太阳系边界重新定义,发现新矮行星2012 VP113

上图显现太阳系外侧各天体的轨道，其中中间的白点为太阳，紫色轨道分别是木星、土星、天王星和海王星，含冥王星在内的古柏带是蓝绿色杂点的甜甜圈，橘色是赛德娜的轨道，红色则是2012 VP113的轨道。


太阳系中的最远天体有了新人选。卡内基研究所Scott Sheppard和双子天文台Chadwick Trujillo等人，在太阳系外围发现一个天体，目前暂时命名为2012 VP113，位在遥远太阳系边界的欧特云（Oort cloud）内侧区域，直径可能为450公里。让这些天文学家更惊讶的是：在欧特云内侧区域可能有直径达地球的10倍的大行星，虽然尚未亲眼见到本尊，但其重力足以对2012 VP113和其他欧特云天体的轨道产生扰动。相关发现刊登在3月27日出版的自然（Nature）期刊中。


现行已知的太阳系大致可区分成3个部分，第一部份是包含靠近太阳、像地球一样的岩质行星，第二部分是像木星等气体巨行星，第三部分则是海王星轨道以外的古柏带（Kuiper belt）冰质天体。其中在古柏带内侧边缘附近的冥王星距离太阳约30~50AU，因此一般将太阳系边界定在50AU左右。（注：AU为天文单位astronomical unit的缩写，1AU为太阳到地球的平均距离，约相当于1亿5000万公里。）


在这3部分以外的太阳系外围，迄今仅知一个天体：赛德娜（Sedna，2003 VB12）。但新发现的2012 VP113的轨道更在赛德娜以外，其近日点距离约80AU，远日点距离约472AU，绕行太阳公转一圈约需4590年，使它成为迄今已知最远的太阳系天体，大大扩展了太阳系的「边界」，和天文学家对太阳系边界的认知。


赛德娜发现于2003年，位在古柏带的外侧边缘，近日点距离太阳约76AU，远日点距离则约可达937AU。天文学家并不确定赛德娜是不是个非常独特的太阳系天体，毕竟在古柏带发现之前，人们就把冥王星当作是个非常独特的天体，却在近百年后因在冥王星附近发现愈来愈多类似的天体而必须推翻这个想法。


现在，2012 VP113的发现，让赛德娜的地位跟冥王星一样，证明了它并不独特。此外，一般认为欧特云是长周期或非周期彗星的家，而2012 VP113是第二个在欧特云内侧区域发现的天体，显示欧特云这个「假设中」的太阳系结构的确存在。未来若能发现更多欧特云天体，那么对太阳系形成与演化的了解也会更多。


Sheppard和Trujillo两人是利用美国国家光学天文台（NOAO）位在智利的4米望远镜上配置的新相机Dark Energy Camera（DECam）于2012年11月拍摄之影像发现了2012 VP113。DECam是所有4米等级望远镜配置的CCD中视野最大的，因此可以在比较大天空范围内搜寻暗天体。之后他们又利用卡内基Las Campanas天文台6.5米望远镜定出2012 VP113的轨道，及获取其表面性质的详细讯息。


下图是DECam发现2012 VP113的影像，每幅间隔2小时；由于天体很遥远，位置移动量不大，从单幅影像比较难找出主角，因此天文学家采用另一种影像处理方式完成右方的影像，画面偏右下三个彩色的点就是2012 VP113出现在第一幅（红）至第三幅（蓝）的位置，如此一来就很容易看出它的移动量和移动方向。






在此研究工作中，Sheppard和Trujillo两人确认了约900颗轨道与赛德娜和2012 VP113类似且直径大于1000公里的天体，由此推测欧特云内侧区域的天体数比古柏带和木星与火星之间的主小行星带（main asteroid belt）内的天体数量还多。


Sheppard表示，这些欧特云内侧区天体中，有些的直径可能可比拟火星，甚至地球。但是因为许多欧特云内侧区天体非常遥远，即使体积很大，也因为太遥远而显得非常昏暗，以现行技术还无法探测到这么暗的天体。赛德娜和2012 VP113两者都是在它们行至其轨道近日点、靠近太阳时才被发现；如果它们是在轨道上其他比较远的地方，很可能就会因为太暗而无从发现。


事实上，从赛德娜、2012 VP113和少数几颗近古柏带边缘的天体拥有相似的轨道这种状况来看，显示太阳系外围很可能有颗未知的大质量天体，如同牧羊犬一样，藉由它的重力场让赛德娜等天体拥有相似的轨道特征。Sheppard和Trujillo两人推测这颗未知天体是颗「超级地球（Super Earth）」，甚至比超级地球还大，位在离太阳数百AU之处，但因距离太远，所以对太阳系内8颗已知行星的重力扰动不明显。


关于欧特云内侧区如何形成，现行有3种不同的理论，若能在此处发现愈多天体，就愈能从拣选出哪一种理论比较正确。其中一种理论认为这颗淘气的行星是被木星等气体巨行星给「扔」到太阳系外围，并在它一路向外走的过程中，对古柏带到欧特云内侧区的天体重力骚扰；而这颗被向外扔的行星如今可能已经离开太阳系，也可能还待在遥远的太阳系外围。


第二种理论认为是太阳系与另一颗恒星曾一度近距离擦身而过，因而造成欧特云内侧区的扰动。第三种理论则认为欧特云内侧区天体是在太阳还位在诞生的星群中时，从其他恒星系统捕捉来的行星。


离太阳约1500AU以外的欧特云外侧区明显的与内侧区不同，因为外侧区所受到的重力扰动主要来自其他邻近恒星，致使欧特云外侧区天体的轨道会随时间而有剧烈改变，许多观测到的彗星，从它们的轨道来看，显然就是来自欧特云外侧区的天体。至于内侧区天体受到其他恒星重力扰动的程度并不高，因此比较稳定，能保留原来的轨道。