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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

  • 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

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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)

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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。

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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!

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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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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

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重力理論的演進與環繞黑洞的恆星
科學大抖宅_96
・2020/05/26 ・2647字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

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十七世紀末,牛頓提出的萬有引力理論象徵現代天體力學的開始;人們利用物理原理來描述天體運行,並藉由天文觀測逐步修正理論或計算方法的缺失。以天王星的發現為契機,科學家開啟了一連串對行星軌道的研究;這些事件不但成為天體力學發展史的重要標誌,最終竟促成重力理論的演進,甚至延續到現今,反應在我們對黑洞的觀察上。

這一切,都要從 1781 年,英國天文學家赫雪爾(William Herschel,1738-1822)在自家庭院,從望遠鏡中看到一顆彗星說起……

天王星的詭異行徑

在赫雪爾將發現回報給皇家學會後,其他科學家也紛紛對這顆彗星進行調查。很顯然的,它似乎沒有彗星尾巴,而且運行軌跡較接近圓形,不像其他彗星以非常扁的橢圓軌道繞行太陽;與其說是彗星,它更像是在土星軌道之外環繞太陽的行星──這就是天王星的發現。

儘管已驗明正身,天王星仍然困惑著接下來數十年的天文學者:它的實際軌道和牛頓萬有引力理論的預測並不相同。這是牛頓理論的失敗嗎?還是觀測錯誤了呢?1846 年,法國天文學家勒維耶(Urbain Le Verrier,1811-1877)利用數學計算提出預測:存在某個未知星體影響了天王星的運行,造成理論和觀測的差異;他也指出該星體的軌道、質量和位置大約為何。

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一陣子之後,柏林天文台收到勒維耶的報告,便馬上著手進行未知星體的搜尋工作;只花不到一個小時,海王星就被找到,與勒維耶預測的位置相差不到一度──史上第一次,單純憑藉數學計算發現新行星[1]

奧本‧勒維耶(圖片來源

水星的運行軌道也存在異常

隨著海王星的發現,牛頓萬有引力理論可說獲得空前勝利。然而,天文學家拿重力理論來推估行星運行的嘗試並未到此為止。1859年,勒維耶再度出擊,聲明水星軌道的進動也跟牛頓萬有引力理論的計算有所出入。

在理想狀況下,依據牛頓萬有引力理論,水星環繞太陽的運行軌道應該要固定不變;然而在實際上,因為受到其他行星的重力拉扯(和另外一些次要因素),水星軌道的近日點(以及軌道本身)會緩慢產生變化──這稱為水星的近日點進動。

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不止水星,其他行星也都會有進動;只是水星距離太陽最近,進動效應最明顯。圖為地球繞行太陽的軌道進動示意;進動效應被刻意放大。(圖片來源

勒維耶分析了從 1697 年到 1848 年的水星觀測資料,發現水星的近日點進動,與用牛頓萬有引力理論考慮其他行星的影響所算出來的進動數值,每世紀差了三千六百分之三十八(38/3600)度[2]──這是多麼微小的數值,卻又真實存在!

因為之前海王星的成功經驗,勒維耶猜想:介於太陽和水星軌道之間,可能存在未曾發現過的星體,影響了水星的運行;他將其命名為瓦肯星(Vulcan)[3]

無奈地,這一次任憑天文學家花費幾十年尋找,甚至勒維耶也已去世良久,瓦肯星始終不見蹤影;而水星近日點進動問題便懸而未決,延續到二十世紀。在 1915 年,愛因斯坦才利用廣義相對論成功將此問題劃上句點。

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愛因斯坦在1915年的論文中,運用廣義相對論解決了水星的近日點進動問題。(圖片來源

根據我們目前所知,水星的近日點每世紀會移動約 574/3600 度,其中牛頓萬有引力效應佔了 532/3600 度,而廣義相對論造成的效應幾乎剛好就是兩者之差。廣義相對論針對牛頓萬有引力定律所描述的重力,做出了細緻的修正──這個修正在大多數狀況下,微小到可以忽略;只有在水星近日點進動這樣的例子,差異才會顯現出來。可以說,水星近日點進動問題的解決,是幫助廣義相對論得到世人認可的重要原因之一。

廣義相對論的黑洞測試

科學家拿星體運行來測試重力理論的故事就到此為止了嗎?非也。既然原本得到廣泛驗證的牛頓萬有引力定律,因水星近日點進動現象而被找到缺陷,那麼現在大獲全勝的廣義相對論,自然也有可能在某種特殊環境下暴露弱點──科學家於是把腦筋動到了黑洞頭上。

黑洞堪稱宇宙裡數一數二極端的天體,龐大的重力吞噬一切,無疑是測試重力理論的理想選擇。就像水星繞行太陽會產生進動,是否,繞行黑洞的星體,其軌道也會有進動現象呢?又是否完全可以用廣義相對論來解釋?

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針對廣義相對論的正確性問題,一群科學家團隊花了二十七年,觀測環繞無線電波源人馬座A*(Sagittarius A*)運行的恆星S2,並於今年(2020)四月,在《Astronomy & Astrophysics》期刊發表最新成果

人馬座A*位於銀河系中心,距離地球約兩萬六千光年,質量估計為四百多萬倍太陽質量,據信極可能是超大質量黑洞;環繞於外的 S2 具有十多倍太陽質量,與人馬座A*的最近距離是十七光時(海王星到太陽距離的四倍),軌道週期為 16 年(海王星軌道週期是 165 年)。研究發現,S2近心點(pericenter,最靠近重力中心的點)的進動約為每軌道週期 12/60 度,與廣義相對論的預測相符──即使在重力如此強大的環境,廣義相對論依舊通過試煉。

藝術家描繪的S2繞行人馬座A*示意圖;為了清楚顯現 S2 軌道因為進動而逐漸改變位置,進動效應被特意放大。(ESO/L. Calçada

本次研究的意義

儘管沒有發現廣義相對論的破口,這次的成果仍然別具意義:它是人類第一次確認以黑洞為中心的進動現象;再者,若人馬座A*附近存在某些看不見的物質(如暗物質,或其他小型黑洞等等),科學家也能依據數據給出嚴格的質量上限。可以肯定的是,隨著觀測技術的發展,我們對於宇宙、或者黑洞的理解,將持續進步;說不定哪天,還真能發現廣義相對論的問題呢。

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參考資料

註釋

  • [1] 實際上,勒維耶計算出的海王星軌道,與真正的海王星軌道仍有一些差距。但這並無礙於發現海王星的偉大成就。
  • [2] 多年後,其他科學家重新評估牛頓萬有引力理論和實際觀測的差距,得出每世紀三千六百分之四十三(43/3600)度的數值,跟現代觀測吻合。
  • [3] 就跟《星際爭霸戰》(Star Trek)裡的瓦肯星同名。不過可以確定勒維耶並不是因為看了《星際爭霸戰》才這麼命名的。
科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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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
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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

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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
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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)

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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。

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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!

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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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意外發生!我們與新視野號太空船失聯了——《冥王星任務》引言(上)
時報出版_96
・2019/05/28 ・2237字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

關鍵時刻,意外發生

二○一五年七月四日,星期六的下午,航太總署的「新視野號」冥王星任務負責人艾倫.史登人在距離新視野號計畫任務控制中心不遠處的辦公室裡。他星期六也沒休息,但工作到一半,電話鈴聲突然響起。他不會不知道這天美國國慶放假,但對他來講,這天真正的意義是「飛掠冥王星前十天」。新視野號,這個他投入了前後十四年的飛行器任務,如今只剩十天就要達成目標,將要與人類探索過最遙遠的系內行星面對面。

圖/pixabay

那天下午,一如往常埋首公務的艾倫,正忙著籌畫飛越冥王星的各項事務。進入任務的最後衝刺階段,他已經習慣睡少工作多,但那天他又特別比平常更早起,半夜就進到了任務指揮中心。他趕這麼早,是為了把大量的電腦指示上傳給飛行器,這些都是新視野號即將飛掠冥王星時不可或缺的導航資料。這一大包待傳的指令資料,代表的是近十年的努力心血。而那天早晨,已經以無線電波送出這些指令,現正以光速在追趕新視野號。至於冥王星,新視野號不斷接近當中。

看了一眼響著的手機,艾倫對來電的人是葛倫.方騰(Glen Fountain)有點吃驚。葛倫長年擔任新視野號任務的計畫經理。艾倫對葛倫此時來電,心生一股寒意,因為他知道住附近的葛倫今天休假在家。葛倫不是應該為了即將到來的重頭戲養精蓄銳嗎?他這時打電話是所為何來?

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無論如何,艾倫先接起了電話。「葛倫,怎麼了嗎?」

「我們跟太空船失聯了。」

艾倫回說:「我跟你約任務指揮中心,五分鐘後見。」說完艾倫掛上電話,在辦公桌前坐了幾秒鐘,驚魂未定的他搖了搖頭,直覺不可置信。計畫以外的失聯,是所有飛行器的大忌,對整整九年的航行都沒失聯過的新視野號來說,更是大忌中的大忌。眼看十天後就要飛抵冥王星,現在失聯會不會太要人命?

圖/wikimedia

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他抓起隨身的東西,把頭伸進走廊盡頭、他原本要主持的會議中交代說:「我們跟太空船失聯了。」聽他這麼說,同仁們震撼地望著他。「我現在去任務指揮中心一趟,去多久很難講,但今天大概不會回來了。」他頂著馬里蘭州的酷暑步行去取車,然後在約翰霍普金斯大學應用物理實驗室(Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory)的校園裡開了半英里(約一點六公里),來到了新視野號的指揮重地。這裡,是馬里蘭州的勞瑞爾市。

最漫長的一段車程

這短短幾分鐘的車程,不啻是艾倫一輩子感覺最漫長的幾分鐘。他對團隊處理危機有絕對的信心:他們演習過不知道多少種突發狀況,這個危機或許別人無法處理,但新視野號團隊絕對沒有問題。但話說回來,他還是不免擔心起自己最不樂見的情形。

他不免想起了航太總署那命運多舛的火星觀察者號(Mars Observer)。一九九二年發射的火星觀察者號,也曾在它要抵達火星的三天前失聯。地球上使盡渾身解數想要重建通訊,但都沒有成功。航太總署後來判斷火星觀察者號的燃料艙破裂,進而導致整艘太空船陷入無法挽回的災難。用白話說就是,船在太空中炸了。

艾倫心想:「萬一真的失去新視野號,這個橫跨十四年的計畫,超過兩千五百位同仁的心血付出,就付諸流水了。我們對冥王星的了解絲毫沒有增進,而新視野號則會成為夢想破滅的代名詞。日後凡提到某件事功虧一簣,新視野號的形象就會浮現眾人眼前。」

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嘗試連線

艾倫一抵達偌大、幾乎沒有對外窗的辦公大樓,也就是任務指揮中心的所在地,他首先停好車,把負面的念頭統統轟出腦袋,然後便進門開始幹活。新視野號的任務指揮中心,完全符合一般人對於太空飛行器控制中心的想像。只要你看過《阿波羅十三號》或其他的太空電影,你就知道那是一幅什麼樣的光景:發著光的巨型投影銀幕牆,是室內最搶眼的陳設,至於橫在銀幕牆前的控制台,則是一排接著一排、正常大小的電腦螢幕。

新視野號於 2015 年 7 月 14 日掠過冥王星時的飛行路徑。圖/wikipedia

在前往過去曾是太陽系第九顆行星的漫漫九年裡,新視野號的無線電是一種生命線般的存在。因為有了這條連結,團隊才得以聯繫飛船、控制飛船,另外要讀取飛船的狀態、接收飛船得到的觀測數據,也都得經由這條連線。隨著新視野號朝太陽系的外圍愈飛愈遠,通訊的時間延誤也愈來愈久。到了這最後關頭,地球與新視野的通聯已經要九小時才能一來一回,這是用光速行進需要的時間。

為了保持與地球的聯繫,新視野號跟所有長程無人太空船一樣,都倚賴一種幾乎不為人所知、當然也得不到稱頌的行星探險神器:航太總署的「深空網路」(Deep Space Network)。這是一個由三組巨型碟型天線集成、三位一體的無線電網,三處天線集成分別位於美國加州金石、西班牙馬德里,以及南半球澳洲的坎培拉。這三處的碟型天線完美無瑕地進行接力,擔下與飛船通訊的重責大任。因為地球會每二十四小時自轉一周,因此這三處選址才刻意散布在世界三大洲。不論飛船位於深邃太空的任何角落,總有一處天線可以對準訊號的來源。

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但如今……深空網路聯繫不上他們極其珍貴的資產,新視野號。

——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

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