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天王星最开始被认为是恒星金牛座34,随后由于其特征差异又被认为是彗星,最后由于其轨道和特征不像彗星才被认为是行星。海王星是因为科学家发现天王星轨道会受到其引力摄动预测位置后而被发现的,冥王星也是引力摄动发现的,具体情况本文将简略介绍下。

天王星的发现

与经典行星一样,天王星以人的肉眼就可以看见,但由于它的亮度比较暗淡加上其缓慢的轨道,因此它从未被古代观察者认作为行星。威廉·赫歇尔爵士(Sir William Herschel)于1781年3月13日宣布了这一发现,这是人类有史以来第一次扩大了已知的太阳系边界,并使天王星成为用望远镜发现的第一颗行星。

天王星在被认可为行星之前曾多次被观察过,但它通常被误认为是一颗恒星。已知最早的观测可能要追溯到公元前128年,是由喜帕恰斯(Hipparchus)观测,喜帕恰斯可能把它作为一颗恒星,而记录到了他的星表上,该星表后来被并入托勒密的《天文学大成》(公元二世纪时普托勒密作的天文学数学名著)中。最早确定的观测记录是在公元1690年,当时的约翰弗拉姆斯蒂德(John Flamsteed)至少观察了六次,在他的星表中将其编目为“金牛座34”。法国天文学家皮埃尔·查尔斯·勒·莫尼尔(Pierre Charles Le Monnier)在1750年至1769年期间至少观察过天王星十二次,包括连续的四晚。

威廉·赫歇尔爵士(Sir William Herschel)于1781年3月13日在英格兰萨默塞特巴斯新国王大街19号(现为赫歇尔天文博物馆)从天王星家的花园里观测到了天王星,并最初把它(1781年4月26日)报告为彗星。赫歇尔用自己设计的望远镜“对固定恒星的视差进行了一系列观察”。

赫歇尔在他的日记中记录:“在与金牛座ζ成90°的位置……或者是一个模糊的恒星或者是一颗彗星。” 3月17日,他注意到:“我寻找彗星或星云,发现它是一颗彗星,因为它改变了它的位置。“当他向皇家学会展示他的发现时,他继续声称他发现了一颗彗星,但也含蓄地将它与一颗行星相比较。

1781年4月23日,赫歇尔向皇家天文学家内维尔·马斯基林(Nevil Maskelyne)通报了他的发现,并收到了他含糊其词的回答:“我不知道该怎么称呼它。它很可能是一颗规则的行星,在接近圆形的轨道上围绕太阳运动,就像一颗彗星在非常高的离心率的椭圆中运动一样。我还没有看到彗星的彗发或尾巴。”

虽然赫歇尔继续将他的新天体描述为彗星,但其他天文学家已经开始怀疑是否还有其他未知因素。在俄罗斯工作的芬兰 – 瑞典天文学家安德烈·约翰·勒克色尔(Anders Johan Lexell)是第一个计算该新天体轨道的人。他的数据表明,该新天体的轨道近乎是圆形的,因此,它认为这是一颗行星而不是一颗彗星。 柏林天文学家约翰·埃尔特·博德(Johann Elert Bode)将赫歇尔的发现描述为“在土星轨道之外,一颗移动的恒星,可以被认为是一种前所未有的行星状物体”。 博德得出结论,它的近圆轨道更像是行星而不是彗星。

这个新天体很快就被普遍接受为一颗新行星。直到1783年,赫歇尔才向皇家天文学会主席约瑟夫·班克斯承认:“通过欧洲最杰出的天文学家的观察,看来我有幸在1781年3月向他们指出的这颗新星是我们太阳系的一颗主要行星之一。“ 为了表彰他的成就,乔治三世给了赫歇尔200英镑的年度津贴,条件是他必须要搬到温莎,以便王室系统可以通过他的望远镜进行观察。

 

天王星和海王星以及冥王星是如何被发现的呢

威廉·赫歇尔,天王星的发现者。图:National Portrait Gallery: NPG 98

海王星的发现

海王星在被直接观察之前进行了一系列的数学预测。1846年9月23日至24日晚在柏林天文台,根据奥本·勒维耶(Urbain Le Verrier)的预测,并由天文学家约翰·戈特弗里德·加勒(Heinrich Louis d’Arrest)协助一起利用望远镜进行观测,根据Le Verrier的计算工作结果,最终确认他们发现了太阳系中另一颗(天王星后)主要的行星。 这是19世纪科学的轰动时刻,也是对牛顿万有引力理论激动人心的证实。 在弗朗索瓦·阿拉戈(FrançoisArago)的恰当短语中,勒维耶(Le Verrier)发现了一个“笔尖上”的行星。

回想起来,在它被发现之后,事实证明它之前曾被观察过很多次但都未被认出是行星,还有就是其他人对其位置进行了各种计算也都没有引起他们对其的观测兴趣。到1847年,自1781年威廉·赫歇尔(William Herschel)发现以来,天王星围绕太阳公转的运行轨道已经完成了近一圈,在其轨道路径上天文学家已经发现了一系列不规则性,这是牛顿万有引力定律完全无法解释的。然而,假设如果有一个更远的未知行星的引力在摄动它的轨道,那么这些不规则性就可以得到一系列的解释。 1845年,巴黎的天文学家奥本·勒维耶(Urbain Le Verrier)和剑桥的约翰·柯西·亚当斯(John Couch Adams)分别开始计算其轨道,以确定这样一颗行星的性质和位置。 Le Verrier的成功也引发了一场关于优先权的紧张国际争端,因为英国皇家天文学家喬治·比德爾·艾里(George Airy)在发现后不久宣布亚当斯也预测并发现了这个行星的存在。尽管如此,皇家学会还是在1846年授予了Le Verrier科普利奖章,以表彰他的成就,但并没有提到亚当斯。海王星的发现导致威廉·拉塞尔(William Lassell)在17天后发现了海王星的卫星海卫一(Triton)。

 

天王星和海王星以及冥王星是如何被发现的呢

勒维耶,用数学发现海王星的人。图:User Magnus Manske on en.wikipedia

冥王星的发现

19世纪40年代,奥本·勒维耶(Urbain Le Verrier)在分析了天王星轨道上的引力摄动之后,利用牛顿力学(经典力学)来预测当时尚未发现的海王星的位置。随后在19世纪末对海王星的观测导致天文学家推测,天王星的轨道正受到除了海王星之外的其他行星的引力干扰。

1906年,帕西瓦尔·罗威尔(Percival Lowell)——一个富有的波斯顿人,于1894年在亚利桑那州的弗拉格斯塔夫建立了洛厄尔天文台——开始了一个广泛的项目,寻找可能的第九颗行星,他被称之为“行星X”。到1909年,Lowell和威廉·亨利·皮克林(William H. Pickering)已经提出了这样一颗行星的几种可能的天体坐标。Lowell和他的天文台一直在搜寻这一目标,直到他1916年去世,但都没有结果。Lowell并不知道,他的调查在1915年3月19日和4月7日拍摄到了冥王星的两张微弱的图像,但是它们并没有认出来这就是冥王星。其实还有十四种已知的预观测,最早是由耶基斯天文台于1909年8月20日制作的。

帕西瓦尔的遗孀康斯坦斯·洛威尔(Constance Lowell)与洛厄尔天文台(Lowell Observatory)就她丈夫的遗产展开了长达十年的法律斗争,直到1929年才开始恢复对X星的搜寻。天文台主任维斯托·梅尔文·斯莱弗(Vesto Melvin Slipher)将行星X的定位工作交给了23岁的克莱德·汤博(Clyde Tombaugh),他是在斯莱弗被他的天文图样所打动之后才到达天文台的。

汤博的任务是系统地将夜空成像弄成成对的照片,然后检查每对照片,并确定天体是否有移动了其位置。使用瞬变比较镜,他快速地在每个板块的视图之间来回移动,从而产生任何天体移动的错觉,这些天体会在照片之间改变其位置或外观。1930年2月18日,经过近一年的搜寻,汤博在1月23日和29日拍摄的照相底片上发现了一个可能的移动天体。1月21日拍摄的一张低质量照片帮助证实了这一运动。1930年3月13日,天文台获得进一步的确认照片后,将发现的消息电报给哈佛大学天文台。

在罗威尔天文台的汤博,图WJ百科

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