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2014-03-27 太陽系邊界重新定義—太陽系外圍發現一顆新的矮行星2012 VP113

 
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An orbit diagram for the outer solar system. The sun and terrestrial planets are at the centre. The orbits of Jupiter, Saturn, Uranus and Neptune are shown in purple. The Kuiper Belt, including Pluto, is shown by the dotted blue region. Sedna orbit is shown in orange while 2012 VP113 orbit is shown in red.  太陽系中的最遠天體有了新人選。卡內基研究所Scott Sheppard和雙子天文臺Chadwick Trujillo等人,在太陽系外圍發現一個天體,目前暫時命名為2012 VP113,位在遙遠太陽系邊界的歐特雲(Oort cloud)內側區域,直徑可能為450公里。讓這些天文學家更驚訝的是:在歐特雲內側區域可能有直徑達地球的10倍的大行星,雖然尚未親眼見到本尊,但其重力足以對2012 VP113和其他歐特雲天體的軌道產生擾動。相關發現刊登在3月27日出版的自然(Nature)期刊中。

  現行已知的太陽系大致可區分成三個部分:第一部份是包含靠近太陽、像地球一樣的岩質行星,第二部分是像木星等氣體巨行星,第三部分則是海王星軌道以外的古柏帶(Kuiper belt)冰質天體。其中在古柏帶內側邊緣附近的冥王星距離太陽約30~50AU,因此一般將太陽系邊界定在50AU左右。

  在這三部分以外的太陽系外圍,迄今僅知一個天體:賽德娜(Sedna,2003 VB12)。但新發現的2012 VP113的軌道更在賽德娜以外,其近日點距離約80AU,遠日點距離約472AU,繞行太陽公轉一圈約需4590年,使它成為迄今已知最遠的太陽系天體,大大擴展了太陽系的「邊界」,和天文學家對太陽系邊界的認知。(註:AU為天文單位astronomical unit的縮寫,1AU為太陽到地球的平均距離,約相當於1億5000萬公里。)右上方圖繪顯現太陽系外側各天體的軌道,其中中間的白點為太陽,紫色軌道分別是木星、土星、天王星和海王星,含冥王星在內的古柏帶是藍綠色雜點的甜甜圈,橘色是賽德娜的軌道,紅色則是2012 VP113的軌道。

  賽德娜發現於2003年,位在古柏帶的外側邊緣,近日點距離太陽約76AU,遠日點距離則約可達937AU。天文學家並不確定賽德娜是不是個非常獨特的太陽系天體,畢竟在古柏帶發現之前,人們就把冥王星當作是個非常獨特的天體,卻在近百年後因在冥王星附近發現愈來愈多類似的天體而必須推翻這個想法。現在,2012 VP113的發現,讓賽德娜的地位跟冥王星一樣,證明了它並不獨特。此外,一般認為歐特雲是長週期或非週期彗星的家,而2012 VP113是第二個在歐特雲內側區域發現的天體,顯示歐特雲這個「假設中」的太陽系結構的確存在。未來若能發現更多歐特雲天體,那麼對太陽系形成與演化的瞭解也會更多。

  Sheppard和Trujillo兩人是利用美國國家光學天文臺(NOAO)位在智利的4米望遠鏡上配置的新相機Dark Energy Camera(DECam)於2012年11月拍攝之影像發現了2012 VP113。DECam是所有4米等級望遠鏡配置的CCD中視野最大的,因此可以在比較大天空範圍內搜尋暗天體。之後他們又利用卡內基Las Campanas天文臺6.5米望遠鏡定出2012 VP113的軌道,及獲取其表面性質的詳細訊息。

  下圖左是DECam發現2012 VP113的影像,每幅間隔2小時;不過由於天體很遙遠,位置移動量不大,從單幅影像比較難找出主角,因此天文學家採用另一種影像處理方式完成右方的影像,畫面偏右下三個彩色的點就是2012 VP113出現在第一幅(紅)至第三幅(藍)的位置,如此一來就很容易看出它的移動量和移動方向。

These images show the discovery of the new inner Oort cloud object 2012 VP113 taken about 2 hours apart on 5 November 2012. Highlighted by the arrow. The motion of 2012 VP113 stands out compared to the steady state background stars and galaxies. These are the discovery images of 2012 VP113, affectionately called

  在此研究工作中,Sheppard和Trujillo兩人確認了約900顆軌道與賽德娜和2012 VP113類似且直徑大於1000公里的天體,由此推測歐特雲內側區域的天體數比古柏帶和木星與火星之間的主小行星帶(main asteroid belt)內的天體數量還多。

  Sheppard表示:這些歐特雲內側區天體中,有些的直徑可能可比擬火星,甚至地球。但是因為許多歐特雲內側區天體非常遙遠,即使體積很大,也因為太遙遠而顯得非常昏暗,以現行技術還無法探測到這麼暗的天體。賽德娜和2012 VP113兩者都是在它們行至其軌道近日點、靠近太陽時才被發現;如果它們是在軌道上其他比較遠的地方,很可能就會因為太暗而無從發現。

  事實上,從賽德娜、2012 VP113和少數幾顆近古柏帶邊緣的天體擁有相似的軌道這種狀況來看,顯示太陽系外圍很可能有顆未知的大質量天體,如同牧羊犬一樣,藉由它的重力場讓賽德娜等天體擁有相似的軌道特徵。Sheppard和Trujillo兩人推測這顆未知天體是顆「超級地球(Super Earth)」,甚至比超級地球還大,位在離太陽數百AU之處,但因距離太遠,所以對太陽系內8顆已知行星的重力擾動不明顯。

  關於歐特雲內側區如何形成,現行有3種不同的理論。若能在此處發現愈多天體,就愈能從揀選出哪一種理論比較正確。其中一種理論認為這顆淘氣的行星是被木星等氣體巨行星給「扔」到太陽系外圍,並在它一路向外走的過程中,對古柏帶到歐特雲內側區的天體重力騷擾。而這顆被向外扔的行星如今可能已經離開太陽系,也可能還待在遙遠的太陽系外圍。第二種理論認為是太陽系與另一顆恆星曾一度近距離擦身而過,因而造成歐特雲內側區的擾動。第三種理論則認為歐特雲內側區天體是在太陽還位在誕生的星群中時,從其他恆星系統捕捉來的行星。

   離太陽約1500AU以外的歐特雲外側區明顯的與內側區不同,因為外側區所受到的重力擾動主要來自其他鄰近恆星,致使歐特雲外側區天體的軌道會隨時間而有劇烈改變。許多觀測到的彗星,從它們的軌道來看,顯然就是來自歐特雲外側區的天體。至於內側區天體受到其他恆星重力擾動的程度並不高,因此比較穩定,能保留原來的軌道。

資料來源:2014.03.26, KLC
http://carnegiescience.edu/news/solar_systems_edge_redefined
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2590037/Does-solar-SUPER-EARTH-Cluster-rock-edge-hints-existence-unknown-enormous-planet.html

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