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2009-8-13

水内行星搜索史话

自从150年前提出以来,水内行星也算是天文学家苦苦追寻而迄今又无所获的著名假想目标之一了。每逢日全食,几乎都可以看到报道说有利用食甚搜索水内行星的报道,今年7月那次也不例外。同样不例外的是历次搜寻基本无结果,只是曾有发现了水内小行星存在的不可信报道。

水内行星的概念来自法国人勒威耶,也就是在19世纪利用天王星的轨道摄动计算出海王星参数的那位。水星的轨道进日点进动中,考虑太阳引力和其他已知天体的轨道摄动,另有每百年43秒的东进是牛顿引力所不能解释的,借用海王星发现的启示,水内行星的提出是自然的事情。考虑靠近太阳导致的高温,勒威耶以罗马神话中的火神伏尔坎(Vulcan)为其命名,中文则往往将其翻译为祝融星。

艺术家笔下被阳光炙烤的水内小行星。

由于预报海王星位置带来的权威,勒威耶的计算成了诸多观测者的指导。由于倘或水内行星确实存在,它与太阳的距离会非常之近,难以象其他行星那样在夜空中闪现,因此凌日或者利用日全食食甚的短暂时机搜索太阳附近的天区成了当时仅有的观测手段。1859年,巴黎附近的天文爱好者Edmond Modeste Lescarbault致信给勒威耶,报告称他在当年3月26日用自己的3.75英寸望远镜看到了一个黑点穿过日面,持续时间大约是1小时17分9秒。很可能这就是预计的水内行星所发生的凌日。

Lescarbault根据粗略的观测结果估计,这颗“行星”轨道倾角在5.3至7.3度之间,且轨道偏心率较大。由此勒威耶进一步求出了19天7小时的轨道周期、0.1427天文单位的轨道半径和相当于水星17分之一的质量(作为比较,水星距离太阳0.387天文单位)。与导致水星轨道进动所需的行星质量相比,这个天体实在太小了,因此水内小行星带的假设又被提了出来。虽说质量偏小,虽说与Lescarbault同时观测日面的Emmanuel Liais报告说并未看到行星凌日的迹象,勒威耶还是在1860年初就迫不及待地宣布Lescarbault发现了水内行星,而后者也因此成了知名人士,并获得了荣誉奖章。

此后,勒威耶又收到了大量的凌日观测报告,并不断以此为根据,预报这颗行星可能出现的时间。这些观测包括水内行星提出之前进行的,如Gruithuisen在1819年6月的那次。而分别来自英国和美国的观测者也都宣称,他们在1860年看到了水内行星凌日,之后的观测报告出现在1862年、1865年和1875年,其中最后一次还有包括格林威治天文台在内欧洲多个观测点的目击记录。

1878年7月29日的日全食掀起了水内行星搜索的又一个高潮。来自密歇根大学的天文学教授J. C. Watson与英仙座流星雨母体——斯威夫特—塔特尔(Swift-Tuttle)彗星的发现者之一Lewis Swift都宣称在太阳附近看到了疑为祝融星的光点。Watson宣称看到了两个行星,且宣称在望远镜中看到的是盘面而类似恒星的点状物;而Swift则得到了不同的位置数据。只是二人的报告在颜色上是吻合的,都认为所见的疑似行星颜色为红色。但更大的问题是,这二位技巧出众的观测者得出的结论不能与先前任何一种流行的预言相符。

这次日食只是水内行星概念逐渐为人淡忘之前的回光返照而已。勒威耶在1877年逝世后,再也没有谁可以充当强有力的支持者了。由于搜索所得的零结果或者是不尽可信的结果过多,对该天体存在性的置疑是必然的。到了广义相对论在1915年正式提出,利用太阳引力导致的时空弯曲解决了水星进动的疑难,这种置疑达到了顶峰。此后几十年中,除了20世纪20年代末苏门答腊日食观测得到的否定性结论,几乎无人再去顾及这颗想象中的星球。

70年代则迎来了水内行星(确切地说是水内小行星)搜寻的复苏。纽约Dowling学院的Henry C. Courten在研究1970年日全食的照片时,注意到了一些不能单纯用认为来解释的斑点,且得到了来自北卡罗来纳州和弗吉尼亚州的观测者证实。

将近40年之后,没有第2次观测可以验证Courten的发现,但Courten却是让人们开始严肃探究祝融型小行星至今。这类理论中存在的小行星正处于勒威耶设想的水内行星附近,除了利用传统的凌日或者日全食手段搜寻,亚轨道和太空计划也参与到了其中。

如果祝融型小行星的轨道半径过大,水星的引力就会成为不稳定因素(不过位于水星拉格朗日点上的特洛伊群和希腊群小行星可能是例外);而倘或其距离太阳过近,来自阳光的阻尼也会将小天体从轨道上拉走。当然还有一个因素是温度,如果小行星表面温度高于1000开尔文,岩石成分很可能会被升华殆尽。综合看来,祝融型小行星带的外缘约在距离太阳0.2天文单位处,内缘距太阳0.08天文单位左右。

水内祝融型小行星的可能轨道示意。

在日地之间运行的的空间观测平台SOHO携带有日冕仪,可以实时监测太阳周边的小天体,目前它已经将亮于7等的祝融型小天体基本排除。假设这些小行星的表面反照率与水星相当,那么它们的最大尺度不会超过60千米。Alan Stern等人在2000年和2002年进行的高空飞行观测和2004年利用黑雁火箭所作的亚轨道搜索也与SOHO不矛盾。再考虑坡印廷—罗伯森效应,半径小于70米的天体会被拖向太阳,由此就可以知道它们的尺度上下限。

如果水内祝融型小行星确实存在,发现它们的意义在于探究行星的形成与演化,尤其是类地行星特别是水星的演化,水星地表特征的成因也因此需要重新考虑。而如果不存在,也将为太阳系演化理论提出有力的制约。这也可以认为是当今研究者仍对其苦苦搜寻的重要理由。

那么在早年诸多的发现报告中,观测者看到的实际上又是些什么东西呢?暂且不去怀疑观测者的诚实性,有一条可能性是,日食时比较容易将太阳附近的恒星误认为是行星。还有可能是掠日彗星、太阳黑子以及轨道近日点靠近太阳的近地小行星。有的是因为匆忙上报,有的是因为局限于时代,一时间留下了太多的不可信记录。

当下信使(MESSENGER)号水星探测器已经上路,自然地,它也被寄予查清水内天体的希望。结果如何?现在只能等待……

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