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你所不知道的太陽系–探索太陽系的邊緣

 
 
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。


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