圖解太陽系小天體（2）

文/ 葉楠

太陽系的物質(zhì)分布（下）

19 世紀初拿破侖戰(zhàn)爭的爆發(fā)結束了小行星帶天體發(fā)現(xiàn)的第一個階段，直至1845 年第5 顆小行星義神星才被標記在星圖上。隨著攝影技術在天文觀測領域的應用，小行星搜尋工作也變得更加容易。19 世紀末小行星發(fā)現(xiàn)數(shù)量已經(jīng)超過了300 顆。1923 年第1000 號小行星被發(fā)現(xiàn)，并以谷神星的發(fā)現(xiàn)者皮亞齊的名字命名。諸多小行星的發(fā)現(xiàn)使得小行星帶的形象愈發(fā)清晰，人類對太陽系的認識也愈加深入。太陽系不僅僅是太陽與大行星主宰的所在，也擁有著為數(shù)眾多的小天體。而在海王星軌道以外更加遙遠的區(qū)域，更多未知天體正靜靜的等待著人們的發(fā)現(xiàn)，關于太陽系的邊緣地帶，天文學家們也提出了各種科學設想。

X 行星搜尋計劃

羅威爾天文臺（左圖）位于美國亞利桑那州，海拔2175 米，是美國最古老的天文臺，也是全世界第一個建立在遠離城市地區(qū)的永久天文臺。天文臺由私人出資建造，出資人是美國數(shù)學家和天文學家帕西瓦爾·羅威爾，他在讀過弗拉馬里翁的著作《火星》后開始對天文學著迷，決定利用自己的財富及精力全身心投入到天文學研究中。1906 年，羅威爾開啟了X 行星搜尋計劃，去尋找那顆影響海王星軌道擾動的天體。直至1916 年逝世，在羅威爾留下的1000 多張照片中發(fā)現(xiàn)了515 顆小行星、700 顆變星，以及那顆他期盼已久的X 行星的兩次影像，只是要真正發(fā)現(xiàn)這顆行星還需要一雙慧眼。右圖為1914 年正在進行觀測的羅威爾。

克萊德·湯博

羅威爾的去世，以及第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)徹底終止了X 行星搜尋工作。直到1927 年羅威爾天文臺才重回正軌，還添置了一臺13 英寸照相反射望遠鏡（左圖）。1929 年，年僅22歲的克萊德·湯博乘坐了整整28 個小時的火車來到了羅威爾天文臺。湯博家境貧寒，中學輟學后白天幫家里干農(nóng)活，夜里卻沉醉于繁星之下。由于沒有錢購置望遠鏡，他還利用廢棄的玻璃和木板自己動手制作望遠鏡。鑒于湯博對天文學的熱愛及出色的望遠鏡制作手藝，羅威爾天文臺接受了他作為觀測助手的申請。右圖為湯博與他親手制作的9 英寸口徑牛頓式反射望遠鏡的合影。

在湯博的參與下，13 英寸望遠鏡完成了裝配及調(diào)試工作。1929 年4 月，湯博正式開始了海外行星搜尋的征途。他的工作主要依靠閃視比較儀將照片彼此疊合，快速切換來尋找其中位置出現(xiàn)移動的天體。這是一項高度重復且枯燥的工作，即使出現(xiàn)位置移動的天體，但更多可能是小行星、彗星或變星，湯博需要對每一顆這樣的天體進行一一排除。1930 年2 月18 日，湯博在雙子座δ 附近天區(qū)的照片對比中發(fā)現(xiàn)了一個亮度只有15 等的移動天體，兩張照片拍攝于1 月底，相隔數(shù)日。在對其他一切可能性進行排除之后，湯博將這一發(fā)現(xiàn)告訴了天文學家普蘭德。

冥王星

1930 年3 月13 日羅威爾天文臺對外宣布了新行星發(fā)現(xiàn)的消息。這一天是羅威爾75 周年誕辰的日子，也是149 年前赫歇爾發(fā)現(xiàn)天王星的日子。在新行星的征名工作中，一名來自英國年僅11 歲的小姑娘提出利用羅馬神話中的地獄之神來命名這顆距離太陽最遙遠最為寒冷的新行星，冥王星的名字由此誕生。從此羅威爾天文臺也因冥王星的發(fā)現(xiàn)聞名于世，這家天文臺現(xiàn)在仍然獨立運作，不隸屬于任何組織。左圖為發(fā)現(xiàn)冥王星的13 英寸望遠鏡圓頂；右圖為湯博發(fā)現(xiàn)冥王星的照相底版掃描件。

冥王星發(fā)現(xiàn)之后，天文學家很快計算出了它的軌道。冥王星軌道半長徑約為39.5 天文單位，橢率為0.248，傾角為17.1°。與其他八大行星相比，冥王星的軌道相當另類，橢率和傾角遠大于其他大行星，甚至有時候會比海王星更接近太陽。

冥王星的大小及其衛(wèi)星

1978 年6 月，美國海軍天文臺發(fā)現(xiàn)了冥王星的一顆衛(wèi)星，被命名為冥衛(wèi)一（也稱卡戎）。利用冥衛(wèi)一與冥王星的引力作用，計算出冥王星的質(zhì)量只有地球的0.21%，遠低于之前的各種預測，與之前發(fā)現(xiàn)的天王星和海王星相比更是天壤之別，冥王星的半徑只相當于地球的0.18。2005 年至2012 年，哈勃空間望遠鏡又相繼發(fā)現(xiàn)了冥王星的四顆衛(wèi)星。左圖為冥王星、冥衛(wèi)一與地球、月球的大小比較；右圖為“哈勃”拍攝的冥王星5 顆衛(wèi)星的圖像。

“新視野號”眼中的冥王星

2006 年1 月19 日，新視野號探測器從卡納維拉爾角空軍基地升空，直接進入太陽逃逸軌道。在引擎最后關閉時相對地球速度為每秒16.26 千米，是有史以來以最快速度離開地球的人造探測器。經(jīng)過了近10 年的漫長飛行后，2015 年7 月“新視野號”飛掠冥王星。7 月14 日，在距離冥王星45 萬千米處，“新視野號”拍下了這幅冥王星經(jīng)典照片（左圖），右下方心型區(qū)域后來以湯博的名字來命名。右圖為在距離冥王星1.8 萬千米時拍攝的冥王星日落景象，冥王星上的山脈和平原清晰可見，甚至可以看到冥王星稀薄大氣中的分層結構。

柯伊伯帶

加州大學天文學家萊納德在1930 年冥王星發(fā)現(xiàn)之后就提出海王星外擁有眾多天體，冥王星只是其中之一的觀點。1943 年愛爾蘭天文學家埃奇沃思認為根據(jù)星云演化假說，在太陽系外圍物質(zhì)密度太低以至于無法形成較大的行星，只能造就眾多的小天體。1951 年美國天文學家柯伊伯發(fā)表文章表達了類似的觀點。1980 年烏拉圭天文學家費爾南德斯研究得出短周期彗星來自于海王星軌道外圍的一個小天體帶。后來的觀測證實他們的預測是基本正確的，但由于在費爾南德斯那篇頗具影響的論文中只援引了柯伊伯的文章，現(xiàn)在這片區(qū)域被命名為柯伊伯帶。圖為柯伊伯帶想象圖。

新的發(fā)現(xiàn)

冥王星發(fā)現(xiàn)之后的13 年里，湯博繼續(xù)搜尋更遙遠的行星。他發(fā)現(xiàn)了6 個星團、14 顆小行星、1 顆彗星，卻未能在冥王星軌道之外發(fā)現(xiàn)新的行星。但是冥王星是如此之小，顯得與其他幾顆大行星格格不入。天文學家們雖然做著關于柯伊伯帶的各種預測，期待著下一顆海王外天體的發(fā)現(xiàn)，從而再次重復小行星帶發(fā)現(xiàn)的故事。但是這一等就是半個多世紀，直到20 世紀末。1992 年麻省理工大學天文學家大衛(wèi)·朱維特和他的越南籍學生劉麗杏經(jīng)過5 年的觀測終于發(fā)現(xiàn)了位于柯伊伯帶的小行星1992QB1。這是一顆直徑約160 千米，軌道半長徑約44天文單位的小行星。半年后他們又發(fā)現(xiàn)了另一個海王外天體1993FW。圖為小行星1992QB1 發(fā)現(xiàn)時的照片對比。

冥王星降級

這兩顆海王外天體的發(fā)現(xiàn)吸引了更多天文學家的關注和研究，新的發(fā)現(xiàn)層出不窮。這些天體由于距離遙遠，且體型較小，視星等一般都在20 等以上，不到冥王星亮度的1%。到了21 世紀初，新發(fā)現(xiàn)的柯伊伯帶天體已經(jīng)有近千顆。其中不乏質(zhì)量或體積較大的天體，比如2005 年發(fā)現(xiàn)的比冥王星質(zhì)量還大的鬩神星（直徑比冥王星小一點），2004 年發(fā)現(xiàn)的妊神星和2005 年發(fā)現(xiàn)的鳥神星直徑也達到了1400 千米以上。2006 年，國際天文聯(lián)合會對行星定義進行了修改，冥王星在發(fā)現(xiàn)76 年后被降級為矮行星，谷神星在當了200 年小行星后被升級為矮行星。鬩神星、鳥神星和妊神星也陸續(xù)成功入圍矮行星行列。

海王外天體及柯伊伯帶的發(fā)現(xiàn)并不代表太陽系邊界的確定，矮行星候選體之一塞德娜的發(fā)現(xiàn)預示著在柯伊伯帶外側(cè)仍有小天體的存在。而在更加遙遠的地方還有一片球形云團包圍著整個太陽系，這片云團名為奧爾特云，被認為是長周期彗星的發(fā)源地。而在內(nèi)太陽系，對近地小天體的監(jiān)測受到越來越多的關注。除此以外在大行星軌道之間還有半人馬型小行星、特洛伊族小行星等等。對太陽系小天體的探測研究有助于揭示太陽系的真實面貌、解開太陽系的起源之謎，后續(xù)我們將分門別類為讀者朋友們做更具體的介紹。