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2003年10月,加州理工学院麦克·布朗教授领导的团队观测到了一颗位于太阳系外围柯伊伯带的天体。2005年1月,经过再次分析,布朗判断该天体的体积比冥王星还大。布朗原本决定直到精确地计算出它的尺寸和轨道后再将发现“第十大行星”的消息告知于大众。但2005年7月28日,另一个西班牙天厅咐谈文学家小组宣布在柯伊伯带发现了高亮度的星体,同简态时布朗的小组发现保存研究资料的网站被黑客侵入。迫于无奈,布朗不得不在7月29日仓促发布消息。至此,全世界才认识了这颗被暂时命名为2003-UB313(齐娜)的新星。
消息发布 布朗原本决定直到精确地计算出它的尺寸和轨道后再将发现“第十大行星”的消息告知于大众。但2005年7月28日,另一个西班牙天文学家小组宣布在柯伊伯带发现了高亮度的星体,同时布朗的小组发现保存研究资料的网站被黑客侵入。
迫于无奈,布朗不得不在7月29日仓促发布消息。他在电话里向新闻界宣布:“拿起你们的笔,从今天开始改写教科书。”
行星信息 这颗被暂时命名为2003-UB313(齐娜)的新星———它与太阳的最远距离是冥王星的3倍,颜色灰暗,表面寒冷,轨道呈椭圆形,个头却比冥王星还大。
天文学家是通过2003-UB313的亮度,也就是它反射太阳光的多少,来判断其尺寸的。天体的亮度除了与天体反射面积(意义等同于该星体的半径/体积)有关,还受星球的表面材质(决定了星体表面的反照率)影响。例如,第4号小行星灶神星体积虽小,但反照率很高,因此有时甚至可用肉眼观察到(亮度相当于6等星)。因此在确定其真实材质之前,科学家假设出不同的表面反照率模型,通过计算对该天体的大小进行了推测,结论是,它必定比冥王星大。从地球上观测,这颗新星是柯伊伯带中亮度第三的星体。如果按照100%反射光线,它的直径也有2210公里。如果反射率为90%,直径就达到2330公里,同直径约为2400公里的冥王星相当。如果反射率为60%,直径则为2860公里。若反射率与冥卫一类似(38%),直径就为3550公里,是冥王星大小的1.5倍。
运行信息 此外,2003-UB313的椭圆轨道也比冥王星更“扁”:其公转周期长达560年,远日点离太阳97天文单位(1天文单位约为1.5亿公里,相当于太阳到地球的距离);近日点却只有38天文单位。轨道平面与地球等行星轨道平面的夹角达到近45度之大(冥王星与地球等八大行星的夹角为17 度)。科学家猜测,有可能是它屡次靠近海王星,运行轨道受到影响,以至于成了明显的椭圆形。布朗说,正因为这些特性才导致2003-UB313时至今日才被人发现。
同冥王星一样,2003-UB313也位于遥远的柯伊伯带(KuiperBelt)。1951年,天文学家柯伊伯提出,在太阳系外围可能有一大群小天体绕太阳运行。1992年,天文学家在海王星以外发现了一个直径200公里左右的暗淡天体,编号为1992-QB1,为柯伊伯的上述扮碰观点提供了直接证据,“柯伊伯带”从此不再只是假设,它位于海王星轨道以外,拥有几万个或可能更多天体,由冰和岩石组成。科学家相信,这些天体是早期太阳系中物质凝聚成各大行星的过程中剩下来的残渣。
发现过程 人们曾经认为,柯伊伯带只有小行星和彗星出没,但是被发现的大型柯伊伯带天体(KBO)越来越多,体积的记录也迅速被刷新。而布朗等人组成的研究小组就曾发现比冥卫一更大的“夸欧尔”(Quaoar),以及尺寸更大、曾被疑为第十行星的“塞德娜”(Sedna)。
现在他们终于发现了体积超过冥王星,可能成为太阳系第十大行星的2003-UB313.改写教科书?
对于2003-UB313的行星身份,布朗信心十足,他说:“我们有百分之百的信心确认,它是太阳系外围发现的第一个比冥王星大的天体。如果冥王星能被接受为一颗行星,那么2003-UB313更有资格。”
反对声音 而反对的声音也在同一时间出现,有天文学家称,如果2003-UB313算行星的话,那么其他和它差不多大小的天体都应该被称做行星,根据该逻辑,2003-UB313要排在一系列以前发现的“行星”——包括“塞德娜”之后,而不能称为“第10大行星”。
美国卡耐基学院行星组成理论家阿兰·波斯称,2003-UB313的发现是天文界的一大盛事,但他同样认为不应该将它称为一颗行星。
波斯称,海王星轨道之外的天体,包括冥王星都应该被称“柯伊伯带行星”。波斯对记者表示:“将它们称做行星的话,对太阳系中的其他大家伙来说,显然太不公平了。”
反对者还提出,2003-UB313轨道平面与即黄道面相交成45度角,其轨道为椭圆形,不符合太阳系共面性和近圆性的普遍规律。而且,布朗等人根据亮度估大小,再据大小估质量。但是真正要确定一个天体,要有精确的质量,才能算准轨道。
对于新星的身份,资助布朗研究的美国宇航局也在其网站上称“第十颗行星被发现”。但是宇航局的官员说,决定2003-UB313是不是太阳系“第十大行星”不是美国宇航局的工作,这该是国际天文联盟的责任。
那么,“太阳系有九大行星”的说法是否真的会被重写?全世界教科书上的内容需要更改吗?至少,我们必须对太阳系结构以及行星的概念进行重新研究。
再见“塞德娜” 再见“塞德娜”
事实上,布朗和他领导的小组已经不是第一次对天文界提出难题了。2003年底,他的小组在距地球129亿公里外,找到一颗红色小行星2003-VB12.最初,布朗也一度提出它是太阳系的第十大行星,并依照因纽特神话传说中海洋女神的名字,给它起名为“塞德娜”。
不过当确定其体积比冥王星小时,“塞德娜”加入太阳系行星家族的希望也破灭了。
“塞德娜”的主要成分是冰和岩石,其体积大小约为冥王星的四分之三。“塞德娜”也创造了整个太阳系的最冷纪录:估计其温度为零下240℃,同2003-UB313不相上下。它以一个较大的椭圆形轨道围绕太阳运行,距离太阳最远的距离超过135亿公里。
有天文学家认为,“塞德娜”很可能是冥王星的同类,属于起于海王星外、终结于冥王星外的冰石碎块集中的柯伊伯带。柯伊伯带被认为是在太阳系诞生时遗留下来的,从1992年来人类已经发现了大约800个柯伊伯带天体,其中有些天体的可预测轨道可以把它们带到距太阳1500亿公里处,这远远超过了 “塞德娜”的轨道。
由于其体积比冥王星小,“塞德娜”最终被正式归类为“小行星”。在2003-UB313被发现之前,“塞德娜”一直是自1930年发现冥王星之后所发现的围绕太阳运行的最大天体,比2002年发现的“夸瓦尔”(Quaoar)小行星还要大一些。布朗称:“我们认为这只是太阳系最原始的天体之一。”他表示因为行星应当比同一区域内的其他天体体积更大,因此无法将“塞德娜”归于行星一类,不过他坚信会在“塞德娜”附近发现更大的天体。
果然,比冥王星更大的柯伊伯带天体2003-UB313的发现印证了他的预测。
在因纽特人传说中,“塞德娜”是创造北极海洋生物的造物女神,生活在海底冰窟里面,这与2003-VB12寒冷的表面很搭配。布朗说,他也已经为2003-UB313拟好了名字,正等待国际天文学联合会批准,但是拒绝向公众透露。按照国际惯例,如果2003-UB313真能算作“第十大行星” 的话,它将被赋予西方神话中诸神之一的名字。外界猜测,古希腊神话中冥王的妻子珀尔塞福涅的名字应该是首选,珀尔塞福涅一年只有六个月陪着冥王,另外半年留在人间;而2003-UB313在一个公转周期内只有一半时间在冥王星附近,另一半时间很远。
当太阳系第十大行星难以出炉之时,冥王星占据“第九大行星”的宝座也一直遭人诟病,还曾一度出现过让大众难以接受的传言———天文界准备“废黜”冥王星作为太阳系九大行星之一的地位。
20世纪初,在美国天文学家洛韦尔、汤姆勃等人的长期观测下,人们终于在1930年2月18日找到了冥王星。冥王星的直径、质量是行星中最小的,密度为每立方厘米1.8~2.12克,反射率为50%~60%,这同太阳系外部行星的几颗大卫星很相似。
从75年前冥王星作为第9大行星被发现开始,天文学界就一直存在着一个相当大规模的群体,拒绝承认冥王星的“第九大行星”身份。和其他行星相比,冥王星更小,运行轨迹是椭圆而不是圆形,它轨道平面的角度也比其他行星的偏离了17度。因此,有天文学家认为,冥王星是天文观测史上的一个意外事件,它不应该称为行星。国际天文联盟行星系统科学部主管威廉姆斯指出:“当年给冥王星确定行星地位,是因为据测算它的直径接近15000公里,比地球还大 12%,如果按照这一数据考虑,它是太阳系的第五大行星,而不是第九大行星。”
1997年,冥王星的发现者汤姆勃去世后,一些天文学家建议国际天文联盟“降级”冥王星地位的呼声此起彼伏。1999年,冥王星将被剥夺行星地位的流言更是广泛流传。此消息一出,引起了天文爱好者的强烈反对,他们纷纷发表檄文,对这一说法表示不赞成。
威廉姆斯说:“冥王星是否是一颗真正的行星这一细节问题本来就不是问题,只有我们规范了行星的定义,这样才能确定它的地位。但是,从历史和文化的角度而言,大家还是希望冥王星仍然还是太阳系行星大家庭中的一员。”
8个与23个的选择
不论是冥王星是否该“降级”,还是“塞德娜”和2003-UB313的身份争议,全球天文界争论的焦点都是围绕着“行星”的定义。
国际天文联盟负责给地球之外的所有天体命名,但是对于行星的定义,该组织一直没有定论。天文联盟成员表示,该协会可能在短时间内拿出一份提议,平息关于行星定义之争,但是,在协会内部目前也存在着分歧。乐观的看法是,一个统一的定义会很快达成,但是大多数科学家认为,这远没有想象的简单。
在行星的基本定义上,科学家们大致上认同这样的说法:直接围绕恒星运行的天体,由于自身重力作用具有球状外形,但是也不能大到足够让其内部发生核子融合。
但是实际上,最终的定义会比这复杂得多,有的天文学家倾向于把太阳系外围较小的天体称作“矮行星”,而另外一些人则愿意把它们叫做“小行星”,或者“柯伊伯带行星”,还有一些人则根本不想用到行星这个词。
如果2003-UB313被定义为一颗行星,那么在其之前被发现的柯伊伯带的其他星体也必须被认定为行星。这样一来,按照排序,它就不是太阳系第十大行星,而是排得更靠后。
国际天文联盟小行星中心的主管布赖恩·马斯登认为,简单的定义在理论上行得通,如果被采用,太阳系将拥有至少23颗行星。
但是在实际操作上,他还是倾向于冥王星发现之前的八大行星称法,只有当发现比火星或地球更大的太阳系天体时才称其为行星。
加利福尼亚州伯克利大学的吉博·巴斯利教授曾经提出过一个按照较小的直径底限来定义行星的简单定义,他认为,所有围绕太阳旋转,且直径大于 700公里的物体都是行星。因为只有在700公里以上的物体才能通过重力将自身发展形成为一个球体。而小于这一数字的物体,如小行星和彗星,都是如马铃薯形状的不规则物体。
但是,即使按照巴斯利的这一定义,就我们目前发现的天体而言,太阳系还是会有超过12个行星存在,原本失去机会的“塞德娜”也将入围。
“让文化意义胜出”
面临着天文学界的众说纷纭,发现新天体2003-UB313的布朗则试图把“行星”的定义引向文化上的泛意所指,而不是一个科技词汇。
布朗认为,冥王星在当今文化上的作用难以取代。对于普通大众,冥王星早已被视作行星,从小学课本到纪念邮票甚至到占星术,冥王星已经被公众理所当然地接受。布朗承认,一些科学家为了保住冥王星的行星地位,千方百计地编造出各种理由,但是没有一个能站得住脚。但他说:“当人们正等着迎接第十大行星时,天文学家突然宣布,太阳系有23颗行星。可能人们也难以接受。”
在研究小组的网站上,布朗说:“我们宣布新发现的比冥王星更大的天体,确实是颗行星———文化意义上的行星,历史意义上的行星。我不会去争论它是否在科学理论上是行星,因为现在还没有适合太阳系和我们文化的科学定义,所以我决定让文化意义胜出。”
不过更多的人还在等待国际天文联盟的裁定。最后的定论可能至少还要等上一年,下一次的全体大会将于2006年8月在葡萄牙举行。可以预见的是,届时关于行星的定义、冥王星的地位等一系列长期困扰天文学界的难题将再次浮出水面,成为各方争论的焦点。关于行星的定义可能将在该协会的全体大会上投票决定。
但即使到那时,这一问题也不可能得到彻底的解决。不过,大多数天文学家都认同国际天文联盟所做的努力。国际天文联盟小行星中心的主管马斯登认为,2003-UB313的发现“提供了解决行星之争的最好机会”,人们会更进一步了解我们所处的星系,而对于天体的定义,或许科学、文化和历史最终会找到一个折衷方案。
在4个类地行星和4个类木行星之外,是太阳系的第9个行星———冥王星,以及“塞德娜”、“夸瓦尔”等柯伊伯带天体。关于这些星体的定义之争一直存在至今。
冥王星
九大行星中最小的一员,其运行轨道的偏心率却是九大行星里最大的。冥王星绕日公转时有一段轨道甚至位于海王星轨道以内。冥王星的体积小于地球和月亮,质量不足地球的千分之三。
“塞德娜”
体积约为冥王星的四分之三,表面温度为零下240℃。它以一个较大的椭圆形轨道围绕太阳运行,距离太阳最远的距离超过135亿公里。
柯伊伯带
起于海王星外、终结于冥王星外的冰石碎块集中带,被认为是在太阳系诞生时遗留下来的。从1992年至今,人类已经发现了大约800个柯伊伯带天体。
"X"行星
一些天文学家一直坚信第10颗大行星的存在,因为这颗被称为“X行星”的天体可用来解释天王星和海王星绕日公转轨道不规则的现象。
通过电脑模拟,科学家们计算出“X行星”的质量可能是地球的2至5倍,它的轨道可能比冥王星的更倾斜,公转一周将耗时一千多年。
美国加州理工学院的迈克·布朗等人宣布,他们在冥王星轨道之外发现了一颗巨大的天体,按照他们的估计,这颗天体的体积可能达到冥王星的1.56倍。美国宇航局作为该研究项目的资助机构,在发布新闻时将这颗编号为2003UB313的天体称为“第十大行星”。
我们都知道,我们所居住的地球是一颗大行星,地球身旁的金星、火星也是大行星,并且可能已经有人告诉你,现在天文学家已经在太阳系之外发现了大约160颗大行星,而且数目还在增加。但是请等一等,有没有人知道,什么是“大行星”?
你也许可以在词典上查到“行星”这一词条的定义。比如《现代汉语规范词典》:“环绕太阳运行的天体。本身不能发光,能反射太阳光。”但是,这个传统意义上的定义显然已经跟不上科学的进展:现在人们已经知道,有许多行星并不是环绕太阳运行的,而是环绕其他恒星运行的;任何温度大于绝对零度的物体都会“发光”,包括所有传统意义上的“行星”,只不过有些物体发出的是人眼所不能看到的电磁辐射。
实际上,现在没有人知道什么是“大行星”。因为世界上还没有关于“大行星”这一概念的统一而完备的定义。布朗等人的发现及对2003UB313的称谓立即在天文学界引起了巨大的争论。这个发现迫使天文学家开始仔细思考,“行星”这个乍看起来再普通不过的名词究竟意味着什么。
天文学中并不存在“大行星”?
“新行星”的发现者布朗认为,他的团队所发现的是一颗文化意义上的大行星,是一颗历史意义上的大行星,但不是一颗科学意义上的大行星。
这不难理解。当天文学家在1930年发现冥王星时,他们起初以为冥王星有火星那么大,他们也尚不知道与冥王星轨道相近的天体还有许多,自然就把冥王星加入了大行星的行列。后来研究者才发现,原来冥王星处在一个由许多天体组成的带状区域之中,这些天体以提出者的名字命名,被称为“柯伊伯带天体”。
冥王星其实是一颗巨大的柯伊伯带天体,只是由于历史的原因才保留了双重身份。在发现2003UB313之前,冥王星一直都是已知的最大的柯伊伯带天体。许多年前,一些天文学家就开始提出免除冥王星的大行星地位,但并未得到国际天文学界的权威机构——国际天文学联合会——的赞同。
去年,布朗的小组宣布他们在冥王星轨道之外发现了巨大的新天体“塞德娜”,立时再度激起了对冥王星地位的讨论,但塞德娜毕竟比冥王星还小不少,所以就连布朗本人也未曾考虑把它列为“第十大行星”。
2003UB313比冥王星大出一半,既然冥王星是大行星,那么比这颗大行星还大的天体难道不应该被称为“大行星”吗?从另一个角度来看,早在现代科学诞生之前,“大行星”这一名词就已经出现在希腊语中了。在希腊语中,“大行星”就是天空中的游移天体。国际天文学联合会至今没有给“大行星”下完整的定义,这也就意味着从科学上其实无法判断太阳系的天体中哪些是大行星,所以“大行星”就只能是历史和文化上的概念。
“大行星”不等于“大块头”
在1995年之前,“大行星”的界定还不是一个很突出的问题,因为在那之前,天文学家还没有在其他恒星周围发现行星。但是现在,他们已经在太阳系之外发现了大量的“外星行星”。与太阳系中的大行星相比,外星行星中存在许多另类分子,它们的出现开始让天文学家重新审视“大行星”这个古老的概念。
在界定“大行星”上,目前天文学家较为一致的一个观点是,质量大于13.6倍木星质量的天体不能被称为大行星。因为一个天体的质量一旦超过这个界线,它的内部就会开始发生核聚变——内部发生核聚变的天体当然不再是行星了。
这是大行星的质量上限,但目前还没有意见统一的质量下限。有的天文学家主张把冥王星的质量作为质量下限,也有天文学家认为应该把“天体能够在自身引力下呈球形”作为下限。
然而,事情还不仅仅是缺少一个质量下限这么简单。
天文学家在考虑一个天体是否为大行星的时候,还时常考虑另一个问题:这个天体是怎么形成的?现在已经发现一些外星行星的形成过程与太阳系大行星的形成过程非常不同。那些行星的形成过程可能与恒星更为相似,虽然它们的体重与恒星还相差甚远。一部分天文学家认为,这种形成过程与恒星相似的天体不应该被归为大行星。
除此之外,天文学家可能还得考虑大行星的“生存环境”。
现在已经发现,一些行星质量的天体围绕一种比恒星质量小的天体运行,这些中心天体不是行星,因为它们的内部存在核聚变,但也不是恒星,因为它们的核聚变是不稳定的。那么这种既不围绕太阳也不围绕其他恒星运行的行星质量的天体该不该被称为大行星呢?天文学家还曾在中子星身旁发现行星质量的天体,它们又是否该加入大行星的行列?从历史上的发现看,中子星身旁的行星质量天体没有被归为大行星。
更有甚者,英国有天文学家在星云中发现了“自由飘浮”的行星,这些行星质量的天体并不围绕任何其他天体运行——它们仅仅在星云中漫无目的地游荡。或许它们曾经围绕恒星运行,但现在不了。那么它们是否属于大行星呢?如果它们不是大行星的话,又是什么呢?
在太阳系中,判断一个天体是否为大行星,天文学家可能还会考虑其他一些问题。比如,它的轨道面与“九大行星”的平均轨道面的交角是否太大了,或者这个天体是否属于小行星带或者柯伊伯带的一员?
这些情况都在表明,“大行星”的界定绝不仅仅是一个体重的问题。虽然什么样的天体是大行星,完全是人为划定的,但想要得到一个满意的标准并不像看上去的那样轻松。
激辩“第十大行星”
实际上,按照一些天文学家的看法,太阳系有20多颗大行星。美国加州大学伯克利分校的天文学教授基博·巴斯瑞是这一主张的代表人物。他把与界定“行星”有关的天体分为三种:聚变星、行质天体和大行星。聚变星是一生中自身可以发生核聚变的天体;行质天体是球形的非聚变星;大行星是围绕聚变星运转的行质天体。其中,聚变星和行质天体都是他自创的概念。于是,情况变成了这个样子:大于13.6倍木星质量的天体就是聚变星,因为在它们的中心发生了核聚变反应;月球是行质天体,但不是大行星,因为它不围绕聚变星运转;一颗脱离了太阳系的“自由漂浮的”地球是一颗行质天体,不是大行星。
这种方案看上去能够很好地解决目前的混乱状况。按照这种方案,新近发现的“新行星”的确是大行星,包括某些小行星也会拥有大行星资格,太阳系中有20多颗大行星。
现在有越来越多的天文学家受到巴斯瑞的分类法的影响,但想让这个方案获得广泛的推行显然还有很大困难。“假如天文学家突然说‘我们刚刚决定,事实上,太阳系有23颗大行星,我们现在打算让你们知道’,那么很多人并不会高兴。”布朗说。
从1999年开始,国际天文学联合会就组织了一批天文学家讨论界定“大行星”的问题。在“第十大行星”发出的催促下,该小组近来交流频繁,希望能够拿出一个界定“大行星”的初步方案。
小组成员艾伦·斯坦恩提出了一个定义,大致可以表述如下:大行星是围绕恒星运行,在自身引力作用下呈球形,并且质量没有大到中心会发生核聚变的天体。同时斯坦恩还提出了“矮行星”的说法,这种天体的质量比大行星小,相当于传统说法中的“小行星”。按照斯坦恩的理解,此次发现的“新行星”自然也是一颗大行星。
但也有一些天文学家不打算把“新行星”算作传统意义上的大行星,比如华盛顿卡内基研究所的行星形成专家艾伦·博斯就把这个新天体称为“柯伊伯带行星”,而夏威夷大学的著名行星科学家大卫·朱伊特则把新天体看作一个大个头的柯伊伯带天体。
国际天文学联合会界定“大行星”工作组的另一名成员布里安·马斯登也有不同的喜好。他认为也许让太阳系的大行星数量回归到“8”是一个更好的选择,只有当新发现的天体大于火星乃至地球的时候才把新天体列为大行星。所以,在马斯登看来,“新行星”并不具备行星资格。
实际上,天文学家现在的确认为,在遥远的太阳系边缘仍然存在体积巨大的未知天体,有可能会有火星,甚至地球这样大的柯伊伯带天体。斯坦恩就是这样认为的。他所主持的“新地平线”探测计划有可能在未来派探测器飞往冥王星,并探索冥王星之外太阳系最后的秘境。
布朗从文化的角度出发,还提出了一种选择:到冥王星为止,不再增加新的太阳系大行星,也就是说太阳系永远只有九大行星。“冥王星是一颗‘大行星’,因为文化说它是。”他说。
最终的界定方案可能会在一年后得到。明年8月份,国际天文学联合会大会将对天文学家们提出的划分方案进行讨论和表决。也许到那个时候我们才会知道现代科学究竟赋予了“大行星”这个古老的词汇一个什么样的含义。世界上所有的科学教科书、科学读物也有可能从此改变它们对太阳系大行星的表述
消息发布 布朗原本决定直到精确地计算出它的尺寸和轨道后再将发现“第十大行星”的消息告知于大众。但2005年7月28日,另一个西班牙天文学家小组宣布在柯伊伯带发现了高亮度的星体,同时布朗的小组发现保存研究资料的网站被黑客侵入。
迫于无奈,布朗不得不在7月29日仓促发布消息。他在电话里向新闻界宣布:“拿起你们的笔,从今天开始改写教科书。”
行星信息 这颗被暂时命名为2003-UB313(齐娜)的新星———它与太阳的最远距离是冥王星的3倍,颜色灰暗,表面寒冷,轨道呈椭圆形,个头却比冥王星还大。
天文学家是通过2003-UB313的亮度,也就是它反射太阳光的多少,来判断其尺寸的。天体的亮度除了与天体反射面积(意义等同于该星体的半径/体积)有关,还受星球的表面材质(决定了星体表面的反照率)影响。例如,第4号小行星灶神星体积虽小,但反照率很高,因此有时甚至可用肉眼观察到(亮度相当于6等星)。因此在确定其真实材质之前,科学家假设出不同的表面反照率模型,通过计算对该天体的大小进行了推测,结论是,它必定比冥王星大。从地球上观测,这颗新星是柯伊伯带中亮度第三的星体。如果按照100%反射光线,它的直径也有2210公里。如果反射率为90%,直径就达到2330公里,同直径约为2400公里的冥王星相当。如果反射率为60%,直径则为2860公里。若反射率与冥卫一类似(38%),直径就为3550公里,是冥王星大小的1.5倍。
运行信息 此外,2003-UB313的椭圆轨道也比冥王星更“扁”:其公转周期长达560年,远日点离太阳97天文单位(1天文单位约为1.5亿公里,相当于太阳到地球的距离);近日点却只有38天文单位。轨道平面与地球等行星轨道平面的夹角达到近45度之大(冥王星与地球等八大行星的夹角为17 度)。科学家猜测,有可能是它屡次靠近海王星,运行轨道受到影响,以至于成了明显的椭圆形。布朗说,正因为这些特性才导致2003-UB313时至今日才被人发现。
同冥王星一样,2003-UB313也位于遥远的柯伊伯带(KuiperBelt)。1951年,天文学家柯伊伯提出,在太阳系外围可能有一大群小天体绕太阳运行。1992年,天文学家在海王星以外发现了一个直径200公里左右的暗淡天体,编号为1992-QB1,为柯伊伯的上述扮碰观点提供了直接证据,“柯伊伯带”从此不再只是假设,它位于海王星轨道以外,拥有几万个或可能更多天体,由冰和岩石组成。科学家相信,这些天体是早期太阳系中物质凝聚成各大行星的过程中剩下来的残渣。
发现过程 人们曾经认为,柯伊伯带只有小行星和彗星出没,但是被发现的大型柯伊伯带天体(KBO)越来越多,体积的记录也迅速被刷新。而布朗等人组成的研究小组就曾发现比冥卫一更大的“夸欧尔”(Quaoar),以及尺寸更大、曾被疑为第十行星的“塞德娜”(Sedna)。
现在他们终于发现了体积超过冥王星,可能成为太阳系第十大行星的2003-UB313.改写教科书?
对于2003-UB313的行星身份,布朗信心十足,他说:“我们有百分之百的信心确认,它是太阳系外围发现的第一个比冥王星大的天体。如果冥王星能被接受为一颗行星,那么2003-UB313更有资格。”
反对声音 而反对的声音也在同一时间出现,有天文学家称,如果2003-UB313算行星的话,那么其他和它差不多大小的天体都应该被称做行星,根据该逻辑,2003-UB313要排在一系列以前发现的“行星”——包括“塞德娜”之后,而不能称为“第10大行星”。
美国卡耐基学院行星组成理论家阿兰·波斯称,2003-UB313的发现是天文界的一大盛事,但他同样认为不应该将它称为一颗行星。
波斯称,海王星轨道之外的天体,包括冥王星都应该被称“柯伊伯带行星”。波斯对记者表示:“将它们称做行星的话,对太阳系中的其他大家伙来说,显然太不公平了。”
反对者还提出,2003-UB313轨道平面与即黄道面相交成45度角,其轨道为椭圆形,不符合太阳系共面性和近圆性的普遍规律。而且,布朗等人根据亮度估大小,再据大小估质量。但是真正要确定一个天体,要有精确的质量,才能算准轨道。
对于新星的身份,资助布朗研究的美国宇航局也在其网站上称“第十颗行星被发现”。但是宇航局的官员说,决定2003-UB313是不是太阳系“第十大行星”不是美国宇航局的工作,这该是国际天文联盟的责任。
那么,“太阳系有九大行星”的说法是否真的会被重写?全世界教科书上的内容需要更改吗?至少,我们必须对太阳系结构以及行星的概念进行重新研究。
再见“塞德娜” 再见“塞德娜”
事实上,布朗和他领导的小组已经不是第一次对天文界提出难题了。2003年底,他的小组在距地球129亿公里外,找到一颗红色小行星2003-VB12.最初,布朗也一度提出它是太阳系的第十大行星,并依照因纽特神话传说中海洋女神的名字,给它起名为“塞德娜”。
不过当确定其体积比冥王星小时,“塞德娜”加入太阳系行星家族的希望也破灭了。
“塞德娜”的主要成分是冰和岩石,其体积大小约为冥王星的四分之三。“塞德娜”也创造了整个太阳系的最冷纪录:估计其温度为零下240℃,同2003-UB313不相上下。它以一个较大的椭圆形轨道围绕太阳运行,距离太阳最远的距离超过135亿公里。
有天文学家认为,“塞德娜”很可能是冥王星的同类,属于起于海王星外、终结于冥王星外的冰石碎块集中的柯伊伯带。柯伊伯带被认为是在太阳系诞生时遗留下来的,从1992年来人类已经发现了大约800个柯伊伯带天体,其中有些天体的可预测轨道可以把它们带到距太阳1500亿公里处,这远远超过了 “塞德娜”的轨道。
由于其体积比冥王星小,“塞德娜”最终被正式归类为“小行星”。在2003-UB313被发现之前,“塞德娜”一直是自1930年发现冥王星之后所发现的围绕太阳运行的最大天体,比2002年发现的“夸瓦尔”(Quaoar)小行星还要大一些。布朗称:“我们认为这只是太阳系最原始的天体之一。”他表示因为行星应当比同一区域内的其他天体体积更大,因此无法将“塞德娜”归于行星一类,不过他坚信会在“塞德娜”附近发现更大的天体。
果然,比冥王星更大的柯伊伯带天体2003-UB313的发现印证了他的预测。
在因纽特人传说中,“塞德娜”是创造北极海洋生物的造物女神,生活在海底冰窟里面,这与2003-VB12寒冷的表面很搭配。布朗说,他也已经为2003-UB313拟好了名字,正等待国际天文学联合会批准,但是拒绝向公众透露。按照国际惯例,如果2003-UB313真能算作“第十大行星” 的话,它将被赋予西方神话中诸神之一的名字。外界猜测,古希腊神话中冥王的妻子珀尔塞福涅的名字应该是首选,珀尔塞福涅一年只有六个月陪着冥王,另外半年留在人间;而2003-UB313在一个公转周期内只有一半时间在冥王星附近,另一半时间很远。
当太阳系第十大行星难以出炉之时,冥王星占据“第九大行星”的宝座也一直遭人诟病,还曾一度出现过让大众难以接受的传言———天文界准备“废黜”冥王星作为太阳系九大行星之一的地位。
20世纪初,在美国天文学家洛韦尔、汤姆勃等人的长期观测下,人们终于在1930年2月18日找到了冥王星。冥王星的直径、质量是行星中最小的,密度为每立方厘米1.8~2.12克,反射率为50%~60%,这同太阳系外部行星的几颗大卫星很相似。
从75年前冥王星作为第9大行星被发现开始,天文学界就一直存在着一个相当大规模的群体,拒绝承认冥王星的“第九大行星”身份。和其他行星相比,冥王星更小,运行轨迹是椭圆而不是圆形,它轨道平面的角度也比其他行星的偏离了17度。因此,有天文学家认为,冥王星是天文观测史上的一个意外事件,它不应该称为行星。国际天文联盟行星系统科学部主管威廉姆斯指出:“当年给冥王星确定行星地位,是因为据测算它的直径接近15000公里,比地球还大 12%,如果按照这一数据考虑,它是太阳系的第五大行星,而不是第九大行星。”
1997年,冥王星的发现者汤姆勃去世后,一些天文学家建议国际天文联盟“降级”冥王星地位的呼声此起彼伏。1999年,冥王星将被剥夺行星地位的流言更是广泛流传。此消息一出,引起了天文爱好者的强烈反对,他们纷纷发表檄文,对这一说法表示不赞成。
威廉姆斯说:“冥王星是否是一颗真正的行星这一细节问题本来就不是问题,只有我们规范了行星的定义,这样才能确定它的地位。但是,从历史和文化的角度而言,大家还是希望冥王星仍然还是太阳系行星大家庭中的一员。”
8个与23个的选择
不论是冥王星是否该“降级”,还是“塞德娜”和2003-UB313的身份争议,全球天文界争论的焦点都是围绕着“行星”的定义。
国际天文联盟负责给地球之外的所有天体命名,但是对于行星的定义,该组织一直没有定论。天文联盟成员表示,该协会可能在短时间内拿出一份提议,平息关于行星定义之争,但是,在协会内部目前也存在着分歧。乐观的看法是,一个统一的定义会很快达成,但是大多数科学家认为,这远没有想象的简单。
在行星的基本定义上,科学家们大致上认同这样的说法:直接围绕恒星运行的天体,由于自身重力作用具有球状外形,但是也不能大到足够让其内部发生核子融合。
但是实际上,最终的定义会比这复杂得多,有的天文学家倾向于把太阳系外围较小的天体称作“矮行星”,而另外一些人则愿意把它们叫做“小行星”,或者“柯伊伯带行星”,还有一些人则根本不想用到行星这个词。
如果2003-UB313被定义为一颗行星,那么在其之前被发现的柯伊伯带的其他星体也必须被认定为行星。这样一来,按照排序,它就不是太阳系第十大行星,而是排得更靠后。
国际天文联盟小行星中心的主管布赖恩·马斯登认为,简单的定义在理论上行得通,如果被采用,太阳系将拥有至少23颗行星。
但是在实际操作上,他还是倾向于冥王星发现之前的八大行星称法,只有当发现比火星或地球更大的太阳系天体时才称其为行星。
加利福尼亚州伯克利大学的吉博·巴斯利教授曾经提出过一个按照较小的直径底限来定义行星的简单定义,他认为,所有围绕太阳旋转,且直径大于 700公里的物体都是行星。因为只有在700公里以上的物体才能通过重力将自身发展形成为一个球体。而小于这一数字的物体,如小行星和彗星,都是如马铃薯形状的不规则物体。
但是,即使按照巴斯利的这一定义,就我们目前发现的天体而言,太阳系还是会有超过12个行星存在,原本失去机会的“塞德娜”也将入围。
“让文化意义胜出”
面临着天文学界的众说纷纭,发现新天体2003-UB313的布朗则试图把“行星”的定义引向文化上的泛意所指,而不是一个科技词汇。
布朗认为,冥王星在当今文化上的作用难以取代。对于普通大众,冥王星早已被视作行星,从小学课本到纪念邮票甚至到占星术,冥王星已经被公众理所当然地接受。布朗承认,一些科学家为了保住冥王星的行星地位,千方百计地编造出各种理由,但是没有一个能站得住脚。但他说:“当人们正等着迎接第十大行星时,天文学家突然宣布,太阳系有23颗行星。可能人们也难以接受。”
在研究小组的网站上,布朗说:“我们宣布新发现的比冥王星更大的天体,确实是颗行星———文化意义上的行星,历史意义上的行星。我不会去争论它是否在科学理论上是行星,因为现在还没有适合太阳系和我们文化的科学定义,所以我决定让文化意义胜出。”
不过更多的人还在等待国际天文联盟的裁定。最后的定论可能至少还要等上一年,下一次的全体大会将于2006年8月在葡萄牙举行。可以预见的是,届时关于行星的定义、冥王星的地位等一系列长期困扰天文学界的难题将再次浮出水面,成为各方争论的焦点。关于行星的定义可能将在该协会的全体大会上投票决定。
但即使到那时,这一问题也不可能得到彻底的解决。不过,大多数天文学家都认同国际天文联盟所做的努力。国际天文联盟小行星中心的主管马斯登认为,2003-UB313的发现“提供了解决行星之争的最好机会”,人们会更进一步了解我们所处的星系,而对于天体的定义,或许科学、文化和历史最终会找到一个折衷方案。
在4个类地行星和4个类木行星之外,是太阳系的第9个行星———冥王星,以及“塞德娜”、“夸瓦尔”等柯伊伯带天体。关于这些星体的定义之争一直存在至今。
冥王星
九大行星中最小的一员,其运行轨道的偏心率却是九大行星里最大的。冥王星绕日公转时有一段轨道甚至位于海王星轨道以内。冥王星的体积小于地球和月亮,质量不足地球的千分之三。
“塞德娜”
体积约为冥王星的四分之三,表面温度为零下240℃。它以一个较大的椭圆形轨道围绕太阳运行,距离太阳最远的距离超过135亿公里。
柯伊伯带
起于海王星外、终结于冥王星外的冰石碎块集中带,被认为是在太阳系诞生时遗留下来的。从1992年至今,人类已经发现了大约800个柯伊伯带天体。
"X"行星
一些天文学家一直坚信第10颗大行星的存在,因为这颗被称为“X行星”的天体可用来解释天王星和海王星绕日公转轨道不规则的现象。
通过电脑模拟,科学家们计算出“X行星”的质量可能是地球的2至5倍,它的轨道可能比冥王星的更倾斜,公转一周将耗时一千多年。
美国加州理工学院的迈克·布朗等人宣布,他们在冥王星轨道之外发现了一颗巨大的天体,按照他们的估计,这颗天体的体积可能达到冥王星的1.56倍。美国宇航局作为该研究项目的资助机构,在发布新闻时将这颗编号为2003UB313的天体称为“第十大行星”。
我们都知道,我们所居住的地球是一颗大行星,地球身旁的金星、火星也是大行星,并且可能已经有人告诉你,现在天文学家已经在太阳系之外发现了大约160颗大行星,而且数目还在增加。但是请等一等,有没有人知道,什么是“大行星”?
你也许可以在词典上查到“行星”这一词条的定义。比如《现代汉语规范词典》:“环绕太阳运行的天体。本身不能发光,能反射太阳光。”但是,这个传统意义上的定义显然已经跟不上科学的进展:现在人们已经知道,有许多行星并不是环绕太阳运行的,而是环绕其他恒星运行的;任何温度大于绝对零度的物体都会“发光”,包括所有传统意义上的“行星”,只不过有些物体发出的是人眼所不能看到的电磁辐射。
实际上,现在没有人知道什么是“大行星”。因为世界上还没有关于“大行星”这一概念的统一而完备的定义。布朗等人的发现及对2003UB313的称谓立即在天文学界引起了巨大的争论。这个发现迫使天文学家开始仔细思考,“行星”这个乍看起来再普通不过的名词究竟意味着什么。
天文学中并不存在“大行星”?
“新行星”的发现者布朗认为,他的团队所发现的是一颗文化意义上的大行星,是一颗历史意义上的大行星,但不是一颗科学意义上的大行星。
这不难理解。当天文学家在1930年发现冥王星时,他们起初以为冥王星有火星那么大,他们也尚不知道与冥王星轨道相近的天体还有许多,自然就把冥王星加入了大行星的行列。后来研究者才发现,原来冥王星处在一个由许多天体组成的带状区域之中,这些天体以提出者的名字命名,被称为“柯伊伯带天体”。
冥王星其实是一颗巨大的柯伊伯带天体,只是由于历史的原因才保留了双重身份。在发现2003UB313之前,冥王星一直都是已知的最大的柯伊伯带天体。许多年前,一些天文学家就开始提出免除冥王星的大行星地位,但并未得到国际天文学界的权威机构——国际天文学联合会——的赞同。
去年,布朗的小组宣布他们在冥王星轨道之外发现了巨大的新天体“塞德娜”,立时再度激起了对冥王星地位的讨论,但塞德娜毕竟比冥王星还小不少,所以就连布朗本人也未曾考虑把它列为“第十大行星”。
2003UB313比冥王星大出一半,既然冥王星是大行星,那么比这颗大行星还大的天体难道不应该被称为“大行星”吗?从另一个角度来看,早在现代科学诞生之前,“大行星”这一名词就已经出现在希腊语中了。在希腊语中,“大行星”就是天空中的游移天体。国际天文学联合会至今没有给“大行星”下完整的定义,这也就意味着从科学上其实无法判断太阳系的天体中哪些是大行星,所以“大行星”就只能是历史和文化上的概念。
“大行星”不等于“大块头”
在1995年之前,“大行星”的界定还不是一个很突出的问题,因为在那之前,天文学家还没有在其他恒星周围发现行星。但是现在,他们已经在太阳系之外发现了大量的“外星行星”。与太阳系中的大行星相比,外星行星中存在许多另类分子,它们的出现开始让天文学家重新审视“大行星”这个古老的概念。
在界定“大行星”上,目前天文学家较为一致的一个观点是,质量大于13.6倍木星质量的天体不能被称为大行星。因为一个天体的质量一旦超过这个界线,它的内部就会开始发生核聚变——内部发生核聚变的天体当然不再是行星了。
这是大行星的质量上限,但目前还没有意见统一的质量下限。有的天文学家主张把冥王星的质量作为质量下限,也有天文学家认为应该把“天体能够在自身引力下呈球形”作为下限。
然而,事情还不仅仅是缺少一个质量下限这么简单。
天文学家在考虑一个天体是否为大行星的时候,还时常考虑另一个问题:这个天体是怎么形成的?现在已经发现一些外星行星的形成过程与太阳系大行星的形成过程非常不同。那些行星的形成过程可能与恒星更为相似,虽然它们的体重与恒星还相差甚远。一部分天文学家认为,这种形成过程与恒星相似的天体不应该被归为大行星。
除此之外,天文学家可能还得考虑大行星的“生存环境”。
现在已经发现,一些行星质量的天体围绕一种比恒星质量小的天体运行,这些中心天体不是行星,因为它们的内部存在核聚变,但也不是恒星,因为它们的核聚变是不稳定的。那么这种既不围绕太阳也不围绕其他恒星运行的行星质量的天体该不该被称为大行星呢?天文学家还曾在中子星身旁发现行星质量的天体,它们又是否该加入大行星的行列?从历史上的发现看,中子星身旁的行星质量天体没有被归为大行星。
更有甚者,英国有天文学家在星云中发现了“自由飘浮”的行星,这些行星质量的天体并不围绕任何其他天体运行——它们仅仅在星云中漫无目的地游荡。或许它们曾经围绕恒星运行,但现在不了。那么它们是否属于大行星呢?如果它们不是大行星的话,又是什么呢?
在太阳系中,判断一个天体是否为大行星,天文学家可能还会考虑其他一些问题。比如,它的轨道面与“九大行星”的平均轨道面的交角是否太大了,或者这个天体是否属于小行星带或者柯伊伯带的一员?
这些情况都在表明,“大行星”的界定绝不仅仅是一个体重的问题。虽然什么样的天体是大行星,完全是人为划定的,但想要得到一个满意的标准并不像看上去的那样轻松。
激辩“第十大行星”
实际上,按照一些天文学家的看法,太阳系有20多颗大行星。美国加州大学伯克利分校的天文学教授基博·巴斯瑞是这一主张的代表人物。他把与界定“行星”有关的天体分为三种:聚变星、行质天体和大行星。聚变星是一生中自身可以发生核聚变的天体;行质天体是球形的非聚变星;大行星是围绕聚变星运转的行质天体。其中,聚变星和行质天体都是他自创的概念。于是,情况变成了这个样子:大于13.6倍木星质量的天体就是聚变星,因为在它们的中心发生了核聚变反应;月球是行质天体,但不是大行星,因为它不围绕聚变星运转;一颗脱离了太阳系的“自由漂浮的”地球是一颗行质天体,不是大行星。
这种方案看上去能够很好地解决目前的混乱状况。按照这种方案,新近发现的“新行星”的确是大行星,包括某些小行星也会拥有大行星资格,太阳系中有20多颗大行星。
现在有越来越多的天文学家受到巴斯瑞的分类法的影响,但想让这个方案获得广泛的推行显然还有很大困难。“假如天文学家突然说‘我们刚刚决定,事实上,太阳系有23颗大行星,我们现在打算让你们知道’,那么很多人并不会高兴。”布朗说。
从1999年开始,国际天文学联合会就组织了一批天文学家讨论界定“大行星”的问题。在“第十大行星”发出的催促下,该小组近来交流频繁,希望能够拿出一个界定“大行星”的初步方案。
小组成员艾伦·斯坦恩提出了一个定义,大致可以表述如下:大行星是围绕恒星运行,在自身引力作用下呈球形,并且质量没有大到中心会发生核聚变的天体。同时斯坦恩还提出了“矮行星”的说法,这种天体的质量比大行星小,相当于传统说法中的“小行星”。按照斯坦恩的理解,此次发现的“新行星”自然也是一颗大行星。
但也有一些天文学家不打算把“新行星”算作传统意义上的大行星,比如华盛顿卡内基研究所的行星形成专家艾伦·博斯就把这个新天体称为“柯伊伯带行星”,而夏威夷大学的著名行星科学家大卫·朱伊特则把新天体看作一个大个头的柯伊伯带天体。
国际天文学联合会界定“大行星”工作组的另一名成员布里安·马斯登也有不同的喜好。他认为也许让太阳系的大行星数量回归到“8”是一个更好的选择,只有当新发现的天体大于火星乃至地球的时候才把新天体列为大行星。所以,在马斯登看来,“新行星”并不具备行星资格。
实际上,天文学家现在的确认为,在遥远的太阳系边缘仍然存在体积巨大的未知天体,有可能会有火星,甚至地球这样大的柯伊伯带天体。斯坦恩就是这样认为的。他所主持的“新地平线”探测计划有可能在未来派探测器飞往冥王星,并探索冥王星之外太阳系最后的秘境。
布朗从文化的角度出发,还提出了一种选择:到冥王星为止,不再增加新的太阳系大行星,也就是说太阳系永远只有九大行星。“冥王星是一颗‘大行星’,因为文化说它是。”他说。
最终的界定方案可能会在一年后得到。明年8月份,国际天文学联合会大会将对天文学家们提出的划分方案进行讨论和表决。也许到那个时候我们才会知道现代科学究竟赋予了“大行星”这个古老的词汇一个什么样的含义。世界上所有的科学教科书、科学读物也有可能从此改变它们对太阳系大行星的表述
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应该没有吧,,有的话官方会公布的。。
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