穿过天王星的环平面

马克·肖沃特博士和贝克基·道森在凯克天文台。

傍晚时分，薄雾消散。我第一次在蓝灰色的毛纳基亚峰上看到了遥远的白色圆顶，但乌云在上空盘旋。哈米尔博士告诉我，一旦太阳落山，这团云就会冷却、下沉并将望远镜包裹在雾中，除非——可能性很小——这团云一直下沉到顶峰之下，望远镜之下。尽管今晚的所有天气预报都很悲观，但我还是希望我们最终能得到一些数据。

我在夏威夷的凯克天文台参加天王星天文学家的哈雷会议：环平面交叉。这是望远镜观测运行的最后一晚，凯克天文台的工作人员称之为“穿越环形平面的家伙”：加州大学伯克利分校的Imke de Pater博士、太空科学研究所的Heidi Hammel博士、SETI研究所的Mark Showalter博士，以及我，Showalter的暑期研究生，一名热切的本科生，刚刚在韦尔斯利学院完成了第二年的学业。本周早些时候，当我的飞机从波士顿起飞时，我看到飞机在港口上的阴影随着我们的上升而缩小。飞机转弯了，当我一侧的机翼向水面倾斜时，飞机的阴影缩成了一条线。这正是我希望在夏威夷看到的，四十二年一次的天王星环平面交叉期的几何形状：当地球穿过天王星环的平面时，我们看到的是环的边缘。

对于天文学家来说，环行星交叉是研究天王星环结构和探测通常被光环遮挡的微弱卫星的独特时刻。我们观察到的三个夜晚，9月6日至8日，也是相反的夜晚，当地球位于太阳和天王星之间的直线上时，这对于观察微弱的卫星来说是一个特别好的几何形状。小而微弱的内天王星卫星是我今晚研究的主题，因为我整个夏天都在研究它们的混沌运动。它们的轨迹虽然不是随机的，但对初始条件非常敏感，甚至是不可预测的。但是，研究具有10米凯克II望远镜的混沌天王星卫星系统的机会已经被混沌理论的范式系统——地球天气——所破坏。Showalter博士原本邀请我在8月份和他一起观察，但由于飓风即将来临，这次旅行在最后一刻被取消了。现在，在这次观测过程中，由于雾和湿度的原因，我们几乎没有获得任何数据。每个人都开始取笑Showalter博士，因为他在岛上的时候总是有坏天气。但是，我们还有一个晚上的时间来尝试在反对党的环形飞机穿越期间再次观测天王星。

当我第一次参与观测天王星时，我想起了最初观测到一颗有卫星和光环的行星的时候。在韦尔斯利学院的惠廷天文台，11月的一个晴朗的新英格兰夜晚，我在红色的灯光下找到了杠杆，并推动它旋转吱吱作响的圆顶，直到土星亮起。我用连接在它黄铜机身上的绳索系统，放置了这架有150年历史的1.5英尺长、1.5万磅重的折射望远镜，爬上一个轮式楼梯，眼睛盯着冰冷的目镜。当我转动旋钮将镜头聚焦时，土星开始清晰可见，它的微小卫星和光环完美、精致，几乎令人难以置信。

两年后，我在一个有空调的计算机实验室里，在白色荧光灯的照射下观察天王星的卫星和光环。哈梅尔博士正在通过视频链接与峰会上的望远镜操作员交谈，德帕特尔博士正在向控制望远镜上红外CCD相机的计算机输入命令，Showalter博士正在乐观地监测峰会上湿度测量仪器的输出。那天下午，当我们准备的时候，一名工作人员推上了一套新的、符合人体工程学的现代皮椅，旨在让长时间的观察更加舒适。但凯克天文台最令人惊叹的现代奇迹是自适应光学系统。

当Showalter博士告诉我，“Keck现在在很多方面都击败了哈勃。”即使在14000英尺的稀薄干燥大气层中用10米望远镜从地球上进行观测，怎么可能比哈勃太空望远镜的观测更好呢；这就是为什么哈勃太空望远镜在大气层上空运行，拍摄到如此清晰和详细的图像。但是，在大约五年的时间里，进入凯克望远镜的光线已经通过自适应光学系统进行了大气畸变校正。我们无法预测混乱的大气湍流会如何扭曲光线，但通过自适应光学系统，我们可以每秒测量和校正一千次扭曲。不幸的是，自适应光学无法解决恶劣天气。当我们进行初步测试时，湿度变化很快，当测试图像上有趣的特征在真实曝光时变得模糊时，哈梅尔博士叹了一口气，“我们可以像200年前天文学家那样画出来。”

在我们最后一晚的午夜左右，随着湿度的下降和空气的稳定，我们终于获得了一些优秀的数据。很快，“看见”（衡量图像模糊程度的指标）下降到0.39弧秒，这是地球上最好的看见。“你永远不能相信天气预报，”德佩特博士说，我对自己微笑，因为不可预测的天气让我有机会观察天王星不可预测卫星。30年前，天王星的光环是在飞机上观测到的，当一颗恒星从天王星后面经过时，它探测到了一个低龄光；今晚，我们解决了地球上不同的环形乐队。今晚我们还观测到木星的卫星木卫一上的火山；以及小行星（45）尤金妮娅的月球，它是在1999年使用自适应光学系统发现的。

天气一直很好，所以Showalter博士被正式免除了8月份造成飓风弗洛西的责任。然后夜晚结束了，当太阳升起时，我站在观测站外向南看，看到莫纳克亚峰再次被云层遮住。突然间，我把今晚我一直难以理解的所有混沌系统联系起来——天气、大气湍流、天王星的月球运动——并意识到这种经历不是四十二年一次，而是千载难逢的。TomStoppard的《阿卡迪亚》中的Valentine惊叹道：“自从我们用后腿站起来以来，这样的门已经开了五六次了。”直到最近，我们才开发出了理解混沌系统所需的数值方法和快速计算机，正如Valentine所说，在这些系统中，“不可预测的和预先确定的东西一起展开。”，和大气的动荡，但现实世界中的大多数系统都是混乱的：人口增长、水龙头滴水、股市、交通、人心。随着地球轨道穿过天王星环平面，我们地球正在进入一个新的数学和科学时代。

我的旅费由韦尔斯利学院天文学系的威尔逊-比尔尼基金、马萨诸塞州太空拨款和国家科学基金会慷慨支付，该基金会还资助了我在SETI的夏季研究。