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宇宙 —— 太陽家族知多少?/ TNOs and Kuiper Belt /
興趣嗜好其他 2019/09/17 21:38:31

〈宇宙—太陽家族知多少〉

 

長久以來我們一直認爲太陽系的成員是太陽老大爺加上水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星諸位二代(行星)以及月球、木衛、土衛等三代(衛星),還有火星與木星間的小行星帶等隨從所組成。

1930年克萊德·湯博(Clyde William Tombaugh)發現冥王星,加入太陽家族成爲第九個行星。多少年來人們在太陽系中再也沒有觀察到任何天體,所以大家皆以爲那遙遠不可測的冥王星似乎是太陽系的盡頭了。

1978年天文學家發現了冥衛一(Charon,大陸翻譯為卡戎,台灣作凱倫)更加強了冥王星的行星資格與邊際地位——爲何?「因爲有衛星!」

** 以後2005年發現另外兩顆冥王星的衛星:冥衛二(Nix/尼克斯)和冥衛三(Hydra/許德拉);2011年7月發現了第四顆衛星(Kerberos/科伯羅司);2012年7月發現了第五顆衛星(Styx/斯堤克斯)。依現行的定義,冥衛一是冥王星最大的衛星,即使其繞行軌道與冥王星類似在跳雙人華爾茲,可與冥王星組成雙矮行星,但它仍只是顆衛星。

 

但在1992年發現了小行星15760(Albion,或稱阿爾比恩)之後,陸續的還有2002年發現創神星(Quaoar,或音譯夸歐爾)、2003年的鬩神星(Eris)、塞德娜(Sedna)、2004年的妊神星(Haumea)與2005年的鳥神星(Makemake)等;短短數年內有44顆類似天體在鄰近被發現(迄今爲止更是已發現上千顆天體)!這些開始改變了大家對太陽系的認識與定義。

** Albion當時編號1992 QB1。身為第一顆被定義為海王星外天體的“新”星,『QB1』以後就成爲專指柯伊柏帶傳統星體的代名詞。 

看看上面這排陣勢圖!鬩神星(Eris)非但個頭兒與冥王星(Pluto)可以匹比,質量還是冥王星的1.27倍。以後由於這些天體是在海王星的公轉軌道之外,就被稱作【海王星外天體】(Trans-Neptunian Object,TNO)。

** 關於天體的命名與編號詳細規範請參閲天體命名- 維基百科〉。

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A9%E9%AB%94%E5%91%BD%E5%90%8D 


 

2005年天文學者再對這些“新”傢伙們及軌道附近進行詳細觀測,加之在9月觀測到鬩神星(Eris/2003UB313)旁的衛星——鬩衛一(Dysnomia);有些學者們於是對冥王星與鬩神星作了大小、質量、軌道等方面的比較,之後提出的報告對冥王星的歸類有了不同意見。這些學者認爲如果要把冥王星依舊歸類為『行星』,恐怕也要把鬩神星(Eris)等新朋友包括在內。

不過,這些新朋友的體積或質量跟八大行星實在差得太遠。即使是冥王星的質量也僅及月球的17%,而直徑不過是月球的2/3,遑論其它呢?所以統統被認爲不具備『行星』的同等“資格”。

而冥王星更是當時九顆行星中其公轉軌道面唯一與黃道面有傾角的“怪咖”,且有時候還會比海王星跟接近太陽。此外其與黃道面的交點虛擬連綫(Line of Nodes)所分化的兩弧端繞日周期居然不同(短弧部分為87地球年,長弧部分則為162地球年),這是完全異於其它八大行星。如下圖紫色軌道所示:

其實一直以來科學界從未對『行星』(Planet)有過明確的定義,爲此爭議國際天文聯合會(IAU)在2006年集會時經過一番討論正式定義太陽系內的天體要成為『行星』的資格是:

一、圍繞恆星(如:太陽)運行的天體;

二、該天體有足夠的質量,透過自身引力達到流體靜力學平衡,也就是達到約為球體的形狀;

三、能清除相似軌道附近的小天體(使它們變成衛星,或圍繞拉格朗日點公轉)——表示其軌道附近應該沒有其他星體。

 

“清除鄰近的小天體”意指這顆天體是它軌道裏最大的星體,而這顆天體要有相當的質量才能把軌道裏其他的星體清除。所謂“清除”就像用塊磁鐵以直直掃過一片鋪平的鐵屑,這使磁鐵越來越大,並從而磁吸更多的鐵屑;如此類推,天體亦然。天王星與海王星就是這樣形成的:巨大的引力使它周圍的星體都紛紛撞附到它的表面上。

根據國際天文聯合會以上定義,一顆不是衛星的天體如果只滿足了第一條準則,它只是屬於【太陽系小天體】(Small Solar System Body,SSSB); 

一顆不是衛星的天體如果只滿足了前兩條準則,就只能被歸類為【矮行星】(Dwarf planet)。而且「行星和矮行星是兩種不同類的天體」。

** 矮行星,直言之就是具有行星級質量,但既不是行星,也不是衛星的天體。

估計在整個柯伊柏帶可能會發現200顆矮行星,而在柯伊柏帶以外的區域,矮行星的總數可能超過10,000顆。

 

** 拉格朗日點(Lagrangian point)又稱平動點(libration point)在天體力學中是限制性三體問題的五個特殊解(particular solution)。

就平面圓型三體問題,1767年數學家歐拉根據旋轉的二體引力場推算出其中三個特解點為L1、L2、L3。1772年數學家拉格朗日推算出另外兩個特解點為L4、L5

例如上圖兩個天體環繞運行,中央的“太陽”與藍色軌道上的“A行星”。那麽在其繞行軌道的空間中可以放入第三個物體(其質量忽略不計),有五個位置(L1、L2、L3、L4、L5)使其保持在兩個天體的相應位位置上。

理想狀態下,兩個同軌道物體以相同的周期旋轉,兩個天體的萬有引力在【拉格朗日點】平衡,使得第三個物體與前兩個物體相對靜止。因此衍申而言,在做天文探測時候,位于該定點太空探測器可以穩定下來實施對此兩天體的觀測活動。

 

内太陽系與外太陽系 

一般對太陽系的天體分佈是以木星軌道分隔為内太陽系天體(Inner Solar System)和外太陽系天體(Outer Solar System)。如下圖所示。

內太陽系天體是包括『類地行星』(terrestrial planet)和小行星帶的區域。相對而言是太陽系內較靠近太陽的區域,距離太陽在 5 AU 的範圍內。

『類地行星』包括水星、金星、地球、火星,又被稱作岩石行星(rocky planet),是指其主要成分以矽酸鹽岩石固態物質的行星。其平均密度高,體積和質量較小,衛星數少。

 

外太陽系天體包含了巨行星和它們的衛星,特洛伊群小行星(Trojan Asteroids)、半人馬小行星(Centaur Asteroids)和許多短週期彗星的軌道也在這一區。

『巨行星』主要成分中水、氨和甲烷的比例都較高;由於它們距離太陽更遠,而因為溫度低,使得這些化合物都成為固態。包括木星、土星、天王星,與海王星。它們或被稱『地外行星』(Superior Planet)其平均密度低,體積和質量較大,衛星數多。

 

巨行星可以分成氣態巨行星(gas giant)和 冰態巨行星(ice giant)。

氣態巨行星:質量中主要是由含有90%以上的氫和氦組成。它們外層是分子氫包圍著液態的金屬氫,可能有著熔融的岩石核心。最外面的一層是氫的大氣層,其特點是可見多層由水和氨組成的雲。木星和土星就是氣態巨行星,又可稱之『類木行星』(Jovian planets)。

冰態巨行星:質量中包括僅約20%的氫和氦,主要是由氧、氮、碳、硫這些比較重的氣體組成的巨行星。其表層仍是以氫氣為主,但在這之下的內部區域則大致呈現「冰凍」狀態。這些「冰」主要由水、氨與甲烷組成。與氣態巨行星最大不同的是這些冰巨行星的核心缺乏金屬氫。天王星和海王星均是典型的冰巨行星。

 

【特洛伊群小行星】位在木星前方或後方60度,是與木星有著相同的軌道的小行星群。從固定在木星上的座標系統來看,他們是在所謂的拉格朗日點中穩定的兩個點,分別位於木星軌道前方(L4)和後方(L5)60度的位置上。上圖是從極點俯視木星與特洛伊群小行星的位置關係,明顯可以注意到希爾達群、希臘群、特洛伊群分別在木星的拉格朗日點之L3、L4、L5點。

位於木星軌道之前和之後的木星特洛伊小行星(綠色)、位於火星和木星之間小行星帶上的小行星(白色),以及希爾達小行星(棕色)。

一般的L3點因爲是在“太陽(恆星)”的另外一端,較不易被探知與測定。 

【半人馬小行星】(橘色星點)分佈在柯伊柏帶(綠色星點)的內側。半人馬小行星被歸類為軌道不穩定的小行星,因為它們的行為一半像小行星,另一半則像彗星。半人馬小行星的軌道會穿越或曾經穿越過一顆或數顆氣體巨星的軌道,並且有數百萬年的生命期。在木星兩側的桃色影塊即特洛伊小行星群。

 

太陽系内天體的“包含”定義關係圖 

藍/Planet 行星

綠/Dwarf planet 矮行星

紅/Satellite(natural) 衛星(如月球、木衛、土衛、天衛、海衛、冥衛……

紫/Minor planet 微行星

黃/Centaur 半人馬小行星

褐/Trans-Neptunian Object 海王星外天體

灰/Small Solar System Body 太陽系小天體

桃/Plutoid 類冥王星天體

橘/Comet 彗星

 

所以在2006年以後,根據前述關於行星的定義,太陽系目前有8顆大行星和5顆矮行星(冥王星、鬩神星、妊神星、鳥神星,以及小行星帶中的穀神星)。

於是冥王星被正式下架列入海王星外天體一員。

【海王星外天體】(Trans-Neptunian Object),常簡稱海外天體(TNO),是泛指太陽系中所在位置或運行軌道超出海王星軌道範圍的天體。(在某些定義上『TNO』往往與『KBO』會混在一起)

 

海王星外天體(Trans-Neptunian Object,TNO)

柯伊柏帶天體(Kuiper Belt Objects, KBOs)

傳統柯伊柏帶天體(QB1天體,【cubewano】)*發音que-bee-one-oh  即 QB-1-O

共振海王星外天體

離散盤天體(Scattered Disc Object, SDO)

共振離散盤天體

塞德娜天體(Sednoid):凡是離日距離超過50AU,且周期軌道大於150AU的星體

奧爾特雲天體(Oord Cloud Object, OCO)

上圖可以看出在藍色的海王星軌道之外諸TNO天體偏心圓軌道(包括冥王星的紫色軌道)均是呈現傾角。 

  

 

———— 新『太陽系』觀 ———— 

綜合以上所述,現在我們定義太陽系時得將40年前的觀念放大放大再放大,從當初最遠僅到冥王星,而半徑為30 AU的星系界限要一直放大到如今半徑100000 AU包含奧爾特雲『特大球體』的星系範圍。

這膨脹了1011倍的比例上就如同拿一個小巨蛋的容積與一個大地球作對比!(參考下面兩圖)

(上圖)這是我們過去一直認識的太陽系。白色軌道為内太陽系行星,紅色軌道為小行星帶,橘色軌道為外太陽系行星。本圖非實際比例,而且40年前在冥王星以外的柯伊柏帶尚未被發現。

(上圖)這是我們應該調整的“新”太陽系的範圍觀念。先將左上方圖縮置於左下方圖内小環中(舊的太陽系概念),再將左下方圖縮投放置於右方圖的内芯——依此比例,我們可以想象出左上方圖内的那顆藍色地球(已經經過放大)將是如何地渺小。

左上方是内太陽系天體,左下方是外太陽系天體。我們以前的太陽系範圍僅是左下方的黃道面區域,現在的太陽系則已擴大成右方的大球體。而那塊原來太陽系黃道面僅是大球體的球心點而已!

在右方的奧爾特雲雖然還是個以理論性存在,但是根據現有的觀測數據,大致可以確定其實際的位置,只是無法估算它的規模。(現有三艘天文探測器已進入柯伊柏帶,但仍需1000年才能達及奧爾特雲的半身!)

   

 

以下介紹太陽家族的“新”組成: 

柯伊柏帶(Kuiper Belt)

柯伊柏帶被認為包含許多微行星(Minor Planet/Planetesimal)所組成,有時候或被寫作 kuiperoid(EKO)。它們是來自環繞著太陽的原行星盤碎片,因為未能成功的結合成行星所形成較小的天體,最大的直徑不超過3000公里。如今已有上千個柯伊柏帶天體被發現編號,直徑從數千公尺到上千公里不等。比較知名的天體有前段所述被降級的冥王星(Pluto),以及鬩神星(Eris)、鳥神星(Makemake)、妊神星(Haumea)等等。

 

請注意上圖這幾個NTO的周期軌道皆是與黃道面有傾斜角。 

它們分佈類似小行星帶(asteroid belt),但寬了20倍,數量則是小行星帶的好幾百倍,據估計單是直徑超過100公里的天體至少超過35000個。

柯伊柏帶大約從30 AU伸展到55 AU(或有理論認爲及於100 AU)。一般認為主要的部份只是從 39.5AU 的2:3共振區域延展到 48AU 的1:2共振區域,主要集中在黃道平面上下10度的範圍內,但還是有許多天體散佈在更寬廣數倍的間內。總之它不是一條圓環“帶子”,其實更像一個“天文”甜甜圈。

 

柯伊柏帶的很多天體最初應該是在離木星較近的範圍形成的。最近的計算機模擬顯示柯伊柏帶受到木星和海王星的影響極大,同時也認為天王星或海王星都可能不是在土星之外的原處形成的;因為原始只有少許的物質存在於這些地區,如此大的天體不太可能在該處形成。

在太陽系早期演化的期間,當初的“小物質”形成不久就被木星、土星和海王星拋到了外面,所以才成為了柯伊柏帶天體。

1984年,天文學者研究認為與被拋射天體的角動量交換可以造成行星的遷徙。他們計算出軌道的遷徙到達土星和木星形成1:2共振的確切位置(就是當土星繞太陽運轉1圈,木星正好繞太陽2圈),由於引力共振所產生的拉力,攪亂了天王星和海王星的軌道,造成它們的交互作用而使有些星體向外移動到原始的柯伊柏帶。

上圖是由天外極點俯視外行星和柯伊柏帶的模擬:(左)木星和土星達於2:1共振之前,(中)在海王星軌道遷徙之後,柯伊柏帶天體被散射至太陽系內 (右)柯伊柏帶天體被木星排斥之後。

其中綠色圓環是木星軌道,土色圓環是土星軌道,淺藍色圓環是天王星軌道,深藍色圓環是海王星軌道。

 

 

傳統柯伊柏帶天體Classical belt

大多數柯伊柏帶天體圍繞太陽運行在所謂的傳統柯伊柏帶中。

這裡的“傳統”指的是這些天體的軌道與在發現柯伊柏帶以前的原始(即傳統)軌道非常相似。

早先,天文學者推論海王星以外的天體沒有受到其它星體的碰撞與擾動,是因爲太陽系冷卻氣雲盤自發冷凝的結果,所以其周期軌道應該偏心率較小而近乎圓形;也就是說此處天體周期軌道將不會和黃道面有過大的傾斜。

但是與上述理論相反的是多數柯伊柏帶天體被發現有明顯的橢圓和傾斜軌道。

它們的軌道傾斜度非常大,最大可以傾斜30度以上。主要有兩個假說來解釋它們傾斜的原因:

一是內部動搖假說:推測在太陽系早期,有一定數量的大塊頭小行星被海王星彈射進柯伊柏帶,從而使柯伊柏帶傳統天體軌道發生傾斜;

二是外部動搖假說:推測在柯伊柏帶外有一個“路過的”恆星產生了引力干擾,使柯伊柏帶傳統天體軌道發生了傾斜。這個假說倒是很好地解釋了為什麼柯伊柏帶傳統天體的運行範圍都聚集在有限地範圍而且段落明顯。(參見下段的『外太陽系的星體分佈圖』藍色星點

 

柯伊柏帶的傳統天體又分爲【冷天體,dynamically cold】和【熱天體,dynamically hot】。這裏的冷和熱並不是指溫度,而是它們的曲度與相對速度。

冷天體軌道接近圓形,軌道離心率小於0.1,相對於黃道的傾角低於10度;概括而言它們的軌道平面貼近黃道面,傾斜不大。而熱天體趨於扁橢圓形偏心軌道和傾斜的軌道(可以達到30度)。

這意味著冷天體大部分時間都與太陽保持著相同的距離,而熱天體和太陽的距離則相對差較大。也就是說,在熱天體軌道的某些部分,它們可能離太陽更近,有時也離太陽更遠,變化差異大。

 

這兩類天體之間的差異可能與海王星有關。

冷天體從未接近過海王星,因此它們能夠不受行星引力的影響。它們的軌道在數十億年內可能不會有太大移動。

熱天體相信是在靠近木星的地區形成,過去曾與海王星發生過相互作用(也就是說曾被巨行星的引力影響過),然後被氣體巨星拋出。這些相互作用把能量帶到熱天體的軌道,並把熱天體的軌道拉成橢圓形,同時使它們稍微傾斜出行星平面。

 

柯伊柏帶的傳統天體以最初被發現的1992 QB1為尊,之後泛稱此一形態的星體為【QB1天體(cubewano)】(讀作que-bee-one-oh 即 QB-1-O,在下圖的膚色環帶圈内)

 

共振柯伊柏帶天體(Resonances)

當兩個天體的軌道週期互相成穩定整數比時,這種情況稱為平衡共振。柯伊柏帶還有許多天體其軌道與海王星軌道就有著“共振”的諧調,也就是說兩者的軌道是處於穩定、規律而重複的模式中。

這些共振比數可能有1:1、3:4、2:3 和 1:2等各種的組合。

例如王星和王星的共振為2:3,就表示王星每繞太陽轉2圈的同時,王星就已繞太陽轉3圈。事實上,在軌道上有超過200個的天體和冥王星一樣具有2:3的共振這種軌道特徵的半長軸大約是39.4 AU。它們被歸為特別的一類,稱作【P共振星體】(plutinos)(下圖的土色環)。這些小天體都會穿越過海王星的軌道,但就是因為共振的緣故,永遠不會與海王星碰撞。

另外還有1:2共振(每當該天體轉1圈時,海王星已轉2圈)的軌道半長軸相當於47.7 AU,但數量稀稀落落的,它們被稱為【T共振星體】(twotino)(下圖的褐色環)

類冥王星天體(Plutoid)尚有些有高的軌道離心率,因此它們當初原本應該不是在現在的位置上,而是因為海王星的軌道遷徙被轉換到這兒的,其分別為還有3:4、3:5、4:7和2:5等共振族群。

由於“共振”的效果,使得兩個天體保持“穩定的互動”關係,確保兩者不會相撞。天文學家根據計算:冥王星和海王星的軌道週期如果不是固定比例,兩者可能會相撞消失。

但目前仍無法解釋爲何在小於39 AU 以內缺乏共振天體?

迄今可以被接受的假說是在海王星遷徙時被它驅離了此一範圍,因為這個區域在遷移中是軌道不穩定的地區,因此在這兒的任何天體不是被掃清,就是被重力拋出去。

 

柯伊柏斷崖(Kuiper cliff)

在1:2共振之外的已知星體數量非常少,看起來這裡像是個邊界,但還不能確定這是傳統柯伊柏帶外側的邊界,還是只是一個寬闊的空隙。

目前觀測到2:5共振的距離大約在55 AU,已被認為在傳統柯伊柏帶之外;然而,據估算預測在傳統柯伊柏帶與共振帶之間的大量天體尚未被觀測到。

早期的柯伊柏帶模型認為在50 AU之外的大天體數量應該增加二個數量級(就是102倍),因此這突然的數目下降,被稱為『柯伊柏斷崖』。這是完全意料之外,並且它的原因至今仍不清楚。可能的解釋是在那個距離上的物質太缺乏或太分散,因此不能成長為較大的天體;或者是後續的過程摧毀了已經形成的天體。

 

離散盤星體(Scattered Disc Objects

離散盤星體在太陽系遠遠超出柯伊柏帶主體的區域,而是在最遠的離散盤(Scattered disc)內零星散布著。其主要由冰組成的小行星,但依然是海王星外天體(TNO)的一部分。

離散盤的最內側部分與柯伊柏帶重疊,但它的外緣向外伸至更遠的空間。多數離散盤星體軌道的近日點都在柯伊柏帶內,但遠日點可以遠至150 AU。它們也有很大的軌道傾斜角度,甚至有垂直於黃道面的。天文學的主流觀點認為離散盤內的天體應該是在太陽系形成的早期過程中,因為海王星向外遷徙造成的引力擾動才從柯伊柏帶被拋入反覆不定的軌道中。

離散盤星體軌道略顯怪異。以鬩神星為例,其與黃道面的垂直距離幾乎和平行方向與太陽的距離一樣遠(從平面幾何來説,就是一個以太陽和鬩神星為斜邊的等腰直角三角形)。

軌道模擬也顯示了離散盤星體的軌道是不穩定的,並且最終會從太陽的核心區域拋至奧爾特雲甚至更遙遠的地方。鬩神星(Eris)只是散射星盤中的一個例子,事實上它是離散盤星體中已知最大的成員。

 

柯伊柏帶和離散盤星體 

有一些柯伊柏帶天體偏心率極大、而且軌道跨度範圍也是極大。它們在近日點可以來到離太陽35 AU的地方,比冥王星還近;在遠日點卻可以遠到數百AU以外,人類根本無法見到其蹤跡。例如1999CFll9的遠日點在200 AU處,它們被稱為離散性柯伊柏帶天體。哈雷彗星其實就是這種離散性柯伊柏帶天體。

柯伊柏帶最初被認為是短周期性(小於200年)彗星的主要來源,但是研究表明,柯伊柏帶是動態穩定的,所以彗星的真正起源地應該是離散盤區域。

賽德娜(Sedna)曾被認定是一顆離散盤星體,但因為它的近日點距離遠達 76AU,不太會受到行星的引力擾動影響,因此有學者認為它應該是奧爾特雲內側的天體。

 

海王星軌道之外的天體分佈(軸綫單位是AU,圖示並非依標準比例)

  太陽及内太陽系天體 Sun and Inner Solar System Planets 

  木星及特洛伊星體 Jupiter and Trojans   

  巨行星 Giant planets: J/木星 · S/土星 · U/天王星 · N/海王星    

  半人馬小行星 Centaurs    

  傳統/柯伊柏帶星體 Kuiper Belt    

  離散盤星體 Scattered Disc    

  海王星特洛伊星體 Neptune Trojans

 

 

外太陽系的星體分佈圖

上方橫軸的白色標尺是與太陽的距離(AU),紅色標尺是其軌道周期(地球年)。標尺下方的小字 1|14|53|42|33|54|71|23|72|51|3 表示該星體與海王星的共振比。豎軸標尺則標示該星體的傾斜角。

黃色星點為半人馬小行星,

藍色為傳統柯伊柏帶天體,

紅色為共振柯伊柏帶天體,

灰色為離散盤星體。

可以看出紅色星點是依著共振比密集成直條分佈,而藍色星點聚集在35~50AU 範圍内,灰色星點則散落於50AU 之外。

 

在上圖中磚色軌道為最新的矮行星群。這麽多條錯綜的磚色軌道顯示出其各各偏心與傾角的形態。

圖中鬩神星(Eris)與塞德娜(Sedna)的周期軌道明顯是逸出柯伊柏帶(Kuiper belt)。前者列爲離散星體,後者可能為奧爾特雲的星體的内圈星體(其周期軌道的大小比例可見前一篇文http://classic-blog.udn.com/early60/129209953 的四格圖)。  

 

 

————————— *** ————————— *** —————————

小子留言: 

關於冥王星的下架,有些學界中的派系意識介入。而現今已有某些學界人士開始討論“新第九顆行星”的議題。

為了呈現星空的效果以及顯示星體(點)的位置,我沒有調整原圖的大小。如果格友感覺看圖費力,請告知。我會做調整。

太陽家族尚有奧爾特雲與太陽圈部分,我準備下篇補完。如果大家能接受此篇圖稿的尺寸,那麽我就依樣“貼”圖了。

 

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