《科学世界》：新行星——黑暗中的舞者

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http://www.sina.com.cn 2005年09月13曰 15:26 《科学世界》


  　新行星：黑暗中的舞者

　　撰文／黄永明

　　天文学家不久前宣布发现的“第十大行星”实际上可能是众多巨大的未知天体中的一员。这些天体藏身于海王星轨道之外一片

　　寒冷而黑暗的区域中。那里究竟有什么？天文学家

　　还会发现什么？《科学世界》带你去探索。

　　自从诞生以来，它就深藏在遥远的黑暗地带，好像是阳光太强它就会受不了。从它那里看去，太阳依然明亮，却似乎没有什么热度可言。这是当然的了，因为它此时距离太阳足有97天文单位，也就是145.5亿千米—它是目前已知的最为遥远的太阳系天体。

　　它最早出现在天文学家拍摄的照片上，是在2003年10月。以美国加州理工学院的迈克·布朗(Mike Brown)为领导的3名天文学家在搜寻太阳系外围的新天体时拍摄到了这颗以前从不为人所知的太阳系成员。直到今年1月份，这些天文学家才在照片中发现了这颗新天体的身影。他们本打算在今年9月份的一次学术会议上宣布这个新发现，但是，由于信息泄漏，他们不得不在7月底就提前公布，以免有人抢先发布。

　　这颗新天体一经曝光，便立即引起了轰动。因为它是如此之大，体积可能达到冥王星的1.56倍，并且后续的观测可能会得到一个更大的数字。美国宇航局把它称为“第十大行星”。

　　它是否真的可以获得“大行星”的身份，还有待国际天文学联合会(IAU)做出最后的裁定。目前可以肯定的是，它是已知最大的“海王外天体”(Trans-Neptunian Object)，也就是到太阳的平均轨道在海王星轨道之外的天体。海王外天体的另一种更为常见的叫法是“柯伊伯带天体”(Kuiper Belt Object)，也有人把它们称为“爱基沃斯-柯伊伯带天体”(Edgeworth-Kuiper Belt Object)。

　　这颗天体被编号为2003 UB313 ，并成为已知最大的海王外天体。在它之前，冥王星曾一直是“最大海王外天体”的纪录保持者。从原理上讲，布朗等人发现它的方法和75年前天文学家汤博发现冥王星的方法是相同的。都是通过观察同一天区在不同时刻的照片来寻找位置发生了明显变化的天体。因为一颗天体离我们越近，在一段时间里它的位置变化就越明显，相比之下，遥远的恒星的位置变化是看不出来的。

　　“行星”一词最原始的意思就是“天空中的游移天体”。如同一名黑暗中的舞者，2003 UB313 身处黑暗且极端寒冷的柯伊伯带中，幸运的布朗等人成为了第一批观赏到它在群星之中的舞蹈的人。不仅如此，2003 UB313 和它的同类的出现正在帮助天文学理解海王星轨道之外的那片陌生地带。

　　超越冥王星

　　近几年，海王星轨道之外的大个头天体接连被发现。2002年，布朗的团队发现了夸欧尔(Quaoar)，它的直径大约是1260千米，与冥王星的卫星卡戎相当。2003年11月，布朗等人又拍摄到了塞德娜(Sedna)，它的直径大约是1700千米，相当于冥王星的2/3。2004年2月，他们又发现了奥卡斯(Orcus)，它的直径大约有1530千米。这些天体的发现都曾不同程度地引起人们对“太阳系第十大行星”的讨论。几乎就在宣布发现2003 UB313 的同一时间，天文学家还宣布了另外两颗大个头海王外天体的发现，它们分别是2003 EL61 和2005 FY9 ，它们的体积都相当于冥王星的3/4。

　　但这些天体毕竟都还没有冥王星大。而这次发现的2003 UB313 则在体积上实实在在地超越了冥王星。

　　天文学家确定一颗海王外天体的大小，需要知道这颗天体的亮度和表面反照率。在一定的距离上，如果天体的表面反照率一定，那么我们看到的这个天体越明亮，就说明它的个头越大。但现实中的困难是，天文学家很难确定海王外天体的表面反照率，这也就致使他们估算出来的天体体积可能存在较大的误差。

　　但是，对于2003 UB313 来说，即便它的表面反照率是100%，也就是说它把所有接收到的太阳光毫无保留地反射出去，以它的距离和亮度来计算，它的体积也应该和冥王星相当。而100%的表面反照率当然是不可能的，那么当反照率降下来，就意味着2003 UB313 的体积要升上去。因此，2003 UB313 的体积一定是大于冥王星的！

　　冷热两重天

　　观察近些年发现的大个头海王外天体，《科学世界》记者注意到了一个有趣的“规律”。所有这些天体的轨道倾角都比较大，这使得它们与太阳系大行星相比显得不太合群。2003 UB313 的轨道倾角高达44°，2003 EL61 和2005 FY9 的轨道倾角也分别在28°和29°。包括冥王星，它的轨道倾角也达到了17°。

　　天文学家把轨道倾角小于4°的柯伊伯带天体(海王外天体)称为“冷柯伊伯带天体”，其他的则是“热柯伊伯带天体”。这里的“冷”和“热”不是从温度上来划分的，而是从动力学角度来考虑的。冷柯伊伯带天体的平均动能比较小，也就是说它们是一帮比较老实的家伙，没有热柯伊伯带天体那样“奔放”。那么，为什么现在发现的大个头的海王外天体都是热柯伊伯带天体呢？这是否在暗示，其他尚未发现的大个头海王外天体也很有可能具有大的轨道倾角呢？

　　“你是对的，那些大家伙都在热柯伊伯带天体的群体之中。”美国西南研究学会(SwRI)的海王外天体专家海尔·莱维森(Hal Levison)肯定了《科学世界》记者注意到的现象，“艾兰·斯坦恩(Allan Stern)和我是首先提出这一观点的人。”他们两位于2001年在《天体物理学》上发表了这一发现。

　　虽然4年来体积巨大的海王外天体接连被发现，但是，它们并没有影响到冷柯伊伯带的总质量。“2001年以来，(冷)柯伊伯带总质量的估计值只有减少，没有增加。”莱维森介绍说。按照估算，冷柯伊伯带的总质量小于地球质量的1/10。

　　这是一个意料之外的数值。因为柯伊伯带天体是在一个相对较短的时间里形成的，这需要至少10个地球质量的物质才能做到。可现在冷柯伊伯带的总质量却是如此之小，那么其他的质量哪里去了呢？

　　高傲的海王星

　　莱维森等人认为，在太阳系“建造”柯伊伯带的过程中，海王星功不可没。计算机模拟表明，柯伊伯带天体最初形成的位置可能比如今所在的位置离太阳近得多。莱维森等人的研究得到这样一个结论：最初形成时，柯伊伯带的外边缘位于今天的海王星轨道，也就是距离太阳30天文单位的地方。1天文单位相当于地球到太阳的平均距离，也就是1.5亿千米。

　　在那样的位置，有足够的资源供冷柯伊伯带天体形成。并且在同一个时期，海王星也诞生了。当柯伊伯带天体与海王星近距离交会时，身形庞大的海王星会表现出它友好的一面—它会带领一些小家伙向太阳系外围迁移。在海王星共振带的作用下，冷柯伊伯带天体开始向外迁移，并最终聚集到距太阳大约40～50天文单位的区域内。

　　天文学家发现，从形成至今，海王星的轨道至少向外迁移了7天文单位。不过现在，海王星的迁移已经停止了。研究表明，这暗示了柯伊伯带今天所在的区域最初可能是不存在天体的，不然海王星应该向外迁移得更远才是。

　　另一方面，当海王星遭遇到那些大个头的家伙时，它就表现得不那么友好了。实际上，它表现得有点高傲，它不愿跟那些个头巨大的柯伊伯带天体为伍。它利用自身的引力，把大块头们“抛射”到一种偏心率和倾角都很大的轨道上。这些被“抛射”的天体中有一些把大轨道倾角的特征保留了下来，形成了今天的热柯伊伯带天体。这种景象可能就是2003 UB313 在过去的真实经历。

　　柯伊伯峭壁

　　现在天文学家已经发现了大约1000颗海王外天体，但对于那片黑暗区域中的天体究竟呈什么样的分布仍然不甚清楚。柯伊伯带是扁平的吗，还是像一个巨大的面包圈？它是连续地分布在一个环状区域，还是不连续地分布在两个环中？天文学家的探索正在逐步解答这些疑问。

　　在已知的海王外天体中，只有大约20颗离太阳的最近距离(近曰距)在46天文单位以上，但没有一颗的近曰距超过47天文单位。2003 UB313 的近曰距是38天文单位。这种情况表明，柯伊伯带存在一个边界明显的外边缘。但是，如果把塞德娜也算作柯伊伯带成员的话，那么情况可能就没有这么简单了。

　　塞德娜的近曰距是76天文单位，远曰距则高达近1000天文单位。

　　美国西南研究协会的海王外天体专家、莱维森的同行斯坦恩提出，柯伊伯带的距太阳50天文单位左右的“边缘”可能并不是柯伊伯带的外边缘，而是一个“空白区域”的内边缘。也就是说，可能存在“带套带”的情况，在空白区域之外可能存在另一片天体聚集的带状区域，它和传统上所讲的柯伊伯带共同构成“柯伊伯盘”(Kuiper disk)。

　　斯坦恩的这种猜测是在他对塞德娜的出生地进行探究后提出来的。计算机的模拟表明，塞德娜可能诞生于距太阳75到500天文单位的区域内。500天文单位是塞德娜到太阳的平均距离。斯坦恩的结论与之前一些天文学家提出的看法大相径庭，那些天文学家认为塞德娜形成于离太阳更近的地方，后来由于某些原因才迁移到了远处。

　　实际上，许多天文学家并不把塞德娜看作柯伊伯带的成员。在他们看来，塞德娜可能属于一个更为遥远的结构—奥尔特云(Oort Cloud)。塞德娜可能是天文学家发现的第一颗位于内奥尔特云(inner Oort Cloud)中的天体。奥尔特云不像是柯伊伯带那样分布在环状区域中，它是像云一样包裹在太阳系的外围。

　　如果斯坦恩是正确的，那就意味着塞德娜仅仅是从黑暗中现身的另一片秘境中的成员。“如果塞德脑绘的是在那么远的地方形成的，那么在它周围的这片遥远的太阳系区域中，可能还会存在其他巨大的天体。”斯坦恩说。

　　斯坦恩甚至还曾表示，柯伊伯带天体中可能存在像火星那么大的成员，只是我们尚未发现而已。而莱维森则说：“我非常怀疑在数百天文单位之内会存在那样大的天体。我想斯坦恩现在也同意这一点了。倒是奥尔特云中真的可能有那么大的天体。”

　　来玩儿捉迷藏

　　自1992年美国夏威夷大学的天文学家大卫·朱伊特(David Jewitt)和简·卢(Jane Luu)发现第一颗除冥王星之外的海王外天体以来，在所有的大约1000颗海王外天体中，有半数是美国洛韦尔天文台的一个搜寻海王外天体的小组发现的。

　　从1998年开始做初步的搜寻工作至今，他们已经发现了800多颗“有趣”的天体，其中有约500颗已经被国际天文学联合会认证为海王外天体。发现500颗海王外天体是他们这个“深空黄道巡天”(Deep Ecliptic Survey)项目的基本目标之一。

　　但是，在看上去很成功的巡天工作的背后，始终有一个大问题困扰着这些天文学家。那就是，海王外天体特别爱玩捉迷藏！许多刚刚被发现的新天体会很快再度隐藏在黑暗之中。“海王外天体的丢失是一个严重的问题。”项目首席科学家鲍勃·米利斯(Bob Millis)告诉《科学世界》。

　　假如一颗海王外天体在视野中消失了半年以上，米利斯等人就认为这颗天体“丢失”了。海王外天体的丢失会严重影响到天文学家对这些天体的轨道的确定。“除非一颗天体被连续观测，直到我们能够根据它的轨道来确定它在动力学上属于哪一个群，否则，发现一颗新天体对于我们理解柯伊伯带的结构和演化毫无帮助。”米利斯解释说。

　　“与此相似，精确轨道参数的缺失也会影响到我们对这颗天体的物理性质的研究，因为我们无法使用太空望远镜或大型地基望远镜对这些天体进行观测。”米利斯继续说。之所以大型望远镜派不上用场，是因为它们的视野很狭小，在没有得到天体准确轨道参数的情况下，无法用这些望远镜对它们进行观测。

　　一颗海王外天体需要多长时间的跟踪观测，才能得到它的精确轨道参数？这取决于海王外天体的具体类型，但一般说来需要至少3年的时间。实际上，所有的海王外天体都需要持续观测，不然的话它们都会逐渐跑出天文学家的视野。有些天体还会在丢失若干年之后再度被天文学家发现，有些则好像永远消失了。

　　“我们花了很大的气力来获取我们所发现的海王外天体的精确轨道参数，但即便如此，我们也无法保留住所有这些天体。”米利斯说。

　　探索才刚刚开始

　　米利斯等人迄今发现的最大的海王外天体是伊克西翁(Ixion)，直径最大可能有804千米。而布朗等人发现的海王外天体在总数上虽然比米利斯等人少，但个头最大的天体几乎都是由他们发现的。这是为什么呢？要知道，米利斯等人巡天时使用的是两架4米口径的望远镜，而布朗等人的仅仅是1.2米。

　　米利斯向《科学世界》道出了其中的原委。“布朗等人所使用的相机在视野上着实比我们的大，他们覆盖天空的速度比我们要快得多，但他们只能看到相对较亮的天体。因此，他们只能发现相对明亮的天体。”天体明亮往往也就意味着它们的个头会比较大。

　　此外，“由于他们的视场比较大，他们看到的天体也就比我们看到的要稀疏。我们的巡天旨在发现更为典型的海王外天体。我们所发现的大多数天体对布朗等人来说都太暗了，他们完全看不到。”米利斯说。

　　米利斯认为，柯伊伯带的形状很明显并不像它的名称所暗示的那样是带状的，相比之下，它更像是一个面包圈。

　　现在，米利斯等人和布朗等人的巡天仍在继续。对于天文学家能否在海王外天体中发现火星那么大的成员，米利斯的意见和莱维森相似。“对这件事，我只能说目前仅仅是‘纯粹的猜想’。”他说。

　　“我们现在的巡天只对两三百天文单位以内的范围敏感，而我们已经发现的一些海王外天体能够运行到痹烩更远的地方去。因此，在我看来，我们对海王星之外的区域的探索才刚刚开始。”米利斯说。

　　米利斯同时透露，他们现在正在筹划运用更为巨大的望远镜搜寻海王外天体。这样一来，“我们将能够对太阳系中更为遥远的地带进行探索。”

　　三个月之后的12月7曰是美籍荷兰天文学家杰拉德·柯伊伯100周年诞辰。这位天文学家的名字被用来命名海王星轨道之外的那个天体带，是为了纪念他在50多年前在理论中发展了当时还仅仅处于猜想阶段的柯伊伯带，但他也曾经怀疑过这个天体带的真实存在。而今天，天文学家们已经开始越来越深入地了解这片区域里处于黑暗之中的舞者了。

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据说柯伊伯带可能存在5~10颗大于冥王星、甚至大于火星的冥外天体！

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现在还没有得到观测方面的证实。

跨越地平线

也许是碰巧有些外太阳系的大星体路过