图解太阳系小天体（2）

文/ 叶楠

太阳系的物质分布（下）

19 世纪初拿破仑战争的爆发结束了小行星带天体发现的第一个阶段，直至1845 年第5 颗小行星义神星才被标记在星图上。随着摄影技术在天文观测领域的应用，小行星搜寻工作也变得更加容易。19 世纪末小行星发现数量已经超过了300 颗。1923 年第1000 号小行星被发现，并以谷神星的发现者皮亚齐的名字命名。诸多小行星的发现使得小行星带的形象愈发清晰，人类对太阳系的认识也愈加深入。太阳系不仅仅是太阳与大行星主宰的所在，也拥有着为数众多的小天体。而在海王星轨道以外更加遥远的区域，更多未知天体正静静的等待着人们的发现，关于太阳系的边缘地带，天文学家们也提出了各种科学设想。

X 行星搜寻计划

罗威尔天文台（左图）位于美国亚利桑那州，海拔2175 米，是美国最古老的天文台，也是全世界第一个建立在远离城市地区的永久天文台。天文台由私人出资建造，出资人是美国数学家和天文学家帕西瓦尔·罗威尔，他在读过弗拉马里翁的著作《火星》后开始对天文学着迷，决定利用自己的财富及精力全身心投入到天文学研究中。1906 年，罗威尔开启了X 行星搜寻计划，去寻找那颗影响海王星轨道扰动的天体。直至1916 年逝世，在罗威尔留下的1000 多张照片中发现了515 颗小行星、700 颗变星，以及那颗他期盼已久的X 行星的两次影像，只是要真正发现这颗行星还需要一双慧眼。右图为1914 年正在进行观测的罗威尔。

克莱德·汤博

罗威尔的去世，以及第一次世界大战的爆发彻底终止了X 行星搜寻工作。直到1927 年罗威尔天文台才重回正轨，还添置了一台13 英寸照相反射望远镜（左图）。1929 年，年仅22岁的克莱德·汤博乘坐了整整28 个小时的火车来到了罗威尔天文台。汤博家境贫寒，中学辍学后白天帮家里干农活，夜里却沉醉于繁星之下。由于没有钱购置望远镜，他还利用废弃的玻璃和木板自己动手制作望远镜。鉴于汤博对天文学的热爱及出色的望远镜制作手艺，罗威尔天文台接受了他作为观测助手的申请。右图为汤博与他亲手制作的9 英寸口径牛顿式反射望远镜的合影。

在汤博的参与下，13 英寸望远镜完成了装配及调试工作。1929 年4 月，汤博正式开始了海外行星搜寻的征途。他的工作主要依靠闪视比较仪将照片彼此叠合，快速切换来寻找其中位置出现移动的天体。这是一项高度重复且枯燥的工作，即使出现位置移动的天体，但更多可能是小行星、彗星或变星，汤博需要对每一颗这样的天体进行一一排除。1930 年2 月18 日，汤博在双子座δ 附近天区的照片对比中发现了一个亮度只有15 等的移动天体，两张照片拍摄于1 月底，相隔数日。在对其他一切可能性进行排除之后，汤博将这一发现告诉了天文学家普兰德。

冥王星

1930 年3 月13 日罗威尔天文台对外宣布了新行星发现的消息。这一天是罗威尔75 周年诞辰的日子，也是149 年前赫歇尔发现天王星的日子。在新行星的征名工作中，一名来自英国年仅11 岁的小姑娘提出利用罗马神话中的地狱之神来命名这颗距离太阳最遥远最为寒冷的新行星，冥王星的名字由此诞生。从此罗威尔天文台也因冥王星的发现闻名于世，这家天文台现在仍然独立运作，不隶属于任何组织。左图为发现冥王星的13 英寸望远镜圆顶；右图为汤博发现冥王星的照相底版扫描件。

冥王星发现之后，天文学家很快计算出了它的轨道。冥王星轨道半长径约为39.5 天文单位，椭率为0.248，倾角为17.1°。与其他八大行星相比，冥王星的轨道相当另类，椭率和倾角远大于其他大行星，甚至有时候会比海王星更接近太阳。

冥王星的大小及其卫星

1978 年6 月，美国海军天文台发现了冥王星的一颗卫星，被命名为冥卫一（也称卡戎）。利用冥卫一与冥王星的引力作用，计算出冥王星的质量只有地球的0.21%，远低于之前的各种预测，与之前发现的天王星和海王星相比更是天壤之别，冥王星的半径只相当于地球的0.18。2005 年至2012 年，哈勃空间望远镜又相继发现了冥王星的四颗卫星。左图为冥王星、冥卫一与地球、月球的大小比较；右图为“哈勃”拍摄的冥王星5 颗卫星的图像。

“新视野号”眼中的冥王星

2006 年1 月19 日，新视野号探测器从卡纳维拉尔角空军基地升空，直接进入太阳逃逸轨道。在引擎最后关闭时相对地球速度为每秒16.26 千米，是有史以来以最快速度离开地球的人造探测器。经过了近10 年的漫长飞行后，2015 年7 月“新视野号”飞掠冥王星。7 月14 日，在距离冥王星45 万千米处，“新视野号”拍下了这幅冥王星经典照片（左图），右下方心型区域后来以汤博的名字来命名。右图为在距离冥王星1.8 万千米时拍摄的冥王星日落景象，冥王星上的山脉和平原清晰可见，甚至可以看到冥王星稀薄大气中的分层结构。

柯伊伯带

加州大学天文学家莱纳德在1930 年冥王星发现之后就提出海王星外拥有众多天体，冥王星只是其中之一的观点。1943 年爱尔兰天文学家埃奇沃思认为根据星云演化假说，在太阳系外围物质密度太低以至于无法形成较大的行星，只能造就众多的小天体。1951 年美国天文学家柯伊伯发表文章表达了类似的观点。1980 年乌拉圭天文学家费尔南德斯研究得出短周期彗星来自于海王星轨道外围的一个小天体带。后来的观测证实他们的预测是基本正确的，但由于在费尔南德斯那篇颇具影响的论文中只援引了柯伊伯的文章，现在这片区域被命名为柯伊伯带。图为柯伊伯带想象图。

新的发现

冥王星发现之后的13 年里，汤博继续搜寻更遥远的行星。他发现了6 个星团、14 颗小行星、1 颗彗星，却未能在冥王星轨道之外发现新的行星。但是冥王星是如此之小，显得与其他几颗大行星格格不入。天文学家们虽然做着关于柯伊伯带的各种预测，期待着下一颗海王外天体的发现，从而再次重复小行星带发现的故事。但是这一等就是半个多世纪，直到20 世纪末。1992 年麻省理工大学天文学家大卫·朱维特和他的越南籍学生刘丽杏经过5 年的观测终于发现了位于柯伊伯带的小行星1992QB1。这是一颗直径约160 千米，轨道半长径约44天文单位的小行星。半年后他们又发现了另一个海王外天体1993FW。图为小行星1992QB1 发现时的照片对比。

冥王星降级

这两颗海王外天体的发现吸引了更多天文学家的关注和研究，新的发现层出不穷。这些天体由于距离遥远，且体型较小，视星等一般都在20 等以上，不到冥王星亮度的1%。到了21 世纪初，新发现的柯伊伯带天体已经有近千颗。其中不乏质量或体积较大的天体，比如2005 年发现的比冥王星质量还大的阋神星（直径比冥王星小一点），2004 年发现的妊神星和2005 年发现的鸟神星直径也达到了1400 千米以上。2006 年，国际天文联合会对行星定义进行了修改，冥王星在发现76 年后被降级为矮行星，谷神星在当了200 年小行星后被升级为矮行星。阋神星、鸟神星和妊神星也陆续成功入围矮行星行列。

海王外天体及柯伊伯带的发现并不代表太阳系边界的确定，矮行星候选体之一塞德娜的发现预示着在柯伊伯带外侧仍有小天体的存在。而在更加遥远的地方还有一片球形云团包围着整个太阳系，这片云团名为奥尔特云，被认为是长周期彗星的发源地。而在内太阳系，对近地小天体的监测受到越来越多的关注。除此以外在大行星轨道之间还有半人马型小行星、特洛伊族小行星等等。对太阳系小天体的探测研究有助于揭示太阳系的真实面貌、解开太阳系的起源之谜，后续我们将分门别类为读者朋友们做更具体的介绍。