冥王星与太阳系的发展景观

快速链接:

冥王星的发现

1930年初,一位天文学家在洛厄尔天文台美国的一项发现最终将引发我们看待太阳系的方式的巨大变化。这位年轻的天文学家克莱德·汤博他是天文台的观测助理,因伟大的天文学家珀西瓦尔·洛威尔而闻名。汤博正在继续寻找一颗难以捉摸的行星——行星X,当时的天文学家错误地认为这颗行星是扰乱天王星和海王星轨道的原因。

在花了无数个晚上在望远镜前,几个月的时间无聊地扫描他的数据,寻找行星的迹象——同一个物体在两幅图像之间的轻微运动(在那些日子里照相底片)不同时间拍摄的天空照片——汤博有了一个发现。当比较两张照相底片来寻找这一微小的移动时,汤博注意到一个小物体在双子座附近只移动了几毫米。汤博找到了他的新星球!(斯特恩和米顿,2005年)

太阳系的发展前景

汤博发现的物体最终被命名为冥王星该名称由美国天文学会、英国皇家天文学会和国际天文联合会正式采用。这是一个寒冷的世界,距离太阳数十亿公里,质量比当时已知的最小行星水星小30倍。但冥王星并不孤单:它的五颗卫星后来被发现。最大的,查龙1978年发现(Buie等人,2006)。较小的四个是使用哈勃太空望远镜2005年至2012年间(Stern等人,2018年)正式命名 尼克斯,Hydra公司,Kerberos(Kerberos)冥河IAU(Aksnes,2006;Showalter等人,2013)。

在冥王星被发现后的几十年里,天文学家推测海王星轨道之外可能有一条天体带。1992年,夏威夷大学的David Jewitt和Jane Luu最终证实了这一点。他们发现了(Jewitt和Luu,1993)一类特殊天体中的第一个海王星,称为柯伊伯带天体这对太阳系形成理论具有重要意义。今天,我们知道有1000多个物体围绕所谓的超海王星区域运行;这些机构通常被称为Trans-Neptunian对象(TNO)。

由于TNO发现的大量涌入,不可避免地会发现一个或多个在大小上与冥王星相匹敌。2003年,Mike Brown(加州理工学院)、Chad Trujillo(国际双子座天文台)和David Rabinowitz(耶鲁大学)从帕洛玛天文台在美国。他们拍摄了天空中的一个区域,显示出一个物体相对于背景恒星的运动,就像克莱德·汤博几十年前所做的那样。后来的分析表明,他们发现了另一个寒冷的世界:比冥王星稍大,绕太阳运行(Brown等人,2004)。随后的观察(Brown,2006)表明,最初命名为2003年UB313根据IAU的命名协议,比冥王星质量更大,而且它也有一颗卫星。该团队发现了几个与我们今天所考虑的8颗行星中的任何一颗都不相似的物体,但其大小足以与冥王星相比较。这些发现促使天文学家提出这样一个问题:“行星由什么构成?”

定义行星的过程

自20世纪初以来,IAU一直负责命名行星体及其卫星。正如IAU前主席Ron Ekers教授在2006年IAU大会报纸:

任何国家或国际法都不能强制执行此类决定和建议;相反,它们建立了一些约定,旨在帮助我们理解天文物体和过程。因此,IAU的建议应该建立在公认的科学事实基础上,并在相关社区中达成广泛共识。(第4页)

IAU成立了一个委员会,以收集来自广泛科学兴趣的意见,并听取专业天文学家、行星科学家、历史学家、科学出版商、作家和教育工作者的意见。因此,IAU执行委员会的行星定义委员会成立,在两年的时间里仔细收集这些意见和审议。委员会编写了一份决议草案,提交给IAU成员。在巴黎举行最后一次会议后,决议草案完成。IAU行星定义委员会主席欧文·金格里奇教授描述了该决议的一个关键方面:“我们希望避免仅仅基于距离、周期、震级或邻近物体的任意切割”(金格里奇,2006年)。相反,所采用的定义是基于我们对行星形成物理的理解。

行星的定义

这个词行星来自希腊语单词for流浪者:行星最初被定义为在夜空中相对于固定恒星背景移动的物体。直到2006年在布拉格举行的国际天文学联合会大会,天文学家才试图就这个词的正式定义达成一致。现代科学提供了丰富的信息,许多科学研究被用来帮助天文学家制定他们的定义。例如,在太阳系外部区域的观测发现了与冥王星大小相当的天体。这些发现,以及更多,引发了人们对这些新发现的天体是否也应被视为行星的质疑,或者它们是否应构成太阳系中自己的一类天体。

2006年国际天文学联合会大会上,天文学家对行星定义的提案草案进行了激烈的辩论,并逐渐形成了一个新的版本。这一新版本更为大多数人所接受,并在大会闭幕式上提交给了IAU成员进行表决。布拉格大会结束时,天文学联盟成员投票决定,太阳系中行星的定义如下:

一个天体,它(A)在绕太阳的轨道上,(b)有足够的质量使其自重克服刚体力,使其呈流体静力平衡(近似圆形)形状,(c)清除了其轨道附近的物体。(第1页)

更普遍地说,一颗行星:

  1. 围绕其主星运行,就像地球和木星围绕太阳运行一样,
  2. 大到几乎都是圆的,并且
  3. 必须对其附近其他物体的轨道稳定性产生重要影响。

新发现的物体将由IAU内的审查委员会进行分类。审查过程将包括基于最佳可用数据的评估,以证明对象的物理特性是否符合IAU定义。对于许多对象,可能需要几年时间来收集足够的数据。

今天,这一决议仍然有效,证明了科学的流动性,以及我们对宇宙的看法如何随着观测、测量和理论的变化而不断演变。关于这个主题的持续而活跃的讨论也显示了将对象分类为定义良好的类是多么困难。宇宙不喜欢被放在“盒子”里。一切都是一个连续体:彗星可以表现得像小行星,而棕矮星可以是恒星。因此,矮行星也能与行星具有相同的性质。

矮行星的定义

2006年IAU决议意味着太阳系正式由八颗行星组成:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。在相同的分辨率下,一个新的不同的对象类,称为矮行星也定义了。矮行星是围绕太阳运行的轨道上的一个物体,其大小足以将自身拉成近似圆形,但无法清除轨道上的碎片。一般来说,矮行星比水星小。矮行星也可能在一个有许多其他物体的区域内运行。例如小行星带位于一个区域中,该区域中有许多大小相同的其他对象。冥王星现在属于矮行星类别,因为它位于其他物体可能穿过其轨道的区域内,即所谓的跨纳普尼亚区域。冥王星还被认为是一类新的跨纳普纳天体的重要原型:冥王星。定义这类物体有助于天文学家区分太阳系中不同类型的矮行星。

术语小型太阳系天体与一起引入矮行星IAU 2006年大会决议。这是一个术语,涵盖所有围绕太阳运行的物体,这些物体太小(即质量不够大),无法满足行星或矮行星的定义。

太阳系中的矮星

除了冥王星,太阳系中还有四颗目前公认的矮行星:谷神星,妊神星,Makemake品牌埃利斯.

1801年,当谷神星首次被发现在火星和木星之间的小行星带内运行时,它被称为行星。然而,由于当时的技术,天文学家无法确定谷神星的大小和形状,并且在同一地区发现了许多其他天体,谷神星失去了其行星地位。随着技术的进步,天文学家发现谷神星的大小略小于冥王星的一半,并且足够大自重将自身拉近近圆形(Thomas,2005)。因为谷神星在小行星带内绕太阳运行,所以它是一个不沿清晰轨道运行的物体的好例子:有许多小行星可以接近谷神星的轨道。

在21世纪初,天文学家使用哈勃太空望远镜观察最初命名为2003 UB的TNO313但后来改名为埃利斯以希腊的不和与冲突之神命名。数据显示,厄里斯与冥王星一样大,或者可能比冥王星大(Brown,2006),重要的是,它有一颗后来命名为营养不良以埃里斯的女儿命名,这个希腊无法无天的恶魔。通过跟踪Dysnomia在厄里斯周围的运动,天文学家能够非常准确地测量厄里斯的质量。他们发现厄里斯的质量几乎比冥王星大30%!因为厄里斯的轨道位于外涅普尼亚地区,其他TNO可能会接近其轨道,所以厄里斯被认为是一颗矮行星。

大约在同一时间,Haumea和Makemake也被发现。与所有跨国公司一样,根据IAU命名指南,这两个物体最终以与创造有关的神话生物命名:Makemake品牌是Rapa Nui的人类创造者,并且妊神星是夏威夷生育和分娩女神。Haumea被认为是长方形的,覆盖着冰,有两个卫星(Hi'iaka村妊卫二),和一个戒指。Makemake是一个圆形的、带红色的世界,只有一个月亮,目前被指定为S/2015(136472)1它是除冥王星外,柯伊伯带上第二亮、第二大的天体。

这并不是我们太阳系中矮行星的故事的结局。在未来几年,一些最大的小行星和一些跨纳普尼亚天体可能会被视为矮行星。确切的数字仍然未知,因为我们总是在太阳系中发现新的小天体。可能有几十个甚至上百个等待被发现!

新视野

2015年7月14日,美国国家航空航天局新视野航天器飞过冥王星(Young等人,2008),提供了大量观察结果,极大地改变了我们对矮行星冥王星及其五颗卫星的认识。这些图像确定了冥王星的直径实际上比厄里斯的直径大,尽管之前人们认为是这样的。因此,冥王星重新成为最大的TNO。这些图像还显示了一片壮观的地貌,包括广阔的平原、几公里高的山脉和火山迹象。

冥王星因其表面成分和颜色的多样性而与众不同。有些地区像雪一样明亮,而其他地区则像木炭一样黑暗。彩色成像和其他数据揭示了表面冰的高度复杂分布,包括氮、一氧化碳、水和甲烷,以及它们因长期暴露于太阳辐射而产生的化学副产物。此外,科学家们发现冥王星上的一些表面完全没有可见的陨石坑,这表明它们是在最近创造的或发生了变化。另一方面,其他表面都有严重的坑洞,看起来非常古老。冥王星被一个以氮为主的寒冷大气所笼罩,其中包含一层薄薄的薄雾层,该薄雾层延伸至冥王星表面约150公里。

新视野还仔细观察了冥王星的卫星。研究发现,最大的卫星查龙(Charon)具有令人印象深刻的构造、令人费解的黑暗极地地形、可能存在差异的内部结构,并且没有大气迹象(Moore等人,2016)。新视野发现了一些令人费解的新事实(Lakdawalla,2015),关于较小的卫星Hydra和Nix:它们的表面比预期的要亮,这意味着它们的表面含有大量的水冰。没有发现新的卫星,也没有发现环。冥王星周围的环境显然很迷人!

这些结果提出了一个基本问题,即一个小而冷的物体如何在太阳系的年龄段内保持活动状态。他们证明矮行星可以像行星一样具有科学意义。

更多信息:

致谢:

我们要感谢F组主席安东尼拉·巴鲁奇、F组前任主席纳德·哈格海普尔、F4小行星、彗星和Transneptunian天体委员会组委会成员乔·马西埃罗和豪尔赫·马西奥·费雷拉·卡瓦诺以及IAU通信主管的贡献,Lars Lindberg Christensen(本主题第一版的创始人)和OAO副总监Kelly Blumenthal。


常见问题

Q: IAU官方定义中使用了哪些新术语?
答:IAU采用了三个新术语作为官方定义。条款如下行星,矮行星小型太阳系天体.

Q: 一个物体必须是完美的球形才能被称为行星吗?
答:不可以。例如,物体的旋转会稍微扭曲形状,使其不是完美的球形。例如,地球的赤道直径略大于两极直径。

Q: 根据这个新定义,我们的太阳系有多少行星?
答:太阳系有八颗行星;水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。要记住这一点,你可以借用印第安纳大学教授菲利斯·卢格的记忆技巧:我受过良好教育的母亲刚刚为我们服务过纳科斯。

Q: 就这些,只有八个行星吗?
答:不。除了这八颗行星之外,还有五颗已知的矮行星:冥王星、谷神星、厄里斯、马克马克和豪米亚。不久可能会发现更多的矮行星。

Q: 例如,木星和土星周围的轨道上都有大型球形卫星。这些大型球形卫星现在被称为矮行星吗?
答:不是。木星(例如木卫二)和土星(例如土卫六)的所有大型卫星都围绕一个共同的重心(称为重心)那是在他们巨大星球的深处。无论这些轨道物体的大小和形状如何,大质量行星内部重心的位置是将木卫二和土卫六等大型轨道物体定义为卫星而非行星的关键因素之一。

Q: 木星有小行星在其轨道上前后移动。木星应该被视为矮行星吗?
答:不。关于这类小行星形成的主要理论之一是,它们是在太阳系历史早期木星迁移到目前位置时被木星捕获的。小行星围绕着木星轨道上的两个稳定点聚集,并被木星的引力拖入其当前轨道。这些天体的性质显然与矮行星“不清楚”轨道上发现的天体截然不同。

Q: 一个太小而不能成为行星或矮行星的物体是什么?
答:所有围绕太阳旋转的物体,如果太小而无法形成近似球形,则定义为太阳系小型天体这一类目前包括大多数太阳系小行星、近地天体(NEO)、火星和木星特洛伊小行星、大多数半人马座、大多数跨纳普尼亚天体(TNO)和彗星。

Q: 小行星这个词还在使用吗?
答:术语小行星可能仍在使用。然而,一般来说,首选术语小型太阳系天体。

Q: 目前是否正在考虑其他行星候选人?
答:没有。在我们的太阳系中似乎没有。然而,在其他恒星周围发现了大量行星。

Q: 什么是冥王星?
答:冥王星(Bowell et al.,2008)是在太阳周围轨道上的天体,其距离比海王星大,足以形成近似球形的形状,并且尚未清除其轨道周围的邻居。冥王星的卫星本身不是冥王星,即使它们的质量大到接近圆形。两个已知和命名的冥王星是冥王星和厄里斯。随着科学的进步和新的发现,我们预计会有更多的冥王星被命名。

Q: 围绕着一个冥王星运行的卫星也会是一个冥王星吗?
答:不,根据IAU决议B5,矮行星不可能是卫星,即使它的质量足够大,其形状由自重决定。

参考文献:

Aksnes,K.(2006)。两颗新的冥王星卫星由IAU命名。国际天文学联合会.https://www.iau.org/news/announcements/detail/ann06007/

Bowell,E.,L.,G.,Cesarsky,C.,J.,van der Hucht,K.,A.&Christensen,L.(2008)。冥王星被选为像冥王星这样的太阳系天体的名称。国际天文学联合会.https://www.iau.org/news/pressreleases/detail/iau0804/

Brown,M.,E,Trujillo,C.&Rabinowitz,D.(2004)。一个候选内奥尔特云行星的发现。《天体物理杂志》,617(1).https://doi.org/10.1086/422095

Brown,M.,E.,Schaller,E.,L.,Roe,H.,G.,Rabinowitz,D.,L.和Trujillo,C.,A.(2006年)。从哈勃太空望远镜直接测量2003 UB313的尺寸。天体物理学杂志,643(1) 第L61-L63页。https://doi.org/10.1086/504843

Buie,M.,W.、Grundy,W.,M.、Young,E.,F.、Young,L.,A.和Stern,S.,A.(2006年)。冥王星卫星的轨道和光度测定:Charon,s/2005 P1和s/2005 P2。《天文学杂志》,132(1).https://doi.org/10.1086/504422

《太阳系行星的定义》,大会第二十六届会议第B5号决议。(2006).www.iau.org/static/resolutions/Resolution_GA26-5-6.pdf

Ekers,R.(2006年8月)。IAU行星定义委员会。Sidero兼Nuncio博士论文,3(3). 检索自https://www.iau.org/static/publications/ga_newspapers/20060812.pdf

Gingerich,O.(2006年8月)。定义行星的路径。Sidero兼Nuncio博士论文,3(3). 检索自https://www.iau.org/static/publications/ga_newspapers/20060812.pdf

Jewitt,D.和Luu,J.(1993年)。1992年QB1候选柯伊伯带天体的发现。自然第362(6422)页,第730-732页。https://doi.org/10.1038/362730a0

Lakdawala,E.(2015年11月10日)。DPS 2015:冥王星的小卫星冥王星、尼克斯、Kerberos和九头蛇[更新]。行星学会.https://www.planetary.org/articles/dps15-1110-small-moons

Moore,J.,M.等人(2016年)。从新地平线的角度看冥王星和卡隆的地质。科学类,第351(6279)页,第1284-1293页。https://doi.org/10.1126/science.aad7055

Showalter,M.、Schulz,R.、M.、Tichá,J.、Montmerle,T.和Christensen,L.(2013)。在公众投票后,国际天文学联合会接受了新冥王星卫星的名称。国际天文学联合会.https://www.iau.org/news/pressreleases/detail/iau1303/

Stern,A.和Mitton,J.(2005)。冥王星和沙龙:太阳系崎岖边缘的冰雪世界(第二版)。约翰·威利父子公司。

Stern,S.,A.、Grundy,W.,M.、McKinnon,W.、B.、Weaver,H.,A.和Young,L.A.(2018年)。新视野后的冥王星系统。天文学和天体物理学年鉴,56(1),第357-392页。https://doi.org/10.1146/annurev-astro-081817-051935

托马斯·P·C、帕克·J·W、麦克法登·L·A、罗素·C·T、斯特恩·S·A、赛克斯·M·V、杨·E·F(2005)。小行星谷神星的形状揭示了其区别。自然第437(7056)页,第224-226页。https://doi.org/10.1038/nature03938

Young,L.A.等人(2008年)。新视野:冥王星系统的预期科学调查。空间科学评论,140(1-4),第93-127页。https://doi.org/10.1007/s11214-008-9462-9