20.14. 外行星概况¶
外行星概况
先锋11号于1974年12月经过木星，1979年9月乘飞机经过土星。这艘宇宙飞船穿过土星环，但没有被（如一些人预测的那样）大间距的粒子摧毁。先锋11号还发现了木星磁层在远离太阳的方向上超出了土星的轨道的证据。
我们现在来到了毫无疑问是人类有史以来最杰出的行星太空任务：旅行者1号和2号探测器到外行星。以不到10亿美元的价格，这是一个真正的交易，即使是在那时，这两个非凡的航天器访问了所有的大行星，木星，土星，天王星和海王星。他们于1977年开始了他们的大巡游，但随着这些汽车离开太阳系，他们仍在走强。他们对所有四颗行星和48颗卫星进行了成像，其中一些是他们发现的。喷气推进实验室（JPL）航行者主页上提供了航行者任务的完整摘要。 (http://vraptor.jpl.nasa.gov/voyager.html ②）
这项任务的一个推动因素是每175年一次的大行星的良好排列，这样初始轨道加上修正可能会允许至少一个航天器飞过木星，一直飞到海王星。每经过一次行星飞行，航天器都会受到重力的“撞击”，从而加速它们的飞行，从而有利于改变它们的飞行路线并显著缩短它们的飞行时间（如果没有这种推动，利用最初的发射速度到海王星的飞行将需要30年的时间）。
旅行者2号于1977年8月20日从地球发射，1979年7月9日抵达木星。旅行者1号于1977年9月5日起飞，1979年3月5日到达木星。虽然“旅行者1号”的飞行路线较短，但它的飞行时间却缩短了。1980年11月，两个航天器都经过土星，旅行者1号和旅行者2号，1981年8月，接受了另一次重力提升。在他们与土星的相遇中，旅行者已经满足了五年运行的最初要求，但是旅行者1号选择的轨道（经过土星的卫星，泰坦）不赞成它继续进入天王星。所以JPL的官员允许它从黄道平面向上（朝向天北）离开。旅行者2号的“所有系统运行”状态使它在经过适当的航向修正后，能够前往天王星，并在1986年1月24日遇到它。进一步的航向调整将其发送到海王星，最接近1989年8月25日。在每一个新的交会点上，太空船都表现出色，提供了每一颗巨型行星的详细数据。两个航天器现在都离开了太阳系的行星区域。
航海家携带的仪器设计支持10个实验。除了电视摄像机，其他还包括紫外和红外传感器、宇宙射线、等离子体和带电粒子探测器以及磁强计（请参阅旅行者主页，获取航天器及其部署仪器的示意图；单击每个以获取功能描述）。由于离太阳的距离非常远，他们不能使用太阳能电池板发电，而是使用放射性同位素热电发电机（RTG），将衰变钚的热量转化为电能。由于这种明智的能量选择，即使在今天，两个航天器都能发射无线电信号，其中包含来自100个美国以外地区的新科学数据（1个美国是太阳到地球的距离：1.5亿公里）。 [93000000英里] ）已经通过了太阳活动区，即可测量太阳风的最外边界。
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巨行星就是这样的：大得多的，接近球形的天体，主要由构成其体积的大气组成。木星在美国5.2轨道上运行，是最大的，赤道直径为142984公里（88850英里，从中心到外层测量，我们估计大气压力为1.0 atm），质量为1.9 x 10。27 kg（4.19×10） 27 磅）（比所有其他行星的总和大两倍，比地球大318倍）。离太阳越远，行星越小，如下所示：土星（9.54 a.u.）-120530公里（74897英里）；天王星（19.22 a.u.）-51116公里（31763英里）；海王星（30.1 a.u.）-49528公里（30777英里）。他们经历了大约2%到10%的极地变平。每颗行星的旋转速度都非常快。它们的转动周期都小于一个地球日。它们主要由氢和氦组成（对于木星和土星来说，氢/氦的比例约为原子数的9:1和原子量的4:1）；少量的甲烷和氨；以及微量的氮和水。木星和土星的质量足以将内层氢转化为金属液态。对于木星来说，这个区域大约有40000公里（24856英里）厚。土星的厚度不足15000公里（9321英里）。对于这两颗行星，这一区域向外逐渐变为液态氢分子（木星的外部区域约为18000公里 [11185密] -厚），然后是相对薄的大气。天王星和海王星中不存在金属氢，因此它们的内部主要是分子氢。根据密度计算，所有四颗行星都可能有一个岩石（硅酸盐）核心，经受高压和高温（木星：约20000°K）。木星核心的半径约为5%，土星的半径约为行星半径的10%。天王星和海王星的核心延伸到其行星半径的1/2左右。
压缩释放的热能在很大程度上是造成内部热量的原因，这使得每颗行星的表面温度（逆热梯度）比单靠太阳加热所预期的要高。对于木星来说，来自内部的热量提供的热能比从太阳接收到的要多70%。这种能量提供了流体动力学，使大气在大致平行于赤道的带或带中剧烈运动，风速远远超过地球上的风速。深部的热条件会导致电子剥离和其他机制，包括在每个行星周围产生磁场的导电运动。木星和土星的磁场分别是地球磁场的4000和1000倍。天王星和海王星的磁场要弱得多。然而，天王星和海王星的磁层有着不寻常的形状和分布，它们的磁极轴都强烈地倾向于旋转轴。天王星的自转轴倾斜98°，所以它几乎位于日黄道平面。
在旅行者造访之前，我们只知道土星的物质环在行星（气压定义的）表面外不同距离的接近圆形的路径上移动。但是，当太空船拍摄到其他三颗行星的图像时，我们发现了明显的证据，即在每一颗行星上都有更为柔和的环，因此我们现在认为环是这类气体体的标准。环由微小的冰和岩石颗粒组成。在土星，有些像一个小房子一样大，集中在只有几公里厚的轨道上。在环内，粒子被广泛分离。这类环的起源仍不确定，但有人认为有利于早期卫星的破坏。然而，这些环可能收集了从现有卫星上侵蚀下来的碎片，或者行星从行星际空间捕获的碎片，或者行星吸积过程中“遗留下来”的碎片。
巨型行星的卫星分为两种主要类型：较大的卫星采用球形，当其组成物质充分液化以达到重力平衡时，形成等位面。较小的则保持不规则的形状，这意味着熔化并没有显著改变它们，或者它们是碰撞产生的碎片，破坏了它们的母体。这些行星可能从小行星带或经过的彗星和其他空间碎片中捕获了一些。大多数卫星由岩石和冰（水、二氧化碳或其他冻结气体）的混合物组成。冰通常是地表的主要物质。许多卫星的表面显示出不同的，通常很重的，凹坑状的，可能从它们形成后不久就被保存下来。一些卫星有不寻常的，拼凑的，像多类型的地形，这表明他们是重新组装从碎片撕裂除了碰撞。有迹象表明，后来，部分熔融出现在少数。一颗卫星有一个大气层；一些卫星表面或其下方可能含有液体；至少一颗卫星正在进行火山活动。总之，卫星有很多共同点，但每一颗都保留着自己独特的“特性”。
主要作者：Nicholas M.Short，高级电子邮件： nmshort@epix.net