你所不知道的太陽系–探索太陽系的邊緣
103/05/02
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王祥宇｜
中央研究院天文與天文物理研究所副所長
太陽系的組成以及它的歷史一直是人類想要了解的問題。長期以來人類對於太陽系內的行星進行了許多的觀測與探測，獲取詳細的資料。但是對於在太陽系外圍的冰冷天體卻受限於觀測能力而所知有限。在太陽系外圍的這些陰暗天體，有些從太陽系形成早期就很穩定的在目前的軌道運行、有些卻有可能從太陽系內部被行星的引力拋到太陽系的外圍，有些甚至有可能是由其他的星體捕捉而來。這些冰冷的天體就像一本太陽系的史書，等著人類去探索與了解。
講演內容綱要
四月18日晚間，中央研究院天文與天文物理研究所的王祥宇副所長向我們介紹了「你所不知道的太陽系」，深入淺出地說明了科學家在「探索太陽系邊緣」這個課題上的新發展，和我們分享了近年來天文學家在離太陽比較遠的地方，所作出令人驚訝的發現。在過去這段時間中，天文學家發現了非常多的太陽系小天體，也因為這些天體的存在，讓我們顛覆了以往對太陽系行星的傳統認知，也才知道為什麼只剩下八個行星，以及為什麼會有「矮行星」。
今（2014）年3月底，天文學家宣布太陽系發現新的矮行星，可能會再次顛覆天文學長久以來的傳統學說。小時候的教科書告訴我們，太陽系有「九大行星」，而近年來天文學家替太陽系下了新的定義，要成為行星的條件，必須要繞著恆星轉，而且要有足夠的質量。像是一些橢圓形狀的小行星，就不會被稱為行星。除此之外行星也需要有能力去清除軌道附近的天體，就是因為這個條件，我們才將圓的冥王星剔除在行星層級之外！因為科學家發現更多和冥王星類似的天體在同一個區域，所以現在已經離開「九大」的時代，而成為「八大行星」。（不過孫教授上課，都用「八個」，而不是「八大」，因為這八個行星大小的確差很多！）
研究太陽系的各個天體，一開始都是為了瞭解太陽系的組成。但是彗星從哪裡來？三、四百年來天文學家觀測夜空的時候，偶而會看到一些比較明亮的彗星。經過計算，這些彗星的軌道，通常都距離太陽非常遠。譬如大家熟知的哈雷彗星，遠日點延伸到海王星軌道以外，到達冥王星軌道附近。另一個大家比較熟悉的百武彗星，軌道非常橢圓，離海王星幾乎有四倍以上的距離。
因為這些彗星的存在，科學家就產生疑惑，是不是有類似彗星的天體，存在於太陽系外圍的區域？這些區域應該非常的寒冷。王祥宇老師提供科學家的想像畫面，假若我們從冥王星的角度來看太陽系，我們看到的畫面，會非常讓人震驚，因為大部分的類地行星好像全部糊在一起，距離非常近。
我們要如何偵測小天體呢？我們對著一片漆黑的天空觀測，第一天看、第二天也看同樣的地方，連續觀測，我們利用電腦程式將兩幅影像相減，觀察哪些天體會動，並量度其位置的變化。我們對這些天體進行數據分析，去量測古柏帶的結構，利用橢圓率來探討它們和其他行星的差異。以「類冥天體」（plutinos）為例，就是像冥王星會和海王星產生「共振」軌道的天體，如冥王星繞太陽公轉兩圈，海王星就剛好轉三圈。這個共振的效果，確保兩者不會相撞。除三比二共振外，還有二比一共振，這些天體的公轉方式，和海王星的公轉週期有密切的關係。此外還有「散射盤」天體，距離太陽愈近，橢圓率越小。距離太陽系越遠，橢圓率就變得非常大，這些天體的近日點分布，通常在30到40個天文單位之間。
天文學家計算得知，冥王星和海王星的公轉週期如果不是整數比例，兩者可能會相撞消失。而在散射盤中不同的天體的橢圓率也不相同，天文學家覺得很奇怪，怎麼會從本來類似其他行星的圓形軌道，變成越來越多的橢圓形軌道？原因是什麼？
一般相信太陽系起源於一團雲氣，中心的太陽形成之後，殘餘的盤狀雲氣繞著中心的太陽繼續旋轉，在其中逐漸形成行星。照理說這些天體會以近似於圓形的軌道運行。在整個系統當中，有很大的質量在中間，而在旋轉的過程中，行星慢慢會把它附近的石頭和灰塵吸進來，自己愈來愈大，照理說不應該會出現橢圓形的軌道。
透過理論模擬的方式，天文學家相信在早期太陽系的形成過程中，曾經有過很大的變動，這個學說稱為「尼斯」模型：在太陽系早期形成的時候，四大行星（木星、土星、天王星、海王星）距離太陽較近，形成之後，由於它們距離太近，因為引力的作用，讓軌道變得不穩定，這讓木星往裡面移動，而在裡面的其他大行星往外移動，讓原來附近沒有行星的小天體，被大行星撞開，軌道從圓形變成橢圓，也順便將原來靠近太陽的天體清理乾淨，轉移到外圍來。
我們如果嘗試把軌道繪製得比較清楚，我們會發現，這些小天體分布的範圍其實擴展得非常外面，可以到離太陽最遠1,000個天文單位的地方，達到「歐特雲」的地方。什麼是歐特雲呢？「歐特雲」是到目前為止天文學家都還不瞭解的東西，現在推斷，歐特雲在外面是均勻的球狀分布，在裡面則是盤狀的結構。這些天體被認為是從很早期太陽系形成的時候，不斷從內部被驅趕到外面的小天體，到幾萬個天文單位的地方。原先圓形的軌道變成橢圓形，需要是外力的影響，而外力的來源，可能有一個Ｘ行星在外面，如果真有一個距離我們100天文單位的行星，它就有可能去干擾附近的天體，形成像是Sedna這些大橢圓軌道的天體，這些天體有相似的近日點，距離太陽100個天文單位左右。
但也有別的可能，如果有另外一顆恆星通過附近，也會把天體往外面拉；另一個可能性，則是太陽系形成的初期，可能是誕生在一個星團之中，一開始有許多恆星在附近，當太陽形成的時候這些恆星會慢慢離開太陽系，但是在初期的時候這些恆星會產生很多重力影響，把一些小天體的軌道變成距離太陽比較遠的軌道。還有另一個可能，這些小天體是從星際裡面去捕捉來的，本來小天體隸屬於另一個行星系統，當被拉過來後，它還是維持傾斜的軌道方向。
如果我們去看歐特雲和我們古柏帶的大小，我們會發現真的有可能在早期形成的時候，太陽旁邊曾有很多天體。而這些天體的重力，會使得太陽系外圍天體產生軌道的變化，變成像是Sedna以大橢圓軌道繞行太陽系外圍的形式。而理論計算的結果，我們會發現有些推斷蠻符合觀測到的現象。但我們需要去探索更多類似Sedna的天體，來確認到底太陽系形成過程中，外圍發生過什麼狀況。
中研院天文所在2009年1月開始進行海王星外自動掩星普查計畫（TAOS-2），並於2012年的8月開始進行相機感測晶片的設計，在今（2014）年10月完成望遠鏡安裝，在明（2015）年12月完成高速相機，而可以在2016年開始科學觀測，到2020年整體計畫完成。科學探索是無止境的，永遠都可能有新的發現改寫我們的教科書。
