尋找水內(nèi)小行星

劉聲遠(yuǎn)

太陽系是一個(gè)擁擠之地。不管我們望向哪里，總會(huì)看到有一些東西正在疾飛：為數(shù)不多的行星、上百萬顆小行星、1萬億顆彗星、數(shù)不盡的蓬松物和塵埃。只需一部足夠大的望遠(yuǎn)鏡，再加上足夠的時(shí)間和耐心，那么你幾乎看向哪里哪里都會(huì)有東西。

請(qǐng)注意這里所說的“幾乎”這個(gè)字眼。在我們的太陽系里，有—個(gè)令人生疑的、看似空空如也的地方，而這里本應(yīng)很容易支持成千上萬個(gè)運(yùn)行軌道穩(wěn)定的天體存在。這里不太遠(yuǎn)，就在水星軌道內(nèi)，它與地球之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其與木星之間的距離；這里不算暗，太陽烈焰以兇猛的強(qiáng)度照射它；這里也算不上特別小，直徑數(shù)百萬千米。奇隆的是，天文學(xué)家在這里不僅沒有發(fā)現(xiàn)行星或小行星，而目，什么東西也沒有見到。

包括阿蘭斯特恩(前美國宇航局科學(xué)任務(wù)理事會(huì)副主任)在內(nèi)的一些天文學(xué)家，相信這片地帶的空曠或許只是假象，太陽系早期形成于這個(gè)內(nèi)部區(qū)域的天體，30億年后可能仍然存在。被行星引力牽動(dòng)的彗星或者小行星可能游蕩到這里，最終被太陽的超強(qiáng)引力所俘獲。新拍攝的照片顯示，水星一直被小天體無情地撞擊，這暗示水星與太陽之間的太空曾經(jīng)、并且有可能仍然被我們還沒有看見的天體所占據(jù)。那么，它們?cè)谀睦锬?也許你以為調(diào)查這里的天體數(shù)量不難，但事實(shí)上，天文學(xué)家在這方面進(jìn)行的每一次嘗試都力不從心。

天文學(xué)家對(duì)水星軌道內(nèi)一顆可能存在的行星的找尋已持續(xù)了400年之久，幾乎與望遠(yuǎn)鏡的歷史一樣古老。1611年，在伽利略開始檢視天空不到兩年后，德國天文學(xué)家克里斯多夫·沙伊訥在明亮的太陽圓盤上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)陰影。他以為自己發(fā)現(xiàn)了第七顆行星(當(dāng)時(shí)天王星和海王星尚未被發(fā)現(xiàn))，但后來證實(shí)那其實(shí)是一個(gè)太陽黑子。后來，又出現(xiàn)了更多錯(cuò)誤的觀測結(jié)果。

19世紀(jì)50年代，對(duì)水內(nèi)行星的尋找得到一次很大的激勵(lì)。當(dāng)時(shí)，法國數(shù)學(xué)家勒維耶宣布，水星看來受到了像是一顆水內(nèi)行星的影響，而他進(jìn)行的詳細(xì)計(jì)算表明，水星的軌道在緩慢而穩(wěn)定地飄移。對(duì)此，當(dāng)時(shí)人們能想到的唯一解釋是，水星受到一顆較小天體的引力擾動(dòng)，而這個(gè)天體與太陽的距離比水星還近。

許多天文學(xué)家繼續(xù)運(yùn)用當(dāng)時(shí)能力很有限的望遠(yuǎn)鏡尋找水內(nèi)行星，他們甚至給這顆推定的新行星起了個(gè)名字一“伏爾甘”，羅馬神話中的火神。對(duì)—個(gè)表面溫度足以熔化鉛和鋅的世界(如果這個(gè)世界真的存在的話)來說，這個(gè)名字再適合不過了。

隨著時(shí)間推移，望遠(yuǎn)鏡變得越來越大，越來越好，有能力發(fā)現(xiàn)微弱的小天體。進(jìn)入20世紀(jì)，任何行星或類行星(類似行星的物體)——哪怕其直徑只有數(shù)百千米——都應(yīng)該能被觀測到。雖然觀測太陽的近旁很困難，但一顆行星要想隱藏自己也并非容易。天文學(xué)家對(duì)“伏爾甘”存在的信念逐漸弱化。最終，天才科學(xué)家愛因斯坦一錘赭地終結(jié)了“伏爾甘”存在的想法——他在1915年提出的廣義相對(duì)論足以完美解釋水星軌道的緩慢變動(dòng)，這樣一來，一顆水內(nèi)行星的存在就再無必要了。

關(guān)于水內(nèi)行星的故事就到此為止了嗎?遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是。一些天文學(xué)家堅(jiān)信，某些類型的天體一定能在水星和太陽之間舒服地開辟一條生路，問題是人們的期望值不能太高——水內(nèi)行星可能并不存在，但尋找一大幫“伏爾甘小神”應(yīng)該更靠譜。所謂伏爾甘小神，就是天文學(xué)家從那以后為這幫假想中的小行星狀天體起的名字一“伏爾甘天體”，也就是水內(nèi)小行星。

為了尋找水內(nèi)小行星，就必須確定它們可能所在的位置。一顆大行星是相對(duì)容易看見的，而小天體卻可能被太陽耀眼的光芒所掩蓋?？梢酝葡?，一方面，任何天體如果太過靠近太陽，就會(huì)被太陽氣化，就像靠近火的棉花糖一樣；另一方面，任何天體如果其軌道太過靠近水星，就會(huì)受到水星引力的影響，被推出這片灼熱地帶。水星甚至可能從這些天體那里盜走能量，使之最終悲慘地墜入太陽。

這些限制性條件界定了一個(gè)環(huán)狀太空區(qū)域，這個(gè)區(qū)域從距離太陽大約650萬千米的地方延伸出去不到2000萬千米，總面積約為2.6乘以百萬之四次方平方千米。在這個(gè)區(qū)域中繞行的天體能存活數(shù)十億年。

然而，即使是在水星與太陽之間的這個(gè)穩(wěn)定地帶，水內(nèi)小行星還是難以維持其體面的生活，因?yàn)檫€有個(gè)頭大小的問題。

水內(nèi)小行星有一個(gè)個(gè)頭下限。很小的東西(例如塵埃顆粒)會(huì)被來自太陽表面的、由亞原子微粒所構(gòu)成的太陽風(fēng)吹離太陽系最里層，就連光也會(huì)對(duì)其施加壓力。因此，直徑小于幾百米的任何天體應(yīng)該早已從內(nèi)太陽系消失。水內(nèi)小行星還有一個(gè)個(gè)頭上限。天體越大，從地球上看去就會(huì)越明亮。因此，如果存在任何直徑超過65千米的水內(nèi)小行星，是難逃天文學(xué)家的眼睛的。既然天文學(xué)家都沒有發(fā)現(xiàn)這樣的天體，它們應(yīng)該是不存在的。

到20世紀(jì)晚期，對(duì)水內(nèi)小行星的個(gè)頭和位置的限制條件已被很好地界定。新一代天文學(xué)家開始“正兒八經(jīng)”地搜尋水內(nèi)小行星。到今天，這種搜尋再度全面升溫。

尋找水內(nèi)不行一確實(shí)困難，原因在于如果它們真的存在，其軌道會(huì)距離太陽太近。地球與水內(nèi)小行星之間的距離可能遠(yuǎn)達(dá)1-5億千米，因此從地球上看去，水內(nèi)小行星在天空中與太陽之間的角度永遠(yuǎn)不會(huì)超過12度，太陽的光輝會(huì)把水內(nèi)小行星徹底遮掩。如此看來，要想發(fā)現(xiàn)水內(nèi)小行星，只能在日落后或日出前的一個(gè)非常短暫的時(shí)間段(幾分鐘而已)進(jìn)行觀測，那時(shí)太陽稍稍低于地平線，而假想中的水內(nèi)小行星稍稍高于地平線。這使得尋找水內(nèi)小行星的工作極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)榇藭r(shí)的天空明亮到足以淹沒來自目標(biāo)天體的微弱光線。(出于相同的理由，在日全食期間進(jìn)行這種觀測的效果也不會(huì)更好。)再者，觀測地平線附近，意味著得看穿數(shù)千米厚的狂亂、模糊、甚至污染嚴(yán)重的地球大氣層，這使得觀測難度更大。

搜尋水內(nèi)小行星的任務(wù)如此十分艱巨，但一些天文學(xué)家還是樂意承擔(dān)起它。目前供職于美國西南部研究所的斯特恩和丹·杜爾達(dá)，他們凝視太陽與水星之間的熾熱地帶已超過10年，而他們的探索可能還要持續(xù)10～12年才有結(jié)果。

意識(shí)到大氣干擾給觀測帶來的困難，斯特恩和杜爾達(dá)采取了一種新的觀測方法：幾乎飛到大氣層之上去進(jìn)行觀測。2002年，他們制造了一部特制相機(jī)，乘坐一架F-18戰(zhàn)斗機(jī)飛到離地14900米高度，那里的天空清朗得多。這是一次勇敢的嘗試，不幸的是，在這樣的高度天空依然太明亮，難于發(fā)現(xiàn)水內(nèi)小行星，即便在黃昏時(shí)分也不行。

或許在環(huán)繞地球的飛行器上進(jìn)行觀察，角度會(huì)好一些?？墒牵退闶窃诘厍蛏峡?00千米，這樣的搜索幾乎還是不可能的。例如，在以每秒8千米速度環(huán)繞地球的航天飛機(jī)上，從日落到水內(nèi)小行星下降至地球邊緣以下之間的時(shí)間只有幾秒鐘而已。把專用航天器放進(jìn)軌道中進(jìn)行觀察也是一種思路，但成本太過昂貴，不可行。

為其他用途設(shè)計(jì)的前往地球軌道外的太空探測器，也分擔(dān)了搜尋水內(nèi)小行星的任務(wù)。美國宇航局2010年2月發(fā)射

的用于觀測太陽磁活動(dòng)的“太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)”，應(yīng)該能發(fā)現(xiàn)位于個(gè)頭上限范圍的水內(nèi)小行星。這個(gè)“天文臺(tái)”已進(jìn)行過預(yù)備性觀測，但沒有任何發(fā)現(xiàn)，天文學(xué)家不得不把尋找范圍縮小到稍小一些的水內(nèi)小行星。2011年3月進(jìn)入環(huán)繞水星軌道的美國宇航局的另一艘飛船“信使號(hào)”，一直都在掃描可能存在的水內(nèi)小行星，但迄今還沒有結(jié)果。美國宇航局的“太陽地球關(guān)系天文臺(tái)”也進(jìn)行過這方面的嘗試，這實(shí)際上是一對(duì)在地球軌道中緊隨地球運(yùn)行的人造衛(wèi)星，一個(gè)正好位于地球前方，一個(gè)正好跟在地球后面。這個(gè)“天文臺(tái)”的設(shè)計(jì)目的之一是檢查太陽周圍的太空，探測巨型太陽爆發(fā)的效果，因此不失為尋找最明亮水內(nèi)小行星的一個(gè)好平臺(tái)。斯特恩和杜爾達(dá)等天文學(xué)家計(jì)算出，這對(duì)人造衛(wèi)星將能夠探察直徑小到2.4～6.4千米的水內(nèi)小行星。盡管“太陽地球關(guān)系天文臺(tái)”在搜索水內(nèi)小行星方面迄今尚無進(jìn)展，但天文學(xué)家們?nèi)詫?duì)它寄予厚望。

如果說飛機(jī)飛得太低，人造衛(wèi)星的移動(dòng)又太快，都不能成為觀測水內(nèi)小行星的有效工具，那為何不能來一個(gè)折中呢?這就是亞軌道火箭飛行。

在未來幾年中，“維珍銀河”及其他私營公司將開始用小型飛船運(yùn)送乘客上升至地球上空100千米高度。付費(fèi)乘客將看見地球邊緣的弧線及黑色的天空，還將在返回地面前體驗(yàn)三分鐘的失重感覺。對(duì)于搜索水內(nèi)小行星來說，這類飛行堪稱完美機(jī)會(huì)。在如此高度的黑暗天空，應(yīng)該有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)哪怕微弱的水內(nèi)小行星。三分鐘的觀測窗口看似短暫，但對(duì)于敏感的相機(jī)搜尋直徑小到1千米的水內(nèi)小行星來說已足夠長了，這比“太陽地球關(guān)系天文臺(tái)”、“信使號(hào)”和“太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)”在這方面的觀測能力要強(qiáng)得多。這種小型飛船的票價(jià)是20萬美元，對(duì)于尋找水內(nèi)小行星這樣的科學(xué)探索而言，還算得上“價(jià)廉物美”。

斯特恩和杜爾達(dá)正是這么想的，所以他們已購買了這樣的“船票”，計(jì)劃屆時(shí)搭乘三次飛船，把特制相機(jī)帶到太空邊緣。在單獨(dú)一次飛行中，他們的儀器應(yīng)該能觀測可能存在水內(nèi)小行星的太空區(qū)域的1/3，從而大大提高發(fā)現(xiàn)這類天體的概率。如果屆時(shí)真的發(fā)現(xiàn)了水內(nèi)小行星，天文學(xué)家們粥得以描述它們的性質(zhì)：它們究竟有多少?它們的軌道距離太陽到底有多近?它們的大小分布狀況如何?

這是一個(gè)耐人尋味的問題：在經(jīng)歷了一次又一次的徒勞無功的努力之后，像斯特恩和杜爾達(dá)這樣的天文學(xué)家還會(huì)繼續(xù)尋找水內(nèi)小行星嗎?就連他們的許多同事都認(rèn)為這整個(gè)項(xiàng)目完全是堂吉訶德式的愚蠢狂想——誰愿意研究根本就不存在的東西呢?

不過，太陽系早已讓我們驚奇過。天文學(xué)家曾一直以為火星和木星之間的太空是一片空白，直到意大利天文學(xué)家朱塞佩·皮亞齊在1801年發(fā)現(xiàn)了第一顆小行星谷神星(小行星1號(hào))。如今天文學(xué)家估計(jì)，在那里有數(shù)百萬顆巖石在繞行。海王星軌道外環(huán)繞的冰質(zhì)彗星曾經(jīng)也一直只是猜測而已，直到20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)第一個(gè)柯伊伯帶天體，天文學(xué)家才開始逐漸認(rèn)識(shí)到，柯伊伯帶天體的數(shù)量或許多達(dá)數(shù)百萬顆。上述兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都揭示了有關(guān)行星系統(tǒng)形成與演化的大量信息。

天文學(xué)家和其他科學(xué)家永遠(yuǎn)都是充滿好奇心的。正如美國著名天文學(xué)家卡爾·薩根所言：缺少證據(jù)并不意味著沒有證據(jù)。然而，就算最終在水星與太陽之間的“沙漠地帶”什么也沒有發(fā)現(xiàn)，也一樣能提供有關(guān)太陽系的一些線索。如果最終發(fā)現(xiàn)太陽系中真有且只有這么一個(gè)完整的空白，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)無疑將十分重要?；蛘?，太陽影響這片區(qū)域的方式是我們從未想象過的?；蛘?，在水星軌道以內(nèi)要想達(dá)到穩(wěn)定的軌道，或者要想移動(dòng)天體，其難度比天文學(xué)家原先以為的更大。這些都將有助于我們查明有關(guān)其他恒星周圍可能存在的行星的大量信息。