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  • 1990年4月,旅行者2号宇宙飞船飞越海王星,拍摄了一系列令人难以置信的太阳系最外层行星的照片。150年前,没有人知道我们的太阳系最终会包含8颗行星。在科学上,进步产生于理论和现实世界观察的交叉。

    16世纪最大的谜团之一是行星如何以明显的逆行方式运动。这既可以通过托勒密的地心模型(作)来解释,也可以通过哥白尼的日心模型(右)来解释。测量揭示了什么是存在的,但只有理论才能预测什么是应该存在的。

    万有引力理论可以解释观测到的行星轨道,开普勒第二定律可以从这一理论推导出来:围绕太阳运行的行星在相同的时间内扫出相同的区域。在整个天文学的历史上,观测一直引领着宇宙的发展,揭示了理论学家所描述的宇宙。

    这是我们太阳系第七颗行星的现代红外图像,它是在1781年由威廉·赫歇尔偶然发现的。1781年,威廉·赫歇尔偶然发现天王星后,情况发生了变化。

    太阳系中行星和卫星的一个非常古老的星座。对这一点的研究指向了19世纪上半叶的一个起源。其他行星尽职尽责地遵循行星运动规律,但天王星似乎违反了这些规律。

    通过追踪天王星多年的运动,科学家们可以评估它是否遵循行星运动的规律。令人费解的是,天王星的运动方式似乎违反了这些定律。天王星打破了开普勒定律,几十年来运行得太快,然后以合适的速度运行,然后又太慢。

    几十年来,人们观察到天王星运动得太快(左),然后以正确的速度(中心),然后又太慢(右)。在这个可视化中,海王星是蓝色的,天王星是绿色的,木星土星分别是青色和橙色的。1846年,正是乌尔班·勒维耶的计算直接导致了海王星的发现。这些观察结果很难反驳,但其物理原因尚不清楚。

    右图中的天王星似乎违反了行星运动的规律。简单地加上一个未发现的天体,加上天王星以外的正确参数,而不是建议修改引力定律,就可以解释在其轨道上观测到的异常现象。天王星之外的另一颗行星在引力的牵引下提供了一个可能的解决方案。

    行星的轨道动力学与万有引力定律非常吻合,相对较新的天王星提供了最大的异常值。确定一颗潜在行星的质量、位置、轨道距离和倾斜度,使其超出引起轨道扰动的范围,是一项艰巨的任务。确定一个未知世界的质量、轨道参数和位置是一个难以置信的计算难题。

    乌尔班·勒维里尔是一位极具天赋的数学家,对天文学很感兴趣。1845年,著名的物理学家弗朗索瓦·阿拉戈迫使勒瓦里尔着手研究天王星的轨道问题。到了1846年,勒维里尔有了一个解决方案。1846年8月31日,乌尔班·勒维耶写了一封信,详细描述了这颗假想行星的位置。

    从1845年到1846年,同样在研究天王星轨道问题的英国天文学家约翰·库奇·亚当斯提出了至少5个假想新行星的可能位置,但由于理论家和观测者的错误,探测仍然难以捉摸。勒威里尔在1846年做出了他的第一个也是唯一的预测,这导致了一个几乎是立即观测到的发现。9月23日,这封信到达柏林天文台。

    旅行者2号太空探测器在1989年8月拍摄到的海王星及其最大的卫星海卫一。虽然要想看到海卫一需要非常强大的望远镜,但如果你知道去哪里看,可以用现成的双筒望远镜看到海王星本身。一旦知道了它的位置,观测它就变得简单而明确。那天晚上,在勒维耶预测的1°范围内,海王星被发现了。

    海王星早在1846年就被发现了,但有两个人竞相发现它,他们是约翰·库奇·亚当斯和乌尔班·勒维里尔。今天,海王星的两个主要环被称为亚当斯环和勒威耶环。这是第一次,一个新的天体仅靠重力就被发现了。

    在通过研究天王星的轨道异常因而发现海王星之后,勒维耶将注意力转向了水星的轨道异常。他提出了一颗内部行星——火神星作为解释。虽然火神并不存在,但勒维耶的关注和计算帮助爱因斯坦找到了最终的答案:广义相对论。弗朗索瓦·阿拉戈曾迫使勒维耶研究天王星的轨道,他称赞勒维耶是“用笔尖发现行星的人”。

    乌尔班·勒维耶的坟墓是为了纪念他对天文学做出的巨大贡献,而历史很可能会像阿拉戈一样记住他。


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