慧星從哪裡來？──「基柏氏環帶」的發現

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慧星從哪裡來？

   ──「基柏氏環帶」的發現

馮馮

　

我們最熟知的慧星﹐無疑是哈雷慧星。它每七十年就闖進太陽系一次﹐掠過地球外太空﹐飛越太陽﹐拖著光芒萬丈的尾巴﹐照徹黑暗的夜空﹐肉眼可見。幾個晚上之後﹐它又忽然失去的蹤跡。中國的迷信人士稱之為“掃帚星”﹐說它的出現一定會帶來兵刃戰火死亡大禍。其實世界上經常都有天災人禍﹐中國人口太多﹐生存空間少﹐爭端無時不有﹐戰爭頻仍﹐都是人為因素引起的﹐何干慧星﹖哈雷慧星的出現之年﹐必有戰禍或巨大災難﹐這只是迷信人士的牽強附會而已。

事實上﹐慧星多得很﹐並不只是哈雷慧星一個﹐經常都有大小不同的慧星來訪﹐只是未必那麼準時守信﹐路線亦未必進入我們的視界﹐很多慧星進入太陽系之後就焚燒毀滅。有些慧星的死亡﹐轟轟烈烈﹐光芒萬丈﹐有些慧星的死亡就好無聲色﹐默默無聞。

 一九九四年出現的慧星“叔馬克·李維”九號(SHOEMAKER-LEVY兩氏發現命名)﹐闖入了太陽系﹐太接近木星﹐被木星的巨大吸引力所逮捕、又被它所撕碎。解體之後﹐一部分在木星的大氣層內消滅了﹐餘體飛逃奔向太陽﹐幸免全部化為蒸汽。這一場天文奇觀﹐引起科學界無限的驚嘆稱奇。

慧星其實只是一圓球狀的寒冷的冰團與灰塵。闖入太陽系之後﹐它的冰粒與灰塵構成的長長散張的尾巴﹐總免不了被汽化一部分﹐形成光霧光芒展射的奇觀。慧星本身的體積當然也因此而消滅了不少﹕它在太陽系內是活不長的。

以上是天文常識﹐人人都知的。但卻沒有人知道慧星如何形成﹐從何而來﹖

太空科學家推測宇宙中存在有無數的慧星﹐很可能是四十五億“地球年”以前形成的﹐也很可能有一個集中的大本營。但是﹐慧星的基地在何處﹖科學家有這些推論﹐卻無法予以證實﹐更找不到這個理論中存在的慧星大本營。半個世紀以來﹐各國天文學家都在求證中。

 一九四九年﹐英國的天文學家艾治沃斯(K. E. EDGEWORTH )首先發現太陽系的邊緣終止於海王星(NEPTUNE)的軌道圓周﹐這就像一個斷崖。太陽系圈內的無數碎冰飛石﹐至此突然全部消失無蹤。在海王星更外面的一圈﹐是冥王星(PLUTO)﹐它是稀有的氣體一團﹐幾乎可說空無一物。這些現象更使艾治沃斯感到大惑不解﹐怎麼太陽系的邊緣會是這樣鋒利的呢﹖

一九五一年﹐荷蘭天文學家澤拉·基柏(GERARD KUIPER)首次提出理論﹐認為在太陽系的外圈可能有一個圓碟形的、巨大密集的寒冰與灰塵聚集堆。

另一位荷蘭天文學家簡奧特(JAN OORT)同意此種推論﹐並且進一步推論可能那就是慧星的老家大本營﹐有無數的慧星在這個圓碟形的總匯內隨著太陽系而旋轉﹐不時會有一些慧星於離心力作用而從這圓碟中飛出﹐闖進太陽系。這個慧星總匯﹐它的名稱﹐後來被天文學界公認﹐以創論人基柏之名而命名之﹐成為“基柏環帶”(KUIPER BELT)或“基柏碟”(KUIPER DISC)﹔或稱“基柏式慧星帶”。

由於常有慧星入侵太陽系﹐而且來往時間都不長﹐有些是每二十年就來臨﹐有些例如哈雷慧星﹐是七十年來一次。因此﹐推測基柏環帶不會距離太陽系很遠。海王星距太陽是三十五個天文單位(ASTRONOMICAL UNIT)﹐冥王星距太陽三十九個天文單位(一個AU就是地球距太陽的距離)。一般推測﹐基柏環帶可能在太陽外方的三十五至一百個AU之處﹐剛巧從海王星的軌道開始﹐或者是冥王星的軌道作為它的中心圓周。

一九八零年﹐烏拉圭天文學家胡里奧·菲拿特斯(JULIO FERNANDEZ)發現基柏環帶是一個扁平的、類如唱片般的圓 碟﹐傾斜度是十一度﹐它的中心是空虛的﹐其大小恰好等於太陽系﹐剛好從海王星的軌道圓周把太陽系包圍住。一九八零年代的電腦還很初級﹐菲拿特斯彼時因此未能精確地描寫基柏環帶。

一九八八年﹐加拿大多倫多大學天文學家史葛·提緬(SCOTT TREMAINE)與同僚研究者馬丁·鄧肯(MARTIN DUNCAN)及湯瑪士昆(THOMAS QUINN)合作﹐用新式電腦把基柏環帶描繪了出來。

不過﹐一直都無確實的證據來證實以上的推測﹐誰也未見過基柏式慧星帶。科學家們都在密切的觀測。

直到一九九二年﹐終於有一個科學家發現了基柏環帶內的慧星證據。這個新發現者本身就是一個傳奇人物之中的慧星﹐這個科學家是一個女子。這位女科學家是一個越南難民的女兒(未有足夠資料﹐不知她是否華裔)。 一九七五年﹐西貢淪陷於越共﹐呂氏一家在西貢機場乘搭最後班機逃出越南，呂氏帶著只有三、四歲的女兒呂珍(JANE LUU譯音﹐原名不詳)﹐在外國的難民營度過數年(未知是否香港)﹐後來獲得美國收容﹐被安插在肯塔基州居住。呂珍學會了英文﹐很用功讀書﹐成績優秀。中學畢業後﹐名列前茅﹐加州的著名史丹福大學歡迎她去 讀物理系﹐同時在噴射實驗所(JET PROPULSION LABORATORY)兼職以及研究天文學。大學畢業後﹐立刻被麻省理工學院(MIT)羅致﹐去參與天文與太空研究工作。這些學府及研究所﹐都是世界級超一流的﹐人才鼎盛﹐一個東方女子若非特別優異傑出。怎會被他們羅致﹖呂珍到了MIT﹐立即被安排與天文學家大衛·朱維(DAVID JEWITT)合作研究。

呂珍說很早就注意到加拿大多倫多大學提緬教授的論文所述的基柏環帶概念﹐大衛·朱維提議使用最新的精密電子測光儀CCD去搜索外太空﹐看看有無發現﹐這是以前未有人做過的探測。呂珍說她曾研究有關基柏環帶的各種論著﹐她覺得在海王星軌道之後﹐不可能完全空無一物。

呂珍與朱維兩人在夏威夷大島MAUNA KEA山頂上的觀測站工作了好幾年。在一九九二年的夏天的一個夜晚﹐他們發現了一個移動的光點。一連五晚﹐這光點都在移動﹐呂珍計算出它的距離是四十四個AU(在海王星軌道的外面)﹐於是立刻通知哈佛大學的天文物理學中心﹐該處的主持人馬士敦(BRIAN MARSDEN)命名此一新發現的光點為1992QBI﹐並計算出其軌道﹐算出他是圓形的﹐它的直徑之一百二十五英里。

這光點不是慧星﹐不過﹐它位於基柏式慧星帶的中間﹐天文學界於是公認終於發現基柏環帶了。

後來的幾個月﹐呂珍與朱維兩人又發現了第二個光點﹐命名1992FW﹐後來又法現了二十個之多。其他國家的天文學家也先後發現了在基柏環帶內的那個光點。至此﹐先後合計發現了二十八個了。都是在反時針方向繞著太陽而循軌運行的。呂珍小姐估計可能有最少三萬五千個這樣的光點在基柏環帶內運行。

美國德薩斯州立大學的天文學家史敦(ALAN STERN)與戈蘭小姐(ANITA COCHRAN)也一直在追尋這種基柏環帶內的星體。但是德州天空不及夏威夷明朗﹐未有所見。這兩位科學家與加拿大的鄧肯氏等幾位的合作﹐發現基柏環帶內的飛行光點有些是反時針方向的﹐有些則是順時針方向的。戈蘭說﹐至少已經發現有五十三個是有軌道運行的慧星﹐而不是偶一出現就消失的噪音(NOISE)。

基柏氏環帶的存在﹐至此總算獲得足夠的證實。基柏環帶的發現有什麼重要性呢﹖是的﹐很重要。

天文物理學家公認﹕太陽系形成的年代大約是四十五億年之前。形成之後﹐太陽系內已發生了很多變化﹐但是太陽系外圍的基柏環帶依然保存原始的特色﹕一切物質都被極冷的冰所冰藏﹐天空學家從它們射來的光訊﹐用光譜分析儀與電腦去計算﹐就可以知道這些慧星的原始氣體的化學構成是什麼元素﹐由此可以推斷太陽系的原始狀況﹐從而更進一步了解宇宙的構成與形成過程。

到了一九九九年﹐赫保(HUBBLE)天文觀測站講完成裝置最新、最巨大的天文望遠鏡與雷達設置電子設備﹐屆時會有更多的觀測收穫。

我們的太陽系﹐現在已經證實其外圍有基柏環帶那樣的太空塵與氣體﹐看起來就像是行星的環帶一般﹐與其他星體的情形相似。例如﹔織女星(Vega)﹐與一九八零年代發現的一些星體﹐就都有太空灰塵組成的環帶。

基柏環帶內有無數大小不同的冰凍的氣團和灰塵──慧星。海王星與冥王星﹐以前被認為是行星﹐自從發現基柏環帶的中央邊緣就是該兩星的軌道﹐科學家改變了態度﹐現在認為海王星與冥王星都不是行星﹐只是屬於基柏環帶內邊緣的最大的一團氣體與冰塵的巨大慧星。

距離我們地球大約四十億英里的基柏環帶﹐還有很多奧秘尚待科學家去發現。環帶外面﹐又有什麼呢﹖將來必會有更多的新發現。太空是無限大的﹐而且一些也不“空”﹐這是可以推想得到的。

原載香港《南北極》 第310期：1996年4月18日