太阳系中的矮行星

□ 张 莹



太阳系中的矮行星

□ 张 莹

太阳系是一个大家庭。唯一的恒星太阳是这里的绝对主角，它的质量占整个太阳系质量的99.86%；其中的八颗行星按照固有的节奏有条不紊地围绕太阳运动，卫星则在各自的主行星附近运转；小行星带中分布着众多的小行星；彗星往往难以预测，当它从远处来到距离太阳较近时才可以被发现。从2006年开始，在太阳系的天体中，增加了一个新的类型，它就是矮行星。

天文学家定义新的太阳系天体类型

1930年2月18日，美国青年天文学家汤博发现了冥王星。在没有彻底弄清它的质量等物理参数的情况下，天文学家们便将其列为第九颗大行星。在它被发现后的近50年时间里，人们一直认为冥王星比水星大。1978年，天文学家发现了冥王星的卫星卡戎，进而计算出冥王星的质量，这时才知道，冥王星的质量比最初估计的要小得多。虽然，与当时最大的小行星相比，冥王星的质量是谷神星质量的十倍多，但是，冥王星的质量仅有水星质量的约二十分之一，显然，它是九颗行星中最小的。与月球相比，冥王星也望尘莫及，只有不到月球质量的五分之一。可见，将冥王星作为行星确实有些勉强。从冥王星的轨道看，其偏心率为0.25，是一个非常扁的椭圆，且它的轨道平面与黄道面夹角为17°，远大于其他行星轨道平面与黄道的偏离角。从这些特点看，冥王星与其他行星有显著差别，因此，长期以来，冥王星的行星地位一直受到质疑。

20世纪90年代以来，随着天文观测技术的发展，国际上大型地面望远镜和空间望远镜不断投入使用，在冥王星附近的太阳系区域（柯伊伯带），天文学家接连发现新的天体。例如，2002年6月5日发现了夸奥尔（Quaoar），2003年11月14日发现了塞德娜（Sedna），2004年12月28日发现了妊神星（Haumea)，2005年1月5日发现了阋神星（Eris）。这些天体的大小和轨道特点同冥王星有所相似。因此，有些天文学家连同冥王星一起将这些天体称为冥族小天体（plutinos），也有些天文学家将它们称为亚行星（subplanet）或者微型行星（planetoid），而不再把冥王星称为行星。这种情况引起了天文学概念的混乱，因此，有必要对此进行清理。那么如何办呢？要么将这些新发现的天体归类为行星，要么将冥王星重新分类。如果将这些天体划归为行星的话，天文学家预测，未来行星的数目将会大大增加。更让局面变得复杂的是，2005年发现阋神星后，天文学家初步估计它的质量和体积都比冥王星大（2015年新视野号探测器测量的结果是，冥王星的体积大于阋神星），不少天文学家干脆将阋神星列为第十颗大行星。

图1 截至目前，天文学家发现的一些海外天体（t rans-N ept uni an obj ect s），图中按比例显示了它们的大小。

2005年，太阳系新发现天体带来的天体种类的混乱局面，成了令天文学家头疼的大事。这一问题自然反映到2006 年8月在捷克首都布拉格召开的国际天文学联合会第26次会员大会上。借此会议天文学家新定义了一类太阳系天体，即矮行星。

它的定义如下：

1.它必须在围绕太阳的轨道上运转；

2.它具有足够的质量，以至于在自身引力的作用下，它的形状基本为球形，且处于流体静力学平衡状态；

3.它没有清空其轨道附近的空间；

4.它不是一颗卫星。

改变身份而成为矮行星的天体

图2 2015年7月14日，新视野号拍摄的冥王星图片，当时新视野号距离冥王星45万千米，图片上部为其北极地区，右侧中下部为明亮的汤博心形区。

1.冥王星

有了矮行星的定义，需要重新审视太阳系中的已有天体，首当其冲的是冥王星。由于在冥王星的轨道附近接连发现新的天体，因此，其轨道附近的空间没有被清空，这样不得不从行星的行列去除冥王星，把它降级为矮行星。

2015年新视野号探测器从冥王星身旁飞过，对其进行了仔细观测，冥王星直径的最新测量结果为2372千米，比阋神星略大，因此，它在柯伊伯带天体中保持着个头第一的桂冠。它的质量为1.31×1022千克，略小于阋神星（Eris）。冥王星围绕太阳公转一周需要248年，而它的自转周期约为6.4天。目前，天文学家发现了冥王星的五颗卫星。其中冥王星的最大卫星卡戎是美国天文学家詹姆斯•克里斯蒂（James Christy）于1978年发现的，卡戎围绕冥王星转动时，它们相对的半球面始终保持不变，天文学家称之为“潮汐锁定”。

2.谷神星

1801年1月1日，意大利天文学家皮亚齐（Giuseppe Piazzi）发现了谷神星。我们知道，在谷神星所在的小行星带中，有数目庞大的小行星围绕太阳运转。谷神星的直径为945千米，质量为9.39×1020千克，约占整个小行星带中天体总质量的三分之一。这样看来，谷神星没能清空它附近的空间，它也不能绝对主宰附近的所有天体；谷神星具有足够的质量使得其形状呈球形，它处于流体静力学平衡状态，且不是其他行星的卫星。因此，2006年8月，天文学家提出矮行星的定义后，由于谷神星符合矮行星的条件，国际天文学联合会于当年9月13日，将其纳入矮行星的队伍中。

图3 谷神星和曙光号探测器

说起来，此次身份变化应该是谷神星的第二次身份改变。早在18世纪后期，天文学家按照提丢斯-波德定则认为，在火星和木星之间应该有一颗未被发现的行星。1801年，皮亚齐发现谷神星后，它恰好处在行星空缺的位置上。因此，天文学家把谷神星确定为行星。可是在随后的岁月中，在谷神星附近不断发现类似的天体，它们个头都较小。大约发现谷神星50年后，天文学家认识到在谷神星附近有许多小个头天体围绕太阳运转，天文学家称它们为小行星，它们所处的区域被称为小行星带，谷神星是其中最大的小行星。

谷神星围绕太阳运动一周需要4.6年，其平均轨道半径为2.77AU，自转一周约9小时4分。近年来，天文学家利用哈勃空间望远镜和地面的凯克望远镜等大型望远镜对它进行过不少观测，但是，由于谷神星个头较小，人们并不能获得它的高分辨率图片。2007年9月，美国国家航空航天局发射曙光号小行星探测器，2015年3月，它来到谷神星近旁，围绕谷神星运转并对其进行高分辨的观测。曙光号发现，冥王星表面有许多高低起伏不大的环形山。谷神星中心是岩石构成的核球，中间是一层厚厚的冰幔，表面是一层薄薄的尘土物质。据估计，谷神星水冰构成的幔，其水的含量比地球的水还多。

图4 曙光号拍摄的谷神星地表图片

近年来新发现的矮行星

妊神星（Haumea）

2008年9月17日，国际天文学联合会确定，妊神星为一颗矮行星。但是，关于它的发现，却存在着争议，有两个团队宣称首先发现了这颗矮行星，其一是迈克•布朗（Mike Brown）领导的来自美国加利福尼亚理工学院的研究团队，另一个是乔斯•路易斯•奥尔蒂斯•莫雷诺（Jose Luis Ortiz Moreno）领导的来自西班牙雪山天文台(Sierra Nevada Observatory)的研究团队。实际情况是这样的，2004年12月，迈克等人利用他们当年5月6日在凯克天文台观测得到的资料，发现了妊神星，2005年7月20日，他们简略地在网络上发布了这一成果，同年9月，他们在一次会议上再次宣布了这一成果。而奥尔蒂斯等人则是在2005年7月27日，通过电子邮件将它们的发现提交给国际天文学联合会小行星中心，并说明他们是通过2003年3月7～10日的观测资料发现的。看来，妊神星是两个团队分别独立发现的，发现日期相差不多。

图5 妊神星和它的两个卫星，美术概念图，C redi t：N ASA

天文学家根据观测数据，初步估计妊神星呈椭球形，它的平均直径大致为1400千米，其质量约为4×1021千克，相当于冥王星质量的三分之一，只有地球质量的1/1400。妊神星在海王星以外的天体中算是较大的，仅小于冥王星和阋神星，或许也小于大小还没有完全确定的鸟神星和2007 OR10，但是，大于当时已知的所有其他海外天体。妊神星围绕太阳公转一周需要284年，其自转周期为3.9小时，公转轨道面与黄道面夹角为28度。2005年，迈克的团队发现妊神星有两颗卫星，其中，位于外侧的卫星（Hi'iaka）体积较大，直径约310千米，它围绕妊神星运动一周需要49天。位于内侧的卫星（Namaka）体积较小，质量只有前者的十分之一，围绕妊神星运动一周需要18天。妊神星为椭球形状且高速自传，它拥有两颗卫星，具有高密度和高反照率，从这些特点来看，它是一个非常特别的海外天体。

阋神星（Eris）

阋神星是由迈克•布朗（Mike B r o w n）带领的团队发现的，其成员还包括查德•特鲁希略（Chad Trujillo）和戴维•拉比诺维茨（David Rabinowitz)。2003年10月21日，该团队在美国加州帕洛玛天文台，使用口径1.2米的施密特望远镜，进行常规观测，寻找太阳系远处的较大天体。由于阋神星移动缓慢，当时他们并没有立即发现它。2005年1月5日，当他们再次细致分析此次观测资料时，阋神星才被发现。该研究团队于2005年7月29日公布了他们的这一发现。阋神星的质量比冥王星大，约是冥王星质量的1.27倍，但是只有地球质量的0.27%。阋神星的直径约为2326千米，比冥王星（2372）略小。但是，最初天文学家通过粗略的估计，认为阋神星的直径大于冥王星，因此，当时人们把阋神星看作太阳系的第十颗大行星，甚至美国国家航空航天局在相关叙述中也这样描述。2005年10月，该团队进一步发现，阋神星拥有一颗卫星（Dysnomia）。

图6 哈勃空间望远镜拍摄的阋神星和它的卫星

图7 根据欧洲南方天文台拉西亚（La Si l l a）天文台观测数据绘制的阋神星的美术图

阋神星围绕太阳运转一周十分漫长，需要558年。它的近日点距离是37.91天文单位，远日点距离是97.65天文单位。1698～1699年，阋神星处在近日点附近，1977年它处在远日点附近，它再次来到近日点附近要等到2256～2258年。在人类已发现的太阳系天体中，除了长周期彗星以外，阋神星被发现时距太阳97天文单位，仅次于天体V774104，处在距离太阳第二远的位置上。在已发现的太阳系天体中，约有40个海外天体的平均轨道半径大于阋神星（67.7AU）。阋神星的轨道平面与黄道面的夹角约44度，偏离非常大，这可能是阋神星很晚才被发现的原因之一，因为，天文学家大多把注意力放在黄道面附近。目前，阋神星的视星等为18.7，因此，如果天文爱好者的望远镜足够好的话，在良好的条件下是可能观测到它的。

鸟神星（Makemake）

图8 鸟神星的美术图

2005年3月31日，同样是迈克•布朗（Mike Brown）带领的加州理工学院团队，在美国帕洛玛天文台发现了鸟神星，并于2005年7月29日，宣布了他们的这一发现。2008年7月19日，国际天文学联合会将其确定为一颗矮行星。2011年，通过掩星的方法，天文学家得出它的大小约为1500×1430千米。鸟神星的质量初步估测为4×1020千克，只有地球质量的0.067%。按照目前的观测结果，鸟神星是继冥王星和阋神星之后，质量位列第三的海外天体，其质量略大于妊神星。

天文学家没有发现鸟神星拥有卫星，与其他三个海王星以外的矮行星相比略显孤单。鸟神星轨道椭圆的偏心率为0.159，它距离太阳最近时为38.59天文单位，距离太阳最远时为52.84天文单位，围绕太阳运动一周需要309.09年，自转一周约7.77小时，轨道平面与黄道面的夹角约为29度。天文学家认为，鸟神星有一个岩石构成的内核，它的表面为冰物质。其表面冰的成分为甲烷、乙烷和微量的氮。

图9 鸟神星的公转轨道（蓝色）与冥王星（红色）和妊神星（绿色）的比较，图中q表示近日点，Q表示远日点，三个矮行星所在的位置是其2006年4月所处的位置。图片来自w i ki pedi a

有待进一步确认的矮行星

根据目前的研究，天文学家认为，许多海外天体具有冰物质构成的核球，这样一来这些天体需要至少400千米的半径才能达到重力平衡状态。截止到2015年1月，根据粗略的半径数据，天文学家认为大约150个海外天体可能是矮行星，如果考虑整个柯伊伯带，这个数目将达到200个，如果再进一步考虑更大的太阳系外部区域，矮行星的数目可能达数千个。

美国天文学家迈克•布朗（Mike Brown）多年从事外太阳系天体观测，他认为有六个天体的直径在900千米左右，或者大于900千米，这些天体被他称为“接近确定的矮行星”，它们分别是：Orcus（亡神星）、2002 MS4、Salacia、Quaoar（夸奥尔）、2007 OR10和Sedena（塞德娜）。当然也有其他的海外天体被天文学家看作矮行星，这些天体需要进一步的观测，才能最后确定它们的身份。

1.Quaoar（夸奥尔）

20 0 2年6月4日，由迈克•布朗（Mike B r o w n） 和查德•特鲁希略（C h a d Trujillo）在美国帕洛玛天文台观测发现，同年10月7日向世界公布。多个天文学家使用不同的方法对Quaoar的直径进行了测量，截至目前，它的直径被认为是890千米。Quaoar的质量为1.4×1021千克，与冥王星的卫星卡戎相近，仅为阋神星（Eris）的12%。Quaoar围绕太阳运转一周需要284.5年，近日点距离太阳41.7天文单位，远日点距离太阳45.11天文单位，其自转周期为17.68小时，轨道平面与黄道面夹角为8度。2007年2月22日，天文学家发现它有一颗卫星。

图10 夸奥尔和它的卫星，美术图

2.Sedna（塞德娜）

图11 塞德娜在太阳系中的轨道示意图（红色），粉红色圆轨道是冥王星的轨道。

2003年11月14日，迈克•布朗（Mike Brown）和他的合作者一起发现了Sedna，当时，它距离太阳约89.6天文单位。经过进一步的观测，天文学家发现它的轨道是一个非常扁（偏心率非常大）的椭圆，它的近日点约76天文单位，远日点约936天文单位，围绕太阳一周需要11400年，在已知的太阳系大个头天体中，其公转周期最长。2015年Sedna距离地球约86天文单位，预计它将于2076年中期抵达近日点。

图12 塞德娜、夸奥尔、冥王星与月球和地球的大小比较

至于Sedna的大小，天文学家做了多次测量，各次的结果并不一致，目前，人们认可的是2012年赫歇尔空间望远镜测得的数据，其直径约为995千米，小于冥王星的卫星卡戎。截至目前，天文学家的观测认为，Sedna没有卫星，因此，除非人造探测器抵达它，我们将无法知晓它的质量。现在，许多天文学家将Sedna看作矮行星，但是它距离遥远，不易被观测到，因此还没有最终确定为矮行星。

3.Orcus（亡神星）

图13 亡神星（O rcus）与月球和地球的大小比较

2004年2月17日，迈克•布朗带领的团队发现了Orcus。2007年2月22日，布朗等人分析2005年11月13日哈勃太空望远镜的观测资料，宣布Orcus有一颗卫星，它被称为Vanth。Orcus和它的卫星Vanth的总质量为6.32×1020千克，只有最大的海外天体阋神星（Eris）质量的3.8%。目前，天文学家还不能确定Orcus和Vanth的质量各自具体为多少。Orcus和Vanth的直径分别为917千米和276千米。

Orcus围绕太阳运动一周需要245年，其公转轨道的近日点距离太阳30.27天文单位，远日点距离太阳48.07天文单位。轨道面与黄道夹角为20.57度，但是偏离的方向与冥王星相反。天文学家认为它符合矮行星的定义，将来它有望被国际天文学联合会确定为矮行星。

4.2002 MS4

2002年6月18日天文学家发现该天体，轨道周期为271.53年，平均轨道半径41.93天文单位，直径约934千米。

5.Salacia

2004年9月22日发现Salacia，其直径约为8 5 0千米，其轨道周期为2 7 1年，近日点距太阳37.4天文单位，远日点距太阳46.4天文单位，它拥有一颗卫星（Actaea）。

6.2007 OR10

2007年7月17日发现2007OR10，它围绕太阳公转的周期为546.6年，近日点距离太阳33天文单位，远日点距离太阳100.7天文单位，轨道平面与黄道面夹角约31度。关于它的直径还没有准确的测量结果，天文学家认为大致在1200千米左右。

（责任编辑 张长喜）