□ 張 瑩

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太陽系中的矮行星

□ 張 瑩

太陽系是一個大家庭。唯一的恒星太陽是這里的絕對主角，它的質量占整個太陽系質量的99.86%；其中的八顆行星按照固有的節(jié)奏有條不紊地圍繞太陽運動，衛(wèi)星則在各自的主行星附近運轉；小行星帶中分布著眾多的小行星；彗星往往難以預測，當它從遠處來到距離太陽較近時才可以被發(fā)現(xiàn)。從2006年開始，在太陽系的天體中，增加了一個新的類型，它就是矮行星。

天文學家定義新的太陽系天體類型

1930年2月18日，美國青年天文學家湯博發(fā)現(xiàn)了冥王星。在沒有徹底弄清它的質量等物理參數(shù)的情況下，天文學家們便將其列為第九顆大行星。在它被發(fā)現(xiàn)后的近50年時間里，人們一直認為冥王星比水星大。1978年，天文學家發(fā)現(xiàn)了冥王星的衛(wèi)星卡戎，進而計算出冥王星的質量，這時才知道，冥王星的質量比最初估計的要小得多。雖然，與當時最大的小行星相比，冥王星的質量是谷神星質量的十倍多，但是，冥王星的質量僅有水星質量的約二十分之一，顯然，它是九顆行星中最小的。與月球相比，冥王星也望塵莫及，只有不到月球質量的五分之一?？梢?，將冥王星作為行星確實有些勉強。從冥王星的軌道看，其偏心率為0.25，是一個非常扁的橢圓，且它的軌道平面與黃道面夾角為17°，遠大于其他行星軌道平面與黃道的偏離角。從這些特點看，冥王星與其他行星有顯著差別，因此，長期以來，冥王星的行星地位一直受到質疑。

20世紀90年代以來，隨著天文觀測技術的發(fā)展，國際上大型地面望遠鏡和空間望遠鏡不斷投入使用，在冥王星附近的太陽系區(qū)域（柯伊伯帶），天文學家接連發(fā)現(xiàn)新的天體。例如，2002年6月5日發(fā)現(xiàn)了夸奧爾（Quaoar），2003年11月14日發(fā)現(xiàn)了塞德娜（Sedna），2004年12月28日發(fā)現(xiàn)了妊神星（Haumea)，2005年1月5日發(fā)現(xiàn)了鬩神星（Eris）。這些天體的大小和軌道特點同冥王星有所相似。因此，有些天文學家連同冥王星一起將這些天體稱為冥族小天體（plutinos），也有些天文學家將它們稱為亞行星（subplanet）或者微型行星（planetoid），而不再把冥王星稱為行星。這種情況引起了天文學概念的混亂，因此，有必要對此進行清理。那么如何辦呢？要么將這些新發(fā)現(xiàn)的天體歸類為行星，要么將冥王星重新分類。如果將這些天體劃歸為行星的話，天文學家預測，未來行星的數(shù)目將會大大增加。更讓局面變得復雜的是，2005年發(fā)現(xiàn)鬩神星后，天文學家初步估計它的質量和體積都比冥王星大（2015年新視野號探測器測量的結果是，冥王星的體積大于鬩神星），不少天文學家干脆將鬩神星列為第十顆大行星。

圖1 截至目前，天文學家發(fā)現(xiàn)的一些海外天體（t rans-N ept uni an obj ect s），圖中按比例顯示了它們的大小。

2005年，太陽系新發(fā)現(xiàn)天體帶來的天體種類的混亂局面，成了令天文學家頭疼的大事。這一問題自然反映到2006 年8月在捷克首都布拉格召開的國際天文學聯(lián)合會第26次會員大會上。借此會議天文學家新定義了一類太陽系天體，即矮行星。

它的定義如下：

1.它必須在圍繞太陽的軌道上運轉；

2.它具有足夠的質量，以至于在自身引力的作用下，它的形狀基本為球形，且處于流體靜力學平衡狀態(tài)；

3.它沒有清空其軌道附近的空間；

4.它不是一顆衛(wèi)星。

改變身份而成為矮行星的天體

圖2 2015年7月14日，新視野號拍攝的冥王星圖片，當時新視野號距離冥王星45萬千米，圖片上部為其北極地區(qū)，右側中下部為明亮的湯博心形區(qū)。

1.冥王星

有了矮行星的定義，需要重新審視太陽系中的已有天體，首當其沖的是冥王星。由于在冥王星的軌道附近接連發(fā)現(xiàn)新的天體，因此，其軌道附近的空間沒有被清空，這樣不得不從行星的行列去除冥王星，把它降級為矮行星。

2015年新視野號探測器從冥王星身旁飛過，對其進行了仔細觀測，冥王星直徑的最新測量結果為2372千米，比鬩神星略大，因此，它在柯伊伯帶天體中保持著個頭第一的桂冠。它的質量為1.31×1022千克，略小于鬩神星（Eris）。冥王星圍繞太陽公轉一周需要248年，而它的自轉周期約為6.4天。目前，天文學家發(fā)現(xiàn)了冥王星的五顆衛(wèi)星。其中冥王星的最大衛(wèi)星卡戎是美國天文學家詹姆斯?克里斯蒂（James Christy）于1978年發(fā)現(xiàn)的，卡戎圍繞冥王星轉動時，它們相對的半球面始終保持不變，天文學家稱之為“潮汐鎖定”。

2.谷神星

1801年1月1日，意大利天文學家皮亞齊（Giuseppe Piazzi）發(fā)現(xiàn)了谷神星。我們知道，在谷神星所在的小行星帶中，有數(shù)目龐大的小行星圍繞太陽運轉。谷神星的直徑為945千米，質量為9.39×1020千克，約占整個小行星帶中天體總質量的三分之一。這樣看來，谷神星沒能清空它附近的空間，它也不能絕對主宰附近的所有天體；谷神星具有足夠的質量使得其形狀呈球形，它處于流體靜力學平衡狀態(tài)，且不是其他行星的衛(wèi)星。因此，2006年8月，天文學家提出矮行星的定義后，由于谷神星符合矮行星的條件，國際天文學聯(lián)合會于當年9月13日，將其納入矮行星的隊伍中。

圖3 谷神星和曙光號探測器

說起來，此次身份變化應該是谷神星的第二次身份改變。早在18世紀后期，天文學家按照提丟斯-波德定則認為，在火星和木星之間應該有一顆未被發(fā)現(xiàn)的行星。1801年，皮亞齊發(fā)現(xiàn)谷神星后，它恰好處在行星空缺的位置上。因此，天文學家把谷神星確定為行星?？墒窃陔S后的歲月中，在谷神星附近不斷發(fā)現(xiàn)類似的天體，它們個頭都較小。大約發(fā)現(xiàn)谷神星50年后，天文學家認識到在谷神星附近有許多小個頭天體圍繞太陽運轉，天文學家稱它們?yōu)樾⌒行牵鼈兯幍膮^(qū)域被稱為小行星帶，谷神星是其中最大的小行星。

谷神星圍繞太陽運動一周需要4.6年，其平均軌道半徑為2.77AU，自轉一周約9小時4分。近年來，天文學家利用哈勃空間望遠鏡和地面的凱克望遠鏡等大型望遠鏡對它進行過不少觀測，但是，由于谷神星個頭較小，人們并不能獲得它的高分辨率圖片。2007年9月，美國國家航空航天局發(fā)射曙光號小行星探測器，2015年3月，它來到谷神星近旁，圍繞谷神星運轉并對其進行高分辨的觀測。曙光號發(fā)現(xiàn)，冥王星表面有許多高低起伏不大的環(huán)形山。谷神星中心是巖石構成的核球，中間是一層厚厚的冰幔，表面是一層薄薄的塵土物質。據(jù)估計，谷神星水冰構成的幔，其水的含量比地球的水還多。

圖4 曙光號拍攝的谷神星地表圖片

近年來新發(fā)現(xiàn)的矮行星

妊神星（Haumea）

2008年9月17日，國際天文學聯(lián)合會確定，妊神星為一顆矮行星。但是，關于它的發(fā)現(xiàn)，卻存在著爭議，有兩個團隊宣稱首先發(fā)現(xiàn)了這顆矮行星，其一是邁克?布朗（Mike Brown）領導的來自美國加利福尼亞理工學院的研究團隊，另一個是喬斯?路易斯?奧爾蒂斯?莫雷諾（Jose Luis Ortiz Moreno）領導的來自西班牙雪山天文臺(Sierra Nevada Observatory)的研究團隊。實際情況是這樣的，2004年12月，邁克等人利用他們當年5月6日在凱克天文臺觀測得到的資料，發(fā)現(xiàn)了妊神星，2005年7月20日，他們簡略地在網(wǎng)絡上發(fā)布了這一成果，同年9月，他們在一次會議上再次宣布了這一成果。而奧爾蒂斯等人則是在2005年7月27日，通過電子郵件將它們的發(fā)現(xiàn)提交給國際天文學聯(lián)合會小行星中心，并說明他們是通過2003年3月7～10日的觀測資料發(fā)現(xiàn)的?？磥?，妊神星是兩個團隊分別獨立發(fā)現(xiàn)的，發(fā)現(xiàn)日期相差不多。

圖5 妊神星和它的兩個衛(wèi)星，美術概念圖，C redi t：N ASA

天文學家根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，初步估計妊神星呈橢球形，它的平均直徑大致為1400千米，其質量約為4×1021千克，相當于冥王星質量的三分之一，只有地球質量的1/1400。妊神星在海王星以外的天體中算是較大的，僅小于冥王星和鬩神星，或許也小于大小還沒有完全確定的鳥神星和2007 OR10，但是，大于當時已知的所有其他海外天體。妊神星圍繞太陽公轉一周需要284年，其自轉周期為3.9小時，公轉軌道面與黃道面夾角為28度。2005年，邁克的團隊發(fā)現(xiàn)妊神星有兩顆衛(wèi)星，其中，位于外側的衛(wèi)星（Hi'iaka）體積較大，直徑約310千米，它圍繞妊神星運動一周需要49天。位于內側的衛(wèi)星（Namaka）體積較小，質量只有前者的十分之一，圍繞妊神星運動一周需要18天。妊神星為橢球形狀且高速自傳，它擁有兩顆衛(wèi)星，具有高密度和高反照率，從這些特點來看，它是一個非常特別的海外天體。

鬩神星（Eris）

鬩神星是由邁克?布朗（Mike B r o w n）帶領的團隊發(fā)現(xiàn)的，其成員還包括查德?特魯希略（Chad Trujillo）和戴維?拉比諾維茨（David Rabinowitz)。2003年10月21日，該團隊在美國加州帕洛瑪天文臺，使用口徑1.2米的施密特望遠鏡，進行常規(guī)觀測，尋找太陽系遠處的較大天體。由于鬩神星移動緩慢，當時他們并沒有立即發(fā)現(xiàn)它。2005年1月5日，當他們再次細致分析此次觀測資料時，鬩神星才被發(fā)現(xiàn)。該研究團隊于2005年7月29日公布了他們的這一發(fā)現(xiàn)。鬩神星的質量比冥王星大，約是冥王星質量的1.27倍，但是只有地球質量的0.27%。鬩神星的直徑約為2326千米，比冥王星（2372）略小。但是，最初天文學家通過粗略的估計，認為鬩神星的直徑大于冥王星，因此，當時人們把鬩神星看作太陽系的第十顆大行星，甚至美國國家航空航天局在相關敘述中也這樣描述。2005年10月，該團隊進一步發(fā)現(xiàn)，鬩神星擁有一顆衛(wèi)星（Dysnomia）。

圖6 哈勃空間望遠鏡拍攝的鬩神星和它的衛(wèi)星

圖7 根據(jù)歐洲南方天文臺拉西亞（La Si l l a）天文臺觀測數(shù)據(jù)繪制的鬩神星的美術圖

鬩神星圍繞太陽運轉一周十分漫長，需要558年。它的近日點距離是37.91天文單位，遠日點距離是97.65天文單位。1698～1699年，鬩神星處在近日點附近，1977年它處在遠日點附近，它再次來到近日點附近要等到2256～2258年。在人類已發(fā)現(xiàn)的太陽系天體中，除了長周期彗星以外，鬩神星被發(fā)現(xiàn)時距太陽97天文單位，僅次于天體V774104，處在距離太陽第二遠的位置上。在已發(fā)現(xiàn)的太陽系天體中，約有40個海外天體的平均軌道半徑大于鬩神星（67.7AU）。鬩神星的軌道平面與黃道面的夾角約44度，偏離非常大，這可能是鬩神星很晚才被發(fā)現(xiàn)的原因之一，因為，天文學家大多把注意力放在黃道面附近。目前，鬩神星的視星等為18.7，因此，如果天文愛好者的望遠鏡足夠好的話，在良好的條件下是可能觀測到它的。

鳥神星（Makemake）

圖8 鳥神星的美術圖

2005年3月31日，同樣是邁克?布朗（Mike Brown）帶領的加州理工學院團隊，在美國帕洛瑪天文臺發(fā)現(xiàn)了鳥神星，并于2005年7月29日，宣布了他們的這一發(fā)現(xiàn)。2008年7月19日，國際天文學聯(lián)合會將其確定為一顆矮行星。2011年，通過掩星的方法，天文學家得出它的大小約為1500×1430千米。鳥神星的質量初步估測為4×1020千克，只有地球質量的0.067%。按照目前的觀測結果，鳥神星是繼冥王星和鬩神星之后，質量位列第三的海外天體，其質量略大于妊神星。

天文學家沒有發(fā)現(xiàn)鳥神星擁有衛(wèi)星，與其他三個海王星以外的矮行星相比略顯孤單。鳥神星軌道橢圓的偏心率為0.159，它距離太陽最近時為38.59天文單位，距離太陽最遠時為52.84天文單位，圍繞太陽運動一周需要309.09年，自轉一周約7.77小時，軌道平面與黃道面的夾角約為29度。天文學家認為，鳥神星有一個巖石構成的內核，它的表面為冰物質。其表面冰的成分為甲烷、乙烷和微量的氮。

圖9 鳥神星的公轉軌道（藍色）與冥王星（紅色）和妊神星（綠色）的比較，圖中q表示近日點，Q表示遠日點，三個矮行星所在的位置是其2006年4月所處的位置。圖片來自w i ki pedi a

有待進一步確認的矮行星

根據(jù)目前的研究，天文學家認為，許多海外天體具有冰物質構成的核球，這樣一來這些天體需要至少400千米的半徑才能達到重力平衡狀態(tài)。截止到2015年1月，根據(jù)粗略的半徑數(shù)據(jù)，天文學家認為大約150個海外天體可能是矮行星，如果考慮整個柯伊伯帶，這個數(shù)目將達到200個，如果再進一步考慮更大的太陽系外部區(qū)域，矮行星的數(shù)目可能達數(shù)千個。

美國天文學家邁克?布朗（Mike Brown）多年從事外太陽系天體觀測，他認為有六個天體的直徑在900千米左右，或者大于900千米，這些天體被他稱為“接近確定的矮行星”，它們分別是：Orcus（亡神星）、2002 MS4、Salacia、Quaoar（夸奧爾）、2007 OR10和Sedena（塞德娜）。當然也有其他的海外天體被天文學家看作矮行星，這些天體需要進一步的觀測，才能最后確定它們的身份。

1.Quaoar（夸奧爾）

20 0 2年6月4日，由邁克?布朗（Mike B r o w n） 和查德?特魯希略（C h a d Trujillo）在美國帕洛瑪天文臺觀測發(fā)現(xiàn)，同年10月7日向世界公布。多個天文學家使用不同的方法對Quaoar的直徑進行了測量，截至目前，它的直徑被認為是890千米。Quaoar的質量為1.4×1021千克，與冥王星的衛(wèi)星卡戎相近，僅為鬩神星（Eris）的12%。Quaoar圍繞太陽運轉一周需要284.5年，近日點距離太陽41.7天文單位，遠日點距離太陽45.11天文單位，其自轉周期為17.68小時，軌道平面與黃道面夾角為8度。2007年2月22日，天文學家發(fā)現(xiàn)它有一顆衛(wèi)星。

圖10 夸奧爾和它的衛(wèi)星，美術圖

2.Sedna（塞德娜）

圖11 塞德娜在太陽系中的軌道示意圖（紅色），粉紅色圓軌道是冥王星的軌道。

2003年11月14日，邁克?布朗（Mike Brown）和他的合作者一起發(fā)現(xiàn)了Sedna，當時，它距離太陽約89.6天文單位。經(jīng)過進一步的觀測，天文學家發(fā)現(xiàn)它的軌道是一個非常扁（偏心率非常大）的橢圓，它的近日點約76天文單位，遠日點約936天文單位，圍繞太陽一周需要11400年，在已知的太陽系大個頭天體中，其公轉周期最長。2015年Sedna距離地球約86天文單位，預計它將于2076年中期抵達近日點。

圖12 塞德娜、夸奧爾、冥王星與月球和地球的大小比較

至于Sedna的大小，天文學家做了多次測量，各次的結果并不一致，目前，人們認可的是2012年赫歇爾空間望遠鏡測得的數(shù)據(jù)，其直徑約為995千米，小于冥王星的衛(wèi)星卡戎。截至目前，天文學家的觀測認為，Sedna沒有衛(wèi)星，因此，除非人造探測器抵達它，我們將無法知曉它的質量?，F(xiàn)在，許多天文學家將Sedna看作矮行星，但是它距離遙遠，不易被觀測到，因此還沒有最終確定為矮行星。

3.Orcus（亡神星）

圖13 亡神星（O rcus）與月球和地球的大小比較

2004年2月17日，邁克?布朗帶領的團隊發(fā)現(xiàn)了Orcus。2007年2月22日，布朗等人分析2005年11月13日哈勃太空望遠鏡的觀測資料，宣布Orcus有一顆衛(wèi)星，它被稱為Vanth。Orcus和它的衛(wèi)星Vanth的總質量為6.32×1020千克，只有最大的海外天體鬩神星（Eris）質量的3.8%。目前，天文學家還不能確定Orcus和Vanth的質量各自具體為多少。Orcus和Vanth的直徑分別為917千米和276千米。

Orcus圍繞太陽運動一周需要245年，其公轉軌道的近日點距離太陽30.27天文單位，遠日點距離太陽48.07天文單位。軌道面與黃道夾角為20.57度，但是偏離的方向與冥王星相反。天文學家認為它符合矮行星的定義，將來它有望被國際天文學聯(lián)合會確定為矮行星。

4.2002 MS4

2002年6月18日天文學家發(fā)現(xiàn)該天體，軌道周期為271.53年，平均軌道半徑41.93天文單位，直徑約934千米。

5.Salacia

2004年9月22日發(fā)現(xiàn)Salacia，其直徑約為8 5 0千米，其軌道周期為2 7 1年，近日點距太陽37.4天文單位，遠日點距太陽46.4天文單位，它擁有一顆衛(wèi)星（Actaea）。

6.2007 OR10

2007年7月17日發(fā)現(xiàn)2007OR10，它圍繞太陽公轉的周期為546.6年，近日點距離太陽33天文單位，遠日點距離太陽100.7天文單位，軌道平面與黃道面夾角約31度。關于它的直徑還沒有準確的測量結果，天文學家認為大致在1200千米左右。

（責任編輯 張長喜）