12架小口徑天文望遠鏡揭開「帶環妊神」的面紗 | 前沿

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?矮行星妊神星及其行星環的效果圖，圖片來源：Institute de Astrofisica de Andalucia CSI

撰文 | 呂浩然

責編 | 徐可

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

行星環一直以獨特鮮明的美而令人嚮往。很多天文愛好者僅通過小型望遠鏡即可觀察到太陽系「二哥」土星和它的擴展環系統，這不得不令人驚嘆！它的美麗與神秘也吸引了許多人通過科學和工程的手段去研究其軌道構型與形成機制，以揭開其背後的秘密。

過去科學家們認為，在太陽系中，行星環被認為只存在於四個巨大的行星上（儘管只有土星的行星很容易從地球上看到）[1]，而這種認識在最近被終結。

10月12日，《自然》雜誌發表了來自西班牙安達盧西亞天體物理學研究所（Instituto de Astrofísica de Andalucía）Jose Luis ortiz等人的一項研究[2]，研究者們在海王星軌道以外發現了一顆具有行星環系統的矮行星——妊神星（Haumea）。

這顆矮行星距太陽的距離是地球到太陽距離的50倍，系第一個在半人馬小行星類群之外發現的擁有環系統的天體。它外表呈橢球形，像一個細長的雞蛋。長軸直徑至少2300公里，與冥王星相當。這種特殊的形狀也意味著，Haumea可能並不會像普通的行星那樣處於靜力平衡的狀態。

Jose Luis Ortiz及同事預測妊神星將會掩食恆星URAT1 533-182543，於是利用世界各地10個天文台的12架不同的望遠鏡於2017年1月21日進行觀測，最終確定了Haumea的密度（最高達1885 kg/m3左右）、反照率（0.51）和大氣層（無）等情況數據。

而Haumea周邊那串美麗的「項鏈」，也就是它的行星環寬70公里，距Haumea表面約1000公里。環與其赤道和外部衛星Hi』 iaka的軌道處於同一平面，軌道周期是妊神星自轉周期的三倍。

COMMENT

就此次Haumea的發現，《知識分子》聯繫到了南京大學天文與空間科學學院院長周濟林教授及清華大學高等研究院、清華大學天體物理中心白雪寧研究員聯合進行評論：

行星環是太陽系內最美麗和神秘的結構之一，到目前為止，它們的形成機制以及其內部的動力學過程天文學家還不能完全解釋。此次這項新的發現為行星環家族增添了新的成員，並進一步為理解它們的形成機制乃至太陽系中的行星形成提供寶貴的線索，這也是此次研究的重要意義之一。

目前，太陽系中已知的伴有行星環的行星都是質量較大的氣體行星，例如我們熟悉的土星，而此次的發現系首次在矮行星中發現行星環。更有趣的是，該行星環的中心天體並不是球狀的，而是一個橢球，並且行星環的軌道周期同Haumea的自轉周期可能接近3:1的共振。

一方面，該工作發現的長軸至少2300公里的天體似乎還沒有達到流體靜力學平衡而保留了橢球形狀，這給之前關於矮行星的定義帶來了衝擊；另一方面，該行星環的形成機制、它同Haumea之間如何相互作用以及這種狀態的穩定性等問題還需要進一步的研究。此外，一個重要問題是：為什麼太陽系四個內大行星（包括地球）沒有行星環，而質量和引力範圍小得多的矮行星卻有？矮行星環普遍嗎？這一系列問題都有待解答。

盤狀結構在天體系統中十分常見，理解太陽系行星和矮行星行星環的形成機制和動力學也許會對更大尺度（比如星系盤）的類似結構提供啟示。我們還應看到，這項工作是在50公分和2米級上的小望遠鏡上完成的，這也說明只要在科學上有好的想法，小口徑望遠鏡也能做出有顯示度的科學。

參考文獻：

[1]Ring detected around a dwarf planet, Nature, 120 October 2017, Vol 550.

[2]J. L. ortiz, P. Santos-Sanz, etc. The size, shape, density and ring of the dwarf planet Haumea from a stellar occultation, Nature, doi:10.1038/nature24051.

製版編輯：呂浩然｜

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