發(fā)現(xiàn)冥王星背后的故事

劉博洋

冥王星蹤影“浮出水面”

古人很早就注意到，天空中除了似乎恒久不變的無盡星場，還有那么幾個不老實的“漫游者”—行星。東漢時期發(fā)明地動儀的天文學(xué)家張衡在《靈憲》中曾寫道：“凡文耀麗乎天，其動者七，日月五星是也。”這里提到的“五星”就是我們熟悉的幾顆太陽系大行星：水星、金星、火星、木星和土星。在人類歷史長河的大部分時間，這五顆行星（在“日心說”大行于世之后）再加上地球，是人們對太陽系行星家族的全部認知。

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直到1781年，一個名叫威廉·赫歇爾的德裔英國天文學(xué)家，用他自制的反射式望遠鏡，發(fā)現(xiàn)了一個淡藍色、具有行星般小圓面的新天體—起初他以為這是一顆彗星，然而他的天文學(xué)家朋友圈中，很快就有人指出，這顆新天體的軌道幾乎是正圓，而它的軌道比土星還遠—這是一顆新的行星！

這是在“日月五星”之后，人類第一次發(fā)現(xiàn)太陽系的新邊疆。這顆新行星，被人們以希臘神話中主管天界的神明之名命名為“天王星”。

轉(zhuǎn)眼過了半個多世紀，天王星自發(fā)現(xiàn)以來，繞太陽公轉(zhuǎn)也差不多一周了。人們發(fā)現(xiàn)，天王星在天上的位置，似乎總與牛頓力學(xué)預(yù)報的不大相符—是牛頓錯了么？人們并不這樣認為。英國數(shù)學(xué)家約翰·亞當斯和法國數(shù)學(xué)家奧本·勒維耶在1846年夏天幾乎同時發(fā)表文章，指出天王星運行的“異常”，應(yīng)該是由其附近另一個還沒有被發(fā)現(xiàn)的行星對它的引力影響導(dǎo)致。他們分別計算出這顆未知行星的可能位置，提請各天文臺在預(yù)測范圍內(nèi)觀測尋找。果不其然，只用了幾個月的時間，新柏林天文臺就在這年的9月在預(yù)測區(qū)域附近發(fā)現(xiàn)了這顆“筆尖上的行星”——它被命名為“海王星”。

閃視比較鏡

海王星的發(fā)現(xiàn)，讓牛頓力學(xué)“偉大、光榮、正確”的形象更加深入人心。人們不禁期待，太陽系中會不會還有更多的行星等待人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)？

又是半個多世紀。20世紀初，一個土豪天文學(xué)家帕西瓦爾·羅威爾認為，海王星的軌道也跟預(yù)測的不大一樣，他斷定在海王星之外，還有一顆尚未被發(fā)現(xiàn)的“X行星”。這位曾經(jīng)率先發(fā)現(xiàn)火星上有“運河”一樣的溝塹、引發(fā)科幻文學(xué)“火星人”幻想狂潮的土豪大叔，建立了自己的“羅威爾天文臺”，開始認真搜尋起來，遺憾的是，直到去世他還沒有找到。同一時期，另一位美國天文學(xué)家威廉·皮克林也基于同樣的理由，預(yù)測海王星之外他所謂“O行星”的存在，然而他動用美國威爾遜山天文臺的望遠鏡進行搜尋，同樣一無所獲。

冥王星的軌道傾角比其他行星的大得多

羅威爾去世十年之后，羅威爾天文臺接到了一封年輕人的來信。來信者名叫克萊德·湯博，是美國堪薩斯州一個20歲的農(nóng)家孩子。他16歲失學(xué)，其父親為了讓他繼續(xù)自己的天文理想，打工為他掙出造一架望遠鏡的錢。湯博給羅威爾天文臺寄去的信，就是用這臺自制望遠鏡觀測描繪的月面和行星畫像。這封信，為湯博換來了羅威爾天文臺的一份工作—繼承羅威爾的遺愿，繼續(xù)搜尋“X行星”。

湯博用一臺口徑33厘米的望遠鏡對天空中各個可能位置拍照，并用一臺“閃視比較鏡”對觀測結(jié)果進行觀察。在這種閃視比較鏡下，切換兩張同一天區(qū)先后相隔幾天拍攝的照片時，人眼對位置固定不動的恒星并不敏感，卻容易發(fā)現(xiàn)其中個別位置發(fā)生顯著變化的小亮點—它們就是行星、小行星、彗星等太陽系天體。1930年2月18日，湯博迎來了他一生中最閃亮的時刻：在雙子座境內(nèi)的黃道附近，一個在幾天之內(nèi)顯著移動的光點引起他的注意。經(jīng)過計算，這是一顆比海王星更遙遠的行星，羅威爾苦苦追尋的“X行星”或許就是它。

奇怪的冥王星

冥王星自打被發(fā)現(xiàn)之后，就以其種種奇行一次次拓寬人們的腦洞。細數(shù)起來，冥王星可以說是有七大怪：

第一怪是距離遠。冥王星到太陽的平均距離是39.4個天文單位（地球到太陽的平均距離等于1個天文單位，約為1.5億千米）。從太陽發(fā)出的光，平均要走5個多小時，才能照到冥王星的表面。在冥王星上看太陽，比地球上看起來暗很多，因此冥王星的表面非常寒冷—最高溫也不過零下220攝氏度左右，以至于地球大氣層中含量最多的氮氣，在冥王星表面會被凍成固態(tài)。

冥王星在離心率約達0.25的橢圓軌道上運行

第二怪是軌道傾角大。太陽系的眾多行星，多數(shù)都在幾乎同一個平面上繞太陽公轉(zhuǎn)，我們一般以地球的公轉(zhuǎn)軌道面“黃道”作為基準來衡量它們的軌道面傾斜程度。在海王星之內(nèi)的八大行星，只有水星的軌道傾角在5°以上（6.34°），其他各個行星的軌道傾角全都在1°～2°這個微小的范圍內(nèi)。而冥王星的軌道傾角，竟然高達17°之多。所以說湯博發(fā)現(xiàn)冥王星真是如有神助—他發(fā)現(xiàn)冥王星的1930年，差不多剛好是冥王星在120多年中最接近黃道的一段時間，如果不是這個巧合，人類按照在黃道附近搜尋未知行星的思路，可能還需要很多年才能發(fā)現(xiàn)冥王星吧。

第三怪是離心率大。太陽系本來是一個規(guī)規(guī)矩矩的“圓環(huán)套圓環(huán)的娛樂城”：從水星到海王星，每一個行星都以接近正圓的軌道繞太陽運行，整個太陽系井然有序;然而，冥王星卻在一個離心率約達0.25的橢圓軌道上運行—這意味著，冥王星離太陽最遠時，距離是離太陽最近時的約1.6倍！這也意味著，冥王星離太陽比較近時，比海王星離太陽還近，它們的軌道看起來，是有一部分“交叉”的—這實在是太“壞規(guī)矩”了！它與太陽之間這樣大的距離變化，使得冥王星在公轉(zhuǎn)過程中的各個階段，接收到的太陽光強弱很不相同，冥王星也因此產(chǎn)生了明顯的“季節(jié)”變化。

第四怪是，冥王星是太陽系中唯一的雙星系統(tǒng)。 它有一顆名叫“卡戎”的衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星比冥王星并沒有小很多，它們之間的距離也很近。由于長期“朝夕相伴”，它們對彼此都有潮汐力作用，使得彼此繞轉(zhuǎn)的公轉(zhuǎn)周期和它們的自轉(zhuǎn)周期相等了——也就是說，冥王星和卡戎就像“手拉著手”跳舞的兩個舞者，始終用同一張臉孔彼此“對視”！

冥王星的雙星系統(tǒng)，潮汐鎖定

第五怪是，冥王星和卡戎這對兄弟的“舞蹈”方向，仍然不與太陽系大部分行星的軌道平面相平行——恰恰相反，它們回旋起舞的方向，與它們公轉(zhuǎn)前進的方向幾乎垂直——它們是“躺著”起舞的！這太奇怪了。

第六怪是，冥王星的個頭雖小，卻有一個大家庭。在太陽系的行星中，水星、金星都沒有衛(wèi)星，地球只有一顆衛(wèi)星——月亮，火星有兩顆衛(wèi)星;而木星、土星、天王星和海王星都有很多顆衛(wèi)星，它們作為大質(zhì)量的氣態(tài)巨行星，當之無愧值得擁有這樣的大家庭。冥王星就很神奇了—它的大小連半個中國都填不滿，卻在卡戎之外，還擁有另外4顆衛(wèi)星！這讓地球“情何以堪”。

最后一怪——冥王星的大家庭中，不僅“孩子”多，“兄弟姐妹”也很多。發(fā)現(xiàn)冥王星后，很多天文學(xué)家預(yù)言太陽系邊疆存在一個富含冰凍天體的區(qū)域，冥王星只是其中的一員。這個神秘區(qū)域的存在直到1992年才真正被證實—它被命名為“柯伊伯帶”，而我們迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過1000顆柯伊伯帶天體。據(jù)估計，柯伊伯帶中總共有超過10萬顆直徑100千米以上的小天體—它的綿延范圍和物質(zhì)總量比火星和木星之間的小行星帶還要大得多。

太陽系從“九大行星”到“八大行星”

冥王星被證實為柯伊伯帶天體的一員之后，質(zhì)疑冥王星“第九大行星”地位的聲音就越來越多—如果說冥王星是第九大行星，那新發(fā)現(xiàn)的那些柯伊伯帶天體，豈不是可以依次叫作“第十大行星”“第十一大行星”……這無窮無盡的，怎么數(shù)得過來。這種尷尬的情況迫使天文學(xué)家重新思考“行星”的定義。2006年，在巴西圣保羅的國際天文學(xué)聯(lián)合會大會上，全世界的天文學(xué)家投票通過了新的行星定義。這個新定義規(guī)定，在繞著太陽旋轉(zhuǎn)的圓球中，只有能夠靠自身引力“把鄰近軌道上的天體清除”的那些，才能有資格被稱作是“行星”;冥王星這樣兄弟姐妹一大家子的情況，抱歉，只能被稱作“矮行星”了—這就是冥王星被“踢出”行星序列的故事。

不過，人們并不會因此貶低湯博的貢獻—他發(fā)現(xiàn)的雖然不再是“第九大行星”，然而他是柯伊伯帶最大天體的發(fā)現(xiàn)者！

人類的“新視野”

冥王星的距離如此遙遠，地球上任何威力巨大的望遠鏡，都看不清它多少細節(jié)。被神秘面紗籠罩的冥王星，牢牢地抓住了人類的好奇心。它是人類注定要揭開的一片新視野。

2006年1月19日，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射了新視野號探測器。它飛行9年7個月零6天，跨越數(shù)十億千米的無垠太空，只為到冥王星的身旁，為我們揭秘太陽系中這一片處女地。

2007年2月28日，新視野號首先飛越了木星。它借助木星巨大的引力完成了一個華麗的轉(zhuǎn)身，像彈弓中的一粒石子一樣，被準確地射向了它的最終目的地冥王星的方向。在這次“引力彈弓”過程中，新視野號開機測試了它隨身攜帶的各件科學(xué)儀器，拍攝了木星表面恢弘綿密的云帶、木衛(wèi)一表面高高揚起的“噴泉”，在確認各部分工作狀態(tài)良好后，新視野號又沉沉地睡了過去。

這一睡就是8年（中間幾次“起夜”暫且不計）。2015年年初，新視野號從一場大夢中醒來，很快便開始勤奮工作—隨著飛臨冥王星的日子日趨鄰近，它拍攝的冥王星的靚照也一日比一日清晰起來。7月13日，新視野號飛越冥王星的前一天，它發(fā)回了讓世界為之沸騰的那張經(jīng)典照片：一向被認為是寒冷、孤僻的冥王星，竟然是一個“雙手”捧著一顆大大的“愛心”的萌物！網(wǎng)民們立即把冥王星萌化成各式各樣的表情包，一時間“冥王”苦心經(jīng)營多年的“威嚴”蕩然無存。

7月14日，真正的飛臨日。新視野號的表現(xiàn)再次讓我們驚艷。在最近僅12500千米（相當于地球直徑）的貼面而過中，新視野號攜帶的高分辨率照相機獲得了最高分辨率達50米的精細照片，讓人們得以一睹冥王星的細貌。在這些圖片中，我們看到了冥王星上異常年輕的群山，我們看到了冥王星的心形平原（被命名為“湯博區(qū)域”）上像干涸的泥地般龜裂的地貌，我們看到了冰川流動的痕跡……原以為死寂的世界，竟這樣活躍多姿。

短暫相逢后，新視野號轉(zhuǎn)過身來，深情凝望遠去的冥王星。它看到了恐怕是世界上最孤寂、最獨特的一次日全食—冥王星，而不是月球，緩緩移過太陽前方。就在這短短十幾分鐘里，機智的新視野號拍下了來自太陽紫外輻射變化的過程——原則上，如果冥王星不是在宇宙間“裸奔”，而是包裹著一層大氣的話，太陽被不同厚度的大氣層逐漸遮擋的過程會體現(xiàn)在來自太陽的紫外輻射不斷變化的數(shù)據(jù)中。新視野號驚訝地發(fā)現(xiàn)，別看冥王星這么小，它居然有超過1600千米厚的大氣層，這以氮氣為主要成分的稀薄大氣，還明顯地被分為兩層—這是地球上的天文學(xué)家們始料未及的。

被“拋棄”的“小冥”

探測冥王星之后，新視野號并未結(jié)束使命。首先，它需要用16個月的時間才能回傳全部數(shù)據(jù)—在那樣遙遠的地方，信號實在是太弱。之后，它將踏上又一段征程：天文學(xué)家希望，它能利用剩余的燃料，奔向另一顆柯伊伯帶的小天體一探究竟。