尋找「丟失」的行星-趙君亮

06-01

主講人簡介：

　　趙君亮：中科院上海天文台原台長，研究員。發表多篇天文學術著作，同時致力於天文科普事業，亦有多篇天文科普著作問世。

　　內容簡介：

　　這個講演的題目就叫做《尋找「丟失」的行星》，大家注意到這個「丟失」是打引號的，實際上並不是丟失的。那麼我這個講題下面分四個內容：第一怎麼樣找到小行星，所謂「丟失」的行星就是小行星，怎麼樣找到小行星的過程。第二就是小行星的基本情況。第三小行星它是怎麼樣形成的？它到底怎麼來的？第四也許是大家最感興趣的，這個小行星如果撞到地球上來怎麼辦？對我們有沒有威脅？

　　我們為什麼要找這個「丟失」的小行星呢？因為它可能威脅地球。剛才我們講了大部分小行星挺好，它都在小行星帶，在木星和火星的軌道中間。那麼我們地球的軌道是在火星軌道之內，所以它不會碰到我們。但是的確有一部分小行星它的軌道比較扁，它會轉到地球軌道之內來，這個叫做近地小行星。那麼它要是撞上來怎麼辦？我相信很多人看過科學幻想電影，叫《天地大衝撞》。在未來的某一年天文學家算出來了，有一顆小行星在多少年以後就要撞上地球，其後果不堪設想。於是就從總統開始，聯合全世界的科學家就要想辦法對付它。最後這個電影裡面，就派了一個宇宙飛船，就到了這個小行星，然後在那裡挖洞，然後把核彈就塞在裡面去，要把它炸碎掉。最後這幾個宇航員回不來了，他們就獻身了，回不來了。結果這一炸呢，有一點效果了。這個小行星一炸兩個，一塊大的沒撞上來，偏過去了。一塊小的還是撞上來了，這塊小的，從電影畫面裡面這塊小的比大的要小得多。這個小的撞在海洋里，結果浪過來，整個紐約很快就掃平。這裡面還有一些愛情故事，但撞擊很可怕。那麼這個事情到底會不會發生？這個發生到底有多可怕？我們有沒有辦法對付它，這個必須是考慮的。

　　（全文）

　　那麼我們現在開始講第一個，就是小行星的發現過程。在這個之前呢，我想給大家說一下，在太陽系裡面的幾類天體，怎麼區分？什麼叫行星？什麼叫小行星？什麼叫彗星？什麼叫流星？首先我們把行星提出來，所謂行星是指太陽系裡面繞著太陽公轉運動的主要天體。或者說是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星，這九顆大行星的綜合。那麼行星又稱大行星，實際上這個名字就是因為後來發現小行星，我們的中文名字才有大行星一說。那麼我們現在看小行星，太陽系裡面除了大行星以外可以說統稱為小天體。那麼我們怎麼來區分這些小天體？首先小行星，我把小行星和彗星都放在一起對比，小行星是沿橢圓軌道運動的，而且這個橢圓是不太扁的。而彗星通常是沿著比較扁的橢圓軌道，甚至是拋物線，或者是雙曲線，就是這個扁的橢圓軌道一直扁下去，扁到最後它就等於拋物線。然後拋物線甩開去就是雙曲線，所以這個是小行星和彗星的差別。

　　第二個差別，小行星是不大容易揮發出物質的，它就是一塊石頭這樣的東西。而彗星在接近太陽的時候，它有氣體物質揮發出來，這是它們很大的區別。那麼所謂小天體是指質量小，不是指體積小。那麼這個就是用空間探測器拍到的小行星，大家看這裡有個比例尺，這個比例尺是20公里，那麼可見這個小行星之小。這幾個小行星尺度我們就不能講直徑了，因為它不是一個球，它的尺度不超過幾十公里，或者不大於一百公里。那麼除了這兩類小天體以外，還有一類更小的小天體，就是叫做流星體。我們通常說的流星是流星體闖入地球大氣，流星體的速度可以高達每秒鐘10公里到70公里。這個速度很快的，每秒鐘十公里已經是子彈出槍口速度的十倍。子彈出槍口的速度大概每秒一公里，如果每秒七十公里那就更快，那麼這個高速闖入地球，就和地球的大氣發生摩擦，然後它就發熱、燃燒、發光。這條光跡稱為流星，所以流星和流星體是兩個完全不同的概念，流星體是一塊東西，流星是一個現象。

　　大家可能聽到獅子座流星雨，一大批流星在一個短的時間內同時進入了大氣層，那就會形成所謂流星雨，那是比較漂亮的。那麼小行星和流星體的主要區別就是流星體更小，小行星、彗星、流星體統稱為太陽系的小天體。這是一張流星照片，你看這個流星划過天空，下面是一些村莊、水。這是一顆火流星，流星中間特別明亮的稱為火流星。你們都看過《三國演義》，對不對？諸葛亮死的時候，司馬懿夜觀天象，然後說一顆星星划過天空，他說孔明必死無疑。然後他就大舉進攻了，他就怕諸葛亮。古人就是說天上掉下一顆流星，地上死了一個人。那麼這個人官做得越大，這個流星就越大。這都是無稽之談，這個就是火流星，最亮的火流星如果白天出現可以比太陽還亮。那麼這是流星雨的繪畫，請注意，我特別說明，這是繪畫。沒有這樣的流星雨，這麼密密麻麻的。所以你們不要相信報紙上講流星雨出現的描述，這是一種誇張的手法，主要對這種東西沒有做一個詳細說明。我給你們看張照片，這張是流星雨的照片，這是真實的。這裡就沒有幾顆流星了，這裡有幾條，而且這張照片必須要拍幾分鐘，在一瞬間之內可能就有一條。但是你在一分鐘之內，它可能出現十條。這就相當好看了，你如果曝光十分鐘，那你可能有幾十條，就合成這麼一張照片。所以越是漂亮的流星雨照片你們越得提高警惕。那麼這裡我提出某種科學研究的一種思路，有的時候有些數字或者有些圖像比較奇怪，它表現出一種有趣現象，但是找不到這種道理，然後有人就拚命去想，沒有道理也去想，往往會得出一些你想像不到的結果。

　　18世紀下半葉，哥白尼這個日心說已經確立了地位，牛頓的萬有引力定律已經建立。當時已經知道了六顆大行星，包括地球在內，水星、金星、地球、火星、土星、木星，它的運動規律已經全部掌握好了。你們看看，我們來說一下這個情況，現在我們以地球到太陽的平均距離為一個天文單位，這個大概等於1.5億公里，我們來量一下這六顆行星到太陽的距離，你們看：水星0.39，金星0.72，地球1，火星1.52，木星5，土星9.54，這個數字有規律嗎？沒有規律，一個比一個大。還有什麼規律嗎？看不出什麼規律，對吧？有人就是動腦筋，就是這個人，這個人叫提丟斯，德國人。1766年，我們對他說得好聽，他就是科學精神，說得不好聽就是挖空心思，他就在想，這個數字怎麼來的？他就想出這麼個辦法，從3開始寫出一串數，每一個數比前面數大一倍，然後前面再添一個零，就這個0、3、6、12、24、48、96、192，對不對？這是一串數，沒什麼道理的，完全沒道理的，這個你也不是幾何奇數對不對？零拿掉是幾何奇數，零放上去又不成幾何奇數。然後把這些數字都加上一個4，那就變成下面這排，4、7、10、16一直到196，妙的就在後面，然後他把所有的數字都除上10，然後這個奇怪的現象發生了，他把剛才我講的行星到太陽距離的天文單位的數字放上去。你們看這個數字簡直太妙了，這個是提丟斯數組，0.4，0.39、0.7、0.72，地球當然是1，這個是1.6，1.52這裡缺了一塊，然後是木星5.2，這個土星是9，這個是10，然後這個是天王星當時沒發現，你們看這個現象很怪，他就這麼動腦筋，動來動去，就找出這個數字。這個數字就叫提丟斯數組，居然和行星到太陽的距離很相像。然後提丟斯注意2.8這個地方，少了一個星，所以我們說尋找「丟失」的行星，這個2.8，按照他的數組應該有顆星，這沒有，他沒吭聲。

　　那麼後人差不多同時代的人波得，他在1772年就公布提丟斯的發現，並且他就聲稱這個地方應該有顆行星。這個就是我們前面講的一串有趣的數字，奇怪的數字，居然有一個地方不符合他的規律，他就大膽預報這裡有一顆星，這件事情就稱為提丟斯-波得定則。妙了！1781年，赫歇耳，赫歇耳是一個德國籍的英國天文學家，他原來是音樂家，搞音樂的。他發現了天王星，是偶然情況下發現天王星。大家注意，我們現在知道九大行星，前面幾顆行星是沒有辦法說誰發現的，就知道了。真正說到發現的是天王星、海王星、冥王星，因為人類老早就知道什麼水星、金星，你查是哪一個人發現的，談不上發現。當時1781年赫歇耳發現了天王星，結果他到這個太陽的距離居然是19.2天文單位，而提丟斯數組下面，已經有這個數字。還沒有發現天王星，這個數字19.6，那麼這個事情就更加奇怪了，對不對？所以這個就變得非常奇妙了，於是就有人企圖找這顆星。1785年天文學家查哈，他試圖組織力量要找這顆「丟失」的行星，這顆星到底有沒有？1806年9月查哈和另外五個天文學家，他們自己的原文，把它翻成中文就是：他要組織一次叫天空警察支隊，以跟蹤和捕獲太陽系中逃亡的子民，要把它抓住。他希望要找一個有名的觀測家，義大利的天文學家皮亞齊來參加尋找。這個要用望遠鏡，對不對？要有經驗，隨便講講沒有用的。他們還沒有找到皮亞齊，皮亞齊已經發現這顆星了。這個發現呢，是有點偶然性，你們學過哲學，偶然中間有必然。他並不是觀測去找這顆星，他是在編一份星表，那麼他就要大量觀測，他發現有一顆小星，在其它恆星中間的位置每天是不一樣的。恆星之間的位置是大體上不動的，你過十年、二十年它不會動的，比如三顆星組成一個三角形，明天還是個三角形，後天還是個三角形。但這顆星今天在三角形這個地方，明天到這個地方，後天到這個地方，在移動。那麼他以為是彗星，他連續觀測了6個星期，生病了。生病當然不觀測了，但是他沒有算出這顆行星的軌道，所以他生病完了以後，他再去觀測，找不到了。

　　然後他就寫信請人幫忙，那麼這個時候就是高斯，高斯是一個非常出名的數學家。他當時已經發明了一種辦法，現在我們知道，就是最小二乘法，只要有三次觀測，三次不同時間的觀測，就可以確立這個軌道。然後高斯就幫助計算，皮亞齊已經觀測六個星期，他有一批觀測資料，高斯根據這個觀測資料就算出來軌道。這個軌道就在火星和木星之間，就是火星和木星的軌道之間有一顆星，算出來找就有目標了。他開始是偶然看到它，一算出來就開始找了，按照預報的位置找了，很快找到，最起勁的那位天文學家查哈，他根據高斯的預報一下找到這個小行星，但是第一個發現的人是皮亞齊，所以這個命名權在皮亞齊那裡，他把它命名為穀神星。這就是發現的第一顆小行星。

　　奧伯斯曾經做過醫生，他在一個偶然的機會，發現了第二顆行星，後來命名為智神星，比穀神星稍微小一點。一算這個軌道，這兩顆行星的軌道很接近。那麼就要思考了，所以奧伯斯就有一個大膽的猜想，他認為在提丟斯數組2.8的地方，原來可能是有一顆大行星，這個大行星爆炸，碎裂成小的行星。所以這裡應該不止兩個，應該還有。而且它們既然是從一個地方爆炸的，那麼這些小行星的軌道應該在這個爆炸點都相交，對不對？某一個時候都會通過這個爆炸點，那麼反過來說如果我盯著這個爆炸點觀測，就去存心要找小行星，這個機會就比較大。你到處亂找，這個機會就比較小，不大容易找到。現在有兩顆小行星，兩顆小行星軌道的交點就是爆炸點。然後他就守株待兔，這個奧伯斯有這個猜想以後，他就開始觀測。就等在那個地方，等了三年。這個人精神夠好的，等了三年，守株待兔式的監測。奧伯斯終於發現了另一顆小行星，就是灶神星。在他之前另外一位德國天文學家叫哈丁，他偶然發現了婚神星。那麼小行星慢慢多了，人們就有興趣了，接下來有一段很長時間的停頓。

　　科學家有一個考慮問題的方法，一旦發現一種新的現象，或者一種新的天體。數量增多以後，他就開始統計分類，這個可以引出很多重要結論。結果發現這些小行星很少超過一百公里，幾十萬顆小行星，大部分都不超過一公里，真是名副其實地小！然後把它們質量全部加起來，還不到地球質量的萬分之四，或者說不到月球質量的三十分之一。你可想而知這個小行星雖然多，它的確非常小。那麼小行星的運動情況怎麼樣呢？就發現大部分小行星都在火星和木星的軌道之間運動，那麼這一條帶稱為小行星帶，或者稱為主小行星帶，它的運動軌道都是一些不太圓的橢圓。但是的確有一部分少量的小行星，它的軌道略微扁一點。這一扁不要緊，一扁它這個軌道可能會到地球軌道之內。也就是說，這樣的小行星軌道，和地球的軌道有可能相交，那就意味著有可能和地球相撞。那麼這一類小行星就叫近地小行星，我們後面還要詳細地講。天文學家現在對近地小行星非常有興趣，那麼這個就是小行星帶的示意圖，這個是小行星帶在太陽系裡面總體位置。不過他畫得太密了一些，沒那麼多。隨著觀測技術的進步，居然發現很小的小行星，它還有它的月亮，它有它的衛星。月亮是我們地球的天然衛星，小行星有它自己的衛星。1978年6月7日，天文學家麥克馬洪發現，這顆大力神小行星編號是532號，它的直徑是243公里，還是比較大的，它有一顆衛星直徑是45.6公里，這小行星和它的衛星相隔不到一千公里。同年12月11日，又發現18號梅菠蔓小行星的衛星，那麼主小行星是137公里，它的衛星是37公里，以後發現小行星衛星的都有報道，但是有的很難證實。因為這個東西太小，那麼怎麼樣發現小行星的衛星呢？你們想想看，離開地球比如說幾億公里，直徑只有幾十公里，這個東西太難發現。那麼有這幾種辦法，一種是小行星掩星，什麼叫小行星掩星呢？就是恆星在遠方，小行星比較近，偶然一個機會小行星會把後面恆星的星光遮掉，這就叫小行星掩星。月亮也會掩星，就是月掩星。那麼如果小行星有一顆衛星和小行星沒有衛星，這個遮的過程中間後面那顆恆星的光的變化情況是不一樣的。如果是單顆星，它的光就下去又上來。如果兩顆星，它可能下去一會兒，又下去一會兒，那麼根據這個光度的變化就可以算出來這一顆小行星的衛星。

　　第二你觀測小行星本身亮度的變化，這個衛星不是繞著小行星轉嗎？如果這個衛星跑到小行星前面，就把小行星的光要擋掉一點。這個小行星就會變得暗一點，這個也可以發現小行星的衛星。另一個是空間探測，這個顯然是可以直接找到小行星的衛星。比如說1993年8月伽利略號航天器，它掠過一顆小行星叫艾達。它就發現它有顆衛星。那麼最有趣的是人們現在給小行星建人造衛星，1996年2月17日美國發射了一顆叫妮兒的航天器，它從1999年1月起就成為愛神星的人造衛星。這顆小行星很有名的，433號小行星，愛神星的人造衛星，然後對這個小行星，愛神星進行考察。

　　第三點，我要給大家說一下，這個小行星，那麼多小行星怎麼形成的？就是說小行星的起源問題，太陽系中有如此眾多的小行星，如何形成？如何演化的？那麼歸納一下大體上有四種說法，第一種是大行星爆炸說，第二種是以提出人柯依伯命名的柯依伯假說，第三種叫半成品說，第四種彗星演化說。我們一個一個介紹，在說這個理論之前，我們要把小行星的觀測特徵要說一下，你任何一個理論，要能說明問題，才能成立。所以小行星的起源要能成立，它必須說明小行星有關的觀測事實。那麼把小行星的觀測事實稍微總結一下，大概有這麼三條：第一它是繞太陽運動的，它的數量很多，體積相對很小的，形狀絕大多數是不規則的。第二小行星的運動軌道絕大多數是一些不太扁的橢圓。第三大多數小行星位於小行星帶之內。但是也有例外，這個例外的事情最討厭了，理論要解釋例外。首先我們討論一下大行星爆炸說，那個就是前面我們講的奧伯斯的思想，他就認為在提丟斯數組2.8這個位置上，原來就是有顆大行星。後來不知道什麼原因，它爆炸了，炸碎以後這些小行星都各奔東西，那麼它們大小都是不一樣的，形狀也是不規則的，就是今天我們看到的小行星。那麼這個爆炸說對於小行星不規則的這一點很有利，一炸就是炸得亂七八糟的，對不對？那麼也的確有相當一部分小行星它們的軌道是交於同一點的，即使你現在看到的小行星，它的軌道不交於同一點，也可能是因為在以後這個漫長的過程中間，受到其他天體特別是它附近木星、火星，這些大行星引力的干擾，它軌道變了，所以不交於同一點，這是一個學說，那麼它的問題在於這個爆炸原因是什麼，它為什麼炸呢？始終沒法給出解釋，總的質量也太小，既然是炸的，這個質量應該不太小吧，所以這個它沒法解釋。

　　那麼第二種學說稱為柯依伯假說。這個人是一個美國籍的荷蘭天文學家，實際上他的思想就要迴避爆炸說裡面，這個爆炸原因沒法解釋的這一個難點。他認為在太陽系演化過程中，太陽系怎麼演化呢？大概這麼個情況，遠在太陽系形成之前，有一大團星雲，這個密度比恆星要低得多，體積要比現在的太陽系大得多。它在自身引力的作用下就收縮，由於它有轉動，所以收縮一定是變成扁的。它不會變成球，因為它在轉，如果它不轉的話，它就是大的球變成小的球。因為它在轉，所以它本來是一個球體，那就變扁，變成一個盤子一樣的。然後中心的物質形成太陽，邊上的物質就慢慢慢慢形成行星，包括行星周圍的衛星，比如我們的月亮。這是太陽系形成大體的過程，這個過程經歷大概幾億年。那麼柯依伯這個人就認為在火星和木星軌道之間，它因為某種原因它沒有能夠形成一顆大行星。就在太陽系的演化過程中間，它沒有形成一顆大行星。而是生成了五個到十個比較小的原始行星，為什麼叫原始行星呢？大體上意思就是還沒有冷卻下來的行星，是原始行星。那麼這個原始行星在後來，因為從太陽系形成到現在已經五十億年了，這個過程中間，這些小的原始狀態的行星就互相碰撞，就碎掉了，就變成現在的小行星。那麼其他地方呢，因為生成一個大的行星，所以它沒有碰撞的問題。比如地球，它就是球狀的，大體上是球狀的。那麼這就是用他的理論來說，今天我們看到那麼多小行星是這麼個過程形成的。所以實際上是對奧伯斯理論的一種修正，那麼為什麼爆炸這個難點就迴避了。

　　那麼第三種學說是半成品說，提出這個學說包括我們國家已故的著名天文學家戴問賽先生，他是這樣想，他的學說是這樣講：太陽系在演化過程中，並不是一步形成的。首先是形成星胎，好像這個孩子還沒有生出來，胚胎一樣。然後這個星胎不斷地吸集，因為它有引力作用，不斷地碰撞吸集，把它周圍的物質吸集過來就形成大行星。那麼這個過程是很長的，那麼在火星和木星之間，這個星胎吸集周圍物質變成大行星的過程沒有進行到底，而中途停頓，就形成了好多小行星，它們以分散的形式一直保持到今天，就是我們今天所看到的小行星。那麼從這個意義上講，小行星是太陽系演化的半成品，這是星胎形成的示意圖。這個是太陽系形成以後，太陽已經大體上形成了，然後這個就是星胎。它還是在圍著太陽轉呢，那麼它們互相碰撞吸集就形成行星，而火星和木星軌道之間這個過程沒有進行到底，小行星就保留下來。

　　第四種觀點是彗星演化說，彗星在靠近太陽的時候，它有東西揮發出來，揮發出來以後就形成了彗發和彗尾。但是彗星在遠離太陽的時候，溫度很低，它就是一塊東西，看上去如果你用望遠鏡觀測和小行星沒什麼兩樣，因此有人認為這兩類天體是一類天體的演化序列。什麼意思呢？彗星接近太陽的時候，它表面有層什麼？實際上是冰凍的水，還有一些灰塵。那麼一接近太陽它就升華蒸發，然後在太陽光壓和太陽輻射、太陽風的作用下，形成彗發和彗尾。然後這個東西就揮發掉了，然後下一次又來又揮發。所以每次回歸太陽就要損失一部分質量，那麼有的彗星比較短的，你比如說哈雷彗星是七十六年回到太陽附近一次，那麼就每七十六年它要揮發一次。有的彗星兩三年回來一次，那就揮發得更快，有的彗星可能幾百年、幾千年、幾萬年一次，那它揮發過程就比較慢。但不管怎麼樣，總有一批彗星在幾十億年的時間內，它會揮發完了，揮發完了也就沒有東西揮發了，因此它就不會形成彗發和彗尾了，因此它就變成一顆小行星。也就是說，揮發物質揮發完的彗星就是小行星。

　　我們講最後一個問題，威脅地球。剛才我們講了大部分小行星挺好，它都在小行星帶，在木星和火星的軌道中間。那麼我們地球的軌道是在火星軌道之內，所以它不會碰到我們。但是的確有一部分小行星它的軌道比較扁，它會轉到地球軌道之內來，這個叫做近地小行星。近地小行星中間還有一部分會靠近地球，有人給它取了個名字叫掠地小行星，好像從地球附近掠過一樣。那麼這個打到我們怎麼辦？它掠一下，要是撞上來怎麼辦？我相信很多人看過科學幻想電影，叫《天地大衝撞》。在未來的某一年天文學家算出來了，有一顆小行星在多少年以後就要撞上地球，其後果不堪設想。於是就從總統開始，聯合全世界的科學家就要想辦法對付它。最後這個電影裡面，就派了一個宇宙飛船，就到了這個小行星，然後在那裡挖洞，對不對？然後把核彈就塞在裡面去，要把它炸碎掉，中間有很多驚險的場面。最後這幾個宇航員回不來了，他們就獻身了，回不來了。結果這一炸，有一點效果了。這個小行星一炸兩個，一塊大的沒撞上來，偏過去了。一塊小的還是撞上來了，這塊小的，從電影畫面裡面這塊小的比大的要小得多。這個小的撞在海洋里，結果浪過來，整個紐約很快就掃平。這裡面還有一些愛情故事，但撞擊很可怕。那麼這個事情到底會不會發生？這個發生到底有多可怕？我們有沒有辦法對付它，這個必須是考慮的。