Chapter 2 我们的太阳系

水星

对于哈勃空间望远镜的相机来说，水星距离太阳太近了（出于对相机的保护目的，哈勃无法直接观测水星。——译者注）。所以，以下这些水星的图像是由水星探测器拍摄的。这些图像中使用了和哈勃空间望远镜拍摄遥远天体时所用到的相似的色彩处理技术。

水星表面细节

水星

水星表面

图片来源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

金星的云

哈勃空间望远镜可以观测到金星大气上层的云。这张紫色的图像是1995年1月由哈勃空间望远镜拍摄的紫外线波段，当时金星距离地球约7060万英里（合1亿1360万千米）。请注意图中可见的像素块，这意味着这张图像的分辨率很低。这张图像摄于哈勃空间望远镜设备升级以前，因此出现了像素化，金星的轮廓线上出现了锯齿。

金星大气上层的云

图片来源：NASA/JPL

地球

哈勃空间望远镜的运行轨道距离地球表面仅340英里（合550千米），而且运行速度约7千米/秒。因此，如果用哈勃空间望远镜拍摄地球，所获得的图像将会出现运动模糊。这张低分辨率的图像（下图）显示了运动模糊的效果，即使使用跟踪系统也很难消除这种运动模糊，因为哈勃空间望远镜距离地球实在是太近了。哈勃空间望远镜的设计初衷是观测那些遥远的天体，而跟踪拍摄近距离天体的表面并不是它的目的。

目前有约400颗地球同步卫星，它们的轨道高度大约为距地面22 300英里（约合35 800千米），在这一高度更适合拍摄地球的图像。这些卫星被用作通信、成像、采集天气数据等等。这也使得哈勃空间望远镜可以将其注意力放在观测宇宙深处的天体上。

出现运动模糊的低分辨率图像

地球同步卫星

图片来源：Mark Clampin / NASA

图片来源：NASA

火星和极地冰盖

左图展示了一些火星上深色的圆形陨石坑，而且水冰也存在于火星的两极。在两极的冬天会形成一层薄薄的干冰。科学家们同样也在搜索火星上的水冰，因为如果我们人类想生活在火星上，水是必需品。但是对于星际运输来说，水太重了。在火星的探索过程中，不管通过成像技术发现了什么，无论是火星气候、天气，还是资源，都是对规划未来探测任务的重要一步。

从图中可以看到火星上深色的圆形陨石坑

图片来源：NASA, J. Bell （Cornell U.） and M. Wolff （SSI）

火星与火卫一

哈勃空间望远镜记录了火星的小卫星火卫一围绕火星的运行情况，火卫一的轨道周期为7小时39分。哈勃空间望远镜在20分钟内对火卫一进行了13次独立曝光，然后将拍摄到的图像叠加到一张图像中（下图）。

火卫一是一个形状不规则的小卫星，最长的一侧约为14英里（约合26千米）。在火星左侧可以看到每次单独的曝光。火卫一是太阳系中唯一一颗轨道周期比其母行星的自转周期还短的卫星。一个火星日约为24小时40分钟，非常接近一个地球日。

火卫一围绕火星运行的图像

图片来源：NASA, J. Bell （Cornell U.） and M. Wolff （SSI）

木星的卫星与它们的影子

上面这两张图像显示了2015年1月24日木星的卫星及其影子经过木星表面的过程。在右边的图像中可以看到3颗卫星：木卫二（欧罗巴，Europa）位于左下方；木卫四（卡利斯托，Callisto）在靠上的位置（在木卫二的右方）； 木卫一（伊俄，Io）位于最东边（图像的右上方），接近木星的边缘。

木星的卫星及其影子经过木星表面

图片来源：NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team （STScI/AURA）

大红斑

哈勃空间望远镜记录了木星的大红斑。大红斑是木星上一个持续的高压区域，是木星上最大的风暴气旋，而且这场风暴或许已经刮了超过350年。

木星的大红斑

图片来源：NASA, ESA, and A. Simon （Goddard Space Flight Center）

彗星撞击的紫外线图像

这张木星的紫外线图像是由哈勃空间望远镜的大视场照相机拍摄的。图中显示的是舒梅克—列维9号彗星（Comet Shoemaker-Levy 9）的碎片撞击彗星后留下的众多创面。

这张图像摄于1994年7月21日，在一次撞击的数小时后拍摄。这次撞击形成了右下方第三个黑斑。这些地方之所以在紫外线波段呈现黑色，是因为彗星碎片撞击激起的尘埃进入到木星大气的平流层，挡住了太阳光。科学家们可以通过观察这些特征的变化来追踪木星平流层的气流。在赤道上方的黑点是木卫一伊俄，它远高于木星表面。

彗星碎片撞击激起的尘埃进入木星大气的平流层，挡住了太阳光，形成了右下方的黑斑

图片来源：Hubble Space Telescope Comet Team

彗星与木星的碰撞

在这张哈勃拍摄的图像（下图）中，可以看到舒梅克—列维9号彗星与木星相撞的景象。这张图像中的色彩是由9530埃、5500埃和4100埃三种滤镜拍摄的图像复合而成。

舒梅克—列维9号彗星与木星相撞

图片来源：Hubble Space Telescope Comet Team and NASA

木星与舒梅克—列维9号彗星

这张复合图像是由木星和舒梅克—列维9号彗星单独的图像合成而来，制作于1994年。这颗彗星以天文学家尤金和卡罗琳·舒梅克夫妇（Eugene and Carolyn Shoemaker）及天文爱好者大卫·列维（David Levy）的名字命名。据观察，这颗彗星围绕木星旋转而非围绕太阳。木星强大的潮汐力使得彗星在撞向木星之前已被撕成多个碎片，随后在1994年，这些碎片撞向了木星。

这张关于逐渐接近的彗星图像摄于1994年5月17日，图中可以看到有21个彗星碎片（在图像的下半部分）。图中的木星摄于1994年5月18日。木星上的黑点是离木星最近的卫星木卫一的影子。为了说明起见，图中修改了拍摄时木星与彗星的相对大小和角间距大小。

舒梅克—列维9号彗星的碎片与木星

图片来源：NASA, ESA, STScI, and JPL

木卫二欧罗巴

这张图像（下图）是由哈勃空间望远镜上的空间望远镜成像摄谱仪多阳极微通道阵（STIS MAMA）使用对紫外线敏感的滤镜拍摄的。值得注意的点在欧罗巴冰冷表面之上的区域。有人认为有水从下方的海洋（图中七点钟方向）中喷薄而出。在这个冰冻世界之下的液态海洋中，可能存在着创造生命或者维持生命的条件。在这张将颜色映射到灰度图像的处理过程中，使用了蓝色映射的方法。此外，一张单独的木卫二黑白图像被叠加进来，这张黑白图像来自美国国家航空航天局的伽利略号和旅行者号探测器探索任务中收集到的数据。

木卫二欧罗巴

图片来源：NASA, ESA, W. Sparks （STScI）, and the USGS Astrogeology Science Center

土星的季节性变化

这张叠加图像由哈勃空间望远镜的第二代大视场行星照相机（Wide Field Planetary Camera 2，WFPC2）拍摄，记录了四年中土星环绕太阳的图像。因为土星的自转轴倾角为27°，与地球的自转轴倾角23°接近，所以土星也会经历四季变化。土星上的一年相当于地球上的29年，尽管它的一天只有10小时。在这一系列影像中，土星的北半球从它的秋季变换到了冬季。因为自转轴倾角的原因，土星朝向太阳的角度一直在变化，这也导致了土星上的不同季节更替。

在序列右上方的最后一张图像中，土星的北半球正处于它的冬至点上，与此同时，土星的南半球位于它的夏至点。

天文学家们正在研究土星环在亮度和颜色上的细节和变化，以找出关于它们的更多信息。土星环是如何形成的？它们是如何随着时间、季节变化的？土星环是由尘埃和水冰组成的，这些灰尘和水冰有时候会在围绕土星运动时发生碰撞。季节会对这一现象产生影响吗？土星的引力使这些碎片铺开，所以它们无法形成卫星或者更大的碎片。

有机物与水冰混合在一起，使土星环展现出淡淡的微红色。当来自太阳的紫外线辐射与甲烷气体相互作用时，会在土星大气上层产生可见的云以及云带的颜色变化。在某些地方，气体温度会更高，密度也更大一些。土星是一颗气态巨星，没有固态表面。

四年中土星环绕太阳的图像

图片来源：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）

土星北半球正处于它的冬至点

土星环

正如前文提到的，使用不同设备拍到的图像常常会被一起使用或者合并到一张图像中。这张关于土星的图像（下图）由哈勃空间望远镜上搭载的第二代大视场行星照相机拍摄。下方关于土星环的详细影像则是由卡西尼号探测器的小角度摄像机拍摄的。

土星及土星环

图片来源：NASA and The Hubble Heritage Team （STScI/AURA）

土星环的详细影像

图片来源：NASA/JPL/Space Science Institute

天王星

这张由哈勃空间望远镜拍摄的图像显示了天王星有四个主要的环，还显示了天王星已知的17颗卫星中的10颗。哈勃空间望远镜还记录下了天王星上明亮的云。天王星的自转轴非常倾斜，而且天王星绕太阳公转时看起来像是躺在轨道上。天王星和地球相距最近时的距离为16亿英里（合26亿千米）。

天王星，可以看到四个主要的环

图片来源：NASA/JPL/STScI

天王星上的亮云

这三张天王星的图像由哈勃空间望远镜拍摄，显示了一组位于天王星南半球上空明亮云彩的运动以及在天王星南极高海拔上空形成的阴霾。

超过10亿英里（约合16.1亿千米）的巨大距离再加上大幅度的放大，导致这些天王星的图像呈现像素化。尽管如此，这些图像仍能提供很多有用的信息。

天王星南半球的上空

图片来源：NASA/JPL/STScI

天王星上的极光

这张图像由旅行者2号拍摄的图像以及哈勃空间望远镜的两次观测数据复合而成。这两次观测中，其中一次拍摄了天王星的环，另一次拍摄了天王星的极光。这张图像记录了太阳风爆发带来的两次激波，这两次激波在天王星上产生了极光。有证据表明，这些极光随着天王星一起转动。通过这些观测结果，科学家对天王星的磁极位置进行了重新估算。

天王星上的极光

图片来源：ESA/Hubble and NASA,L. Lamy/Observatoire de Paris

海王星的气候

海王星距离地球27亿英里（合43亿千米）。哈勃空间望远镜的第二代大视场行星照相机拍摄了这两张海王星的复合图像（下图），记录下了海王星自转过程中的16.11小时，拍摄时间为1996年8月13日。威斯康星大学麦迪逊分校空间科学与工程中心的劳伦斯·斯罗莫夫斯基（Lawrence Sromovsky）带领团队进行了这些观测，观测中结合了多种波长，这些观测数据可以揭示海王星的气候特征。海王星看起来主要是蓝色的，这是因为红色和红外线光被海王星大气层中的甲烷吸收。云层高于大部分甲烷，所以这些云呈现白色，那些非常高的云会呈现黄色和红色，这些云在图中海王星的靠上部分。据估计，海王星赤道上的风速几乎高达900英里/小时（约1450千米/时），在图中显示为深蓝色的条带。靠近星球下方的环是一块吸收了蓝光的区域，因此它呈现绿色。

海王星，可以看到白色、红色、黄色的云层

图片来源：NASA/JPL/STScI

海王星具有非常剧烈的气候模式。当旅行者2号距离海王星440万英里（约合710万千米）时，拍下了这张图像（下图）。为什么这张图像中的天王星比哈勃空间望远镜拍摄的更大呢？原因之一是旅行者2号比哈勃空间望远镜更接近天王星——近了超过20亿英里（约合32亿千米）。未来，我们将结合哈勃空间望远镜、旅行者2号以及未来探测任务中获取的图像和数据，一起揭开海王星的秘密。

旅行者2号拍摄的海王星

图片来源：NASA/JPL

海王星上的风暴

2016年5月拍摄的这张图像（图②）确认了海王星大气层中一个风暴的存在。2015年9月，“外行星大气遗产计划”（Outer Planet Atmospheres Legacy，OPAL）首次发现了这个风暴。这次发现确认了长期存在的风暴的类型。再放大看（图①），这个风暴的跨度范围超过了3000英里（约4800千米）。

①风暴细节

图片来源：NASA, ESA, and M.H. Wong and J. Tollefson （UC Berkeley）

②海王星上的风暴

冥王星与它的卫星

2005年，哈勃空间望远镜发现了一对围绕冥王星运行的小卫星，它们是冥卫二（尼克斯，Nix）和冥卫三（许德拉，Hydra）。在这张图像（下图）中，每颗卫星都比冥王星最大的卫星冥卫一（卡戎）要更远和更小一些。有人认为冥王星和冥卫一是一对双行星，因为将它们联合起来看像是行星，但是彼此又围绕对方旋转。看着它们相似的大小和在图像里相互靠近，这种说法也是可以理解的。

围绕冥王星运行的卫星

图片来源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Lunar and Planetary Institute

和太阳系的其他行星相比，冥王星离地球非常遥远，而且非常小。所以当我们使用哈勃空间望远镜观测冥王星时，所拍摄到的图像中冥王星也同样是非常小的，和其他恒星或者星系相比要少很多细节。这是因为这些恒星或者星系具有冥王星不具有的两个特点：第一，冥王星并不像恒星或者超新星那样会发光，它只反射太阳光，因此冥王星的亮度要小得多。图中冥卫二和冥卫三的小点表明它们要比冥王星暗淡得多——要暗大约5000倍。第二，和星系相比，冥王星要小很多，星系的宽度可以达到很多光年——这可比冥王星大了万亿倍。

下面这张冥王星的特写图像由新视野号探测器拍摄，展现了令人叹为观止的细节。冥王星是如此之远，以至于新视野号花费了9年时间才到达这颗矮行星。

冥王星的特写照片

图片来源：NASA, ESA, H. Weaver （JHUAPL）, A. Stern （SwRI）,and the HST Pluto Companion Search Team

翻滚的冥卫

哈勃空间望远镜发现了围绕冥王星和冥卫一的4颗小卫星，还发现冥卫二和冥卫三一直处于混乱的翻滚状态，这是由于冥王星和冥卫一在相互旋转时重力场的牵引作用导致的（见55页图）。

太阳系中的彗星

我们的太阳系是彗星的家，彗星椭圆的偏心轨道将它们从太阳系的外层带到非常靠近太阳的地方。当靠近太阳的时候，彗星变得更加明显，并且伴随着向太阳方向相反延伸的彗尾。

332P/池谷—村上彗星（图①）是一颗碎裂的彗星。这一系列的图像（图②）显示的是252P/林尼尔彗星经过地球时的影像。有人质疑P/2010 A2（252P/林尼尔彗星的原名。——译者注）是否是一颗彗星。相互分离的彗尾（下页图）表明252P/林尼尔彗星曾经与其他物体高速相撞。

图①332P/池谷—村上彗星

图片来源：NASA, ESA,and the Hubble Heritage Team （STScI/AURA）

图②252P/林尼尔彗星经过地球时的影像

图片来源：NASA, ESA,and J.-Y. Li （Planetary Science Institute）

掠日彗星

掠日彗星会非常接近太阳。接近太阳过程中的排气现象会让这些彗星更加明显。左图显示的是正在接近太阳的艾森彗星（Comet ISON）。这张图像是由多次曝光合成的复合图像：其中一次曝光是拍摄背景恒星和星系的红光和黄–绿光图像；另外一次是针对彗星的黑白曝光。这样做既可以保证背景恒星和星系能够得到足够长的曝光时间，也可以使彗星得到聚焦。同时，较短的快门可以减少运动模糊。

252P/林尼尔彗星的彗尾

图片来源：NASA, ESA, D. Jewitt （UCLA）

正在接近太阳的艾森彗星

图片来源：NASA, ESA,and The Hubble Heritage Team （STScI/AURA）