最小矮行星頭銜或易主，揭開行星之外的隱秘世界_風聞

撰文 | 蘇道

在冥王星被取消了行星資格之後，天文學家創造了一種新的天體類別——矮行星（dwarf planet）來安置它。矮行星聽起來似乎比行星略遜一籌，但這個隱秘的世界實際上充滿了未知的謎團，其中隱藏着揭示太陽系形成和演化之謎的重要線索。天文學家一直極盡所能，希望能一窺它們的容貌。最近，他們第一次以足夠高的分辨率觀測到了非常接近球形的健神星，這可能是人類目前觀測到的最小的矮行星。

在開始介紹今天的主角之前，我們先來看一個問題：太陽系有多少顆行星？

大家會脱口而出，答案是8顆。但在2006年8月24日之前，公認的答案是9顆，那也是很多人記憶中的“九大行星”。答案變化的原因很多人也有所耳聞：在那天召開的國際天文學聯合會（IAU）的會議上，經過與會天文學家投票表決，冥王星的行星資格被取消了。

不過，天文學家總要找一個類別來放置冥王星，於是他們創造了一個新的天體類別——矮行星（dwarf planet）。既然是因冥王星而來，冥王星自然成為這類天體的代表。它們聽起來比行星略遜一籌，背後的故事的精彩程度其實絲毫不遜色於行星。

 最小矮行星露出真容 

一項最新研究讓矮行星的隱秘世界再次進入了我們的視野。10月28日，一個研究小組在《自然·天文學》（Nature Astronomy）上發表論文，宣佈他們使用歐洲南方天文台（ESO）的甚大望遠鏡（Very Large Telescope，VLT）對健神星（Hygiea）進行了觀測。健神星位於火星和木星之間的主小行星帶（main asteroid belt）中，是這個區域內僅次於穀神星（Ceres）、灶神星（Vesta）和智神星（Pallas）的第四大天體。

這裏需要説明的是，太陽系內小天體的劃分標準並不嚴格。主小行星帶內的前三大天體只有穀神星是矮行星，且目前是太陽系內最小的矮行星，而灶神星和智神星都是小行星。這次新發表的研究是天文學家第一次能夠以足夠高的分辨率對以往被視作小行星的健神星進行觀察，從而可以研究它的表面，並確定它的大小和形狀。他們此次的一個重要發現就是——健神星非常接近球體。這意味着什麼呢？

甚大望遠鏡拍攝到的健神星。| ESO

2006年，為了明確冥王星的分類，天文學家“處心積慮”地制定了太陽系內的行星需要滿足的三個條件：

一是圍繞太陽公轉；二是具有足夠的質量，從而具有（近）球體的形狀；三是掃清自己軌道附近的區域。

由於冥王星的軌道區域內還存在大量的小天體而它本身並未處於支配性地位，因此未能滿足第三項條件，從而被踢出了行星序列。同時，天文學家也為矮行星這個類別制定了四項條件：一個天體如果滿足圍繞太陽公轉、不是衞星、沒有清空其軌道上的其他天體以及形狀是（近）球體，那它就是一顆矮行星。

作為一顆位於主小行星帶內的天體，健神星自然滿足成為矮行星的四個條件中的前三個。這次天文學家的觀測結果則證實，它還滿足第四個條件，即（近）球體。這樣一來，健神星就可能不再是一顆小行星，而是一顆名副其實的矮行星。

天文學家的觀測認為，健神星的直徑剛剛超過430千米。在確認健神星的分類前，太陽系內最小的矮行星是同處在主小行星帶內的穀神星，它的直徑為大約950千米。矮行星的個頭一般在數百千米左右，目前發現的最大的矮行星是冥王星（直徑約2370千米）和鬩神星（直徑約2326千米）。而健神星雖然因為剛被發現是球形，因而可能會被賦予矮行星的地位，但由於個頭太小，IAU最終將投票決定健神星是否可以被賦予矮行星地位，或者是否仍將是小行星。 

健神星（左）、灶神星（中）和穀神星（右）的大小對比。其中可以看到灶神星由於呈扁球體而非（近）球體，因此沒有被歸類為矮行星，而是屬於小行星。| ESO

行星與小行星的“糾葛” 

矮行星因為體積小，因此很難被觀測。天文學家得益於不斷提升的觀測能力和改進的算法，才能對這些隱秘世界一探究竟。比如，美國國家航空航天局（NASA）於2007年9月27日發射的曙光號探測器（Dawn probe），就已經在2015年3月7日進入穀神星的軌道，並在隨後發回穀神星的高清照片。 

曙光號探測器拍攝到的穀神星。|NASA

目前，天文學家確認的矮行星除了冥王星、穀神星和極有可能進入這個家族的健神星外，還包括鬩神星（Eris）、鳥神星（Makemake）和妊神星（Haumea）。矮行星和行星一字之差，它們之間的“糾葛”實則是人類探索太陽系歷史的一段縮影。

自從有天文記載以來，人類就知道水星、金星、火星、木星和土星這5顆行星。日心説取代地心説之後，人類認識到地球也是一顆行星，行星的數量變成6顆。1781年3月13日，威廉·赫歇爾（William Herschel）發現了天王星。這是第一顆被人類“發現”的行星，行星的數量變成7顆。赫歇爾發現行星後獲得的聲譽以及帶來的轟動效應，使得天文學家投入到一場尋找新行星的競賽中。

1801年1月1日晚，意大利天文學家朱塞普·皮亞奇（Giuseppe Piazzi）發現穀神星。天文學界受到震動，因為人類可能在時隔20年之後發現了一顆新行星。之所以這麼説，原來是在此之前，有一個名為提丟斯—波德的經驗規則，預言在火星和木星之間應該有一顆人類尚未發現的行星，而皮亞奇發現穀神星的位置與預言的位置非常接近。當然，天文學家也不是沒有疑慮，比如説，比天王星距離地球更近的穀神星卻更加黯淡，説明穀神星的體積可能非常小。

沒過多久，1802年3月28日，德國天文學家海因裏希·奧爾貝斯（Heinrich Wilhelm Olbers）發現了智神星。由於智神星的軌道半徑與穀神星幾乎一樣（穀神星與太陽的平均距離為2.7天文單位，智神星與太陽的平均距離為2.77天文單位，日地平均距離為1天文單位），因此引起了關於二者地位的爭議，因為兩顆行星不可能佔據相同的軌道區域。

而且二者的體積確實很小，比月球都要小不少，因此赫歇爾建議把它們稱作“小行星”（asteroid），天文學界也逐漸接受了這種説法。1804年和1807年，婚神星（Juno）和灶神星先後被發現。19世紀40年代，德國業餘天文學家卡爾·路德維希·亨克（Karl Ludwig Hencke）又先後發現了義神星（Astraea）和韶神星（Hebe）。此後，隨着觀測能力的提升，小行星的家族不斷壯大。

1846年9月23日，天文學家發現了海王星。由於在發現天王星的過程中，天文學家根據天體力學的計算預測了它的軌道，並根據預測開展搜尋工作，因此海王星又被稱作“筆尖上發現的行星”。1930年，美國天文學家克萊德·湯博（Clyde Tombaugh）發現了冥王星。“九大行星”自此排定座次。

擊倒冥王星的“小夥伴”

冥王星距離太陽實在太遠，反射的光線極其有限，所以在很長時間裏，天文學家甚至不能準確測量它的大小，後來才估計出它的直徑。2006年1月19日，NASA發射了新視野號探測器（New Horizon），目的就是對冥王星進行近距離拍攝和研究。新視野號也不負眾望，2015年7月14日，它近距離飛掠冥王星，拍攝了有史以來最清晰的冥王星圖像。 

新視野號拍到的冥王星。| NASA

新視野號發射升空時，冥王星還是一顆行星，但沒出發多久，冥王星就被降級，直接的導火索就是鬩神星的發現。2005年，加州理工學院的行星科學家邁克爾·布朗（Michael Brown）公佈了基於此前觀測數據的一個發現，即他和研究者在2003年曾經拍攝到一個比冥王星更大的天體（此後的研究表明，鬩神星與冥王星的大小相當，但是質量更大一些），後來它被命名為鬩神星。

鬩神星的藝術想象圖。| ESO 

鬩神星（Eris）、冥王星（Pluto）與海衞一（Triton）的大小比較。其中黃色代表岩石，藍色代表表層的冰。| 加州理工學院

隨着望遠鏡觀測能力的提高以及對太陽系演化理解的加深，天文學家發現在太陽系中存在小天體聚集的區域。這次天文學家揭開神秘面紗的健神星，以及穀神星、智神星都位於火星和木星之間的主小行星帶中。此外，美籍荷蘭裔天文學家柯伊伯等人（Gerard Kuiper）還提出在海王星的軌道外，存在一個小天體帶。這個區域被命名為柯伊伯帶（Kuiper Belt），其中的天體被稱作海外天體。

鬩神星在太陽系中的位置，從中可以看到它位於海王星的軌道外，屬於海外天體。| NASA

雖然天文學家先後在主小行星帶和柯伊伯帶發現了大量天體，但是絕大部分個頭都太小，不會挑戰既有的行星秩序。可是，鬩神星把一個棘手的難題拋給了天文學家：既然冥王星是行星，那麼無論是直徑還是質量都比冥王星要大的鬩神星應不應該是一顆行星呢？

鬩神星的出現成為壓垮冥王星行星地位的最後一棵稻草。天文學家面臨的更大問題是，如果把鬩神星也當成行星，那未來如果發現略小於鬩神星的天體，要不要歸類為行星，這個大小的界限又究竟在哪裏。因此，天文學家決定直面一個此前從未深究過的基本問題，即行星的定義究竟是什麼。從這裏出發，就有了前面提到的在2006年的IAU大會上天文學家提出的行星標準和隨之而來的矮行星標準。

如果健神星被確認是矮行星，那矮行星的家族就又得以壯大。天文學家之所以極盡所能，希望一窺它們的容貌，就在於這些行星面前的“小傢伙”身上充滿了未知的謎團，隱藏着揭示太陽系形成和演化之謎的重要線索。天文學家想要真正瞭解這些遙遠的隱秘世界，還有很長的路要走。

參考資料

[1] https://www.nature.com/articles/s41550-019-0915-8

[2] https://phys.org/news/2019-10-eso-telescope-reveals-smallest-dwarf.html

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Dwarf_planet

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Pluto[5]盧昌海. 那顆星星不在星圖上：尋找太陽系的疆界. 北京：清華大學出版社，2013.

[6] [英]約翰·錢伯斯 [英]傑奎琳·米頓著，楊潔玲譯. 太陽系簡史. 北京：中信出版社，2018.

[7] https://solarstory.net/planets/eris

[8] https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/eris-and-pluto-doessizematter/

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