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冥王星为什么被开除“行星籍”?

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国家人文历史 2021-05-07 15:22

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本 文 约5100字

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2006年8月24日注定会被载入天文学史册。自1930年被发现时就列入9大行星行列的冥王星,长久以来因为与其他8大行星的诸多不同而饱受质疑,终于在第26届国际天文联合会上被正式降级为矮行星。

这一结果给许多人带来的冲击是颠覆性的,尤其在美国——这个第一次发现冥王星、又第一次向它发射了探测器的国家——对冥王星总是抱有特殊的感情。 15年过去了,“新视野号”探测器回传的数据,为国际天文联合会的决议再次添上科学佐证,关于冥王星重返行星行列的呼声也逐渐消弭。 当然,一切远未尘埃落定,毕竟,科学是一项能不断带来惊喜的动态事业。

冥王星与卡戎

时间回溯至20世纪初,克莱德·汤博还只是美国堪萨斯州一个普通农民的儿子。虽然从小酷爱天文学,家中困窘的经济条件却使汤博无缘大学,高中毕业后就回到家中料理农活。业余时间,汤博喜欢将农具改造成望远镜进行天文观测。当时的美国天文学界正沉浸在寻找法国天文学家勒维烈预言的那颗影响了海王星轨道的“第九颗行星”中,拜这股狂热之风所赐,亚利桑那州的一位有钱的业余天文爱好者珀西瓦尔·洛韦尔出资建立了美国最早的天文台——洛韦尔天文台,用以寻找这颗神秘的行星。1929年,洛韦尔天文台招收业余天文爱好者作助理,汤博将自己在观测时画出的火星与木星图寄给天文台,顺利得到了这份工作。

冥王星的发现者克莱德·汤博。1930年,在美国亚利桑那州洛韦尔天文台工作的汤博发现了海王星外的一颗新行星,取名普鲁托(汉译冥王星)

虽说是助理,但工作内容只是对比望远镜拍下的照片中群星运动轨迹,经年累月地在一张张布满凌乱星辰、且星辰位置几乎不变的照片中找不同,需要强大的毅力坚持。1930年,在日复一日地观察了14个月后,汤博注意到照片上一颗随时间运动的“污点”,比较其背景中星星的位置,通过其运动速度来计算距离,汤博证实了这个污点是海王星外的一颗新行星。

按照惯例,新行星的名字将从古典神话人物中产生,进入决赛圈的是克洛诺斯 (Kronos) 和普鲁托 (Pluto) 。在希腊神话中,克洛诺斯是天空之神乌拉诺斯与地母盖亚的儿子,推翻了父亲的残暴统治后成为第二代众神之主,但因为走上了父亲的老路,最后又被自己的儿子宙斯推翻。既然乌拉诺斯已经是太阳系第七颗行星 (天王星) 的名字,他的儿子成为第九颗行星好像也没什么不对。可惜的是,提议这个名字的天文学家杰克逊在同行中风评不好,他提出的名字自然也就被同事们“恨屋及乌”。

相比之下,普鲁托的意象与新行星更贴合。普鲁托是罗马神话中的冥王,对应希腊神话中的冥府之神哈迪斯——宙斯与波塞冬的兄弟。传说中,这位死神外表冷峻,驾着黑色战马拉着的战车,身披黑袍,手持双叉戟,他居住的冥府是生者无法到达的地方。冥府外环绕着黑色的河流,流淌着罪人的眼泪。

《卡戎》,亚历山大·利托夫琴科,油画,描绘了冥府摆渡人卡戎带领死者渡过冥界之河的场景。希腊神话中,死者都要乘坐卡戎的船渡过冥河才能到达冥府,因此古希腊有在死人舌下放一枚钱币的传统,为了让亲人有船费。1978年,根据卫星发现者本人的要求,冥卫一被命名为“卡戎”

黑暗、寒冷、阴森是人们对冥府的固有印象,正与新行星的特点若合符节:这颗距离太阳44亿—74亿千米的行星,人类早已无法用肉眼观测,即使在功能强大的哈勃望远镜中也只是一个模糊的点,太阳光要经过平均5.5个小时才能到达它冰冷的表面。

最终,普鲁托 (汉译冥王星) ——一个英国11岁女孩的建议被全票通过,成为这颗行星的新名字,理由是首字母pl正是洛韦尔天文台创始人珀西瓦尔·洛韦尔姓名缩写,冥王星的符号“♇”也是由这两个字母组合而成。

双星共舞

由于技术原因,当时的天文学家只能通过海王星对冥王星的引力粗略估算冥王星的质量,得出的结论是与地球大致相当,冥王星因此当之无愧地荣升太阳系第九颗行星。

然而,随着观测的深入,意外情况出现了:此后的70年里,冥王星的质量在不断向下修正。 1978年,当冥卫一卡戎被发现后,美国天文学家詹姆斯·克里斯蒂通过冥王星和卡戎之间的引力,才第一次正确测算出冥王星的质量,结果证明冥王星的质量仅为地球的0.2%。

更尴尬的是,人们越是观测冥王星,就发现它与其他行星的不同之处越多。包括地球在内的8大行星公转轨道都近乎正圆,冥王星轨道却是极扁的椭圆形,远日点距离太阳49个天文单位,比近日点的29个天文单位远了整整20个天文单位,再加上它的轨道与黄道面有17度倾角,当冥王星运行至近日点时,它其实进入了海王星的公转轨道内。

冥王星与冥卫一卡戎概念图

冥王星与卡戎的质量差距不大,二者之间存在1∶1潮汐锁定,也就是说,冥王星和卡戎都永远以同一面朝向着对方。卡戎的运转周期与冥王星自转周期相等,在太阳系行星周围已发现的数百颗天然卫星中,是唯一的同步卫星。

另一方面,冥王星与卫星卡戎的关系也是太阳系内绝无仅有的存在。冥卫一卡戎的直径1212千米,略大于冥王星直径的一半 (2376千米) ,质量约为冥王星的1/8,这是什么概念呢?拿地月关系举例,月球的直径3476千米,还不足地球的1/3,质量更是只有地球的1/81。无论从大小还是质量看,卡戎对冥王星来说都是一颗相当大的卫星,以至于两者共同的质心竟在冥王星之外。严格地讲,卡戎并不是在围绕冥王星旋转。通常卫星会被自己环绕的行星潮汐锁定,例如月球永远以同一面朝向着地球,但因为冥王星与卡戎的质量差距不大,二者之间存在1∶1潮汐锁定,也就是说,冥王星和卡戎都永远以同一面朝向着对方。

同时,卡戎的运转周期与冥王星自转周期相等,在太阳系行星周围已发现的数百颗天然卫星中,是唯一的同步卫星。有科学家提出假设,认为冥王星和卡戎分别来自不同的个体,在经历一次大碰撞之后形成了目前的双星系统。碰撞的过程中,原来系统中的卫星可能会留存下来,而碰撞产生的碎片也可能会重新组成新的卫星,这很有可能是目前发现的冥王星其他四颗卫星尼克斯、许德拉、科罗珀斯、斯提克斯的来历。

被开除“行星籍”

1999年2月,在海王星轨道内运行了21年的冥王星即将离开海王星轨道,重新成为距离太阳最远的行星。人们惊愕地发现,在美国天文学会行星科学司列出的“海外天体”表中,冥王星竟赫然在列,被标注为第一号“海外天体”。一时间,记者与天文学家纷纷去电质问国际天文联合会,是否冥王星已不属于行星之列。为了弄清天文学家对冥王星身份的看法,2000年在曼彻斯特举行的第24届国际天文联合会上举行了一次摸底表决,与会59人中赞同冥王星大行星身份的只有8人。

随着天文观测技术的提高,出现了越来越多的“冥王星同类”,冲击着冥王星的行星地位。2002年,美国加州理工学院的布朗团队宣布在冥王星外侧的柯伊伯带中发现了一颗直径1300千米的新天体,取名“夸奥尔”。2004年,布朗团队又在距离地球约129亿千米之外发现了小行星2003VB12 (昵称“塞德娜”) ,这颗小行星直径上限大约在1800千米,接近冥王星的2/3。终于在2005年,还是这个布朗团队发现的小行星2003UB313 (昵称“齐娜”) ,给了冥王星“致命一击”。齐娜星一切条件都与冥王星相差仿佛。更要命的是,根据亮度和距离推算,齐娜星的体积很有可能比冥王星更大,如果冥王星是行星的话,那么齐娜星无疑有实力跻身成为太阳系的第十颗行星。

压死冥王星的“最后一颗稻草”——“齐娜”也在会上得到了正式的官方命名——厄里斯 (Eris) ,希腊神话中的灾厄女神,她的金苹果引发的蝴蝶效应直接招致了特洛伊的毁灭,对于“齐娜”来说实在是个“实至名归”的好名字。

决议的通过,真是几家欢喜几家愁。小行星带的王者谷神星借此机会正式跻身矮行星之列,告别了之前的小天体身份,不过对于刚刚发射了冥王星探测器的“新视野号”项目组来说,十几年来为了探索最后一颗人类未造访行星的努力突然被“降级”,有点令人难以接受。项目负责人艾伦·斯特恩尖刻地嘲讽:“吉娃娃难道就不是狗?”也有天文学家指出,地球的轨道内也有数以万计的近地小行星,算不算是清空了轨道?大家都等待着探测器带回的数据,能够为这项决议一锤定音,抑或让冥王星逆风翻盘。

奔赴冥王星

1989年8月,NASA (美国国家航空航天局) 空间探测器“旅行者2号”经过海王星后飞向更远方,探索未知的太阳系边界,冥王星成为唯一一个未被人类探测器造访过的行星。冥王星在天文学界备受冷待,其中的原因科学家们心照不宣:这颗处在太阳系中最外围的行星,不论是自身条件还是运行轨迹、大气环境、温度气候都注定与地球相去甚远,研究价值不大。在此之前的“旅行者1号”造访土星后,原本有机会抵达冥王星,但由于轨道原因,且土卫六“泰坦”与地球大气层相似,科学家最终在冥王星与“泰坦”之间选择了后者。

2003年2月,“新视野号”项目正式立项。如果能在2006年1月27日之前发射,探测器可以借助木星轨道的引力实现加速,预计在2015年飞近冥王星,大大节省燃料与飞行时间。如果晚于2月2日发射,探测器将完全无法借力木星,到达冥王星的时间将再拉长3年。经历了因政府预算减少导致项目差点流产、燃料储备不足、发射当天地面突刮强风、第二次发射当天控制中心断电的种种风波后,2006年1月19日,载着人类探索未知的无限希冀和冥王星发现者汤博的骨灰,“多灾多难”的“新视野号”终于发射成功,斯特恩也大松一口气:“如果新视野号是只猫,那它可能已经死了——因为就算是猫也只有9条命而已。”

“新视野号”探测器。探测器上搭载了可见光—红外成像光谱仪、远程勘测成像仪、太阳风分析仪、紫外成像光谱仪、高能粒子光谱仪、无线电科学设备、尘埃计数器等7件仪器,用来研究冥王星大气及地表物质的成分和温度

“新视野号”由美国“宇宙神”V—551型火箭送出地球和太阳逃逸轨道,相对地球速度为每秒16.26千米,逼近第三宇宙速度每秒16.7千米 (达到宇宙第三速度意味着有能力脱离整个太阳系) ,9小时后就飞过月球,1年后即抵达木星,截至目前依然是有史以来发射起始速度最快的人造天体。在此之前,用时最短的“尤利西斯”探测器到达木星也花了一年半时间。

探测器采用飞越方式探测冥王星而不进入轨道,因为一旦进入轨道需要将现有速度降低90%,对燃料的需求将提升到目前的1000倍,且无法再继续前进探索柯伊伯带。飞越木星以后的几年时间里,“新视野号”上的绝大部分仪器处于休眠状态以节省电力,延缓设备老化,每年仅唤醒一次。2014年12月7日,“新视野号”被全面唤醒并一直保持清醒状态,为接下来的探测工作做好准备。2015年7月14日,“新视野号”抵达距离冥王星最近的位置。

“新视野号”探测器传回的冥王星照片

人类第一次清晰地看到冥王星。这是颗淡褐色的星球,地表比大多数科学家预料的更富有纹理,其地质呈现的多样性和复杂程度令人惊讶,其中最显著的特征便是赤道附近的心形区域,目前被非正式命名为“汤博区”。科学家在其中找到了冰冻平原与冰冻山脉的地形特征,“汤博区”东半部覆盖着高反照率的氮冰高地,其中一部分氮冰通过冰川运动流入西半部较为平坦的斯普特尼克平原。与冥王星地表布满氮冰、甲烷冰不同的是,冥卫一卡戎的表面更多是水冰,地表温度-230℃,表面大气仅约10pa,稀薄到几近于无。最新传回的局部区域高清图像显示,卡戎北半球有一个巨大的凹陷,凹陷中央耸立一座山峰,这一特征目前还难以用科学解释。

2015年7月15日,“新视野号”成功飞越冥王星,向着更远处的柯伊伯带深入。

太阳系是什么样的?这个问题到今天的主流解答是,太阳系主要由三个区域构成,一区为类地行星、岩石质天体,包括水星、金星、地球、火星;二区为类木行星、气液态巨行星,包括木星、土星、天王星和海王星,类地行星与类木行星以小行星带为界;三区为海王星轨道以远的柯伊伯带、离散盘和奥尔特云,被降级后的冥王星是目前已知的柯伊伯带最大天体。

“新视野号”探测器。探测器上搭载了可见光—红外成像光谱仪、远程勘测成像仪、太阳风分析仪、紫外成像光谱仪、高能粒子光谱仪、无线电科学设备、尘埃计数器等7件仪器,用来研究冥王星大气及地表物质的成分和温度

参考文献:

季江徽、蒋云、王素《“新视野”号成功飞掠冥王星及其卫星系统》

傅承启《理性的回归——评IAU关于太阳系行星的决议》

谢懿《柯伊伯带和太阳系的彗星盘》

张雪松《柯伊伯带:谜一样的天体区域》

END

者丨冯璐

编辑 | 詹茜卉

校对 | 王用鑫

排版 | 于嘉夫

封面 | 图虫·创意

‍ *本文摘编自《国家人文历史》2021年4月上,原标题为《冥王星、矮行星、彗星那些没能成为行星的太阳系天体》,系“国家人文历史”独家稿件,欢迎读者转发朋友圈。

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责任编辑:姜文晶_NN3211
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