《宇宙与自然篇》寻找“丢失”的行星-赵君亮

　　主讲人简介：

　　赵君亮：中科院上海天文台原台长，研究员。发表多篇天文学术著作，同时致力于天文科普事业，亦有多篇天文科普著作问世。

　　内容简介：

　　这个讲演的题目就叫做《寻找“丢失”的行星》，大家注意到这个“丢失”是打引号的，实际上并不是丢失的。那么我这个讲题下面分四个内容：第一怎么样找到小行星，所谓“丢失”的行星就是小行星，怎么样找到小行星的过程。第二就是小行星的基本情况。第三小行星它是怎么样形成的？它到底怎么来的？第四也许是大家最感兴趣的，这个小行星如果撞到地球上来怎么办？对我们有没有威胁？

　　我们为什么要找这个“丢失”的小行星呢？因为它可能威胁地球。刚才我们讲了大部分小行星挺好，它都在小行星带，在木星和火星的轨道中间。那么我们地球的轨道是在火星轨道之内，所以它不会碰到我们。但是的确有一部分小行星它的轨道比较扁，它会转到地球轨道之内来，这个叫做近地小行星。那么它要是撞上来怎么办？我相信很多人看过科学幻想电影，叫《天地大冲撞》。在未来的某一年天文学家算出来了，有一颗小行星在多少年以后就要撞上地球，其后果不堪设想。于是就从总统开始，联合全世界的科学家就要想办法对付它。最后这个电影里面，就派了一个宇宙飞船，就到了这个小行星，然后在那里挖洞，然后把核弹就塞在里面去，要把它炸碎掉。最后这几个宇航员回不来了，他们就献身了，回不来了。结果这一炸呢，有一点效果了。这个小行星一炸两个，一块大的没撞上来，偏过去了。一块小的还是撞上来了，这块小的，从电影画面里面这块小的比大的要小得多。这个小的撞在海洋里，结果浪过来，整个纽约很快就扫平。这里面还有一些爱情故事，但撞击很可怕。那么这个事情到底会不会发生？这个发生到底有多可怕？我们有没有办法对付它，这个必须是考虑的。

　　（全文）

　　这个讲演的题目就叫做《寻找“丢失”的行星》，大家注意到这个“丢失”是打引号的，实际上并不是丢失的。那么我这个讲题下面分四个内容：第一怎么样找到小行星，所谓“丢失”的行星就是小行星，怎么样找到小行星的过程。第二就是小行星的基本情况。第三小行星它是怎么样形成的？它到底怎么来的？第四也许是大家最感兴趣的，这个小行星如果撞到地球上来怎么办？对我们有没有威胁？

　　那么我们现在开始讲第一个，就是小行星的发现过程。在这个之前呢，我想给大家说一下，在太阳系里面的几类天体，怎么区分？什么叫行星？什么叫小行星？什么叫彗星？什么叫流星？首先我们把行星提出来，所谓行星是指太阳系里面绕着太阳公转运动的主要天体。或者说是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星，这九颗大行星的综合。那么行星又称大行星，实际上这个名字就是因为后来发现小行星，我们的中文名字才有大行星一说。那么我们现在看小行星，太阳系里面除了大行星以外可以说统称为小天体。那么我们怎么来区分这些小天体？首先小行星，我把小行星和彗星都放在一起对比，小行星是沿椭圆轨道运动的，而且这个椭圆是不太扁的。而彗星通常是沿着比较扁的椭圆轨道，甚至是抛物线，或者是双曲线，就是这个扁的椭圆轨道一直扁下去，扁到最后它就等于抛物线。然后抛物线甩开去就是双曲线，所以这个是小行星和彗星的差别。

　　第二个差别，小行星是不大容易挥发出物质的，它就是一块石头这样的东西。而彗星在接近太阳的时候，它有气体物质挥发出来，这是它们很大的区别。那么所谓小天体是指质量小，不是指体积小。那么这个就是用空间探测器拍到的小行星，大家看这里有个比例尺，这个比例尺是20公里，那么可见这个小行星之小。这几个小行星尺度我们就不能讲直径了，因为它不是一个球，它的尺度不超过几十公里，或者不大于一百公里。那么除了这两类小天体以外，还有一类更小的小天体，就是叫做流星体。我们通常说的流星是流星体闯入地球大气，流星体的速度可以高达每秒钟10公里到70公里。这个速度很快的，每秒钟十公里已经是子弹出枪口速度的十倍。子弹出枪口的速度大概每秒一公里，如果每秒七十公里那就更快，那么这个高速闯入地球，就和地球的大气发生摩擦，然后它就发热、燃烧、发光。这条光迹称为流星，所以流星和流星体是两个完全不同的概念，流星体是一块东西，流星是一个现象。

　　大家可能听到狮子座流星雨，一大批流星在一个短的时间内同时进入了大气层，那就会形成所谓流星雨，那是比较漂亮的。那么小行星和流星体的主要区别就是流星体更小，小行星、彗星、流星体统称为太阳系的小天体。这是一张流星照片，你看这个流星划过天空，下面是一些村庄、水。这是一颗火流星，流星中间特别明亮的称为火流星。你们都看过《三国演义》，对不对？诸葛亮死的时候，司马懿夜观天象，然后说一颗星星划过天空，他说孔明必死无疑。然后他就大举进攻了，他就怕诸葛亮。古人就是说天上掉下一颗流星，地上死了一个人。那么这个人官做得越大，这个流星就越大。这都是无稽之谈，这个就是火流星，最亮的火流星如果白天出现可以比太阳还亮。那么这是流星雨的绘画，请注意，我特别说明，这是绘画。没有这样的流星雨，这么密密麻麻的。所以你们不要相信报纸上讲流星雨出现的描述，这是一种夸张的手法，主要对这种东西没有做一个详细说明。我给你们看张照片，这张是流星雨的照片，这是真实的。这里就没有几颗流星了，这里有几条，而且这张照片必须要拍几分钟，在一瞬间之内可能就有一条。但是你在一分钟之内，它可能出现十条。这就相当好看了，你如果曝光十分钟，那你可能有几十条，就合成这么一张照片。所以越是漂亮的流星雨照片你们越得提高警惕。那么这里我提出某种科学研究的一种思路，有的时候有些数字或者有些图像比较奇怪，它表现出一种有趣现象，但是找不到这种道理，然后有人就拼命去想，没有道理也去想，往往会得出一些你想像不到的结果。

　　18世纪下半叶，哥白尼这个日心说已经确立了地位，牛顿的万有引力定律已经建立。当时已经知道了六颗大行星，包括地球在内，水星、金星、地球、火星、土星、木星，它的运动规律已经全部掌握好了。你们看看，我们来说一下这个情况，现在我们以地球到太阳的平均距离为一个天文单位，这个大概等于1.5亿公里，我们来量一下这六颗行星到太阳的距离，你们看：水星0.39，金星0.72，地球1，火星1.52，木星5，土星9.54，这个数字有规律吗？没有规律，一个比一个大。还有什么规律吗？看不出什么规律，对吧？有人就是动脑筋，就是这个人，这个人叫提丢斯，德国人。1766年，我们对他说得好听，他就是科学精神，说得不好听就是挖空心思，他就在想，这个数字怎么来的？他就想出这么个办法，从3开始写出一串数，每一个数比前面数大一倍，然后前面再添一个零，就这个0、3、6、12、24、48、96、192，对不对？这是一串数，没什么道理的，完全没道理的，这个你也不是几何奇数对不对？零拿掉是几何奇数，零放上去又不成几何奇数。然后把这些数字都加上一个4，那就变成下面这排，4、7、10、16一直到196，妙的就在后面，然后他把所有的数字都除上10，然后这个奇怪的现象发生了，他把刚才我讲的行星到太阳距离的天文单位的数字放上去。你们看这个数字简直太妙了，这个是提丢斯数组，0.4，0.39、0.7、0.72，地球当然是1，这个是1.6，1.52这里缺了一块，然后是木星5.2，这个土星是9，这个是10，然后这个是天王星当时没发现，你们看这个现象很怪，他就这么动脑筋，动来动去，就找出这个数字。这个数字就叫提丢斯数组，居然和行星到太阳的距离很相像。然后提丢斯注意2.8这个地方，少了一个星，所以我们说寻找“丢失”的行星，这个2.8，按照他的数组应该有颗星，这没有，他没吭声。

　　那么后人差不多同时代的人波得，他在1772年就公布提丢斯的发现，并且他就声称这个地方应该有颗行星。这个就是我们前面讲的一串有趣的数字，奇怪的数字，居然有一个地方不符合他的规律，他就大胆预报这里有一颗星，这件事情就称为提丢斯-波得定则。妙了！1781年，赫歇耳，赫歇耳是一个德国籍的英国天文学家，他原来是音乐家，搞音乐的。他发现了天王星，是偶然情况下发现天王星。大家注意，我们现在知道九大行星，前面几颗行星是没有办法说谁发现的，就知道了。真正说到发现的是天王星、海王星、冥王星，因为人类老早就知道什么水星、金星，你查是哪一个人发现的，谈不上发现。当时1781年赫歇耳发现了天王星，结果他到这个太阳的距离居然是19.2天文单位，而提丢斯数组下面，已经有这个数字。还没有发现天王星，这个数字19.6，那么这个事情就更加奇怪了，对不对？所以这个就变得非常奇妙了，于是就有人企图找这颗星。1785年天文学家查哈，他试图组织力量要找这颗“丢失”的行星，这颗星到底有没有？1806年9月查哈和另外五个天文学家，他们自己的原文，把它翻成中文就是：他要组织一次叫天空警察支队，以跟踪和捕获太阳系中逃亡的子民，要把它抓住。他希望要找一个有名的观测家，意大利的天文学家皮亚齐来参加寻找。这个要用望远镜，对不对？要有经验，随便讲讲没有用的。他们还没有找到皮亚齐，皮亚齐已经发现这颗星了。这个发现呢，是有点偶然性，你们学过哲学，偶然中间有必然。他并不是观测去找这颗星，他是在编一份星表，那么他就要大量观测，他发现有一颗小星，在其它恒星中间的位置每天是不一样的。恒星之间的位置是大体上不动的，你过十年、二十年它不会动的，比如三颗星组成一个三角形，明天还是个三角形，后天还是个三角形。但这颗星今天在三角形这个地方，明天到这个地方，后天到这个地方，在移动。那么他以为是彗星，他连续观测了6个星期，生病了。生病当然不观测了，但是他没有算出这颗行星的轨道，所以他生病完了以后，他再去观测，找不到了。

　　然后他就写信请人帮忙，那么这个时候就是高斯，高斯是一个非常出名的数学家。他当时已经发明了一种办法，现在我们知道，就是最小二乘法，只要有三次观测，三次不同时间的观测，就可以确立这个轨道。然后高斯就帮助计算，皮亚齐已经观测六个星期，他有一批观测资料，高斯根据这个观测资料就算出来轨道。这个轨道就在火星和木星之间，就是火星和木星的轨道之间有一颗星，算出来找就有目标了。他开始是偶然看到它，一算出来就开始找了，按照预报的位置找了，很快找到，最起劲的那位天文学家查哈，他根据高斯的预报一下找到这个小行星，但是第一个发现的人是皮亚齐，所以这个命名权在皮亚齐那里，他把它命名为谷神星。这就是发现的第一颗小行星。

　　奥伯斯曾经做过医生，他在一个偶然的机会，发现了第二颗行星，后来命名为智神星，比谷神星稍微小一点。一算这个轨道，这两颗行星的轨道很接近。那么就要思考了，所以奥伯斯就有一个大胆的猜想，他认为在提丢斯数组2.8的地方，原来可能是有一颗大行星，这个大行星爆炸，碎裂成小的行星。所以这里应该不止两个，应该还有。而且它们既然是从一个地方爆炸的，那么这些小行星的轨道应该在这个爆炸点都相交，对不对？某一个时候都会通过这个爆炸点，那么反过来说如果我盯着这个爆炸点观测，就去存心要找小行星，这个机会就比较大。你到处乱找，这个机会就比较小，不大容易找到。现在有两颗小行星，两颗小行星轨道的交点就是爆炸点。然后他就守株待兔，这个奥伯斯有这个猜想以后，他就开始观测。就等在那个地方，等了三年。这个人精神够好的，等了三年，守株待兔式的监测。奥伯斯终于发现了另一颗小行星，就是灶神星。在他之前另外一位德国天文学家叫哈丁，他偶然发现了婚神星。那么小行星慢慢多了，人们就有兴趣了，接下来有一段很长时间的停顿。

　　科学家有一个考虑问题的方法，一旦发现一种新的现象，或者一种新的天体。数量增多以后，他就开始统计分类，这个可以引出很多重要结论。结果发现这些小行星很少超过一百公里，几十万颗小行星，大部分都不超过一公里，真是名副其实地小！然后把它们质量全部加起来，还不到地球质量的万分之四，或者说不到月球质量的三十分之一。你可想而知这个小行星虽然多，它的确非常小。那么小行星的运动情况怎么样呢？就发现大部分小行星都在火星和木星的轨道之间运动，那么这一条带称为小行星带，或者称为主小行星带，它的运动轨道都是一些不太圆的椭圆。但是的确有一部分少量的小行星，它的轨道略微扁一点。这一扁不要紧，一扁它这个轨道可能会到地球轨道之内。也就是说，这样的小行星轨道，和地球的轨道有可能相交，那就意味着有可能和地球相撞。那么这一类小行星就叫近地小行星，我们后面还要详细地讲。天文学家现在对近地小行星非常有兴趣，那么这个就是小行星带的示意图，这个是小行星带在太阳系里面总体位置。不过他画得太密了一些，没那么多。随着观测技术的进步，居然发现很小的小行星，它还有它的月亮，它有它的卫星。月亮是我们地球的天然卫星，小行星有它自己的卫星。1978年6月7日，天文学家麦克马洪发现，这颗大力神小行星编号是532号，它的直径是243公里，还是比较大的，它有一颗卫星直径是45.6公里，这小行星和它的卫星相隔不到一千公里。同年12月11日，又发现18号梅菠蔓小行星的卫星，那么主小行星是137公里，它的卫星是37公里，以后发现小行星卫星的都有报道，但是有的很难证实。因为这个东西太小，那么怎么样发现小行星的卫星呢？你们想想看，离开地球比如说几亿公里，直径只有几十公里，这个东西太难发现。那么有这几种办法，一种是小行星掩星，什么叫小行星掩星呢？就是恒星在远方，小行星比较近，偶然一个机会小行星会把后面恒星的星光遮掉，这就叫小行星掩星。月亮也会掩星，就是月掩星。那么如果小行星有一颗卫星和小行星没有卫星，这个遮的过程中间后面那颗恒星的光的变化情况是不一样的。如果是单颗星，它的光就下去又上来。如果两颗星，它可能下去一会儿，又下去一会儿，那么根据这个光度的变化就可以算出来这一颗小行星的卫星。

　　第二你观测小行星本身亮度的变化，这个卫星不是绕着小行星转吗？如果这个卫星跑到小行星前面，就把小行星的光要挡掉一点。这个小行星就会变得暗一点，这个也可以发现小行星的卫星。另一个是空间探测，这个显然是可以直接找到小行星的卫星。比如说1993年8月伽利略号航天器，它掠过一颗小行星叫艾达。它就发现它有颗卫星。那么最有趣的是人们现在给小行星建人造卫星，1996年2月17日美国发射了一颗叫妮儿的航天器，它从1999年1月起就成为爱神星的人造卫星。这颗小行星很有名的，433号小行星，爱神星的人造卫星，然后对这个小行星，爱神星进行考察。

　　第三点，我要给大家说一下，这个小行星，那么多小行星怎么形成的？就是说小行星的起源问题，太阳系中有如此众多的小行星，如何形成？如何演化的？那么归纳一下大体上有四种说法，第一种是大行星爆炸说，第二种是以提出人柯依伯命名的柯依伯假说，第三种叫半成品说，第四种彗星演化说。我们一个一个介绍，在说这个理论之前，我们要把小行星的观测特征要说一下，你任何一个理论，要能说明问题，才能成立。所以小行星的起源要能成立，它必须说明小行星有关的观测事实。那么把小行星的观测事实稍微总结一下，大概有这么三条：第一它是绕太阳运动的，它的数量很多，体积相对很小的，形状绝大多数是不规则的。第二小行星的运动轨道绝大多数是一些不太扁的椭圆。第三大多数小行星位于小行星带之内。但是也有例外，这个例外的事情最讨厌了，理论要解释例外。首先我们讨论一下大行星爆炸说，那个就是前面我们讲的奥伯斯的思想，他就认为在提丢斯数组2.8这个位置上，原来就是有颗大行星。后来不知道什么原因，它爆炸了，炸碎以后这些小行星都各奔东西，那么它们大小都是不一样的，形状也是不规则的，就是今天我们看到的小行星。那么这个爆炸说对于小行星不规则的这一点很有利，一炸就是炸得乱七八糟的，对不对？那么也的确有相当一部分小行星它们的轨道是交于同一点的，即使你现在看到的小行星，它的轨道不交于同一点，也可能是因为在以后这个漫长的过程中间，受到其他天体特别是它附近木星、火星，这些大行星引力的干扰，它轨道变了，所以不交于同一点，这是一个学说，那么它的问题在于这个爆炸原因是什么，它为什么炸呢？始终没法给出解释，总的质量也太小，既然是炸的，这个质量应该不太小吧，所以这个它没法解释。

　　那么第二种学说称为柯依伯假说。这个人是一个美国籍的荷兰天文学家，实际上他的思想就要回避爆炸说里面，这个爆炸原因没法解释的这一个难点。他认为在太阳系演化过程中，太阳系怎么演化呢？大概这么个情况，远在太阳系形成之前，有一大团星云，这个密度比恒星要低得多，体积要比现在的太阳系大得多。它在自身引力的作用下就收缩，由于它有转动，所以收缩一定是变成扁的。它不会变成球，因为它在转，如果它不转的话，它就是大的球变成小的球。因为它在转，所以它本来是一个球体，那就变扁，变成一个盘子一样的。然后中心的物质形成太阳，边上的物质就慢慢慢慢形成行星，包括行星周围的卫星，比如我们的月亮。这是太阳系形成大体的过程，这个过程经历大概几亿年。那么柯依伯这个人就认为在火星和木星轨道之间，它因为某种原因它没有能够形成一颗大行星。就在太阳系的演化过程中间，它没有形成一颗大行星。而是生成了五个到十个比较小的原始行星，为什么叫原始行星呢？大体上意思就是还没有冷却下来的行星，是原始行星。那么这个原始行星在后来，因为从太阳系形成到现在已经五十亿年了，这个过程中间，这些小的原始状态的行星就互相碰撞，就碎掉了，就变成现在的小行星。那么其他地方呢，因为生成一个大的行星，所以它没有碰撞的问题。比如地球，它就是球状的，大体上是球状的。那么这就是用他的理论来说，今天我们看到那么多小行星是这么个过程形成的。所以实际上是对奥伯斯理论的一种修正，那么为什么爆炸这个难点就回避了。

　　那么第三种学说是半成品说，提出这个学说包括我们国家已故的著名天文学家戴问赛先生，他是这样想，他的学说是这样讲：太阳系在演化过程中，并不是一步形成的。首先是形成星胎，好像这个孩子还没有生出来，胚胎一样。然后这个星胎不断地吸集，因为它有引力作用，不断地碰撞吸集，把它周围的物质吸集过来就形成大行星。那么这个过程是很长的，那么在火星和木星之间，这个星胎吸集周围物质变成大行星的过程没有进行到底，而中途停顿，就形成了好多小行星，它们以分散的形式一直保持到今天，就是我们今天所看到的小行星。那么从这个意义上讲，小行星是太阳系演化的半成品，这是星胎形成的示意图。这个是太阳系形成以后，太阳已经大体上形成了，然后这个就是星胎。它还是在围着太阳转呢，那么它们互相碰撞吸集就形成行星，而火星和木星轨道之间这个过程没有进行到底，小行星就保留下来。

　　第四种观点是彗星演化说，彗星在靠近太阳的时候，它有东西挥发出来，挥发出来以后就形成了彗发和彗尾。但是彗星在远离太阳的时候，温度很低，它就是一块东西，看上去如果你用望远镜观测和小行星没什么两样，因此有人认为这两类天体是一类天体的演化序列。什么意思呢？彗星接近太阳的时候，它表面有层什么？实际上是冰冻的水，还有一些灰尘。那么一接近太阳它就升华蒸发，然后在太阳光压和太阳辐射、太阳风的作用下，形成彗发和彗尾。然后这个东西就挥发掉了，然后下一次又来又挥发。所以每次回归太阳就要损失一部分质量，那么有的彗星比较短的，你比如说哈雷彗星是七十六年回到太阳附近一次，那么就每七十六年它要挥发一次。有的彗星两三年回来一次，那就挥发得更快，有的彗星可能几百年、几千年、几万年一次，那它挥发过程就比较慢。但不管怎么样，总有一批彗星在几十亿年的时间内，它会挥发完了，挥发完了也就没有东西挥发了，因此它就不会形成彗发和彗尾了，因此它就变成一颗小行星。也就是说，挥发物质挥发完的彗星就是小行星。

　　我们讲最后一个问题，威胁地球。刚才我们讲了大部分小行星挺好，它都在小行星带，在木星和火星的轨道中间。那么我们地球的轨道是在火星轨道之内，所以它不会碰到我们。但是的确有一部分小行星它的轨道比较扁，它会转到地球轨道之内来，这个叫做近地小行星。近地小行星中间还有一部分会靠近地球，有人给它取了个名字叫掠地小行星，好像从地球附近掠过一样。那么这个打到我们怎么办？它掠一下，要是撞上来怎么办？我相信很多人看过科学幻想电影，叫《天地大冲撞》。在未来的某一年天文学家算出来了，有一颗小行星在多少年以后就要撞上地球，其后果不堪设想。于是就从总统开始，联合全世界的科学家就要想办法对付它。最后这个电影里面，就派了一个宇宙飞船，就到了这个小行星，然后在那里挖洞，对不对？然后把核弹就塞在里面去，要把它炸碎掉，中间有很多惊险的场面。最后这几个宇航员回不来了，他们就献身了，回不来了。结果这一炸，有一点效果了。这个小行星一炸两个，一块大的没撞上来，偏过去了。一块小的还是撞上来了，这块小的，从电影画面里面这块小的比大的要小得多。这个小的撞在海洋里，结果浪过来，整个纽约很快就扫平。这里面还有一些爱情故事，但撞击很可怕。那么这个事情到底会不会发生？这个发生到底有多可怕？我们有没有办法对付它，这个必须是考虑的。