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【博評】William﹕尋訪古柏帶的新視野 「花生形」原始行星露真容

(網絡圖片)

上星期二(1日)元旦日,新視野號探測器已經完成小行星 / 古伯帶天體「遙遠邊疆」(Ultima Thule,正式編號2014MU59)的飛掠任務,不過由於傳輸速度問題,加上這幾天地球與新視野號之間剛好被太陽所阻擋,至今日(1月11日)才開始將第一批清晰的近照傳回地球。

不過由飛掠前十小時拍得的照片,已清楚顯示「遙遠邊疆」是一個花生形或雪人形的小星體,而且自轉軸剛好就在「花生頸 / 雪人頸」較靠近大球體那邊,而且以相當緩慢的速度自轉;另一方面,團隊亦幾乎肯定它沒有環、衛星或者大氣層。新視野號所拍攝圖片亦進一步印證原先的觀察:早年觀測古柏帶天體時,天文學家已由微弱星光中分析到相當多天體的表面具備暗紅色的顏色,且光譜分析上擬是碳系的有機物質,至2015年新視野號飛越冥王星時,確認類似的暗紅色其實是來自行星表面上的杔林——一種初代有機化合物,其是透過太陽的紫外光與宇宙射線將氮與甲烷、乙烷等簡單碳氫化合物聚合而成。而今次飛掠過程中,也發現同樣的暗紅色物質在典型的古柏帶天體上形成。

 

相對於冥王星,「遙遠邊疆」的大小只相當於冥王星上一個大山而已。

 

NASA的天文學家初步推測「遙遠邊疆」的形成過程。有趣的是,現時NASA將大塊的個體命名為Ultima,而小塊的個體命名為Thule。(來源見以下網址)

 

除此以外,這個小行星的特別外形也引起天文學家的強烈興趣。除極少數例子外,古柏帶中的天體一直被視為是太陽系形成初期,仍處於聚合中的狀態就給拋到太陽系邊陲的殘餘微行星(Planetesimal)或原行星(Protoplanet)。根據1月7日發表的照片顯示,「遙遠邊疆」更像是兩顆微行星接合一起,而且明顯在接合時撞擊很輕微,力度根本沒有撞爛任何一方。科學家相信兩顆微行星最初是由一堆冰塵碎屑形成兩個微行星,並彼此以非常緩慢的速度圍繞系統的質心公轉。由於形成時速度已甚慢,加上重力吸引,兩顆微行星軌道距離漸漸縮短,最終結合一起。接合後,附近可能已經無物質可吸,便維持這個狀態至今天。

 

NASA於1月7日公開去年12月31時新視野號拍得「遙遠邊疆」近照,當時新視野號的距離為10萬公里,畫面明顯見到該小行星上有不少光斑。(照片來自NASA)

 

更奇怪的是,兩顆微行星接合的位置不但不會較暗,反而有明亮的光班,甚至在疑似隕石坑內也有類似的反光斑塊,照過去經驗顯示,這些光斑可能是某種冰塊或固體甲烷之類。科學家推測「遙遠邊疆」接近近日點或受附近星體引力影響時,部分物質可能呈半溶解狀態並漸漸黏附在兩個微行星的接口上,不但進一步鞏固連結,且也形成更為明亮的區塊;至於隕石坑中的明亮結構,也可能是微行星被小隕石撞擊後,內部的水冰或固態輕物質溶解後滲出並凝固在坑底的結果。

嚴格來說,人類過去已經常觀察到這類天體,因為大部分繞日周期較短的彗星其實都是來自古柏帶。由於偶然原因(如相撞、附近較大型天體的重力吸引,甚或有恒星接近太陽系),古柏帶較小的天體較容易受干擾並進入接近太陽的軌道,成為我們較常見到的短周期彗星。事實上,人類這三十年來至少已近距離觀察包括哈雷彗星在內五個這種彗星,當中尤以2015年羅瑟塔號探測器造訪的楚留莫夫-格拉希門克彗星(67/P Comet Churymov-Gerasimenko)與「遙遠邊疆」最為相似,也是花生形的結構。估計也是兩顆彗星結合後即停止「進化」的結果,只是「遙遠邊疆」的質量比這彗星大1000倍以上而已。

楚留莫夫-格拉希門克彗星彗星近照。彗星雖然來自古柏帶,但長年環繞太陽運行,原有揮發性及有機物質不是被蒸發,就是被強烈的太陽輻射烤至焦黑,故普偏反照率更低。留意現在該彗星仍有氣體噴出。(網絡圖片)

 

然而,由於這些短周期彗星大部分已環繞太陽運行不知多少圈了,不但大部分水冰或揮發性物質早已化成彗尾,消失得無影無踪,而且經常受強烈太陽輻射所「燒炙」,化學成份早已改變甚至面目全非。今次新視野號所拍到的,不但是人類有史以來近距離觀察的最遙遠天體,且可說首次見到太陽系最古老最「原汁原味」的外觀,對於科學界而言,不能不說是一次大事件。

 

金牛座HL的塵埃盤,原祖的星雲團不但已漸漸聚合成盤狀,且環縫結構顯示有原行星開始在縫的公轉軌道上不斷吸積其他物質,形成更大的行星。作為對比,左邊是太陽系八大行星的軌跡,可見這星塵盤無論在大小及質量上都非常巨大。

小知識:古柏帶天體與太陽系形成假說

依照太陽星雲形成假說,形成太陽系的分子雲,本來就是一團混和了水、氣體冰粒與各種碳、金屬塵埃、緩慢自轉的雲團,沒有什麼分層結構。直到中央的雲團進一步收縮並形成原恒星後,由於重力收縮同樣會釋放熱能,才有足夠的能量將分子雲中的物質「分層」。

在這過程中,還未成為「正式」恒星的太陽,已開始將分子雲往外「推」,矽、金屬等物質由於較重,會給推至較近太陽的地方;至於較輕、揮發性較強或者溶點較低的物質如水、氮、碳等會給推至較遠離太陽的地方,以水、氫化物等物質為例,在太陽附近不但會揮發成氣態,更會給吹到當時太陽系的外圍較冷處並重新凝結,造成太陽系早期較重物質聚集在太陽系內圍,而輕物質則聚集在外圍的情況;太陽正式「點火」加速這情況,並為今日太陽系的結構打下基礎:岩石行星聚集在接近太陽的地方,而氣態行星則會集中在太陽系的外圍。

在推離及物質分層過程中,行星形成亦正式開始:分子雲中的物質(無論是金屬、矽還是水),開始以靜電或純粹巧合的情況下聚在一起,互相結合。到達某程度後(例如30至50公尺),引力開始足夠吸引其他的小物質附在塵塊上,漸漸形成微行星。然而,即使是二、三十公里大的物體,其引力都只夠讓其他差不多質量的天體緩緩靠過來並撞在一起。太陽系早期就有不少類似這種數公里至數十公里、幾個湊在一起的微行星。

先天較快形成的大型小行星,會以優勢重力吸引附近的「兄弟」以更高速度撞過來,不但愈來愈大,也因為撞擊帶來的熱能而溶解,並以自身重力形成圓形的原行星,過程不斷重覆,直到同軌道上大部分物質都被吸收,成為真正的固態行星;外圍的原行星因為周圍具更多低溶點及揮發物質,會將更多的氣體吸過來,最終形成體積更巨大的氣體行星。

 

後期重轟炸期時,不但有大量小行星再次墜落地球,甚至連外太陽系中大量冰體都撞到地球上,為地球帶來大量水份與有機物質,直接促成地球生命的發展。(網絡圖片)

 

不過,過程中總有物質殘留下來,或者在吸收過程中又被撞碎,形成碎片。在內太陽系中,這些碎片多聚集在火星與木星之間,形成小行星帶;同樣,巨大行星的外緣區域也分散著一些無法聚合的冰及岩石混合碎片,這些碎片日後形成新視野號正身處其中的古柏帶,以及更外層的奧爾特雲。

天文學家相信在木星形成後一段時間內,軌道很不穩定,甚至具備偏心的橢圓軌道,其引力令內太陽系已形成的岩石行星開始再次互撞甚至撞進太陽裏(前文提到把月球撞出來的忒伊亞(Theia)也可能受木星的擾亂才撞到地球上),外太陽系的冰塵碎片也被吸引至部分撞入內太陽系,部分則被引力拋至更遠的地方並進一步擴散,漸漸形成古柏帶及奧爾特雲,這段時期稱為「後期重轟炸期」。幸好土星的形成在很短時間內把木星「拉回正軌」,否則再多轉幾百萬年的話,太陽系的結構基本就一個不留了。

 

將冥王星系統計算成古柏帶天體,那本星及卡戎(冥衛一)分別就是古柏帶第二及第六大天體(現時第一大是閻神星)。和其他古柏帶天體一樣,他們主要成份就是岩石(佔55-70%質量)及水冰/各種揮發性物質的冰(30-45%)。(網絡圖片)

被驅逐至更外圍的冰塵碎片,其實也是處於不同形成階段的小行星及原行星,大的直徑也就千多至二千公里,但絕大部分是直徑數公里到數百公里的小行星,統稱古柏帶天體,已觀測到的大約有2000個,且每年持續發現數十個以上。

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William Lam
現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

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