天衛一
天衛一 |
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中文名 :天衛一 發現者 :威廉·拉塞爾 自轉周期 :同步 |
天衛一(Ariel,常譯為艾瑞爾)是27個已知的天王星衛星中的第四大衛星。天衛一在天王星[1]的赤道平面內公轉和自轉,該赤道[2]平面幾乎垂直於天王星的公轉軌道,因此具有極端的季節性周期。它是由威廉·拉塞爾(William Lassell)於1851年10月24日發現的,並以兩種不同文學作品中的角色命名。對天衛一的詳細了解幾乎都來自1986年飛掠天王星系統的旅行者2號,它拍攝了該衛星約35%的表面。儘管有人提出了天王星軌道器和探測器等各種概念,但尚無積極的計劃來更詳細地研究該衛星。
天衛一是天王星的五顆主要球形衛星中第二小的,僅大於天衛五(Miranda),也是距天王星第二近的衛星。在太陽系的19個已知最小的球形衛星中直徑排名第14,它被認為是由大致相等的冰和岩石物質組成的。它的質量大約等於地球的水圈總質量。
像天王星的所有衛星一樣,天衛一可能形成於天王星形成後不久圍繞在其周圍的吸積盤。並且像其他大型衛星一樣,天衛一也可能出現地質分化,岩石內核被冰質地幔包裹。天衛一的表面很複雜,由懸崖、峽谷和山脊構成的體系切割了遍布撞擊坑的地表。很可能由於潮汐加熱的原因,其表面顯示出比其他天王星衛星更新的地質活動跡象。
發現與命名
天衛一由威廉·拉塞爾(William Lassell)於1851年10月24日發現,並因亞歷山大·蒲柏(Alexander Pope)的《奪發記》和威廉·莎士比亞的《暴風雨》中的天空精靈而得名。威廉·拉塞爾於1851年10月24日發現了天衛一和稍大的天衛二。天王星的所有衛星均以威廉·莎士比亞或亞歷山大·蒲柏作品中的人物命名。約翰·赫歇爾(John Herschel)在威廉·拉塞爾的要求下,在1852年提出了當時已知的所有四顆天王星衛星的名稱。天衛一(Ariel)以《奪發記》中的領頭的天空精靈命名。這也是在莎士比亞的《暴風雨》中為普洛斯彼羅(Prospero)服務的精靈之名。天衛一也被稱為Uranus I。約翰·赫歇爾的父親威廉·赫歇爾(William Herschel)於1787年發現了天王星的兩個最大衛星天衛三(Titania)和天衛四(Oberon),此外他還聲稱觀測到另外四個衛星,但從未得到證實,後來認為這四個天體並不存在。
軌道
在天王星的五個主要衛星中,天衛一是離天王星第二近的,軌道半長徑約190000千米。它的軌道偏心率較小,相對於天王星赤道的軌道傾角很小。[4]它的軌道周期約為2.5地球日,與它的自轉周期一致。這一種稱為潮汐鎖定的狀態,意味着該衛星的一側始終面對着行星。[16]天衛一的軌道完全位於天王星的磁層內部。像天衛一這樣的磁層內部運行的無大氣衛星的後隨半球(與其軌道運行方向相反),會被與行星共同旋轉的磁層等離子體轟擊。[18]這種轟炸可能導致除了天衛四之外的所有天王星都觀測到的後隨半球暗化的現象(見下文)。天衛一捕獲了磁層帶電粒子,在旅行者2號於1986年觀測到的該衛星軌道附近產生了高能粒子數的明顯下降。由於天衛一像天王星一樣,相對於其赤道幾乎躺着繞太陽公轉,因此它的北半球和南半球在至日(夏至或冬至)都直接朝向或直接背向太陽。這意味着它受極端季節周期的影響,就像地球的兩極在至日前後看到極夜和極晝一樣,天衛一的兩極在每半個天王星年(42地球年)內出現極夜和極晝,兩極之一附近的太陽在每個至日接近其天頂位置。旅行者2號正巧於1986年至日時飛掠,當時幾乎整個北半球都是黑暗的。每隔42年,當天王星到達其分點(春分或秋分)位置,其赤道平面與地球相交時,天王星衛星相互掩食將成為可能。2007-2008年發生了許多此類事件,包括2007年8月19日天衛二對天衛一的掩食。
天衛一沒有參與與其他天王星衛星的任何軌道共振。但是在過去它可能與天衛五(Miranda)發生5:3共振,這可能部分導致了該衛星的加熱(儘管最大的加熱可能歸因於天衛二與天衛五以前的1:3共振大約三倍)。天衛一可能曾經被鎖定在與天衛三的4:1共振中,後來逃脫了。由於天王星的扁率較小,因此相對於木星或土星的衛星,天王星的衛星的平均運動共振要容易得多。這種共振可能發生在大約38億年前,它會增加天衛一的軌道偏心率,導致天王星產生的隨時間變化的潮汐力而導致的潮汐摩擦。這會使該衛星內部變暖多達20K。
組成與內部結構
天衛一在體積上是天王星的第四大衛星,並且可能在質量上是第三大衛星。天衛一密度為1.66 g/cm3,這表明它由大致相等的水冰塊和緻密的非冰物質組成。非冰物質可能由岩石和含碳物質構成,後者包括被稱為托林(Tholins)的較重的有機化合物。紅外光譜觀測證實了水冰的存在,該觀測揭示了該衛星表面的結晶水冰是多孔的,因此幾乎沒有太陽熱量能傳遞到下層。在天衛一的前導半球上,水冰吸收帶比在其後隨半球上強。這種不對稱的原因尚不清楚,但可能與來自天王星磁層帶電粒子的轟擊有關,後者在後隨半球上更強(由於等離子體的共同旋轉)。高能粒子傾向於濺射水冰,分解水冰中作為包合水合物形式存在的甲烷,並使其他有機物變黑,從而留下深色的富含碳的殘留物。