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冥王星降级冲击波

导语:IAU决议明确了太阳系天体的分类标准,顺便把冥王星踢出了行星行列。事实上,天体降级早有先例,冥王星的行星“宝座”也早就岌岌可危,并不是一夜之间垮塌下来的。然而,今年这场行星“变法”,却在市井坊间引起了轩然大波,就连天文学界也被搅得不得安宁──300位天文学家联名请愿,公开抵制这份决议。什么原因导致冥王星降级?它的冲击力何以如此巨大?

撰文 虞骏

  捷克首都布拉格成了冥王星的伤心地。国际天文学联合会(简称IAU)的第26届大会,在天文学家喋喋不休的争吵声中落下帷幕,一同退出历史舞台的,还有冥王星那顶戴了76年的行星头衔。8月24日,天文学家在这里通过了充满争议的决议,为“行星”明确了定义,也给“太阳系九大行星”的常识画下了一个句号。但是由此带来的风波,却久久不能平息,不论是在天文学界,还是在市井坊间,IAU的权威都受到了前所未有的质疑和挑战。问题的关键就出在普通、而又不那么普通的“行星”身上。

  “行星”这个词在中国早已有之,在古代又与“惑星”或“游星”同义,而在西方,行星(planet)的词源也可以追溯到古希腊时代,最初有“流浪者”之意。不论是东方还是西方,我们都可以从字面上,看出这个词最原始、最质朴的定义:它指的并不是天空中那些一成不变的、勾勒出固定星座图案的点点繁星,而是那些会在星空中不断游移的“星星”。

  到底从什么时候开始,这个古老而简单的词语必须劳烦诸多天文学家出马,才能明确它的定义了呢?想要弄清这个问题的来龙去脉,我们还得先回到过去,看看太阳系天体的发现历程。

  行星降级 早有先例

  起初,人类仰望星空的唯一工具就是双眼。那时我们只能看见五颗明亮的行星。中国人称它们为金、木、水、火、土五星;在西方,人们则把它们当成巡游在天际的诸神,分别用美神维纳斯(Venus)、主神朱庇特(Jupiter)、信使墨丘利(Mercury)、战神玛尔斯(Mars)和农神萨杜恩(Saturn)来称呼它们。

  最初我们以为自己所在的地球才是宇宙的中心。直到17世纪初,凭借对五颗行星运行规律的观察,波兰人哥白尼提出的“日心说”才逐渐占据了上风。不论在科学上还是在历史上,“日心说”的胜利都意义重大,也悄无声息地改变着“行星”的概念:行星不再是夜空中四处游移的星点,而是像地球一样围绕着太阳公转的天体。

  这样,行星队伍迎来了第一次扩充──它把我们脚下的地球,从宇宙的中心降成了一颗普通行星。如此一来,太阳系就由六颗行星组成,按照它们与太阳之间的距离,由近到远依次为:水星、金星、地球、火星,木星和土星。

  也是在17世纪初,人类观测星空的方式发生了翻天覆地的改变,望远镜的横空出世大大增强了人类的“视力”,使许多单凭肉眼无法看见的暗淡星点进入了我们的视野。太阳系中会不会还存在着其他行星呢?天文学家圈定了三个可疑地带,认为那里最可能有行星出没。

  第一个区域就是水星轨道的内侧。传说哥白尼临终之前,曾发出感叹,认为自己一辈子没见过水星是人生的一大憾事。虽然这个故事真假难辨,但足以描述水星的难得一见──尽管它并不暗淡,但它太靠近太阳,总被太阳的万丈光芒所掩盖。可想而知,如果有一颗行星比水星更靠近太阳,那它从未被人发现也是情有可原的。但是,数百年的搜寻至今一无所获,水星轨道内侧似乎并不存在任何足以与水星“匹敌”的未知行星。

  第二个区域是土星轨道的外侧。天文学家早就知道太阳系幅员辽阔,著名的哈雷彗星就常常游荡到遥远的地方。相比之下,当时已知的行星似乎全都挤在太阳的周围,实在是有点浪费空间。1781年,当时仍是一名风琴演奏者的威廉?赫歇耳(Wilhelm Herschel)意外发现了天王星。这颗行星不仅让赫歇耳从此投身天文,也让天文学界为之一振──因为它还验证了一条太阳系行星分布的规律。

  这条规律引出了第三个可疑地带,也就是火星与木星轨道之间。1772年,德国数学家提丢斯(Johann Titius)发现,行星在太阳系中的位置分布其实有章可循。按照这条规律,火星和木星之间的空隙太大,中间似乎应该存在着未知行星。天王星发现后,它到太阳的距离竟然也符合提丢斯的规律,于是天文学家信心大增。1801年的头一天,意大利天文学家皮亚齐(Giuseppe Piazzi)发现了谷神星,它到太阳的距离,与提丢斯的预言仅差1%!

  意想不到的事情还在后头──仅仅1年之后,智神星(Pallas)被发现;两年后,婚神星(Juno)被发现;又过了3年,灶神星(Vesta)也被发现了。短短6年间,4颗轨道相似的“行星”接连现身,让天文学家乱了方寸。说它们是行星吧,看看它们的个头,就算把4颗全加起来,质量也不到月亮的1/30,更别说与地球甚至木星相比了;说它们不是行星吧,明明它们就围绕着太阳公转,跟地球平起平坐,完全符合当时对行星的最基本要求。更何况,它们还与提丢斯的“行星”分布规律符合得很好,只是数量偏多了一些。

  此后的30年,太阳系又恢复了平静,没有新的天体跳出来刺激天文学家们的神经。虽然争论仍在继续,但谷神星、智神星、婚神星和灶神星等4颗小家伙已被当成行星,堂而皇之地写进了当时的天文学教材。加上天王星的发现,在19世纪的最初40年里,我们的太阳系最多曾拥有过11颗行星!

  这种情况并未持续多久。1845年之后,火星与土星轨道之间的小天体,突然又像雨后春笋一般层出不穷,短短几年就突破了30颗。到了19世纪 50年代,天文学家终于认定,这些小家伙构成了一个全新的太阳系天体类别,并且将它们称为小行星(asteroid),而它们聚居的那片太阳系区域,也就是火星和木星之间,则被称为小行星带。谷神星、智神星、婚神星和灶神星不得不摘掉戴了近30年的行星头衔,归入了小行星的行列──这应该算是历史上最早的行星降级事件。

  这次降级并不是天文学家投票决定的,而是约定俗成的结果。虽然原本“人口简单”的太阳系,因为这么多小家伙的突然闯入而变得复杂起来,但小行星与传统行星之间至少百倍的质量差别,还是让它们泾渭分明。尽管如此,行星这个原本清晰的概念,却变得模棱两可──小行星到底算不算行星?它们和行星之间的界限究竟在哪里?这些问题从未有过明确的答案,或者说根本没有人考虑过这些问题,这就为日后的行星之争埋下了隐患。

  行星之争 迫在眉睫

  再回过头去看看第二个区域,既然土星之外有天王星,那天王星之外为什么不能存在其他行星呢?

  天王星的“怪异”行径,进一步加深了天文学家的怀疑:这颗当时距离太阳最远的行星,总是不肯规规矩矩地按照推算的轨道运行,仿佛有一股神秘力量正在“引诱”天王星──天文学家将它归因于一颗未知的行星。这一次,数学家们大显身手:利用牛顿的万有引力,英国人亚当斯(John Couch Adams)和法国人勒维里耶(Urbain Le Verrier)推算出了未知行星的轨道。1846年9月23日,德国天文学家加勒(Johann Gottfried Galle)只用了一个晚上,就在预定位置找到了那颗行星──这就是后来的海王星。

  天文学家很快发现,海王星的行踪也跟天王星一样诡异,不过这一次他们却欢欣鼓舞──有了海王星的成功先例,他们有信心利用这些蛛丝马迹,再揪出一颗未知行星。不过数学家的一次次预测和天文学家的一次次搜索,最后都以失败而告终。直到1930年,美国天文学家汤博(Clyde Tombaugh)才艰难地找到了一个微弱的光点。它位于海王星以外,而且与一些预测符合得很好。后来,天文学家给它起了一个不太吉利的名字──冥王星。

  从冥王星被发现的那一天起,针对它的质疑就从没停过:它的个头不够大,还不到地球大小的1/5,不足以影响海王星的运行;它的轨道不够圆,有时可以跑到海王星轨道的内侧;它也不够合群,轨道平面与其他行星相差太大。总之,冥王星怎么看都不像一颗正统的行星。不过,作为当时在海王星外发现的唯一一颗太阳系天体(彗星除外),不论是天文界还是普通公众,都很乐意将它当作行星来看待。我们熟悉的太阳系“九大行星”的说法,就是这么流传开来的。

  颇为讽刺的是,天文学家后来才了解到,海王星看似诡异的行踪,并不是由未知天体的引力造成的,而是他们对海王星的质量作出了错误的估算──换句话说,那颗“未知天体”根本就是不存在的,数学家据此作出的预测也完全没有意义。冥王星只是在错误的时间闯入了天文学家预测的错误地点,才阴差阳错地被汤博收入囊中,跻身于行星行列。冥王星进一步缩短了行星与小天体之间的差别(将原来超过百倍的质量差别,缩减到了不足15倍),把行星的概念搅得更加含混不清了。

  早在冥王星刚被发现的时候,就有天文学家提出理论,认为海王星外存在大量小天体。到了20世纪80年代,这个理论已经非常成熟,那些假想的小天体构成了一条类似小行星带的区域,天文学家称之为柯伊伯带(Kuiper belt),而冥王星正好身处于柯伊伯带中(注:可以运行到海王星轨道外侧的行星状天体,后来被统称为海外天体,柯伊伯带天体是其中的一个大类)。不过实质性的发现却姗姗来迟──直到1992年,第二颗柯伊伯带天体才被人发现,那时,冥王星已在“第九大行星”的位置上安坐了62年。

  历史总是惊人的相似,150年前小行星数量猛增的一幕再次上演。1992年以后,新的海外天体不断涌现,到2006年,它们的总数已经突破 1,000颗,与此同时,小行星带中的小行星数量早已突破了10万。起初,这些天体没有给冥王星的地位带来太大的威胁,因为早期发现的海外天体个头较小,甚至无法跟谷神星相提并论。冥王星虽然不再是唯一的海外天体,但至少还是最大的一颗,勉强配得起传统“行星”的头衔。不过天文学界对于冥王星地位的质疑之声却越来越响──许多天文学家相信,冥王星应该跟谷神星一样,只能算是一大群小天体的“领头羊”。

  进入21世纪,情况出现戏剧性变化。美国加州理工学院的迈克?布朗(Mike Brown)领导的小组,连续不断地刷新着海外天体(除冥王星外)的最大记录:2002年发现的创神星(Quaoar),直径约为冥王星的 1/2;2003年的塞德娜(Sedna),约为冥王星的3/4;2005年,他们又发现了2003 UB313(该天体的临时编号),即使按照最保守的估计,直径也肯定在冥王星之上!哈勃望远镜后来的观测证实,这颗被发现者布朗昵称为“齐娜 ”(Xena)的天体,直径的确比冥王星大了约5%。这下子,冥王星连“领头羊”的地位也拱手相让了。

  假如冥王星算是行星,比它更大的“齐娜”为什么不是?如果“齐娜”也算行星,那么只比冥王星小1/4的塞德娜算不算行星?小一半的创神星呢?到底直径多小才不算是行星呢?这些大个子天体的出现,完全搅乱了行星的概念──传统行星和“小天体”之间的界限已经不复存在,仅仅依靠约定俗成,已经无法再给“齐娜”及类似的天体作出一个明确的定性。行星究竟该如何定义,这个向来不成问题的问题,终于成了一个迫在眉睫的大难题,摆在了天文学家的面前。

  行星决议 一波三折

  其实早在塞德娜现身之时,IAU就下定决心,要给“行星”作出明确的定义。2004年,IAU主席罗恩?埃克斯(Ron Ekers)专门指定了一个行星定义委员会,由7位天文学家、科学作家和历史学家共同组成。委员会将在第26届IAU大会上递交行星定义草案,然后经由大会讨论修改,并最终投票表决。如果获得通过,那么有史以来的第一份行星定义就将出炉。

  事实证明,要从乱麻一般的太阳系中理出头绪,绝不是一件轻松的工作。实际上,直到今年7月,行星定义委员会还在为相关的科学和文化/历史问题争论不休。“不过在漫长的一天之后,奇迹发生了──我们达成了一致的共识,”委员会主席、哈佛-史密森天体物理中心的欧文?金格里奇(Owen Gingerich)回忆说。但这份草案的内容,却迟迟没有公布,直到8月16日,在布拉格召开的IAU大会上,“神秘”的行星定义草案才浮出水面。

  按照这份草案,一颗行星的质量必须够大,重力必须能克服固体应力,以达到流体静力学平衡的形状;当然它还得围绕一颗恒星运行,本身也不能是恒星或卫星。前一个条件听起来高深莫测,把它翻译成白话就是:一颗行星必须够重,至少能把自己压成一个球形。举例来说,在地球上,楼房不可能无限拔高,否则就会被自身的重力压挎;山峰也跟楼房一样,如果长得太过突兀,地球的引力照样会把它们放倒在地,于是地球就成了一个大致完美的球体。那么到底多重的行星才能像地球这样,把自己压成个球呢?草案上给出的参考标准是,行星的质量通常需要超过冥王星的3.8%,直径需要超过冥王星的35%。

  如此一来,冥王星的行星地位将得以保全,同时“齐娜”、谷神星和冥王星的卫星卡戎(Charon)也将升为行星,这就是所谓的“12行星”方案。草案还对不同的行星加以区分,例如1900年之前发现的8颗行星可称为经典行星(classical planets);其他小于水星的行星(如谷神星、“齐娜”和卡戎)可称为矮行星(dwarf planet);以冥王星为代表的一类行星(如布朗发现的许多大个子海外天体)则被划分成一个新类,叫做类冥行星(plutons)──它们全都属于行星。其他不符合行星规定,但是又围绕太阳运行的天体,被称为太阳系小天体(Small Solar System Body)

  原始草案一经公布,立刻引起了争议。迈克?布朗认为,海外天体的质地较软,因此它们更容易被压成球形。他还做了一个简单的统计,太阳系内符合“ 球形”标准的已知天体,至少有53颗,而其总数很可能超过200!美国亚利桑那大学的行星科学家汤姆?格雷尔斯(Tom Gehrels)则对这种定义的实际操作表示怀疑,他认为要判定一个遥远天体到底圆还是不圆,不仅复杂而且费时,甚至根本不可能做到。不过行星定义委员会成员、美国麻省理工学院的理查德?宾策尔(Richard Binzel)解释说,这么做是为了“让大自然来决定一个天体到底是不是行星”。

  而且,这种定义只考虑了天体的内部特征,完全不考虑外部环境(如天体轨道特征)。在18日IAU举行的小规模讨论会上,行星科学家们就此展开了激烈的争论。开场不久,整个会场就乱成了一团,天文学家争抢话筒,纷纷表述自己的观点,有时甚至因为意见相左而激烈争吵。后来,来自行星命名委员会以外的成员抛出了自己的一套行星定义方案,规定行星除了缩成“球形”以外,还必须是所处区域中个头最大的天体。在随后的举手表决中,这种方案赢得了50票的支持,而“12行星”草案仅获18票支持,还不到与会人数的1/4。

  8月22日,IAU组织了一场规模更大的讨论,但是争论丝毫没有缓和的迹象。“类冥行星”的名称和“双行星”的提法都得到了比较一致的反对,因此在修改的草案中删去了相关的内容。但是冥王星的行星地位能否保留,正反双方却仍然各执己见、互不相让。这个问题的关键就在于,要不要把天体的轨道特征,也纳入行星身份的判定标准之中。

  归根到底,冥王星的地位之争,就是行星地质学家和行星动力学家的观念之争。前者认为,冥王星拥有完整的地质构造,拥有大气,这与通常意义上的小天体完全不同;后者却觉得,冥王星处于柯伊伯带中,不论是轨道还是大小,都应该属于柯伊伯带,跟传统的行星格格不入。两种观点都各有道理,但却针锋相对,几乎让IAU的行星定义陷入僵局。

  会议组织者不得不在22日临时增加了一场讨论。IAU明确表示,这次的行星定义不考虑太阳系以外的天体,以缩小讨论的范围。草案修改稿也采取了折中的方式,除了必须满足原草案的行星条件之外,能够“清空轨道附近区域”的天体才算行星,否则就是矮行星。这一次,各方的意见开始统一,24日的最终投票终于出现了转机。

  8月24日下午(当地时间),关于行星定义的投票正式开始,428位天文学家参与了投票,其中来自中国的专家不到10人。投票采用手动举牌的方式,每次针对决议的一部分内容进行投票。4轮过后,结果出炉:太阳系从此剩下了八颗行星;冥王星因为身处柯伊伯带,周围大大小小的天体不计其数,因此被降为矮行星;“齐娜”和谷神星则与冥王星并列为矮行星,而冥卫卡戎的地位仍然保持不变。另外需要澄清的是,IAU的结果明确规定,矮行星不是行星,而是一个全新的太阳系天体类别。此外,IAU还将冥王星定义为一类全新海外天体的原型,只是这类天体的名称仍然未定。

  行星定义 余波难平

  随着第26届IAU大会的落幕,会场上曾经激烈的争辩之声似乎渐渐远去。太阳系的行星有了明确的定义,爱惹麻烦的冥王星也被踢出了行星的行列,地位难以确定的“齐娜”则找到了自己的归属,一切问题似乎都迎刃而解了。但如果你这么想,可就大错特错了。暂且不论冥王星的降级在公众中引起的震动,单单是在天文学界,这场风波不但没有停歇,反倒愈演愈烈。

  艾伦?斯特恩(Alan Stern)是美国西南研究院的执行主席,也是“新视野号”冥王星探测任务的负责人。他跟美国行星科学研究所所长马克?赛克斯(Mark Sykes)联手,在网络上公布了一份请愿书:“作为行星科学家和天文学家,我们不认同IAU关于行星的定义,也不会使用这个定义。我们需要一个更好的行星定义。”

  在短短5天之内,这份请愿书就得到了全世界300位天文学家的联名支持。这些人中既有行星探测方面的专家,也有行星形成与演化、行星大气、行星地质等方面的杰出研究人员,还有获过国际科学奖项的知名学者。赛克斯博士认为,如此豪华的科学家阵容足以说明,“IAU的行星定义是不符合基本科学标准的,理应被驳回”。他还指出,要确立一个合理的定义,应该采用更加开放的态度,让更多从事行星研究的科学家能够参与进来。

  3位华人天文学家也签名参加了请愿活动,他们反对的理由各不相同,不过都颇具代表性。

  中国台湾师范大学的管一政教授参加了布拉格的IAU大会。大会的会期长达两周,投票却安排在倒数第二天举行,管教授因其他事务提前离开了会场,错过了最后的投票。他签名反对行星决议的理由是:行星是一个大众化的词汇,在它的定义中加入诸如“流体静力学平衡”之类的术语,会让普通公众不知所云。另外他觉得将冥王星开除出行星名单也是不恰当的,历史传统应该得到充分的尊重。

  他还认为,IAU此次插手行星定义,确实做得有点过火。尽管科学家应该追求科学真相,但天文学家早已了解冥王星的特殊身份。因此这次的投票,不但意义不大,还会伤害公众对于科学的感受。管教授的观点与美国空间探索政策研究中心主管马克?布洛克(Mark Bullock)的意见不谋而合,布洛克认为“行星”一词具有文化、历史和社会意义,不应交由天文学家全权决定,要改变这种基本词汇的定义,必须在更大的范围内展开讨论,并达成广泛的共识。

  香港大学的周海峰博士也在请愿书上签了名字。按照他的观点,“行星”是专业人士和普通公众都会用到的术语,不该成为八颗行星的专属名词。应该把行星当成一个泛指的名词,然后再对具体的天体进行细分,例如木星可以是“大”行星,冥王星可以是“矮”行星,而大多数太阳系小天体可以算成“小”行星,甚至连其他恒星周围的行星也可以叫做“太阳系外”行星。上海天文台的林清博士虽然没有在请愿书上签名,但他的观点与周海峰不谋而合。事实上,就连行星定义委员会的主席欧文?金格里奇也对最后的投票结果感到无法理解,他认为,矮行星不是行星,这简直有点自相矛盾,绝对犯了一个低级的“语法错误”。

  周海峰博士还对行星“必须清空轨道周围的区域”提出了异议,因为定义中没有说明 “清空”意味着什么。他以地球为例,月球显然没有被地球清空,那么按照定义,地球不也是矮行星了吗?这个结论显然是荒谬的。实际上,请愿书的发起人之一斯特恩也深有同感,他指出,即使不把卫星计算在内,地球、火星、木星和海王星也都有小行星与它们为邻,因此决议所用的语言显然存在着缺陷。

  香港可观天文馆的张师良也在请愿书上表明了自己的观点。他认为整个决议案的产生过程存在问题:整个行星定义方案一直保密,直到会议开幕才公报初稿内容,天文界根本没有足够的时间进行充分商讨,也就无法得出一份能取得共识的议案。事实上,从最终决议案出炉到投票,只有短短几个小时,根据这样一份既不完善也不成熟的议案进行投票,自然会争议不断。斯特恩也对IAU的提案过程满腹牢骚,他认为,全世界拥有投票权的专业天文学家人数近万,但是只有428 位参与了投票,“这是不可容忍的,完全是一场闹剧”。事实上,管一政教授也对IAU的暗箱操作提出过看法,他还认为,IAU应该给会员开设邮箱/网络投票方式,进一步扩大投票代表的范围。

  张师良认为,行星定义的确立,对目前天文学家的工作没有影响,天文学家不会因为文字上的改动而改变研究的方针。事实也确实如此,美国航空航天局(NASA)科学任务理事会首席科学家保罗?赫兹博士(Paul Hertz)说:“不论它们到底被归类为什么,我们都将继续对太阳系中那些科学上最为有趣的天体展开探索。”但对公众而言,这是对科学过程和太阳系重新认识的大好时机。冥王星除了被降级以外,也代表着一类全新概念──矮行星的诞生。我们应该着眼于这里,这才是代表时代进步的做法。单单抹去冥王星,只会让知识回到70年前。

  天文学家的联名请愿,会不会迫使IAU对行星定义作出修正呢?上海天文台的林清博士认为,现有的行星定义不会一蹴而就,IAU一定会广泛听取各方科学家的观点,进一步完善这个定义。因此林博士相信,现有定义还有被重新修订的可能性。张师良也指出,行星定义现在还没有包括太阳系以外的行星,甚至没有考虑行星的上限──也就是行星与褐矮星之间的界限,这些问题都需要时间来一点点解决。

  那么,行星定义之争在天文学界引发的这场风波,会不会让普通公众对科学失去信心呢?答案是否定的。正如林清博士所说,这次关于行星定义的大讨论,会使公众真切地感受到科学精神的本质:科学并不是死板的教科书上的知识,科学知识也并不是绝对正确的知识,科学精神的关键在于敢于面对现实,从理性出发,敢于批判自我,修正自我,在不断的自我修正、自我完善中得到不断的发展,大多数公众会从这一场争论中悟出一点科学的道理。

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作品信息
作品名:143JIM7-0.jpg
文件名称:北回归线 / 2007年
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图片来源:时间:2007-03-13 17:47 来源:《环球科学》2006年第10期
作品尺寸:29 KiB
加入日期:十月 30, 2009
尺寸:425 x 295 像素
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URL:http://album.skylook.org/displayimage.php?pid=6660
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