Astronomy Photos ByAcian

2015年12月10日

冥王星由被發現到現今


57 射手
圖一:冥王星


2015714日,美國太空總署NASA 於網上發佈冥王星的清晰相片,令全世界再一次記起這曾經是行星的矮行星。
1930年冥王星被人類發現到今,已經過了85在這85年內,從使用望遠鏡觀測冥王星開始,到現今新視野號飛越冥王星收集資料,人類對冥王星的認知不斷增加、修正,我們對冥王星的資訊亦不斷更新。

冥王星如何被人類發現呢?
在十七世紀時,天文學家計算海王星的軌道時,發現計算的軌道竟然與使用望遠鏡觀察的軌道有所差別。當時的天文學家就假設有一個未發現的X行星(Planet X)令到海王星的軌道出現這種偏差,所以他們就開始搜尋這神秘的X行星。1930218日,美國天文學家克萊爾威廉湯博(Clyde William Tombaugh)發佈了於1930113日以及18日拍攝到有這「X行星」的相片,「X行星」當時作為一個行星正式為人類所知。

圖二:克萊爾威廉湯博

巧合與幸運
其實所謂的海王星軌道計算與觀測偏差並不存在,天文學家於稍後找出海王星精確大小,再重新計算海王星軌道,就發現所謂偏差亦不存在,即「X行星」其實亦不存在!後來科學家發現冥王星質量比較,並不足以影響海王星的軌道,因此冥王星的發現真是純屬巧合。


為什麼叫冥王星?
X行星」被發現後,天文台就在報章上刊登告示,邀請公眾為這「X行星」命名。有一名叫威妮夏·伯尼的11歲女孩,她的外公告訴了她這邀請公眾命名的活動。由於她自小就熱衷於古羅馬和希臘神話,就建議「X行星」能被命名為冥王星。她認為冥神(Pluto)與「X行星」形象相似,因為於希臘神話中,冥神負責守衛冥府,而當時「X行星」亦被認為係位處於太陽系的最邊緣,兩者十分相似。而天文台的人都覺得冥神(Pluto)這名字很貼切,於是「X行星」就正式命名為冥王星。


行星?矮行星?
為何冥王星會由行星中除名,被降格至矮行星呢?打從一開始,冥王星被人類發現的時候,已經有人質疑冥王星的行星地位。當時人類已經發現到冥王星圍繞太陽公轉的軌道與八大行星的軌道亦非在同一平面上,暗示了冥王星和另外八大行星亦非同一機制下誕生,那為何冥王星能夠並列行星之列?但這一論調在當時並不足以動搖冥王星的行星地位。

一直到1992年,人類發現了柯伊柏帶──一個處於海王星軌道佈滿了小型天體的區域。柯伊柏帶的發現是天文學一個大突破,因為以往該處被認為是空無一物,而這項發現徹底改變了天文學家對太陽系的認知,原來太陽系更多天體,範圍更廣。在柯伊柏帶中發現了一些與冥王星相似的天體,這些天體應否被歸類為行星呢?
圖三:柯伊柏帶(Kuiper Belt
所以,國際天文聯會希望為行星下一個嚴謹的定義最後,於2006824日,4000位天文學家於國際天文聯會大會上投票通過了行星定義。

根據行星定義,要成為行星需要滿足到三個條件:

  1. 圍繞著太陽公轉;
  2. 有足夠的質量維持流體靜力平衡,即自身引力能克服剛體力令其形狀近乎球體;
  3. 能清除其軌道上的其它天體

冥王星能夠滿足到頭兩個條件,但並不能清除其軌道上的其它天體,根據圖,冥王星的部分軌道上亦有不少柯伊柏帶天體,所以根據行星定義,冥王星並不是行星。
而在同一時間,國際天文聯會亦通過了矮行星的定義,即是行星定義的頭兩個條件:

  1. 圍繞著太陽公轉;
  2. 有足夠的質量能維持流體靜力平衡,即自身引力能克服剛體力令其形狀近乎球體;
冥王星的探究時序
1930-1990
一開始人類是以望遠鏡觀察冥王星,但是在地球僅以望遠鏡索一個星球,獲得的資料實在有限,當時人類只粗略知道冥王星的體積及運行軌道,冥王星大氣結構以及地貌亦是一無所知。
1990年,哈勃太空望遠鏡發射升空,並為冥王星拍下相片,使人類對冥王星的認知稍微多了一些。惟解析度較低,故人類對冥王星的認知仍然很少。


1992-2006
直至九十年代中,美國太空總署內部有呼聲希望能夠索冥王星,原因有二:其一,美國當時已成功索另外的大行星,只欠冥王星;其二,冥王星是九大行星中唯一由美國發現的行星,所以美國更應探索這神秘的星球。

“Pluto-Kuiper Express” 就是在這背景下展開,任務目的是探索冥王星及柯伊伯帶,但是該項任務的太空探測器卻再推遲發射,由1998年推遲2004年。最後,這項任務因為超支太多,2000年被NASA 叫停。

然而這一消息出爐,便引起眾多科學家抗議,因為當時被認為是展開計劃的最佳時機,原因有兩個第一,冥王星1989年經過近日點後,便遠離太陽的方向運行,星球表面溫度因此逐漸下降,令冥王星的大氣層會因低溫跌落星球表面而難以探測,令冥王星的探索價值會不斷隨年下降。但下一次冥王星抵達近日點已經是二百年多後,到時候,現在的科學家已經不在人世。第二,是以任務的運行軌道考慮,該個太空探測器需要在20062月前發射,才能借助木星的引力助推加速飛至冥王星,太空探測器能比有引力助推快四年飛抵冥王星。但是,若果2000年時叫停這項太空探索計劃,不知何時才能重啟計劃,未必能借助木星的引力助推飛往冥王星,令整項計劃時間拉長而成本大幅上升。當時,科學家很希望”Pluto-Kuiper Express”能繼續。

最後,NASA 被說服,願意重啟冥王星探索計劃,並向公眾尋求方案。但NASA 為這個方案設立了兩個條件,一,預算需低於五億美元二,該太空探測器最遲要於二零一五年的夏天飛至冥王星。最後,西南研究院和霍普金斯大學應用物理實驗室聯合團隊的設計方案勝出了,它的預算是四億八千萬美元,但能取回比”Pluto-Kuiper Express”多三十倍的研究數據。NASA 200112月宣布冥王星探索計劃重啟,並將該太空探測器命名為新視野號(New Horizons)。

最後,於2006119日於係美國卡納維爾角發射,初始速度16.26公里/秒,它是有史以來以最快的發射速度離開地球的人造物體,做一個比喻,新視野號由地球飛越月亮都只用了9個小時,但「阿波羅」登月任務就要飛行三天才抵達月亮,可想而知新視野號是多麼高速。

但是,於同年的八月,冥王星便被降格為矮行星,可謂命運弄人。


2006以後 
新視野號離開地球後,直飛至木星,以獲得其引力推加速飛向冥王星。新視野號飛至木星軌道時,為木星系統進行了一次探測飛離木星系統後,新視野號上的儀器為了節能進入休眠狀態,只會每星期向地球發一次信號以確認位置及狀態。直至飛越海王星後,新視野號的儀器逐一甦醒,準備飛越冥王星的任務。

2015714日,新視野號的位置最接近冥王星。在新視野號接近冥王星的幾小時中,新視野號上不同儀器不斷採集新視野號的資料。

新視野號飛越冥王星後,會繼續飛向柯伊柏帶,可能會探索某幾個特定柯伊柏帶天體。新視野號上的資料亦會傳回地球,留待地球上的天文學家逐一分析。

圖四:新視野號假想圖


冥王星新知
2015年四月起,新視野號不斷傳回冥王星系統的相片以及資料。

2015715日,NASA 向全世界發佈了冥王星解析度較高的相片,而於同月的26日,NASA 發佈了調整了色差的冥王星相片。

新視野號確定了冥王星的直徑是2370公里,這份發現確定了冥王星的體積是海王星外天體中最大的。

新視野號亦將冥王星的地貌拍攝回來。最引人注目的,當然是被喻為「冥王星之心」的湯博區,而當中的史波尼克高原(圖五)是在湯博區的西邊,天文學家相信是揮發性的冰,例如固體氮所組成。而史波尼克高原南部的山丘(圖六),即可能是由氮的揮發所營成的。但是,在這平滑的史波尼克高原上竟無一個撞擊坑,原因仍是無解。

圖五:史波尼克高原

圖六:史波尼克高原南部

以往一直有很多關於冥王星大氣層的猜測,然而,新視野號採集了大氣層的大氣粒子加而分析,並且拍下了冥王星大氣層的相片。圖七中藍色的就是冥王星的大氣層。根據新視野號傳來的數據,冥王星有兩層大氣層,第一層在冥王星表面80公里上方,第二層則於是冥王星表面50公里上方。而冥王星的大氣層主要是由氮組成,亦有少量甲烷(CH4)和一氧化碳(CO)。冥王星大氣層的粒子本身應是紅色或灰色,但經過散射後,卻呈現藍色。

圖七:冥王星大氣層
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