最小矮行星頭銜或易主

在冥王星被取消了行星資格之后，天文學(xué)家創(chuàng)造了一種新的天體類(lèi)別——矮行星(dwarf planet)來(lái)安置它。矮行星聽(tīng)起來(lái)似乎比行星略遜一籌，但這個(gè)隱秘的世界實(shí)際上充滿(mǎn)了未知的謎團(tuán)，其中隱藏著揭示太陽(yáng)系形成和演化之謎的重要線索。天文學(xué)家一直極盡所能，希望能一窺它們的容貌。最近，他們第一次以足夠高的分辨率觀測(cè)到了非常接近球形的健神星，這可能是人類(lèi)目前觀測(cè)到的最小的矮行星。

在開(kāi)始介紹今天的主角之前，我們先來(lái)看一個(gè)問(wèn)題：太陽(yáng)系有多少顆行星?

大家會(huì)脫口而出，答案是8顆。但在2006年8月24日之前，公認(rèn)的答案是9顆，那也是很多人記憶中的“九大行星”。答案變化的原因很多人也有所耳聞：在那天召開(kāi)的國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)(IAU)的會(huì)議上，經(jīng)過(guò)與會(huì)天文學(xué)家投票表決，冥王星的行星資格被取消了。

不過(guò)，天文學(xué)家總要找一個(gè)類(lèi)別來(lái)放置冥王星，于是他們創(chuàng)造了一個(gè)新的天體類(lèi)別——矮行星(dwarf planet)。既然是因冥王星而來(lái)，冥王星自然成為這類(lèi)天體的代表。它們聽(tīng)起來(lái)比行星略遜一籌，背后的故事的精彩程度其實(shí)絲毫不遜色于行星。

最小矮行星露出真容

一項(xiàng)最新研究讓矮行星的隱秘世界再次進(jìn)入了我們的視野。10月28日，一個(gè)研究小組在《自然·天文學(xué)》(Nature Astronomy)上發(fā)表論文，宣布他們使用歐洲南方天文臺(tái)(ESO)的甚大望遠(yuǎn)鏡(Very Large Telescope，VLT)對(duì)健神星(Hygiea)進(jìn)行了觀測(cè)。健神星位于火星和木星之間的主小行星帶(main asteroid belt)中，是這個(gè)區(qū)域內(nèi)僅次于谷神星(Ceres)、灶神星(Vesta)和智神星(Pallas)的第四大天體。

這里需要說(shuō)明的是，太陽(yáng)系內(nèi)小天體的劃分標(biāo)準(zhǔn)并不嚴(yán)格。主小行星帶內(nèi)的前三大天體只有谷神星是矮行星，且目前是太陽(yáng)系內(nèi)最小的矮行星，而灶神星和智神星都是小行星。這次新發(fā)表的研究是天文學(xué)家第一次能夠以足夠高的分辨率對(duì)以往被視作小行星的健神星進(jìn)行觀察，從而可以研究它的表面，并確定它的大小和形狀。他們此次的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)就是——健神星非常接近球體。這意味著什么呢?

甚大望遠(yuǎn)鏡拍攝到的健神星。| ESO

2006年，為了明確冥王星的分類(lèi)，天文學(xué)家“處心積慮”地制定了太陽(yáng)系內(nèi)的行星需要滿(mǎn)足的三個(gè)條件：

一是圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn);

二是具有足夠的質(zhì)量，從而具有(近)球體的形狀;

三是掃清自己軌道附近的區(qū)域。

由于冥王星的軌道區(qū)域內(nèi)還存在大量的小天體而它本身并未處于支配性地位，因此未能滿(mǎn)足第三項(xiàng)條件，從而被踢出了行星序列。同時(shí)，天文學(xué)家也為矮行星這個(gè)類(lèi)別制定了四項(xiàng)條件：

一個(gè)天體如果滿(mǎn)足圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)、不是衛(wèi)星、沒(méi)有清空其軌道上的其他天體以及形狀是(近)球體，那它就是一顆矮行星。

作為一顆位于主小行星帶內(nèi)的天體，健神星自然滿(mǎn)足成為矮行星的四個(gè)條件中的前三個(gè)。這次天文學(xué)家的觀測(cè)結(jié)果則證實(shí)，它還滿(mǎn)足第四個(gè)條件，即(近)球體。這樣一來(lái)，健神星就可能不再是一顆小行星，而是一顆名副其實(shí)的矮行星。

天文學(xué)家的觀測(cè)認(rèn)為，健神星的直徑剛剛超過(guò)430千米。在確認(rèn)健神星的分類(lèi)前，太陽(yáng)系內(nèi)最小的矮行星是同處在主小行星帶內(nèi)的谷神星，它的直徑為大約950千米。矮行星的個(gè)頭一般在數(shù)百千米左右，目前發(fā)現(xiàn)的最大的矮行星是冥王星(直徑約2370千米)和鬩神星(直徑約2326千米)。而健神星雖然因?yàn)閯偙话l(fā)現(xiàn)是球形，因而可能會(huì)被賦予矮行星的地位，但由于個(gè)頭太小，IAU最終將投票決定健神星是否可以被賦予矮行星地位，或者是否仍將是小行星。

健神星(左)、灶神星(中)和谷神星(右)的大小對(duì)比。其中可以看到灶神星由于呈扁球體而非(近)球體，因此沒(méi)有被歸類(lèi)為矮行星，而是屬于小行星。| ESO

行星與小行星的“糾葛”

矮行星因?yàn)轶w積小，因此很難被觀測(cè)。天文學(xué)家得益于不斷提升的觀測(cè)能力和改進(jìn)的算法，才能對(duì)這些隱秘世界一探究竟。比如，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)于2007年9月27日發(fā)射的曙光號(hào)探測(cè)器(Dawn probe)，就已經(jīng)在2015年3月7日進(jìn)入谷神星的軌道，并在隨后發(fā)回谷神星的高清照片。

曙光號(hào)探測(cè)器拍攝到的谷神星。|NASA

目前，天文學(xué)家確認(rèn)的矮行星除了冥王星、谷神星和極有可能進(jìn)入這個(gè)家族的健神星外，還包括鬩神星(Eris)、鳥(niǎo)神星(Makemake)和妊神星(Haumea)。矮行星和行星一字之差，它們之間的“糾葛”實(shí)則是人類(lèi)探索太陽(yáng)系歷史的一段縮影。

自從有天文記載以來(lái)，人類(lèi)就知道水星、金星、火星、木星和土星這5顆行星。日心說(shuō)取代地心說(shuō)之后，人類(lèi)認(rèn)識(shí)到地球也是一顆行星，行星的數(shù)量變成6顆。1781年3月13日，威廉·赫歇爾(William Herschel)發(fā)現(xiàn)了天王星。這是第一顆被人類(lèi)“發(fā)現(xiàn)”的行星，行星的數(shù)量變成7顆。赫歇爾發(fā)現(xiàn)行星后獲得的聲譽(yù)以及帶來(lái)的轟動(dòng)效應(yīng)，使得天文學(xué)家投入到一場(chǎng)尋找新行星的競(jìng)賽中。

1801年1月1日晚，意大利天文學(xué)家朱塞普·皮亞奇(Giuseppe Piazzi)發(fā)現(xiàn)谷神星。天文學(xué)界受到震動(dòng)，因?yàn)槿祟?lèi)可能在時(shí)隔20年之后發(fā)現(xiàn)了一顆新行星。之所以這么說(shuō)，原來(lái)是在此之前，有一個(gè)名為提丟斯—波德的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，預(yù)言在火星和木星之間應(yīng)該有一顆人類(lèi)尚未發(fā)現(xiàn)的行星，而皮亞奇發(fā)現(xiàn)谷神星的位置與預(yù)言的位置非常接近。當(dāng)然，天文學(xué)家也不是沒(méi)有疑慮，比如說(shuō)，比天王星距離地球更近的谷神星卻更加黯淡，說(shuō)明谷神星的體積可能非常小。

沒(méi)過(guò)多久，1802年3月28日，德國(guó)天文學(xué)家海因里希·奧爾貝斯(Heinrich Wilhelm Olbers)發(fā)現(xiàn)了智神星。由于智神星的軌道半徑與谷神星幾乎一樣(谷神星與太陽(yáng)的平均距離為2.7天文單位，智神星與太陽(yáng)的平均距離為2.77天文單位，日地平均距離為1天文單位)，因此引起了關(guān)于二者地位的爭(zhēng)議，因?yàn)閮深w行星不可能占據(jù)相同的軌道區(qū)域。

而且二者的體積確實(shí)很小，比月球都要小不少，因此赫歇爾建議把它們稱(chēng)作“小行星”(asteroid)，天文學(xué)界也逐漸接受了這種說(shuō)法。1804年和1807年，婚神星(Juno)和灶神星先后被發(fā)現(xiàn)。19世紀(jì)40年代，德國(guó)業(yè)余天文學(xué)家卡爾·路德維希·亨克(Karl Ludwig Hencke)又先后發(fā)現(xiàn)了義神星(Astraea)和韶神星(Hebe)。此后，隨著觀測(cè)能力的提升，小行星的家族不斷壯大。

1846年9月23日，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了海王星。由于在發(fā)現(xiàn)天王星的過(guò)程中，天文學(xué)家根據(jù)天體力學(xué)的計(jì)算預(yù)測(cè)了它的軌道，并根據(jù)預(yù)測(cè)開(kāi)展搜尋工作，因此海王星又被稱(chēng)作“筆尖上發(fā)現(xiàn)的行星”。1930年，美國(guó)天文學(xué)家克萊德·湯博(Clyde Tombaugh)發(fā)現(xiàn)了冥王星。“九大行星”自此排定座次。

擊倒冥王星的“小伙伴”

冥王星距離太陽(yáng)實(shí)在太遠(yuǎn)，反射的光線極其有限，所以在很長(zhǎng)時(shí)間里，天文學(xué)家甚至不能準(zhǔn)確測(cè)量它的大小，后來(lái)才估計(jì)出它的直徑。2006年1月19日，NASA發(fā)射了新視野號(hào)探測(cè)器(New Horizon)，目的就是對(duì)冥王星進(jìn)行近距離拍攝和研究。新視野號(hào)也不負(fù)眾望，2015年7月14日，它近距離飛掠冥王星，拍攝了有史以來(lái)最清晰的冥王星圖像。

新視野號(hào)拍到的冥王星。| NASA

新視野號(hào)發(fā)射升空時(shí)，冥王星還是一顆行星，但沒(méi)出發(fā)多久，冥王星就被降級(jí)，直接的導(dǎo)火索就是鬩神星的發(fā)現(xiàn)。2005年，加州理工學(xué)院的行星科學(xué)家邁克爾·布朗(Michael Brown)公布了基于此前觀測(cè)數(shù)據(jù)的一個(gè)發(fā)現(xiàn)，即他和研究者在2003年曾經(jīng)拍攝到一個(gè)比冥王星更大的天體(此后的研究表明，鬩神星與冥王星的大小相當(dāng)，但是質(zhì)量更大一些)，后來(lái)它被命名為鬩神星。

鬩神星的藝術(shù)想象圖。| ESO

鬩神星(Eris)、冥王星(Pluto)與海衛(wèi)一(Triton)的大小比較。其中黃色代表巖石，藍(lán)色代表表層的冰。| 加州理工學(xué)院

柯伊伯帶

隨著望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)能力的提高以及對(duì)太陽(yáng)系演化理解的加深，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)系中存在小天體聚集的區(qū)域。這次天文學(xué)家揭開(kāi)神秘面紗的健神星，以及谷神星、智神星都位于火星和木星之間的主小行星帶中。此外，美籍荷蘭裔天文學(xué)家柯伊伯等人(Gerard Kuiper)還提出在海王星的軌道外，存在一個(gè)小天體帶。這個(gè)區(qū)域被命名為(Kuiper Belt)，其中的天體被稱(chēng)作海外天體。

鬩神星在太陽(yáng)系中的位置，從中可以看到它位于海王星的軌道外，屬于海外天體。| NASA

雖然天文學(xué)家先后在主小行星帶和柯伊伯帶發(fā)現(xiàn)了大量天體，但是絕大部分個(gè)頭都太小，不會(huì)挑戰(zhàn)既有的行星秩序?？墒?，鬩神星把一個(gè)棘手的難題拋給了天文學(xué)家：既然冥王星是行星，那么無(wú)論是直徑還是質(zhì)量都比冥王星要大的鬩神星應(yīng)不應(yīng)該是一顆行星呢?

鬩神星的出現(xiàn)成為壓垮冥王星行星地位的最后一棵稻草。天文學(xué)家面臨的更大問(wèn)題是，如果把鬩神星也當(dāng)成行星，那未來(lái)如果發(fā)現(xiàn)略小于鬩神星的天體，要不要?dú)w類(lèi)為行星，這個(gè)大小的界限又究竟在哪里。因此，天文學(xué)家決定直面一個(gè)此前從未深究過(guò)的基本問(wèn)題，即行星的定義究竟是什么。從這里出發(fā)，就有了前面提到的在2006年的IAU大會(huì)上天文學(xué)家提出的行星標(biāo)準(zhǔn)和隨之而來(lái)的矮行星標(biāo)準(zhǔn)。

如果健神星被確認(rèn)是矮行星，那矮行星的家族就又得以壯大。天文學(xué)家之所以極盡所能，希望一窺它們的容貌，就在于這些行星面前的“小家伙”身上充滿(mǎn)了未知的謎團(tuán)，隱藏著揭示太陽(yáng)系形成和演化之謎的重要線索。天文學(xué)家想要真正了解這些遙遠(yuǎn)的隱秘世界，還有很長(zhǎng)的路要走。

《返樸》，致力好科普。國(guó)際著名物理學(xué)家文小剛與生物學(xué)家顏寧聯(lián)袂擔(dān)任總編，與幾十位學(xué)者組成的編委會(huì)一起，與你共同求索。(來(lái)源：返樸 ID：fanpu2019)

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