寻找水内小行星

刘声远

太阳系是一个拥挤之地。不管我们望向哪里，总会看到有一些东西正在疾飞：为数不多的行星、上百万颗小行星、1万亿颗彗星、数不尽的蓬松物和尘埃。只需一部足够大的望远镜，再加上足够的时间和耐心，那么你几乎看向哪里哪里都会有东西。

请注意这里所说的“几乎”这个字眼。在我们的太阳系里，有—个令人生疑的、看似空空如也的地方，而这里本应很容易支持成千上万个运行轨道稳定的天体存在。这里不太远，就在水星轨道内，它与地球之间的距离远远小于其与木星之间的距离；这里不算暗，太阳烈焰以凶猛的强度照射它；这里也算不上特别小，直径数百万千米。奇隆的是，天文学家在这里不仅没有发现行星或小行星，而目，什么东西也没有见到。

包括阿兰斯特恩(前美国宇航局科学任务理事会副主任)在内的一些天文学家，相信这片地带的空旷或许只是假象，太阳系早期形成于这个内部区域的天体，30亿年后可能仍然存在。被行星引力牵动的彗星或者小行星可能游荡到这里，最终被太阳的超强引力所俘获。新拍摄的照片显示，水星一直被小天体无情地撞击，这暗示水星与太阳之间的太空曾经、并且有可能仍然被我们还没有看见的天体所占据。那么，它们在哪里呢?也许你以为调查这里的天体数量不难，但事实上，天文学家在这方面进行的每一次尝试都力不从心。

天文学家对水星轨道内一颗可能存在的行星的找寻已持续了400年之久，几乎与望远镜的历史一样古老。1611年，在伽利略开始检视天空不到两年后，德国天文学家克里斯多夫·沙伊讷在明亮的太阳圆盘上发现了一个阴影。他以为自己发现了第七颗行星(当时天王星和海王星尚未被发现)，但后来证实那其实是一个太阳黑子。后来，又出现了更多错误的观测结果。

19世纪50年代，对水内行星的寻找得到一次很大的激励。当时，法国数学家勒维耶宣布，水星看来受到了像是一颗水内行星的影响，而他进行的详细计算表明，水星的轨道在缓慢而稳定地飘移。对此，当时人们能想到的唯一解释是，水星受到一颗较小天体的引力扰动，而这个天体与太阳的距离比水星还近。

许多天文学家继续运用当时能力很有限的望远镜寻找水内行星，他们甚至给这颗推定的新行星起了个名字一“伏尔甘”，罗马神话中的火神。对—个表面温度足以熔化铅和锌的世界(如果这个世界真的存在的话)来说，这个名字再适合不过了。

随着时间推移，望远镜变得越来越大，越来越好，有能力发现微弱的小天体。进入20世纪，任何行星或类行星(类似行星的物体)——哪怕其直径只有数百千米——都应该能被观测到。虽然观测太阳的近旁很困难，但一颗行星要想隐藏自己也并非容易。天文学家对“伏尔甘”存在的信念逐渐弱化。最终，天才科学家爱因斯坦一锤赭地终结了“伏尔甘”存在的想法——他在1915年提出的广义相对论足以完美解释水星轨道的缓慢变动，这样一来，一颗水内行星的存在就再无必要了。

关于水内行星的故事就到此为止了吗?远远不是。一些天文学家坚信，某些类型的天体一定能在水星和太阳之间舒服地开辟一条生路，问题是人们的期望值不能太高——水内行星可能并不存在，但寻找一大帮“伏尔甘小神”应该更靠谱。所谓伏尔甘小神，就是天文学家从那以后为这帮假想中的小行星状天体起的名字一“伏尔甘天体”，也就是水内小行星。

为了寻找水内小行星，就必须确定它们可能所在的位置。一颗大行星是相对容易看见的，而小天体却可能被太阳耀眼的光芒所掩盖。可以推想，一方面，任何天体如果太过靠近太阳，就会被太阳气化，就像靠近火的棉花糖一样；另一方面，任何天体如果其轨道太过靠近水星，就会受到水星引力的影响，被推出这片灼热地带。水星甚至可能从这些天体那里盗走能量，使之最终悲惨地坠入太阳。

这些限制性条件界定了一个环状太空区域，这个区域从距离太阳大约650万千米的地方延伸出去不到2000万千米，总面积约为2.6乘以百万之四次方平方千米。在这个区域中绕行的天体能存活数十亿年。

然而，即使是在水星与太阳之间的这个稳定地带，水内小行星还是难以维持其体面的生活，因为还有个头大小的问题。

水内小行星有一个个头下限。很小的东西(例如尘埃颗粒)会被来自太阳表面的、由亚原子微粒所构成的太阳风吹离太阳系最里层，就连光也会对其施加压力。因此，直径小于几百米的任何天体应该早已从内太阳系消失。水内小行星还有一个个头上限。天体越大，从地球上看去就会越明亮。因此，如果存在任何直径超过65千米的水内小行星，是难逃天文学家的眼睛的。既然天文学家都没有发现这样的天体，它们应该是不存在的。

到20世纪晚期，对水内小行星的个头和位置的限制条件已被很好地界定。新一代天文学家开始“正儿八经”地搜寻水内小行星。到今天，这种搜寻再度全面升温。

寻找水内不行一确实困难，原因在于如果它们真的存在，其轨道会距离太阳太近。地球与水内小行星之间的距离可能远达1-5亿千米，因此从地球上看去，水内小行星在天空中与太阳之间的角度永远不会超过12度，太阳的光辉会把水内小行星彻底遮掩。如此看来，要想发现水内小行星，只能在日落后或日出前的一个非常短暂的时间段(几分钟而已)进行观测，那时太阳稍稍低于地平线，而假想中的水内小行星稍稍高于地平线。这使得寻找水内小行星的工作极具挑战性，因为此时的天空明亮到足以淹没来自目标天体的微弱光线。(出于相同的理由，在日全食期间进行这种观测的效果也不会更好。)再者，观测地平线附近，意味着得看穿数千米厚的狂乱、模糊、甚至污染严重的地球大气层，这使得观测难度更大。

搜寻水内小行星的任务如此十分艰巨，但一些天文学家还是乐意承担起它。目前供职于美国西南部研究所的斯特恩和丹·杜尔达，他们凝视太阳与水星之间的炽热地带已超过10年，而他们的探索可能还要持续10～12年才有结果。

意识到大气干扰给观测带来的困难，斯特恩和杜尔达采取了一种新的观测方法：几乎飞到大气层之上去进行观测。2002年，他们制造了一部特制相机，乘坐一架F-18战斗机飞到离地14900米高度，那里的天空清朗得多。这是一次勇敢的尝试，不幸的是，在这样的高度天空依然太明亮，难于发现水内小行星，即便在黄昏时分也不行。

或许在环绕地球的飞行器上进行观察，角度会好一些。可是，就算是在地球上空500千米，这样的搜索几乎还是不可能的。例如，在以每秒8千米速度环绕地球的航天飞机上，从日落到水内小行星下降至地球边缘以下之间的时间只有几秒钟而已。把专用航天器放进轨道中进行观察也是一种思路，但成本太过昂贵，不可行。

为其他用途设计的前往地球轨道外的太空探测器，也分担了搜寻水内小行星的任务。美国宇航局2010年2月发射

的用于观测太阳磁活动的“太阳动力学天文台”，应该能发现位于个头上限范围的水内小行星。这个“天文台”已进行过预备性观测，但没有任何发现，天文学家不得不把寻找范围缩小到稍小一些的水内小行星。2011年3月进入环绕水星轨道的美国宇航局的另一艘飞船“信使号”，一直都在扫描可能存在的水内小行星，但迄今还没有结果。美国宇航局的“太阳地球关系天文台”也进行过这方面的尝试，这实际上是一对在地球轨道中紧随地球运行的人造卫星，一个正好位于地球前方，一个正好跟在地球后面。这个“天文台”的设计目的之一是检查太阳周围的太空，探测巨型太阳爆发的效果，因此不失为寻找最明亮水内小行星的一个好平台。斯特恩和杜尔达等天文学家计算出，这对人造卫星将能够探察直径小到2.4～6.4千米的水内小行星。尽管“太阳地球关系天文台”在搜索水内小行星方面迄今尚无进展，但天文学家们仍对它寄予厚望。

如果说飞机飞得太低，人造卫星的移动又太快，都不能成为观测水内小行星的有效工具，那为何不能来一个折中呢?这就是亚轨道火箭飞行。

在未来几年中，“维珍银河”及其他私营公司将开始用小型飞船运送乘客上升至地球上空100千米高度。付费乘客将看见地球边缘的弧线及黑色的天空，还将在返回地面前体验三分钟的失重感觉。对于搜索水内小行星来说，这类飞行堪称完美机会。在如此高度的黑暗天空，应该有机会发现哪怕微弱的水内小行星。三分钟的观测窗口看似短暂，但对于敏感的相机搜寻直径小到1千米的水内小行星来说已足够长了，这比“太阳地球关系天文台”、“信使号”和“太阳动力学天文台”在这方面的观测能力要强得多。这种小型飞船的票价是20万美元，对于寻找水内小行星这样的科学探索而言，还算得上“价廉物美”。

斯特恩和杜尔达正是这么想的，所以他们已购买了这样的“船票”，计划届时搭乘三次飞船，把特制相机带到太空边缘。在单独一次飞行中，他们的仪器应该能观测可能存在水内小行星的太空区域的1/3，从而大大提高发现这类天体的概率。如果届时真的发现了水内小行星，天文学家们粥得以描述它们的性质：它们究竟有多少?它们的轨道距离太阳到底有多近?它们的大小分布状况如何?

这是一个耐人寻味的问题：在经历了一次又一次的徒劳无功的努力之后，像斯特恩和杜尔达这样的天文学家还会继续寻找水内小行星吗?就连他们的许多同事都认为这整个项目完全是堂吉诃德式的愚蠢狂想——谁愿意研究根本就不存在的东西呢?

不过，太阳系早已让我们惊奇过。天文学家曾一直以为火星和木星之间的太空是一片空白，直到意大利天文学家朱塞佩·皮亚齐在1801年发现了第一颗小行星谷神星(小行星1号)。如今天文学家估计，在那里有数百万颗岩石在绕行。海王星轨道外环绕的冰质彗星曾经也一直只是猜测而已，直到20世纪90年代发现第一个柯伊伯带天体，天文学家才开始逐渐认识到，柯伊伯带天体的数量或许多达数百万颗。上述两项发现都揭示了有关行星系统形成与演化的大量信息。

天文学家和其他科学家永远都是充满好奇心的。正如美国著名天文学家卡尔·萨根所言：缺少证据并不意味着没有证据。然而，就算最终在水星与太阳之间的“沙漠地带”什么也没有发现，也一样能提供有关太阳系的一些线索。如果最终发现太阳系中真有且只有这么一个完整的空白，这项发现无疑将十分重要。或者，太阳影响这片区域的方式是我们从未想象过的。或者，在水星轨道以内要想达到稳定的轨道，或者要想移动天体，其难度比天文学家原先以为的更大。这些都将有助于我们查明有关其他恒星周围可能存在的行星的大量信息。