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矮行星
2017-08-07
 
冥王星



冥王星(小行星序号:134340 Pluto)是柯伊伯带中的矮行星。冥王星是第一颗被发现的柯伊伯带天体。冥王星是太阳系内已知体积最大、质量第二大的矮行星。在直接围绕太阳运行的天体中,冥王星体积排名第九,质量排名第十。冥王星是体积最大的海外天体,其质量仅次于位于离散盘中的阋神星。与其他柯伊伯带天体一样,冥王星主要由岩石和冰组成。冥王星相对较小,仅有月球质量的六分之一、月球体积的三分之一。冥王星的轨道离心率及倾角皆较高,近日点为30天文单位(44亿公里),远日点为49天文单位(74亿公里)。冥王星因此周期性进入海王星轨道内侧。海王星与冥王星因相互的轨道共振而不会碰撞。在冥王星距太阳的平均距离上阳光需要5.5小时到达冥王星。

1930年克莱德·汤博发现冥王星,并将其视为第九大行星。1992年后在柯伊伯带发现的一些质量与冥王星相若的冰制天体挑战冥王星的行星地位。2005年发现的阋神星质量甚至比冥王星质量多出27%,国际天文联合会(IAU)因此在翌年正式定义行星概念。新定义将冥王星排除行星范围,将其划为矮行星(类冥天体)。

冥王星目前已知的卫星总共有五颗:冥卫一、冥卫二、冥卫三、冥卫四、冥卫五。冥王星与冥卫一的共同质心不在任何一天体内部,因此有时被视为一联星系统。IAU并没有正式定义矮行星联星,因此冥卫一仍被定义为于冥王星的卫星。

2015年7月14日新视野号探测器成为首架飞掠冥王星的宇宙飞船。在飞掠的过程中,新视野号对冥王星及其卫星进行细致的观测。

历史

发现

十九世纪四十年代奥本·勒维耶通过经典力学分析天王星轨道的摄动后预测海王星的位置。十九世纪末天文学家根据对海王星的观察推测有其他行星摄动天王星轨道。

1894年富有的波士顿人帕西瓦尔·罗威尔创立罗威尔天文台;1906年罗威尔开始搜索可能存在的第九大行星——X行星。1909年罗威尔和威廉·亨利·皮克林提出若干该天体可能处于的天球坐标。此项搜索一直持续到1916年罗威尔逝世为止,但是没有任何成果。1915年3月19日的巡天已拍摄到两张带有模糊的冥王星图像的照片,但是这些图像并没有被正确辨认出来。已知的此类前向重建照片还有15张,最早可追溯至叶凯士天文台于1909年8月20日拍摄的照片。

罗威尔的遗孀康斯坦斯·罗威尔为取得其夫遗产与天文台展开十年诉讼,对X行星的搜索因由此直至1929年才恢复。时任天文台主管维斯托·斯里弗在看到克莱德·汤博的天文绘图样品后将搜索X行星的任务交与汤博。

汤博的任务是系统地成对拍摄夜空照片、分析每对照片中位置变化的天体。汤博借助闪烁比对器快速调换感光干板搜索天体的位置变化或外观变化。1930年2月18日汤博在经历近一年的搜索后在当年1月23日与1月29日拍摄的照片中发现一可能移动的天体。1月21日的一张质量不佳的照片确认该天体的运动。在天文台进一步拍摄验证照片后,发现第九大行星的消息与1930年3月13日由电报发往哈佛大学天文台。

命名

发现第九大行星的消息在全世界产生轰动。罗威尔天文台拥有对此天体的命名权并从全世界收到超过一千条建议。汤博敦促斯里弗尽快在他人起名前提出一个名字。

英国牛津的11岁学童威妮夏·伯尼因其对古典神话的兴趣建议以冥王普路托命名此行星。伯尼在与其祖父福尔克纳·梅丹交谈中提出这个名字。原任牛津大学博德利图书馆馆员的梅丹将这个名字交给天文学教授赫伯特·霍尔·特纳。特纳将此电报给美国同行。

该天体正式于1930年3月24日命名。所有罗威尔天文台成员允许在三个候选命名方案中投票选择一个:弥涅耳瓦(已被一小行星使用)、克洛诺斯(因由托马斯·杰佛逊·杰克逊·希提出而不受欢迎)、普路托。普路托以全票通过。该命名于1930年5月1日公布。梅丹在得知此消息后奖励其孙女5英镑(相当于2017年的282英镑或430美元)。

普路托获选的部分原因是普路托与头两个字母(英语:PL)为帕西瓦尔·罗威尔的首字母缩写。该天体的天文符号()也是由PL构成的花押字。其占星符号则类似于海王星的占星符号(),但是在三叉戟中间的叉改为圆圈()。

该名字迅速被大众文化所接受。1930年华特·迪士尼似乎受普路托启发设计米老鼠的宠物布鲁托。但是迪士尼动画师本·夏普斯廷无法确认布鲁托名字的来源。1941年格伦·西奥多·西博格按照铀和镎以新发现行星命名的传统将新创造的元素钚以该天体命名。

大多数语言中以普路托的不同变体称呼该天体。野尻抱影提议在日语中以Meiōsei (冥王星)称呼普路托。汉语、韩语、越语借用该命名。部分印度语言使用普路托称呼该冥王星。但是包括印地语在内的其他印度语言使用印度教中的阎摩或佛教的阎罗王称呼冥王星。越语也用阎罗王星称呼冥王星。波利尼西亚语言也倾向于使用本土文化中地狱之神称呼冥王星,例如毛利语中的Whiro。

被驳倒的X行星

冥王星质量的估计值

年份  质量                  估算者
1931  1地球                 尼克尔森与梅奥尔
1948  0.1(1/10)地球       柯伊伯
1976  0.01(1/100)地球     克鲁克香克、佩尔彻、莫里森
1978  0.002(1/500)地球    克里斯蒂与哈灵顿
2006  0.00218(1/459)地球  布伊等

自发现冥王星后人们就因其模糊图像怀疑冥王星不是罗威尔所设想的X行星。二十世纪以来冥王星质量的估计值在逐步缩小。

天文学家最初按照冥王星假定对天王星与海王星轨道的影响计算冥王星质量。1931年计算得出的冥王星质量和地球质量相若,1948年的进一步计算结果则接近火星质量。1976年夏威夷大学的戴尔·克鲁克香克、卡尔·佩尔彻与莫里森首次计算出冥王星的反照率;计算得到的反照率与固态甲烷相似。冥王星因此比与相同尺寸的其他天体明亮,其大小不会超过地球质量的百分之一。(冥王星的反照率 比地球反射率大1.3–2.0倍)

1978年冥卫一的发现允许天文学家首次测量冥王星的质量。冥王星质量仅相当于地球质量的0.2%,不足以解释天王星的轨道扰动。随后罗伯特·萨顿·哈灵顿在内的诸多天文学家未能找到冥王星以外的X行星。1992年迈尔斯·斯坦迪什用旅行者2号1989年飞掠海王星时所测数据重新计算海王星对天王星的引力作用。旅行者2号的数据将海王星质量的估计值降低0.5%,相当于一火星质量。重新计算的结果中天王星的轨道并没有异常,自此X行星也无存在的必要。现在大多数科学家同意罗威尔所定义的X行星并不存在。罗威尔曾在1915年预测X行星的位置接近于当时冥王星的位置。恩尼斯特·威廉·布朗在冥王星的发现后不久认为罗威尔的预测是个巧合,此看法至今仍受支持。

分类

1992年起在冥王星附近发现的诸多天体显示冥王星是科伊伯带的一部分。冥王星的行星地位因此受到挑战。博物馆和天文馆偶尔会因在太阳系模型中忽略冥王星而引起争议。海登天文馆于2000年2月翻新后重新对外开放后展出只有八颗行星的太阳系模型,在将近一年后登上报纸头条。

天文学家在科伊伯带发现越来越多与冥王星大小相似的天体后认为冥王星应重新划为科伊伯带天体。2005年7月29日发现新的海外天体阋神星的消息对外公布。根据推测阋神星比冥王星大很多,是1846年发现海卫一后发现的太阳系内最大天体。尽管当时并没有将其归为行星的正式共识,媒体与发现阋神星的天文学家最初将其称为第十大行星。天文学界有人将此视为将冥王星划为小行星的最有力论据。

IAU分类

对冥王星地位的辩论随着2006年8月24日IAU决议的出台进入关键阶段。IAU决议列出三个条件,符合这些条件的天体可被视为行星:
1.该天体的轨道必须围绕太阳运转;
2.该天体必须有足够的质量通过自身引力成为球形;
3.该天体必须清理轨道附近的其他天体。

冥王星的质量是其轨道上其他所有天体质量之和的7%,因为无法满足第三项条件。(地球的质量是地球轨道上其他天体质量之和的170万倍)IAU进一步决定同冥王星一样无法满足第三项条件的天体为矮行星。

2006年9月13日IAU决定将冥王星、阋神星及阋卫一编入小行星目录并正式授予小行星序号: "(134340) Pluto"、"(136199) Eris"、"(136199) Eris I Dysnomia"。如果冥王星在被发现时授予小行星序号,其序号则可能为1164。

天文学界有反对重新分类的声音。NASA新视野号项目负责人阿兰·斯特恩曾公开嘲笑IAU决议,声称:“从技术角度看这个定义太差劲了。”(the definition stinks, for technical reasons)斯特恩认为地球、火星、木星和海王星的轨道上都有诸多小行星,按照新定义这些天体也不属于行星。斯特恩还认为包括月球在内的所有大型球形卫星都应被视为行星。当时在罗威尔天文台工作的马克·布伊在其网站上反对新定义。还有天文学届也有支持IAU决议的声音:阋神星的发现者麦克·布朗说:“我们通过这杂耍般的程序无意中发现正确答案。很久之前就该如此修改定义。虽然有强烈情绪反应,科学总会自我纠正。”(through this whole crazy circus-like procedure, somehow the right answer was stumbled on. It's been a long time coming. Science is self-correcting eventually, even when strong emotions are involved.)

公众对IAU决议看法反应不一。很多人接受重新分类,但有人发起在线请愿来号召IAU重新将冥王星划为行星。加利福尼亚州众议院部分议员提出的一项决议中开玩笑地将IAU的决定称为“科学上的异端”。鉴于汤博长期居住于新墨西哥州,该州众议院通过一项纪念汤博的议案,宣布冥王星在新墨西哥州的天空中永远属于行星行列,并将2007年3月13日定为冥王星日。伊利诺伊州参议院在2009年考虑到汤博出生于伊利诺伊州通过相似决议。该决议中宣称冥王星被IAU“不公平地降为矮行星。”一些人还以不同理由坚持认为冥王星属于行星。

美国方言学会于2006年第17届年度词汇投票上将plutoed选为年度词汇。to pluto意为将“某人或某事降级”。

2008年8月14日至16日IAU定义讨论中两方研究人员参加在约翰霍普金斯大学应用物理实验室举行的会议,会上讨论现行IAU行星定义。此次会议因此得名为“行星大辩论”,会后新闻发布会上显示科学家们没有对行星的定义达成共识。大会前IAU在一次新闻发布会上表示类冥小行星一词将会用于称呼冥王星及其他轨道半长轴比海王星半长轴长、有足够的质量实现流体静力平衡的天体。

公转与自转

冥王星的轨道周期为248地球年。冥王星轨道与行星轨道有极大不同。行星轨道接近圆形、靠近黄道面。冥王星轨道高度倾斜(相对黄道面大于17°)、是高度偏心的椭圆轨道。冥王星因离心率高其轨道的一小部分比海王星轨道更接近太阳。冥王星-冥卫一系统的质心于1989年9月5日到达近日点,自1979年2月7日至2月11日该系统的质心比海王星更靠近太阳。

冥王星的轨道从长远看是混沌的。计算机模拟可以向前或向后预测数百万年内冥王星的位置。因冥王星会受太阳系内细微因素的影响改变轨道,超过李雅普诺夫时间(一千万年到两千万年)后的预测不确定性大。

与海王星的关系

从极面上看冥王星的轨道穿过海王星轨道,但是这两个天体由于以下原因不会靠近或碰撞。

冥王星轨道与海王星轨道并没有交点。从极面上看冥王星与海王星的距离在冥王星处于近日点时最近,但此时冥王星因与海王星轨道相隔8天文单位而不会产生碰撞。冥王星的升交点和降交点与海王星的对应交点相隔超过21°。

冥王星的轨道可受到其他行星的摄动(拱点进动)而最终与海王星相撞。因此还有其他机制防止两颗天体相撞。其中最主要的机制是冥王星与海王星的2:3平均运动轨道共振:冥王星完成两次公转时,海王星完成三次公转。该过程以约五百年的周期周而复始。每个周期内当冥王星首次抵达近日点时,海王星位于冥王星后50°。在冥王星第二次抵达近日点时,海王星则在冥王星前方50°。因此冥王星与海王星的最近距离是17天文单位,大于冥王星与天王星的最近距离(11天文单位)。

冥王星与海王星之间的2:3共振非常稳定。该机制防止两颗天体改变相对位置,使其无法靠近对方。即便冥王星轨道与海王星轨道共面,两颗天体也不会相撞。

其他因素

数值研究显示冥王星和海王星的轨道在数百万年内没有太大变化。除2 : 3共振外主要有两个机制稳定冥王星与海王星的公转。

冥王星的近日点幅角因古在机制在90°左右震荡,冥王星因此在近日点时距离黄道面最远。冥王星近日点幅角相对于海王星变化的幅度为38°,冥王星近日点因此与海王星轨道的角距离总不小于52° (90°–38°)。两颗天体的角距离大约每一万年达到最小值。

冥王星与海王星的升节点黄纬存在随着上述天平动存在共振,当两升节点黄纬相同时冥王星近日点恰好与升节点与太阳的连线成90°。(1:1超共振)所有的类木行星都促成该现象的产生。

冥王星近日点幅角的天秤动是由冥王星与海王星相互交换角速度而引起的,以两万年为周期。

自转

冥王星的自转周期约为6.39地球日。冥王星的自转轴与公转平面的夹角间隔120°,冥王星因此有着极端的季节变化;在至点时阳光持续照射冥王星表面的四分之一,另外四分之一则完全没有阳光照射。

准卫星

冥王星至少有一个准卫星:(15810) 1994 JR1。(15810) 1994 JR1在过去十万年内是冥王星的准卫星并可能在未来二十五万年中保持此状态。(15810) 1994 JR1会以两百万年为周期成为冥王星的准卫星。冥王星可能还有更多的共轨天体。

地质

冥王星距离地球很远,从地球上对冥王星进行细致研究非常困难。因此在2015年7月14日新视野号飞掠冥王星系统前冥王星的诸多细节仍属于未知数。

表面

冥王星表面由超过98%的固态氮、微量甲烷、微量一氧化碳组成。冥王星朝向冥卫一的一面固态甲烷较多,向背的一面一氧化碳和氮较多。

冥王星表面颜色与亮度变化较大。冥王星是太阳系内最表面反差最大的天体之一,反差程度与土卫八相似。冥王星表面的颜色包括炭黑色、深橙色、白色。冥王星的颜色与木卫一的颜色接近,但是橙色稍多。外观上看起来有一特别巨大、明亮的区域,被昵称为“心”,看起来也像布鲁托。

内部结构

冥王星的密度为2.03±0.06 g/cm3。冥王星内部的岩石与表面冰层可通过放射元素衰变热分离,科学家因此判断冥王星内部结构应已分化:岩石构成的地心被冰构成地幔所包围。地心直径假设为1,700 公里左右,冥王星直径的70%。地核地幔之间可能有由放射衰变热产生的100到180公里左右的液态水层。

质量与尺寸

冥王星尺寸估计节选

年份  半径(直径)    备注
1993  1195 (2390) km  米利斯等(若无霾)
1993  1180 (2360) km  米利斯等(行星表面与霾)
1994  1164 (2328) km  杨与宾泽
2006  1153 (2306) km  布伊等
2007  1161 (2322) km  杨、杨与布伊
2011  1180 (2360) km  泽鲁察等
2014  1184 (2368) km  勒卢什等
2015  1186 (2372) km  新视野号测量

冥王星的质量为 1.31×1022 千克,不到地球质量的0.24%。冥王星的直径是2372km。冥王星的表面积为1.665×107 平方公里,与俄罗斯国土面积相近。冥王星大气层的存在使测定冥王星固体表面尺寸变得复杂。

1978年冥卫一的发现允许科学家通过牛顿推导的开普勒第三定律测量冥王星-冥卫一系统的质量。科学家也可通过冥卫一的掩星更准确地估算冥王星直径。科学家还通过自适应光学技术更准确地观测冥王星的形状。

冥王星比所有类地行星都小。冥王星也比七个自然卫星要小(木卫三、土卫六、木卫四、木卫一、月球、木卫二、海卫一)。

冥王星的直径约是谷神星的两倍,冥王星的质量是谷神星的数十倍。冥王星比阋神星轻。目前还不清楚阋神星和冥王星的直径大小关系,这两颗矮行星直径的估计值为2330公里左右。

冥王星的直径因大气层和碳氢化合物所产生的霾而不易测量。2014年3月勒卢什等根据冥王星中甲烷比例判断冥王星尺寸应不小于2360公里,大约为2368公里,比阋神星稍大。

大气层

冥王星有一稀薄的大气层。冥王星的大气层含有氮气、甲烷、一氧化碳,这些气体与冥王星表面达到平衡。地表大气压约为6.5微巴到24微巴(0.64帕至2.4帕),约为地球大气压的一百万分之一到十万分之一。冥王星的椭圆轨道造成的温度变化对其大气层有很大影响。

冥王星大气层内的甲烷产生逆温现象:冥王星地表10公里上空的平均温度比地表高36开尔文。低层大气中的甲烷含量比高层大气高。

1987年冥王星南极长达120年的极夜结束,南极表面的固态氮开始升华。升华的固态氮导致冥王星2002年大气压比1988年大气压高。

卫星

冥王星有五个已知的天然卫星:1978年詹姆斯·克里斯蒂发现的冥卫一、2005年发现的冥卫二和冥卫三、2011年发现的冥卫四、2012年发现的冥卫五。冥王星的卫星轨道都为圆形(离心率小于0.006)、与冥王星赤道共面(倾角小于1°)。冥王星的卫星与冥王星轨道平面的夹角因此为120°。冥王星系统非常紧凑,五颗卫星都处于稳定顺行轨道可能存在区域中最靠内的部分。冥卫一离冥王星最近,其质量足以实现流体静力平衡。冥王星-冥卫一系统的质心在冥王星外。剩下的四颗卫星都位于冥卫一轨道外。

冥王星卫星的轨道都处于或接近轨道共振。冥卫二、冥卫三、冥卫五的轨道周期比例在计入进动作用后为18:22:33。冥卫一、冥卫二、冥卫三、冥卫四、冥卫五的轨道周期之比也接近1:3:4:5:6。

冥王星-冥卫一系统的质心在中心星体外,此类系统在太阳系内部不多。(例如小行星617或太阳-木星系统)一些天文学家据此将冥王星-冥卫一系统称为双矮行星。冥王星与冥卫一相互潮汐锁定。两天体沿质心公转的周期与各自自转周期相同。2007年双子星天文台在冥卫一表面观察到氨水和水的晶体,暗示活跃冰火山的存在。

一般认为冥王星的卫星由太阳系早期冥王星与较小天体碰撞产生的碎片聚集而成。然而冥卫四的反照度比其他卫星都低,无法用撞击说解释。

对冥王星的探索

美国国家航空暨太空总署在2006年1月19日发射无人探测船新视野号,对冥王星及柯伊伯带进行探索任务。

在制定这探索计划与发射探测器当时,冥王星是太阳系中唯一一个尚未有人造卫星探测器到访的行星,但当探测器经过漫长的旅行成功到达目的地前,冥王星已于2006年8月24日被列为矮行星。当然,冥王星的等级划分并不会真的影响到探索任务本身。新视野号在2015年7月14日到达冥王星10,000公里的距离,以进行观测。在最接近冥王星时新视野号相对于冥王星的速度是13.78公里/秒,与卡伦的距离将接近至约27,000公里,但在飞行的过程中还可以修改这些参数。

冥王星大气层

冥王星大气层是冥王星周边薄薄的气体层。它的主要成分是氮(N2),次要的成分还有甲烷(CH4)和一氧化碳(CO),这些都与它们在冥王星表面的冰平衡。表面的压力范围在6.5至24微帕(0.65至2.4Pa),大约是地球大气压力的百万分之一至十万分之一,远远低于地球表面的大气压力。预测冥王星的椭圆轨道对它的大气层主要的影响是:当冥王星远离太阳时,它的大气层会逐渐冻结。当冥王星接近太阳时,冥王星固体的表面温度上升,造成冰的升华。就像汗水从皮肤表面蒸发时会冷却身体一样,冥王星的升华会造成反温室效应,使表面冷却。

存在大气层中的甲烷是强大的温室气体,在冥王星的大气层创造出温度反转,使10公里高处的平均温度比表面高,达到36K。大气层较低处的甲烷浓度比上层大气的含量要高。

尽管冥王星正在远离太阳,它在2002年的大气压(0.3帕斯卡)比1988年还高。因为在1987年,冥王星的北极是120年来首度离开阴影,造成额外的氮开始从冰帽升华,需要几十年才能在逐渐进入阴影的南极结冰,冻结成冥王星南极的冰帽。

一些来自大气层的分子有足够的能量来克服冥王星微弱的引力逃逸进太空,在那里他们会被太阳辐射的紫外线电离。当太阳风遇到由离子构成的障碍,它会减缓速度和转移方向,可能在冥王星的前缘形成冲激波。这些离子会被捡拾并随着太阳风前进,流过矮行星形成离子尾或等离子尾。新视野号太空船的太阳风分析仪(SWAP)于2015年7月14日最接近冥王星之后,很快地就在这个地区首度进行低能量大气离子的测量。这些测量将使SWAP的团队确认冥王星失去大气层的速率,并反过来洞察冥王星的大气层和表面的沿革。

观测的历史

1985年,以色列WISE天文台的Noah Brosch和Haim Mendelson最早提出冥王星有大气层的证据,然后古柏机载天文台在1988年经由冥王星掩星的观测予以证实。如果天体没有大气层,当从一颗恒星前方过时,恒星会突然的消失,但是冥王星掩星时的星光是逐渐变暗的。依据变暗的速率,大气压力被推断为0.15Pa,大约是地球的1/700,000。 在2002年,由巴黎天文台Bruno Sicardy领导的小组,成员有麻省理工学院的James L. Elliot、威廉士学院的Jay Pasachoff,观察与分析了另一次的冥王星掩星。即使冥王星离太阳地的距离比1988年远,估计的大气压力是0.3Pa;但是大气层应该是更冷和更稀薄。对这种差异的一种解释是,冥王星的极冠是120年来首度走出阴影,造成额外的氮气层极地冰动的极冠升华。它要花上几十年的时间,多余的氮气才能在逐渐变暗的南极冻结,在南极形成冰冻的极冠。来自同一项研究资料的峰值,也显示冥王星大气层中的风是何种物质的第一个证据。2006年6月12日,MIT-Williams College的L. Elliot、Jay Pasachoff的团队,和美国西南研究院由Leslie A. Young领导的团队,在澳大利亚观测了另一次的冥王星掩星。

在2006年,科学家使用SMA计算出冥王星的温度大约是43 K(−230 °C),然而比预期的低了约10K。

在2006年10月,NASA/Ames Research Center的Dale Cruikshank(新视野号的共同研究员)和他的同事宣布在光谱中发现冥王星的表面有乙烷(C2H6)。这些乙烷是来自冥王星表面冰冻和悬浮在大气层中的甲烷,因光致离解(光致蜕变)或是辐射分解(即阳光或带电粒子的化学转换)而产生的。

在2015年6月29日,冥王星从一颗遥远的恒星和地球之间通过,它的影子投射在地球上的新西兰,NASA的同温层红外线天文台(SOFIA,一架机载天文台)在新西兰上空研究冥王星的大气层,预计在2016年7月公布结果。

2015年7月14日,新视野号测量到的冥王星大气层压力只有早先地基观测值的一半。

2015年8月10日,NASA科学家认为模拟结果暗示冥王星大气层中的氮气不太可能是由撞击事件产生的,因此冥王星的氮气最有可能是在地质构造演化过程中补充的。

冥王星地质

冥王星的地质是指对冥王星表面组成、外壳与内部结构的相关研究。因为冥王星距离地球极为遥远,所以在地球上难以对冥王星进行深入研究。直到2015年7月14日新视野号飞掠冥王星系统以前,冥王星地质的细节并不为人所知。

表面

冥王星的表面有98%以上是冰冻的固态氮,以及痕量的甲烷和二氧化碳。冥王星固定对着冥卫一的一面含有较多甲烷冰,而另一面则有较多固态氮与固态二氧化碳。

哈勃空间望远镜拍摄照片制作的冥王星地图和红外线波段的冥王星光变曲线周期性变化可以看出冥王星表面有相当多种地形,使冥王星表面不同区域的亮度与颜色有明显差异,表面反照率在0.49到0.66之间变化。冥王星是太阳系天体表面各区域对比最明显天体之一,与土星卫星土卫八相当。冥王星表面的颜色有碳黑、深橙与白色。冥王星的颜色较类似木卫一,但更偏橙色,并且红色色泽较火星淡。

1994到2003年间冥王星表面曾经历颜色变化,冥王星北极区在这期间变亮,而南半球则变暗。2000到2002年间冥王星整体表面大幅红化。冥王星表面颜色快速变化可能与冥王星大气层季节性的升华和凝固有关,并且冥王星的极大转轴倾角和高度轨道离心率也加强了这些反应。

软冰平原和冰河

史波尼克高原可能是由固态二氧化碳等比水冰挥发性更强的物质所组成,而该区域的基底物质是水冰。在该区域表面可见到多边形结构区域,但在部分区域因为积雪,使影像较模糊。并且在史普尼克高原目前没有找到撞击坑。在冰河中可以找到可能是固态氮的物体流入史普尼克高原边缘的峡谷和陨石坑,而峡谷似乎是侵蚀形成。形成自史普尼克高原的冰或雪看似有部分被移动,之后在高原东方和南方重新沉积成薄层,形成广大的亮区汤博区。

以水冰组成的山

在史普尼克高原西南与南缘发现了数公里高的山。水冰是在冥王星表面侦测到的低温固态挥发物中唯一一种强度足以形成如此高度高山的物质。

古老陨石撞击高地

克苏鲁高原和冥王星上的其他暗色区域有许多撞击坑存在,并且发现了甲烷冰。该区域暗红色物质可能是从冥王星大气层落到表面的托林。

冥王星北半球

冥王星北半球的中纬度区域有许多种地形存在,让人联想到海卫一的表面。冥王星北极区有一个主要由甲烷冰组成的冰帽,但是固态氮组成的厚层让当地甲烷被稀释,并且使冰帽更暗、更红。

可能存在的冰火山

冥王星大气层主要由氮分子(N2)组成,并且因为来自太阳的紫外线照射,造成冥王星大气层每小时散逸数百公吨。目前仍不完全了解氮的来源,但是冥王星的氮逃逸率过高,不可能靠彗星撞击维持大气中的氮含量。因此另一个替代假设是氮来自于冰火山或喷泉喷出氮。最近的冥王星构造地质影像暗示了有物质从冥王星内部喷出,并且喷泉喷发物在冥王星表面留下的痕迹支持了物质喷发的假设。

内部结构

冥王星的密度是 1.87 g/cm3。因为放射性元素衰变产生的热足以加热冰,使岩石得以分离出来,科学家因此推论冥王星内部有分层构造;岩石往冥王星中心下沉形成核心,周围环绕着水冰组成的地幔。

相关研究假设冥王星核心的直径约为1700公里,约冥王星直径的70%。冥王星核心内可能仍有放射衰变发生,衰变的热能使水冰融化产生了表面以下深度100至180公里的海洋,该海洋也成为冥王星地核与地幔交界。德国航空航天中心(DLR)行星研究所计算结果显示,冥王星的密度/半径比例和海卫一一样位在一个过度区域,这个区域是介于由冰组成的中等体积土星的卫星与天王星的卫星和岩石组成的木星的卫星(例如木卫一)之间。

冥王星地理

冥王星地理划定和叙述冥王星地区表面的特征。冥王星世界的地理主要聚焦在位置上,也就是所谓的自然地理,分析冥王星的自然特征和分布、绘制冥王星的地图。在2015年7月14日,新视野号成为飞越冥王星的第一艘太空船。在它飞越的短暂期间,新视野号做出详细的地理测量和观测冥王星和它的卫星。

方位

冥王星可能被定义为自转轴倾斜60度逆转,或倾斜120度顺转的天体。依据较后定义的右手定则,目前在阳光下的半球是北半球,南半球有较多的部分在黑夜中。这项定义是国际天文学联合会(IAU)和新视野号团队使用的。然而,旧的定义可能会将冥王星的自转定义为逆行,因此太阳照射到的这一面是以南半球为主。在这两种定义中,东方和西方的方向也会交换。

地形上的特征

克苏鲁区

克苏鲁区,名字源自霍华德·菲利普斯·洛夫克拉夫特的作品中虚构的神,是冥王星赤道上狭长、黑暗的地区,以它的形状取的绰号是鲸鱼。它的长度是2,990 km(1,860 mi),是冥王星上最大片的黑暗地形。推测这个区域的颜色是由被称为复杂的碳氢化合物,该区域的暗颜色推测是由称为托林的焦油覆盖的表面,这种焦油是复杂的碳氢化合物,是甲烷和大气中的氮在紫外线和宇宙射线的交互作用下形成的。 在克鲁苏区出现大量的陨石坑,显示该区可能有数十亿年古老,相较之下,毗邻且相对明亮但缺乏坑洞的史波尼克高原,可能只有一亿岁。

汤博区

汤博区,昵称为心脏,是一大片浅色的心形(♥)地区,以发现冥王星的克莱德·汤博的名字命名。心形的两叶都有独特的地质特征并分享明亮的外观,西方的叶 (史波尼克高原)比东部的叶更为平滑。心的跨距大约1,590 km(990 mi)。这个区域包含 3,400米(11,000英尺)高的山和冰冻的水,希拉里山和诺盖山在它的西南边缘。表面缺乏撞击坑,显示这地区的历史可能少于1亿年,因此,冥王星可能有活跃的地质运动。后续的资料表明这个地区的边缘有如冰川的冰流特征,和有证据显示亮的物质覆盖在黑暗的克苏鲁区东部边缘。

指节套环

一系列具有半规则间隔的黑暗斑点和规则的边界被昵称为指节套环。它们位于赤道,界于心和鲸鱼的尾巴之间,直径平均约480 km(300 mi)。从西(汤博区的南边)到东(鲸鱼的尾端),套环依序是:
克鲁恩斑( Krun Macula):以伊拉克南部曼德语族地狱的主神命名,相当于地府的阎罗王。
阿拉斑(Ala Macula):以尼日利亚东部依博人的地狱和收获之神命名。
炎魔斑 (Balrog Macula):以托尔金的幻想神话中的虚构的恶魔人种命名。
巫库波卡梅斑(Vucub-Came Macula)和匈卡梅斑(Hun-Came Macula):依据玛雅基切语议会之书的两位死神命名。
孟婆斑(Meng-p'o Macula):以中国佛教中让死者忘记前世的神命名。

环状物

在低分辨率的影像上,在鲸鱼的尾巴上有一个大约350 km(220 mi)的明亮环型特征,绰号为甜甜圈。在高分辨率的影像上没有出现这个环状物。

地形学

冥王星的本初子午线被定义为正对着Charon的经线。

命名法

国际天文学联合会的行星命名工作小组负责为冥王星的地表特征赋予官方的名称。迄2015年8月还没有批准任何一个地区的名称。

截至2015年8月,新视野号科学团队的非正式名称来自下列主题:探险家、太空任务、太空船、科学家和工程师;虚构的探险家、旅客、船只、目标和起源;有想像和探险著作的作家和艺术家;虚构的冥府、存在的地狱、和冥府的访客。新视野号的科学团队在太空船抵达冥王星之前就已经邀请各界人士提出名单和票选出名称。

冥王星表面特征列表

国际天文学联合会决定冥王星地表结构的命名必须来自下列几种主题:
1.世界各地神话的阴间地名
2.与阴间有关的神祇和矮人
3.曾进入阴间的英雄或探险者
4.曾写过冥王星或古柏带的作家
5.与冥王星或古柏带有关的科学家或工程师

新视野号团队选了以下地名,但尚未得到国际天文学联合会的认可。

区域、陆地、平原和“斑”

地名          由来                                                                主题
阿拉斑        阿拉(Ala),伊博族的阴间神                                         神话
炎魔斑        炎魔,托尔金神话的阴间妖魔                                          神话
卡德厚斑      卡德厚(Cadejo),墨西哥的魔鬼                                      神话
匈卡梅斑      匈卡梅(Hun-Came),马雅神话的波波尔·乌中的两个死亡之神之一        神话
巫库波卡梅斑  巫库波卡梅(Vucub-came),马雅神话的波波尔·乌中的两个死亡之神之一  神话
克鲁恩斑      克鲁恩(Krun),曼底安教(Mandaeism)的阴间主神                     神话
孟婆斑        孟婆,中国神话中让死者遗忘的神                                      神话
魔苟斯斑      魔苟斯,托尔金神话的主要反派                                        神话
克苏鲁区      克苏鲁,洛夫克拉夫特的克苏鲁神话中的阴间神祇                        神话
罗威尔区      帕西瓦尔·罗威尔, 他的X行星想法造成冥王星的发现                     科学家
汤博区        克莱德·汤博,冥王星的发现人                                        科学家
隼鸟高地      隼鸟号,第一个降落在小行星上的太空载具                              太空探索
先锋高地      先锋计划,第一个探索太阳系外围的太空载具                            太空探索
史波尼克高原  史普尼克1号,第一个人造卫星                                         太空探索
金星高地      金星计划,金星的探测计划                                            太空探索
维京高地      维京号,火星的探测计划                                              太空探索
航海家高地    航海家计划,首先离开太阳系的两个探测器                              太空探索

山地和丘陵

地名              由来                                                               主题
伊德里西山        穆罕默德·伊德里西,探险家                                         探险家
艾斯特里德丘      艾斯特里德(Astrid),瑞典的第一颗人造卫星                         太空探索
巴瑞山            蔷娜·巴瑞(Jeanne Baré), 第一个环绕地球一周的女性                探险家
希拉里山          艾德蒙·希拉里,新西兰探险家,首先量测出圣母峰的高度的人之一       探险家
诺盖山            丹增诺盖,尼泊尔探险家,首先量测出圣母峰的高度的人之一             探险家
郑和山            郑和,中国航海家                                                   探险家
挑战者丘          挑战者号航天飞机,纪念意外中的死者                                 太空探索
哥伦比亚丘        哥伦比亚号航天飞机,纪念意外中的死者                               太空探索
联盟丘            联盟计划,纪念联盟11号意外中的死者                                 太空探索
科列塔德达多斯丘  科列塔德达多斯卫星(Satélite de Coleta de Dados)巴西的第一颗卫星  太空探索
塔耳塔罗斯脊      塔耳塔罗斯,希腊神话中的地狱                                       神话
万魔殿脊          万魔殿(Pandæmonium),约翰·弥尔顿的《失乐园》中的地狱首都        神话

山谷和低地

山谷和低地使用神话命名。

地名                由来                                                                      主题
贝缇丽彩槽沟        贝缇丽彩·坡提纳里,出现在但丁的《神曲》                                  神话
维吉尔槽沟          维吉尔,有出现在但丁的《神曲》                                            神话
杜木兹槽沟          杜木兹,苏美尔神话中的国王,伊南娜之夫                                    神话
伊南娜槽沟          伊南娜,苏美尔神话中的王后,曾下冥界,杜木兹之妻                          神话
库佩谷              库佩,毛利人传说中发现新西兰的人                                          神话、探险家
江嘎沃槽沟          江嘎沃(Djanggawul),澳大利亚北领地原住民永悟族(Yolgnu)的三位创世神祇  神话
库德利文不规则凹地  库德利文(Quidlivun),因纽特的神话中的月球,是死者安息处                 神话
斯雷普尼尔槽沟      斯雷普尼尔,北欧神话中奥丁的座骑,奥丁曾骑它到冥府                        神话
孙悟空槽沟          孙悟空,《西游记》人物,曾闹地府                                          神话

陨石坑

陨石坑全部用天文学家命名。

地名              由来                                                                                主题
布林登陨石坑      亨利·布林登(Henry Brinton),NASA研究冥王星的重要主管                             天文学家
伯尼陨石坑        威妮夏·伯尼,冥王星的命名者                                                        天文学家
科拉迪尼陨石坑    安琪列塔·科拉迪尼(Angioletta Coradini),意大利天文学家                           天文学家
德雷克陨石坑      麦克·朱利安·德雷克(Michael Julian Drake),英国天文学家,新视野号任务的委员之一  天文学家
依利亚特陨石坑    詹姆士·L·依利亚特(James L. Elliot),发现冥王星的大气层                          天文学家
法利捏拉陨石坑    保罗·法利捏拉(Paolo Farinella),意大利天文学家                                   天文学家
吉克拉斯陨石坑    亨利·李·吉克拉斯                                                                  天文学家
盖斯特陨石坑      约翰·盖斯特,天文学家                                                              天文学家
H史密斯陨石坑     哈兰·史密斯(Harlan Smith)                                                        天文学家
哈林登陨石坑      罗伯特·苏顿·哈林登(Robert Sutton Harrington),发现冥卫一                        天文学家
荷利斯陨石坑      安德鲁·J·荷利斯(Andrew J. Hollis)英国天文学家                                   天文学家
K艾德沃斯陨石坑   凯尼斯·艾德沃斯(Kenneth Edgeworth),提出古柏带                                   天文学家
科瓦尔陨石坑      查尔斯·科瓦尔,天文学家,发现第一个半人马小行星                                    天文学家
奥尔特陨石坑      扬·奥尔特,提出奥尔特云                                                            天文学家
普非利曲陨石坑    卡尔·普非利曲(Carl Pulfrich),发展出望远镜的德国物理学家                         天文学家
萨夫罗诺夫陨石坑  维克托·萨夫罗诺夫                                                                  天文学家
西莫内里陨石坑    戴蒙·西莫内里(Damon Simonelli)                                                   天文学家

线和峭壁

地名          由来                                                            主题
库斯托峭壁    雅克-伊夫·库斯托,发明水肺潜水的海底探险家                     探险家
埃里克松峭壁  莱夫·埃里克松, 第一个进行美洲探险的北欧人                     探险家
前德拉扬线    前德拉扬计划(Chandrayaan programme), 印度的第一个月球探测器  月球探测
月球线        月球号系列探测器,第一个探测月球的太空载具                      月球探测
玉兔线        玉兔号月球车,中国的第一个月球车                                月球探测



冥卫一

冥卫一(Charon /ˈʃærən/, /ˈkɛərən/ )中国大陆译作卡戎,台湾译作凯伦,名称源于罗马神话中冥王普路托的役卒卡戎,向亡魂索取金钱为他们划船渡过冥河。是在1978年发现的。天文学家在2005年发现两颗冥王星的卫星:冥卫二和冥卫三,2011年7月哈勃太空望远镜发现了第四颗卫星,临时命名为S/2011 P4,2012年7月11日又宣布发现了第五颗卫星S/2012 P1。依现行的定义,冥卫一是冥王星最大的卫星,可与冥王星组成双矮行星。新视野号于2015年7月14日飞掠冥王星和卡戎。卡戎的名称很容易和太阳系的另一个小天体喀戎(2060 Chiron)混淆。

发现

卡戎是在1978年6月22日被天文学家詹姆斯·克里斯蒂以高放大率检验一个月前的一组冥王星的摄影底片的影像时发现的。克里斯蒂注意到有一个微小的凸起会周期性的出现。稍后,回溯到1965年4月29日底片也确认了这个凸起。

名称

卡戎原来的临时名称是S/1978 P 1,是根据当时大会制定的新的命名规则给予的。稍后,克里斯蒂称之为“卡戎(Charon)”,但直到1985年国际天文联合会才认同这个名字是官方的名称。在希腊神话中卡戎是死者的摆渡人,与冥王黑帝斯(在罗马神话中称作普鲁托)在神话中是紧密联系在一起的神祇。

虽然在传统的英语发音中,“Charon”中的“ch”发的是k的音,但是克里斯蒂在这颗卫星的发音上将“ch”的发音改为sh(IPA [ʃ]),因为他妻子名字Charlene中的“ch”就念sh。于是sh的发音也在天文界流行了开来,大家都使用这样的发音,在中文中也有对应的译音“夏龙”。不过除了英语以外,其他语言依然使用原本神话的发音,念k音。

形成

罗宾·坎二模拟的结果在2005年出版,提出卡戎是在约45亿年前的大碰撞中形成的,非常像地球和月球的状况。在这个模型中,一个巨大的柯伊伯带天体以高速撞击冥王星,摧毁了自己,也轰掉了冥王星大部分的地幔,卡戎则从这些碎片中聚合而成。但是,这样的撞击应该会使冥王星有比我们发现的更多岩石成分,而卡戎会有更多冰的成分。因此现在认为冥王星和卡戎在轨道上碰撞之前就是两个不同的天体,而这次碰撞虽然猛烈,但仅能将冰像甲烷一样的蒸发掉,却不足以造成瓦解的情形。

物理性质

卡戎的直径约为1,212千米,正好约为冥王星的一半,表面布满了冰冻的氮和甲烷。与冥王星不同的是,卡戎的表面看起来可能是被冻结的不易挥发的水。卡戎表面温度约为-230℃,密度为1.63克/立方厘米,显示组成成分中,岩石占了一半多,冰则比一半少一点。其表面大气仅约为0.1毫巴左右,是地球表面大气浓度的万分之一,稀薄到几近于无,现时科学家正努力研究冥卫一的表面,以确定该卫星有没有大气层。

轨道特性

冥王星和卡戎在潮汐锁定的状态下,以6.387天的周期互绕,所以永远以相同的位置遥遥相对。两者的平均距离是19,570 千米(12,163英里)。卡戎的发现使天文学家可以精确的测量冥王星系统的总质量,而互掩可以计算各自的大小(直径),但是个别的质量依然只能用估计的,直到2005年发现冥王星外围的卫星,才依据外面卫星的轨道细节揭露出卡戎的质量大约是冥王星的11.65%,同时也显示密度为1.65±0.06公克/公分³,并建议有55±5%是岩石,45%是冰。冥王星的密度较高,约有70%的岩石。

卫星还是矮行星?

冥王星-卡戎的质心落在这两个天体之外,因此其中一个并不是真正绕着另一个在公转,而且两者的质量是可以相互比较的,因此卡戎不适合被当作冥王星的卫星。取而代之的是,他们应该是双矮行星,应随着冥王星一起重分类。

在国际天文学联合会的年会中有一项草案是2006年行星重定义,建议行星必须绕着太阳运转,并且有足够大的重力使本身成为球体。在这样的草案下,卡戎有资格成为行星,因为草案明确定义卫星的条件是系统的重心必须在主要的天体内部。但最后的重分类将冥王星归类为矮行星,但却没有正式的定义行星的卫星,使卡戎的身份变得很不明确(迄今,卡戎尚未被国际天文学联合会列入矮行星的候选名单中)。

冥卫二和冥卫三也环绕着相同的重心,但是她们不够大而不是球体,所以很简单的可以认定是冥王星的卫星。或者以另类的看法,它们是冥王星-卡戎系统的卫星。

冥卫一表面特征列表

2015年7月,美国国家航空航天局的新视野号计划对冥王星和冥卫一的探索发现了许多地质特征。对于这些地点的命名,太空总署在2015年3~4月间就开始收集公众提名,并经过公开票选后,由新视野号团队从中选出地名提交国际天文联会。提名和投票的主题分为:
1.历史上的探险: 包括探险家、太空任务、和对冥王星的天文学有贡献者
2.有关探险的文学作品:包括作家及出现在作品中的船舰、探险者和地点
3.阴间世界:包括阴间的地名、去过阴间的人物、及阴间的神怪

最后,新视野号团队依以下原则替冥卫一的地质特征命名:地区的命名使用虚构作品中的地名,山丘的命名使用作家或导演的名字,峡谷的命名使用虚构作品中的船舰,陨石坑的命名用虚构作品中的探险家名字。其他类别的提名则用在冥王星上。

目前新视野号已提出下列地名,尚待国际天文联会的认可。

地区

地名        由来                                               主题
加利弗雷斑  加利弗雷星(Gallifrey),《神秘博士》中博士的母星  科幻影视
魔多斑      魔多,托尔金神话中的地名                           奇幻小说
瓦肯高原    瓦肯星,出自《星舰迷航记》系列                     科幻影视

山丘

地名        由来                   主题
巴特勒山    奥克塔维娅·E·巴特勒  科幻小说作家
克拉克山    亚瑟·查理斯·克拉克   科幻小说作家
库柏力克山  史丹利·库柏力克       科幻影视导演

峡谷

地名          由来                                                  主题
阿尔戈峡谷    阿尔戈号,希腊神话中的一条船                          神话
马克罗斯峡谷  SDF-1 马克罗斯,《超时空要塞》系列动画的主要太空载具  科幻动画
诺斯托摩峡谷  诺斯托摩(Nostromo),《异形》系列中的主要太空载具    科幻影视
宁静峡谷      宁静号,《萤火虫》系列中的主要太空载具                科幻影视
塔笛斯峡谷    TARDIS,《神秘博士》系列中的主要太空载具              科幻影视

陨石坑

冥卫一的陨石坑以与科幻奇幻作品相关的角色命名。

地名                  由来                                            主题
艾丽丝陨石坑          路易斯·卡罗小说《爱丽丝梦游仙境》的女主角      奇幻小说
辉夜姬陨石坑          辉夜姬,日本文学作品《竹取物语》的女主角        奇幻小说
寇克陨石坑            詹姆士·T·寇克,《星舰迷航记》中的舰长         科幻影视
(莉亚)欧嘉纳陨石坑  莉亚·欧嘉纳,《星际大战》系列电影中的女主角    科幻影视
纳斯尔丁陨石坑        纳斯尔丁,传说人物                              神话
尼莫陨石坑            尼莫舰长,凡尔纳科幻小说《海底两万里》中的人物  科幻小说
雷普利陨石坑          艾伦·雷普利,《异形》系列电影女主角            科幻影视
天行者陨石坑          路克·天行者,《星际大战》系列电影男主角        科幻影视
史巴克陨石坑          史巴克,《星舰迷航记》中的科学官                科幻影视
苏鲁陨石坑            苏鲁光,《星舰迷航记》中的驾驶                  科幻影视
乌瑚拉陨石坑          妮欧塔·乌瑚拉,《星舰迷航记》中的通讯官        科幻影视
维达陨石坑            达斯·维达,《星际大战》中的反派                科幻影视



冥卫二

冥卫二正式名称为Nix(/ˈnɪks/ ,尼克斯),是冥王星的一颗卫星。

2005年5月首次被冥王星伴侣搜索队通过哈勃太空望远镜观测到。其照片于2005年5月15日和2005年5月18日被哈勃望远镜拍摄到;2005年5月15日Max J. Mutchler经确认和预估后,于2005年10月31日公布卫星发现的消息,初被编号为S/2005 P2,于2006年6月下旬的国际天文学联合会会议上正式被命名为Nix(尼克斯,希腊神话中代表黑夜的女神)(原本建议命名为Nyx,但是为了不和小行星3908(Nyx)混淆,所以把它命名为与Nyx同音的Nix),名字以2006年1月启程飞往冥王星的新视野号(New Horizons)探测器名字的首个字母为概念。

观测显示其与冥卫一(卡戎)类似,轨道半径50,000公里,以25天周期绕冥王星运转;估计其直径在32-145公里之间(依反照率判定将可研判出更精确的数据)。冥卫二比冥卫三暗25%,所以可能也比较小。

初时研究时认为冥卫二和冥王星一样是红色的,后来才发现冥卫二和其他两颗卫星一样是灰色的。



冥卫三

冥卫三正式名称为Hydra(/ˈhaɪdrə/ ,许德拉),是冥王星的一颗卫星。

2005年5月首次被冥王星伴侣搜索团队通过哈勃太空望远镜观测到。并于同年5月15日和5月18日拍到照片;2005年5月15日观测者Max J. Mutchler经确认和预估后,于2005年10月31日公布发现卫星的消息,当时暂编号为S/2005 P1,2006年6月下旬经国际天文学联合会会议后正式命名为Hydra(许德拉),在《伊利亚特》中是守卫地狱的九头蛇,名字的概念取自2006年1月飞往冥王星的新视野号(New Horizons)探测器名字的第二个字的首字母H。

观测显示其与冥卫一(卡戎)类似,轨道半径约65,000公里,以38天周期绕冥王星运转。估计其直径在52-160公里间。许德拉(冥卫三)比冥卫二亮25%,故可能也较大。



冥卫四

冥卫四(英语:Kerberos,/ˈkɜːrbərəs/ ,编号S/2011 P 1、S/2011 (134340)1或P4)是冥王星的一颗小型卫星,于2011年6月28日首次发现,并于7月20日证实。它是自1978年发现冥卫一、2005年发现冥卫二与冥卫三后,冥王星已知的第四颗卫星。2013年7月2日,国际天文学联合会宣布正式批准“科伯罗司”(Kerberos)这个名字作为S/2011 P 1的称呼。

发现

2011年6月28日,哈勃空间望远镜的冥王星伴星搜寻小组(Pluto Companion Search Team)使用第三代广域照相机试图寻找冥王可能存在的行星环时,发现了冥卫四。在2011年7月3日与18日的再度观测后,2011年7月20日正式确认了它的卫星地位。此后,在对2006年2月15日与2010年6月25日哈勃拍摄的照片重新检查中也找到了冥卫四。它的亮度仅为冥卫二的10%,之前的拍摄由于曝光时间不足而未能发现它,此次搜寻小组进行了8分钟的曝光才得以发现其踪迹。

物理性质

冥卫四的直径估计约为13至34公里,这一估计是由几何反照率(geometric albedo,0.06至0.35)推算而来的。

轨道性质

目前的观测显示冥卫四的运行轨道为圆形的赤道轨道,轨道半径约为59000公里。其轨道位于冥卫二与冥卫三之间,以约32.1地球日的周期绕冥王星旋转。这一周期表明它与冥卫一间可能存在共振率为1:5的轨道共振,误差小于0.6%。由于冥卫二、冥卫三与冥卫一间都存在近共振(共振率分别1:4与1:6),因而还需要得到冥卫四轨道更为精确的数据,特别是得知其进动率之后,才能确定冥卫四与冥卫一间的这一关系与真正的共振间有多少相近之处。

起源

与冥王星的其他卫星一样,冥卫四被认为是来源于冥王星与另一柯伊伯带天体碰撞后的残骸,类似于形成月球的大碰撞说。

命名

冥卫四的正式名称由发现的小组在发现后数周提交给国际天文联合会。据小组组长马克·肖华特(Mark Showalter)说,名称会从希腊神话中与冥神哈底斯及冥府有关的名字中选取。

2013年7月2日,国际天文学联合会宣布正式批准“科伯罗司”(Kerberos)这个名字作为冥卫四的正式名称。



冥卫五

冥卫五(英语:Styx,/ˈstɪks/ ,编号S/2012 P 1、S/2012 (134340) 1,简称P5)是冥王星的一颗较小的天然卫星,2012年7月11日宣布发现。它是冥王星第五颗被确认的卫星,距离第四颗卫星冥卫四的发现仅相隔了一年。2013年7月2日时,国际天文学联合会宣布正式批准“斯堤克斯”(Styx)这个名字作为S/2012 (134340) 1的称呼。

发现

哈勃太空望远镜上装有的第三代广域照相机在2012年6月26日至7月9日间拍摄了九组照片,天文学家从这些照片发现了这颗卫星。这些照片原本为新视野号对冥王星的探测而准备,该飞船目前正在飞往冥王星,预计在2015年7月14日飞过冥王星系统。人们不由得担忧,该区域可能隐藏着更多的难以观测到的小天体,高速穿越此区域的新视野号可能与这些未知小天体碰撞。

物理性质

据估计,该卫星的上下边缘大约为0.04,反照率大约为0.35。再结合视星等,这颗卫星直径在10千米至25千米之间。

轨道参数

冥卫五的公转周期约为20.2±0.1天,这说明它与冥卫一—冥王星体系处于大约5.4%的1:3共振。加上冥王星的其他卫星——冥卫二、冥卫四和冥卫三,它们形成了部分1:3:4:5:6共振的近心点进动。

起源

据推测,环绕冥王星的复杂卫星系统是冥王星与另一个柯伊伯带天体在很久以前碰撞的结果。冥王星的卫星可能是这样的相撞事件的残骸所形成的,这与月球形成的大碰撞说类似。轨道共振可能使残骸中聚集物质形成了卫星。



妊神星



妊神星是柯伊伯带的一颗矮行星,正式名称为(136108) Haumea。妊神星是太阳系的第三大矮行星,它的质量是冥王星质量的三分之一。2004年,迈克尔·E·布朗领导的加州理工学院团队在美国帕洛玛山天文台发现了该天体;2005年,奥尔蒂斯领导的团队在西班牙内华达山脉天文台亦发现了该天体,但后者的声明遭到质疑。2008年9月17日,国际天文联合会(IAU)将这颗天体定为矮行星,并以夏威夷生育之神哈乌美亚为其命名。

在所有的已知矮行星中,妊神星具有独特的极度形变。尽管人们尚未直接观测到它的形状,但由光变曲线计算的结果表明,妊神星呈椭球形,其长半轴是短半轴的两倍。尽管如此,据推算其自身重力仍足以维持流体静力平衡,因此符合矮行星的定义。天文学家认为,妊神星之所以具备形状伸长、罕见的高速自转、高密度和高反照率(因其结晶水冰的表面)这些特点,是超级碰撞的结果;这让妊神星成为了碰撞家族中最大的成员,几颗大型的海王星外天体以及妊神星的两颗已知卫星亦是该家族的成员。

分类

妊神星是一颗类冥天体,该术语用于描述位于海王星轨道以外的矮行星。妊神星的矮行星地位,意味着它被认为有足够的质量以自身的重力维持近似圆球的形状,但不能清除邻近的小天体。尽管妊神星和球形相差甚远,但其椭球的形状肇因于高速旋转,类似水气球旋转时伸长的现象,而非其自身重力无法克服物质抗压强度所致。妊神星曾在2006年被小行星中心归类为经典柯伊伯天体,但现已被除名。对标称轨线的研究表明,妊神星是五阶7:12共振天体,因为其35天文单位的近日点距离接近于海王星的稳定极限。帕洛玛山天文台的数字巡天曾于1955年3月22日发现过妊神星。但当时需要更多的观察以确定其是否处于运动状态。

发现争议

有两个团队主张自己才是妊神星的发现者。2004年12月,迈克·布朗领导的加州理工学院团队,在他们于2004年5月20日拍摄的一系列照片中,发现了妊神星。2005年7月20日,他们发表了一份报告的在线摘要,这份报告将在2005年9月的一场会议上宣布该发现。与此同时,在西班牙的内华达山脉天文台,若泽·路易斯·奥尔蒂斯·莫雷诺领导的安达卢西亚天体物理研究所团队,在拍摄于2003年3月7日至10日的一系列照片上,亦发现了妊神星。2005年7月27日晚,奥尔蒂斯在发给小行星中心的电子邮件中,披露了他们的发现。

布朗发现,在西班牙团队宣布该发现的前一天,西班牙天文台曾经访问过他的观察日志,因此他怀疑他们盗窃了他的成果。布朗的日志中包含有足够多的信息,让奥尔蒂斯能够在2003年的照片中重新发现妊神星;7月29日,西班牙团队再次访问了他的日志,而这正好是奥尔蒂斯排到望远镜时间,获取确认照片以向小行星中心再次宣布其发现之前。奥尔蒂斯后来承认了他曾访问过加州理工学院的观察日志,但他否认了所有指控,表示他们仅仅是为了验证这是不是一颗新天体。

根据国际天文联合会(IAU)的规定,首先向小行星中心提交微型行星的发现报告,并能提供确证轨道所需必要数据者,享有发现者的荣誉。成为发现者的最大好处是能够为行星命名。然而,当IAU于2008年9月17日宣布妊神星为矮行星时,并未提及任何发现者。IAU分别采用了西班牙团队的发现位置和加州理工学院的命名。奥尔蒂斯团队建议的名称,是古伊比利亚春天女神的名字“Ataecina”。

命名

在被赋予永久名称前,加州理工学院的发现者们曾将妊神星称为“圣诞老人”(Santa),以纪念它的发现日2004年12月28日(恰在圣诞节之后)。2005年7月,西班牙团队向小行星中心(MPC)报告了他们的独立发现。2005年7月29日,妊神星得到了首个官方称谓:临时编号2003 EL61,其中“2003”取自西班牙团队照片的拍摄日期。2006年9月7日,妊神星被正式编号为小行星136108号((136108) 2003 EL61)。

按照IAU既定的指引,经典柯伊伯带天体应以神话中的创造之神为名,2006年9月,加州理工学院团队向IAU提交了他们对(136108) 2003 EL61及其卫星的正式命名;这些名称由戴维·拉比诺维茨提出,取自夏威夷神话,用于“纪念发现这些卫星的地点”。哈乌美亚(Haumea)是夏威夷岛的保育女神,而莫纳克亚天文台正是坐落于夏威夷岛。此外,哈乌美亚还被视为大地之母帕帕女神,是天空之父瓦基亚的妻子;从这层意义上讲,以“哈乌美亚”为2003 EL61命名也是恰当的选择:与其他已知的典型柯伊伯带天体不同,2003 EL61没有厚厚的冰幔包裹着的小型岩石核心,而被认为几乎完全以固态岩石构成。再者,作为繁殖与生育女神的哈乌美亚,其众多子女来自她身体上的不同部位;这也契合了在一次远古碰撞中,大量冰体被认为从这颗矮行星上分离出去的事件。两颗已知的卫星亦被认为起源自该事件,并分别以哈乌美亚的两个女儿为名:妊卫一希亚卡(Hiʻiaka)和妊卫二纳玛卡(Nāmaka)。

轨道和自转

妊神星有着经典柯伊伯带天体的典型轨道,轨道周期为283地球年,近日点约为35天文单位,轨道倾角约28°。1992年初,妊神星经过了远日点,当前离太阳距离超过50天文单位。

妊神星的轨道离心率略大于其碰撞家族的其他成员,据推测,是妊神星对海王星存在微弱的五阶12:7轨道共振所致;由于导致轨道倾角和离心率互换的古在效应,妊神星在近十亿年来逐渐偏离了其原始轨道。

妊神星的目视星等为17.3,是柯伊伯带第三亮的天体,仅次于冥王星和鸟神星,使用大型业余望远镜也可轻易观察到。然而,由于行星和多数太阳系小天体大都形成于太阳系的原始盘中,位于共同轨道路径上;因此,绝大多数早期的远距天体观测都将目光聚集于共同平面在天空上的投影中,亦即黄道上。随着对黄道附近天区的探索逐步充分,后来的天文观测开始探索轨道倾角较高的天体,以及平均运动更慢的远距天体。当这些观测覆盖到妊神星所在天区时,高轨道倾角、(当前)距离黄道甚远的妊神星终被发现。

妊神星的亮度波动周期很短,只有3.9小时,唯一的解释是其自转周期也是这一长度。这要快于其余已知的太阳系平衡天体,以及其余已知的直径大于100千米的天体。妊神星的高速自转被认为是一次碰撞导致的,这次碰撞同时创造了妊神星的卫星及其碰撞家族。

物理属性

由于妊神星带有卫星,可以根据开普勒第三定律由卫星轨道计算出该系统的质量。其结果为4.2×1021千克,为冥王星系统质量的28%,月球质量的6%。几乎所有的质量都集中在妊神星上。

大小、形状和构成

太阳系天体的大小可根据天体的光学星等、距离和反照率推算出来。对地球观察者而言,亮度越高的天体,要么是由于体积较大,要么是由于具有高反照率。假如可以确定天体的反照率,那么就可以粗略地估计出它们的大小。大多数远距天体的反照率是未知的,但妊神星因为有足够大的体积和亮度而能够测量其热辐射,这为其反照率提供了近似值,并进而能推算出它的大小。然而,妊神星高速的旋转对它的尺寸计算造成了阻碍,根据可变形体的转动物理学可以得出,转速与妊神星相当的天体在100天内就能从平衡形态变形为不等边椭球形。据推测,妊神星亮度波动的主要原因并不是由其自身各处反照率不同导致的,而是从地球观测时侧视图与端视图的交替所致。

妊神星光变曲线的周期和振幅主要受其构成的限制。假如妊神星的密度低若冥王星,是由厚实的冰幔包裹小型岩心构成,那么它的高速自转会将其自身拉得更长,从而超过其亮度波动所能允许的范围,但这与观测结果不符。因此,妊神星的密度就被限制在了2.6–3.3 g/cm3之间。在此密度范围内的有橄榄石和辉石等硅酸盐矿物,太阳系中许多岩石类天体均由这类物质构成。这意味着妊神星的主体由岩石构成,而表面覆盖有一层相对较薄的冰;妊神星曾经是一颗更加典型的柯伊伯带天体,有着厚实的冰幔,但在形成其碰撞家族的那次撞击中,大部分冰体被撞离了该行星。

处于流体静力平衡下的天体,如果给定其自转周期和大小,则随着密度的增加,其形状将越来越接近球形。以妊神星已知的精确质量、自转周期和预测的密度推算,可知其处于椭球平衡中:其最长轴应该接近于冥王星的直径,而最短轴约有冥王星直径的一半。由于尚未直接观测到妊神星或其卫星的掩星现象,因此暂时无法像冥王星那样,准确测量出它的大小。

目前,天文学家们已为妊神星的大小推算了数个椭球模型。第一个模型产生于妊神星发现之初,由地基天文台观测所得光变曲线的光学波长推算出:总直径在1,960到2,500千米之间,可见光反照率(pv)大于0.6。最有可能的形状是三轴椭球体,大小约为2,000×1,500×1,000千米,反照率为0.71。根据斯皮策空间望远镜的观测结果,妊神星的直径为1,150+250−100 千米,反照率为0.84+0.1−0.2,红外测光得出的红外线波长为70微米。后来对光变曲线的分析表明,妊神星的等效圆直径为1,450千米。2010年,综合斯皮策望远镜和赫歇尔空间天文台的测量结果分析,得出了妊神星新的等效圆直径约为1,300千米。根据上述独立推算的数据,可得出妊神星的几何平均直径约为1,400千米。这让妊神星跻身于最大的海王星外天体之列,仅次于阋神星、冥王星,有可能次于鸟神星,故位列第三或第四;大于赛德娜、亡神星和创神星。

表面

除了天体形状导致光变曲线在所有色指数上同时产生剧烈波动外,在可见光和近红外线波段上,也还存在着较小的各色独立的变化;这表明妊神星表面有部分区域的颜色和反照率都与其他地区不同。特别的,在妊神星亮白色的表面上可以观测到一块暗红色的区域,这意味着这一地区富含矿物和有机(富碳)化合物,或者结晶冰的成分比更高。由此,假如妊神星的环境没有那么极端的话,其表面上的这块斑点可能会让人联想到冥王星。

2005年,双子星天文台和凯克天文台的望远镜获取到的妊神星光谱表明,妊神星表面类似于冥卫一,富含大量结晶水冰。这一发现是独特的,因为结晶冰形态形成于110 K的温度下,而妊神星的表面温度低于50 K,在此温度下通常会形成无定形冰。此外,在宇宙射线的持续照射和太阳高能粒子对海王星外天体的轰击下,结晶冰的结构很难保持稳定。在这些轰击下,结晶冰通常需要数千万年的时间转化为无定形冰,而在几千万年前,海王星外天体就一直处于和现在相同的低温位置上。此外,辐射损害还会让海王星外天体的表面出现有机冰和类tholin成分,从而变得更红更暗,冥王星正是如此。因此,光谱和色指数观测结果显示,妊神星及其家族成员曾在近期曾经历过表面翻新的事件,重新覆盖上了一层冰。但是,目前还没有提出一种可以合理解释其表面翻新机制的理论。

妊神星表面雪亮,反照率的范围在0.6-0.8之间,与其富含结晶冰的推论一致。阋神星等部分大型海王星外天体的反照率与妊神星相仿或更高。根据表面光谱的最佳拟合模型,妊神星表面有66%至80%的区域被纯结晶水冰覆盖;为高反照率作出贡献的另一种物质可能是氰化氢或层状硅酸盐。铜钾等无机氰化盐亦有可能存在。

然而,对可见光谱和近红外光谱的进一步研究表明,妊神星的同态表面(homomorphous surface)覆盖有无定形冰和结晶冰的混合物,其混合比例为1:1,有机物成分含量不超过8%。氨水合物的缺少导致冰火山无法存在,观测结果也证实了碰撞事件是在一亿年以前发生的,这与动态研究的结论相吻合。相比于鸟神星,妊神星光谱中的甲烷含量稀少,这与其在热碰撞史中失去挥发物的事件一致。

2009年9月,天文学家在妊神星亮白色的表面上发现了一大块暗红色的斑点,这有可能是一次撞击的遗迹。造成该地区颜色与众不同的成因暂且未知,有可能是由于这一地区较其他地区的矿物和有机化合物含量更高,或存在着更多的结晶冰。

卫星

妊神星已经被发现的卫星有两颗:妊卫一和妊卫二。两颗卫星均由布朗团队在2005年使用凯克天文台观测妊神星时发现。

妊卫一发现于2005年1月26日,加州理工学院团队曾将其昵称为“鲁道夫”(传说中为圣诞老人拉雪橇的驯鹿之一)。妊卫一较靠外侧,直径约为310千米,是两颗卫星中较大较亮的一颗,以近圆形的轨道环绕妊神星公转,公转周期为49天。妊卫一对1.5微米和2微米的红外线有着强烈的吸收能力,与其表面大部分区域覆盖有结晶冰的现象相一致。由于妊卫一有着独特光谱,而其吸收谱线又与妊神星十分类似,布朗团队据此认为俘获模型无法解释这一系统的形成,因此得出了妊神星的卫星来自于妊神星本身的结论。

体积较小且靠近里侧的妊卫二,发现于2005年6月30日,曾被昵称为“布立增”。其质量仅有妊卫一的十分之一,公转轨道为非开普勒轨道,呈高度椭圆形,公转周期为18天。由于妊卫二的轨道受妊卫一摄动影响,截至2008年,两颗卫星的轨道交角为13°。天文学家并没有预料到妊卫二能具有相对较大的偏心率,也没有预料到两颗卫星的轨道会相互倾斜,这是因为潮汐作用会逐渐减小偏心率/倾角。由此,有推测认为,妊神星系统可能在相对近期内曾通过了较强的3:1共振区域,所以它的卫星才能具有现今如此独特的轨道。

现在,妊神星两颗卫星的轨道几乎完全侧向地球,并且妊卫二会周期性地掩食妊神星。通过观测这一现象,我们可以得出妊神星及其卫星的精确尺寸与形状,就像1980年代后期得出冥王星及冥卫一的那样。掩食发生时,妊神星系统会经历微小的亮度变化,中等口径以上的专业望远镜能够观测到这一变化。妊卫一上次对妊神星的掩食发生在1999年,但当时天文学家们尚未发现该系统,而下次妊卫一掩食将发生在130年之后。然而,出于规则卫星的独特情况,妊卫一会强烈地扭曲妊卫二的轨道,从而令妊卫二-妊神星掩食现象可以持续多年。

碰撞家族

妊神星是其碰撞家族中最大的天体,碰撞家族成员有着相似的物理和轨道属性,被认为起源于因剧烈碰撞导致解体的较大天体。妊神星族是海王星外天体中首先被识别出的碰撞族,其中包括妊神星及其卫星、(55636) 2002 TX300(≈364千米)、(24835) 1995 SM55(≈174千米)、(19308) 1996 TO66(≈200千米)、(120178) 2003 OP32(≈230千米)以及(145453) 2005 RR43(≈252千米)。布朗等人起初认为该星族是导致妊神星冰幔脱离的单次撞击的直接产物,但是后来认为其中有更复杂的缘由:初次撞击产生的碎片形成了妊神星的一个大卫星,之后该大卫星又遭受第二次撞击解体,产生的碎片向外扩散。根据后一种猜测推算出的的碎片扩散速率,与测量出的碰撞族成员速率更加吻合。

撞击族的存在显示妊神星及其“后代”可能诞生于离散盘。在太阳系的历史上,当前空旷的柯伊伯带发生这种撞击的概率不超过0.1%。初期的柯伊伯带比现在更密集,而妊神星族在当时可能还未形成,因为如此密集的星族会被海王星在柯伊伯带的运动所破坏——据信这也是柯伊伯带当前低密度的原因。因此,碰撞概率较高的动态离散盘区域更有可能是妊神星及其家族的诞生之地。

由于该星族的天体到达当今彼此远离的位置至少需要上十亿年,形成妊神星族的那次碰撞可能发生于太阳系历史的初期。

探索

经过计算如果2025年9月25日的发射飞行器,通过木星重力帮助,可以用14.25年飞掠妊神星。当飞行器抵达的时候,妊神星距离太阳48.18个天文单位。飞行时间如果是16.25年,那么发射时间可以在2026年11月1日、2037年9月23日和2038年10月29日。

    

  

  

 

   
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