尋找水內小行星

劉聲遠

太陽系是一個擁擠之地。不管我們望向哪里，總會看到有一些東西正在疾飛：為數不多的行星、上百萬顆小行星、1萬億顆彗星、數不盡的蓬松物和塵埃。只需一部足夠大的望遠鏡，再加上足夠的時間和耐心，那么你幾乎看向哪里哪里都會有東西。

請注意這里所說的“幾乎”這個字眼。在我們的太陽系里，有—個令人生疑的、看似空空如也的地方，而這里本應很容易支持成千上萬個運行軌道穩定的天體存在。這里不太遠，就在水星軌道內，它與地球之間的距離遠遠小于其與木星之間的距離；這里不算暗，太陽烈焰以兇猛的強度照射它；這里也算不上特別小，直徑數百萬千米。奇隆的是，天文學家在這里不僅沒有發現行星或小行星，而目，什么東西也沒有見到。

包括阿蘭斯特恩(前美國宇航局科學任務理事會副主任)在內的一些天文學家，相信這片地帶的空曠或許只是假象，太陽系早期形成于這個內部區域的天體，30億年后可能仍然存在。被行星引力牽動的彗星或者小行星可能游蕩到這里，最終被太陽的超強引力所俘獲。新拍攝的照片顯示，水星一直被小天體無情地撞擊，這暗示水星與太陽之間的太空曾經、并且有可能仍然被我們還沒有看見的天體所占據。那么，它們在哪里呢?也許你以為調查這里的天體數量不難，但事實上，天文學家在這方面進行的每一次嘗試都力不從心。

天文學家對水星軌道內一顆可能存在的行星的找尋已持續了400年之久，幾乎與望遠鏡的歷史一樣古老。1611年，在伽利略開始檢視天空不到兩年后，德國天文學家克里斯多夫·沙伊訥在明亮的太陽圓盤上發現了一個陰影。他以為自己發現了第七顆行星(當時天王星和海王星尚未被發現)，但后來證實那其實是一個太陽黑子。后來，又出現了更多錯誤的觀測結果。

19世紀50年代，對水內行星的尋找得到一次很大的激勵。當時，法國數學家勒維耶宣布，水星看來受到了像是一顆水內行星的影響，而他進行的詳細計算表明，水星的軌道在緩慢而穩定地飄移。對此，當時人們能想到的唯一解釋是，水星受到一顆較小天體的引力擾動，而這個天體與太陽的距離比水星還近。

許多天文學家繼續運用當時能力很有限的望遠鏡尋找水內行星，他們甚至給這顆推定的新行星起了個名字一“伏爾甘”，羅馬神話中的火神。對—個表面溫度足以熔化鉛和鋅的世界(如果這個世界真的存在的話)來說，這個名字再適合不過了。

隨著時間推移，望遠鏡變得越來越大，越來越好，有能力發現微弱的小天體。進入20世紀，任何行星或類行星(類似行星的物體)——哪怕其直徑只有數百千米——都應該能被觀測到。雖然觀測太陽的近旁很困難，但一顆行星要想隱藏自己也并非容易。天文學家對“伏爾甘”存在的信念逐漸弱化。最終，天才科學家愛因斯坦一錘赭地終結了“伏爾甘”存在的想法——他在1915年提出的廣義相對論足以完美解釋水星軌道的緩慢變動，這樣一來，一顆水內行星的存在就再無必要了。

關于水內行星的故事就到此為止了嗎?遠遠不是。一些天文學家堅信，某些類型的天體一定能在水星和太陽之間舒服地開辟一條生路，問題是人們的期望值不能太高——水內行星可能并不存在，但尋找一大幫“伏爾甘小神”應該更靠譜。所謂伏爾甘小神，就是天文學家從那以后為這幫假想中的小行星狀天體起的名字一“伏爾甘天體”，也就是水內小行星。

為了尋找水內小行星，就必須確定它們可能所在的位置。一顆大行星是相對容易看見的，而小天體卻可能被太陽耀眼的光芒所掩蓋。可以推想，一方面，任何天體如果太過靠近太陽，就會被太陽氣化，就像靠近火的棉花糖一樣；另一方面，任何天體如果其軌道太過靠近水星，就會受到水星引力的影響，被推出這片灼熱地帶。水星甚至可能從這些天體那里盜走能量，使之最終悲慘地墜入太陽。

這些限制性條件界定了一個環狀太空區域，這個區域從距離太陽大約650萬千米的地方延伸出去不到2000萬千米，總面積約為2.6乘以百萬之四次方平方千米。在這個區域中繞行的天體能存活數十億年。

然而，即使是在水星與太陽之間的這個穩定地帶，水內小行星還是難以維持其體面的生活，因為還有個頭大小的問題。

水內小行星有一個個頭下限。很小的東西(例如塵埃顆粒)會被來自太陽表面的、由亞原子微粒所構成的太陽風吹離太陽系最里層，就連光也會對其施加壓力。因此，直徑小于幾百米的任何天體應該早已從內太陽系消失。水內小行星還有一個個頭上限。天體越大，從地球上看去就會越明亮。因此，如果存在任何直徑超過65千米的水內小行星，是難逃天文學家的眼睛的。既然天文學家都沒有發現這樣的天體，它們應該是不存在的。

到20世紀晚期，對水內小行星的個頭和位置的限制條件已被很好地界定。新一代天文學家開始“正兒八經”地搜尋水內小行星。到今天，這種搜尋再度全面升溫。

尋找水內不行一確實困難，原因在于如果它們真的存在，其軌道會距離太陽太近。地球與水內小行星之間的距離可能遠達1-5億千米，因此從地球上看去，水內小行星在天空中與太陽之間的角度永遠不會超過12度，太陽的光輝會把水內小行星徹底遮掩。如此看來，要想發現水內小行星，只能在日落后或日出前的一個非常短暫的時間段(幾分鐘而已)進行觀測，那時太陽稍稍低于地平線，而假想中的水內小行星稍稍高于地平線。這使得尋找水內小行星的工作極具挑戰性，因為此時的天空明亮到足以淹沒來自目標天體的微弱光線。(出于相同的理由，在日全食期間進行這種觀測的效果也不會更好。)再者，觀測地平線附近，意味著得看穿數千米厚的狂亂、模糊、甚至污染嚴重的地球大氣層，這使得觀測難度更大。

搜尋水內小行星的任務如此十分艱巨，但一些天文學家還是樂意承擔起它。目前供職于美國西南部研究所的斯特恩和丹·杜爾達，他們凝視太陽與水星之間的熾熱地帶已超過10年，而他們的探索可能還要持續10～12年才有結果。

意識到大氣干擾給觀測帶來的困難，斯特恩和杜爾達采取了一種新的觀測方法：幾乎飛到大氣層之上去進行觀測。2002年，他們制造了一部特制相機，乘坐一架F-18戰斗機飛到離地14900米高度，那里的天空清朗得多。這是一次勇敢的嘗試，不幸的是，在這樣的高度天空依然太明亮，難于發現水內小行星，即便在黃昏時分也不行。

或許在環繞地球的飛行器上進行觀察，角度會好一些。可是，就算是在地球上空500千米，這樣的搜索幾乎還是不可能的。例如，在以每秒8千米速度環繞地球的航天飛機上，從日落到水內小行星下降至地球邊緣以下之間的時間只有幾秒鐘而已。把專用航天器放進軌道中進行觀察也是一種思路，但成本太過昂貴，不可行。

為其他用途設計的前往地球軌道外的太空探測器，也分擔了搜尋水內小行星的任務。美國宇航局2010年2月發射

的用于觀測太陽磁活動的“太陽動力學天文臺”，應該能發現位于個頭上限范圍的水內小行星。這個“天文臺”已進行過預備性觀測，但沒有任何發現，天文學家不得不把尋找范圍縮小到稍小一些的水內小行星。2011年3月進入環繞水星軌道的美國宇航局的另一艘飛船“信使號”，一直都在掃描可能存在的水內小行星，但迄今還沒有結果。美國宇航局的“太陽地球關系天文臺”也進行過這方面的嘗試，這實際上是一對在地球軌道中緊隨地球運行的人造衛星，一個正好位于地球前方，一個正好跟在地球后面。這個“天文臺”的設計目的之一是檢查太陽周圍的太空，探測巨型太陽爆發的效果，因此不失為尋找最明亮水內小行星的一個好平臺。斯特恩和杜爾達等天文學家計算出，這對人造衛星將能夠探察直徑小到2.4～6.4千米的水內小行星。盡管“太陽地球關系天文臺”在搜索水內小行星方面迄今尚無進展，但天文學家們仍對它寄予厚望。

如果說飛機飛得太低，人造衛星的移動又太快，都不能成為觀測水內小行星的有效工具，那為何不能來一個折中呢?這就是亞軌道火箭飛行。

在未來幾年中，“維珍銀河”及其他私營公司將開始用小型飛船運送乘客上升至地球上空100千米高度。付費乘客將看見地球邊緣的弧線及黑色的天空，還將在返回地面前體驗三分鐘的失重感覺。對于搜索水內小行星來說，這類飛行堪稱完美機會。在如此高度的黑暗天空，應該有機會發現哪怕微弱的水內小行星。三分鐘的觀測窗口看似短暫，但對于敏感的相機搜尋直徑小到1千米的水內小行星來說已足夠長了，這比“太陽地球關系天文臺”、“信使號”和“太陽動力學天文臺”在這方面的觀測能力要強得多。這種小型飛船的票價是20萬美元，對于尋找水內小行星這樣的科學探索而言，還算得上“價廉物美”。

斯特恩和杜爾達正是這么想的，所以他們已購買了這樣的“船票”，計劃屆時搭乘三次飛船，把特制相機帶到太空邊緣。在單獨一次飛行中，他們的儀器應該能觀測可能存在水內小行星的太空區域的1/3，從而大大提高發現這類天體的概率。如果屆時真的發現了水內小行星，天文學家們粥得以描述它們的性質：它們究竟有多少?它們的軌道距離太陽到底有多近?它們的大小分布狀況如何?

這是一個耐人尋味的問題：在經歷了一次又一次的徒勞無功的努力之后，像斯特恩和杜爾達這樣的天文學家還會繼續尋找水內小行星嗎?就連他們的許多同事都認為這整個項目完全是堂吉訶德式的愚蠢狂想——誰愿意研究根本就不存在的東西呢?

不過，太陽系早已讓我們驚奇過。天文學家曾一直以為火星和木星之間的太空是一片空白，直到意大利天文學家朱塞佩·皮亞齊在1801年發現了第一顆小行星谷神星(小行星1號)。如今天文學家估計，在那里有數百萬顆巖石在繞行。海王星軌道外環繞的冰質彗星曾經也一直只是猜測而已，直到20世紀90年代發現第一個柯伊伯帶天體，天文學家才開始逐漸認識到，柯伊伯帶天體的數量或許多達數百萬顆。上述兩項發現都揭示了有關行星系統形成與演化的大量信息。

天文學家和其他科學家永遠都是充滿好奇心的。正如美國著名天文學家卡爾·薩根所言：缺少證據并不意味著沒有證據。然而，就算最終在水星與太陽之間的“沙漠地帶”什么也沒有發現，也一樣能提供有關太陽系的一些線索。如果最終發現太陽系中真有且只有這么一個完整的空白，這項發現無疑將十分重要。或者，太陽影響這片區域的方式是我們從未想象過的。或者，在水星軌道以內要想達到穩定的軌道，或者要想移動天體，其難度比天文學家原先以為的更大。這些都將有助于我們查明有關其他恒星周圍可能存在的行星的大量信息。