太陽系中的矮行星

□ 張 瑩

?

太陽系中的矮行星

□ 張 瑩

太陽系是一個(gè)大家庭。唯一的恒星太陽是這里的絕對(duì)主角，它的質(zhì)量占整個(gè)太陽系質(zhì)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(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星則在各自的主行星附近運(yùn)轉(zhuǎn)；小行星帶中分布著眾多的小行星；彗星往往難以預(yù)測(cè)，當(dāng)它從遠(yuǎn)處來到距離太陽較近時(shí)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(gè)新的類型，它就是矮行星。

天文學(xué)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(xué)家湯博發(fā)現(xiàn)了冥王星。在沒有徹底弄清它的質(zhì)量等物理參數(shù)的情況下，天文學(xué)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(shí)間里，人們一直認(rèn)為冥王星比水星大。1978年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了冥王星的衛(wèi)星卡戎，進(jìn)而計(jì)算出冥王星的質(zhì)量，這時(shí)才知道，冥王星的質(zhì)量比最初估計(jì)的要小得多。雖然，與當(dāng)時(shí)最大的小行星相比，冥王星的質(zhì)量是谷神星質(zhì)量的十倍多，但是，冥王星的質(zhì)量?jī)H有水星質(zhì)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(zhì)量的五分之一。可見，將冥王星作為行星確實(shí)有些勉強(qiáng)。從冥王星的軌道看，其偏心率為0.25，是一個(gè)非常扁的橢圓，且它的軌道平面與黃道面夾角為17°，遠(yuǎn)大于其他行星軌道平面與黃道的偏離角。從這些特點(diǎn)看，冥王星與其他行星有顯著差別，因此，長(zhǎng)期以來，冥王星的行星地位一直受到質(zhì)疑。

20世紀(jì)90年代以來，隨著天文觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，國際上大型地面望遠(yuǎn)鏡和空間望遠(yuǎn)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(xué)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(diǎn)同冥王星有所相似。因此，有些天文學(xué)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(xué)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(xué)概念的混亂，因此，有必要對(duì)此進(jìn)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(xué)家預(yù)測(cè)，未來行星的數(shù)目將會(huì)大大增加。更讓局面變得復(fù)雜的是，2005年發(fā)現(xiàn)鬩神星后，天文學(xué)家初步估計(jì)它的質(zhì)量和體積都比冥王星大（2015年新視野號(hào)探測(cè)器測(cè)量的結(jié)果是，冥王星的體積大于鬩神星），不少天文學(xué)家干脆將鬩神星列為第十顆大行星。

圖1 截至目前，天文學(xué)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(xué)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(xué)聯(lián)合會(huì)第26次會(huì)員大會(huì)上。借此會(huì)議天文學(xué)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(yùn)轉(zhuǎn)；

2.它具有足夠的質(zhì)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(xué)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(hào)拍攝的冥王星圖片，當(dāng)時(shí)新視野號(hào)距離冥王星45萬千米，圖片上部為其北極地區(qū)，右側(cè)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(dāng)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(jí)為矮行星。

2015年新視野號(hào)探測(cè)器從冥王星身旁飛過，對(duì)其進(jìn)行了仔細(xì)觀測(cè)，冥王星直徑的最新測(cè)量結(jié)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(gè)頭第一的桂冠。它的質(zhì)量為1.31×1022千克，略小于鬩神星（Eris）。冥王星圍繞太陽公轉(zhuǎn)一周需要248年，而它的自轉(zhuǎn)周期約為6.4天。目前，天文學(xué)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(xué)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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它們相對(duì)的半球面始終保持不變，天文學(xué)家稱之為“潮汐鎖定”。

2.谷神星

1801年1月1日，意大利天文學(xué)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(yùn)轉(zhuǎn)。谷神星的直徑為945千米，質(zhì)量為9.39×1020千克，約占整個(gè)小行星帶中天體總質(zhì)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(duì)主宰附近的所有天體；谷神星具有足夠的質(zhì)量使得其形狀呈球形，它處于流體靜力學(xué)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(xué)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(xué)聯(lián)合會(huì)于當(dāng)年9月13日，將其納入矮行星的隊(duì)伍中。

圖3 谷神星和曙光號(hào)探測(cè)器

說起來，此次身份變化應(yīng)該是谷神星的第二次身份改變。早在18世紀(jì)后期，天文學(xué)家按照提丟斯-波德定則認(rèn)為，在火星和木星之間應(yīng)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(xué)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(gè)頭都較小。大約發(fā)現(xiàn)谷神星50年后，天文學(xué)家認(rèn)識(shí)到在谷神星附近有許多小個(gè)頭天體圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，天文學(xué)家稱它們?yōu)樾⌒行?，它們所處的區(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(yùn)動(dòng)一周需要4.6年，其平均軌道半徑為2.77AU，自轉(zhuǎn)一周約9小時(shí)4分。近年來，天文學(xué)家利用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和地面的凱克望遠(yuǎn)鏡等大型望遠(yuǎn)鏡對(duì)它進(jìn)行過不少觀測(cè)，但是，由于谷神星個(gè)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(hào)小行星探測(cè)器，2015年3月，它來到谷神星近旁，圍繞谷神星運(yùn)轉(zhuǎn)并對(duì)其進(jìn)行高分辨的觀測(cè)。曙光號(hào)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(gòu)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(zhì)。據(jù)估計(jì)，谷神星水冰構(gòu)成的幔，其水的含量比地球的水還多。

圖4 曙光號(hào)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(xué)聯(lián)合會(huì)確定，妊神星為一顆矮行星。但是，關(guān)于它的發(fā)現(xiàn)，卻存在著爭(zhēng)議，有兩個(gè)團(tuán)隊(duì)宣稱首先發(fā)現(xiàn)了這顆矮行星，其一是邁克?布朗（Mike Brown）領(lǐng)導(dǎo)的來自美國加利福尼亞理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，另一個(gè)是喬斯?路易斯?奧爾蒂斯?莫雷諾（Jose Luis Ortiz Moreno）領(lǐng)導(dǎo)的來自西班牙雪山天文臺(tái)(Sierra Nevada Observatory)的研究團(tuán)隊(duì)。實(shí)際情況是這樣的，2004年12月，邁克等人利用他們當(dāng)年5月6日在凱克天文臺(tái)觀測(cè)得到的資料，發(fā)現(xiàn)了妊神星，2005年7月20日，他們簡(jiǎn)略地在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布了這一成果，同年9月，他們?cè)谝淮螘?huì)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(xué)聯(lián)合會(huì)小行星中心，并說明他們是通過2003年3月7～10日的觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)的。看來，妊神星是兩個(gè)團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)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(gè)衛(wèi)星，美術(shù)概念圖，C redi t：N ASA

天文學(xué)家根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，初步估計(jì)妊神星呈橢球形，它的平均直徑大致為1400千米，其質(zhì)量約為4×1021千克，相當(dāng)于冥王星質(zhì)量的三分之一，只有地球質(zhì)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(dāng)時(shí)已知的所有其他海外天體。妊神星圍繞太陽公轉(zhuǎn)一周需要284年，其自轉(zhuǎn)周期為3.9小時(shí)，公轉(zhuǎn)軌道面與黃道面夾角為28度。2005年，邁克的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)妊神星有兩顆衛(wèi)星，其中，位于外側(cè)的衛(wèi)星（Hi'iaka）體積較大，直徑約310千米，它圍繞妊神星運(yùn)動(dòng)一周需要49天。位于內(nèi)側(cè)的衛(wèi)星（Namaka）體積較小，質(zhì)量只有前者的十分之一，圍繞妊神星運(yùn)動(dòng)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(diǎn)來看，它是一個(gè)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(lǐng)的團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)在美國加州帕洛瑪天文臺(tái)，使用口徑1.2米的施密特望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行常規(guī)觀測(cè)，尋找太陽系遠(yuǎn)處的較大天體。由于鬩神星移動(dòng)緩慢，當(dāng)時(shí)他們并沒有立即發(fā)現(xiàn)它。2005年1月5日，當(dāng)他們?cè)俅渭?xì)致分析此次觀測(cè)資料時(shí)，鬩神星才被發(fā)現(xiàn)。該研究團(tuán)隊(duì)于2005年7月29日公布了他們的這一發(fā)現(xiàn)。鬩神星的質(zhì)量比冥王星大，約是冥王星質(zhì)量的1.27倍，但是只有地球質(zhì)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(xué)家通過粗略的估計(jì)，認(rèn)為鬩神星的直徑大于冥王星，因此，當(dāng)時(shí)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(guān)敘述中也這樣描述。2005年10月，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(yuǎn)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(tái)拉西亞（La Si l l a）天文臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制的鬩神星的美術(shù)圖

鬩神星圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)一周十分漫長(zhǎng)，需要558年。它的近日點(diǎn)距離是37.91天文單位，遠(yuǎn)日點(diǎn)距離是97.65天文單位。1698～1699年，鬩神星處在近日點(diǎn)附近，1977年它處在遠(yuǎn)日點(diǎn)附近，它再次來到近日點(diǎn)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(zhǎng)周期彗星以外，鬩神星被發(fā)現(xiàn)時(shí)距太陽97天文單位，僅次于天體V774104，處在距離太陽第二遠(yuǎn)的位置上。在已發(fā)現(xiàn)的太陽系天體中，約有40個(gè)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?yàn)?，天文學(xué)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(yuǎn)鏡足夠好的話，在良好的條件下是可能觀測(cè)到它的。

鳥神星（Makemake）

圖8 鳥神星的美術(shù)圖

2005年3月31日，同樣是邁克?布朗（Mike Brown）帶領(lǐng)的加州理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)，在美國帕洛瑪天文臺(tái)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(xué)聯(lián)合會(huì)將其確定為一顆矮行星。2011年，通過掩星的方法，天文學(xué)家得出它的大小約為1500×1430千米。鳥神星的質(zhì)量初步估測(cè)為4×1020千克，只有地球質(zhì)量的0.067%。按照目前的觀測(cè)結(jié)果，鳥神星是繼冥王星和鬩神星之后，質(zhì)量位列第三的海外天體，其質(zhì)量略大于妊神星。

天文學(xué)家沒有發(fā)現(xiàn)鳥神星擁有衛(wèi)星，與其他三個(gè)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(shí)為38.59天文單位，距離太陽最遠(yuǎn)時(shí)為52.84天文單位，圍繞太陽運(yùn)動(dòng)一周需要309.09年，自轉(zhuǎn)一周約7.77小時(shí)，軌道平面與黃道面的夾角約為29度。天文學(xué)家認(rèn)為，鳥神星有一個(gè)巖石構(gòu)成的內(nèi)核，它的表面為冰物質(zhì)。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(zhuǎn)軌道（藍(lán)色）與冥王星（紅色）和妊神星（綠色）的比較，圖中q表示近日點(diǎn)，Q表示遠(yuǎn)日點(diǎn)，三個(gè)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(jìn)一步確認(rèn)的矮行星

根據(jù)目前的研究，天文學(xué)家認(rèn)為，許多海外天體具有冰物質(zhì)構(gòu)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(dá)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(xué)家認(rèn)為大約150個(gè)海外天體可能是矮行星，如果考慮整個(gè)柯伊伯帶，這個(gè)數(shù)目將達(dá)到200個(gè)，如果再進(jìn)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(dá)數(shù)千個(gè)。

美國天文學(xué)家邁克?布朗（Mike Brown）多年從事外太陽系天體觀測(cè)，他認(rèn)為有六個(gè)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(dāng)然也有其他的海外天體被天文學(xué)家看作矮行星，這些天體需要進(jìn)一步的觀測(cè)，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(tái)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，同年10月7日向世界公布。多個(gè)天文學(xué)家使用不同的方法對(duì)Quaoar的直徑進(jìn)行了測(cè)量，截至目前，它的直徑被認(rèn)為是890千米。Quaoar的質(zhì)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(yùn)轉(zhuǎn)一周需要284.5年，近日點(diǎn)距離太陽41.7天文單位，遠(yuǎn)日點(diǎn)距離太陽45.11天文單位，其自轉(zhuǎn)周期為17.68小時(shí)，軌道平面與黃道面夾角為8度。2007年2月22日，天文學(xué)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(shù)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(dāng)時(shí)，它距離太陽約89.6天文單位。經(jīng)過進(jìn)一步的觀測(cè)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)它的軌道是一個(gè)非常扁（偏心率非常大）的橢圓，它的近日點(diǎn)約76天文單位，遠(yuǎn)日點(diǎn)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(gè)頭天體中，其公轉(zhuǎn)周期最長(zhǎng)。2015年Sedna距離地球約86天文單位，預(yù)計(jì)它將于2076年中期抵達(dá)近日點(diǎn)。

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(xué)家做了多次測(cè)量，各次的結(jié)果并不一致，目前，人們認(rèn)可的是2012年赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡測(cè)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(xué)家的觀測(cè)認(rèn)為，Sedna沒有衛(wèi)星，因此，除非人造探測(cè)器抵達(dá)它，我們將無法知曉它的質(zhì)量?，F(xiàn)在，許多天文學(xué)家將Sedna看作矮行星，但是它距離遙遠(yuǎn)，不易被觀測(cè)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(lǐng)的團(tuán)隊(duì)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(yuǎn)鏡的觀測(cè)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(zhì)量為6.32×1020千克，只有最大的海外天體鬩神星（Eris）質(zhì)量的3.8%。目前，天文學(xué)家還不能確定Orcus和Vanth的質(zhì)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(yùn)動(dòng)一周需要245年，其公轉(zhuǎn)軌道的近日點(diǎn)距離太陽30.27天文單位，遠(yuǎn)日點(diǎn)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(xué)家認(rèn)為它符合矮行星的定義，將來它有望被國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)確定為矮行星。

4.2002 MS4

2002年6月18日天文學(xué)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(diǎn)距太陽37.4天文單位，遠(yuǎn)日點(diǎn)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(zhuǎn)的周期為546.6年，近日點(diǎn)距離太陽33天文單位，遠(yuǎn)日點(diǎn)距離太陽100.7天文單位，軌道平面與黃道面夾角約31度。關(guān)于它的直徑還沒有準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，天文學(xué)家認(rèn)為大致在1200千米左右。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）