量来源仍未确定。

1989年从旅行者2号发回地球的照片，成为美国公共广播公司一个名为"海王星之夜"的通宵节目的基础。