太陽系探索之旅 18年前冥王星不再是行星，冥王星降級矮行星的真正原因？｜太陽系邊緣的冰冷星球

這期視頻我們來聊一個太陽系爭議最大的天體 冥王星 它曾經被認爲是太陽系的第九大行星 但是在2006年的時候 國際天文學聯合會將冥王星移除了行星行列 重新定義爲了矮行星 這次決定引起了很多人的反對 很多人從小就知道冥王星是第九大行星 像我上小學的時候 這就是個固定常識 但其實從1930年冥王星首次被發現開始 這將近100年的時間裏 有關它的爭論就一直沒斷過 而這次降級是直接將冥王星的爭論 要說冥王星是怎麼被發現的 咱們還得從海王星說起 海王星是1846年被發現的 起因是天文學家觀測到天王星的軌道出現了偏差 但是當時已知的太陽系結構沒法解釋這些偏差 所以天文學家猜測 可能是有個未知的天體通過引力影響了天王星的軌道 然後在這個假說的基礎上 有兩個數學家亞當斯和勒維耶通過計算找到了海王星 這也是牛頓力學的一次勝利 但是天文學家很快就發現 僅憑海王星的質量 並不能完全解釋天王星出軌的問題 而且就連海王星自己的軌道都出現了偏差 有了之前的經驗 這次大家就順理成章地認爲 海王星附近肯定還有其他沒發現的行星影響了海王星的軌道 於是很多人就開始計算這顆未知的行星 因爲都想複製勒維耶的成功 成爲發現太陽系第九個行星的人 但是成功是不可複製的 從19世紀中期到20世紀 這50多年的時間裏就沒一個人算出來的 直到1929年美國亞利桑那州洛爾天文臺 來了一個年輕人叫克萊德·湯伯 他並不像勒維耶和亞當斯一樣 是專業的天文學家和數學家 他就是一個業餘的天文愛好者 從小家裏條件就不好 初中就輟學回家務農去了 但是他對天文特別感興趣 晚上不幹活的時候 他就會仰望星空 去緩解自己一天的疲勞感 他20歲那年 拆了自己家的汽車和一些機械農具 用這些零件做了人生第一架望遠鏡 並且他就用這個簡陋的望遠鏡 觀測並記錄了火星和土星的數據 他把這個觀測結果寄給了洛爾天文臺 也是因爲他這份觀測結果繪製的太好了 數據也很精準 完全不像一個業餘人士 用自制的望遠鏡觀測的 所以洛爾天文臺也給了他一個工作的機會 1929年4月6號 湯伯正式加入了尋找X行星的團隊 這個X行星就是洛爾當年預言的太陽系第九顆行星 但是直到洛爾去世都沒能找到 湯伯用尋天觀測法找了將近一年 這裏我要說一下什麼是尋天觀測法呢 就是他需要先對所有能看到的天區 進行觀測和拍照 然後隔一段時間再拍一次 然後再耐心仔細的前後去對比拍攝的照片 看照片上有沒有位置發生移動的天體 很笨的一種方法是吧 但是當時也沒有更好的方法了 他當時用了一種叫做眨眼比較器的裝置 進行人工比較 非常的耗費人力和時間 不過好在功夫不負有心人 1930年2月18號這天 湯伯在拍攝的照片上 發現了一個可能在移動的物體 就在洛爾預測的位置附近 那個時候天文街對這些天體的定義還比較模糊 不動的天體就是橫行 能動的天體不是行星 就是會行或者小行星 所以他們認爲 這就是洛爾預言的第九個行星 1930年3月13號 洛爾天文臺正式宣佈發現新行星 這一經公佈 馬上就收到了1000多個命名建議 經過投票最終選擇了普魯託 這是英國的一個11歲小女孩 凱瑟琳伯尼提出來的 她說這個行星距離太陽如此遙遠 很可能就像冥府一樣陰冷黑暗 所以用羅馬神話中的冥府之神 普魯託命名非常合適 相當於希臘神話中的冥王哈蒂斯 中文一座冥王星 但是冥王星被發現僅僅一個多月後 就出現了質疑的聲音 很多人說它並不是洛爾預言中的X行星 甚至連行星都不是 首先被質疑的就是冥王星的軌道 與太陽系現在的八大行星相比 它的軌道跟其他行星都不在一個平面上 跟黃道面的夾角大約是17度 而且是個更遠更偏的橢圓形軌道 它的公轉軸體很長 需要248年才能繞太陽公轉一圈 最接近太陽石的距離約爲44億公里 比海王星離太陽都近 而最遠時又長達74億公里 這麼大的偏心率在八大行星中是不存在的 除了軌道被質疑之外 冥王星的大小也有問題 天文學家在觀測冥王星的時候發現它太暗了 一是因爲它距離太陽太遠 太陽光到它這平均都需要五個多小時 所以冥王星表面接收的太陽光遠低於地球 即使是最接近太陽的地方 太陽光的亮度也只有地球的九百分之一 如果我們敢在中午陽光最好的時候站在冥王星上 也就跟地球上落日的時候光線差不多 其次天文學家猜測它可能比預想的要小很多 冥王星所在的區域叫科伊勃代 這裏面有無數個小天體 這些天體統一叫做科伊勃代天體 而冥王星就是科伊勃代天體中目前發現的體積最大的一個 不過雖然它在科伊勃代體積最大 但是它的直徑也只有2400公里 都不說跟八大行星比 跟月球比它倒要小很多 既然體積小 那它會不會像水星一樣密度大質量大呢 也沒有 冥王星的密度只有1.88克每立方厘米 遠低於水星和地球 從這點也可以看出冥王星並不是純粹的岩石星球 它其實是岩石和冰的混合體 而且冰佔了很大一部分 這其實也是太陽系外圍天體的一個典型特點 因爲太陽系外圍的溫度極低 所以水鞍甲烷這些揮發性的物質 在冥王星的表面都是以固體冰的形式存在的 而冥王星的質量更是輕得可憐 只有大約地球質量的0.2% 這是什麼概念呢 月球的質量是地球質量的1.2% 如果把地球看成是一個西瓜的話 那月球相當於一個雞蛋 而冥王星差不多隻是一粒葡萄 這麼巨大的差異 我相信大家多多少少都會有點吃驚 一顆行星的質量都不到月球質量的1.5% 這是不是有點說不過去了呢 除了軌道大小和質量 衛星卡戎的發現也對冥王星行星的地位產生了影響 冥王星目前已知的衛星一共有5顆 卡戎是其中最大的一顆 直徑是冥王星的一半 約爲1200公里 質量是冥王星的1.8% 身爲一顆衛星 卡戎的體積和質量都太大了 這就導致冥王星跟卡戎之間的運行關係 和其他行星完全不同 我們都知道月球要是地球轉的時候 始終是同一個面朝向地球 也就是所謂的潮汐鎖定 但是由於月球的質量和引力都比地球小太多了 所以地球是不會被月球鎖定的 還有像天王星海王星和它們的衛星之間 也都是行星鎖定衛星 而冥王星和卡戎卻是互相鎖定的 也就是說它倆都沒見過對方背面長啥樣 卡戎是1978年7月7號 美國的天文學家詹姆斯·克里斯蒂發現的 卡戎這個名字來自希臘神話 就是人死之後給靈魂撐船的船伕 古希臘人會在死者的嘴巴上面放一枚卡戎的銀幣 作爲亡魂給卡戎的過河錢 如果這個死者沒帶上卡戎的銀幣 那他的亡魂要在冥河岸邊徘徊100年才能過河 那麼在瞭解了以上信息後 大家覺得冥王星該不該列爲行星呢 其實有關冥王星的爭議 如果說它只是質量小 衛星大 倒也不至於剝奪它行星的身份 沒必要因爲這些去改變太陽系九大行星的常識 但是直到2005年1月5號 美國的天文學家邁克爾·布朗在科以伯代 發現了一個質量比冥王星還大的天體 就是細神星 它的體積比冥王星略小 但是質量比冥王星大了27% 那按照之前的規定 細神星也應該被歸類爲一顆新星星 但是還沒等確定細神星的歸類 兩個月後布朗團隊又發現了一個天體 就是鳥神星 緊接着兩天後 他們又宣佈發現了韌神星 如果說冥王星應該被歸類爲行星 那這些天體算什麼呢 是不是都應該歸類爲行星呢 那照這樣下去 科以伯代還有那麼多天體 幾乎每發現一個新天體都歸類爲行星的話 那太陽系行星的軌道不亂套了嗎 太陽系行星的認定不應該這麼隨便 所以這件事就引出了一個問題 就是行星的定義到底是什麼 2006年8月 國際天文學聯合會正式給行星下了定義 太陽系中的天體必須要滿足三個條件 第一 它必須繞着太陽轉 這點其實大部分天體都滿足 第二 它必須是個球體 這點說明它的質量和引力都足夠的大 才能把自己壓成一個球 那這點其實就排除了一部分天體了 第三條也是最重要的一條 就是它必須能夠清除軌道上 除了衛星以外的其他天體 這點也可以這麼理解 就是這個天體必須要在它的軌道上起主導地位 在這個軌道上 沒有任何其他天體能跟它相提並論 其他天體必須要比它小很多 或者繞着它轉 比如地球 地球的軌道上有沒有其他天體 也有 但是地球的質量是這些天體質量總和的170多萬倍 所以地球在自己的軌道上那就是老大 但是冥王星在它的軌道上就起不了主導作用 冥王星的質量要遠小於它軌道上其他天體質量總和 而且它還跟卡戎互相潮汐鎖定 所以冥王星滿足前兩個條件 但是不滿足第三個 所以會議最終的投票結果是 冥王星被移除了行星行列 重新定義成了矮行星 這個矮行星的定義 也是這次會議創造的一個新的定義 就是滿足第一條和第二條 但是不滿足第三條的天體就是矮行星 雖然行星現在已經有了明確的定義 但是對於這次會議的結果自然是有人贊成 也有很多人質疑和反對 贊成的人都有誰呢 比如發現系神星的邁克爾布朗 他就很贊成這次會議的決定 他說早就應該這麼幹了 人類對於行星一直都沒有明確的定義 這次定義就是人類宇宙探索的進步 還有一個叫做愛倫斯特恩的科學家堅決持反對意見 他說他絕對不會接受新的行星定義 那這個愛倫斯特恩是幹啥的呢 他就是冥王星探測器新視野號的首席研究員 雖然那個時候已經是2006年了 但是人類對於冥王星的瞭解還是非常非常少 甚至連一張像樣的照片都沒有 大家可能會奇怪說 1930年就已經發現冥王星了 爲什麼到了21世紀 人類還沒有發射探測器到冥王星呢 原因其實很簡單 就是太遠了 探測難度非常大 在2004年的時候 NASA其實就制定過一個叫冥王星科伊伯快車號的探測任務 但是最後由於資金不足任務取消了 但是斯特恩團隊並沒有放棄 他們是到處求資金拉贊助 直到兩年後斯特恩團隊開發的新視野號才成功發射 而且這個探測器上還帶上了湯伯的30顆骨灰 爲了紀念他在1930年發現了冥王星 而斯特恩之所以堅決反對冥王星降級 是因爲新視野號發射的時候 是以探測行星的身份去的 結果剛發射半年 探測器還沒到冥王星呢 這邊直接給降級成矮行星了 那冥王星的探測價值和意義在斯特恩心裏就大大折扣了 新視野號經過木行野力的加速 在2015年的7月14號到達了冥王星 這是新視野號拍攝第一張冥王星照片 大家應該都注意到了 這張照片裏的冥王星有一個非常明顯的心形區域 這個區域叫做湯伯區 也是爲了紀念冥王星的發現者克萊德湯伯 湯伯區左邊這半個心叫斯普特尼克平原 大家聽這個名是不是有點熟悉 沒錯 就是人類發射的第一個人造衛星 斯普特尼克一號 蘇聯的那個 這個平原的地理位置就在冥王星赤道附近 寬度大約是1000公里 地表成分主要是氮冰 甲烷冰 還有一氧化碳冰組成的冰川 是目前太陽系中已知最大的冰川 在這個平原的西南方向有一片山脈 叫希拉里山脈 最高山峯有1600米 是爲了紀念第一個登上珠穆朗瑪峯的人 埃德蒙·希拉里 用他的名字命名的 經過新視野號的探測 發現冥王星表面98%都是氮冰 最低溫度可以達到零下240攝氏度 地形主要是山脈 山谷 平原和隕石坑 冥王星上的最高峯只有3000多米 說是山脈 其實就是大塊的水冰 還有它的表面積約爲1665萬平方公里 跟俄羅斯的面積差不多 比俄羅斯還小一些 除此之外 還探測到了它有一個很大的岩石內核 直徑約爲1700公里 是冥王星直徑的70% 最外層主要是氮冰構成的地殼 在內核和地殼之間 可能還存在一個液態海洋 這種海洋的存在 據推測是因爲冥王星的內核中 放射性元素在衰變的過程中產生了熱量 再加上地殼冰層的隔熱效果 儘管冥王星表面溫度極低 但這裏可以使水保持液態 由於它這種高度偏心的橢圓旋軌道 所以當冥王星接近太陽的時候 它表面的冰層就會升華 暫時形成一個比較薄的大氣層 大氣成分就是氮氣、甲烷和一氧化碳 大氣壓只有地球的百萬分之一 而當它遠離太陽的時候 冥王星就會變得更冷一些 這期間它大部分的大氣就會結冰 最終會以雪的形式落到地表 冥王星有沒有磁場目前還不知道 因爲新世界號飛躍的過程中 並沒有收集到它磁場的數據 另外它的自轉速度也比較慢 需要六天半才能自轉一圈 在八大行星中自轉慢的 像水星、金星這種 磁場都非常的微弱 而且冥王星的體積還要比這兩個小很多 所以目前科學家認爲 冥王星很可能就沒有磁場 新世界號在發揮冥王星的照片之後 沒有停留太久 很快就飛躍了冥王星 這是它在跟冥王星告別時拍攝的照片 照片中可以看到太陽光穿過冥王星大氣層時 形成了一個藍色光環 而且大家仔細看的話 還可以看到冥王星表面的山脈 除了冥王星 新世界號還探測了冥王星的五顆衛星 收集了很多卡戎的數據 飛躍冥王星和卡戎之後 新世界號的任務並沒有結束 它將繼續探測一個顆一博帶的小行星 阿羅克斯 2019年1月1號它飛躍了阿羅克斯 這是人類有史以來 探測的太陽系內最遠的目標 這個小行星表面呈現淡紅色 有兩個球體組成 很像我們堆的雪人 從頭到尾的總長度爲35公里 連斯特恩看到之後都不禁說了一句 新世界號也是有史以來 發射速度最快的航天器 它離開地球時的速度 達到了每小時59000公里 不過它並不是離開太陽系最快的航天器 到目前爲止 離開太陽系最快的探測器 依然是旅行者一號 新世界號目前仍然在全力飛行中 它也是第五個 到達太陽系逃逸速度的探測器 另外四個分別是 先鋒10號 先鋒11號 旅行者一號和旅行者二號 不過先鋒10號和先鋒11號 早就已經聯繫不上了 而旅行者一號在去年年底也已經失聯了 所以目前只有旅行者二號和新世界號 還能向地球發送數據 這兩個探測器 預計都能堅持到2030年左右 冥王星最終 雖然還是沒能保住它行星的地位 但是冥王星獲得的關注並沒有因此減少 反而因爲它是不是行星的整論 佔據了更多公衆和科學界的視野 從這些年 人類對冥王星定義的變化中可以看出 人類對整個太陽系的認知 是越來越深入了 那隨着人類科技的進步和未來探索任務的實施 我們對冥王星的認識也會更加深入 而且無論冥王星是不是行星 這終歸只是人類對它的定義 它始終都是太陽系中的一員 所以讓我們保持對宇宙的敬畏和好奇心 繼續探索 期待在未來 人類能夠解釋更多關於冥王星 乃至整個宇宙的祕密