几个世纪以来，行星巨头们——木星以其独特的红斑，土星以其巨大的光环——一直是行星中最具魅力的，而外围行星——天王星、海王星和冥王星——则被视为暗淡、遥远、单调且神秘的继女。11年前，旅行者2号在完成了对木星和土星的任务后，得以近距离拍摄了一些海王星的照片。它最终传回地球的图像改变了一切。海王星被赋予了全新的视角，图像显示了一颗美丽的蓝色星球，上面有旋转的白色云层，看起来很像地球。三年后，柯伊伯带的发现——一个包含冥王星的遥远冰冷天体的区域——重新定义了海王星在整个太阳系格局中的重要地位。天文学家现在认为，海王星的引力不仅扰乱了柯伊伯带中小型遥远天体的轨道，还影响了巨型气态行星的位置。
科罗拉多州博尔德太空科学研究所的高级科学家海蒂·哈默尔说：“没有一个行星能告诉我们关于宇宙的一切，但海王星似乎蕴藏着比其他行星更多的关于我们自身太阳系——以及更远星系——形成的信息。”
1989年，旅行者2号的飞掠提供了海王星的首次近距离观测——以及其稀疏光环的首次完整景象。此前的图像只显示了不完整的弧线。背景中的亮点是星星。
照片来源：NASA/FPG
数十年来，天文学家一直认为行星在太阳星云形成后就保持静止。但海王星奇怪的小邻居冥王星触动了他们的好奇心。虽然其他行星沿圆形轨道运行，但冥王星的轨道是一个奇特倾斜的椭圆形。天文学家现在知道，冥王星的轨道之所以奇怪，只是对于一颗行星而言。对于柯伊伯带中约300个已知天体来说，这是完全正常的。休斯顿月球与行星研究所的科研人员雷努·马尔霍特拉认为，这些椭圆轨道具有解释力：它们表明海王星——一颗质量超过17个地球的海王星——影响了其所有微小邻居的轨道。
这怎么可能发生？答案在于太阳系早期历史中的相互作用。行星形成后，它们的引力干扰了被称为“行星胚胎”的剩余构件的轨道。“这演变成了一场行星间的‘手球比赛’，涉及海王星、天王星、土星和木星，”马尔霍特拉说。根据这项相互作用的规则，海王星将行星胚胎从它们的轨道上拖拽出来，并将它们“传递”给离太阳更近的巨型气态行星。当行星胚胎进入更小的轨道时，它们失去了轨道能量和角动量——而这些能量被行星吸收了。“轨道能量越大，轨道就越大，”马尔霍特拉解释说。海王星、天王星和土星开始向外移动——海王星跃升了30%，移动到目前距离太阳约28亿英里的位置。木星在接收行星胚胎后，要么吸收了它们，要么将它们逐出了。结果，木星损失了轨道能量，围绕太阳的运行周期缩小了约2%。
马尔霍特拉曾推测冥王星的轨道是由海王星塑造的，但直到1992年柯伊伯带被发现才得以证实。随着海王星向外移动，只有超过一定距离的物体才能逃脱被捕获并向内推。例如，冥王星绕太阳公转两次，海王星就公转三次。因此，马尔霍特拉说，冥王星与海王星处于2:3的共振轨道，而其他柯伊伯带天体也与海王星有类似的轨道关系。她认为，任何轨道比这更近的物体，早就被这颗巨大的行星从其轨道上撕裂了。冥王星和柯伊伯带中的其他天体恰好足够远，得以避免这种命运。
哈勃太空望远镜的彩色增强图像揭示了海王星的恶劣天气。赤道上的风速接近每小时1000英里，直径与地球相当的巨大风暴可以席卷整个星球。大气层最上层的甲烷吸收光线，使行星呈现蓝色。白色和黄色的斑块表明存在非常高的云层。照片来源：NASA
在其他太阳系中，这种行星的重新排列似乎很普遍。例如，1995年发现的绕着51 Pegasi恒星运行的巨型气态行星就让天文学家们大惑不解。这颗行星的尺寸与木星差不多，但它绕恒星运行的轨道比水星绕太阳运行的轨道近八倍。“气态行星不可能在离恒星这么近的地方形成，”马尔霍特拉说，“所以它一定是移动到那里的。”海王星和外行星可能移动的理论为这一点提供了一种可能的解释——尽管不可避免地会有其他解释，特别是考虑到Pegasi巨型行星一定是向内移动，而不是像海王星、天王星和土星那样向外移动。
海王星的行星运动，说来也奇怪，可能与地球的发展有关。一种有些推测性的理论认为，水是通过一个遥远的冰冷天体来到地球的——例如那些在柯伊伯带和更遥远的奥尔特云（一个冰冷、充满彗星的区域）中大量存在的冰冷天体。海王星向外移动可能扰乱了那个携带冰的天体的运动，使其沿着一条最终导致它撞击地球的轨道运行。
但这只是海王星的谜团之一。1989年，当旅行者2号飞过这颗行星时，它拍摄到了一张照片，显示一颗与地球一样大的巨大旋转风暴在行星表面起伏。直到那时，没有人预料到会在海王星上发现变幻莫测的风暴。与自伽利略时代以来就被观测到的木星上的大红斑（一个湍流区域）不同，这个风暴被证明异常不稳定：当修复后的哈勃太空望远镜在1994年首次观测海王星时，那个黑点已经消失了。对于地球人来说，变幻莫测的天气并不奇怪，因为太阳加热我们地球的表面，并将水蒸气和空气带到空中形成云和风。然而，在太阳系更远的区域，太阳的能量非常少，其影响应该会根据平方反比定律而减弱。亚利桑那大学行星科学家卡罗琳·波尔科说：“由于天王星距离太阳是土星的两倍，它接收到的太阳能量是土星的四分之一——并且应该只有四分之一的气候活动。”
这项定律似乎在天王星上得到了遵守，它如此缺乏云层，以至于当旅行者2号飞掠时，它看起来就像一个巨大的台球悬浮在太空中。大多数天文学家预测海王星也会同样平淡无奇——它距离太阳的距离是地球的30倍。他们真是大错特错了。
旅行者2号的这张图像显示了海王星的大黑斑，一个类似于木星大红斑的风暴系统。关键的区别是，海王星的大黑斑时有时无。
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首先，海王星比预期的更呈现出耀眼的蓝色。其上层大气中的甲烷吸收红光，产生蓝色效果。大气层高处的冰冻甲烷产生了稀疏的云层。在海王星的内部，一个球形的含水层围绕着一个坚实的内核晃动，使行星的磁场与其自转轴偏离47度。这些都不是像风暴系统的发现那样令人惊讶。近乎每小时1000英里的风速和不断变化的云层“违背了所有预期模型，我们仍在试图理解原因，”哈默尔说。“由于能量不是来自太阳，这就引出了一个问题：能量来自哪里？”
海王星本身必须藏有答案。行星科学家可以计算行星的辐射平衡——它散发出的能量与接收到的太阳光量之比——而海王星的比例非常引人注目。“你从内部获得巨大的热量，从外部获得很少的热量，所以情况一点也不稳定，”哈默尔说。
与只有很薄一层大气的地球不同，海王星的小型固体核心被厚厚的燃气层所包围。在海王星大气的外部，压力与地球相似，但温度为-350华氏度。然而，深入行星内部，热量和压力可能会增加，直到它们急剧升高，使得大气层——大部分是氢气——转变为液态，“可能具有布丁般的稠度，”哈默尔说。在这些条件下，电子从分子中剥离，原子核聚集在一起。这不是一个奇特的化学结构——这是金属的定义。“但想到以气体形式存在的氢会以金属状态存在，这很不寻常，”哈默尔说。
去年，加州大学伯克利分校的一个团队提出了一个关于行星大气层中可能发生什么来解释海王星非凡内部能量的假设。物理学研究生罗宾·贝内代蒂将一些甲烷置于一个加压室中，并使用激光束创造了“行星中心约三分之一处可能存在的压力和热量条件”。甲烷由围绕一个碳原子的四个氢原子组成。贝内代蒂发现，在极端压力下，将氢原子固定在碳原子上的键会断裂，碳原子开始相互结合。在不同的条件下，碳原子会形成一种类似煤炭的物质，但在这种极端压力下，它们形成了金刚石尘埃。“我们不确定海王星上会形成多大的金刚石晶体，”她说，但它们可能使伊丽莎白·泰勒手指上的克鲁普钻石看起来像一颗碎屑。如果海王星上存在这些条件，那么金刚石可能正在大气层中向行星中心倾泻，释放摩擦产生的热量。“这可能是一个巨大的能量，”贝内代蒂说，这可能部分解释了为什么海王星散发的热量是它从太阳吸收的热量的2.6倍。
照片来源：NASA
对于这个问题以及海王星提出的其他新问题，实际答案必须等到能够发射轨道器来收集更多信息的那一天才能揭晓。“我们在理解方面取得了长足的进步，”哈默尔说。“但直到我们获得只有轨道器才能提供的数据，我们最好的希望就是对这颗令人惊叹的行星有一个模糊但令人着迷的看法。”
要在线一瞥海王星，请访问NASA的行星图像库：photojournal.jpl.nasa.gov。对于天文学爱好者来说，网站space.com提供了一个可搜索的档案。太阳系视图（Views of the Solar System）是一个精彩的在线资源，其中包含对海王星的全面介绍：www.solarviews.com/eng/neptune.htm。帮助发现柯伊伯带的夏威夷大学天文学家大卫·朱伊特在他的网站上讨论了他的研究并关注外太阳系的居民：www.ifa.hawaii.edu/faculty/jewitt/kb.html。
