寻找“丢失”的行星-赵君亮

  





  主讲人简介:

  赵君亮:中科院上海天文台原台长,研究员。发表多篇天文学术著作,同时致力于天文科普事业,亦有多篇天文科普著作问世。

  内容简介:

  这个讲演的题目就叫做《寻找“丢失”的行星》,大家注意到这个“丢失”是打引号的,实际上并不是丢失的。那么我这个讲题下面分四个内容:第一怎么样找到小行星,所谓“丢失”的行星就是小行星,怎么样找到小行星的过程。第二就是小行星的基本情况。第三小行星它是怎么样形成的?它到底怎么来的?第四也许是大家最感兴趣的,这个小行星如果撞到地球上来怎么办?对我们有没有威胁?

  我们为什么要找这个“丢失”的小行星呢?因为它可能威胁地球。刚才我们讲了大部分小行星挺好,它都在小行星带,在木星和火星的轨道中间。那么我们地球的轨道是在火星轨道之内,所以它不会碰到我们。但是的确有一部分小行星它的轨道比较扁,它会转到地球轨道之内来,这个叫做近地小行星。那么它要是撞上来怎么办?我相信很多人看过科学幻想电影,叫《天地大冲撞》。在未来的某一年天文学家算出来了,有一颗小行星在多少年以后就要撞上地球,其后果不堪设想。于是就从总统开始,联合全世界的科学家就要想办法对付它。最后这个电影里面,就派了一个宇宙飞船,就到了这个小行星,然后在那里挖洞,然后把核弹就塞在里面去,要把它炸碎掉。最后这几个宇航员回不来了,他们就献身了,回不来了。结果这一炸呢,有一点效果了。这个小行星一炸两个,一块大的没撞上来,偏过去了。一块小的还是撞上来了,这块小的,从电影画面里面这块小的比大的要小得多。这个小的撞在海洋里,结果浪过来,整个纽约很快就扫平。这里面还有一些爱情故事,但撞击很可怕。那么这个事情到底会不会发生?这个发生到底有多可怕?我们有没有办法对付它,这个必须是考虑的。

  (全文)

  这个讲演的题目就叫做《寻找“丢失”的行星》,大家注意到这个“丢失”是打引号的,实际上并不是丢失的。那么我这个讲题下面分四个内容:第一怎么样找到小行星,所谓“丢失”的行星就是小行星,怎么样找到小行星的过程。第二就是小行星的基本情况。第三小行星它是怎么样形成的?它到底怎么来的?第四也许是大家最感兴趣的,这个小行星如果撞到地球上来怎么办?对我们有没有威胁?

  那么我们现在开始讲第一个,就是小行星的发现过程。在这个之前呢,我想给大家说一下,在太阳系里面的几类天体,怎么区分?什么叫行星?什么叫小行星?什么叫彗星?什么叫流星?首先我们把行星提出来,所谓行星是指太阳系里面绕着太阳公转运动的主要天体。或者说是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星,这九颗大行星的综合。那么行星又称大行星,实际上这个名字就是因为后来发现小行星,我们的中文名字才有大行星一说。那么我们现在看小行星,太阳系里面除了大行星以外可以说统称为小天体。那么我们怎么来区分这些小天体?首先小行星,我把小行星和彗星都放在一起对比,小行星是沿椭圆轨道运动的,而且这个椭圆是不太扁的。而彗星通常是沿着比较扁的椭圆轨道,甚至是抛物线,或者是双曲线,就是这个扁的椭圆轨道一直扁下去,扁到最后它就等于抛物线。然后抛物线甩开去就是双曲线,所以这个是小行星和彗星的差别。

  第二个差别,小行星是不大容易挥发出物质的,它就是一块石头这样的东西。而彗星在接近太阳的时候,它有气体物质挥发出来,这是它们很大的区别。那么所谓小天体是指质量小,不是指体积小。那么这个就是用空间探测器拍到的小行星,大家看这里有个比例尺,这个比例尺是20公里,那么可见这个小行星之小。这几个小行星尺度我们就不能讲直径了,因为它不是一个球,它的尺度不超过几十公里,或者不大于一百公里。那么除了这两类小天体以外,还有一类更小的小天体,就是叫做流星体。我们通常说的流星是流星体闯入地球大气,流星体的速度可以高达每秒钟10公里到70公里。这个速度很快的,每秒钟十公里已经是子弹出枪口速度的十倍。子弹出枪口的速度大概每秒一公里,如果每秒七十公里那就更快,那么这个高速闯入地球,就和地球的大气发生摩擦,然后它就发热、燃烧、发光。这条光迹称为流星,所以流星和流星体是两个完全不同的概念,流星体是一块东西,流星是一个现象。

  大家可能听到狮子座流星雨,一大批流星在一个短的时间内同时进入了大气层,那就会形成所谓流星雨,那是比较漂亮的。那么小行星和流星体的主要区别就是流星体更小,小行星、彗星、流星体统称为太阳系的小天体。这是一张流星照片,你看这个流星划过天空,下面是一些村庄、水。这是一颗火流星,流星中间特别明亮的称为火流星。你们都看过《三国演义》,对不对?诸葛亮死的时候,司马懿夜观天象,然后说一颗星星划过天空,他说孔明必死无疑。然后他就大举进攻了,他就怕诸葛亮。古人就是说天上掉下一颗流星,地上死了一个人。那么这个人官做得越大,这个流星就越大。这都是无稽之谈,这个就是火流星,最亮的火流星如果白天出现可以比太阳还亮。那么这是流星雨的绘画,请注意,我特别说明,这是绘画。没有这样的流星雨,这么密密麻麻的。所以你们不要相信报纸上讲流星雨出现的描述,这是一种夸张的手法,主要对这种东西没有做一个详细说明。我给你们看张照片,这张是流星雨的照片,这是真实的。这里就没有几颗流星了,这里有几条,而且这张照片必须要拍几分钟,在一瞬间之内可能就有一条。但是你在一分钟之内,它可能出现十条。这就相当好看了,你如果曝光十分钟,那你可能有几十条,就合成这么一张照片。所以越是漂亮的流星雨照片你们越得提高警惕。那么这里我提出某种科学研究的一种思路,有的时候有些数字或者有些图像比较奇怪,它表现出一种有趣现象,但是找不到这种道理,然后有人就拼命去想,没有道理也去想,往往会得出一些你想像不到的结果。

  18世纪下半叶,哥白尼这个日心说已经确立了地位,牛顿的万有引力定律已经建立。当时已经知道了六颗大行星,包括地球在内,水星、金星、地球、火星、土星、木星,它的运动规律已经全部掌握好了。你们看看,我们来说一下这个情况,现在我们以地球到太阳的平均距离为一个天文单位,这个大概等于1.5亿公里,我们来量一下这六颗行星到太阳的距离,你们看:水星0.39,金星0.72,地球1,火星1.52,木星5,土星9.54,这个数字有规律吗?没有规律,一个比一个大。还有什么规律吗?看不出什么规律,对吧?有人就是动脑筋,就是这个人,这个人叫提丢斯,德国人。1766年,我们对他说得好听,他就是科学精神,说得不好听就是挖空心思,他就在想,这个数字怎么来的?他就想出这么个办法,从3开始写出一串数,每一个数比前面数大一倍,然后前面再添一个零,就这个0、3、6、12、24、48、96、192,对不对?这是一串数,没什么道理的,完全没道理的,这个你也不是几何奇数对不对?零拿掉是几何奇数,零放上去又不成几何奇数。然后把这些数字都加上一个4,那就变成下面这排,4、7、10、16一直到196,妙的就在后面,然后他把所有的数字都除上10,然后这个奇怪的现象发生了,他把刚才我讲的行星到太阳距离的天文单位的数字放上去。你们看这个数字简直太妙了,这个是提丢斯数组,0.4,0.39、0.7、0.72,地球当然是1,这个是1.6,1.52这里缺了一块,然后是木星5.2,这个土星是9,这个是10,然后这个是天王星当时没发现,你们看这个现象很怪,他就这么动脑筋,动来动去,就找出这个数字。这个数字就叫提丢斯数组,居然和行星到太阳的距离很相像。然后提丢斯注意2.8这个地方,少了一个星,所以我们说寻找“丢失”的行星,这个2.8,按照他的数组应该有颗星,这没有,他没吭声。

  那么后人差不多同时代的人波得,他在1772年就公布提丢斯的发现,并且他就声称这个地方应该有颗行星。这个就是我们前面讲的一串有趣的数字,奇怪的数字,居然有一个地方不符合他的规律,他就大胆预报这里有一颗星,这件事情就称为提丢斯-波得定则。妙了!1781年,赫歇耳,赫歇耳是一个德国籍的英国天文学家,他原来是音乐家,搞音乐的。他发现了天王星,是偶然情况下发现天王星。大家注意,我们现在知道九大行星,前面几颗行星是没有办法说谁发现的,就知道了。真正说到发现的是天王星、海王星、冥王星,因为人类老早就知道什么水星、金星,你查是哪一个人发现的,谈不上发现。当时1781年赫歇耳发现了天王星,结果他到这个太阳的距离居然是19.2天文单位,而提丢斯数组下面,已经有这个数字。还没有发现天王星,这个数字19.6,那么这个事情就更加奇怪了,对不对?所以这个就变得非常奇妙了,于是就有人企图找这颗星。1785年天文学家查哈,他试图组织力量要找这颗“丢失”的行星,这颗星到底有没有?1806年9月查哈和另外五个天文学家,他们自己的原文,把它翻成中文就是:他要组织一次叫天空警察支队,以跟踪和捕获太阳系中逃亡的子民,要把它抓住。他希望要找一个有名的观测家,意大利的天文学家皮亚齐来参加寻找。这个要用望远镜,对不对?要有经验,随便讲讲没有用的。他们还没有找到皮亚齐,皮亚齐已经发现这颗星了。这个发现呢,是有点偶然性,你们学过哲学,偶然中间有必然。他并不是观测去找这颗星,他是在编一份星表,那么他就要大量观测,他发现有一颗小星,在其它恒星中间的位置每天是不一样的。恒星之间的位置是大体上不动的,你过十年、二十年它不会动的,比如三颗星组成一个三角形,明天还是个三角形,后天还是个三角形。但这颗星今天在三角形这个地方,明天到这个地方,后天到这个地方,在移动。那么他以为是彗星,他连续观测了6个星期,生病了。生病当然不观测了,但是他没有算出这颗行星的轨道,所以他生病完了以后,他再去观测,找不到了。

  然后他就写信请人帮忙,那么这个时候就是高斯,高斯是一个非常出名的数学家。他当时已经发明了一种办法,现在我们知道,就是最小二乘法,只要有三次观测,三次不同时间的观测,就可以确立这个轨道。然后高斯就帮助计算,皮亚齐已经观测六个星期,他有一批观测资料,高斯根据这个观测资料就算出来轨道。这个轨道就在火星和木星之间,就是火星和木星的轨道之间有一颗星,算出来找就有目标了。他开始是偶然看到它,一算出来就开始找了,按照预报的位置找了,很快找到,最起劲的那位天文学家查哈,他根据高斯的预报一下找到这个小行星,但是第一个发现的人是皮亚齐,所以这个命名权在皮亚齐那里,他把它命名为谷神星。这就是发现的第一颗小行星。

  奥伯斯曾经做过医生,他在一个偶然的机会,发现了第二颗行星,后来命名为智神星,比谷神星稍微小一点。一算这个轨道,这两颗行星的轨道很接近。那么就要思考了,所以奥伯斯就有一个大胆的猜想,他认为在提丢斯数组2.8的地方,原来可能是有一颗大行星,这个大行星爆炸,碎裂成小的行星。所以这里应该不止两个,应该还有。而且它们既然是从一个地方爆炸的,那么这些小行星的轨道应该在这个爆炸点都相交,对不对?某一个时候都会通过这个爆炸点,那么反过来说如果我盯着这个爆炸点观测,就去存心要找小行星,这个机会就比较大。你到处乱找,这个机会就比较小,不大容易找到。现在有两颗小行星,两颗小行星轨道的交点就是爆炸点。然后他就守株待兔,这个奥伯斯有这个猜想以后,他就开始观测。就等在那个地方,等了三年。这个人精神够好的,等了三年,守株待兔式的监测。奥伯斯终于发现了另一颗小行星,就是灶神星。在他之前另外一位德国天文学家叫哈丁,他偶然发现了婚神星。那么小行星慢慢多了,人们就有兴趣了,接下来有一段很长时间的停顿。

  科学家有一个考虑问题的方法,一旦发现一种新的现象,或者一种新的天体。数量增多以后,他就开始统计分类,这个可以引出很多重要结论。结果发现这些小行星很少超过一百公里,几十万颗小行星,大部分都不超过一公里,真是名副其实地小!然后把它们质量全部加起来,还不到地球质量的万分之四,或者说不到月球质量的三十分之一。你可想而知这个小行星虽然多,它的确非常小。那么小行星的运动情况怎么样呢?就发现大部分小行星都在火星和木星的轨道之间运动,那么这一条带称为小行星带,或者称为主小行星带,它的运动轨道都是一些不太圆的椭圆。但是的确有一部分少量的小行星,它的轨道略微扁一点。这一扁不要紧,一扁它这个轨道可能会到地球轨道之内。也就是说,这样的小行星轨道,和地球的轨道有可能相交,那就意味着有可能和地球相撞。那么这一类小行星就叫近地小行星,我们后面还要详细地讲。天文学家现在对近地小行星非常有兴趣,那么这个就是小行星带的示意图,这个是小行星带在太阳系里面总体位置。不过他画得太密了一些,没那么多。随着观测技术的进步,居然发现很小的小行星,它还有它的月亮,它有它的卫星。月亮是我们地球的天然卫星,小行星有它自己的卫星。1978年6月7日,天文学家麦克马洪发现,这颗大力神小行星编号是532号,它的直径是243公里,还是比较大的,它有一颗卫星直径是45.6公里,这小行星和它的卫星相隔不到一千公里。同年12月11日,又发现18号梅菠蔓小行星的卫星,那么主小行星是137公里,它的卫星是37公里,以后发现小行星卫星的都有报道,但是有的很难证实。因为这个东西太小,那么怎么样发现小行星的卫星呢?你们想想看,离开地球比如说几亿公里,直径只有几十公里,这个东西太难发现。那么有这几种办法,一种是小行星掩星,什么叫小行星掩星呢?就是恒星在远方,小行星比较近,偶然一个机会小行星会把后面恒星的星光遮掉,这就叫小行星掩星。月亮也会掩星,就是月掩星。那么如果小行星有一颗卫星和小行星没有卫星,这个遮的过程中间后面那颗恒星的光的变化情况是不一样的。如果是单颗星,它的光就下去又上来。如果两颗星,它可能下去一会儿,又下去一会儿,那么根据这个光度的变化就可以算出来这一颗小行星的卫星。

  第二你观测小行星本身亮度的变化,这个卫星不是绕着小行星转吗?如果这个卫星跑到小行星前面,就把小行星的光要挡掉一点。这个小行星就会变得暗一点,这个也可以发现小行星的卫星。另一个是空间探测,这个显然是可以直接找到小行星的卫星。比如说1993年8月伽利略号航天器,它掠过一颗小行星叫艾达。它就发现它有颗卫星。那么最有趣的是人们现在给小行星建人造卫星,1996年2月17日美国发射了一颗叫妮儿的航天器,它从1999年1月起就成为爱神星的人造卫星。这颗小行星很有名的,433号小行星,爱神星的人造卫星,然后对这个小行星,爱神星进行考察。

  第三点,我要给大家说一下,这个小行星,那么多小行星怎么形成的?就是说小行星的起源问题,太阳系中有如此众多的小行星,如何形成?如何演化的?那么归纳一下大体上有四种说法,第一种是大行星爆炸说,第二种是以提出人柯依伯命名的柯依伯假说,第三种叫半成品说,第四种彗星演化说。我们一个一个介绍,在说这个理论之前,我们要把小行星的观测特征要说一下,你任何一个理论,要能说明问题,才能成立。所以小行星的起源要能成立,它必须说明小行星有关的观测事实。那么把小行星的观测事实稍微总结一下,大概有这么三条:第一它是绕太阳运动的,它的数量很多,体积相对很小的,形状绝大多数是不规则的。第二小行星的运动轨道绝大多数是一些不太扁的椭圆。第三大多数小行星位于小行星带之内。但是也有例外,这个例外的事情最讨厌了,理论要解释例外。首先我们讨论一下大行星爆炸说,那个就是前面我们讲的奥伯斯的思想,他就认为在提丢斯数组2.8这个位置上,原来就是有颗大行星。后来不知道什么原因,它爆炸了,炸碎以后这些小行星都各奔东西,那么它们大小都是不一样的,形状也是不规则的,就是今天我们看到的小行星。那么这个爆炸说对于小行星不规则的这一点很有利,一炸就是炸得乱七八糟的,对不对?那么也的确有相当一部分小行星它们的轨道是交于同一点的,即使你现在看到的小行星,它的轨道不交于同一点,也可能是因为在以后这个漫长的过程中间,受到其他天体特别是它附近木星、火星,这些大行星引力的干扰,它轨道变了,所以不交于同一点,这是一个学说,那么它的问题在于这个爆炸原因是什么,它为什么炸呢?始终没法给出解释,总的质量也太小,既然是炸的,这个质量应该不太小吧,所以这个它没法解释。

  那么第二种学说称为柯依伯假说。这个人是一个美国籍的荷兰天文学家,实际上他的思想就要回避爆炸说里面,这个爆炸原因没法解释的这一个难点。他认为在太阳系演化过程中,太阳系怎么演化呢?大概这么个情况,远在太阳系形成之前,有一大团星云,这个密度比恒星要低得多,体积要比现在的太阳系大得多。它在自身引力的作用下就收缩,由于它有转动,所以收缩一定是变成扁的。它不会变成球,因为它在转,如果它不转的话,它就是大的球变成小的球。因为它在转,所以它本来是一个球体,那就变扁,变成一个盘子一样的。然后中心的物质形成太阳,边上的物质就慢慢慢慢形成行星,包括行星周围的卫星,比如我们的月亮。这是太阳系形成大体的过程,这个过程经历大概几亿年。那么柯依伯这个人就认为在火星和木星轨道之间,它因为某种原因它没有能够形成一颗大行星。就在太阳系的演化过程中间,它没有形成一颗大行星。而是生成了五个到十个比较小的原始行星,为什么叫原始行星呢?大体上意思就是还没有冷却下来的行星,是原始行星。那么这个原始行星在后来,因为从太阳系形成到现在已经五十亿年了,这个过程中间,这些小的原始状态的行星就互相碰撞,就碎掉了,就变成现在的小行星。那么其他地方呢,因为生成一个大的行星,所以它没有碰撞的问题。比如地球,它就是球状的,大体上是球状的。那么这就是用他的理论来说,今天我们看到那么多小行星是这么个过程形成的。所以实际上是对奥伯斯理论的一种修正,那么为什么爆炸这个难点就回避了。

  那么第三种学说是半成品说,提出这个学说包括我们国家已故的著名天文学家戴问赛先生,他是这样想,他的学说是这样讲:太阳系在演化过程中,并不是一步形成的。首先是形成星胎,好像这个孩子还没有生出来,胚胎一样。然后这个星胎不断地吸集,因为它有引力作用,不断地碰撞吸集,把它周围的物质吸集过来就形成大行星。那么这个过程是很长的,那么在火星和木星之间,这个星胎吸集周围物质变成大行星的过程没有进行到底,而中途停顿,就形成了好多小行星,它们以分散的形式一直保持到今天,就是我们今天所看到的小行星。那么从这个意义上讲,小行星是太阳系演化的半成品,这是星胎形成的示意图。这个是太阳系形成以后,太阳已经大体上形成了,然后这个就是星胎。它还是在围着太阳转呢,那么它们互相碰撞吸集就形成行星,而火星和木星轨道之间这个过程没有进行到底,小行星就保留下来。

  第四种观点是彗星演化说,彗星在靠近太阳的时候,它有东西挥发出来,挥发出来以后就形成了彗发和彗尾。但是彗星在远离太阳的时候,温度很低,它就是一块东西,看上去如果你用望远镜观测和小行星没什么两样,因此有人认为这两类天体是一类天体的演化序列。什么意思呢?彗星接近太阳的时候,它表面有层什么?实际上是冰冻的水,还有一些灰尘。那么一接近太阳它就升华蒸发,然后在太阳光压和太阳辐射、太阳风的作用下,形成彗发和彗尾。然后这个东西就挥发掉了,然后下一次又来又挥发。所以每次回归太阳就要损失一部分质量,那么有的彗星比较短的,你比如说哈雷彗星是七十六年回到太阳附近一次,那么就每七十六年它要挥发一次。有的彗星两三年回来一次,那就挥发得更快,有的彗星可能几百年、几千年、几万年一次,那它挥发过程就比较慢。但不管怎么样,总有一批彗星在几十亿年的时间内,它会挥发完了,挥发完了也就没有东西挥发了,因此它就不会形成彗发和彗尾了,因此它就变成一颗小行星。也就是说,挥发物质挥发完的彗星就是小行星。

  我们讲最后一个问题,威胁地球。刚才我们讲了大部分小行星挺好,它都在小行星带,在木星和火星的轨道中间。那么我们地球的轨道是在火星轨道之内,所以它不会碰到我们。但是的确有一部分小行星它的轨道比较扁,它会转到地球轨道之内来,这个叫做近地小行星。近地小行星中间还有一部分会靠近地球,有人给它取了个名字叫掠地小行星,好像从地球附近掠过一样。那么这个打到我们怎么办?它掠一下,要是撞上来怎么办?我相信很多人看过科学幻想电影,叫《天地大冲撞》。在未来的某一年天文学家算出来了,有一颗小行星在多少年以后就要撞上地球,其后果不堪设想。于是就从总统开始,联合全世界的科学家就要想办法对付它。最后这个电影里面,就派了一个宇宙飞船,就到了这个小行星,然后在那里挖洞,对不对?然后把核弹就塞在里面去,要把它炸碎掉,中间有很多惊险的场面。最后这几个宇航员回不来了,他们就献身了,回不来了。结果这一炸,有一点效果了。这个小行星一炸两个,一块大的没撞上来,偏过去了。一块小的还是撞上来了,这块小的,从电影画面里面这块小的比大的要小得多。这个小的撞在海洋里,结果浪过来,整个纽约很快就扫平。这里面还有一些爱情故事,但撞击很可怕。那么这个事情到底会不会发生?这个发生到底有多可怕?我们有没有办法对付它,这个必须是考虑的。