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掩星觀測顯示鬩神星和冥王星大小幾乎相等

臺北天文館_96
・2011/11/03 ・1722字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

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天文學家利用鬩神星掩星的方式,精確測量鬩神星的直徑,結果發現鬩神星的直徑幾乎與冥王星相同;這個結果同時暗示鬩神星的表面反照率比預期還高,很可能在其表面佈滿了均勻的薄冰層。相關論文發表在自然(Nature)期刊中。

鬩神星是太陽系目前已知的5顆矮行星之一,發現至今,一度認為其直徑比冥王星大,而讓天文學決定新增一個分類–矮行星,且造成冥王星被從行星改分類為矮行星的關鍵因素。當鬩神星從某顆遙遠恆星的前方通過時,會掩蓋星光,天文學家可以根據掩星時間長短來精確測定鬩神星的直徑;這是天文學家用以測定遙遠太陽系天體直徑的方法中最精確的,而且常常是唯一的方式。此外,如果多點同時觀測,綜合各地觀測結果後,可估算出這些遙遠天體的大致形狀。

由於鬩神星體積不大,而且又很遙遠,在天空中的移動速度緩慢,所以鬩神星掩星事件相當稀少且觀測難度高;下一場鬩神星掩星事件得等到2013年呢!這場鬩神星掩星事件發生於2010年11月,由於機會難得,由法國、比利時、西班牙和巴西等國的天文學家組成一個聯合團隊,在掩星事件發生前就開始小心地計畫觀測事宜,全球總觀測點則多達26處,多半沿著預測的掩星帶分佈,其中包含一些業餘天文台。

This diagram shows the path of a faint star during the occultation of the dwarf planet Eris in November 2010. Two sites in South America saw the faint star briefly disappear as its light was blocked by Eris and another recorded no change in brightness. Studies of where the event was seen, and for how long, have allowed astronomers to measure the size of Eris accurately for the first time. Surprisingly, they find it to be almost exactly the same size as Pluto and that it has a very reflective surface. Credit: ESO/L. Calcada   而專業天文台中,有2處位在南美智利;Bruno Sicardy等人利用歐南天文台(ESO)La Silla觀測站的0.6米比利時TRAPPIST望遠鏡(TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope)進行觀測,這是La Silla最新設置的自動望遠鏡;而另一處阿卡塔瑪的聖佩卓( San Pedro de Atacama)則有兩座望遠鏡加入觀測。而在掩星之前,天文學家已經用同樣在La Silla的2.2米MPG/ESO望遠鏡確認過將被鬩神星掩過的這顆昏暗恆星。這3座望遠鏡都記錄到鬩神星掩星瞬間,恆星亮度突然下降的現象。將智利這兩處的觀測資料整合後,發現鬩神星的形狀非常幾近正球形,沒有過於龐大的山脈將此天體拉到變形。

先前利用其他方式觀測鬩神星直徑,顯示鬩神星的直徑約比冥王星大25%,接近3000公里。但利用掩星方式測得的新結果則僅約2326公里,誤差僅±12公里。這個數值與冥王星直徑約2300~2400公里相當。冥王星的直徑比較不易測量,是因為冥王星具有薄薄的大氣層,讓掩星過程中,冥王星邊緣顯得有點模糊所致。

天文學家先前也曾利用鬩神星的衛星鬩衛一(Dysnomia)來估算鬩神星的質量,得出1.66×1022 kg,約比冥王星重27%,但僅及月球的22%而已。綜合直徑與質量資料後,得出鬩神星的平均密度約為2.52g/cm3,雖比月球的3.3g/cm3低,但仍顯示鬩神星很可能是一個龐大的岩質天體,其中核心處佔了約85%的是岩石,而在最外層約100公里厚的是佔了剩餘15%的水冰。

此外,鬩神星的表面反照率(反射太陽光的比例)高達0.96,換言之,每100%的陽光照射到鬩神星之後,有多達96%的陽光會被反射回太空。這個反射率比地球的雪面反射率還高,讓鬩神星和土衛二(Enceladus)一起成為太陽系中反照率最高的天體。相較之下,月球表面反照率低達0.136,和煤炭差不多。

從光譜觀測已知鬩神星表面富含氮與甲烷等成分,因此這些天文學家猜想:鬩神星表面反照率之所以這麼高,很可能是因為表面覆蓋一層富含氮冰和甲烷冰的冰層,但冰層極薄,僅約幾毫米厚而已,應是鬩神星沿著其狹長的軌道遠離太陽時,所接收到的太陽光熱愈來愈少、愈來愈冷,稀薄大氣中的氮和甲烷等成分因而在鬩神星表面凝固成霜的結果,與其下方100公里厚的水冰層不同。天文學家估計,當鬩神星未來再度沿著軌道逐漸接近太陽到近日點附近時,離太陽僅約57億公里,此時表面這些凍霜就有機會昇華成氣體,重新變成大氣的一部份。

這個新觀測結果也讓這些研究團隊有機會測得鬩神星的表面溫度。估計結果顯示鬩神星表面僅約攝氏零下238度,在鬩神星背對太陽的夜晚面應該比這個溫度更低。

利用小望遠鏡,經由掩星方式,就可以獲得這麼多這顆矮行星的訊息,讓這些天文學家喜出望外。Sicardy說道:在矮行星被定義出來5年後的這時,我們才終於有機會能進一步瞭解其中一個矮行星成員了。

資料來源:Faraway Eris is Pluto’s Twin[2011.10.26]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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關於冥王星的二三事:從發現、成為第九行星到降級為矮行星
htlee
・2018/04/23 ・2713字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

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尋找第九顆行星

1846年發現了太陽系中的第八顆行星海王星後,許多科學家就試著要去找第九顆行星。波士頓的富豪帕西瓦爾·羅威爾(Percival Lowell)非常喜歡天文,1890年代他在亞利桑納的旗竿鎮建造了羅威爾天文台(Lowell Observatory),羅威爾除了觀測火星外,也參與尋找第九顆行星的計畫。但是1916年羅威爾去世為止,第九顆行星一直沒有被發現。

帕西瓦爾·羅威爾在羅威爾天文台。source:Wikimedia

1929年,在當時只有23歲的湯博(Clyde Tombaugh)受僱於羅威爾天文台,他主要的工作便是尋找第九顆行星。湯博使用的是一部33公分的望遠鏡,他在不同晚上拍攝天空中同一個區域的天體,然後將不同的照片做比對:因為相對於天空星星的位置行星會緩慢地移動,如果發現一個不曾發現的緩慢移動的天體,那麼它可能就是正在尋找的第九顆行星!

湯博和他自製的9吋望遠鏡。

1930年2月18日,湯博比較1月23日和1月29日拍攝的照片時,發現一個小亮點移動了位置。接下來一段日子的觀測,確認這個天體確實在移動!3月13日他們把發現結果公諸於世。

這個重大的發現立刻成為世界各地的頭條新聞,羅威爾天文台於是公開徵求對這個天體命名,在許多的建議當中,最後選定「Pluto」冥王這個名字,因為這個字的開頭PL和羅威爾天文台的贊助人帕西瓦爾·羅威爾(Percival Lowell)名字的縮寫是一樣的。

冥王星和其他夥伴有點不一樣?

當冥王星的軌道被計算出來後,科學家就發現它和其他的行星相當不一樣,太陽系其他行星以接近圓形的軌道繞太陽運行,但是冥王星的軌道形狀卻相當橢圓,離太陽最近和遠的距離分別是29.7 AU和49.3 AU (AU是地球到太陽的平均距離),當冥王星離太陽最近時,甚至比海王星還靠近太陽。另外,太陽系裡的其他行星幾乎都在黃道面上繞太陽運行,但是冥王星的軌道卻偏離黃道面達17度!

除了軌道特異外,冥王星的質量還比其他行星小很多。1978年發現冥王星的最大衛星夏戎(Charon)後,透過夏戎繞冥王星的軌道,科學家可以計算出冥王星的質量,冥王星的質量只有地球的0.2%!

新視野號太空船飛掠冥王星時拍攝的冥王星影像。圖片來源:NASA

冥王星被發現後,就有天文學家預測在海王星外,還有許多小天體還沒被發現。但是一直到1992年才在海王星外發現另一個天體,1992 QB1。而到2017年年初為止,已經在海王星外發現了超過2000顆的這類天體,這些天體泛稱為海王星外天體(Trans-Neptunian object, TNO),其中2004年發現的妊神星(Haumea),它的質量大約是冥王星的三分之一,這些天體的軌道和冥王星類似,冥王星會不會只是海王星外天體中最大的一顆而已呢?

新天體的發現反而讓冥王星「降級」了?

2005年1月,麥克·布朗(Mike Brown)和他的團隊發現了一個新的天體,這個天體後來被稱為鬩神星(Eris),鬩神星的名字源自希臘神話,她代表著不和與紛爭,鬩神星就如同它的名字一樣,引發了冥王星是不是行星的爭論。

哈伯太空望遠鏡拍攝的鬩神星影像,中央的亮點就是鬩神星,鬩神星左邊的是它的衛星,圖片來源NASA

鬩神星的質量比冥王星稍大,但是體積比冥王星稍小,當鬩神星被發現時,有人稱它為第十號行星!但是另一些科學家卻不認為鬩神星是一顆行星,他們主張冥王星和鬩神星不同於其他行星,應該另外分類成一種新的天體。

冥王星到底是不是一顆行星?這個問題應該要回到最根本的地方,什麼是「行星」?如果行星被清楚的定義,那麼就可以解決冥王星是不是行星的問題。國際天文聯合會(International Astronomical Union, IAU)邀集了專家學者討論這個問題,2006年8月時公布了行星的定義:

  1. 行星必須繞太陽運行。
  2. 行星的質量夠重足以讓自己呈圓形。
  3. 行星能夠清除軌道附近上的其他天體。

冥王星雖然符合第一和第二個定義,但是卻不符合第三個條件,因為冥王星的軌道上有許多的海王星外天體,那麼冥王星應該歸類為什麼樣的天體呢?

天文上常常用「矮」這個字來描述較小的天體,例如紅矮星是質量最小天恆星;棕矮星是比恆星質量小一些,不會產生氫核融合的天體;而矮星系是比一般星系還要小的星系。天文學家於是把不符合行星第三個條件的天體稱為「矮行星」(dwarf planet),所以冥王星和鬩神星就被歸類為這種天體。目前國際天文聯合會認定的矮行星有五顆:冥王星、鬩神星、妊神星、鳥神星(Makemake)和穀神星(Ceres),另外還有一些天體在矮行星的候選名單之中,科學家相信還有許多矮行星在海王星之外等著被發現。

麥克·布朗本來以為發現了第十顆行星,但是因為鬩神星的出現,最後太陽系行星的數量,反而從九顆降為八顆,這可能是他沒有預料到的結果。麥克·布朗因為發現鬩神星,讓冥王星被降級,所以他被封為冥王星殺手,麥克·布朗似乎還蠻喜歡這個封號,他還為此寫了一本書《我是如何殺了冥王星的》!!

所以冥王星就從此過著身為矮行星的生活了嗎?

仔細看一下國際天文聯合會對行星的定義,這個定義似乎是為冥王星量身定做的,感覺就好像刻意要將冥王星排除在行星之外。

其中感觸最深的應該是艾倫·斯特恩(Alan Stern),他是新視野號太空船的計畫主持人,2006年1月新視野號(New Horizons)發射升空時,這艘太空船的最主要目的是探索太陽系裡還未被太空船探訪的最後一顆行星:冥王星,結果新視野號升空幾個月後,冥王星就被降級為矮行星,原本要探訪的冥王星,變得不再是一顆行星,情何以堪!

新視野號(New Horizons)。source:Kevin Gill @Flickr

艾倫·斯特恩認為國際天文聯合會對行星的定義有問題,也不夠嚴謹。以木星為例,木星繞太陽的軌道上並不是只有木星而已,它的軌道上還有兩大群的特洛伊小行星(Trojan),這些小行星和木星一起繞著太陽運行,這表示木星並沒有清光軌道上的其他天體。另外,地球附近也有近地小行星,地球也沒有完全清光軌道上的天體。如果根據國際天文聯合會的定義,木星和地球也不能算是行星!

最近有一些人(主要是包括艾倫·斯特恩在內的新視野號團隊)主張應該把冥王星再列為行星,他們認為行星應該重新定義:行星是比恆星還要小的天體,它們不會進行核融合反應,本身的重力能夠讓自己呈球形,而且和它們的運行軌道沒有關係。根據他們的定義,太陽系裡的行星數量會暴增到大約110顆!因為一些較大的衛星(包括我們的月球)都會升級成行星!他們已經將提議交給國際天文聯合會,冥王星會不會重新回到行星的行列?就讓我們拭目以待吧!

如果新的行星定義通過國際天文聯合會的審查,我們的月球以後也會變成行星!攝影:李昫岱
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htlee
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屋頂上的天文學家-李昫岱,中央大學天文所博士,曾經於中央研究院天文所和美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校從事研究工作。著有《噢!原來如此 有趣的天文學》、《天文很有事》,翻譯多本國家地理書籍和特刊。 目前在國立中正大學教授「漫遊宇宙101個天體」和「星空探索」兩門通識課。天文跟其他語文一樣,有自己的文法和結構,唯一的不同是天文寫在天上!現在的工作是用科學、藝術和文化的角度,解讀、翻譯和傳授這本無字天書,期望透過淺顯易懂的方式介紹天文的美好!