[科普中国]-光速行进1秒 那儿有地球的“幽灵卫星”

1961年，波兰天文学家柯迪莱夫斯基在深空中发现了两团时隐时现的物质，将其命名为柯迪莱夫斯基云。近日，匈牙利科学家贾博尔·霍瓦特（GáborHorváth）等人再次捕捉到实质为尘埃云的柯迪莱夫斯基云，终于揭开了多年谜团。该研究成果发表在英国《皇家天文学会月报》上。柯迪莱夫斯基云也被称作地球的“尘埃云卫星”或者“幽灵卫星”。该尘埃云距离地球仅40万公里，却是让天文学家57年来争论不休的“罪魁祸首”。该尘埃云的存在为何争议不断？匈牙利科学家又是怎样发现它的？其形成机理又是什么？近70年前的一个预言“尘埃是尺寸在纳米到毫米量级的空间颗粒，普遍存在于太阳系甚至宇宙中。事实上，宇宙中除了大大小小的天体之外，并不是完全真空。”芬兰奥卢大学太阳系尘埃动力学方向的研究人员刘晓东在接受科技日报记者采访时表示。早在1951年，波兰天文学家维特科瓦斯基就曾预测引力平衡点上的尘埃浓度会增加，并经光度测量得到确认。引力平衡点，即拉格朗日点，在天体力学中是限制性三体问题的五个特解，分别表示为L1、L2……L5。简而言之，两个较大天体和一个质量可忽略不计的小天体组成的三体系统中，由于引力作用，空间中存在引力平衡点。若小天体处于这些点，则相对于两大天体基本保持静止。例如，1906年首次发现在木星轨道上运动的小行星就在日木系统L4点附近。通常在限制性三体问题中，L4、L5是稳定的平衡点。位于稳定点的小天体即使受外界引力的扰动，仍然有保持在原来位置处的倾向。1961年3月，柯迪莱夫斯基观测地月系统中靠近L5平衡点的位置，相继拍摄到了两片光斑，并用自己的名字为其命名，“柯迪莱夫斯基云”这一说法就此诞生。从维特科瓦斯基的相关预测到柯迪莱夫斯基真正拍摄到实证已经过去整整10年。偏振观测令“卫星”现身前文提到，柯迪莱夫斯基云距地球40万公里，以光速30万公里/秒计算，一束光从地球出发，只需1.33秒就能触及云团神秘的面纱。众所周知，浩瀚宇宙的大小至少为137亿光年，40万公里相比之下堪称“近在咫尺”。然而，就是在地球的“眼皮底下”，这个谜团却一直延续至今。由于两个尘埃云极其微弱，柯迪莱夫斯基当时拍摄的两片云团极度模糊。太阳引力摄动、太阳风和其他大行星的引力作用会降低此处尘埃的稳定性，因此，这两片尘埃云的存在一直饱受天文学家的质疑，之前只有少量的计算机仿真研究模拟了该尘埃云的形成和特性。当然，后续也有一些科学家根据柯迪莱夫斯基的相关研究进行探测，却并没有捕捉到柯迪莱夫斯基云。20世纪90年代，日本发射的太空探测器“飞天”号曾经试图探测地月系统的拉格朗日点附近的尘埃粒子，结果显示，此处尘埃的密度相比周围环境并没有显著变化。时隔半个世纪，贾博尔·霍瓦特等人再次捕捉到柯迪莱夫斯基云，使其“沉冤”终于“昭雪”。贾博尔·霍瓦特在近期发表的文章中考虑了太阳、地球和月球三个大天体对尘埃粒子的作用，对186万个粒子进行了仿真计算。在时间维度上，对L5平衡点附近的尘埃粒子3650天的运动进行仿真模拟，发现3650天后L5点附近剩余的尘埃可以聚集。文章表示，即便存在太阳引力等多重外力扰动，地月系统L5点附近仍有形成尘埃云的可能性。理论计算结果如同黑暗中的一抹曙光，给予了研究者莫大的信心。紧接着，研究团队利用匈牙利私人天文台，对L5点附近的尘埃云可能存在的位置进行了连续观测和拍摄。“利用地面成像偏振测量，我们提供了新的观测证据，证明地月系统L5点附近存在柯迪莱夫斯基云。”贾博尔·霍瓦特等在论文中写到。在得出结论之前，研究者也提到偏振测量这一方法在天体探测中应用广泛，装有偏振器的望远镜可以研究地球大气中性点、日冕、太阳系行星/卫星表面、遥远的恒星、星系和星云。这些例子很好地说明了偏振测量是一种收集天文信息的有用技术。因此，研究者认为通过成像偏振测量技术研究柯迪莱夫斯基云是可行且有效的。不太可能“蜕变”为真实卫星贾博尔·霍瓦特等的新研究结束了长达半个世纪的争论，这是否意味着地球从此多了两颗“卫星”？答案是否定的。“太阳系中的尘埃普遍存在，有些地方的尘埃密度高于其他空间的尘埃密度，往往被人们称为‘尘埃云’，但与真正的卫星相比，尘埃云的密度几乎小到可以忽略不计。”南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇告诉科技日报记者，与实体卫星不同，尘埃云的自引力几乎可以忽略。就现有的理论模型，宇宙中尘埃凝结、积聚成更大的天体需要非常严苛的环境和条件，所以这些尘埃云也不可能演变成地球的卫星。虽“蜕变”成卫星无望，但也不能否认贾博尔·霍瓦特等的新研究对未来相关领域的影响。“理论上，平衡点附近有可能存在相对高密度的尘埃物质，如今贾博尔·霍瓦特等通过技术手段真实观测到了尘埃云，证实了天文学家的预期。”周礼勇表示，由于太阳系中的尘埃粒子除了会受到太阳、地球、月球的引力之外，还可能受到其他天体的引力摄动以及太阳辐射压等非引力摄动的影响，因此可利用该项研究的观测数据在一定程度上反推该平衡点附近的复杂空间环境，也为人们进一步探知尘埃粒子的运动方式或轨迹演化提供了真实有效的数据。该项研究也将一个个尚未揭开的谜题重新抛到了天文学家的眼前——尘埃的起源是什么？尘埃云的形成机制又是什么？刘晓东表示，大行星的卫星或者小行星的表面受行星际物质撞击即可产生尘埃。大行星的卫星或小行星可看成为“母体”，当母体没有大气或者大气非常稀薄时，在高速行星际物质撞击下，母体将弹射出尘埃粒子，这些尘埃粒子很有可能获得超过母体星球逃逸速度的初速度，从而脱离母体。此外，尘埃也可能伴随卫星的地下喷泉喷射产生，例如土卫二和木卫二的羽流喷泉尘埃。当然，还有更多未知的可能等待研究人员进一步探索。关于尘埃云的形成机制，学界认为其“可能由星际尘埃聚集而成”。在刘晓东看来，也可能以前或现阶段在尘埃云的附近存在尺寸很小的小行星或者碎石块大小的母体，这些母体在行星际物质的撞击下产生了尘埃，形成了尘埃云，只是目前这些母体尚未被人类发现。不仅尘埃云的形成机制尚待探索，尘埃云的运动特点、分布规律也需要进一步研究。更何况，尘埃云只是茫茫宇宙中的沧海一粟，无数的谜团正等待人类一步步靠近。一个谜团的揭示意味着下一个谜团的开始，而我们一直在路上，从未停歇过脚步。