太陽系的邊陲--海王星外天體

太陽系就像是個以太陽為中心的城市。地球住在蛋黃區、相當靠近市中心。最遠的行星是海王星。在海王星外還有很多各式各樣的小天體,稱作海王星外天體,大多分布在古柏帶。人們熟知的冥王星就是其中一顆。目前發現了上千顆海王星外天體,大多分布在古柏帶中。2018年觀測到的一顆小行星是目前已知最遠的天體,與太陽的距離是海王星的4倍多!太陽系的幅員遠比想像中遼闊,全部都受到太陽重力的主宰。

撰文|許世穎

●首個海王星外天體:冥王星

太陽系中除了大家熟知的行星以外,還有著彗星、小行星等各式各樣的天體。它們都同樣受到太陽的引力控制,在太陽系中環繞。目前觀測到最遠的一顆行星是海王星。海王星離太陽的距離是地球的30倍(30個天文單位),已經非常遠了!然而在海王星外面還有很多的天體,這些比海王星離太陽更遠、更邊緣的天體就稱為「海王星外天體(Trans-Neptunian object,簡稱為TNO)」[2]。

最廣為人知的海王星外天體應該就是曾風光一時的冥王星了。在19世紀末期就有天文學家預測:在海王星外面還有一顆天體,影響著天王星的軌道。1894年帕西瓦爾.羅威爾(Percival Lowell)從1906年開始了長達10年的探索,甚至靠著他自身的財富與影響力蓋了一座羅威爾天文台(Lowell Observatory),矢志要找到這顆天體,可惜到他1916年逝世為止都沒有找到。這個任務交棒給了美國天文學家克萊德‧湯博(Clyde Tombaugh)手上。1936年湯博比較了羅威爾天文台在不同日子拍攝的相片,找到了其中兩張照片中有顆未知、且位置改變了的天體。圖1就是當年湯博所比較的照片,湯博並不是就這樣看著相片中一大堆亮點發呆就找到的,他所使用的工具稱為「閃爍比對器」,能快速切換兩張相片,有點像放電影一樣,讓眼睛來找出兩張相片之間的差異。讀著們可以看看網路上將兩張相片來回切換的gif 圖檔 [3] ,來體驗一下湯博當年在照片中尋找移動天體的感覺 [4]。

圖1:冥王星發現的關鍵相片,圖片中箭頭所指的就是冥王星。圖片來源:Lowell Observatory Archives [5]

當時這個天體開放大眾命名,最後由英國小學生威妮夏.伯尼的投稿「Pluto(普魯托)」勝出,這是羅馬神話中的冥王的名字。亞洲這裡則是由日本的學者第一次給出「冥王星」的命稱、後來被其他國家所沿用。在2006年國際天文聯合會(IAU)將冥王星從行星降級為矮行星以後,也曾經有提議要將它改為「冥神星」來跟其他的矮行星具有一樣的命名格式(如:鬩神星、穀神星等),不過後來沒有獲得採納,讓冥王星還保有著這最後一點曾經身為行星的光榮 [4] 。

延伸閱讀:孫維新<冥王星的悲歌>

 

●海王星外有好多天體:古柏帶天體

在冥王星被發現了以後,天文學家們猜想:是不是還有更多的天體在海王星外繞著太陽轉,天文學家認為有一圈小天體分布在太陽系海王星外的區域,天文學家將這圈稱為「古柏帶(Kuiper belt)」。隔了數十年後的1987年,美國天文學家大衛.朱維特(David Jewitt)以及他的學生越南天文學家劉麗杏才共同找到了第一個古柏帶天體:1992 QB1,後來改為小行星 15760 Albion。古柏帶的名稱是來自於美國天文學家傑拉德,古柏(Gerard Kuiper),不過其實他並不是古柏帶的發現者,而是其中一個提出了古柏帶假說的人 [7]。

到了今天,天文學家們已經找到了上千個海王星外天體(幾個已知大型的海王星外天體尺寸比較可見圖2),我們可以依據它們的軌道以及其他觀測資料將它們分類。「傳統古柏帶天體」又稱為「QB1天體」(因為與第一個古柏帶天體1992 QB1類似),這類天體軌道接近圓形,距離大多在40至50天文單位之間。「共振古柏帶天體」:軌道週期與海王星成簡單整數比的古柏帶天體。公轉週期成簡單整數比的現象稱為「軌道共振」(orbital resonance )。這會強化重力的影響而使軌道更穩定或更不穩定。其中一個穩定的例子就是冥王星與海王星。還有一些其他的分類:「離散盤小天體」、「獨立天體」、「類塞德娜天體」...等。不過其實天文學家對這些天體的理解都還很有限,所以確切的定義有時候也不是非常明確,到現在還在修正當中。而且天文學家發現在50天文單位以外的地方觀測到的天體數量突然意外地遽減,還不確定是真的分布太稀疏,還是觀測技術的不足所導致的 [7]。

圖2:已知的大型海王星外天體尺寸比較。其中幾顆甚至有自己的衛星。而妊神星的形狀類似雞蛋。圖片來源:Lexicon [7]

●太陽系的最外圍

目前的理論架構當中,太陽系的邊緣、也就是太陽引力的範圍極限大約是在2000至5000天文單位的地方,天文學家把那一區稱為「歐特雲」(Oort cloud )」(見圖3 )[8]。歐特雲被認為是長週期(週期大於 200年,甚至可以到百萬年)彗星的發源地。不過歐特雲還只存在於理論,目前沒有任何觀測結果證明歐特雲的存在。而目前人類觀測到太陽系最遠的天體是2018年發現的「2018 AG37」,別名為「FarFarOut」,離太陽的距離為132.9天文單位。它的大小根據推估只有400公里左右,跟台灣的長度差不多 [9]。

圖3:太陽系內各種天體範圍的大小比較圖。圖片來源:NASA / JPL-Caltech / R. Hurt [8]

太陽系這個社區非常熱鬧,所有的成員們都繞著中間的這顆太陽繞轉。如果將太陽大小類比成一顆1公尺左右大小、放在臺灣大學的瑜伽球,那地球就是個百米跑道外的小彈珠,海王星則是3公里外的乒乓球,那麼目前人類觀測到最遠的「FarFarOut」則是10公里外、放在南港中研院院區裡的一顆小沙粒而已。而假想中的歐特雲的距離就是2000至5000公里,已經到了日本東京了!即便在這麼遠的地方,還是受到中間那顆「瑜珈球太陽」的重力影響。重力所能影響的尺度真的是難以想像的大呢!

 

 

參考資料:

  1. [1] EarthSky / Egg-shaped Haumea has a ring
  2. [2] wiki/Trans-Neptunian object
  3. [3] Beyond the Planets - the discovery of Pluto
  4. [4] wiki/Pluto
  5. [5] Lowell Observatory Archives
  6. [6] 孫維新,「冥王星的悲歌」,聯合電子報 - 名人堂電子報,第713期(2015)
  7. [7] wiki/Kuiper belt
  8. [8] wiki/Oort cloud

[9] wiki/2018 AG37

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