小小的冥王星,為何讓幾代天文學家頭皮發麻?

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故事還要從1781年說起,「業餘」天文學家威廉·赫歇爾自家的庭院中疑似發現了一顆新行星的痕跡。1783年,經過拉普拉斯的確認,這是一顆新的行星——天王星。到了1785年,年輕的數學家布瓦爾到巴黎謀生,最終在1794年遇到了拉普拉斯。當時的拉普拉斯正在完成自己的鉅著《天體力學》,其中有非常多需要計算的內容,布瓦德便進行這樣的工作。在隨後的日子裡,布瓦德發現了八顆新的彗星,並出版了木星土星以及天王星的星表。

不過,布瓦德很快就發現了事情的不對勁:根據1781年以後觀測所計算的天王星軌道與之前的觀測並不吻合(以前人們也有觀測到,但並不知道這是天王星),而修正之後的軌道又很快偏離了軌道。布瓦德製作了一個由77個方程組組成的系統,仍然無法修正這種誤差。因此,布瓦德認為,一定是有一個天體在外面影響到了天王星的運行。之後就是大家熟悉的故事了,在布瓦德去世3年後,1846年,勒維耶與亞當斯經過計算發現了太陽系第八顆行星——海王星。因此海王星又被稱為:筆尖下的行星。

圖1 亞當斯與勒威耶

圖1 亞當斯與勒威耶

可很快,天文界又發現了新的問題:海王星不能完全解釋天王星的軌道異常,因此,應該還有一顆行星的存在。天文學家的視野向海王星之外望去,尋找更遠的行星!

新的行星的尋找並不輕鬆。在19世紀的後50年,天文學家發現了各種能夠證明新行星存在的證據,甚至人預測出了新的行星的軌道與週期,但人們始終沒有發現新的行星的蹤跡。時間來到1906年,原定於致力於觀測火星生命的洛厄爾開始致力於尋找新行星,他稱這個行星為行星X。1915年,洛厄爾在經過十年運算後給出了自己所認為的行星X軌道的要素,但是仍然沒有在預定的區域發現。到了第二年,洛厄爾便離開人間了。洛厄爾去世讓X行星的尋找陷於停滯,到了1925年,洛厄爾的弟弟向天文臺贊助了一臺330毫米的望遠鏡,藉助於這個望遠鏡,X行星的探測再度開始

圖2 洛厄爾天文臺的13英寸(330毫米)望遠鏡

1929年,天文臺臺長將這個任務交給了年紀輕輕的克萊德·湯博。湯博的工作可以稱得上是簡單枯燥——通過眨眼比較器來比對不同夜空照片之間的差異。到了1930年初,他已經比對了將近200萬顆恆星的照片,最終在1月29日和23日之間拍攝的底片上發現了一個移動的物體,再三確認之後,湯博認為這便是X行星。3月13日,天文臺在洛厄爾誕辰75週年之際宣佈發現了新的行星,與洛厄爾之前所預測僅差了5.9°,滿足了洛厄爾對於X行星軌道的預測。最終,這顆行星被命名為冥王星。後來人們發現,在洛厄爾去世之前,天文臺就已經拍攝到了冥王星的蹤跡,但是當時人們並沒有從數以萬計的照片中將其篩選出來。

圖3 發現冥王星拍的照片

圖3 發現冥王星拍的照片

對於普通人來說,到這裡已經可以開香檳了。但是上輩子當過香檳的同學們都知道,沒有萬全確定就冒然開香檳往往是半場開香檳。畢竟這個時候人們對於冥王星了解仍不夠。

冥王星一被發現,人們就開始懷疑冥王星是不是可以擔當X行星的位置:因為冥王星看起來非常小,亮度也比洛厄爾預測的低了六等,支持者認為這可能是反射率過低導致的,反對者認為這就是小行星甚至是彗星。

不過歷史的走向最終讓支持者越來越失望。一開始它的質量估計和地球差不多;到了1976年,通過對冥王星反照率的計算,它的質量只有地球的1%了;1978年,冥王星的衛星卡戎被發現,通過卡戎天文學家計算出了冥王星的質量只有地球的0.2%。還有一個重要的問題是,冥王星的衛星卡戎的體積與質量相對來說非常大,二者甚至可以互為潮汐鎖定,按理來說,這對於冥王星的升交點經度和軌道傾角都會造成影響。這樣一來新的問題就出現了,為什麼之前計算出的是正確的?

顯然,還有新的行星在影響天王星的軌道

1978年之後,一些天文學家繼續尋找洛厄爾的行星X,另一些則認為X行星不存在。1992年7月,E. Myles Standish使用旅行者2號飛躍海王星的資料將海王星的質量下調了0.5%。0.5%的差異雖然不多,但天王星軌道的差異已經對於行星X的需求都消失了。另外,旅行者號等探測器也尚未發現大型天體的引力。看來,洛厄爾的X行星真的不存在。

可以開香檳了嗎?再等一等!

1992年8月,15760 Albion被發現,這是冥王星之後的第一個外海王星天體。15760 Albion開啟了外海王星天體被發現的序幕,到目前為止,已經有上千個外海王星天體被發現。這些天體大部分位於距離太陽30-50天文單位的帶狀區域中,天文學家將此命名為柯伊伯帶。2005年,天文學家麥克·布朗(Michael E. Brown)宣稱發現了一顆比冥王星還大的外海王星天體,這一天體後來被命名為鬩神星。鬩神星的發現引發天文學家對於行星定義的討論,最終在2006年,國際天文聯合會對行星進行了定義,其中最重要的也是最具爭議的一條是:必須清楚軌道附近區域的小行星,公轉軌道上不能有比它更大的天體。根據這個定義,冥王星和鬩神星都被定義為矮行星。布朗稱自己為「冥王星殺手」,並在2010年出版了自己的回憶錄《How I Killed Pluto and Why It Had It Coming》。有意思的是,2010年,通過掩星觀測,鬩神星要比冥王星小一些,這樣曾經宣稱鬩神星一定比冥王星大的布朗有些尷尬,他對此發表了自己的評論(參考文獻的兩個網址)。

圖4 鬩神星,是如此的模糊與不起眼

雖然布朗「殺死了」冥王星,但卻開啟了新的X行星的魔盒。2003年,布朗與拉比諾維茨(David Rabinowitz)以及特魯希略(Chadwick A. Trujillo)發現了一顆編號為2003VB12的天體,這一天體後來被命名為塞德娜。塞德娜的軌道十分誇張,近日點為76天文單位,遠日點為937天文單位,與一般的行星相比,塞德娜的軌道是非常異常的,這引起了天文學家們的興趣。布朗和同事們認為,影響塞德娜軌道形成的原因可是柯伊伯帶外看不見的行星或者太陽系形成早期的其他恆星。或許是之前尋找X行星的歷程已經成為天文學家的信仰,布朗將更多的精力放在了行星假設上並提出了「第九行星」的假設

圖5 塞德娜的軌道(紅色)與冥王星的軌道(紫色)

2012年,天文學家對92個柯伊伯帶天體進行建模時,發現了其中六個天體(塞德娜, 2012 VP113, 2004 VN112, 2010 GB174, 2007 TG422和 2013 RF98)的軌道存在異常,這些行星的近日點在經度上非常接近,而且都有相對於黃道的軌道傾斜並且近似共面,而且由於是六個天文望遠鏡六次不同調查發現的,因此天文學家們排除了觀測偏差的影響。通過計算,布朗認為這種情況只有0.007%的概率是偶然的,換句話說,這幾乎必然受到了外力的影響

圖6 六個海王星外天體軌道與預測的「第九行星」的軌道

布朗與同事巴蒂金(Konstantin Batygin)對「第九行星」的軌道進行的估計:離心率為0.2-0.5,半長軸為400-800天文單位,質量可能為地球的10倍。不過,他們目前仍然沒有在計算好的位置上發現「第九行星」。在布朗看來,我們需要更多的望遠鏡進行巡天並且需要公眾參與進來,才能最終發現這顆孤零零的行星。歷史就是這樣的神奇,埋葬了洛厄爾的X行星的人開啟了新的X行星的搜尋歷程,但願他不要變成另一個洛厄爾。

雖然對於「第九行星」的存在,仍有許多天文學家質疑,但是在對歷史有所了解的巴蒂金看來:我們絕不能認為我們知道了太陽系的一切並且沒有什麼是我們不知道的了。畢竟,上一個說過類似的話的人(開爾文)現在還被釘在物理學史的「恥辱柱」上。

我這香檳還開不開了?

我這香檳還開不開了?

參考文獻

[1]Collander-Brown S, Maran M, Williams I P. The effect on the Edgeworth-Kuiper Belt of a large distant tenth planet[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2000, 318(1): 101-108.

[2]https://mikebrownsplanets.com/2010/11/shadowy-hand-of-eris.html

[3]https://mikebrownsplanets.com/2010/11/how-big-is-pluto-anyway.html

[4]Horner J, Evans N W. Biases in cometary catalogues and Planet X[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2002, 335(3): 641-654.

[5]Brown M E, Trujillo C, Rabinowitz D. Discovery of a candidate inner Oort cloud planetoid[J]. The Astrophysical Journal, 2004, 617(1): 645.

[6]Batygin K, Brown M E. Evidence for a distant giant planet in the solar system[J]. The Astronomical Journal, 2016, 151(2): 22.

[7]Batygin K, Adams F C, Brown M E, et al. The planet nine hypothesis[J]. Physics Reports, 2019, 805: 1-53.

[8]Witze A. Evidence grows for giant planet on fringes of Solar System[J]. Nature, 2016, 529(7586): 266-267.

2007:53

[5] 向舜.陝西旬陽公館Hg-Sb礦床成礦流體地球化學研究[D]中國地質大學(北京).2020-07-16.

[6] 劉平.我國主要汞礦床的辰砂硫同位素組成[J]礦床地質. 1992,(03)

[7] 花永豐.貴州及其鄰區汞礦成因的初步研究[J]地質學報. 1981,(02)

[8] 貴州省地質調查院.貴州區域地熱成因探討[J]物探與化探. 2022,46(02).

[9] 周德忠.貴州汞礦與地質構造[J]貴州地質. 1991,(02)

[10] 貴州省地質調查院.貴州構造運動特徵及其地質意義[J]貴州地質. 2013,30(02)

有獎問答

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  1. 筆尖下的行星是哪一個行星?

  2. 將冥王星拉下行星位置是哪一個天體?

  3. 」第九行星」存在的證據是什麼?

大家快來踴躍作答吧~

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