科普 |《那颗星星不在星图上》:寻找太阳系的疆界
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科普 |《那颗星星不在星图上》:寻找太阳系的疆界

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用数学预知未来,用笔尖丈量星空,讲述行星发现的恩怨情仇。

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听书笔记 

 

《那颗星星不在星图上——寻找太阳系的疆界》作者卢昌海,物理科普作家和软件工程师。他曾经是复旦大学物理系的高材生。当年他正读大三,在与一群物理系研究生的竞争中,以第一名的成绩被哥伦比亚大学录取,攻读物理系博士。就是这样一位学霸,放下了最专业深奥的物理概念和数学方程,用最生动幽默的语言,带我们来了一场太阳系的“深度旅游”。


一、发现天王星

在远古社会,人们发现了五颗会移动的星星,给它们取名叫“行星”。这五颗星就是金木水火土五星。加上地球一共就有6颗行星,这个数目在几千年的时间里从未改变过。直到1781年3月13日,一位名叫赫歇尔的音乐家,利用自己制作的望远镜发现了一颗新的行星,被命名为天王星。

天王星是一颗连肉眼都能看到的行星。天文学上用“视星等”这个概念来表示星星的亮度,数值越小亮度越高。最亮的星是1等,肉眼刚刚能看到是6等。天王星的视星等可以达到5.5。这样一颗连肉眼都可见的星星在此前起码已经被记录了22次,可惜天文学家们无一例外地以为那是一颗恒星。

这其中最令人惋惜的是一位法国天文学家,他曾经在短短二十天时间里,8次记录了天王星的位置。但是那8次密集的记录竟然恰好是在天王星由“逆行”转为正向运动,在这段时间里,天王星看起来几乎是不动的。正是这种偶然,让他将发现天王星的殊荣拱手让给了赫歇尔。

二、发现海王星

天王星的发现击碎了太阳系行星数目亘古不变的神话。人们开始寻找更多的行星。行星分布遵循一个规律:行星的轨道半径可以用一个公式计算出来,这个公式里有一个很重要的变量N,N是行星的编号,比如地球是1号,火星是2号,木星4号,土星5号,计算出来的结果与实际轨道恰好吻合。可是,火星和木星之间缺了个3号,这个奇怪的空缺似乎在等待着一颗尚未露面的新行星。

在N=3这个位置上,天文学家连续发现了谷神星、智神星、婚神星,它们的轨道半径都跟前面的数学公式吻合。但由于这些星体个头太小,所以并未将其列入行星,而是贬为小行星。后来的观测表明,火星和木星之间存在着成千上万的小行星,它们环绕太阳组成了一个小行星带。这条小行星带就填补了N等于3的空缺。

人们又将目光锁定了天王星轨道之外N=7的地方。这个位置上也有行星出没的蛛丝马迹,那就是天王星的计算轨道与实际观测总是存在一个让人无法忍受的误差。唯一的可能就是存在着另一颗大行星,它的引力作用干扰了天王星的轨道。在寻找新行星动力的驱使下,有两位数学天才成功计算出了新行星的轨道。

第一位是英国人亚当斯。1845年,他推算出了未知行星的轨道,却受到英国格林尼治天文台台长艾里的轻视和冷落,将他计算结果搁置了。第二位是法国人勒维耶。1846年,他也推算出了新行星的位置,并公开发表了自己的计算。当艾里台长发现勒维耶与亚当斯的计算结果几乎一模一样时,懊悔不已,赶紧让剑桥天文台台长查理斯展开观测行动。但是,查理斯对工作的敷衍使他错过了发现新行星的机会。

正当英国人一再丧失先机时,勒维耶给德国柏林天文台助理伽勒写信,请求协助观测。伽勒在1846年9月23日晚上,终于观测到有一颗星星不在星图上,这正是海王星。

海王星的发现是牛顿力学最辉煌的一天。仅仅通过已知行星的运动,来间接推算未知行星的轨道,这是前所未有的壮举。人们在盛赞勒维耶的同时,也肯定了亚当斯的才华,二人共享海王星的发现权,成为了天文史上的佳话。

三、发现冥王星

海王星的发现极大地刺激了天文学家和数学家的兴趣,人们希望重演发现海王星那样的辉煌。其中,固执的美国天文学家罗威尔通过一些微不足道的误差,硬是计算出在海王星的轨道之外,有一个新的行星,干扰着天王星和海王星的运动。罗威尔直到生命最后一刻也没有找到这颗新星。他工作交到天文台助理汤博手中。汤博以罗威尔的计算轨道为参考,在1930年发现了冥王星。

天体力学似乎又一次铸造了辉煌,但是经过人们测算,冥王星的质量被严重高估,它只有地球质量的五百分之一,对天王星和海王星根本没有那样大的引力作用。原来,这是一次纯粹的巧合,罗威尔的计算完全是错的,却误打误撞预测出了冥王星的位置。

太阳系发现了九颗行星后,天文学家又在冥王星的轨道附近连续发现了一系列跟冥王星大小差不多的天体,它们是否也该被列入行星行列呢?于是,天文学界给太阳系的行星做了一个定义。这个定义包含四部分。第一,行星必须环绕恒星运动,而且不能同时是卫星。第二,行星不能太大,它的质量上界约为木星的13倍,太大就会发生核聚变反应变成恒星。第三,行星不能太小,它的直径至少要达到400千米,这样才会形成由引力主导的球形形状。第四,行星必须扫清自己轨道附近的区域,它在自己轨道上要处于支配性地位。正是这关键的第四条,使得冥王星被降为了一颗“矮行星”。因为冥王星处在一个名叫“柯伊伯带”的区域,那里布满了小天体,它无法扫清自己的轨道。

柯伊伯带并不是太阳系的边界。比它更远的地方还有一圈由寒冰组成的小行星,叫做离散盘天体。科学家们设想在更远处还有一个包裹着太阳系的球体云团,叫做奥尔特云,它一直延伸到太阳引力控制范围的最边缘,也许那里就是太阳系的疆界。




解读 | 韩春苗

媒体编辑,国际新闻学硕士,全国广播影视“十佳百优”理论人才。

播音 | 张煜

策划编辑 | 陈艳

音频编辑 | 陈子夫

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