冥王星如何被踢出九大行星,一个天文标杆的前世今生

科学外史II(7)

能读到这篇专栏文章的绝大部分读者,从小熟悉的教科书内容是“冥王星是太阳系第九大行星”,直到16年前冥王星才被“开除”出大行星系列。16年时间不算长,但在互联网和新媒体时代,已经足够让大多数人忘记一场小众公案了(在美国是文化界的大公案)。而即使是曾关注过这场公案的人,对它所蕴含的科学意义,也可能并未充分意识到。

近日,《自然通讯》杂志发表的一项研究称,冥王星上存在巨大冰火山(蓝色区域)    图/NASA

冥王星奇特的发现史

冥王星被发现于1930年2月18日,美国亚利桑那州当地时间下午4点。这个时间点提示了冥王星发现渠道的特殊——当时当地是大白天,能看见天上的星吗?

1930年,美国“民科”天文学的黄金时代已到尾声。那个黄金时代是土豪天文爱好者洛韦尔(P. Lowell)开创的,他自建天文台自任台长,自办天文杂志自任主编,自组天文学会自任会长。他的天文台装备了最好的望远镜观天,雇用了专业的天文学家搞研究。洛韦尔平生有两大愿景:一是观测火星上的运河,二是寻找海王星轨道外的“X行星”。1916年洛韦尔去世时,第一个愿景早已让他名满天下,第二个愿景则毫无收获。现在我们当然知道所谓的“火星运河”纯属虚妄,不过洛韦尔毕竟还是在天文学上青史留名了。

洛韦尔天文台有一个受雇的年轻人汤博(C. W. Tombaugh),雇主去世后他不忘初心继续寻找“X行星”。太阳系中的天王星、海王星都是根据它们对内侧行星轨道的摄动而被推算出来,随后在推算天区被观测到的。洛韦尔一直希望用同样的方法找到“X行星”,但至死未成。汤博对这个方法不再抱希望,遂改用大规模巡天照相观测,这是一种笨办法,就是对大面积的天区持续拍照,然后耐心比对前后照片,看其中有没有在恒星背景上移动位置的天体。这样就能理解冥王星为何会在下午4点被发现了——当时汤博在比对照片。在茫茫星海中他居然真的找出了一个悄悄移动的小光点,他发现了冥王星。冥王星随即被定为太阳系第九大行星,汤博也因此名垂青史。

“新视野”号科学家使用增强颜色的图像来发现冥王星组织结构的不同。  图/NASA

但是,冥王星发现史的奇特之处,在它的后半段。

最初人们曾认为冥王星的大小和质量与海王星是同一量级,而海王星的质量约为地球的18倍。但是1978年发现冥王星有一颗相比冥王星显得非常巨大的卫星冥卫一(卡戎星),这可以帮助天文学家推算出冥王星的质量,结果令人大吃一惊——冥王星的质量只有地球质量的0.24%!冥王星的尺度“至今仍未定准”,最初定为直径6400公里,现在较新的数据是2370公里。冥王星的公转周期约248年,但从冥王星被发现到现在,它只运行了公转周期的三分之一,天文学家还远远没有见证它绕着太阳走完一圈。

冥王星的陷落

对冥王星而言,最悲剧性的后续发现是在20世纪90年代。早在40年前,荷兰裔美国天文学家柯伊伯(G. Kuiper)提出假想:在太阳系边缘有一个由冰状小天体组成的带状区域,这个区域就被称为“柯伊伯带”。实际上,冥王星可以说就在这个区域中。1992年,夏威夷大学的天文学家用光学望远镜观测到了天体1992QB1,即小行星15760,这被认为是第一个柯伊伯带天体。半年后又发现了第二个,随后越来越多的柯伊伯带天体被发现,当年“柯伊伯带”的假想被证实了。

柯伊伯带冰状小天体不断被发现,开始对冥王星的大行星地位形成威胁——因为冥王星本质上和这些天体是同类的,只是稍大了一点。那时冥王星的发现者汤博还健在,他隐隐感觉到了让他名垂青史的冥王星所受到的潜在威胁,1994年他致信著名的《天空与望远镜》杂志,建议将这些新发现命名为“柯伊伯小天体”,好和冥王星划清界限。

“新视野”号传回数据生成的柯伊伯带天体2014 MU69的合成图像    图/NASA

1997年汤博去世,2003年,汤博最担心的事情终于发生了——天文学家在柯伊伯带发现了阋神星(小行星136199),尺度可能略小于冥王星但质量超过冥王星,这下天文学界对冥王星大行星身份的质疑甚嚣尘上,搞得国际天文学联合会(IAU)也坐不住了。

IAU是全球天文学家的专业组织,有会员万余名(笔者也忝列其中),2006年正逢三年一届的年会,IAU就设立了一个“行星定义委员会”研究冥王星身份问题,由7人组成。委员会主任是天文学史专家金格里奇(O. Gingerich),笔者还和他打过交道,我们在IAU第20届年会(巴尔的摩,1988)上相遇,他还向笔者热情赠送了一厚摞他发表的论文抽印本。

当时的行星定义只有两条:1.绕一颗恒星运行;2.自身引力处于合适范围(大到能使自身成为球状,但又不能大到引发内部核聚变——那样就变成恒星了)。冥王星完全符合这两条,作为行星看来一点问题也没有。

但恰在此时有人递交了一篇论文《何为行星》,其中提出了行星的第3条标准:行星必须有能力清空它自身的轨道。这条标准给了冥王星致命一击。

第3条标准实际上要求行星质量足够大,因为这样行星才能依靠自身引力将运行轨道上的小天体收纳为卫星或直接吞噬掉,例如地球就清空了自己绕日运行的轨道,太阳系的另外7个行星也都做到了这一点。但是冥王星显然远远没有能力清空柯伊伯带。

终极审判的日子到了,2006年8月24日,IAU第26届年会(布拉格,2006)经424位与会代表投票,以压倒性多数(超过90%)通过决议,将冥王星从太阳系行星中剔除,冥王星和小行星谷神星、阋神星被列为“矮行星”。从此太阳系只有八大行星。

布拉格的决议传来,在美国引起了抗议的怒潮,因为冥王星是“美国的行星”(曾经的九大行星中唯一由美国人发现的)。在此之前已经有“冥王星行星身份保护协会”出现,这时更有议员至少在两个州推动立法来“保卫”冥王星,提交加利福尼亚州议会的议案要求“对国际天文学联合会夺去冥王星行星身份的决议进行谴责”,而新墨西哥州议会通过了立法:“我们宣布,冥王星为行星,并将2007年3月13日定为州议会的冥王星行星日”。民间的各种抗议大量涌现,媒体上出现各种嘲讽挖苦的标题,甚至出现“总统候选人表示:如果成功当选将承认小行星的行星身份”这样的新闻。

当然一切抗议终归徒劳,毕竟这是一个科学问题,民众、议员、媒体起哄一阵之后,也未能阻挡“太阳系八大行星”写进教科书。

冥王星浮沉故事的科学意义

在行星科学史上,如今太阳系的八大行星,都没有冥王星这样的际遇:真相难窥,多次新发现不断修正旧认知,导致身份改换,引发多种争议。这说明什么问题呢?

至少有一点,说明人类现有的天文观测手段,到冥王星和柯伊伯带那里,是接近能力边界了。2015年7月14日,NASA发射的探测器“新视野”号抵达距离冥王星最近之处(仍有12500公里之遥),拍摄了迄今为止最清晰的冥王星照片。但是,对于这颗距离地球约5.5小时光程的“肮脏的冰球”,我们仍然所知甚少。

所以,可以将冥王星视为当下一个天文标杆——对于任何侈谈遥远地方(比如1400光年之外)天文发现的新闻,我们都先想一想冥王星吧。

(作者系上海交通大学讲席教授,科学史与科学文化研究院首任院长)

文章作者

江晓原

关键字

冥王星天文太阳系行星

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