冥王星的發現,讓我們開始重新思考太陽系

2020-12-04 天文在線

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1930年1月23日、24日,一位在亞利桑那州弗拉格斯塔夫工作的年輕天文學家,正在一片小夜空上拍攝恆星位置的照片,尋找可能預示著太陽系邊緣某處運動的異常現象。他拍下了照片,然後把它們放在一邊,沒有意識到他已經找到了他一直在尋找的東西:太陽系的第九大行星。

尋找行星

冥王星的出現源於對太陽系行星的搜索。18世紀,隨著天文學的發展,望遠鏡變得越來越強大,天文學家利用望遠鏡尋找到了很多行星。1781年3月,威廉·赫歇爾爵士第一次觀測到了天王星,起初天文學家認為它是一顆恆星或彗星。這成為了後續天文學家發現太陽系新特徵的一部分。在天王星被正式認定為一顆行星後,天文學家們開始陸陸續續確認其他行星。1801年,在火星和木星之間發現了一顆名為穀神星的新行星。後來,穀神星被降級為一種新的天體,即小行星。穀神星的發現幫助天文學家預測了整個太陽系的其他行星。

天文學家觀察天王星和它的軌道時,他們注意到一些細微的變化:在太陽系更遠的地方,有一些大的東西在影響這個氣態巨星。1821年,天文學家亞歷克西斯·布瓦爾發表了天王星軌道的詳細信息。根據他的數據,來自英國的約翰·庫奇·亞當斯和來自法國的烏爾班·勒維耶獨立預測了一顆新行星的位置。利用勒維耶提供的數據,一位名叫約翰·戈特弗裡德·加勒的德國天文學家開始尋找這個未知的天體,在1846年9月23日,他在預測的地點附近觀察到了它。海王星是迄今為止發現的最遠的行星,在發現它不久後,天文學家開始預測位於太陽系的遠處的其他行星。

許多天文學家認為,天王星和海王星的軌道似乎表明了另一個天體的存在,因為存在某種東西改變了它們圍繞太陽的運動。在1877年到1930年間,天文學家們提出了許多理論。他們預測海王星以外的任何地方都可能存在一到五顆行星。然而,天文學家珍·巴普蒂斯特·加約重新進行了行星軌道的計算,計算結果推翻了這些結論。於是,天文學界在很大程度上放棄了海王星之外還有另一顆行星的想法。然而,也有一些天文學家持樂觀情緒。美國天文學家威廉·h·皮克林就是這樣一位天文學家,他曾預言海王星之外有一顆行星O,以及從P到U的行星P,所有這些都被推翻了。而另一位美國人珀西瓦爾·洛厄爾提出了他稱之為行星X的天體存在理論。

行星X

洛厄爾起初是劍橋地區的一位商人,後來他對天文學產生了興趣並持續了終生。1893年,他資助了亞利桑那州弗拉格斯塔夫的一個天文臺。1905年,他開始尋找太陽系的第九大行星。他以對天王星和海王星的原始觀測為基礎,根據提修斯-波德規則做出假設。提修斯-波德規則描述了太陽系中行星的相對位置。這一假設幫助天文學家在1801年發現穀神星,但對其他行星的用處有限。洛厄爾利用他的天文學知識,餘生都在天空中尋找那個"獵物"。然而,直到1916年去世,他也沒有發現那顆行星。

在洛厄爾去世後,洛厄爾遺孀針對他的遺產和以他的名字命名的天文臺提起了訴訟,這起法律訴訟長達數年,導致天文臺停止了對這顆行星的尋找。1927年,當這個問題得到解決時,洛厄爾的侄子羅傑·洛厄爾·普特南又開始尋找他叔叔痴迷的行星x。1929年,他請了一位年輕的天文學家克萊德·威廉·湯博來協助尋找。在接下來的幾年裡,湯博拍攝了30多萬張天空的照片。這是一項艱苦的工作:為了發現移動的天體,他必須按順序比較每個圖像,試圖發現在夜間從一個點移動到另一個點的單個天體。

2月18日,他檢查了前一個月拍攝的兩張照片,發現了這個移動天體——一個微弱的亮點,從一張照片跳到另一張照片。從而,掀開了太陽系第九大行星的神秘面紗。

洛厄爾天文臺在3月13日向全世界宣布了這一發現,選定的日期不僅與珀西瓦爾·洛厄爾的生日重合,還與一個半世紀前發現天王星的時間重合。這個消息引起了全世界的關注,天文臺認為這個發現驗證了創始人洛厄爾的猜測,但是其他天文學家並不這麼認為。在宣布這一消息時,這顆行星還未命名,天文臺向社會各界徵求建議。一千多條建議如潮水般湧來,最後他們選定了冥王星,這是11歲的威尼西亞·伯尼提出來的。

天文界對這個發現一直存在爭議。在之前,天文學家已經觀測到這顆行星;事實證明,是洛威爾自己想像出了這張照片。冥王星似乎並沒有被認出來,部分原因是它在夜空中太過模糊。更重要的是,雖然冥王星確實是在人們估計的地方被發現的,但這些預測都是以一個更大的氣態天體為前提的(洛厄爾曾預測有一顆質量是地球六倍的行星),類似於其他外行星。冥王星似乎太小了,無法對它最近的軌道鄰居施加很大的力。

然而,在接下來的幾十年裡,天文臺開始監測冥王星,並在進行更詳細的觀測時修正其大小。

上世紀五六十年代,天文學家使用更強大的望遠鏡,最終確定冥王星並不昏暗。事實上,它能夠反射相當數量的光;它的質量比預期的要小。

1978年,美國海軍天文臺的天文學家發現冥王星擁有衛星:它有一個「月亮」。天文學家詹姆斯·克裡斯蒂仔細觀察了這顆行星的照片,發現它的一側出現了一個凸起,然後這個凸起又消失了。由於圖片的解析度太低,很難發現它。這顆名為卡戎的衛星比它的母星還要小,直徑只有750英裡。這一發現使天文學家得以測量行星的質量,並進一步將其修正到地球質量的0.2%。幾十年後又發現了四顆衛星:2005年發現的冥衛二和冥衛三, 2011年發現的冥衛四, 2012年發現的冥衛五。

冥王星仍然是太陽系邊緣的一個奇葩。旅行者號的兩次任務都是在離開太陽系時錯過了這顆行星,但隨著哈勃太空望遠鏡的啟動,科學家們有了一種新的工具來觀察這顆行星。1990年,哈勃太空望遠鏡第一次拍攝到了這對行星的照片。與此同時,科學家們開始在太陽系的末端發現新的天體,現在稱其為柯伊伯帶。

行星是什麼?如何定義?

2005年,天文學家在冥王星之外發現了一顆新天體,這引發了對太陽系天體定義的新討論。自2003年以來,科學家們一直在用新的電腦程式掃描天空,這使定位一顆行星變得更容易一些。在2004年至2005年間,科學家們發現了幾個新的天體:妊神星、鳥神星

和鬩神星。鬩神星被發現比冥王星大,最初天文學家認為它可能是太陽系第十顆行星。

後來,關於天體分類的問題在天文界引發了一場爭論,國際天文學聯合會決定召開會議來解決這個問題。傳統上,在太陽系內對天體的分類有:巖石行星,氣態巨行星和衛星,但隨著1801年小行星的發現,急需一個新的定義,重新分類天體。雖然冥王星最初被歸類為一顆行星,但隨著天文學家對它的體積地不斷修正,顯然,它的體積相對太陽系的一些衛星都要小得多。在太陽系中發現的其他大小相仿的天體表明,需要對其進行新的分類。

經過長時間的爭論,國際天文學聯合會提出了三個行星分類標準:

一顆行星應該滿足:

圍繞太陽運行;

有足夠的質量來維持流體靜力平衡(接近圓形);

並且圍繞其軌道的鄰近區域沒有其他天體。

根據新的分類標準,國際天文學聯合會確定冥王星不符合歸類為一顆行星的標準。根據與它周圍天體的體積的比較:國際天文學聯合會認為它屬於一個新的類別:矮行星。雖然冥王星的分類改變了,但它並不是唯一的矮行星:穀神星也被重新歸類為矮行星,而且人們認為柯伊伯帶的許多其他天體也會符合同樣的分類。

冥王星的重新分類引起了社會的極大討論,不僅有從小就知道冥王星是一顆行星的普通大眾,也有天文學家,他們指出了定義中的一些缺陷:從技術上講,像地球和火星這樣的行星可以被歸類為矮行星。此外,新墨西哥州和伊利諾州的州議會通過決議,宣布冥王星將永遠被視為一顆行星。2008年,一個新的定義發布了,冥王星,它是外海王星矮行星。

新視野號

1990年,天文學家開始計劃前往冥王星的任務。但是項目成員遇到了問題,項目最終被取消了。然而,在21世紀頭十年的中期,這個項目又重新開始了,在幾次延遲之後,「新視野號」任務於2006年1月19日發射。

這一任務的目的是飛向冥王星,並圍繞它近距離飛行。為到達太陽系外圍所需的速度,減速是不現實的,所以它的另一個任務是探索柯伊伯帶的部分區域。

2014年12月,飛船被重新激活,在接下來的幾個月裡,開始以每秒1千字節的速度傳回信息。在2015年6月和7月期間,探測器傳回了這顆矮行星迄今為止的第一張詳細照片。它將在7月14日經過這顆天體,然後探索太陽系的外圍。飛船上還載著克萊德·湯博的骨灰。

作者: Andrew Liptak

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