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葉列寧彗星消失了?

臺北天文館_96
・2011/10/28 ・1149字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 513 ・六年級

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前陣子被末日論者封為「末日彗星」的葉列寧彗星(C/2010 X1(Elenin))(請參見天文新知2011-08-19 勿信網路謠言,C/2010 X1(Elenin)彗星對地球無任何威脅!),原本在9月底通過太陽與地球之間、無法觀測的日子之後,應該在10月初重新出現在日出前的天空,亮度約7等,東昇時間並隨之愈來愈早,觀測條件愈來愈好。但全球各彗星觀測者卻紛紛表示:找不到這顆彗星了!讓彗星觀測者們相當驚訝。

就在10/22,義大利天文學家Rolando Ligustri在彗星預測位置拍到一片約6’×40’大小的「星雲」(右方影像的偏上方);他起初以為是雜訊,但經過多幅影像疊加之後,確認它是葉列寧彗星殘骸。消息公布後,讓全球彗星觀測者大吃一驚。這未免和「常理上」該有的彗星模樣差太多了吧!

在此同時,另一組觀測者Remanzacco天文台的Ernesto Guido、Giovanni Sostero和Nick Howes也在同一晚拍到這片「彗星雲」。由於這片雲氣實在是太暗、太淡了,他們本來以為是月光或飛機飛越時的光線散射結果;但隔天晚上,他們發現那片雲還在那兒,而且按照葉列寧彗星預測的軌跡移動位置,因而證實確為葉列寧彗星的殘骸。Guido等人利用特殊方式(請見Remanzacco Observatory的天文部落格)處理觀測結果,發現這片「彗星雲」其實呈現圓錐狀,總長超過1.5度,而且面對太陽的一側厚達10角分,比背對太陽的一側還輪廓鮮明。

對於這個觀測結果,Guido等人經比對彗星資料庫,發現葉列寧彗星這個模樣和1994年撞擊木星的休梅克-李維9號彗星(Shoemaker-Levy 9)分裂後的長相很像。所以是否是彗星分裂的結果導致它「不見了」?另有彗星專家認為:或許只是彗髮消散,變得比較不明顯,而這片雲其實是殘餘的彗尾,至於彗核嘛,則是因為太暗而觀測不到(低於20等)。

目前關心這顆彗星的觀測者們都打算持續追蹤觀察,希望能找出為何葉列寧彗星會變成這副模樣的原因。

資料來源:SpaceWeather

(2011.10.26更新)

美國航太總署(NASA)於本新聞刊出後,也發出一則消息指出:葉列寧彗星消逝,已可忘記它的存在(NASA Says Comet Elenin Gone and Should Be Forgotten),新聞中指出這顆彗星的彗核分裂到非常小而難以偵察的地步,分裂後的碎屑將沿著原彗星軌道持續運動,約在12,000年後,如果這些碎屑還存在的話,就會再度轉回地球附近。

這顆彗星的近日點在地球與太陽之間,約0.5AU;但遠日點卻在太陽系邊緣的歐特雲(Oort Cloud)附近,幾乎是太陽到最近的恆星南門二的2/3遠了。因此,12,000年的軌道週期,對人類而言或許很久,但對這些天體而言,卻只是在太陽系中散佈一圈的時間而已。

彗星是由冰、石頭、塵埃和有機質等組成的,直徑僅約數公里到數十公里,但這些組成物質並不紮實,而是鬆鬆散散的聚在一起。因此,要讓彗核分裂並不費力,且一旦開始分裂,就再無復合之時。

資料來源:NASA Says Comet Elenin Gone and Should Be Forgotten

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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除了太陽和行星,那些太陽系間的愉快小夥伴們──《宇宙必修課》
天下文化_96
・2018/01/08 ・3635字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

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行星外的漆黑等於空無一物嗎? 圖/Valera268268 @Pixabay

從遠處看過來,我們的太陽系彷彿空空如也。

如果你用圓球包住太陽系,這圓球大到能容下行星中最外圍的海王星軌道;那麼太陽、所有行星和它們的衛星占住的體積,只比圓球體積的 1 兆分之 1 要多一點點。

不過,太陽系也並不是真的如此空曠,行星之間的空間還有許多岩塊、小圓石、冰球、塵埃、成群的帶電粒子和多艘在遠方飛航的探測船。除此之外,太陽系空間裡,也到處都是強大的重力場和磁場。(太陽系最外圍的行星不再是冥王星了,請接受這個事實。)

多不勝數的固定班底:大大小小的星際碎片

行星際空間其實雜物繁多,所以我們的地球以每秒 30 公里的速率在軌道上行進時,每天都會掃起數百噸的流星體,其中尺寸多半小於沙粒。這些流星體高速衝撞地球大氣產生的熱,會造成它們的表面汽化,於是大部分直接焚毀在地球的高層大氣裡。地球脆弱的物種有賴於這層大氣保護罩,才得以繁衍演化。較大的流星體,除了表面會被燒焦,基本上會相當完整的抵達地球表面。

看似漆黑無物的太陽系,實際上飛著各式物質。 圖/NASA

你或許認為經過了 46 億次的繞行太陽之旅之後,地球應該已經清掉了軌道上的所有碎片,但答案是:還沒有。不過和地球過去的遭遇比起來,現在的情況顯然大有改善。大約在太陽和行星形成 5 億年之後,有多到難以想像的碎片不停掉落到地球上,產生的撞擊熱不斷累積,導至大氣熾熱無比,地殼也完全熔融。

其中一顆非常大的碎片,導致了月亮的形成。在分析阿波羅探月計畫太空人帶回來的樣本後,發現月球的鐵和較重元素的含量意外的少,這表示火星大小的迷途原行星和地球發生擦撞後,那些從地球缺鐵的地殼和地函迸發出去;繞著地球運行的碎片,後來可能聚合成我們低密度的美麗月亮。

從地球缺鐵的地殼和地函迸發出去;繞著地球運行的碎片,後來可能聚合成我們低密度的美麗月亮。 圖/NASA

除了這個特別重大的事件,嬰孩時期的地球經歷的重轟炸期並不獨特,因為太陽系的其他行星和大型天體也都經歷過。大家也都受到類似的重大破壞,不過只有缺乏大氣的月球和水星,大致保存了這個時期的撞擊紀錄。

太陽系不但受到形成時留下的廢料撞擊,在近行星際空間裡還散布著火星、月亮和地球受到高速撞擊後,從表面彈出的大大小小岩石。流星體撞擊的電腦模擬證明,撞擊區附近的表岩噴飛的速率,高到可以掙脫天體的重力束縛。我們從地球上火星隕石的發現率,可以推斷出每年約有 1 千噸的火星岩石掉到地球上;而每年或許也有大約等量的月岩掉到地球上。回想起來,我們其實用不著特地飛到月球去拿月球岩石,地球上就多得是。只不過,我們沒辦法挑精撿瘦,而且在阿波羅計畫年代,我們也不知道有這回事。

地球上就撿得到月球岩石?!但你認得出哪顆是來自月球的石頭嗎…… 圖/NASA

可能會讓物種滅絕的狠角色「小行星」

大部分太陽系的小行星分布在火星與木星間,形狀扁平的小行星主帶上。在傳統上,小行星的發現者有命名權,高興用什麼來命名都可以。通常在畫家描繪的圖示裡,小行星帶是太陽系盤面上一個散布著凌亂崎嶇岩塊的區域。

小行星帶的總質量不到月球質量的 5%,月球的質量則只比地球的 1% 要多一點點而已。雖然小行星的質量不大,但它們的軌道不斷受到擾動,因此形成了一群大約數千顆特別危險的近地小行星,它們的扁平軌道會和地球軌道交錯。簡單的計算指出,它們大部分會在 1 億年內撞上地球。尺寸大於 1 公里的小行星在撞上地球時,產生的能量會高到嚴重破壞地球的生態系統,可能使大部分的陸地物種滅絕

這當然是糟透了。

小行星並不是唯一會危害地球生物的外太空天體。在海王星之外的柯伊伯帶(Kuiper Belt),帶寬大約和海王星與太陽的距離相當,其中成員包括了冥王星,是一個滿布彗星的環形區域。遠在六十多年前,荷蘭裔美國天文學家柯伊伯(Gerard Kuiper)就指出,在海王星軌道外頭的寒冷深空裡,藏著從太陽系形成時期殘存下來的冰質天體。由於這附近沒有大質量行星來吸收這些彗星,於是大部分彗星就靜靜的繞太陽運行了數十億年。

就如同小行星帶一樣,部分柯伊伯帶天體的軌道極扁平,並會和其他行星軌道相交。例如冥王星和同軌道的那群冥族小天體,它們較靠近太陽時軌道區會和海王星軌道交錯。另外還有一些柯伊伯帶天體的軌道會深入太陽內圍,放肆的穿過許多行星軌道;在這群天體中,最著名的是哈雷彗星。

在柯伊伯帶後方很遠的地方,大約在前往最鄰近恆星的半途上,有一個稱為歐特雲的彗星儲存庫,它呈現球形分布,名字來自首先推斷出它存在的荷蘭天文物理學家歐特(Jan Oort)。

歐特雲(Oort Clude)是長週期彗星的源頭,這類彗星的軌道週期比人類生命還要長。與柯伊伯帶彗星有別的是,歐特雲彗星可以從任何方向,以任何軌道傾角進入太陽系內圍。1990 年代最明亮的海爾─波普彗星(Comet Hale-Bopp)及百武彗星(Comet Hyakutake),都是源自歐特雲,而且在短時間內都不會再度回歸。

海爾─波普彗星。 圖/NASA

有大氣層真好:太陽風極光

太陽風與地球磁場相接想像圖。 圖/NASA @wikipedia

太陽表面每秒會散失超過 1 百萬噸的質量,而形成的物質流稱為太陽風,太陽風主要的成分是帶電的高能粒子。太陽風粒子時速最高可達 1 千公里,粒子以這種高速向外泛流成群穿過太空,只有遇到行星磁場時才會轉向。

太陽風的部分粒子以螺旋軌跡掉向行星的磁北極和磁南極時,會撞擊氣體分子,激發大氣發出多彩多姿的極光。哈伯太空望遠鏡已在土星及木星的極區發現極光,而出現在地球上的北極光及南極光,時不時的提醒我們:有大氣層的保護真好。

我們通常說,地球的大氣層從地球表面向上延伸數十公里。而低軌道上的衛星,在 100 公里到 400 公里高的軌道上,大約 90 分鐘會繞地球一圈。

你雖然無法在這種高度呼吸,不過這個區域仍有不少大氣分子存在,摩擦力已足以讓衛星慢慢失去軌道能量而下墜。為了要對抗這種阻力,低軌道的衛星偶爾要重新提升軌道高度,免得掉回地球,焚毀在大氣中。

大氣層邊界的另一種定義為:「地球氣體分子的壓力」和「行星際氣體分子壓力」相等之處。根據這種定義,地球大氣層的範圍有數千公里。在這個高度上方的 36,800 公里處(大約是地球與月亮距離的 1/10),是通訊衛星的國度。在這個特殊的高度,地球大氣的影響無關緊要,衛星的速率也很低,並且恰好和地球的自轉速率相同,所以衛星每天剛好繞地球一圈。相對於地面,這種衛星看似一直飄浮在正上空,是理想的訊號中繼站,能為地表不同的區域轉傳訊號。

謝謝「重力盾牌」木星,為地球擋下危險

牛頓重力定律指出,雖然你若距離行星愈遠,受到行星重力的影響也愈弱,但這個影響並不會降到零。木星用它強大的重力場,把很多原先會在太陽系內圍造成重大破壞的彗星趕開。所以對地球而言,木星就像重力盾牌,也像在保護地球的粗壯大哥,讓地球享有長達億年,相對平安和寧靜的時期。如果沒有木星提供的保護,地球生命除了很難演化成更有趣的複雜生命,也會活在可能受到致命撞擊而滅絕的危險環境中。

探索土星的卡西尼號探測船(Cassini–Huygens)。 圖/NASA

我們一直在利用行星的重力場為太空探測船提供能量。就以前往探索土星的卡西尼號探測船為例,它受到許多行星的重力協航,其中金星兩次、地球(由金星返回時)和木星各一次。探測船在多顆行星間輾轉飛航,以酷似撞球檯上撞球的路徑行進,是很常見的操作方式。如果不這樣,火箭提供的飛行速率和能量,不足以讓我們的小探測船前往目的地。

眾多命名不盡的小行星

我現在對太陽系的行星際碎片有些許責任了。2000 年 11 月,由李維(David Levy)和舒梅克(Carolyn Shoemaker)發現的主帶小行星 1994KA,後來命名為「13123– 泰森(13123 Tyson)」來向我致敬。我雖然享有這個殊榮,但其實也沒有什麼好自大的,因為還有許多類似的小行星,以喬笛、哈洛特和湯瑪斯等常見的名字命名。還有一些小行星的名字叫梅林、龐德和聖誕老人。

目前發現的小行星,數量已將近數十萬顆,可能很快就會對我們命名的能力產生挑戰。不管這種時日是否會來臨,我覺得相當欣慰的是,以我命名的那個宇宙碎片在行星間遊蕩時,並非孤苦無依,而是有一大堆以真人和虛構人物為名的其他天體為伴。

此刻讓我更高興的是,我的小行星並沒有直衝地球而來。

 

 

本文摘錄自《宇宙必修課:給大忙人的天文物理學入門攻略》,天下文化出版。

 

 

 

 

 

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第九行星到底存不存在?--《物理雙月刊》
物理雙月刊_96
・2017/09/23 ・2722字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

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  • 文/陳英同|中研院天文所博士後研究員

肉眼、望遠鏡、推理:這就是整個太陽系了嗎?

人類用肉眼觀察行星。圖/Pixabay

遠古以來,人類在深夜裏仰望天穹, 結合神話故事,想像出一百多個星座。就在這樣充滿故事但是顯少改變的夜空中,有幾個星點被古代天文學家發現了規律的週期運動,這就是我們現在所知道的太陽系行星,並且以最有名的幾個希臘神來命名,例如:阿波羅(Apollo)-太陽、維那斯(Venus)-金星、朱比特(Jupiter)-木星等等。

不過畢竟肉眼的能力有限,頂多只能看到視星等五等多的天王星(不過天王星不是肉眼發現的,是利用望遠鏡偶然發現的)。在中古世紀,人們覺得這七顆行星應該就是太陽系中所有的行星了(不過確定他們是繞著地球還是太陽轉,又是另一個很長的故事了)。

在1846年,數學及天文望遠鏡發展了一段很長時間後,天文觀測精確度以及計算能力都剛好滿足時,天文學家發現最外圍的天王星似乎在天空中有著不規則的運動,而且剛好可以假設一顆還未發現行星的重力擾動來解釋,也因此而發現了海王星。

海王星,發現!source:Wikimedia

有了這個成功的例子,天文學家開始利用相同的方法去找尋是否海王星外是否還有未發現的行星。在1930年終於發現了冥王星,這也是唯一美國人發現的行星(雖然我們現在知道冥王星被降級成「矮行星」,再也不是太陽系的行星了······)。

冥王星。source:Wikimedia

在這之後,人們「又開始覺得」這應該就是整個太陽系的模樣了,但是理論天文學家就不這麼覺得了。荷蘭天文學家揚.歐特(Jan Oort)首先在 1932 年左右首先提出長週期彗星的來源,應該是一個距離 20000 au (天文單位,地球到太陽的距離)的球狀雲團 ,也就是歐特雲。

庫柏(Gerard Peter Kuiper)跟艾吉沃斯(Kenneth E Edgeworth)在 1950年代時,提出了海王星外應該有個太陽系形成時,所殘留下來的原始行星盤的假說。費南德茲(Julio Fernández)與中央大學的葉永烜老師在 1987 年進一步用數值計算模擬推論出位於 35 到 50 au 應該要存在一個彗星帶或是行星盤,才能解釋短週期彗星的成因。有了這些理論的基礎,1992 年麻省理工學院的朱維特(David Jewitt)終於找到在發現冥王星 60 多年之後的第二顆庫柏帶天體1992QB1,並且開啟了海王星外天體的大航海時代。

在古柏帶已知天體,數據源自小行星中心。 在主帶天體顏色為綠色,而分散的天體為橙色。四個外側行星是藍色的。海王星幾顆已知的特洛伊為黃色,而木星的為粉色。分散在木星軌道和古柏帶之間的天體被稱作半人馬小行星。圖中單位為天文單位。底部明顯的缺口是由於很難把他們從銀河背景中分辨出來。 source:wikipedia

在 2006 年,任職於加州理工學院的布朗(Michael Brown),利用第一代的大視場天文數位相機,發現了絕大部分的比較亮或是比較大的庫柏帶天體,包含表面有水冰光譜的妊神星(Haumea)家族、推測是內歐特雲的賽德娜(Sedna, 小行星 90377),以及跟冥王星大小差不多的鬩神星(Eris)。鬩神星的發現也間接了否定了冥王星行星的定位,西方媒體也戲稱布朗是冥王星殺手。

在接下來的十年中,觀測天文學家利用更大的望遠鏡、更新更廣的電子相機,找到了超過二千個庫柏帶天體。由於離太陽越遠,太陽系原始物質的空間密度會越來越低,在近二十年的觀測裡,也並沒有發現其他會影響庫柏帶天體的天體。這時,大家又開始覺得,真正的太陽系應該就是這樣了:庫柏帶跟歐特雲中間應該沒有什麼大東西存在了。

第九行星,下一個就是你:但是你在哪裡?

自從賽德娜發現後十年,行星動力學一直無法很好的解釋它的來源與存在。由於它離海王星實在非常的遠,離海王星軌道最近的距離比海王星軌道還多一倍 (76 au v.s. 30 au),動力學模擬的結果也證明在46億年內(太陽系的年齡) 它都不會改變它的軌道,那它是如何跑到到那個位置的呢?

一般相信這個與世獨立的存在需要一些外力,例如漂流的恆星通過太陽系外、或是太陽形生成於星團中,而後才離開星團。但這些理論大多只能說是假設,缺少觀測上的支持。但是在這十年間,天文學家陸續找到數顆與賽德納很像的天體,並且發現這些天體的軌道傾角與近日點的位置有特別的趨勢(見圖1、2),但由於數量過少,這個領域的研究方向一直還未確定。就在去年的二月,加州理工學院的巴特金(Konstantin Batygin)與布朗敲響了第九行星理論的第一聲響,發表了一顆十倍地球質量行星位於 250 au 的理論模型。而這個模型剛好可以適當的解釋遠近日點的天體為何都偏向同一邊(見圖)以及傾角分佈,以及他們如何生成的。

圖1. 內歐特雲天體的近日點大都面向上方。圖/作者提供

行星科學界最重要的定期會議之一是美國天文學會下的 DPS (Division for Planetary Sciences)會議,在裡面接受報告的論文都是最新、最有影響力的研究結果,許多科學媒體也會參與會議,然後立即發出新聞稿。在這個會議中,巴特金受邀發表大會演講,接在他之後的數個論文報告,也都提出一些觀測上跟理論上的一些支持的論點,包含:

  1. 雪柏(Scott Sheppard)又找到數顆遠近日點的天體
  2. 太陽自轉軸的偏差能用第九行星來解釋
  3. 這些遠近日點的天體剛好在這顆推論行星的軌道共振點上。

當然,除了正方的結果,也出現了不少反方的研究,其中最重要的二個結果就是:

(1) 這顆行星的存在將會把現在所見的庫柏帶外的結構摧毀,

(2) 銀河盤面並沒有巡天資料,所以觀測上有明顯的偏差。

現在這個狀況,舉一個眾所皆知的例子,就像UFO到底是外星人太空船,亦或只是地球上的飛行器或者各種光影的組成而已?先不討論照片合成或是誤認,正方反方都能提出不少「說法」或是「間接證據」,但是現況就是我們並沒有確切的證據來證明UFO是外星飛船。

觀測天文學家與理論天文家存在一種微妙的關係:既競爭又合作。理論天文學家可以利用一些假設來預測現在技術看不到的東西或現象,觀測天文學家則是不斷用最新的科學技術去發現、或是證明假設是否正確。一但當科學技術進步到能觀測到應該要觀測的天體時,眾多理論在這時就是大審判的時候了。

目前許多國際研究團隊包含卡內基天文台、加州理工學院及日本國立天文台,都如火如荼地進行尋找第九行星的觀測工作,尤其是位於夏威夷的 Subaru 望遠鏡,由於它是目前口徑最大(八公尺)的大視場望遠鏡,所以擔任起許多重要的觀測工作。所以第九行星到底存不存在?相信這個問題在不久的將來就會真相大白了。

圖2:作者發現的內歐特雲天體-2010-GB174。圖/作者提供

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 8 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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尋星啟事:「第九行星」下落不明,請你幫忙尋找
歐柏昇
・2017/04/11 ・5093字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 503 ・六年級

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最近,科學家張貼一份協尋啟事。究竟是什麼東西,需要全世界的人們一起幫忙尋找?不是通緝犯,也不是失蹤的寵物,而是失落的「第九行星」。

藝術家想像的第九行星。圖/By Caltech/R. Hurt (IPAC)

尋找「X 行星」

早在 1905 年,羅威爾(Percival Lowell)就開始尋找海王星外的未知行星。他發覺天王星、海王星的軌道有些異常,並可用一個未知行星的拉扯來解釋。這個未知的行星,就姑且稱作「X 行星」了。

其實,由已知行星的運行軌道,來預測未知的行星,並不是什麼新鮮的事情。1846 年,勒維耶(Urbain Le Verrier)以牛頓力學計算出天王星軌道的偏差,大膽預言有個未知行星在拉扯天王星軌道。他把理論預測的數字交給柏林天文台的伽勒(Johann Gottfried Galle),據說不到一小時,一個新的行星就被找到了──這顆行星就是海王星。

發現海王星的成功經驗,給後世科學家許多啟發。羅威爾試著如法炮製,尋找「X 行星」。可惜歷史無法順利地複製,羅威爾在 1916 年逝世前,並沒有找到這顆 X 行星。不過,他留下的羅威爾天文台繼續運作,並在 1930 年找到了一顆新的「行星」,也就是冥王星。羅威爾追尋已久的 X 行星,終於由後人找到了嗎?不,可惜冥王星的質量太小了,根本沒辦法達成羅威爾從行星軌道算出來的預測值。所以,就算 X 行星存在,它絕對不是冥王星!

1993 年,天文學家以現代觀測的精確數據,重新計算行星運動的軌道,證實「X 行星」的預言是建立在不準確的觀測數據上,實際上根本不需要「X 行星」,就能解釋海王星現在的軌道。神秘的「X 行星」假說,被天文學家踢出門外了。冥王星的下場更慘了,不但不是「X 行星」,還從行星名單當中被除名了。2006 年國際天文聯合會(IAU)決議,將冥王星移除九大行星之外,成為「矮行星」。從此,太陽系的行星總數回歸到八個。

往更遙遠的地方走去

我們不必為冥王星的除名哀悼,因為事件的背後,代表更多驚奇的發現。1990 年代以來,天文學家漸漸發覺,冥王星並不孤單,它與許多小天體一起居住在海王星之外的「古柏帶」。隨著海王星外天體的逐一發現,人們才知道冥王星只是古柏帶天體的其中一個而已。人類對於太陽系邊緣的認知,往更遙遠的地方開展。

在這十幾年來,人們才開始找到冥王星的「鄰居」──或可說是讓它被除名的「兇手」。其中有一個海王星外天體非常特別,名字叫作賽德娜(Sedna),是在 2003 年由麥可.布朗(Mike Brown)、查德.特魯希略(Chad Trujillo)和大衛.拉比諾維茨(David L. Rabinowitz)找到。賽德娜可能與冥王星一樣是矮行星,但離我們相當遙遠。冥王星與太陽最近的距離是 30 天文單位(1 天文單位的意思是「地球與太陽的距離」),目前找到的其他海王星外天體也大致在 30 至 50 天文單位的古柏帶範圍內。然而,賽德娜與太陽最近的距離卻是 76 天文單位,在非常外圈的橢圓軌道繞太陽公轉,令人懷疑是否還能算在古柏帶之內。許多天文學家認為,賽德娜有可能與太陽系更外層的「歐特雲」有所聯繫。

到了 2012 年,特魯希略與史考特.雪柏(Scott Sheppard)發現一顆新的天體,打破了賽德娜的紀錄。這顆稱為2012VP113 的星球,離太陽最近的距離竟然高達 80 天文單位。這個新發現,代表賽德娜不是單一的特例,還有其他天體位在這麼遙遠的地方。問題來了,它們怎麼會出現在離太陽這麼遙遠的地方?現在的位置可能不是誕生地,因為那裡缺乏氣體和塵埃,很難形成較大的星球。科學家猜測,它們誕生之初可能受到某些重力影響,有可能是與其他原行星拉扯,也有可能是外來的恆星從附近通過而改變它們的軌道。

許多證據指向「第九行星」可能存在

賽德娜與 2012VP113 提供了更多有趣的線索,改變我們對太陽系的認識。特魯希略與雪柏利用它們的運行軌道推論,可能有個比地球重、比海王星輕的天體,位於離太陽 250 天文單位的軌道上。康斯坦丁.巴提金(Konstantin Batygin)和麥可.布朗在 2016 年 1 月發表新的研究,利用賽德娜、2012VP113 以及另外四個較遙遠的古柏帶天體的運行軌道,得出一個驚人的結論──「第九行星」可能存在,它的質量大約是地球的 10 倍,與太陽最近的距離約 200天文單位,繞太陽公轉的週期是 1 萬至 2 萬年。

天文學家其實沒有直接看到「第九行星」。到底有什麼可靠的證據,說明「第九行星」存在呢?賽德娜、2012VP113與其他幾個「極端海王星外天體」,共同具備某些奇怪的特性。首先,它們離太陽最近的時候,位置都剛好在黃道面上[註1]。且它們通過黃道面的方向,都是由南向北。再者,它們運行軌道的長軸都在同方向,好像某東西推過去的。從下圖可以清楚看到,這幾個「極端海王星外天體」軌道的長軸(也就是離太陽遙遠的一端)都在圖中的左邊[註2]。這可能不是巧合,而是巨大的「第九行星」重力拉扯而形成的現象。此外,「第九行星」會造成許多古柏帶天體的軌道嚴重傾斜──這些奇異的天體也的確存在。麥可.布朗說,如果他在什麼都不知道的情況下看到這篇論文,一定會覺得太瘋狂了,但是看完這些證據和統計,很難有其他結論了!

  • 註 1:太陽系內主要的行星,幾乎都在同一平面上繞太陽公轉,這個平面就稱為「黃道面」。賽德娜與地球、火星等行星不同,並不是隨時都在黃道面上,但離太陽最近時剛好在黃道面上。
  • 註 2:2016 年學者發表了一個長軸指向右邊的極端海王星外天體,因此不能說每一個都指向左邊。
在 2016 年初之後開啟了「第九行星」的討論。太陽系內目前知道的六個最遠的古柏帶天體(軌道在海王星外),全都神秘地排列在同一方向。以三度空間來看,它們幾乎以相同的角度偏離太陽系平面。巴提金和布朗說明,我們需要一顆 10 倍地球質量的行星,位在遙遠的偏心軌道,且與其他六個天體不連成一線,才能保持圖中這種組合。圖/By R. Hurt/IPAC/Caltech

「第九行星」的假說,似乎還能解釋許多長久以來的謎團。2016 年 10 月,在美國加州舉行的行星科學會議上,巴提金和布朗的合作者,加州理工學院的研究生伊莉莎白.貝利(Elizabeth Bailey)提出對於「太陽傾斜」的研究。早在 1800 年代,人們就知道太陽不尋常的傾斜,但是這件事不常被討論,因為沒人有任何線索知道它是什麼造成的。所謂「太陽傾斜」,意思是太陽從黃道面偏斜了大約 6 度,至今還沒有人能成功解釋。

貝莉的研究將太陽傾斜的罪魁禍首指向「第九行星」,如果存在一個巨大而遙遠的行星,可能增加了太陽系的搖擺,使得太陽些微地傾斜。貝莉說:「因為第九行星質量很大,而且軌道比其他行星更傾斜,太陽系只好慢慢地扭曲,不再排列得那麼整齊了。」巴提金說:「它持續使我們感到驚奇。每次我們仔細看,就發現第九行星又能解釋一些太陽系長久以來的謎團。」

亞利桑那大學的天文學家雷努.馬霍特拉(Renu Malhotra)等人,還有另一個證據說明未知行星的存在。他們分析公轉週期非常長的「極端海王星外天體」,發覺這些天體曾經與某個未知行星發生共振。經過計算,未知天體繞太陽公轉的週期大約 17000 年,且一個 10 倍地球質量的行星可以合理解釋這種共振現象。

以上許多證據,都指出太陽系內的「第九行星」可能存在。問題是,找到「第九行星」有什麼意義?是因為冥王星除名後,「九大行星」被迫改成「八大行星」,如果找到第九顆就可以改回大家習慣的稱呼嗎?當然不是這麼無聊的理由!事實上,如果找到「第九行星」,可能徹底改寫我們所知的太陽系演化史。竟然在這麼遙遠的地方,可以存在一顆巨大的行星,它的身世來歷真是耐人尋味了。

更有趣的是,這幾年天文學家在太陽系外找到了許多重於地球、輕於天王星與海王星的行星,也就是被稱為「超級地球」的行星。奇怪的是太陽系的八大行星當中,並不存在這種行星。假如「第九行星」存在,且如預期是 10 倍地球質量,那就填補了這個空缺。儘管關於「第九行星」的爭論還沸沸揚揚,我們對於太陽系的探索又前進一步。

一起上網尋找失落的行星吧!

我們似乎又回到 1846 年尋找海王星的那個情境,理論預測一個未知的行星存在,等待人們去找尋。巴提金也說,的確有點重現歷史的意味。不過,經過一百多年,科技突飛猛進,當年一小時找到海王星,現在應該可以一分鐘找到「第九行星」吧?實際上並非如此,現在天文學家還在煩惱著要怎麼把它找出來呢!因為它離我們太遠了,也離太陽太遠了,不像鄰近的行星,反射了太陽光就輕易被我們看見。太陽系遠比你想像中大得多,人類根本還無法掌握太陽系邊緣那個非常昏暗卻充滿驚奇的世界。

理論預測之後,天文學家很努力在望遠鏡拍攝到的眾多影像中,尋找「第九行星」的下落。雪柏說,這就像玩遊戲一樣,你不知道哪張照片會有超級地球在裡面。尋找的訣竅,就在於看它移動得多慢。如果找到移動夠慢的天體,代表它離我們夠遠,這才有趣,要不然就只是一般的古柏帶天體。

然而,這個工作就是大海撈針。一個人只有兩隻眼睛,光是幾個天文學家,想要找到新的行星,實在太困難了。那是不是能利用電腦幫忙尋找呢?可惜,在這方面,人眼還是比電腦銳利多了。天文影像當中,有許多非真實天體造成的光點,電腦經常會受騙,但人眼很容易辨認出來那是假的。

天文學家決定嘗試一個新的方法:利用全世界的眾多人的眼睛,一起幫忙尋找「第九行星」。網際網路把全世界的人們串聯在一起,天文學家只要設計一個容易操作的小工具,將天文影像放上網,大家就可以到網站上幫忙尋找了。

於是,天文學家就設計了這個網站「Backyard Worlds: Planet 9」。點選「classify」,就可以進去尋找失落的行星了。網頁顯示的天文影像,是由廣域紅外線巡天探測衛星(WISE)拍攝,這是紅外光影像,可以偵測行星自己發出的光。如果「第九行星」的特性符合預期,應該會出現在某一組照片的某一個角落。或許你就是那個幸運兒,現在「抽到」的這組照片,就是具有「第九行星」的那張!當然,看越多張照片,找到的機會就越大了。

Backyard Worlds: Planet 9」 網站首頁

每組照片都有不同時間拍攝的幾張,請你當作動畫來看。我們要觀察的重點就是是否有天體在移動。移動的天體,有可能是「第九行星」,也可能是一種稱為「棕矮星」的天體,它們是形成失敗的恆星,有可能出現在太陽系外圍,天文學家也很有興趣尋找。如何判斷天體在移動呢?我們需要找兩種型態的天體,一種是「雙極(dipole)」,原本亮左邊,後來亮右邊,其實是移動速度慢的天體。另一種是「移動物(mover)」,很明顯在影像中移動,這些是移動速度較快的天體。這兩種特徵,都是天文學家有興趣尋找的天體,請你都利用「標記工具」,在圖片上標記出來。若有這兩種型態的天體,在動畫中的每張照片都需要標記,才方便追蹤它的移動。如果沒有任何雙極或者移動物,請你直接按「完成」。

左圖是「雙極」特徵的天體,右圖是「移動物」特徵的天體,此二種為「Backyard Worlds: Planet 9」計畫欲尋找的目標,請參與者協助將它們標記出來。圖/「Backyard Worlds: Planet 9」網站
Backyard Worlds: Planet 9」網站介面說明

不過請特別注意,有些容易混淆的光源,不要選進去了。首先,鋒芒四射的光源其實是恆星(如下圖左),不需列入,別把它和「雙極」搞混了。此外,有些光源並非真正來自天體(如下圖右),就像鬼影一樣,肉眼通常能辨識出來,也請你不要選到它們了。頁面右邊的「Field Guide」有更多例子,可以點進去參考。

左圖為恆星,右圖為非天體造成的造光源,兩者皆「不是」需要標記出的天體。圖/「Backyard Worlds: Planet 9」網站

了解遊戲規則之後,趕快上網幫忙尋找「第九行星」吧!人類對宇宙的探索愈加深刻,卻發覺我們自己居住的太陽系比想像中來得複雜,值得深入發掘的面向還有很多。在網路串連全世界的時代,天文學家號召全世界大眾一起幫忙。這就是「網路公民天文學」的概念,人人都能作為天文學家,到我們的家園──太陽系的邊緣探險,在無數的影像中尋找寶藏。不論是否真的找到「第九行星」,這些「鍵盤天文學家」對於古柏帶天體與棕矮星的搜尋,將有不少貢獻。其實,在Zooniverse這個網站上,還有很多其他的公民天文學計畫,歡迎你一起上網探索宇宙!

  • 「Backyard Worlds」公民天文學網站的介紹影片:

參考資料:

歐柏昇
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台大物理與歷史系雙主修畢業,台大物理碩士。現為台大物理系、中研院天文所博士生,全國大學天文社聯盟理事長。盼望從天文與人文之間追尋更清澈的世界觀,在浩瀚宇宙中思考文明,讓科學走向人群。