Chapter 2 我們的太陽系

水星

對于哈勃空間望遠鏡的相機來說，水星距離太陽太近了（出于對相機的保護目的，哈勃無法直接觀測水星?！g者注）。所以，以下這些水星的圖像是由水星探測器拍攝的。這些圖像中使用了和哈勃空間望遠鏡拍攝遙遠天體時所用到的相似的色彩處理技術。

水星表面細節

水星

水星表面

圖片來源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

金星的云

哈勃空間望遠鏡可以觀測到金星大氣上層的云。這張紫色的圖像是1995年1月由哈勃空間望遠鏡拍攝的紫外線波段，當時金星距離地球約7060萬英里（合1億1360萬千米）。請注意圖中可見的像素塊，這意味著這張圖像的分辨率很低。這張圖像攝于哈勃空間望遠鏡設備升級以前，因此出現了像素化，金星的輪廓線上出現了鋸齒。

金星大氣上層的云

圖片來源：NASA/JPL

地球

哈勃空間望遠鏡的運行軌道距離地球表面僅340英里（合550千米），而且運行速度約7千米/秒。因此，如果用哈勃空間望遠鏡拍攝地球，所獲得的圖像將會出現運動模糊。這張低分辨率的圖像（下圖）顯示了運動模糊的效果，即使使用跟蹤系統也很難消除這種運動模糊，因為哈勃空間望遠鏡距離地球實在是太近了。哈勃空間望遠鏡的設計初衷是觀測那些遙遠的天體，而跟蹤拍攝近距離天體的表面并不是它的目的。

目前有約400顆地球同步衛星，它們的軌道高度大約為距地面22 300英里（約合35 800千米），在這一高度更適合拍攝地球的圖像。這些衛星被用作通信、成像、采集天氣數據等等。這也使得哈勃空間望遠鏡可以將其注意力放在觀測宇宙深處的天體上。

出現運動模糊的低分辨率圖像

地球同步衛星

圖片來源：Mark Clampin / NASA

圖片來源：NASA

火星和極地冰蓋

左圖展示了一些火星上深色的圓形隕石坑，而且水冰也存在于火星的兩極。在兩極的冬天會形成一層薄薄的干冰。科學家們同樣也在搜索火星上的水冰，因為如果我們人類想生活在火星上，水是必需品。但是對于星際運輸來說，水太重了。在火星的探索過程中，不管通過成像技術發現了什么，無論是火星氣候、天氣，還是資源，都是對規劃未來探測任務的重要一步。

從圖中可以看到火星上深色的圓形隕石坑

圖片來源：NASA, J. Bell （Cornell U.） and M. Wolff （SSI）

火星與火衛一

哈勃空間望遠鏡記錄了火星的小衛星火衛一圍繞火星的運行情況，火衛一的軌道周期為7小時39分。哈勃空間望遠鏡在20分鐘內對火衛一進行了13次獨立曝光，然后將拍攝到的圖像疊加到一張圖像中（下圖）。

火衛一是一個形狀不規則的小衛星，最長的一側約為14英里（約合26千米）。在火星左側可以看到每次單獨的曝光。火衛一是太陽系中唯一一顆軌道周期比其母行星的自轉周期還短的衛星。一個火星日約為24小時40分鐘，非常接近一個地球日。

火衛一圍繞火星運行的圖像

圖片來源：NASA, J. Bell （Cornell U.） and M. Wolff （SSI）

木星的衛星與它們的影子

上面這兩張圖像顯示了2015年1月24日木星的衛星及其影子經過木星表面的過程。在右邊的圖像中可以看到3顆衛星：木衛二（歐羅巴，Europa）位于左下方；木衛四（卡利斯托，Callisto）在靠上的位置（在木衛二的右方）； 木衛一（伊俄，Io）位于最東邊（圖像的右上方），接近木星的邊緣。

木星的衛星及其影子經過木星表面

圖片來源：NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team （STScI/AURA）

大紅斑

哈勃空間望遠鏡記錄了木星的大紅斑。大紅斑是木星上一個持續的高壓區域，是木星上最大的風暴氣旋，而且這場風暴或許已經刮了超過350年。

木星的大紅斑

圖片來源：NASA, ESA, and A. Simon （Goddard Space Flight Center）

彗星撞擊的紫外線圖像

這張木星的紫外線圖像是由哈勃空間望遠鏡的大視場照相機拍攝的。圖中顯示的是舒梅克—列維9號彗星（Comet Shoemaker-Levy 9）的碎片撞擊彗星后留下的眾多創面。

這張圖像攝于1994年7月21日，在一次撞擊的數小時后拍攝。這次撞擊形成了右下方第三個黑斑。這些地方之所以在紫外線波段呈現黑色，是因為彗星碎片撞擊激起的塵埃進入到木星大氣的平流層，擋住了太陽光。科學家們可以通過觀察這些特征的變化來追蹤木星平流層的氣流。在赤道上方的黑點是木衛一伊俄，它遠高于木星表面。

彗星碎片撞擊激起的塵埃進入木星大氣的平流層，擋住了太陽光，形成了右下方的黑斑

圖片來源：Hubble Space Telescope Comet Team

彗星與木星的碰撞

在這張哈勃拍攝的圖像（下圖）中，可以看到舒梅克—列維9號彗星與木星相撞的景象。這張圖像中的色彩是由9530埃、5500埃和4100埃三種濾鏡拍攝的圖像復合而成。

舒梅克—列維9號彗星與木星相撞

圖片來源：Hubble Space Telescope Comet Team and NASA

木星與舒梅克—列維9號彗星

這張復合圖像是由木星和舒梅克—列維9號彗星單獨的圖像合成而來，制作于1994年。這顆彗星以天文學家尤金和卡羅琳·舒梅克夫婦（Eugene and Carolyn Shoemaker）及天文愛好者大衛·列維（David Levy）的名字命名。據觀察，這顆彗星圍繞木星旋轉而非圍繞太陽。木星強大的潮汐力使得彗星在撞向木星之前已被撕成多個碎片，隨后在1994年，這些碎片撞向了木星。

這張關于逐漸接近的彗星圖像攝于1994年5月17日，圖中可以看到有21個彗星碎片（在圖像的下半部分）。圖中的木星攝于1994年5月18日。木星上的黑點是離木星最近的衛星木衛一的影子。為了說明起見，圖中修改了拍攝時木星與彗星的相對大小和角間距大小。

舒梅克—列維9號彗星的碎片與木星

圖片來源：NASA, ESA, STScI, and JPL

木衛二歐羅巴

這張圖像（下圖）是由哈勃空間望遠鏡上的空間望遠鏡成像攝譜儀多陽極微通道陣（STIS MAMA）使用對紫外線敏感的濾鏡拍攝的。值得注意的點在歐羅巴冰冷表面之上的區域。有人認為有水從下方的海洋（圖中七點鐘方向）中噴薄而出。在這個冰凍世界之下的液態海洋中，可能存在著創造生命或者維持生命的條件。在這張將顏色映射到灰度圖像的處理過程中，使用了藍色映射的方法。此外，一張單獨的木衛二黑白圖像被疊加進來，這張黑白圖像來自美國國家航空航天局的伽利略號和旅行者號探測器探索任務中收集到的數據。

木衛二歐羅巴

圖片來源：NASA, ESA, W. Sparks （STScI）, and the USGS Astrogeology Science Center

土星的季節性變化

這張疊加圖像由哈勃空間望遠鏡的第二代大視場行星照相機（Wide Field Planetary Camera 2，WFPC2）拍攝，記錄了四年中土星環繞太陽的圖像。因為土星的自轉軸傾角為27°，與地球的自轉軸傾角23°接近，所以土星也會經歷四季變化。土星上的一年相當于地球上的29年，盡管它的一天只有10小時。在這一系列影像中，土星的北半球從它的秋季變換到了冬季。因為自轉軸傾角的原因，土星朝向太陽的角度一直在變化，這也導致了土星上的不同季節更替。

在序列右上方的最后一張圖像中，土星的北半球正處于它的冬至點上，與此同時，土星的南半球位于它的夏至點。

天文學家們正在研究土星環在亮度和顏色上的細節和變化，以找出關于它們的更多信息。土星環是如何形成的？它們是如何隨著時間、季節變化的？土星環是由塵埃和水冰組成的，這些灰塵和水冰有時候會在圍繞土星運動時發生碰撞。季節會對這一現象產生影響嗎？土星的引力使這些碎片鋪開，所以它們無法形成衛星或者更大的碎片。

有機物與水冰混合在一起，使土星環展現出淡淡的微紅色。當來自太陽的紫外線輻射與甲烷氣體相互作用時，會在土星大氣上層產生可見的云以及云帶的顏色變化。在某些地方，氣體溫度會更高，密度也更大一些。土星是一顆氣態巨星，沒有固態表面。

四年中土星環繞太陽的圖像

圖片來源：NASA and The Hubble Heritage Team （STScI/AURA） Acknowledgment: R.G. French （Wellesley College）, J. Cuzzi （NASA/Ames）, L. Dones （SwRI）, and J. Lissauer （NASA/Ames）

土星北半球正處于它的冬至點

土星環

正如前文提到的，使用不同設備拍到的圖像常常會被一起使用或者合并到一張圖像中。這張關于土星的圖像（下圖）由哈勃空間望遠鏡上搭載的第二代大視場行星照相機拍攝。下方關于土星環的詳細影像則是由卡西尼號探測器的小角度攝像機拍攝的。

土星及土星環

圖片來源：NASA and The Hubble Heritage Team （STScI/AURA）

土星環的詳細影像

圖片來源：NASA/JPL/Space Science Institute

天王星

這張由哈勃空間望遠鏡拍攝的圖像顯示了天王星有四個主要的環，還顯示了天王星已知的17顆衛星中的10顆。哈勃空間望遠鏡還記錄下了天王星上明亮的云。天王星的自轉軸非常傾斜，而且天王星繞太陽公轉時看起來像是躺在軌道上。天王星和地球相距最近時的距離為16億英里（合26億千米）。

天王星，可以看到四個主要的環

圖片來源：NASA/JPL/STScI

天王星上的亮云

這三張天王星的圖像由哈勃空間望遠鏡拍攝，顯示了一組位于天王星南半球上空明亮云彩的運動以及在天王星南極高海拔上空形成的陰霾。

超過10億英里（約合16.1億千米）的巨大距離再加上大幅度的放大，導致這些天王星的圖像呈現像素化。盡管如此，這些圖像仍能提供很多有用的信息。

天王星南半球的上空

圖片來源：NASA/JPL/STScI

天王星上的極光

這張圖像由旅行者2號拍攝的圖像以及哈勃空間望遠鏡的兩次觀測數據復合而成。這兩次觀測中，其中一次拍攝了天王星的環，另一次拍攝了天王星的極光。這張圖像記錄了太陽風爆發帶來的兩次激波，這兩次激波在天王星上產生了極光。有證據表明，這些極光隨著天王星一起轉動。通過這些觀測結果，科學家對天王星的磁極位置進行了重新估算。

天王星上的極光

圖片來源：ESA/Hubble and NASA,L. Lamy/Observatoire de Paris

海王星的氣候

海王星距離地球27億英里（合43億千米）。哈勃空間望遠鏡的第二代大視場行星照相機拍攝了這兩張海王星的復合圖像（下圖），記錄下了海王星自轉過程中的16.11小時，拍攝時間為1996年8月13日。威斯康星大學麥迪遜分校空間科學與工程中心的勞倫斯·斯羅莫夫斯基（Lawrence Sromovsky）帶領團隊進行了這些觀測，觀測中結合了多種波長，這些觀測數據可以揭示海王星的氣候特征。海王星看起來主要是藍色的，這是因為紅色和紅外線光被海王星大氣層中的甲烷吸收。云層高于大部分甲烷，所以這些云呈現白色，那些非常高的云會呈現黃色和紅色，這些云在圖中海王星的靠上部分。據估計，海王星赤道上的風速幾乎高達900英里/小時（約1450千米/時），在圖中顯示為深藍色的條帶?？拷乔蛳路降沫h是一塊吸收了藍光的區域，因此它呈現綠色。

海王星，可以看到白色、紅色、黃色的云層

圖片來源：NASA/JPL/STScI

海王星具有非常劇烈的氣候模式。當旅行者2號距離海王星440萬英里（約合710萬千米）時，拍下了這張圖像（下圖）。為什么這張圖像中的天王星比哈勃空間望遠鏡拍攝的更大呢？原因之一是旅行者2號比哈勃空間望遠鏡更接近天王星——近了超過20億英里（約合32億千米）。未來，我們將結合哈勃空間望遠鏡、旅行者2號以及未來探測任務中獲取的圖像和數據，一起揭開海王星的秘密。

旅行者2號拍攝的海王星

圖片來源：NASA/JPL

海王星上的風暴

2016年5月拍攝的這張圖像（圖②）確認了海王星大氣層中一個風暴的存在。2015年9月，“外行星大氣遺產計劃”（Outer Planet Atmospheres Legacy，OPAL）首次發現了這個風暴。這次發現確認了長期存在的風暴的類型。再放大看（圖①），這個風暴的跨度范圍超過了3000英里（約4800千米）。

①風暴細節

圖片來源：NASA, ESA, and M.H. Wong and J. Tollefson （UC Berkeley）

②海王星上的風暴

冥王星與它的衛星

2005年，哈勃空間望遠鏡發現了一對圍繞冥王星運行的小衛星，它們是冥衛二（尼克斯，Nix）和冥衛三（許德拉，Hydra）。在這張圖像（下圖）中，每顆衛星都比冥王星最大的衛星冥衛一（卡戎）要更遠和更小一些。有人認為冥王星和冥衛一是一對雙行星，因為將它們聯合起來看像是行星，但是彼此又圍繞對方旋轉?？粗鼈兿嗨频拇笮『驮趫D像里相互靠近，這種說法也是可以理解的。

圍繞冥王星運行的衛星

圖片來源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Lunar and Planetary Institute

和太陽系的其他行星相比，冥王星離地球非常遙遠，而且非常小。所以當我們使用哈勃空間望遠鏡觀測冥王星時，所拍攝到的圖像中冥王星也同樣是非常小的，和其他恒星或者星系相比要少很多細節。這是因為這些恒星或者星系具有冥王星不具有的兩個特點：第一，冥王星并不像恒星或者超新星那樣會發光，它只反射太陽光，因此冥王星的亮度要小得多。圖中冥衛二和冥衛三的小點表明它們要比冥王星暗淡得多——要暗大約5000倍。第二，和星系相比，冥王星要小很多，星系的寬度可以達到很多光年——這可比冥王星大了萬億倍。

下面這張冥王星的特寫圖像由新視野號探測器拍攝，展現了令人嘆為觀止的細節。冥王星是如此之遠，以至于新視野號花費了9年時間才到達這顆矮行星。

冥王星的特寫照片

圖片來源：NASA, ESA, H. Weaver （JHUAPL）, A. Stern （SwRI）,and the HST Pluto Companion Search Team

翻滾的冥衛

哈勃空間望遠鏡發現了圍繞冥王星和冥衛一的4顆小衛星，還發現冥衛二和冥衛三一直處于混亂的翻滾狀態，這是由于冥王星和冥衛一在相互旋轉時重力場的牽引作用導致的（見55頁圖）。

太陽系中的彗星

我們的太陽系是彗星的家，彗星橢圓的偏心軌道將它們從太陽系的外層帶到非常靠近太陽的地方。當靠近太陽的時候，彗星變得更加明顯，并且伴隨著向太陽方向相反延伸的彗尾。

332P/池谷—村上彗星（圖①）是一顆碎裂的彗星。這一系列的圖像（圖②）顯示的是252P/林尼爾彗星經過地球時的影像。有人質疑P/2010 A2（252P/林尼爾彗星的原名。——譯者注）是否是一顆彗星。相互分離的彗尾（下頁圖）表明252P/林尼爾彗星曾經與其他物體高速相撞。

圖①332P/池谷—村上彗星

圖片來源：NASA, ESA,and the Hubble Heritage Team （STScI/AURA）

圖②252P/林尼爾彗星經過地球時的影像

圖片來源：NASA, ESA,and J.-Y. Li （Planetary Science Institute）

掠日彗星

掠日彗星會非常接近太陽。接近太陽過程中的排氣現象會讓這些彗星更加明顯。左圖顯示的是正在接近太陽的艾森彗星（Comet ISON）。這張圖像是由多次曝光合成的復合圖像：其中一次曝光是拍攝背景恒星和星系的紅光和黃–綠光圖像；另外一次是針對彗星的黑白曝光。這樣做既可以保證背景恒星和星系能夠得到足夠長的曝光時間，也可以使彗星得到聚焦。同時，較短的快門可以減少運動模糊。

252P/林尼爾彗星的彗尾

圖片來源：NASA, ESA, D. Jewitt （UCLA）

正在接近太陽的艾森彗星

圖片來源：NASA, ESA,and The Hubble Heritage Team （STScI/AURA）