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一起來見證奇蹟吧!新視野號的冥王星任務圓滿達成——《冥王星任務》序(下)

時報出版_96
・2019/05/27 ・1634字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

故事的起源

我們兩人結識在二十五年前,當時這故事才剛開始不久,而這一路上,一系列不可思議的事件開展,我們也為此嘆為觀止。我們在人生道路上一起前進,也一起見證了新視野號從核准、建造然後奔向太陽系邊界中的每一場奮鬥。

冥王星上的諾蓋山脈(左側前景)、希拉蕊山脈(左側天際線)以及史波尼克高原(右側)的景象 。圖/wikipedia

在接下來的篇章中,我們會嘗試融合兩人的聲音,我們會試著集中兩人的視角,讓大家身歷其境,體驗這場冥王星之旅的醞釀、實踐與開花結果──讓人類對太陽系行星偵測完成大滿貫的劃時代之旅。

這本書的核心內容,出自於我們兩人之間一長串的電話對談。曾經有長達一年半的時間,我們會每個星期六早上通電話,回溯新視野號的冒險史詩。透過電話,艾倫會對大衛講述他記憶中的新視野號計畫,乃至於計畫所有的前身與階段。以談話逐字稿做為材料,大衛寫成了多數章節的初稿。初稿經過我們之間來來回回的編輯與改寫,故事就在去蕪存菁中慢慢浮現。

最後的成果:這本書集結了我們的雙重觀察,再輔以諸多關鍵人物的意見。不過整體來講,這還是一個從計畫指揮者艾倫眼中看到、並由大衛口中說出的故事。

出版成書

圖/af.mil

合寫這本書,有些挑戰必須克服。比方說除卻原文引用的段落,我們無法使用第一人稱,因為大衛是共同作者(所以像「聽到的事情令我不敢置信」這種寫法,就不能在書裡出現)。在艾倫是共同作者的書裡使用第三人稱,感覺固然有點怪(如「艾倫對聽到的事情感到不可置信」),但為求風格上的統一,我們還是選擇採取第三人稱來指涉艾倫。至於艾倫嘴裡吐出的話,就跟其他人的發言一樣,都會以第一人稱的引言呈現,而且通常會另立一段來與主文區隔。很多引言都出自我們合作初期,即在周六講長途電話的逐字稿。

現代的行星探險,是極其複雜的工作,而這類工作的成功,必然取決於眾多優秀人才的群策群力。在參與新視野號任務的人員當中,不乏某些人花費了幾十年的生命在夢想上、在策略的擬定上、在事務的計畫上、在太空船的建造上、在朝冥王星飛去的飛船駕駛上。

新視野號升空。圖/wikipedia

所以我們想說的是:為冥王星探險付出過心血的人之多,我們希望能提及的人如此之多,絕非本書篇幅所能乘載。我們對這一點深感遺憾,但為了把故事說好說清楚,即使難過,但也只能無奈地讓許多做出貢獻的人成為本書的遺珠。對於堅持控制適當篇幅一事,我們要對編輯們說聲感謝,謝謝他們讓新視野號的故事變得更好。

見證奇蹟

回顧一整個世代,新視野任務真的是一個異數──對未知世界的純然探索。放眼現在,我們也看不到像新視野號的任務在醞釀中,更不要說成真。

在即將開始的篇章中,我們會分享參與新視野號的工作是怎樣的一種經驗,畢竟這是人類太空探險史上最為人所熟知的一次計畫。探索冥王星的努力,背後是一個時而不可思議、時而令人膽戰心驚的故事,當中穿插著一道又一道意想不到的盲彎,一條又一條看似走不通的死路,還有許許多多的驚險一瞬間。這些點點滴滴,都讓新視野號成功看似奇蹟──但奇蹟就真的發生了。

現在就跟我們一起,去了解這一切是怎麼發生的吧。跟我們一起,去體驗身在其中是什麼感覺吧。

──艾倫.史登,科羅拉多州波德
──大衛.葛林史彭,華府
二○一八年一月

——本文摘自《冥王星任務:NASA新視野號與太陽系盡頭之旅》,2019 年 4 月,時報出版

文章難易度
時報出版_96
151 篇文章 ・ 29 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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哈伯也懂漂移?3D-DASH:哈伯太空望遠鏡最大的近紅外巡天計畫
Tiger Hsiao_96
・2022/07/10 ・2933字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

若問當前軌道上最強的可見光太空望遠鏡是誰,那當然非哈伯太空望遠鏡莫屬。身處太空的它有著直徑 2.4 公尺的主鏡,可以在不受大氣層干擾的情況下,清晰地拍攝遙遠且黯淡的天體。然而,哈伯望遠鏡並非全能,雖然它在解析度(angular resolution)和靈敏度(sensitivity)上都無人能及,但也有不擅長的領域 ── 它的視野相當小。

哈伯太空望遠鏡。圖/NASA

即使是哈伯裝備的所有相機中視野最大的「先進巡天相機(ACS)」,其視野也只有 202 角秒 x 202 角秒而已,相當於滿月的 1.5%,或是一個十元硬幣在約 25 公尺外的大小。可以想見,想要用這麼小的視野拍攝廣大的區域,是相當緩慢而沒有效率的事。

直到最近幾年,天文學家發明了稱作「Drift And SHift (DASH)」的新型觀測模式,可以在不改變哈伯硬體設備的前提下,大大增加哈伯在近紅外線波段的拍攝效率。利用這項技術,來自多倫多大學的團隊展開名為 3D-DASH 的大型紅外線巡天計畫,其拍攝的天空範圍,是前一個紀錄保持人「CANDELS」的七倍之多。

不斷選擇「引導星」的傳統觀測模式

想了解為什麼 DASH 技術可以大大提升哈伯的觀測效率,就要先從哈伯原本是怎麼觀測的開始談起。

不知道大家有沒有在黑夜中拍照的經驗呢?在低亮度的環境中,相機總需要比較長的時間進行曝光,才能拍出清楚的照片。而如果你在曝光的過程中不小心移動了相機,那拍出來的照片就會糊成一團。同理,由於天文學家想要拍攝的目標,大多是極其遙遠且黯淡的天體,所以天文觀測時單張照片的曝光時間,往往動輒數百秒以上。因此,專業天文望遠鏡常會配備「導星(Guiding)」系統,以確保望遠鏡能在數百秒的時間內,都精準的指向同一個位置。

導星的原理很簡單,就是在望遠鏡和相機觀測的同時,同時用另一套相機監測視野中星星的位置。一旦發現畫面中恆星的位置有任何小小的移動,導星系統就會命令望遠鏡調整指向(pointing),即時把誤差修正回來。在哈伯望遠鏡上,這個負責導星的相機叫作「精細導星感測器(FGS)」。而這個用來幫望遠鏡「導航」的星星,就被稱為「引導星(guide star)」。

哈伯在進行拍攝時,需要找一顆導星來隨時校正方向。圖/GIPHY

一般來說,在哈伯望遠鏡每指向一個新的目標,都需要先花費一段約十分鐘的時間選擇引導星,然後才能進行科學拍攝。然而,由於哈伯的軌道週期僅有 97 分鐘左右,因此在一次軌道中,哈伯基本上只能拍攝一或兩個固定的天區,不然就會有大量的觀測時間被浪費在尋找引導星的過程中。如此一來,天文學家若想透過哈伯來拍攝 800 個不同指向,就需要花費 800 次的軌道繞行時間才能結束這項任務。

花費很多時間有什麼問題呢?哈伯望遠鏡的觀測,是由美國「太空望遠鏡科學研究所(STScI)」向全世界天文學家公開徵求觀測企劃之後,再從中挑選出最具科學效益的企劃後實施。一個耗時 800 個軌道週期的觀測,很難在競爭激烈的觀測計劃書中脫穎而出。

但如果,天文學家真的很需要用哈伯進行大面積的巡天,該怎麼辦呢?

提升效率的新方法

如前述,一般來說哈伯每指向一個新目標,都需要花費十分鐘來進行捕捉引導星。但換個角度想,如果把導星功能關掉,不就可以省下這些時間了嗎?

計画通り!圖/GIPHY

還真是沒錯,哈伯的設計的確是可以關掉導星系統,利用其中的陀螺儀來進行控制。但陀螺儀的能提供的穩定性終究不如導星系統,一旦曝光時間過長,望遠鏡的微小移動還是會造成最後曝光出來的星星像塗抹花生醬一樣糊成一片,這樣的影像是很難用於科學分析的。

開導星耗時間,不開導星又沒辦法長曝,該怎麼辦呢?

這時就輪到「Drift And SHift(DASH)」技術出場了!DASH 的核心概念很簡單:

  • 為了省時,我們就關掉導星。
  • 關導星不能長曝,那我們就拍很多短曝光時間的照片,降低每張照片的模糊程度,再把它們對齊之後疊起來。

以 3D-DASH 計劃來說,關掉導星會讓哈伯的指向以每秒 0.001 至 0.002 角秒的速度緩緩飄移。因此天文學家將每張照片的曝光時間壓縮到 25 秒以下,讓星點在畫面中的移動不超過一個像素(WFC-3 的像素大小為 0.129 角秒)。利用這樣的技術,天文學家就能在哈伯的一次軌道週期中,拍攝八個不同的指向,把觀測效率提升了八倍!

3D-DASH 的觀測天區和其他觀測計畫天區大小、深度(最暗可拍到的天體星等)的比對圖。圖/arxiv

拍這些照片有什麼用?3D-DASH 的科學意義

3D-DASH 計畫的觀測資料最近已於網路上公開,不過這龐大的資料量,觀測團隊以及其他科學家們還需要更多時間進行分析。不過,在公布這個計劃的論文中,團隊已經提出了一些值得分析的科學問題。

舉例來說,天文學家認為如今多數的橢圓星系(elliptical galaxy)們,都是由較小的星系合併而來。因此尋找合併中的星系,並測量它們的各項物理性質,是研究星系演化歷史的重要方法。但很多時候,地面望遠鏡可以大略看到一個光點可能是兩或多個相鄰的天體組成,卻沒有足夠的解析度可以研究它們的細節。但有了 3D-DASH 的資料,天文學家就可以清楚的看到星系們合併的細節,並研究其中細微的結構以及測量更多複雜的物理量。

合併中的星系們。圖/NASA

不過這種大範圍的巡天計畫也不是完美的。為了拍攝廣大的天區,每個天區分配到的平均觀測時間就會比較少,因此比起 CANDELS 等前輩們,3D-DASH 只能看到相對亮的星系們。雖然如此,3D-DASH 這種相對廣而淺的觀測,不僅可以提供更大量的星系樣本,幫助天文學家使用強大的統計方法進行分析;也可以讓天文學家先大概了解這片天區裡有些什麼,如果發現了有趣的目標,就可以使用哈伯或韋伯等其它強大的望遠鏡們進行更深入的觀測!

3D-DASH 的所涵蓋的天區,以及其超高的解析度。圖/arxiv

參考資料

延伸閱讀

Tiger Hsiao_96
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現於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。

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看不見的歐若拉——物理學家解釋火星上極光的成因
Ash_96
・2022/07/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

極光。圖/envato elements

形成極光的要素有三,其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場,可以在兩極地區生成北極光和南極光;然而,火星沒有覆蓋全球的磁場,因此火星上的極光並非出現在兩極,只能在特定區域生成。

近期,愛荷華大學領導的研究團隊,根據美國航空暨太空總署(NASA)火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器的數據,確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成

極光三要素:大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前,讓我們先把鏡頭轉到地球,談談地球上的極光在哪裡形成,以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區(auroral oval),涵蓋北極與南極地區,但並非以兩極為中心;換句話說,極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外,極光橢圓區的寬度與延伸範圍,會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引,沿著磁力線加速往高緯度地區移動,最後和大氣中的原子碰撞時,就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述,可以得知極光的三個要素是:大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」,若屬於可見光波段,就能用肉眼觀測,並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍,綠色區域則為極光橢圓區。圖/National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前,得先介紹它的幕後推手——行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)。IMF就是太陽風產生的磁場,在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化,並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢?當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播,會同時拖曳太陽的磁力線一起離開;太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子,讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話,太陽就像是在轉盤上的蛋糕,太陽風粒子就是擠花裝飾;而當蛋糕一邊以固定速度自轉,擠花逐漸向外擴散的同時,就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

因為太陽一邊自轉,一邊拋射太陽風的關係,IMF的磁力線會扭曲呈現如圖的螺旋狀。圖/維基百科
蛋糕的螺旋狀擠花。影片/Youyube

對太陽風和 IMF 有基本認識之後,讓我們把鏡頭轉向火星,談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說,火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層,強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態,導致大氣層的散失;該過程稱作濺射(sputtering),發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一,在 IMF 的作用之下,部分的離子會環繞磁力線運動,隨著 IMF 移動而被帶離火星;另外一部份的離子則像撞球一般,撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子,引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明,根據團隊研究的成果,太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離,並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素(質子數相同,但是質量不同的元素)以氬-38 以及氬-36 為主,後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比,Jakosky 的團隊推估火星約有 65% 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形;其中又以二氧化碳為焦點,畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在,而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

火星的大氣層因為太陽風的濺射效應逐漸被剝離。圖/NASA

接著,讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢?這要先從行星發電機理論開始說起,該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例,地核內部保留了地球形成初始的熱能,約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵,因為密度下降而上升至地核頂端,接觸到地函時,這些液體會喪失部分熱能而冷卻,因為溫度比周圍環境低,密度變高而下沉;如此不斷的熱對流循環下,讓帶有磁力的流體不斷運動,進而形成電磁感應。另外,科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向,產生螺旋狀的流動效果,有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示,火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關,在火星形成之初散熱較快,造成火星外核液態鐵短時間內就凝固,無法像地球一樣,保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化,不斷從地核深處上升至地函,再冷卻下降,持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力,導致火星內部的發電機幾乎停止運轉,無法形成全球的磁場。話雖如此,火星仍然具備小區塊的磁場,主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

行星發電機理論中科氏力影響行星地核內熱對流的導電流體偏向。圖/Wikipedia

磁層與大氣層相互依存,火星在太陽風不斷吹襲之下,大氣層愈趨稀薄;火星內部又缺乏發電機的動力,無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護,就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢,因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣,看似缺乏極光形成要素的火星,又是如何形成極光的呢?

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護,但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡,磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用,滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」,與地球上常見的極光不同,有些發生在人眼看不見的波段(比如紫外線),所以也更加提升了觀測難度。

那麼,研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢?那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀(Imaging Ultraviolet Spectrograph,IUVS)!

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家,他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果,比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場(IMF)強度、時鐘角和錐角[註 1] 以及火星上極光的紫外線,發現在磁場較強的地殼區域內,極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向;反之,區域外的極光發生率則與太陽風動壓(Solar Wind Dynamic Pressure)關聯較高,但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到,在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內,當 IMF 的時鐘角呈現負值,如果正逢火星的傍晚時刻,較容易觀測到離散極光;也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯(Magnetic Reconnection)——意即磁場斷開重新連接後,剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量(如動能、熱能等)加以釋放,例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向:移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關,而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料,也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果,主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光;以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想,火星是目前人類圓夢的最佳選擇;但是在執行火星移民計畫之前,火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護,生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果,科學家們將發掘新的突破點;期許在不久的將來,我們能找到火星適居的鑰匙。

  • 註1:IMF 的時鐘角(Clock Angle)與錐角(Cone Angle)

如何判定 IMF 的角度呢?因為磁場空間是立體的關係,我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念,來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上,IMF 方向與 Z 軸的夾角;而錐角則是在 X、Y 平面上,IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

IMF 時鐘角和錐角示意圖。圖/ResearchGate

參考資料

  1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
  2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
  3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
  4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
  5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
  6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫
  7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的?物理學家有新發現,帶你揭秘
  8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平
  9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的? 科學家解謎
  10. BBC News 中文。北極光:美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理
  11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風
  12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖,證實火星有磁場。科技新報。
  13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集
  14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
  15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
  16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.
Ash_96
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外交系畢業,很多人看成外文(是不是又回頭看一次? ) 常常在外向與保守的極端之間擺盪;借用朋友說的詞彙,我屬於營業式外向。 喜歡踩點甜點店和咖啡廳,大概是嚮往那種文青都會女子的感覺,或是純粹愛吃。 喜歡k-pop ,跳舞的時候會自動設定為開演唱會模式,自我催眠現在我最帥。

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旋轉、跳躍、冥王星他閉著眼,遊走在混亂邊緣?!
全國大學天文社聯盟
・2022/06/29 ・3745字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 作者/語星葉,與一隻米克斯黑狗簡單地生活在新竹,正在努力成為天文學家。

在浩瀚的太陽系裡,冥王星一直是個迷人又「謎人」的存在。關於冥王星精彩的故事很多:1930年被鍥而不捨的天文台助理發現、2006年被從行星殿堂「降級」為矮行星、2014年新視野號成功飛掠並帶來無數珍貴的照片與科學資料……如今關於冥王星的新研究又帶來驚喜──或該說是驚嚇?

新視野號拍下的冥王星。圖/NASA

冥王星與海王星的「雙星共舞」

冥王星是第一顆被人類發現的「海王星外天體(Trans-Neptunian object, TNO)」。如今我們已知海王星軌道外有數百顆這類的天體,並且數量還在增加中。這類天體雖繞行著太陽,但其軌道週期之大,宛如被太陽遺忘在邊疆的散兵。有些 TNO 還長得奇形怪狀,例如妊神星(Haumea)雖然有 1/3 個冥王星的質量,但其外型不是球型,而是一顆橢球,且其長軸比短軸長了一倍!

大型的海王星外天體(TNO)體積對照圖。圖/Wikimedia Commons

上圖最左上角是冥王星系統,其中最大的衛星凱倫(Charon)甚至大到使這個雙體系統的重心在冥王星之外,因此也稱冥王星是個雙(矮行)星系統。而妊神星(Haumea)則硬生生長成恐龍蛋形狀,因其自轉一圈只花 4 小時,這樣的高自轉速度使它無法成球體。值得一提的是,已知的 TNO 體積都小於月球。

冥王星本身更是有許多有趣的現象。冥王星的軌道偏心率高,呈橢圓狀,而且軌道平面是傾斜的,跟太陽系盤面差了 17 度角(見下圖)。除此之外,冥王星跟海王星的關係可謂糾葛難分──冥王星的軌道跟海王星有些微交錯,即某些時候冥王星會轉到海王星軌道的內側,此時冥王星比海王星離太陽更近!這樣難道兩顆星不會因為太過靠近,而使彼此的軌道不穩定嗎?天文學家發現,冥王星與海王星的軌道呈和諧的共振關係,兩顆星就像在跳方塊舞,互相受彼此的重力牽連著、卻不會因距離太近而打破軌道的平衡。

這兩顆星的和諧軌道共振有兩個要素:首先,冥王星跟海王星的軌道週期呈現近乎 3:2 的比例,且當冥王星在近日點時,海王星大約在與其軌道長軸呈垂直的位置。更精確地說,冥王星的近日點位置是會浮動的,在天體力學中稱為冥王星近日點的天平動(Libration,指的是天體軌道角度的週期性震盪)。

若由上往下看太陽系盤面,冥王星的近日點天平動會與海王星軌道保持上述的關係,因而不會與海王星太過接近。另一個要素則是軌道傾角方向的天平動。由於先前提到的軌道傾斜,冥王星的近日點能保持在遠高於海王星軌道平面的位置,因此更加確保兩顆星不會相遇

上圖為冥王星軌道與八大行星軌道對照圖。截圖自The Sky Map | 3D Solar System Simulator
有興趣的讀者可以上這個網站,搜尋 Pluto 並勾選 animate ,調整合適的時距,便可以隨心所欲從任意角度觀察冥王星與八大行星的軌道運動。只是 3D 模擬運算量大,網站頗容易當哈哈……

你以為天體運行繞一圈就結束了嗎?讓影片畫給你看

其實天體力學的軌道計算非常的複雜。連結是神人用 Python 寫的開源模擬所繪製的影片。前半段影片顯示的是冥王星與海王星的軌道共振狀態,冥王星以紅色標示,海王星以藍色標示,坐標系則隨著海王星一起公轉;後半段影片展示一個無軌道共振的系統作為對照,冥王星質量的天體以綠色表示。

影片中,左上圖是從上往下看太陽系盤面,可以看見海王星的位置其實有微小的變化,這是因為海王星的軌道並非正圓;而冥王星的軌跡則顯示出上下兩個對稱的弧線,這是近日點的位置,可以發現平均下來近日點跟太陽的連線,的確跟海王星位置跟太陽的連線是垂直的,還可以觀察到近日點天平動的幅度。

下方兩張圖則是從側面看太陽系(平行於太陽系盤面看過去),可以看出兩側高凸的近日點位置的確遠高出黃道面(z=0)。這個模擬的時長為 2 萬年,冥王星約繞行太陽 80 圈,可以看見其軌跡是有跡可循的;相對的,影片後半沒有軌道共振的對照組,其近日點在這兩萬年內不斷地漂泊,繞行軌跡也相當混亂無序。

上述的模擬只考慮了太陽、海王星與冥王星的三體運動(雖然已經極為複雜了),那麼其他已知的氣體行星,會不會對冥王星軌道造成微小的擾動呢?欸嘿, N-body simulation 出場了!(筆者表示害怕)

天體間精巧的運行,就像宇宙中迷人的舞步。 圖/envato

天體力學下的平衡

美國亞利桑那大學的天文學家 Malhotra 與日本國立天文台的 Ito 研究員,在他們的模擬中考慮了太陽以及所有氣體巨行星──木星、土星、天王星與海王星──對冥王星的重力作用,並且把模擬時長拉長到50億年(上述 Python 模擬的 16 萬倍),也就是預期太陽剩餘的壽命。他們想嘗試回答,在太陽穩定照亮世間的漫漫時光裡,像冥王星這樣軌道如此精巧的天體,究竟是否能長久和海王星跳著方塊舞呢?

在模擬中,他們分別測試了不同的行星組合,以判斷各巨行星對冥王星軌道的影響。一如過去所知,模擬結果顯示了海王星的重力主導了冥王星近日點在平行太陽系盤面方向的天平動,也就是保持著 3/2 的和諧共振。然而,對於軌道傾角方向的天平動,海王星並未握有太大實權。拉長時間來看,冥王星近日點的天平動無論在平行盤面、軌道傾角兩個方向上,對巨行星們的一舉一動都頗為敏感。巨行星們的重力作用會使冥王星軌道產生微擾(Perturbation),使冥王星軌道產生天平動,只要天平動限縮在穩定的範圍內,就不用擔心冥王星會被耍得團團轉。

令人驚訝的是,根據模擬結果,他們發現在平行盤面的方向上,天王星竟在破壞冥王星的軌道穩定!不過別擔心,這個軌道穩定破壞者正被木星和土星給鎮壓著──在不含天王星的模型中,冥王星平行盤面的天平動和實際情況相去不遠,然而在移除木星和土星、只考慮天王星及海王星的模型裡,冥王星軌道只能在千萬年之內保持穩定。然而在軌道傾角方向上,天王星又有其貢獻,因為只有在考慮所有巨行星的模型裡,此方向的天平動才是與現實相符且長久穩定的

因此,在維護冥王星精密的軌道平衡上,四大行星可謂缺一不可。更令人驚奇的是,在漫長的 50 億年模擬中,冥王星的天平動雖被限縮在一個安全穩定的範圍內,但這個穩定範圍其實非常的狹窄!若冥王星稍有不慎,掉到了安全範圍之外,其軌道將變得無序而渾沌,便不再跟海王星跳著和諧的方塊舞了。

天體只要一脫離重力穩定帶,便有可能就此離開太陽系這個大舞池。 圖/envato

太陽系就是個大舞池

看到這裡,你是否震撼於冥王星的軌道之精密,簡直像是被刻意調整過的呢?就如同生物演化的優勝劣汰,過去太陽系也曾盛大進行著重力之舞淘汰賽,只要一有天體踏出重力穩定帶,便可能被逐出舞池、或者惹上其他天體的麻煩。

今日現存的太陽系成員都是重力之舞的佼佼者,它們因緣際會來到為數不多的重力穩定帶,尋得屬於自己的舞步,悠然繞旋至今。然而在過去,它們可都曾有過波瀾壯闊的瞬間──或許是與其他天體擦身而過、或許是被逼到穩定帶的邊陲……透過精細演算太陽系天體的移動,天文學家得以窺探這場重力之舞淘汰賽的精彩回顧,甚至可能發現被淘汰天體所遺留的蛛絲馬跡。

如今在太陽系這浩瀚的舞台上,行星、衛星、彗星、 TNO 等天體組成舞團,相互配合著對方的舞步,漫遊於其中。它們已是訓練有素的舞者,所演出的每一支舞都令人為之震撼,值得反覆品味、研究,就連遠在五十億公里外的冥王星,都使天文學家為之神往。究竟從冥王星複雜而精美的舞步中,還能挖掘出什麼有趣的新發現呢?讓我們拭目以待!

宇宙的奧秘,吸引著人們不斷地探索。 圖/envato

註:關於冥王星的故事,非常推薦閱讀精采的《冥王星任務》(時報出版)一書,由新視野號主持人共同執筆寫下,高潮迭起、充滿笑與淚,會讓你一看就停不下來!

參考資料:

paper本體https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2118692119

科普新聞 https://www.space.com/pluto-orbit-influences-from-giant-planets

冥王星軌道開源模擬 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2515-5172/ac3086, https://github.com/renumalhotra/2021-Pluto-Neptune-Resonant-Dynamics-Visualized-in-4D

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