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穀神星的身世之謎——《BBC知識》

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示意圖的前景為穀神星,後方是太陽與四顆內行星。

作者/柯林‧史都華
譯者/戴凡惟

想像這個場景:1801年1月1日的義大利,多數人還沉浸在新年的歡樂氣氛中,但朱賽貝‧皮亞齊(Giuseppe Piazzi)正用望遠鏡搜索天空。

過去數十年來,天文學家注意到太陽系在火星與木星軌道間有巨大的間隙,有些天文學家甚至預測這個區域有一顆尚未發現的行星。這一晚,皮亞齊找到了它。這顆新發現的鄰近行星被命名為穀神星(Ceres)[註1],Ceres是羅馬神話中掌管穀物生長的女神。於是已知行星的數量多了一顆⋯⋯至少暫時如此。

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義大利天文學家皮亞齊於1801年發現穀神星。

如今我們知道,穀神星的直徑950公里,與太陽的距離為地球距太陽的2.8倍,是小行星帶最大的天體。小行星帶是一群圍繞太陽運行的小型岩質天體,位於太陽系的內行星(類地行星)與外行星(類木行星)之間。穀神星占了整個小行星帶質量的25%。即使到了今天,大家仍在爭執該怎麼將它分類。在皮亞齊的發現後,有些天文學家把它看成是完整的行星;在往後超過50年的時間裡,許多學術文獻都這麼稱呼它。但是進入20世紀後,它只是顆最大的小行星,直到今天仍有人這樣認定。穀神星的分類在2006年再度修正:國際天文聯合會(IAU)將冥王星從行星降級到矮行星,連帶使穀神星升級到同等地位。穀神星仍然是內太陽系唯一的矮行星,其他矮行星都位於冥王星軌道之外。

突破哈柏影像的高解析

我們很容易理解天文學家為何至今仍在關注穀神星搖擺不定的分類:因為它的性質尚未徹底釐清。直到不久前,穀神星最清晰的照片還是哈柏太空望遠鏡所拍攝的。哈柏望遠鏡在2003年12月到2004年1月的觀測任務中拍攝了超過200幀照片。這些照片顯示,穀神星的模樣接近正圓形、狀似行星,與小行星尖銳不規則的形狀大不相同。從密度和自轉速率來判斷,穀神星很可能跟岩質行星一樣具有層狀結構。這些層狀結構形成岩質核心、冰質地函、以及外層地殼。爭論於是開始變得激烈。

哈柏望遠鏡的影像很有趣,但是能透露的只有這麼多。美國NASA噴射推進實驗室的卡洛‧雷蒙博士(Carol Raymond)說道,「哈柏望遠鏡的解析度不錯,不過它沒揭開我們想知道的一切。」於是NASA有了黎明號任務[註2],雷蒙正是副主持人。

2007 年9 月,黎明號太空船由三角洲II號火箭發射升空。

2007 年9 月,黎明號太空船由三角洲II號火箭發射升空。

黎明號於2007年9月發射升空,2011年7月抵達穀神星在小行星帶的大型鄰居灶神星(Vesta)[註3]。環繞灶神星運行一年多之後,黎明號於2012年9月踏上前往穀神星的旅程。這是第一個設計來繞行兩個太陽系天體的太空船。今年1月25日,它與穀神星接近的程度,首度讓太空船的相機解析度超越哈柏影像。黎明號已在3月6日進入環繞穀神星的軌道,預計花費將近一年的時間解開穀神星的謎團。

異類的起源

由於穀神星是小行星帶裡十分特殊的天體,任務的主要目標之一就是找出它的起源。有個理論認為,曾經存在許多像它這樣的天體,但在重力作用下逐漸結合成岩質的內行星,只留下孤單的穀神星。

黎明號任務的主持人克里斯多福‧羅素教授(Christopher Russell)問道,「行星科學家普遍認為行星是由較小塊的天體結合而成。穀神星是否就是其中一塊?」

黎明號任務主持人羅素教授

黎明號任務主持人羅素教授

有些天文學家提出更極端的可能性:穀神星是冒牌小行星。他們認為,穀神星在小行星帶中獨一無二,是因為它根本就不是在那裡形成的,而是誕生在海王星軌道以外的柯伊伯帶(Kuiper Belt,也就是冥王星所在的外太陽系區域),後來才漂移到目前的位置。這意謂穀神星與其他矮行星不只是分類相同,還有更多共同點。

究竟哪種說法是對的呢?黎明號在造訪灶神星的時候已經收集到些微證據。

雷蒙說,「我們選擇了灶神星,是因為它應該是HED隕石(古銅鈣、鈣長輝長、古銅無球隕石的合稱)的母體。這類隕石在我們收集的樣本中無所不在。」黎明號儀器的化學分析結果確認了這項臆測。除了灶神星的現場量測之外,科學家也在實驗室仔細研究HED隕石,結果顯示誕生的過程相當迅速。雷蒙說,「灶神星似乎形成得很快,可能在太陽系誕生後100萬年內就出現了。」

關鍵在於放射性同位素鋁26。這種同位素出現於太陽系早期,隨著時間逐漸衰變。由於灶神星形成得很早,因此含有足量的鋁26。這顆小行星內部發生同位素衰變,產生的熱形塑了地質結構。藉由比較灶神星與穀神星的結構,應該可以推估後者形成的時間點。穀神星越早誕生,就表示它越有可能是在目前位置形成,而不是在外太陽系。

孕育生命的候選星球

另一項重要指標是水的移動與否。根據密度測量結果,水可能占穀神星質量的30%。在過去,一部分的水可能是液態的(或許受鋁衰變加熱所致)。這些液態水在流動的過程中,有可能接觸到矽酸鹽層,產生化學變化。這種現象發生的程度取決於穀神星誕生的位置。如果它誕生於較冷的外太陽系,酷寒的溫度會限制水的流動,導致水與岩石交互作用的跡象較少。

穀神星的白斑是間歇泉嗎?

穀神星的白斑是間歇泉嗎?

不管穀神星從哪裡來,近期的證據顯示它並非所有的水都是永凍。2014年初,赫歇爾太空望遠鏡瞥見一片水蒸氣雲圍繞著這顆矮行星。這是我們首度在小行星帶發現水。不論哪裡出現液態水,我們總是會聯想到那裡是否有生命。黎明號在今年1月靠近穀神星時,發現液態水的可能來源線索。這艘太空船拍攝的影像顯示穀神星表面有個白斑。相同的白斑也出現在十幾年前哈柏望遠鏡的照片裡。有些研究人員認為它可能是間歇泉,當太陽加熱把冰融化時,就會向太空噴出水柱。這使得穀神星像已知會噴水的土衛二一樣,成為太陽系中尋找生命的熱門地方。

所以這是很大的賭注。黎明號的發現,會決定我們是否把小行星帶視為有望出現外星生命的地方。今年或許是我們對行星了解的分水嶺,不但有黎明號探索穀神星,NASA的新視野號(New Horizons)也抵達冥王星。「我們將開始更細緻地理解太陽系天體的演變。」雷蒙說,「我們不再只知道原始材料和最後的行星成品,而能進一步了解中間各個階段的過程。」

我們很快就會知道穀神星和冥王星在這個過程中所扮演的位置。目前能確定的是,關於矮行星的紛爭仍未塵埃落定。

 

[註1] 穀神星是目前找到的五顆矮行星中最小的,其他四顆由大到小分別為:冥王星、鬩神星(Eris)、鳥神星(Makemake)與妊神星(Haumea)。19世紀初總共有24位天文學家(人稱「天體警察」)在尋找火星與木星之間的行星。但是1801年發現穀神星的,卻是這24人之外的皮亞齊。

黎明號先在5,900公里高的軌道繞行穀神星。五個月之後下降到1,300公里的高度,再過五個月後會降到700公里高。穀神星很小,重力只有地球的3%。這麼低的重力使它成為人類太空探險的理想目標,因為很容易就能從它的表面起飛脫離。穀神星與太陽的距離差不多是地球距離太陽的三倍,因此穀神星的資料需要花20分鐘以上才能傳到地球。

[註2] 黎明號太空船上滿載先進科技,以便達成探測穀神星的任務。黎明號任務是NASA「發現計畫」(Discovery Program)的一環。這項計畫希望解開太陽系之謎,啟動了許多較小型的太空任務,與NASA較大型、較昂貴的「旗艦型」任務互相搭配。黎明號結合了先前太空任務的備品和設備,以及來自其他任務的尖端科技。

[註3] 黎明號先造訪了灶神星之後,才繼續前往穀神星。灶神星既是第二大也是第三大的小行星,依界定大小的方式而定。它的直徑525公里小於穀神星與智神星(Pallas),但若以質量來看,它僅次於穀神星。海因利希‧奧伯斯(Heinrich Olbers)在1807年3月29日發現灶神星,差不多是在他發現智神星的五年後,以及皮亞齊發現穀神星的六年後。

灶神星的表面有兩個巨大的隕石坑, 分別叫做莉亞席薇雅(Rheasilvia)與維納妮雅(Veneneia)。前者涵蓋了南極的95%,名字來自神話中羅馬創建者羅慕路斯(Romulus)與雷慕斯(Remus)的母親。莉亞席薇雅的表面除了有許多坑洞,也有許多長槽溝。最大的迪瓦利亞槽溝(Divalia Fossa)有465公里長,比大峽谷還要長。地球上只有五顆太陽系天體的樣本,灶神星是其中之一,來源是隕石。其他樣本分別來自火星(隕石)、登月任務、威德二號彗星(Wild 2),以及糸川小行星。

 

【完整內容請見《BBC知識國際中文版》第48期(2015年8月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

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