[科普中國(guó)]-光速行進(jìn)1秒 那兒有地球的“幽靈衛(wèi)星”

1961年，波蘭天文學(xué)家柯迪萊夫斯基在深空中發(fā)現(xiàn)了兩團(tuán)時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的物質(zhì)，將其命名為柯迪萊夫斯基云。近日，匈牙利科學(xué)家賈博爾·霍瓦特（GáborHorváth）等人再次捕捉到實(shí)質(zhì)為塵埃云的柯迪萊夫斯基云，終于揭開(kāi)了多年謎團(tuán)。該研究成果發(fā)表在英國(guó)《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》上?？碌先R夫斯基云也被稱(chēng)作地球的“塵埃云衛(wèi)星”或者“幽靈衛(wèi)星”。該塵埃云距離地球僅40萬(wàn)公里，卻是讓天文學(xué)家57年來(lái)爭(zhēng)論不休的“罪魁禍?zhǔn)住?。該塵埃云的存在為何爭(zhēng)議不斷？匈牙利科學(xué)家又是怎樣發(fā)現(xiàn)它的？其形成機(jī)理又是什么？近70年前的一個(gè)預(yù)言“塵埃是尺寸在納米到毫米量級(jí)的空間顆粒，普遍存在于太陽(yáng)系甚至宇宙中。事實(shí)上，宇宙中除了大大小小的天體之外，并不是完全真空。”芬蘭奧盧大學(xué)太陽(yáng)系塵埃動(dòng)力學(xué)方向的研究人員劉曉東在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)時(shí)表示。早在1951年，波蘭天文學(xué)家維特科瓦斯基就曾預(yù)測(cè)引力平衡點(diǎn)上的塵埃濃度會(huì)增加，并經(jīng)光度測(cè)量得到確認(rèn)。引力平衡點(diǎn)，即拉格朗日點(diǎn)，在天體力學(xué)中是限制性三體問(wèn)題的五個(gè)特解，分別表示為L(zhǎng)1、L2……L5。簡(jiǎn)而言之，兩個(gè)較大天體和一個(gè)質(zhì)量可忽略不計(jì)的小天體組成的三體系統(tǒng)中，由于引力作用，空間中存在引力平衡點(diǎn)。若小天體處于這些點(diǎn)，則相對(duì)于兩大天體基本保持靜止。例如，1906年首次發(fā)現(xiàn)在木星軌道上運(yùn)動(dòng)的小行星就在日木系統(tǒng)L4點(diǎn)附近。通常在限制性三體問(wèn)題中，L4、L5是穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。位于穩(wěn)定點(diǎn)的小天體即使受外界引力的擾動(dòng)，仍然有保持在原來(lái)位置處的傾向。1961年3月，柯迪萊夫斯基觀(guān)測(cè)地月系統(tǒng)中靠近L5平衡點(diǎn)的位置，相繼拍攝到了兩片光斑，并用自己的名字為其命名，“柯迪萊夫斯基云”這一說(shuō)法就此誕生。從維特科瓦斯基的相關(guān)預(yù)測(cè)到柯迪萊夫斯基真正拍攝到實(shí)證已經(jīng)過(guò)去整整10年。偏振觀(guān)測(cè)令“衛(wèi)星”現(xiàn)身前文提到，柯迪萊夫斯基云距地球40萬(wàn)公里，以光速30萬(wàn)公里/秒計(jì)算，一束光從地球出發(fā)，只需1.33秒就能觸及云團(tuán)神秘的面紗。眾所周知，浩瀚宇宙的大小至少為137億光年，40萬(wàn)公里相比之下堪稱(chēng)“近在咫尺”。然而，就是在地球的“眼皮底下”，這個(gè)謎團(tuán)卻一直延續(xù)至今。由于兩個(gè)塵埃云極其微弱，柯迪萊夫斯基當(dāng)時(shí)拍攝的兩片云團(tuán)極度模糊。太陽(yáng)引力攝動(dòng)、太陽(yáng)風(fēng)和其他大行星的引力作用會(huì)降低此處塵埃的穩(wěn)定性，因此，這兩片塵埃云的存在一直飽受天文學(xué)家的質(zhì)疑，之前只有少量的計(jì)算機(jī)仿真研究模擬了該塵埃云的形成和特性。當(dāng)然，后續(xù)也有一些科學(xué)家根據(jù)柯迪萊夫斯基的相關(guān)研究進(jìn)行探測(cè)，卻并沒(méi)有捕捉到柯迪萊夫斯基云。20世紀(jì)90年代，日本發(fā)射的太空探測(cè)器“飛天”號(hào)曾經(jīng)試圖探測(cè)地月系統(tǒng)的拉格朗日點(diǎn)附近的塵埃粒子，結(jié)果顯示，此處塵埃的密度相比周?chē)h(huán)境并沒(méi)有顯著變化。時(shí)隔半個(gè)世紀(jì)，賈博爾·霍瓦特等人再次捕捉到柯迪萊夫斯基云，使其“沉冤”終于“昭雪”。賈博爾·霍瓦特在近期發(fā)表的文章中考慮了太陽(yáng)、地球和月球三個(gè)大天體對(duì)塵埃粒子的作用，對(duì)186萬(wàn)個(gè)粒子進(jìn)行了仿真計(jì)算。在時(shí)間維度上，對(duì)L5平衡點(diǎn)附近的塵埃粒子3650天的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)3650天后L5點(diǎn)附近剩余的塵埃可以聚集。文章表示，即便存在太陽(yáng)引力等多重外力擾動(dòng)，地月系統(tǒng)L5點(diǎn)附近仍有形成塵埃云的可能性。理論計(jì)算結(jié)果如同黑暗中的一抹曙光，給予了研究者莫大的信心。緊接著，研究團(tuán)隊(duì)利用匈牙利私人天文臺(tái)，對(duì)L5點(diǎn)附近的塵埃云可能存在的位置進(jìn)行了連續(xù)觀(guān)測(cè)和拍攝?！袄玫孛娉上衿駵y(cè)量，我們提供了新的觀(guān)測(cè)證據(jù)，證明地月系統(tǒng)L5點(diǎn)附近存在柯迪萊夫斯基云?！辟Z博爾·霍瓦特等在論文中寫(xiě)到。在得出結(jié)論之前，研究者也提到偏振測(cè)量這一方法在天體探測(cè)中應(yīng)用廣泛，裝有偏振器的望遠(yuǎn)鏡可以研究地球大氣中性點(diǎn)、日冕、太陽(yáng)系行星/衛(wèi)星表面、遙遠(yuǎn)的恒星、星系和星云。這些例子很好地說(shuō)明了偏振測(cè)量是一種收集天文信息的有用技術(shù)。因此，研究者認(rèn)為通過(guò)成像偏振測(cè)量技術(shù)研究柯迪萊夫斯基云是可行且有效的。不太可能“蛻變”為真實(shí)衛(wèi)星賈博爾·霍瓦特等的新研究結(jié)束了長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的爭(zhēng)論，這是否意味著地球從此多了兩顆“衛(wèi)星”？答案是否定的。“太陽(yáng)系中的塵埃普遍存在，有些地方的塵埃密度高于其他空間的塵埃密度，往往被人們稱(chēng)為‘塵埃云’，但與真正的衛(wèi)星相比，塵埃云的密度幾乎小到可以忽略不計(jì)?！蹦暇┐髮W(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授周禮勇告訴科技日?qǐng)?bào)記者，與實(shí)體衛(wèi)星不同，塵埃云的自引力幾乎可以忽略。就現(xiàn)有的理論模型，宇宙中塵埃凝結(jié)、積聚成更大的天體需要非常嚴(yán)苛的環(huán)境和條件，所以這些塵埃云也不可能演變成地球的衛(wèi)星。雖“蛻變”成衛(wèi)星無(wú)望，但也不能否認(rèn)賈博爾·霍瓦特等的新研究對(duì)未來(lái)相關(guān)領(lǐng)域的影響?！袄碚撋?，平衡點(diǎn)附近有可能存在相對(duì)高密度的塵埃物質(zhì)，如今賈博爾·霍瓦特等通過(guò)技術(shù)手段真實(shí)觀(guān)測(cè)到了塵埃云，證實(shí)了天文學(xué)家的預(yù)期?！敝芏Y勇表示，由于太陽(yáng)系中的塵埃粒子除了會(huì)受到太陽(yáng)、地球、月球的引力之外，還可能受到其他天體的引力攝動(dòng)以及太陽(yáng)輻射壓等非引力攝動(dòng)的影響，因此可利用該項(xiàng)研究的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)在一定程度上反推該平衡點(diǎn)附近的復(fù)雜空間環(huán)境，也為人們進(jìn)一步探知塵埃粒子的運(yùn)動(dòng)方式或軌跡演化提供了真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。該項(xiàng)研究也將一個(gè)個(gè)尚未揭開(kāi)的謎題重新拋到了天文學(xué)家的眼前——塵埃的起源是什么？塵埃云的形成機(jī)制又是什么？劉曉東表示，大行星的衛(wèi)星或者小行星的表面受行星際物質(zhì)撞擊即可產(chǎn)生塵埃。大行星的衛(wèi)星或小行星可看成為“母體”，當(dāng)母體沒(méi)有大氣或者大氣非常稀薄時(shí)，在高速行星際物質(zhì)撞擊下，母體將彈射出塵埃粒子，這些塵埃粒子很有可能獲得超過(guò)母體星球逃逸速度的初速度，從而脫離母體。此外，塵埃也可能伴隨衛(wèi)星的地下噴泉噴射產(chǎn)生，例如土衛(wèi)二和木衛(wèi)二的羽流噴泉塵埃。當(dāng)然，還有更多未知的可能等待研究人員進(jìn)一步探索。關(guān)于塵埃云的形成機(jī)制，學(xué)界認(rèn)為其“可能由星際塵埃聚集而成”。在劉曉東看來(lái)，也可能以前或現(xiàn)階段在塵埃云的附近存在尺寸很小的小行星或者碎石塊大小的母體，這些母體在行星際物質(zhì)的撞擊下產(chǎn)生了塵埃，形成了塵埃云，只是目前這些母體尚未被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)。不僅塵埃云的形成機(jī)制尚待探索，塵埃云的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、分布規(guī)律也需要進(jìn)一步研究。更何況，塵埃云只是茫茫宇宙中的滄海一粟，無(wú)數(shù)的謎團(tuán)正等待人類(lèi)一步步靠近。一個(gè)謎團(tuán)的揭示意味著下一個(gè)謎團(tuán)的開(kāi)始，而我們一直在路上，從未停歇過(guò)腳步。