不尋常的天體,軌道交叉,冥王星為何不會與海王星相撞?

寒冷、黑暗、冰凍，這些詞語描繪了冥王星，一顆在太陽系邊緣圍繞太陽運行的小型天體。冥王星與太陽的平均距離為37億英裡（59億千米）。這個距離如此遙遠，以至於冥王星接收到來自太陽的光與熱量是地球接收到的千分之一。

圖解：由新視野號拍攝到的冥王星真實色彩照片，攝於2015年7月。

冥王星的結構

冥王星曾經在傳統上被稱為行星，但是很多天文學家對此表示懷疑。2006年，國際天文學聯合會（IAU）宣布冥王星不滿足真正行星的定義。根據IAU的定義，一顆真正的行星必須繞恆星運行；它必須有足夠的質量，使其能靠自身的重力將其塑造成一個球體；而且它的質量必須足夠大到能夠清除其周圍所有其他明顯的天體。

冥王星不符合最後一項要求。冥王星只是它附近區域眾多天體中的一個，這個區域被稱為柯伊伯帶。2006年，國際天文學聯合會決定將冥王星降為矮行星。這顆矮行星的質量足以把它自己塑造成一個球體。然而，它的質量不足以主宰它周圍的其他天體——將它們吸引為自己的物質或者將它們撞走。除了太陽以外，它也不能被認為是其他天體的衛星。2008年，冥王星成為第一顆被稱為類冥矮行星的矮行星。

圖解:冥王星的結構 NASA供圖

不尋常的天體

在冥王星248年的公轉周期中，它與太陽的距離從約28億英裡（44億千米）到遠至46億英裡（74億千米）。所有繞太陽運行的天體都是橢圓（橢圓形的）軌道。但是冥王星的軌道比其他任何一個靠近太陽的行星都要更為「橢」。在它的遠日點，即天體離太陽最遠的軌道點上，冥王星的軌道遠超海王星——太陽的第八顆行星。但在它的近日點，即天體離太陽最近的軌道點，冥王星又比海王星離太陽更近。

冥王星另一個奇特之點在於它的軌道面，相比於從火星到海王星的所有行星的軌道傾斜來說。這些天體的軌道面彼此之間只有輕微的傾斜，但是冥王星的傾斜角度達到17度。

圖解:冥王星的軌道（紫色）NASA供圖

多年來，由於冥王星離我們太遠了，即使是最大的望遠鏡也無法揭示它的更多細節。然而，一些天文學家通過不時地測量了它的位置和亮度，他們了解到，冥王星繞其軸旋轉一周需要六天多一點的時間。這一事實是通過觀察從地球上可見冥王星亮度的微小變化來確定的。

在更詳細的研究成為可能之後，人們發現冥王星是由巖石和冰組成的。還觀察到冥王星有一層薄薄的甲烷大氣層。然而，冥王星可能只有一個間隙性的大氣層。1989年，冥王星到達其近日點。它足夠暖和，以至於星球上的甲烷處於氣態。然而，隨著冥王星遠離太陽，它將變得更冷。到2020年，冥王星將非常寒冷，以至於其大氣中的所有甲烷都將凍結，並在其表面形成一層甲烷冰。在它圍繞日運行248年的公轉周期中，冥王星擁有大氣層的時間可能只有60年左右。

圖解：不同角度拍攝到的冥王星最清晰照片的拼接圖

冥王星衛星的發現

天文學家已經發現冥王星有五個已知的衛星。其中最大的冥衛一卡戎，相對於冥王星來說有點太大了。它的直徑有746英裡（1200公裡），是冥王星直徑的一半以上。此外，卡戎距離冥王星只有12200英裡（19640公裡）。在太陽系中，沒有其它任何一個衛星相對於它所繞行的天體有這麼大，也沒有其它任何一個衛星離它所繞行的天體這麼近。

圖解:冥王星的衛星 NASA, ESA, JHU/APL, SwRI & HST冥王星伴星搜索團隊供圖

冥王星比卡戎更亮，它的南北兩極都有明亮的區域。從太陽照射到冥王星的光有百分之五十反射回太空。冥王星的表面有很大的亮斑和暗斑。卡戎的表面只反射出照射到它的光的40%左右。

冥王星的起源

當天文學家比較海王星和冥王星的軌道周期（天體繞太陽運行的時間）時，他們發現了一些奇怪的現象。海王星繞行太陽一周需要165個地球年，冥王星需要247.7個地球年。這其中奇怪的是，海王星的三個軌道周期幾乎等於冥王星的兩個軌道周期。天文學家稱這類天體被軌道共振鎖定，即一個天體的軌道周期幾乎是另一個質量較大的天體軌道周期的一個精確分數。這種情況下，它們的軌道共振就是3:2。

軌道共振導致大天體對小天體的一系列引力作用。這意味著如果冥王星減速一點，海王星的引力會使它再次加速。如果冥王星加速，海王星的引力則會使它減速。冥王星和海王星軌道共振的結果是這兩個天體永遠不會碰撞。

圖解：冥王星與海王星（軌道共振）NASA供圖

軌道共振也有助於解釋冥王星是什麼以及它為什麼存在。天文學家認為冥王星可能是太陽系早期行星形成時唯一的倖存者。當太陽從一大團星際氣體中凝聚而成時，剩下的物質形成了一個圍繞太陽旋轉的薄圓盤。這個圓盤中由微小巖石和冰顆粒組成的固體物質聚集在一起形成越來越大的團塊。數百萬年來，這些不斷增長的物質團變成了行星。

圖解：從極面看冥王星軌道。此視角顯示冥王星的軌道（紅色）比海王星軌道（藍色）離心率更高、冥王星有時比海王星更靠近太陽。深色部分表示該段軌道穿過黃道面進入黃道下方。

天文學家認為，在這段時期裡，在木星和土星之外的太空中形成了數千個類似冥王星大小和形狀的冰體。當這些小行星圍繞太陽運行時，它們互相碰撞，形成了天王星和海王星。最終，除了冥王星本身以外，所有類似冥王星的天體都消失了。為什麼冥王星從來沒有與海王星相撞，即使它的軌道使它靠近這個更大的天體？答案可能在於兩個天體之間這3:2的軌道共振。即使它們的軌道交叉，海王星和冥王星也不會同時通過交叉點。因此，冥王星是千分之一逃脫海王星引力的天體。

圖解：地球、月球、冥王星（左下）的比較。冥王星的體積是地球的0.6％

天文學家們渴望了解更多關於冥王星的信息。如果他們關於天王星和海王星是由數千個類似冥王星的天體形成的這個假設是正確的，那麼冥王星可能有助於揭示早期太陽系的本質。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. thetimenow- Andrew Ho

如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處