天卫四

天卫四 奥伯龙
Voyager 2 picture of Oberon.jpg
發現
發現者 威廉·赫歇尔
發現日期 1787年1月11日[1]
軌道根數
长半轴 583520公里[2]
離心率 0.0014[2]
公轉週期 13.463234[2]
軌道傾角 0.058°
(与天王星赤道夾角)[2]
所屬行星 天王星
物理性質
平均半径 762 ± 4 公里
(地球的0.1194倍)[3]
面積 7 285 000 平方公里[note 1]
體積 1.849×109 立方公里[note 2]
質量 3.014 ± 0.075×1021 千克
(地球的5.046××10-4倍)[3]
平均密度 1.63 ± 0.05g/cm3[3]
赤道表面重力 0.348m/s2[note 3]
逃逸速度 0.726 km/s[note 4]
自轉週期 同步自转(预测)[4]
反照率 0.31 (几何反照率),
0.14 (球体反照率)[5]
表面溫度 大约61K
视星等 13.9[6]

天卫四又稱為奥伯龙英語Oberon)是距离天王星最远的大卫星,其体积质量在天王星所有卫星中均位列次席,同时也是太阳系质量第九大的卫星。威廉·赫歇尔1787年首次观测到该卫星。天卫四的名稱奥伯龙来自于莎士比亚戏剧仲夏夜之梦》中的角色。该卫星的部分轨道位于天王星的磁圈之外。

天卫四由近乎等量的冰体岩石构成,其内部可能分化出了一个岩石内核和一个冰质地幔。此外,在内核和地幔之间可能还存在着一层液态水。天卫四的表面呈暗红色,其主要地形是遭受小行星彗星撞击后形成的,分布有大量直径达到210公里的撞击坑。天卫四上存在着峡谷地堑)地形,该地形是在星体演化初期由于内部膨胀而形成的。

直到2012年為止,人类只对天王星系统进行过一次近距离观测—即旅行者2号1986年进行的飞掠。它拍摄了数张天卫四的照片,覆盖了该星体40%的表面。

发现与命名

1787年1月11日,威廉·赫歇尔首次观测到天卫四,同一天他还发现了天王星最大的卫星—天卫三[1][7]不久之后他宣称又发现了四颗卫星,[8]但是后来该发现被证明是伪造的。[9]虽然现在使用业余望远镜即能在地球上观测到天卫四和天卫三,但是在威廉·赫歇尔宣称发现这两颗卫星之后的五十年间,地球上的任何天文观测仪器都没能再观测到它们。[6][10]

天王星的所有卫星都以威廉·莎士比亚和亚历山大·蒲柏作品中的人物命名。奥伯龙即为《仲夏夜之梦》中的仙王。[11]当时已知的天王星的四颗卫星的名字都是在威廉·拉塞尔——他在1851年发现了另外两颗天王星的卫星天卫一天卫二[12]——的请求之下,[13]由赫歇尔的儿子约翰·赫歇尔1852年所取。天卫四的形容词格为Oberonian(发音为/ˌɒbəˈroʊniən/)。

最初奥伯龙被称为“天王星的第二颗卫星”,1848年威廉·拉塞尔将之命名为“天卫二”,[14]不过他有时仍然使用威廉·赫歇尔所取的名称(后者分别称泰坦妮亚和奥伯龙为“天卫二”、“天卫四”)。[15]1851年,拉塞尔按照各卫星距离天王星远近,采用罗马数字为当时已知的所有天王星卫星命名,从那以后奥伯龙即被称为天卫四。[16]

轨道

天卫四的轨道距离天王星约58万4000公里,是天王星五颗大卫星距离最远的一颗。[note 5]天卫四轨道的离心率轨道倾角较小。[2]公转周期自转周期一致,均为13.5个地球日。也就是说,天卫四是一颗同步自转卫星,处于潮汐锁定状态——它永远以同一面朝向母星。[4]天卫四轨道的很大一部分处于天王星磁圈之外,这使其表面直接遭受着太阳风的轰击。[17]而当其运行至天王星磁圈内时,其逆轨道方向一面则遭受到磁圈等离子体的轰击。[18]这种轰击可能导致了星体逆轨道方向一面的暗化,在天王星的其他卫星上也都能观测到类似现象。[17]由于在公转时,天王星基本上都是以同一面面向太阳,而其卫星轨道都位于天王星的赤道面上,所以这些卫星(包括天卫四)都经历着极端的季节周期:其南半球和北半球都需经历为时42年的完全黑暗时期以及42年的连续日照期。[17]每隔42年,当天王星运行至昼夜平分点且其赤道面切向地球方向时,就有可能出现天王星卫星之间的掩星现象。2007年5月4日即出现了天卫四掩藏天卫二的现象,共持续了约6分钟。[19]

物质构成和内部结构

在天王星的所有卫星中,天卫四的体积和质量都仅次于天卫三,其质量在太阳系卫星中也位列第九。[note 6]天卫四的密度为1.63克/立方厘米,[3]高于土星卫星的典型密度,表明其可能是有近乎等量的冰体水和非冰体物质构成,[21]后者包括岩石和密度较大的有机化合物光谱测定表明在该星体表面存在着晶体状的冰体水,进一步证明了冰体水的存在。[17]另外,天卫四同轨道方向一面的冰体水吸收谱带强于逆轨道方向一面,这与其他天王星卫星上的观测结果正好相反。[17]至今还不确定这种不对称分布的原因,但是可能与星体表面的“撞击生土”(impact gardening)过程(即通过撞击产生土壤)有关——该过程在同轨道方向一面较为剧烈[17]:即在撞击过程中,星体表面的冰体四散溅出,只留下暗色的非冰体物质。这种暗色物质可能包括岩石、二氧化碳、多种盐类和有机化合物,而除此之外的其他化合物还未被发现。[4][17]

天卫四内部可能分化出了一颗岩石内核和一层冰质地幔,[21]如果该猜想属实,那么其内核的半径将达到480公里,大约是星体半径的63%,其质量约占星体质量的54%——具体数值将取决于星体的物质构成。天卫四的内部压力达到了5亿(5千)。[21]现在还不知道天卫四的冰质地幔的状况。如果该冰层中含有足量的或其他抗冻剂,那么天卫四就可能拥有一层液态海洋,位于内核和地幔之间。如果该海洋确实存在,其厚度将会达到40公里,温度达180K。[21]不过天卫四的内部结构很大程度上取决于其过去的热量活动过程,而这个过程的细节已经很难为人所知。

表面特征

天卫四的假色照片。位于图像中央偏右位置、坑底为暗色的大型撞击坑为哈姆雷特撞击坑。

天卫四是除天卫二之外,天王星卫星中表面最暗的大卫星。[5]它的表面显示了强烈的反增益效果:当相位角为0时,其几何反照率为0.31,当相位角为1°时,几何反照率骤减为0.20;其球面反照率约为0.14。[5]天卫四表面呈现出微微的红色,但在某些刚形成的撞击坑地形区,则呈现出淡蓝色。[22]天卫四的同轨道方向一面和逆轨道方向一面表面特征并不一致,后者较之前者显得更红,可能是由于前者含有较少的暗色物质。[23]这种表面红化可能是几十亿年来由带电粒子微陨星对星体表面轰击所引起的太空风化造成的。[23]

科学家在天卫四表面共发现了两类地质构造:撞击坑峡谷[4]在天王星所有的卫星中,天卫四的表面遭受过最猛烈的陨石轰击,其撞击坑密度接近饱和——任何新的撞击坑的形成都可能破坏旧撞击坑的结构。[note 7][24]撞击坑的直径小则几公里,大则数百公里,其中最大的一个撞击坑[24]——哈姆雷特撞击坑的直径达到206公里。[25]较大型的撞击坑周围都分布有明亮的、成辐射状的撞击喷出物,其构成物质为形成时间相对较晚的冰体。[4]最大的几个撞击坑——哈姆雷特撞击坑、奥赛罗撞击坑麦克白撞击坑——的坑底分布着大量暗色物质,这些物质是在撞击坑形成之后覆盖上去的。[24]旅行者2号拍摄的照片显示在天卫四东南部存在着一座高达11公里的山峰,[26]其可能是一个直径达375公里的大型撞击坑的中央山峰。[26] 天卫四表面还纵横交错着一系列的峡谷地形,不过较之天卫三表面的峡谷地形,其分布范围较窄。[4]这些峡谷可能属于正断层地形或地堑,后一种地形常横切于大型撞击坑的明亮沉积带之上,这表明其形成时间较晚。[27]天卫四上最引人注目的峡谷是莫姆尔峡谷[28]

天卫四的地质构造是在外部的撞击坑形成过程和内源性的地表更新过程的此消彼长中形成的,[27]前者的作用贯穿于天卫四的整个历史,是该卫星现今地貌的主要作用力;[24]而后者的作用时间则是在该星体形成之后的一段时期。内源性作用主要表现为地质构造活动,最终形成了峡谷地形——即冰质地壳中的大裂缝。[27]峡谷地形抹去了部分的古老地形,[27]这种裂缝是在天卫四的星体膨胀过程中形成的,该星体膨胀率达到了0.5%。[27]

另外,在同轨道方向一面和撞击坑中经常出现一种暗斑,这种地质构造的性质还不为人知。一些科学家认为它们是冰火山的喷发点(类似于月海),[24]另一些科学家则认为它们是陨石撞击后顯露出来的暗色物质,所以原本埋藏于纯冰体之下。[22]在后一种假设中,天卫四内部结构应该至少发生了部分的分化,使得冰质岩石圈能够位于其未分化的内部结构之上。[22]

形成和演化

科学家们认为天卫四是在次星云吸积盘中形成的,该吸积盘由气体尘埃构成,它可能在天王星形成之后就已形成,也可能是在一次造成天王星如今极大的轨道倾角的撞击事件中形成的。[29]现今还无法得知次星云的确切物质构成,但是相较于土星卫星,天卫四和其他天王星卫星的较高密度表明该次星云中所含的水份可能较少。[note 8][4]其间存在着大量的元素和元素,不过最后形成的物质主要是一氧化碳氮气,而非甲烷[29]所以在该次星云中形成的卫星所含的水分也较少(一氧化碳和氮气都形成了包合物),岩石较多,这与该卫星的较高密度相吻合。[4]

天卫四的形成过程可能持续了数千年时间。[29]伴随形成过程的撞击事件在星体外层产生了大量热能,[30]当时在深达60公里的地层中温度高达230K。[30]天卫四形成之后,地下岩层逐渐冷却,而其内部则由于蕴藏于岩石中的放射性元素衰变产生的热能而被加热。[4]冷却的外部岩层出现了收缩现象,而内部则向外膨胀。这在星体地壳中产生了强大的应力,导致裂缝的形成。该过程持续了大约200万年,[30]现今的峡谷地形可能即是这一过程的产物。这说明该星体上的任何内源性构造活动都发生于数十亿年前。[4]

如果在冰层中存在着如氨(以氨水合物形式存在)这类的抗冻剂,那么最初的潮汐热效应和持续进行中的放射性元素衰变产生的热能就可能足以融化冰层。[30]进一步的融化过程可能导致冰体和岩石的分化,从而形成一个岩石内核和一层冰质地幔。而在内核和地幔之间则可能存在着一层富含溶解氨的液态海洋。[21]这层氨水混合物的低共熔点为176K。[21]如果温度低于该数值,那么现在这层海洋可能又会重新结冻。结冻过程进而一起内部结构的膨胀,这也能导致星体表面峡谷地形的形成。[24]但是,迄今为止人类所知关于天卫四演化的细节仍十分有限。

探测

至今为止只有旅行者2号在1986年1月飞掠天卫四时拍摄了该卫星的特写照片。尽管但是旅行者2号距离天卫四的最近距离仅47万公里,[31]但是其中质量最好的照片的空间分辨率也只有6公里。[24]在旅行者2号飞掠期间,天卫四的南半球剛好朝向太阳,所以未能对北半球(暗面)进行探测。[4]迄今为止还未有其他探测器光临过天王星和天卫四,在可预见的未来也没有探测该行星的计划。

注释

  1. ^ 表面积可依据星体半径r得出:
  2. ^ 体积v可依据星体半径r得出:
  3. ^ 表面重力可依据星体质量m万有引力常数G和半径r得出:
  4. ^ 逃逸速度可依据星体质量m、万有引力常数G和半径r得出:
  5. ^ 这五颗大卫星分别是:天卫五天卫一天卫二天卫三和天卫四。
  6. ^ 八颗质量大于天卫四的卫星分别是:木卫三土卫六木卫四木卫一月球木卫二海卫一天卫三[20]
  7. ^ 数量众多的撞击坑表明自天王星的所有卫星中天卫四拥有最为古老的表面。[24]
  8. ^ 例如,土卫三的密度为0.97克/立方厘米,这表明该星体中含有90%多的水。[17]

参考文献

外部链接

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