光速行進1秒 那兒有地球的“幽靈衛星”
2018年12月13日10:03

  來源:科技日報

  1961年,波蘭天文學家柯迪萊夫斯基在深空中發現了兩團時隱時現的物質,將其命名為柯迪萊夫斯基雲。近日,匈牙利科學家賈博爾·霍瓦特(Gábor Horváth)等人再次捕捉到實質為塵埃雲的柯迪萊夫斯基雲,終於揭開了多年謎團。該研究成果發表在英國《皇家天文學會月報》上。

  柯迪萊夫斯基雲也被稱作地球的“塵埃雲衛星”或者“幽靈衛星”。該塵埃雲距離地球僅40萬公里,卻是讓天文學家57年來爭論不休的“罪魁禍首”。該塵埃雲的存在為何爭議不斷?匈牙利科學家又是怎樣發現它的?其形成機理又是什麼?

  近70年前的一個預言

  “塵埃是尺寸在納米到毫米量級的空間顆粒,普遍存在於太陽系甚至宇宙中。事實上,宇宙中除了大大小小的天體之外,並不是完全真空。”芬蘭奧盧大學太陽系塵埃動力學方向的研究人員劉曉東在接受科技日報記者採訪時表示。

  早在1951年,波蘭天文學家維特科瓦斯基就曾預測引力平衡點上的塵埃濃度會增加,並經光度測量得到確認。

  引力平衡點,即拉格朗日點,在天體力學中是限製性三體問題的五個特解,分別表示為L1、L2……L5。簡而言之,兩個較大天體和一個質量可忽略不計的小天體組成的三體系統中,由於引力作用,空間中存在引力平衡點。若小天體處於這些點,則相對於兩大天體基本保持靜止。例如,1906年首次發現在木星軌道上運動的小行星就在日木系統L4點附近。通常在限製性三體問題中,L4、L5是穩定的平衡點。位於穩定點的小天體即使受外界引力的擾動,仍然有保持在原來位置處的傾向。

  1961年3月,柯迪萊夫斯基觀測地月系統中靠近L5平衡點的位置,相繼拍攝到了兩片光斑,並用自己的名字為其命名,“柯迪萊夫斯基雲”這一說法就此誕生。從維特科瓦斯基的相關預測到柯迪萊夫斯基真正拍攝到實證已經過去整整10年。

  偏振觀測令“衛星”現身

  前文提到,柯迪萊夫斯基雲距地球40萬公里,以光速30萬公里/秒計算,一束光從地球出發,只需1.33秒就能觸及雲團神秘的面紗。眾所周知,浩瀚宇宙的大小至少為137億光年,40萬公里相比之下堪稱“近在咫尺”。然而,就是在地球的“眼皮底下”,這個謎團卻一直延續至今。

  由於兩個塵埃雲極其微弱,柯迪萊夫斯基當時拍攝的兩片雲團極度模糊。太陽引力攝動、太陽風和其他大行星的引力作用會降低此處塵埃的穩定性,因此,這兩片塵埃雲的存在一直飽受天文學家的質疑,之前只有少量的計算機仿真研究模擬了該塵埃雲的形成和特性。當然,後續也有一些科學家根據柯迪萊夫斯基的相關研究進行探測,卻並沒有捕捉到柯迪萊夫斯基雲。

  20世紀90年代,日本發射的太空探測器“飛天”號曾經試圖探測地月系統的拉格朗日點附近的塵埃粒子,結果顯示,此處塵埃的密度相比周圍環境並沒有顯著變化。

  時隔半個世紀, 賈博爾·霍瓦特等人再次捕捉到柯迪萊夫斯基雲,使其“沉冤”終於“昭雪”。

  賈博爾·霍瓦特在近期發表的文章中考慮了太陽、地球和月球三個大天體對塵埃粒子的作用,對186萬個粒子進行了仿真計算。在時間維度上,對L5平衡點附近的塵埃粒子3650天的運動進行仿真模擬,發現3650天后L5點附近賸餘的塵埃可以聚集。文章表示,即便存在太陽引力等多重外力擾動,地月系統L5點附近仍有形成塵埃雲的可能性。

  理論計算結果如同黑暗中的一抹曙光,給予了研究者莫大的信心。緊接著,研究團隊利用匈牙利私人天文台,對L5點附近的塵埃雲可能存在的位置進行了連續觀測和拍攝。“利用地面成像偏振測量,我們提供了新的觀測證據,證明地月系統L5點附近存在柯迪萊夫斯基雲。”賈博爾·霍瓦特等在論文中寫到。在得出結論之前,研究者也提到偏振測量這一方法在天體探測中應用廣泛,裝有偏振器的望遠鏡可以研究地球大氣中性點、日冕、太陽系行星/衛星表面、遙遠的恒星、星系和星雲。這些例子很好地說明了偏振測量是一種收集天文信息的有用技術。因此,研究者認為通過成像偏振測量技術研究柯迪萊夫斯基雲是可行且有效的。

  不太可能“蛻變”為真實衛星

  賈博爾·霍瓦特等的新研究結束了長達半個世紀的爭論,這是否意味著地球從此多了兩顆“衛星”?答案是否定的。“太陽系中的塵埃普遍存在,有些地方的塵埃密度高於其他空間的塵埃密度,往往被人們稱為‘塵埃雲’,但與真正的衛星相比,塵埃雲的密度幾乎小到可以忽略不計。”南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇告訴科技日報記者,與實體衛星不同,塵埃雲的自引力幾乎可以忽略。就現有的理論模型,宇宙中塵埃凝結、積聚成更大的天體需要非常嚴苛的環境和條件,所以這些塵埃雲也不可能演變成地球的衛星。

  雖“蛻變”成衛星無望,但也不能否認賈博爾·霍瓦特等的新研究對未來相關領域的影響。“理論上,平衡點附近有可能存在相對高密度的塵埃物質,如今賈博爾·霍瓦特等通過技術手段真實觀測到了塵埃雲,證實了天文學家的預期。”周禮勇表示,由於太陽系中的塵埃粒子除了會受到太陽、地球、月球的引力之外,還可能受到其他天體的引力攝動以及太陽輻射壓等非引力攝動的影響,因此可利用該項研究的觀測數據在一定程度上反推該平衡點附近的複雜空間環境,也為人們進一步探知塵埃粒子的運動方式或軌跡演化提供了真實有效的數據。

  該項研究也將一個個尚未揭開的謎題重新拋到了天文學家的眼前——塵埃的起源是什麼?塵埃雲的形成機製又是什麼?

  劉曉東表示,大行星的衛星或者小行星的表面受行星際物質撞擊即可產生塵埃。大行星的衛星或小行星可看成為“母體”,當母體沒有大氣或者大氣非常稀薄時,在高速行星際物質撞擊下,母體將彈射出塵埃粒子,這些塵埃粒子很有可能獲得超過母體星球逃逸速度的初速度,從而脫離母體。此外,塵埃也可能伴隨衛星的地下噴泉噴射產生,例如土衛二和木衛二的羽流噴泉塵埃。當然,還有更多未知的可能等待研究人員進一步探索。

  關於塵埃雲的形成機製,學界認為其“可能由星際塵埃聚集而成”。在劉曉東看來,也可能以前或現階段在塵埃雲的附近存在尺寸很小的小行星或者碎石塊大小的母體,這些母體在行星際物質的撞擊下產生了塵埃,形成了塵埃雲,只是目前這些母體尚未被人類發現。

  不僅塵埃雲的形成機製尚待探索,塵埃雲的運動特點、分佈規律也需要進一步研究。更何況,塵埃雲只是茫茫宇宙中的滄海一粟,無數的謎團正等待人類一步步靠近。一個謎團的揭示意味著下一個謎團的開始,而我們一直在路上,從未停歇過腳步。

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