内太阳系的尘埃环
太阳系平面——黄道面上存在大量尘埃早已不是什么秘密。在秋季黎明之前或春季日落之后，寻一暗处就不难看到阳光散射这些尘埃的产物——黄道光。在理想的暗夜之下，甚至还可以看到沿整个黄道分布的暗弱光带，它是夜空背景光的重要组成部分。
在夏威夷莫纳克亚（Mauna Kea）山顶所见的黄道光。（图片提供：Steven H. Keys）
造就黄道光的尘埃整体来说大致分布在扁平的饼状区域内，这就是所谓的“黄道云”。云中的尘埃大小在数十到数百微米之间，总质量只相当于一颗直径十余千米的小行星。据信这些颗粒来自太阳系中各种小天体碰撞事件，只是彗星和小行星对其贡献孰大孰小尚存争议。在辐射压、太阳风压、坡印廷-罗伯逊阻尼、升华以及大天体动力学过程的共同作用下，黄道云组分的寿命并不长（不到1000万年），所以云中以新近形成的尘粒（而非太阳系诞生之初的残物留）为主。
黄道云的结构显然并不是铁板一块。到现在为止，研究者已经在云中辨认出了数道由短周期彗星留下的尘迹、一系列源于主带小行星的尘带，这也都在人们的预料之中。除此之外，前述种种可以作用于云中尘埃的效应以耗散力为主，所以它们环绕太阳运动的轨道也是一直处在衰减状态中的，换句话说，随着时间的推移，尘埃的轨道近日点距离会逐渐减小。早年的一系列分析已经证明，衰减轨道上的微粒更容易与质量较大的摄动天体（如行星）构成轨道共振，从而在黄道云中堆砌出尘埃密度较周边更高的环状结构。从理论上说，这样的共振环可以出现在任何一颗行星周围。
艺术家笔下的黄道云，图中的视角位于海王星轨道之外。
不过搜寻尘埃环的工作并不轻松。如前所述，黄道云的整体质量不算很大，能够分配到某一颗行星轨道上的尘埃数量自然是非常有限的。如此稀少的尘埃无论是散射阳光还是自身发出的热辐射，强度都不会很高；何况环体遵循行星轨道分布，自身的厚度和宽度也不小，因此在天空中占据的范围也极广，只能通过大天区高灵敏度观测来一窥究竟。对于内太阳系的尘埃环来说，由于这里的行星同太阳的距离很有限，研究者还要额外面对强烈阳光的干扰。
1995年，巡视全天以图描绘宇宙微波背景辐射微弱温度起伏的宇宙背景探测器（COBE）在地球轨道附近区域第一次发现了巨型尘埃共振环的踪影。作出这一发现幕后的功臣设备是在10个不同的红外波段上测量天空背景亮度的弥漫红外背景实验（DIRBE），一方面DIRBE的巡天视场足够宽阔，使得解析天空中的大尺度结构成为了可能；另一方面它又自备校准源，在很大程度上抑制了测量的不确定性，这样就为目击早已得到预言的地球共振环奠定了可能性。进入新千年后，斯皮策空间望远镜又借助其身处地球后方的独特位置，揭示出了巨环的具体结构——在地球后方距离0.2天文单位处的尘埃密度有所提升，但在最靠近地球的0.1天文单位之内颗粒数量较少。这样的不对称性与环中的尘埃持续遭受各式阻尼力的影响，从而正在沿螺旋状径迹靠近太阳的事实相符。
COBE卫星在红外波段发现的地球共振尘埃环踪迹。上图以黄道坐标表示，中央即为太阳的位置。图中从左下方以S形延伸到右上方的红色条带是银河系，而黄道附近距离太阳90度的区域亮度亦有所增加，对应尘埃环的所在。（图片来源：Reach et al. 1995）
无独有偶，另一道与金星密不可分的类似环带也在10多年前浮出了水面——这次是从上世纪70年代发射的太阳神号（Helios）探测器的数据存档之中挖掘而出的，稍后这一发现又得到了STEREO卫星的证实。太阳神与STEREO都是在日心轨道上运行的太阳观测卫星，且配备有用于测量黄道光的光学测光仪器。鉴于黄道光系由尘埃散射阳光形成，黄道光亮度的增加就意味着对应区域尘埃密度的提升。根据STEREO的数据，金星尘埃环也没有严格遵循金星轨道分布，而且在最为靠近金星的地方也表现出了密度下降，这些特点倒是与地球环有点相似。
水星轨道上的尘埃分布就有些微妙了。一来这颗行星与太阳的角距离甚小，考察其周边环境困难重重；二来考虑水星较小的体积和太阳风作用，早先的理论认为，水星轨道上很难捕获足量尘埃，形成环系，甚至还有观点是认为太阳系的最内区理应存在一个无尘区。只是在地球和金星尘埃环前景的污染之下，这一说法很难得到证实（或证伪）——除非能够前往太阳附近。
艺术家笔下内太阳系中的尘埃环分布。（图片来源：NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith）
深入日冕的帕克太阳探测器就提供了这样一个机会。在此背景之下，研究者以STEREO的现有观测为基础，尝试开发能够移除尘埃辐射、更好地解释帕克观测数据的方法。就在这一过程中，他们无心插柳地找到了水星附近的共振环。当然，这道尘埃环的存在与无尘区并不矛盾，因为现时我们并不能确定无尘区的内边界何在，这个问题还有待帕克在不久的将来去最终解答。
那么上述尘埃环究竟源于何方？地球轨道上的环系最容易解答：主带岩质小行星的碰撞。根据一系列模拟工作，碰撞产物在落向太阳系中心的过程中受到地球引力的扰动，并在地球轨道周围积累起来。但金星环就要麻烦一些了，单凭主带小行星似乎并不能贡献所有。近来有新说认为，金星附近一类共轨小行星族群或许是环带的主要物质来源，而这些小行星甚至可能是太阳系形成之初的残余——不过这类天体仍有待未来的观测者去发现。至于水星轨道上的尘埃环，其存在性在去年11月刚刚得到证实，追溯其来源就是下一步要解决的问题了。
艺术家笔下的小行星碰撞事件，这样的过程会伴以大量尘埃的释放。（图片来源：NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab）
需要注意的是，所有这些尘埃环的物质密度与周边环境的相差都没有那么大——水星共振环的密度只比背景高出了5%；金星的略高，达到了10%；地球环则更高一些。对于天体力学家而言，环中的密度分布其实能够提供大量关键信息，如尘粒尺度、俘获机制等等，如斯皮策观测到的地球共振环子结构意味着较大尺度的尘粒在其中占据主导，而根据DIRBE的测量得出的尘埃密度对应较有效的尘埃俘获过程。这些都反映了太阳系生态的重要特性，对于全面了解尘埃生命循环来说是不可或缺的。
注：本文即将发表于《天文爱好者》杂志2019年7月号，请勿转载。
