“冥王星”的前世今生

2015 年 7 月 8 日新视野号拍摄的冥王星（右）与冥卫一（左）

　　冥王星是继阋神星后第二大的已知矮行星。冥王星是最大的柯伊伯带天体，也很可能是体积最大的海王星外天体。冥王星是直接围绕太阳运转的第十大天体。它同其他柯伊伯带天体一样主要由岩石和冰组成。冥王星相对较小，仅有月球质量的六分之一、月球体积的三分之一。冥王星的轨道离心率及倾角皆较高，近日点为 30 天文单位（44 亿公里），远日点为 49 天文单位（74 亿公里）。冥王星因此周期性进入海王星轨道内侧。海王星与冥王星因相互的轨道共振不会碰撞。2014 年冥王星距离太阳 32.6 天文单位。在它的平均距离上（39.4 天文单位）阳光需要 5.5 小时左右才能到达冥王星。

　　冥王星于 1930 年被发现，并被视为第九大行星。后续 75 年内对冥王星及太阳系内其他天体的研究挑战了冥王星的行星地位。自 1977 年发现小行星凯龙(Chiron)后，人们发现了众多轨道高度离心的冰质天体。2005 年发现的离散盘天体阋神星质量比冥王星质量多出 27%。国际天文联合会（IAU）认识到冥王星仅为众多外太阳系较大冰质天体中的一员后于 2006 年正式定义行星概念。新定义将冥王星排除行星范围，将其划为矮行星。但一些天文学家则认为冥王星仍属于行星。

　　冥王星目前已知的卫星总共有五颗：冥卫一(Charon)、冥卫二(Nix)、冥卫三(Hydra)、冥卫四(Kerberos)、冥卫五(Styx)。冥王星与冥卫一的共同质心不在任何一天体内部，因此有时被视为一联星系统。IAU 并没有正式定义矮行星联星，因此冥卫一仍被定义为于冥王星的卫星。

　　新视野号探测器将于 2015 年 7 月 14 日成为第一艘飞掠冥王星的飞船。美国航空航天局（NASA）计划用新视野号对冥王星及其卫星进行细致观测。此后新视野号还会对其他柯伊伯带天体进行观测。

冥王星的发现者克莱尔·威廉·汤博（Clyde William Tombaugh）

　　十九世纪四十年代奥本·勒维耶通过经典力学分析天王星轨道的摄动后预测了海王星的位置。十九世纪末天文学家根据对海王星的观察推测有其他行星摄动天王星轨道。

　　1906 年罗威尔天文台的创办者帕西瓦尔·罗威尔开始搜索第九大行星——X行星。1909 年罗威尔和威廉·亨利·皮克林提出了若干该天体可能处于的天球坐标。此项搜索一直持续到 1916 年罗威尔逝世为止，但是没有任何成果。1915 年 3 月 19 日的巡天已拍摄到了两张带有模糊的冥王星图像的照片，但是这些图像并没有被正确辨认出来。

　　罗威尔的遗孀康斯坦斯·罗威尔企图获取天文台中其夫所有的份额。对X行星的搜索因由此产生的法律纠纷直至 1929 年才恢复。时任天文台主管维斯托·斯里弗在看到克莱德·汤博的天文绘图样品后将搜索X行星的任务交与汤博。

　　汤博的任务是系统地成对拍摄夜空照片、分析每对照片中位置变化的天体。汤博借助闪烁比对器快速调换感光干板搜索天体的位置变化或外观变化。1930 年 2 月 18 日汤博在经历近一年的搜索后在当年 1 月 23 日与 1 月 29 日拍摄的照片中发现了一可能移动的天体。1 月 21 日的一张质量不佳的照片确认了该天体的运动。在天文台进一步拍摄了验证照片后，发现第九大行星的消息与 1930 年 3 月 13 日由电报发往哈佛大学天文台。

冥王星的命名者威妮夏·伯尼（Venetia Burney）

　　发现第九大行星的消息在全世界产生轰动。罗威尔天文台拥有对此天体的命名权并从全世界收到了超过一千条建议。汤博敦促斯里弗尽快在他人起名前提出一个名字 。

　　英国牛津的 11 岁学童威妮夏·伯尼因其对古典神话的兴趣建议以冥王普路托命名此行星。伯尼在与其祖父福尔克纳·梅丹交谈中提出了这个名字。原任牛津大学博德利图书馆馆员的梅丹将这个名字交给了天文学教授赫伯特·霍尔·特纳。特纳将此电报给了美国同行。

　　该天体正式于 1930 年 3 月 24 日命名。普路托(Pluto)以全票通过。该命名于 1930 年 5 月 1 日公布。梅丹在得知此消息后奖励其孙女 5 英镑（相当于 2015 年的 276 英镑或 430 美元）。

　　普路托(Pluto)获选的部分原因是普路托与头两个字母（英语：PL）为帕西瓦尔·罗威尔的首字母缩写。该天体的天文符号（♇， unicode U+2647, ♇）也是由 PL 构成的花押字。

冥王星与我们的地球月球的大小比较

　　自发现冥王星后人们就因其模糊图像怀疑冥王星不是罗威尔所设想的X行星。二十世纪以来冥王星质量的估计值在逐步缩小。天文学家最初按照冥王星假定对天王星与海王星轨道的影响计算冥王星质量。1931 年计算得出的冥王星质量和地球质量相若，1948 年的进一步计算结果则接近火星质量。1976 年夏威夷大学的戴尔·克鲁克香克、卡尔·佩尔彻与莫里森首次计算出冥王星的反照率；计算得到的反照率与固态甲烷相似。冥王星因此比与相同尺寸的其他天体明亮，其大小不会超过地球质量的百分之一。（冥王星的反照率比地球反射率大 1.3–2.0 倍）

　　1978 年冥卫一的发现允许天文学家首次测量冥王星的质量。冥王星质量仅相当于地球质量的 0.2%，不足以解释天王星的轨道扰动。随后罗伯特·萨顿·哈灵顿在内的诸多天文学家未能找到冥王星以外的X行星。1992 年迈尔斯·斯坦迪什用旅行者 2 号 1989 年飞掠海王星时所测数据重新计算海王星对天王星的引力作用。旅行者 2 号的数据将海王星质量的估计值降低了 0.5%，相当于一火星质量。重新计算的结果中天王星的轨道并没有异常，自此X行星也无存在的必要。现在大多数科学家同意罗威尔所定义的X行星并不存在。罗威尔曾在 1915 年预测X行星的位置接近于当时冥王星的位置。恩尼斯特·威廉·布朗在冥王星的发现后不久认为罗威尔的预测是个巧合，此看法至今仍受支持。

　　1992 年起在冥王星附近发现的诸多天体显示冥王星是科伊伯带的一部分。冥王星的行星地位因此受到挑战。博物馆和天文馆偶尔会因在太阳系模型中忽略冥王星而引起争议。海登天文馆于 2000 年 2 月翻新后从新对外开放后展出了只有八颗行星的太阳系模型，在将近一年后登上了报纸头条。

　　天文学家在科伊伯带发现越来越多与冥王星大小相似的天体后认为冥王星应重新划为科伊伯带天体。2005 年 7 月 29 日发现新的海外天体阋神星的消息对外公布。根据推测阋神星比冥王星大，是 1846 年发现海卫一后发现的太阳系内最大天体。尽管当时并没有将其归为行星的正式共识，媒体与发现阋神星的天文学家最初将其称为第十大行星。天文学界有人将此视为将冥王星划为小行星的最有力论据。

　　对冥王星地位的辩论随着 2006 年 8 月 24 日 IAU 决议的出台进入了关键阶段。国际天文联合会(IAU)决议列出了三个条件，符合这些条件的天体可被视为行星：

　　该天体的轨道必须围绕太阳运转；

　　该天体必须有足够的质量通过自身引力成为球形；

　　该天体必须清理轨道附近的其他天体。

　　冥王星的质量是其轨道上其他所有天体质量之和的7%，无法满足第三项条件。IAU 进一步决定同冥王星一样无法满足第三项条件的天体为矮行星。

　　公众对 IAU 决议看法反应不一。很多人接受重新分类，但有人发起在线请愿来号召 IAU 重新将冥王星划为行星。加利福尼亚州众议院部分议员提出的一项决议中开玩笑地将 IAU 的决定称为“科学上的异端”。鉴于冥王星发现者汤博长期居住于新墨西哥州，该州众议院通过一项纪念汤博的议案，宣布冥王星在新墨西哥州的天空中永远属于行星行列，并将 2007 年 3 月 13 日定为冥王星日。伊利诺伊州参议院在 2009 年考虑到汤博出生于伊利诺伊州通过相似决议。该决议中宣称冥王星被 IAU“不公平地降为矮行星。”一些人还以不同理由坚持认为冥王星属于行星。

冥王星轨道高度倾斜（相对八大行星所在的黄道面大于 17°）、是高度偏心的椭圆轨道

　　冥王星的轨道周期为 248 地球年。冥王星轨道与行星轨道有极大不同。行星轨道接近圆形、靠近黄道面。冥王星轨道高度倾斜（相对黄道面大于 17°）、是高度偏心的椭圆轨道。冥王星因离心率高其轨道的一小部分比海王星轨道更接近太阳。冥王星－冥卫一系统的质心于 1989 年 9 月 5 日到达近日点，自 1979 年 2 月 7 日至 2 月 11 日该系统的质心比海王星更靠近太阳。

　　冥王星的自转周期约为 6.39 地球日。冥王星的自转轴与公转平面的夹角间隔 120°，冥王星因此有着极端的季节变化；在至点时阳光持续照射冥王星表面的四分之一，另外四分之一则完全没有阳光照射。冥王星表面推测由超过 98% 的固态氮、微量甲烷、微量一氧化碳组成。冥王星朝向冥卫一的一面固态甲烷较多，向背的一面一氧化碳和氮较多。冥王星表面颜色与亮度变化较大。冥王星是太阳系内最表面反差最大的天体之一，反差程度与土卫八相似。冥王星表面的颜色包括炭黑色、深橙色、白色。冥王星的颜色与木卫一的颜色接近，但是橙色稍多。

　　冥王星的密度为 2.03±0.06 g/cm3。冥王星内部的岩石与表面冰层可通过放射元素衰变热分离，科学家因此判断冥王星内部结构应已分化：岩石构成的地心被冰构成地幔所包围。地心直径假设为1,700 公里左右。地核地幔之间可能有由放射衰变热产生的 100 到 180 公里左右的液态水层。冥王星的质量为 1.31×1022 千克，不到地球质量的 0.24%。冥王星的直径为2,306±20 公里，约为月球直径的 66％。冥王星的表面积为 1.665×107 平方公里，与俄罗斯国土面积相近。冥王星大气层的存使测定冥王星固体表面尺寸变得复杂。1978 年冥卫一的发现允许科学家通过牛顿推导的开普勒第三定律测量冥王星－冥卫一系统的质量。科学家也可通过冥卫一的掩星更准确地估算冥王星直径。科学家还通过自适应光学技术更准确地观测冥王星的形状。

　　冥王星比所有类地行星都小。冥王星也比太阳系七个天然卫星要小（木卫三、土卫六、木卫四、木卫一、月球、木卫二、海卫一）。冥王星的直径约是谷神星的两倍，冥王星的质量是谷神星的数十倍。冥王星比阋神星轻。目前还不清楚阋神星和冥王星的直径大小关系，这两颗矮行星直径的估计值为 2330 公里左右。冥王星的直径因大气层和碳氢化合物所产生的霾而不易测量。2014 年 3 月勒卢什等根据冥王星中甲烷比例判断冥王星尺寸应不小于 2360 公里，大约为 2368 公里，比阋神星稍大。

　　冥王星有一稀薄的大气层。冥王星的大气层含有氮气、甲烷、一氧化碳，这些气体与冥王星表面达到了平衡。地表大气压约为 6.5 微巴到 24 微巴（0.64 帕至 2.4 帕），约为地球大气压的一百万分之一到十万分之一。冥王星的椭圆轨道造成的温度变化对其大气层有很大影响。冥王星大气层内的甲烷产生了逆温现象：冥王星地表 10 公里上空的平均温度比地表高 36 开尔文。低层大气中的甲烷含量比高层大气高。1987 年冥王星北极长达 120 年的极夜结束，北极表面的固态氮开始升华。升华的固态氮导致冥王星 2002 年大气压比 1988 年大气压高。

艺术效果图：冥卫三上看到的星空。左边是冥王星，右边是冥卫一，冥王星左边远处亮光点为冥卫二

　　冥王星有五个已知的天然卫星：1978 年詹姆斯·克里斯蒂发现的冥卫一、2005 年发现的冥卫二和冥卫三、2011 年发现的冥卫四、2012 年发现的冥卫五。冥王星的卫星轨道都为圆形（离心率小于 0.006）、与冥王星赤道共面（倾角小于1°）。冥王星的卫星与冥王星轨道平面的夹角因此为 120°。冥王星系统非常紧凑，五颗卫星都处于稳定顺行轨道可能存在区域中最靠内的部分。冥卫一离冥王星最近，其质量足以实现流体静力平衡所以为球形。冥王星－冥卫一系统的质心在冥王星外。剩下的四颗卫星都位于冥卫一轨道外。

　　冥王星卫星的轨道都处于或接近轨道共振。冥卫二、冥卫三、冥卫五的轨道周期比例在计入进动作用后为 18：22：33。冥卫一、冥卫二、冥卫三、冥卫四、冥卫五的轨道周期之比也接近1：3：4：5：6。冥王星－冥卫一系统的质心在中心星体外，此类系统在太阳系内部不多。（例如太阳－木星）一些天文学家据此将冥王星－冥卫一系统称为双矮行星。冥王星与冥卫一相互潮汐锁定。两天体沿质心公转的周期与各自自转周期相同。2007 年双子星天文台在冥卫一表面观察到氨水和水的晶体，暗示了活跃冰火山的存在。

　　一般认为冥王星的卫星由太阳系早期冥王星与较小天体碰撞产生的碎片聚集而成。 然而冥卫四的反照度比其他卫星都低，无法用撞击说解释。

“新视野”号飞掠冥王星系统路径图

　　一切谜团将在 7 月 14 日由"新视野"号近距离飞掠冥王星系统而揭晓。北京时间 7 月 14 日 19 点 49 分，"新视野"号飞掠冥王星，最近距离 12500 千米；随后在 20 点 03 分，"新视野"号最接近冥卫一，距离 28858 千米。让我们拭目以待吧！