妊神星為何無法獲得球形外觀,其行星環在矮行星中普遍嗎?

2020-12-05 悟空科學

在遙遠的柯伊伯帶中,神秘的矮行星為人類的探索製造了很多「麻煩」。直到過去的十多年時間,科學家們才發現了其中的大部分。除了Ceres之外,它們和地球之間的距離都很遙遠、且本身相對較小,總是潛伏在海王星以外的深處,因此,即便使用大型望遠鏡,也難以對它們進行詳細的觀察。而作為「類冥天體」之一的妊神星(Haumea),便位於該區域,它的質量大約是冥王星質量的三分之一。

儘管還沒有人直接觀測到它的形狀,但研究人員通過光變曲線計算的結果可以表明,這是一個具有獨特的極度形變、呈橢球形外觀的星球,其長半軸達到了短半軸的兩倍左右。妊神星雖然不具備清除鄰近的小天體的能力,但卻擁有足夠的質量,以自身的重力維持近似圓球的形狀。作為外太陽系的第五顆指定矮行星,它比科學家們預想的要大很多,這到底是怎樣一個星球?

太陽系邊緣的物柯伊伯帶體

當太陽系形成時,大部分的氣體、灰塵和巖石一起拉動形成了太陽和行星。然後,行星將大部分剩餘的碎片掃入太陽或太陽系外。但是太陽系邊緣處的物體距離足夠遠,以避免受到像木星這樣大得多的行星的引力拖曳,當它們緩慢繞太陽運行時設法留在原地。柯伊伯帶及其同胞,更遠的球形奧爾特雲,包含了太陽系開始時的剩餘物,可以為其誕生提供有價值的見解。科學家估計,在這條帶內圍繞太陽運行的物體,直徑超過100公裡的物體達到了數千個,另外還有數萬億個較小的物體,其中大多都是短周期彗星。在柯伊伯帶,最擁擠的部分是地球和太陽距離的42到48倍,在大多數情況下,該區域的物體軌道總是保持穩定地狀態,儘管有些物體在離海王星太近時偶爾會略微改變。2006年,負責天體分類的國際天文學聯合會決定需要命名一類新的物體。

新的「 矮行星 」類別,包含了太陽系不穩定的第九顆行星冥王星和其他四個物體,整體而言,這些物體都比地球的月亮更小。Eris在2003年發現,平均距離為地球和太陽距離的68倍,大約需要561.4個地球年才能完成繞太陽運行;厄裡斯是最大的矮行星,直徑達到了2326公裡,它的軌道在所有矮行星中最傾斜,與行星軌道的平面傾斜近47度;於1930年被發現的冥王星,它的直徑是2302公裡,需要247.9個地球年才能完成繞太陽運行;穀神星於2006年被重新歸類為矮行星、塞雷斯是距離地球最近的矮行星、Makemake需要超過305個地球年才能完成繞太陽的循環;妊神星於2003年被發現,這顆矮行星具有細長的形狀,其最長尺寸約為1960公裡,由於它的旋轉速度非常快,所以是所有矮行星中最短的一天。

同樣存在於妊神星上的行星環

妊神星是繼冥王星、穀神星、 厄裡斯和馬克之後的第五顆指定矮行星。它除了擁有不尋常的橢圓形造型之外,它還有一個神秘的行星環。曾經,科學家們認為行星環只存在於四個巨大的行星上,妊神星的行星環讓這種認知被終結。沿著其中一個方向看,妊神星比冥王星還要長很多,但在另一個方向上, 它卻又與冥王星非常相似,但從第三個方向來看,妊神星則小得多。有時,妊神星的軌道會使其比冥王星更接近太陽,但通常情況下它都位於距離更遠的地方。 如下圖所示,科學家們將妊神星視為被一個均勻的環所環繞的橢圓體隕石。於2003年被發現的它,被臨時指定2003 EL61,而後又於2008年由 IAU更名為夏威夷女神。除了它的戒指在2017年被發現以外,科學家們還在2005年發現了它的兩顆小衛星,分別被命名為 Hi'iaka和 Namaka。

行星環是太陽系內最美麗和神秘的結構之一,但研究人員目前對它們的了解還遠遠不夠。妊神星的行星環寬70公裡,與其赤道和外部衛星Hi』 iaka的軌道皆處於同一平面,距其表面約1000公裡。在世界各地10個天文臺,科學家們利用12架不同的望遠鏡於2017年1月21日進行觀測,並最終確定了妊神星的密度最高達到1885 kg/m 左右 、反照率 (0.51)以及無大氣層等情況數據。在太陽系已知伴有行星環的行星中,大都是質量較大的氣體行星,而該行星環的中心天體並不是球狀的,而是一個橢球,行星環的軌道周期同Haumea的自轉周期可能接近3:1的共振。這為進一步為理解行星環的形成機制、其內部的動力學過程,以及太陽系行星的形成都提供珍貴的線索。為什麼太陽系四個內大行星 (包括地球) 沒有行星環,而質量和引力範圍小得多的矮行星卻有?矮行星環普遍嗎?這一系列問題都有待解答。

妊神星為何無法獲得球形外觀

妊神星是第一個有環的柯伊伯帶天體,有著經典柯伊伯帶天體的典型軌道,軌道傾角約28°,在近十億年來,已逐漸偏離了其原始軌道,妊神星的表面非常寒冷,因此生命在那裡似乎並不可能存在。作為柯伊伯帶第三亮的天體,妊神星的目視星等為17.3,僅次於冥王星和鳥神星,使用大型業餘望遠鏡也可輕易觀察到。它的亮度波動周期很短,只有3.9小時,而唯一的解釋是其自轉周期也相當於是這一長度。儘管妊神星和球形相差甚遠,但其橢球的形狀是因為自身的高速旋轉所導致,類似水氣球旋轉時伸長的現象,而非其自身重力無法克服物質抗壓強度所致。

妊神星的高速自轉被認為是一次所碰撞導致的,並且,這次碰撞同時創造了妊神星的衛星及其碰撞家族的成員們。這要快於其餘已知的太陽系平衡天體,以及其餘已知的直徑大於100千米的天體。妊神星繞太陽運行需要285個地球年,每四個小時旋轉一次軸,快速旋轉使其無法獲得球形,而使其看起來更像是一個略微扁平的足球旋轉端,就好像被踢了一樣。妊神星的最長軸為2300公裡,但996公裡的寬度還不到長軸的一半。這是太陽系中任何已知大型物體的最快旋轉,但其快速旋轉的特徵卻允許科學家計算其密度,科學家認為妊神星幾乎完全由巖石組成,而明亮且閃閃發光的表面,則被薄薄的冰殼覆蓋。

太陽系中最奇特的物體之一

從形狀到衛星,妊神星無疑是一個足夠奇怪的天體,它不僅可以揭示太陽系中碰撞的歷史,還能讓科學家們更了解柯伊伯帶,這個位於海王星軌道之外的世界的早期環境。眾所周知,幾個柯伊伯帶天體都有一個圍繞它們運行的衛星,在許多情況下,我們認為它是由較大物體的引力捕獲的較小的物體。但妊神星的衛星Hi'iaka並不適合這種模具,因它太小而不能成為這些被捕獲的物體之一,事實證明,Hi'iaka確實適應了一個擊中妊神星的身體,並在整個區域散布冰塊的情況。妊神星足夠大,它與地球一樣具有差異性,因此它最重的部件固定在其核心上,而像冰塊這樣最輕的物質則停留在其地面上。因此,當它發生碰撞之時,噴出的碎片大多是純冰。

在已知柯伊伯帶天體中,沒有其他矮行星擁有一顆以上的衛星數量,通過對Hi'iaka的觀測確定了妊神星的軌道,於是,第二顆衛星Namaka也因此而被發現,它是撞擊妊神星的另一個產物,可能發生在45億年前形成的太陽系早期歷史中。而Hi'iaka和Namaka也並不是碰撞的唯一產物; 那些較小的碎片也飛離了矮行星,在柯伊伯帶周圍進入類似的軌道,它們從100英裡的大小到最大的一個到冰球。來自妊神星的10個最大塊散落在柯伊伯帶周圍,從妊神星的碰撞中發現這些碎屑是一個難得的機會,而研究碎片及其分布,不僅可以揭示破壞妊神星的碰撞,而且可以幫助科學家更好地理解其他類似的碰撞,並且,觀測它的衛星也將有助於天文學家更好地約束物體的質量,妊神星也因此而變成了探索其他碰撞的最佳對象。

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