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什麽是冥王星和柯伊伯帶?

整個20世紀,天文學家都在預言,太陽系的邊緣有壹顆比地球質量還大的行星,它是太陽系的第十顆行星,那時它被稱為行星X。實際上,這顆X行星並不存在。X行星存在的依據來源於觀測到的天王星和海王星的位置,它們總是稍稍偏離理論計算值。X行星的主張者認為,這種偏離就是因為在冥王星之外的某處還存在著第十顆行星。

冥王星是1930年2月18日由克萊德·湯博根據美國天文學家洛韋爾的計算發現,它是太陽系邊緣的柯伊伯帶中已知的最大天體,與太陽平均距離59億千米。直徑約為2370千米(小於月球),誤差值為上下20公裏,平均密度2.0克左右/立方厘米,質量1.290×1022千克。公轉周期約248年,自轉周期6.387天。表面溫度在-220℃以下。

然而事實上,天王星和海王星位置的觀測與理論值的偏差,僅僅是因為觀測和設備誤差以及先前對海王星質量的不準確估計造成的。1989年,旅行者2號探測器分析到了海王星質量的正確數值,研究者隨即校正了舊的觀測位置數據並發現了另壹些誤差。現在,天王星和海王星在軌道上的運行位置已經與理論預期值精確符合,這也就消除了X行星存在的任何意義。

尋找X行星的活動與兩個世紀前人們猜測在火星與木星軌道間有壹顆“遺失行星”的活動有很多相似之處。成千上萬的小行星在火星和木星軌道間的空隙中來回遊蕩,人們曾猜測那裏很可能有壹顆獨立的行星。與此類似,在X行星被認為可能存在的地方,應該存在壹條彗星帶。1992年,天文學家戴維·居維特和珍妮·露利用位於夏威夷的直徑2.2米的望遠鏡,在壹次非常精心的搜索中發現了這條彗星帶裏的第壹個天體。這是壹個直徑大約200千米的原始冰塊,在海王星與太陽距離的1.5倍處繞著太陽公轉。

此後,人們陸續發現了l000多個大小相當的海王星軌道外(30-100倍的日地距離)的天體。這些宇宙大冰球就是海外天體,它們構成了柯伊伯帶。它以著名天文學家格哈德·柯伊伯的名字命名,因為柯伊伯於1951年預言了柯伊伯帶的存在。柯伊伯帶很可能包含有1億個直徑超過1千米的天體,直徑更小的則不計其數,它們的總質量與地球差不多。

理論學家推算,在太陽系形成的早期,柯伊伯帶的物質總量應該比現在更多——足夠形成另壹個海王星。但是,太陽系並未形成第5顆氣態巨行星,留下的只有柯伊伯帶。作為眾多具有諷刺意味的歷史性天文發現之壹,事實上,冥王星只是20世紀我們關心最多的柯伊伯帶天體中的其中壹員。

哈勃空間望遠鏡拍攝的冥王星和它的衛星冥衛壹。

冥王星的軌道為非常扁的橢圓,其軌道周期是248年,這導致它在離太陽30到49個天文單位(1AU=1個日地距離,譯者註)的範圍間運動,這就使得冥王星上有了季節交替。冥王星上的夏季在近日點處降臨,換句話說,就是在冥王星運行到距離太陽最近時。這時,冥王星上的甲烷冰和氮冰將達到升華點,從固態變為氣態,從而形成壹層薄薄的大氣。1989年9月12日正是冥王星到達近日點的日子,因此從那開始的這些年裏,冥王星正經歷著夏日到達巔峰,溫度開始下降的階段。

21世紀的第壹個十年中,在哈勃空間望遠鏡的極限分辨率下,我們觀測到了冥王星表面明暗特征的重要變化。這些變化無疑是季節循環引起的溫度升高和重新冷凍造成的影響。為了好好利用冥王星的季節活動,壹艘名為新視野號的無人飛船會於2015年到達冥王星。從到達前的150天開始,新視野號就將向地球傳回冥王星及其衛星冥衛壹的圖像,這些圖像會比以往在地球上拍攝的都更好。

2015年7月14日,新視野號終於到達離冥王星最近的壹點,我們看到了與在地球上用望遠鏡看月球時壹樣清晰的圖像。這無疑是天文學史上的又壹裏程碑,使得科學家對這顆遙遠的天體有了更詳盡的了解。最後,我們必須談壹談還沒提及的,現代天文學上最著名的事件之壹:因為考慮到與外太陽系的氣態巨行星相比,冥王星顯得十分不合群,所以在2007年,冥王星不再被認定為太陽系的第九大行星,而被降級為壹顆矮行星。