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最小矮行星头衔或易主,揭开行星之外的隐秘世界

  在冥王星被取消了行星资格之后,天文学家创造了一种新的天体类别——矮行星(dwarf planet)来安置它。矮行星听起来似乎比行星略逊一筹,但这个隐秘的世界实际上充满了未知的谜团,其中隐藏着揭示太阳系形成和演化之谜的重要线索。天文学家一直极尽所能,希望能一窥它们的容貌。最近,他们第一次以足够高的分辨率观测到了非常接近球形的健神星,这可能是人类目前观测到的最小的矮行星。

  撰文 | 苏道

  在开始介绍今天的主角之前,我们先来看一个问题:太阳系有多少颗行星?

  大家会脱口而出,答案是8颗。但在2006年8月24日之前,公认的答案是9颗,那也是很多人记忆中的“九大行星”。答案变化的原因很多人也有所耳闻:在那天召开的国际天文学联合会(IAU)的会议上,经过与会天文学家投票表决,冥王星的行星资格被取消了。

  不过,天文学家总要找一个类别来放置冥王星,于是他们创造了一个新的天体类别——矮行星(dwarf planet)。既然是因冥王星而来,冥王星自然成为这类天体的代表。它们听起来比行星略逊一筹,背后的故事的精彩程度其实丝毫不逊色于行星。

  最小矮行星露出真容 

  一项最新研究让矮行星的隐秘世界再次进入了我们的视野。10月28日,一个研究小组在《自然·天文学》(Nature Astronomy)上发表论文,宣布他们使用欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜(Very Large Telescope,VLT)对健神星(Hygiea)进行了观测。健神星位于火星和木星之间的主小行星带(main asteroid belt)中,是这个区域内仅次于谷神星(Ceres)、灶神星(Vesta)和智神星(Pallas)的第四大天体。

  这里需要说明的是,太阳系内小天体的划分标准并不严格。主小行星带内的前三大天体只有谷神星是矮行星,且目前是太阳系内最小的矮行星,而灶神星和智神星都是小行星。这次新发表的研究是天文学家第一次能够以足够高的分辨率对以往被视作小行星的健神星进行观察,从而可以研究它的表面,并确定它的大小和形状。他们此次的一个重要发现就是——健神星非常接近球体。这意味着什么呢?  

  甚大望远镜拍摄到的健神星。| ESO

  2006年,为了明确冥王星的分类,天文学家“处心积虑”地制定了太阳系内的行星需要满足的三个条件:

  一是围绕太阳公转;

  二是具有足够的质量,从而具有(近)球体的形状;

  三是扫清自己轨道附近的区域。

  由于冥王星的轨道区域内还存在大量的小天体而它本身并未处于支配性地位,因此未能满足第三项条件,从而被踢出了行星序列。同时,天文学家也为矮行星这个类别制定了四项条件:

  一个天体如果满足围绕太阳公转、不是卫星、没有清空其轨道上的其他天体以及形状是(近)球体,那它就是一颗矮行星。

  作为一颗位于主小行星带内的天体,健神星自然满足成为矮行星的四个条件中的前三个。这次天文学家的观测结果则证实,它还满足第四个条件,即(近)球体。这样一来,健神星就可能不再是一颗小行星,而是一颗名副其实的矮行星。

  天文学家的观测认为,健神星的直径刚刚超过430千米。在确认健神星的分类前,太阳系内最小的矮行星是同处在主小行星带内的谷神星,它的直径为大约950千米。矮行星的个头一般在数百千米左右,目前发现的最大的矮行星是冥王星(直径约2370千米)和阋神星(直径约2326千米)。而健神星虽然因为刚被发现是球形,因而可能会被赋予矮行星的地位,但由于个头太小,IAU最终将投票决定健神星是否可以被赋予矮行星地位,或者是否仍将是小行星。  

  健神星(左)、灶神星(中)和谷神星(右)的大小对比。其中可以看到灶神星由于呈扁球体而非(近)球体,因此没有被归类为矮行星,而是属于小行星。| ESO

  行星与小行星的“纠葛” 

  矮行星因为体积小,因此很难被观测。天文学家得益于不断提升的观测能力和改进的算法,才能对这些隐秘世界一探究竟。比如,美国国家航空航天局(NASA)于2007年9月27日发射的曙光号探测器(Dawn probe),就已经在2015年3月7日进入谷神星的轨道,并在随后发回谷神星的高清照片。  

  曙光号探测器拍摄到的谷神星。|NASA

  目前,天文学家确认的矮行星除了冥王星、谷神星和极有可能进入这个家族的健神星外,还包括阋神星(Eris)、鸟神星(Makemake)和妊神星(Haumea)。矮行星和行星一字之差,它们之间的“纠葛”实则是人类探索太阳系历史的一段缩影。

  自从有天文记载以来,人类就知道水星、金星、火星、木星和土星这5颗行星。日心说取代地心说之后,人类认识到地球也是一颗行星,行星的数量变成6颗。1781年3月13日,威廉·赫歇尔(William Herschel)发现了天王星。这是第一颗被人类“发现”的行星,行星的数量变成7颗。赫歇尔发现行星后获得的声誉以及带来的轰动效应,使得天文学家投入到一场寻找新行星的竞赛中。

  1801年1月1日晚,意大利天文学家朱塞普·皮亚奇(Giuseppe Piazzi)发现谷神星。天文学界受到震动,因为人类可能在时隔20年之后发现了一颗新行星。之所以这么说,原来是在此之前,有一个名为提丢斯—波德的经验规则,预言在火星和木星之间应该有一颗人类尚未发现的行星,而皮亚奇发现谷神星的位置与预言的位置非常接近。当然,天文学家也不是没有疑虑,比如说,比天王星距离地球更近的谷神星却更加黯淡,说明谷神星的体积可能非常小。

  没过多久,1802年3月28日,德国天文学家海因里希·奥尔贝斯(Heinrich Wilhelm Olbers)发现了智神星。由于智神星的轨道半径与谷神星几乎一样(谷神星与太阳的平均距离为2.7天文单位,智神星与太阳的平均距离为2.77天文单位,日地平均距离为1天文单位),因此引起了关于二者地位的争议,因为两颗行星不可能占据相同的轨道区域。

  而且二者的体积确实很小,比月球都要小不少,因此赫歇尔建议把它们称作“小行星”(asteroid),天文学界也逐渐接受了这种说法。1804年和1807年,婚神星(Juno)和灶神星先后被发现。19世纪40年代,德国业余天文学家卡尔·路德维希·亨克(Karl Ludwig Hencke)又先后发现了义神星(Astraea)和韶神星(Hebe)。此后,随着观测能力的提升,小行星的家族不断壮大。

  1846年9月23日,天文学家发现了海王星。由于在发现天王星的过程中,天文学家根据天体力学的计算预测了它的轨道,并根据预测开展搜寻工作,因此海王星又被称作“笔尖上发现的行星”。1930年,美国天文学家克莱德·汤博(Clyde Tombaugh)发现了冥王星。“九大行星”自此排定座次。

  击倒冥王星的“小伙伴”

  冥王星距离太阳实在太远,反射的光线极其有限,所以在很长时间里,天文学家甚至不能准确测量它的大小,后来才估计出它的直径。2006年1月19日,NASA发射了新视野号探测器(New Horizon),目的就是对冥王星进行近距离拍摄和研究。新视野号也不负众望,2015年7月14日,它近距离飞掠冥王星,拍摄了有史以来最清晰的冥王星图像。 

  新视野号拍到的冥王星。| NASA

  新视野号发射升空时,冥王星还是一颗行星,但没出发多久,冥王星就被降级,直接的导火索就是阋神星的发现。2005年,加州理工学院的行星科学家迈克尔·布朗(Michael Brown)公布了基于此前观测数据的一个发现,即他和研究者在2003年曾经拍摄到一个比冥王星更大的天体(此后的研究表明,阋神星与冥王星的大小相当,但是质量更大一些),后来它被命名为阋神星。

  阋神星的艺术想象图。| ESO

  阋神星(Eris)、冥王星(Pluto)与海卫一(Triton)的大小比较。其中黄色代表岩石,蓝色代表表层的冰。| 加州理工学院

  随着望远镜观测能力的提高以及对太阳系演化理解的加深,天文学家发现在太阳系中存在小天体聚集的区域。这次天文学家揭开神秘面纱的健神星,以及谷神星、智神星都位于火星和木星之间的主小行星带中。此外,美籍荷兰裔天文学家柯伊伯等人(Gerard Kuiper)还提出在海王星的轨道外,存在一个小天体带。这个区域被命名为柯伊伯带(Kuiper Belt),其中的天体被称作海外天体。  

  阋神星在太阳系中的位置,从中可以看到它位于海王星的轨道外,属于海外天体。| NASA

  虽然天文学家先后在主小行星带和柯伊伯带发现了大量天体,但是绝大部分个头都太小,不会挑战既有的行星秩序。可是,阋神星把一个棘手的难题抛给了天文学家:既然冥王星是行星,那么无论是直径还是质量都比冥王星要大的阋神星应不应该是一颗行星呢?

  阋神星的出现成为压垮冥王星行星地位的最后一棵稻草。天文学家面临的更大问题是,如果把阋神星也当成行星,那未来如果发现略小于阋神星的天体,要不要归类为行星,这个大小的界限又究竟在哪里。因此,天文学家决定直面一个此前从未深究过的基本问题,即行星的定义究竟是什么。从这里出发,就有了前面提到的在2006年的IAU大会上天文学家提出的行星标准和随之而来的矮行星标准。

  如果健神星被确认是矮行星,那矮行星的家族就又得以壮大。天文学家之所以极尽所能,希望一窥它们的容貌,就在于这些行星面前的“小家伙”身上充满了未知的谜团,隐藏着揭示太阳系形成和演化之谜的重要线索。天文学家想要真正了解这些遥远的隐秘世界,还有很长的路要走。