天王星上X光的发现能否让我们更了解这个与众不同的冰超巨星

　　天王星是非常有趣的行星。希腊罗马神话中，它是土星的爸爸、木星的爷爷、火星的曾祖父。比起其他行星是＂站着自转＂，天王星是＂躺着自转＂。太阳系8颗行星当中大多都观测到了X光的信号。唯独两颗冰巨行星：天王星、海王星没有。终于，研究团队从2002年以及2017年的数据中找到了天王星上X光信号的证据。本文带大家认识一些天文星有趣的历史、文化、以及认识这一篇X光的研究成果。 天王星的发现与特色
　　天王星的视星等大约为5.5，是一颗非常暗的星，几乎接近人眼的极限。平时在一般都市环境中非常不容易直接用肉眼看到，只有在晴朗、没光害的夜空中比较有机会。正式的发现、命名者是英国的威廉.赫雪尔（WilliamHerschel）。一开始猜测是个彗星，后来才确认是个行星。英国国王乔治三世还因此以一年200英镑的薪水聘雇他，依照零售物价指数（RetailPricesIndex）来推算的话，相当于现今一年23万的薪水。
　　这笔薪资显然相当不错了，本来赫雪尔想要将这颗星命名为＂乔治之星＂（GeorgiumSidus）。不过当时除了乔治三世和赫雪尔以外，当时喜欢这个点子的人并不多。毕竟其他的行星都用希腊神话来命名，突然冒出一颗用英国国王命名的行星怎么样看都不合适。最后由柏林天文学家约翰.波德（JohannBode）的建议定案为＂Uranus＂，这个字的词源是希腊神话中的天空之神＂乌拉诺斯＂。几乎每个希腊神话中的角色都能在罗马神话中找到对应。＂乌拉诺斯＂对应到的就是＂凯路斯（Caelus）＂，是＂萨图恩（Saturn，即土星）＂的爸爸；是＂朱比特（Jupitar，即木星）＂的祖父；更是＂马尔斯（Mars即火星）＂的曾祖父。因此在希腊罗马神话当中，天王星、土星、木星、火星可是祖孙四代呢。
　　恒星一般在天空中的相对位置几乎是不变的，要花千年、甚至万年才有可能看到一些变化。离太阳愈远的行星，在天上的相对位置变化愈慢。木星要回到原来的位置要花12年、土星更要花上30年，天王星更慢，要84年！因为天王星在天上的相对位置实在变化得太慢了，以至于早期先民即使看到了天王星，也认为它是一颗恒星。
　　图1：旅行者2号探测器（Voyager2）即将跟随它的前辈旅行者1号（Voyager1）离开太阳圈（Heliosphere）了
　　与其它的行星比起来，天王星离地球非常遥远。唯一抵达天王星过的太空探测器是1977年发射，飞了将近9年后才抵达的旅行者2号探测器（Voyager2）。这台探测器从地球出发，观测了木星、土星、天王星、海王星之后，继续一路向外飞，现在几乎已经离开了太阳系（图1）。上面大多数的仪器都已经缺少电力、无法运作，只保留了最基本的功能。去年底对它发射信号时，在将近35小时之后还是收到了响应。天王星在太阳系的八颗行星里面，有着一个非常奇特的性质：＂躺着自转＂。其他七颗行星的自转与公转差不多是在同一个平面上，以地球为例子，地球的自转轴与公转轴只差了23.5 左右。但是天王星的自转轴与公转轴相差了98 。
　　如果把公转面想象成水平面的话，地球的自转就像是一个旋转的陀螺，而天王星则是电风扇的扇叶（图2）。
　　图2：太阳系大多数的行星都像陀螺一样、自转平面与公转一致，但是天王星却是躺着的 天王星上的X光信号！
　　太阳系的行星成员当中，除了地球以外，水星、金星、火星、木星、土星都侦测到过X光的信号，甚至连彗星、以及矮行星冥王星都侦测到过X光。在最近这篇研究出来之前，行星当中就只剩下两颗冰巨行星：天王星、海王星还没有测量到X光。最近，研究团队检视了＂钱德拉天文台X射线天文台（ChandraX-rayObservatory）＂的观测数据，研究团队测量到了天王星上的X光（图3）。
　　图3
　　钱德拉X射线天文台是当代最重要的X射线望远镜（图4）。自1999年发射升空服役到现在，累积了非常多的观测数据，有许许多多X光的重要观测贡献都来自于这台望远镜。然而宇宙间能观测的天体实在太多啦，对天王星的观测其实非常稀少。截至2020年6月，只有三次对天王星的观测：2002年1次、2017年2次。到了这一两年研究团队才从这些数据中找到了天王星上X光的信号。
　　图4：钱德拉X射线天文台（ChandraX-rayObservatory）
　　X光是电磁波频谱上高频率、高能量的波段。要产生X光，一般来说要有特殊的环境才可以。天王星上X光最主要的来源是对太阳光的散射。太阳光本身是一个很强的X光光源，即便天王星离太阳这么远，太阳所发出来的X光到了天王星以后，被天王星的气体分子散射开。这个机制是天文学家已知的，过去在木星、土星上面看到的X光也都是这一类。
　　特别的事情是，天文学家藉由木星、土星的数据推算了一个天王星上可能量测到的X光强度。但研究测量后却发现X光的强度比推算的数值还要更强。这有几个可能，一个是天王星对太阳X光散射的效果比木星、土星更好。另外一个可能性就是天王星有额外的X光产生机制。目前推论与天王星周遭的带电粒子有关。比方说，天王星和土星一样，周围有一圈环。当带电粒子撞击到天王星环的时候，就有机会放出X光。另外一个可能性是＂极光＂，当带电粒子因为磁场等效应掉进大气层、与大气分子相撞后，也有机会放出X光。这个现象在木星上也看到过。不过到底是哪个机制就看未来更多的观测了。
　　天王星在太阳系是很重要的存在，它是离我们最近的冰超巨星、而且还躺着自转，让我们有机会以不同的角度观测行星。太阳系的冰超巨星只有两颗，由于距离遥远，都很不容易观测。现在好不容易在天文星上看到了X光的图像，使我们得以更全面地了解冰超巨星的性质。对太阳系内、太阳系外的行星都能有更全面的理解。