12架小口徑天文望遠(yuǎn)鏡揭開“帶環(huán)妊神”的面紗 | 前沿
?矮行星妊神星及其行星環(huán)的效果圖，圖片來(lái)源：Institute de Astrofisica de Andalucia CSI
撰文 | 呂浩然
責(zé)編 | 徐 可
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行星環(huán)一直以獨(dú)特鮮明的美而令人向往。很多天文愛好者僅通過(guò)小型望遠(yuǎn)鏡即可觀察到太陽(yáng)系“二哥”土星和它的擴(kuò)展環(huán)系統(tǒng)，這不得不令人驚嘆！它的美麗與神秘也吸引了許多人通過(guò)科學(xué)和工程的手段去研究其軌道構(gòu)型與形成機(jī)制，以揭開其背后的秘密。
過(guò)去科學(xué)家們認(rèn)為，在太陽(yáng)系中，行星環(huán)被認(rèn)為只存在于四個(gè)巨大的行星上（盡管只有土星的行星很容易從地球上看到）[1]，而這種認(rèn)識(shí)在最近被終結(jié)。
10月12日，《自然》雜志發(fā)表了來(lái)自西班牙安達(dá)盧西亞天體物理學(xué)研究所（Instituto de Astrofísica de Andalucía）Jose Luis ortiz等人的一項(xiàng)研究[2]，研究者們?cè)诤Ｍ跣擒壍酪酝獍l(fā)現(xiàn)了一顆具有行星環(huán)系統(tǒng)的矮行星——妊神星（Haumea）。
這顆矮行星距太陽(yáng)的距離是地球到太陽(yáng)距離的50倍，系第一個(gè)在半人馬小行星類群之外發(fā)現(xiàn)的擁有環(huán)系統(tǒng)的天體。它外表呈橢球形，像一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的雞蛋。長(zhǎng)軸直徑至少2300公里，與冥王星相當(dāng)。這種特殊的形狀也意味著，Haumea可能并不會(huì)像普通的行星那樣處于靜力平衡的狀態(tài)。
Jose Luis Ortiz及同事預(yù)測(cè)妊神星將會(huì)掩食恒星URAT1 533-182543，于是利用世界各地10個(gè)天文臺(tái)的12架不同的望遠(yuǎn)鏡于2017年1月21日進(jìn)行觀測(cè)，最終確定了Haumea的密度（最高達(dá)1885 kg/m3左右）、反照率（0.51）和大氣層（無(wú)）等情況數(shù)據(jù)。
而Haumea周邊那串美麗的“項(xiàng)鏈”，也就是它的行星環(huán)寬70公里，距Haumea表面約1000公里。環(huán)與其赤道和外部衛(wèi)星Hi’ iaka的軌道處于同一平面，軌道周期是妊神星自轉(zhuǎn)周期的三倍。
就此次Haumea的發(fā)現(xiàn)，《知識(shí)分子》聯(lián)系到了南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)周濟(jì)林教授及清華大學(xué)高等研究院、清華大學(xué)天體物理中心白雪寧研究員聯(lián)合進(jìn)行評(píng)論：
行星環(huán)是太陽(yáng)系內(nèi)最美麗和神秘的結(jié)構(gòu)之一，到目前為止，它們的形成機(jī)制以及其內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過(guò)程天文學(xué)家還不能完全解釋。此次這項(xiàng)新的發(fā)現(xiàn)為行星環(huán)家族增添了新的成員，并進(jìn)一步為理解它們的形成機(jī)制乃至太陽(yáng)系中的行星形成提供寶貴的線索，這也是此次研究的重要意義之一。
目前，太陽(yáng)系中已知的伴有行星環(huán)的行星都是質(zhì)量較大的氣體行星，例如我們熟悉的土星，而此次的發(fā)現(xiàn)系首次在矮行星中發(fā)現(xiàn)行星環(huán)。更有趣的是，該行星環(huán)的中心天體并不是球狀的，而是一個(gè)橢球，并且行星環(huán)的軌道周期同Haumea的自轉(zhuǎn)周期可能接近3:1的共振。
一方面，該工作發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)軸至少2300公里的天體似乎還沒(méi)有達(dá)到流體靜力學(xué)平衡而保留了橢球形狀，這給之前關(guān)于矮行星的定義帶來(lái)了沖擊；另一方面，該行星環(huán)的形成機(jī)制、它同Haumea之間如何相互作用以及這種狀態(tài)的穩(wěn)定性等問(wèn)題還需要進(jìn)一步的研究。此外，一個(gè)重要問(wèn)題是：為什么太陽(yáng)系四個(gè)內(nèi)大行星（包括地球）沒(méi)有行星環(huán)，而質(zhì)量和引力范圍小得多的矮行星卻有？矮行星環(huán)普遍嗎？這一系列問(wèn)題都有待解答。
盤狀結(jié)構(gòu)在天體系統(tǒng)中十分常見，理解太陽(yáng)系行星和矮行星行星環(huán)的形成機(jī)制和動(dòng)力學(xué)也許會(huì)對(duì)更大尺度（比如星系盤）的類似結(jié)構(gòu)提供啟示。我們還應(yīng)看到，這項(xiàng)工作是在50公分和2米級(jí)上的小望遠(yuǎn)鏡上完成的，這也說(shuō)明只要在科學(xué)上有好的想法，小口徑望遠(yuǎn)鏡也能做出有顯示度的科學(xué)。
參考文獻(xiàn)：
[1]Ring detected around a dwarf planet, Nature, 120 October 2017, Vol 550.
[2]J. L. ortiz, P. Santos-Sanz, etc. The size, shape, density and ring of the dwarf planet Haumea from a stellar occultation, Nature, doi:10.1038/nature24051.
