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1 第 8 篇 行星 小行星 彗星 太陽系外行星 太陽系成員, 依軌道次序有 : 水星 金星 地球 火星 小行星 木星 土星 天王星 海王星 海王外天體 (trans-neptunian objects / TNO) 彗星等, 所有行星都沿着黃道面的兩側運行 水星 金星在地球軌道之內, 稱 內行星 (inferior planets), 在地球軌道以外的則稱 外行星 (superior planets) 行星的視覺位置不停地變化, 例如水星和金星, 它們有時在太陽的東面, 有時在西面, 但不管如何, 水星距離太陽不會超過 28 0, 金星距離太陽不會超過 47 0, 這個視角稱為東大距或西大距, 所有天文年曆都會列出東 西大距和其他行星的特定位置時刻 ( 下圖 ) 行星的視覺位置 水星與太陽相隔不會超過 28 0, 所以只能在日出前或日落後在地平處短暫出現, 如果剛巧遇着水星軌道與地平線成低角度的話, 水星出現時間便更短 上圖展示水星在日出前已東升, 水星位於太陽之西 28 0 ( 西大距 ) 在下合附近的位置, 水星或金星有可能在太陽面前經過, 造成所謂凌日 (transit) 現象, 不過凌日並不常見, 以 21 世紀為例, 水星共有 14 次凌日, 下次在 和 2039, 金星只有兩次凌日 : 2004 和 2012 衝 (opposition) 指外行星與太陽中心剛好在黃道面相隔 的位置, 在衝期間的外行星距離地球最近最亮, 例如 的木星衝, 木星視直徑增大至 49.8 角秒 ; 的火星衝, 火星視直徑增至最盡的 25.1 角秒 ( 比最小時大了 7 倍 ), 亮度也增至最亮的 2.9 等 火星衝每隔 2.1 年左右便出現一次, 但視直徑接近 25 角秒的大衝要隔 10 多年才有一次 火星衝預測 AC_Planet_Comet Alan Chu 1 of 28

2 內行星 (inferior planets) 指地球軌道內的水星和金星, 外行星 (superior planets) 指地球軌道外的火星 木星 土星及其他行星 若是用望遠鏡觀測, 水星和金星都有明顯的盈虧現象, 火星盈虧程度較小, 木星及以外行星也有盈虧, 但它們距離地球更遠, 所以看起來像常是圓的 參考 : 行星盈虧 通常行星自轉與公轉軌道的方向一致, 如上圖, 但金星 天王星及冥王星的自轉與上圖方向相反, 稱逆自轉 (retrograde rotation) 行星 / 月球數據表資料更新 行星特徵名稱 水星 Mercury 金星 Venus 地球 Earth 月球 Moon 火星 Mars 木星 Jupiter 土星 Saturn 天王星 Uranus 海王星 Neptune 冥王星 Pluto 軌道半長徑 (10 6 km) # (AU) # 近日點 (AU) 遠日點 (AU) 軌道偏心率 軌道週期 (days) (years) 會合週期 (days) 平均軌速 (km/s) 軌道 - 黃道交角 質量 (10 24 kg) 赤道直徑 (km) 球體扁率 平均密度 ( 水 = 1) 表面引力 (m/s 2 ) 逃逸速度 (km/s) 赤道 - 軌道交角 (= axial tilt) 自轉週期 (hours) * 58.7 天 243 天 天 天 晝夜長度 (hours) 176 天 117 天 天 天 平均表面溫度 ( 0 C) 反照率 大氣壓力 (bars) 未確未確未確未確 0 衛星數目 薄環系統無無無無無有有有有無 表面磁場平均強度 (μt) < 視直徑 (arcseconds) ~ ~ 2.3 ~ 0.08 * 負數表示自轉與公轉方向相反 ( 逆自轉 ) # 月球至地球的距離 冥王星歸入 TNO 類 會合週期指行星與地球連續發生兩次 合 或 衝 所需的平均時間 對於月球, 會合週期就是一個朔望月 1 / 晝夜長度 = 1 / 自轉週期 1 / 公轉週期, 參考 AC_Planet_Comet Alan Chu 2 of 28

3 水星 水星最近太陽, 直徑不及地球的一半, 但核心竟佔整體直徑的 3/4! 理論認為水星原本有半個地球那樣大, 但初生後與另一原始行星碰撞被削去外層及部分內層, 結果剩下不合正常比例的鐵質大核心, 現時水星地殼仍然存在碰撞前內層原有的硫 鉀 碳等揮發性元素 水星軌道偏心率高達 0.206, 是衆行星軌道最不正圓的 它的反照率 0.14 ( 反射光對入射陽光比例 ) 也是衆行星中最低的 自轉週期的三倍剛好是公轉週期的兩倍, 結果一晝夜長達 176 天, 近天頂的太陽使地面升溫至 C, 深夜則跌至 C 水星沒有衛星, 沒有大氣層但有弱磁場 外觀似月球背面, 有許多以藝術家命名的碰撞坑, 例如貝多芬 李白 一些環形山露出反照率特別低的物質, 其本質未明, 有可能是地底下的石墨 / 碳 已命名的碰撞盆地有十餘個, 其中一個直徑 1500 公里, 在近日點時盆地內特別熱, 故稱卡路里盆地 (Caloris Basin) 部分盆地被年輕的熔岩覆蓋, 說明水星內體仍然有活動 水星表面廣泛分佈着長達數百公里, 高 1-2 公里的葉狀懸崖 (lobate scarps), 這說明水星核心冷卻時, 整個行星表面的收縮程度頗大 水星的自轉軸幾乎垂直, 在極區的碰撞坑底永無陽光照射, 溫度低於 C 2012 年美國信使號探測器曾宣稱水星北極存在水冰 參考 : Messenger 10 top Results 水星直徑 4880 公里,CB 是卡路里盆地, 白圈比喻體內不合正常比例, 半凝固的鐵質大核心 ( 着色圖片 ) 卡路里盆地 : 假黃色是熔岩跡, 灰藍是低反照率物質 水星上的 Hopper Crater 當它形成的時候, 地底的揮發性物質被撞擊加熱, 迅速昇華而去, 結果產生大面積像無數空穴的凹陷結構 ( 暱稱 hollows) 由於水星核心冷卻, 表面收縮而形成的葉狀懸崖 NASA 認為在水星北極環形山底存在水冰 ( 黃斑 ) AC_Planet_Comet Alan Chu 3 of 28

4 金星 古中國稱日出前的金星為 啟明, 日落後的金星為 長庚 它是最亮行星, 沒有衛星, 直徑較地球略小, 自轉週期 243 天, 比公轉週期多 18 天, 自轉也與公轉方向相反, 所以金星上日出在西方, 一晝夜長 2802 小時! 金星有濃厚的二氧化碳大氣層和含硫酸的積雲, 氣壓是地球的九十倍, 入射陽光被大氣吸收後形成溫室效應, 向着太陽的一面熱至 C 大氣高層有強風, 短短 100 小時就繞金星一周, 結果背着太陽的一面也很熱 ( 沒有足夠時間冷卻 ) 金星自轉很慢, 因此不能產生足夠磁場抵禦太陽風及太陽紫外輻射把表面原有的水分分解, 久而久之金星大氣層只殘留微量水氣 根據上世紀美國的先鋒金星號 (Pioneer Venus Orbiter) 麥哲倫號 (Magellan) 及 2000 年代歐洲金星快車 (Venus Express) 的探測, 金星表面 3/4 是平原,1/4 是高地, 碰撞坑比水星少得多 ( 因有濃厚大氣層阻隔 ) 金星有不少活火山區, 大規模的闊數百公里, 區內的岩漿爆發使地勢改變 火山爆發也使大氣高層的厚積雲含硫酸微粒, 天氣改變使微粒聚結成為酸雨, 但酸雨未降到地面已被附近的熱力再蒸發了 大氣低層不時有閃電, 可能是由火山噴發物衝上天空引起的 更多發現 : Venus Express and discoveries 金星被濃厚的大氣高層積雲遮蓋, 用光學望遠鏡看不到它的陸地 2016 年, 日本破曉號 (Akatsuki) 以紫外線拍攝金星在日間 ( 圖 1) 及紅外線在晚間 ( 圖 2) 的照片 圖 2 的棕色代表在大約 50 公里高度的熱積雲, 黑色是較高和較冷的積雲, 右上角是過度曝光的日照部分 金星的大氣低層閃電 ( 印象畫 ) 這是歐洲金星快車號用熱譜儀及美國麥哲倫號用電達探測金星的併圖, 中心是活火山 Idunn Mons, 高 2.5 公里, 紅色代表從火山流出熔岩的最熱輻射 金星上的煎餅狀圓丘 (pancake domes), 類似地球的盾狀火山, 但高度只有 ~ 1 公里, 由大量低流動性的高黏度熔岩形成 ( 麥哲倫號雷達掃描影像 ) AC_Planet_Comet Alan Chu 4 of 28

5 火星 火星是金星以外最接近地球軌道的行星 由於火星不以等速公轉, 火星衝要隔 764 至 812 天才出現一次, 平均週期 780 天 上圖是哈勃太空望遠鏡在 1999 年 4 月 27 日至 5 月 6 日 ( 火星衝期間 ) 拍攝的四幅火星影像, 北向上 ; 中心經度分別是 30 0 (Acidaliam 區 ) (Tharsis 區 ) (Elysium 區 ) 及 (Syrtis Major 區 ) 這時火星距離地球 0.58 AU, 視直徑 16 角秒, 火星北半球正值夏季, 北極冠的外層乾冰 ( 固態二氧化碳 ) 已大量昇華並且露出內部水冰 整體上火星呈紅色, 因為地面的沙土含氧化鐵, 灰暗區域是沒有被大量沙塵覆蓋的玄武岩 近 的環形地貌稱奧林匹斯山 (Olympus Mons), 它是一個超大盾狀死火山, 座圍寬 550 公里 火星大氣比地球空氣稀薄百倍, 以二氧化碳為主 相對地球雲, 火星雲頗為稀薄, 大部分是乾冰微粒, 不過也有一些水冰雲 (water-ice cloud) 不時彌漫在高山上 在大圖左上角近北極冠位置是一罕見由水冰雲形成的巨型氣旋 (cyclone), 最大直徑 1500 公里, 不久後 ( 大圖右上角 ) 這氣旋就瓦解了 右圖 : 在夏季縮細中的火星北極冠, 未縮細前可寬達 1100 公里 AC_Planet_Comet Alan Chu 5 of 28

6 z 古羅馬人稱火星為戰神 我國 吳書 則記述: 吳孫權赤烏十 三年五月 日北至 熒惑逆行入南斗 熒惑即是火星 南斗是 斗宿主體 現代人馬座的東部 古人對火星逆行疑惑不解 加 上它的紅光似燭上熒火 (亮度 1.8 至 2.9 等) 因此稱之為熒 惑 火星逆行動畫: z 火星直徑 6790 公里 自轉週期 24.6 小時 轉軸傾斜 250 四季週期相當地球上的 687 天 環 形山很多 其中約三百個大過 100 公里 火星北半球地勢低 南半球地勢高 在地殼的考勒斯 盆地 (Hellas) 與薩希斯高地 (Tharsis) 相隔 1800 明顯的凹凸地勢使人懷疑以前的火星曾被猛烈 碰撞 重力探測顯示火星有外核 直徑約 3000 公里 以熔鐵為主 不過磁場很弱 內核未明 火星的蓋爾 (Gale) 環形山 直徑 154 公 里 黃圈是 Curiosity 漫遊車的活動範圍 z 遠古時火星曾有大水和濕暖氣候 見下圖 現時火星表面沒有流動水 也沒有明顯火山活動 不過由極區到赤道都發現季節性坡紋 (recurring slope lineae) 簡稱 RSL 冬季時消失 夏季時 重現 RSL 被認為是礦鹽水從地下滲出的痕跡 亦有研究說 RSL 是流沙跡 在南北中緯度數處 曾發現因土壤侵蝕而暴露出來的淺層地下水冰 研究者猜測 數百萬年來 火星的自轉軸傾角 發生了變化 氣候改變使曾適合積雪的中緯度地區不再積雪 最終導致如今發現的地下水冰 火星曾有大水的證據 1. 被洪水沖擊的痕跡 2. 乾涸的河床 3. 由湖水反覆蒸發和重灌下形成的沉積岩 近赤道水手峽谷的 RSL 坡紋被認為是礦鹽水從地 下滲出後揮發的痕跡 亦有研究認為是流沙跡 AC_Planet_Comet Alan Chu 6 of 28 在南緯 570 懸崖發現因土壤侵蝕而暴露出來的地下 水冰 (藍色) 這些淺層水冰距離地表只有一兩米

7 歐洲的火星快車號 (Mars Express) 曾用雷達掃描火星南極區, 發現地表下 1.5 公里處有地下水反應, 與地球上已知的地下水反應相同 研究團隊認為反應顯示火星地下有一個直徑 20 公里的液態水湖 此湖位於較深地層, 足以隔絕地面上的季節變化, 而龐大壓力亦有助水分保持液態, 讓細菌等微生物得以存活下來 不過這只是雷達訊號反應, 尚未完全證實是液態水和微生物的存在 根據美國 MAVEN 探測器, 火星沒有磁層保護, 太陽風長期蠶食火星原有大氣, 結果大氣越來越稀薄和乾燥 ( ) 現時火星大氣層中二氧化碳佔 96 %, 氬 2 %, 水分約幾百 ppm, 平均氣壓只有地球的 0.7 %, 在此低壓下即使表面有水也難液化, 只能有少量水氣殘留在氣壓較高的低地 當夏季極冠的大量乾冰 ( 二氧化碳 ) 昇華返回大氣時, 它會產生強風吹離極區, 帶着殘留水氣與沙塵, 遇冷形成了稀薄白雲, 有時也會在晨早的地面結霜 1. 在山區的二氧化碳和水氣沿山坡上升, 到高空冷卻為含水冰微粒的白雲 2. 寒冷的晨早時分使大氣中的二氧化碳凝結, 並且與水冰微粒和塵粒黏附一起再降到地面為白霜, 太陽升高後白霜便會消失 火星表面的溫差懸殊, 約 20 至 C 由溫差或乾冰昇華引起的強風有可能把表面塵粒刮起, 這些塵粒直徑少於 50 微米, 一經刮起就會在天空遲遲下落, 結果形成黃色的塵暴 (dust storm) 塵暴能令地形的輪廓改變, 同一時間可以出現在不同地區的塵暴 每當火星在近日點附近, 南半球正值春夏季交接期間, 塵暴出現的機會較多, 最勁的塵暴 ( 像 年 ) 可以籠罩整個火星表面, 漫延數月才消失 箭向是 出現在北極區和考勒斯盆地的地區性塵暴, 十星期後塵暴擴展及籠罩全球, 看不清火星表面 1. 被火星塵暴塑成的 人面山 2. 塵暴令一環形山底部變得平滑, 只露出一堆沙丘 火星赤道上有數群, 東西分佈長達五千公里的獨特沉積層, 稱梅杜莎槽溝層 (Medusae Fossae Formation), 重力探測顯示它的密度 (~1.8 g/cc) 比岩石低, 由三十億年前超級火山所噴發的火山灰和岩漿塊沉積而成, 是目前已知太陽系最大規模的火山噴發沉積結構, 也是火星全球塵暴的一個主要塵粒來源 右圖只是結構的一小部分 AC_Planet_Comet Alan Chu 7 of 28

8 z 用望遠鏡易辨的表面特徵有: 隨四季變化的南北極冠 polar caps (由內層水冰和大面積但較薄的 外層乾冰構成) 考勒斯盆地 Hellas 奧林匹斯山 Olympus Mons (巨型盾狀死火山 座圍直徑 550 公里 高 21 公里) 水手峽谷 Vallis Marineris (長逾 4000 公里 最深 7 公里) 暗區有大流沙 Syrtis Major (火山高原) 子午線灣 Sinus Meridiani 珍珠灣 Margaritifer Sinus 尼羅湖 Niliacus Lacus 太陽湖 Solis Lacus 等 火星觀測地圖 z 曾成功登陸火星的器件有 Viking 1 & 2 (orbiter / lander, 1976) Pathfinder (orbiter / lander, 1997) Spirit (lander / rover, 2004) Opportunity (lander / rover, 2004) Phoenix (lander, 2008) Curiosity (rover, 2012) Insight (lander, 2018) 參考 z 霍爾 (Asaph Hall) 在 1877 年用美國海軍天文台的 26 吋 折 射 鏡 發 現 兩 顆 小 火 衛 火 衛 一 Phobos 和 火 衛 二 Deimos 在希臘文中分別是懼怕和恐怖的意思 火衛一 長 26 公里 表面佈滿碰撞坑 它永遠以同一正面向着火 星繞轉 週期 0.32 天 離火星面 6000 公里 在如此近 距下 數千萬年後火衛一可能會撞落火星 火衛二直徑 比火衛一細一倍 表面較平滑 距離火星 公里 外形不規則的火衛一和火衛二 小行星 小行星 (asteroid) 的故事源自十八世紀中期在歐洲發展的提丟斯 - 波德定則 (Titius-Bode s law) 以 n 算式表示就是 d = (4 + 3 x 2 ) / 10 d 是行星到太陽的相對距離 第一顆最近太陽的行星取 n = 第二顆取 n = 0 第三顆取 n = 1 第四顆取 n = 2.. 餘此類推 計算的結果如下 AC_Planet_Comet Alan Chu 8 of 28

9 * 提丟斯 - 波德定則發表時, 小行星 天王星與海王星仍未被發現 依據 n = 6 的預測, 天王星在 1781 年被英國的赫歇爾 (William Herschel) 發現, 但天王星之後還未找到 n = 3 的預測行星, 到了 1801 年元旦, 第一顆 細小行星 終於被意大利神父皮亞齊 (G. Piazzi) 用三吋中天儀發現, 當時這星位於預測距離 d = 2.8, 亮度 8 等, 取名穀神星 (Ceres) 從此歐洲出現一股依靠提丟斯 - 波德定則尋找新行星的熱潮, 不過後來發現的海王星卻偏離定則頗多了 已編號的小行星數以十萬計, 大多數在火星與木星軌道之間運行, 由於木星引力作用不能集積成行星 直徑超過 100 公里的小行星不足三百個, 其中以首次發現的穀神星最大, 直徑 950 公里, 自轉週期 9.07 小時, 表面幾個大坑呈現因水冰昇華而遺下的礦鹽白斑 續後發現有智神星 (2 Pallas) 婚神星 (3 Juno) 灶神星 (4 Vesta) 瑞華星 (139 Juewa) 愛神星 (433 Eros) 艾達 (243 Ida) 有一個衛星, 司理星 (24 Themis) 的表面則鋪滿水冰 曾飛近小行星的太空船約有十艘, 包括環繞小行星的曙光號 Dawn 由於質量低, 絕大多數的小行星不塑成球狀, 當陽光照射它們的不規則表面時, 小行星的亮度便依隨自轉步伐而改變, 從光變曲線便可推算該小行星的自轉週期 ( 右圖 ) 我們也可以從小行星的反照率和 絕對星等 粗略估計它的大小, 詳見上篇 開普勒定律 牛頓引力定律 附件二 當小行星的受光面吸收太陽輻射後轉向背面時, 小行星會把部分的吸收能量回饋往太空, 但由於體形凹凸不規則, 左右兩邊的輻射率無法一致, 結果自轉速度逐漸加快或減慢, 不過變量十分輕微, 短期內不易察覺, 所以要到近年才得到證實 首次確認有此現象的小行星是 YORP (YORP 是四位科學家姓氏的字首 ), 直徑約 150 米, 自轉週期 12 分鐘, 估計數千萬年後, 自轉週期加快至 20 秒或可能分裂為雙小行星 太陽輻射令小行星自轉改變的現象稱為 YORP 效應, 太陽輻射也可以產生輕微的推壓作用令小行星軌道慢慢改變, 這現象稱為雅可夫斯基效應 (Yarkovsky effect) 小行星的反射譜型以 C S M D 型為主 C (carbonaceous) 型佔已知小行星總數約 75 %, 富碳質, 灰黑色, 反照率低於 0.1 S (silicaceous) 型佔總數約 17 %, 主要成分是鐵 - 鎂矽酸鹽 ( 石質 ), 典型反照率 0.2, 因此相對明亮 M (metallic) 型佔數少, 富金屬, 反照率 , 它們被認為是鐵隕石的來源 D 型比例更少, 含有機矽酸鹽和碳, 紅黑色, 反照率非常低, 它們可能是彗星的殘骸 AC_Planet_Comet Alan Chu 9 of 28

10 大多數小行星位於距日 AU 的小行星主帶內,C 型小行星集中在 2.6 AU 以外範圍,S 型則集中在 2.4 AU 以內 主帶中還有幾處柯德活空隙 (Kirkwood gaps), 那裡的小行星數目特別少, 原因見右圖 : 橙色代表小行星主帶, 那些 1/3 3/8 2/5 3/7 1/2 記號就是柯德活空隙位置,1/3 表示在此處的小行星公轉週期等於木星的 1/3,1/2 則是木星公轉週期的一半, 餘此類推 假設在 1/3 位置原有小行星 A, 木星每公轉一圈,A 便剛好轉了三圈, 所以每隔一段固定時間,A 與木星便在同樣的近距位置會合, 木星攝動使 A 的軌道輕微擴大 久而久之經過多次會合後,A 所累積的木星攝動效應就非常大了,A 終於完全脫離原來 1/3 位置而進入更近木星的新軌道, 這種累積性的攝動效應好像聲音的共鳴, 因此稱為軌道共振 (orbital resonance) 同樣道理, 其餘的 3/8 2/5 3/7 1/2 位置亦是最易產生軌道共振之處, 結果小行星主帶經歷長期演化後便出現缺乏小行星的柯德活空隙 一些小行星會群集在行星軌道上, 最早發現是木星的特洛伊群 (Trojans / Trojan group), 大部分成員屬 D 型, 分為兩組大約與木星 - 太陽構成一對等邊三角形, 每組中點正好是拉格朗日點 L 4 或 L 5, 在此處的太陽與木星合加引力等於小行星圍繞系統質心所需的向心力 ( 圖解見前講義 ), 結果在群內的小行星不會漂離 L 4 或 L 5 太遠 Trojan 原意是古代特洛伊人, 常與古希臘人戰爭, 兩群的成員都以雙方戰士命名 木星的兩組特洛伊小行星群, 已知前組有三千餘顆, 後組約有三千顆, 實數更多 一些小天體也在木星至冥王星軌道之間穿梭, 最特別是其二重身分, 一般像小行星, 一部分的反射光譜像彗核, 少數罕見地呈現彗髮, 它們的身分不甚清楚, 故稱之為半人馬天體 (Centaurs) 已知有三百多顆, 希達戈 (Hidalgo) 是首個發現的半人馬天體, 直徑 38 公里, 距日 2-10 AU 最大是 300 公里的女凱龍星 (Chariklo), 距日 AU, 從一次掩星觀測, 科學家意外地發現女凱龍星有兩圈暗環 回頭再說小行星主帶, 過去也找到十餘顆有彗尾的小天體在帶內運行, 統稱主帶彗星 (main-belt comets), 它們的軌道近似圓形, 所以不會走近太陽 主帶彗星有別於一般扁長軌道的長週期彗星, 前者含豐富水冰, 後者可能含冰或未必是真正含冰的, 例如 P/2013 P5, 在 2013 年發現時竟然伸出幾條塵埃尾 ( 右圖 ), 但光譜顯示它不含水冰! 研究者認為 YORP 效應使小行星的自轉加快,500 米大的 P/2013 P5 無法靠微弱引力保留自身物質, 結果物質從表面拋出形成塵埃尾 一些人不稱有塵埃尾的 P/2013 P5 和同類為主帶彗星, 認為以 活動小行星 (active asteroids) 稱呼更適合 順便一提, 有少數小行星只是一堆碎石併合, 例如 9969 Braille 已知的雙小行星約有 50, 逆向運行的小行星約有 100, 亦有一些軌道主帶彗星 / 活動小行星扁長, 甚至走近地球軌道成為近地小行星, 例如伊卡魯斯 (Icarus), 平均距日 1.08 AU, 軌道偏心率 年有四百米大的 號在 0.85 月地距離處經過,2017 年有數十米大的 2017 OO 1 在 0.33 月地距離處經過 如果遇着一個十公里級小行星撞正地球, 後果可以使大量生物滅絕 科學家說六千五百萬年前小行星撞地球使恐龍滅絕 參考 : 近地小天體 AC_Planet_Comet Alan Chu 10 of 28

11 木星 木星大氣層的主要特徵 EZ (Equatotrial Zone) 赤道帶 GRS (Great Red Spot) 大紅斑 NEB (North Equatorial Belt) 北赤道紋 SEB (Sourth Equatorial Belt) 南赤道紋 Whiter Oval 白斑 Festoon 卷邊雲 1. 朱諾號 (Juno) 探測器與木星南極區 區內混雜大大小 小的氣旋 在北極區也有同樣情況 2. 從一萬公里高 度見到的大紅斑 3. 從二萬公里高度見到的白斑及卷雲 AC_Planet_Comet Alan Chu 11 of 28 NTB (North Temperate Belt) 北溫紋 STB (Sorth Temperate Belt) 南溫紋 (NASA 哈勃太空望遠鏡拍攝)

12 z 木星是太陽系的最大行星 直徑 14.3 萬公里 比地球大 11 倍 質量比地球大 318 倍 表面引 力比地球強 2.5 倍 亮度僅次於金星 平均 2 等 木星被十分厚的大氣層包圍 沒有固態表 面 故此又喻為氣體行星 其中氫佔體積的 % 氦佔 10 % 其餘是小量的甲烷 (CH4) 氨 (NH3) 水分等 大氣特徵以北赤道紋 南赤道紋 大紅班和白斑最明顯 木星雲位於大氣 對流層內 由上至下分別是黃色的氨雲 棕紅色的氨硫化氫 (ammonium hydrosulfide / NH4SH) 雲 和藍白色的水冰晶雲 對流層之下是氣態氫 液態氫 一層有氦滴 (helium droplets) 沉積的氫 和一厚層可導電的液態金屬氫 木星磁場起源於液態金屬氫的流動 最內是一個邊界模糊 仍 待探討的多元素核心 曾觀測木星的探測器有航行者號 伽利略號 卡西尼號 朱諾號等 z 由於木星沒有固態表面 自轉週期隨緯度改變 在赤道是 9 h 50 m 30.0 s (System I) 在中緯度是 9 h 55 m 40.6 s (System II) 用射電觀測內體是 9 h 55 m 29.7 s (System III) 快速的自轉使這顆氣體 行星的赤道直徑比極直徑多出 1 / 16 在赤道帶和近北緯 250 的橫向風特別快 最高達 150 m/s z 木星有內熱令大氣層產生對流運動 大氣層深色的 紋 與淺色的 帶 都是從對流產生的氣雲 木星的快速自轉把它們分佈成橫條狀 紋比帶大約低 3500 到 5000 公里 (下圖) 大紅斑 GRS 是 一個位於木星大氣層頂的超級反氣旋風暴 在十七世 紀已被留意了 1800 年大紅斑闊 4 萬公里 1980 年 減為 2.3 萬公里 近年進一步萎縮到 1.6 萬公里或 1.3 倍地球直徑 但相對高度卻增加 氣旋中心的風速不 大 外緣則加快至每 4 至 5 天轉一圈 大紅斑大約固定 在南緯 220 但經度位置 大 小和顏色隨年代改變 有時 深紅 粉紅甚至是淡白色 一些模擬實驗推論大紅斑內部是白色的 色變可能與 太陽紫外線或宇宙射線撞擊大紅斑表面的氨及乙炔 (C2H2) 氣體有關 大紅斑的渦流特性亦會限制內部物質外逃 因此 大紅斑持續不散 ( ) 白斑 是規模較小的氣旋 通常位於南溫紋 偶然它們會互相併合 為較大的白斑 持續期長達數十年 大紅斑與白斑長期存在 的真相仍在探究中 z 已知的木衛有 79 顆 基本上沒有大氣層 最大的 4 顆最 先被伽利略用望遠鏡觀測 亮度 5-6 等 統稱伽利略衛星: 直徑 木衛一 (Io 艾奧) 3640 km 木衛二 (Europa 歐羅巴) 3120 km 木衛三 (Ganymede 蓋尼米德) 5260 km 木衛四 (Callisto 卡利斯托) 4820 km 軌道半徑 5.9 個木星半徑 9.4 個木星半徑 15 個木星半徑 26 個木星半徑 軌道週期 天 # 天 # 天 # 天 # 這三顆木衛保持着 的軌道共振關係 AC_Planet_Comet Alan Chu 12 of 年間出現的三個白斑及 其併合體 BA (哈勃太空望遠鏡攝) 伽利略號探測器

13 四個衛星中以木衛一 Io 最近木星 木衛一又與木衛二 三的軌道共振 因此它受到的引潮力也 最大 表面不時出現火山活動 下圖 1 黃色物都是噴出的硫和岩漿 木衛二 Europa 被冰層覆蓋 冰面的交錯裂縫是由木星引潮力造成的 伽利略號曾記錄過木衛二噴水氣 哈勃太空望遠鏡也 曾兩度察覺可疑水氣從同一冰面位置漏出 因此推測冰層下有液態水海洋 海水受木星引潮力 張壓可能產生適合生命存在的熱能 裂縫的 棕色好像是由冰層裂開後下層礦鹽水 氨 甲烷等揮發物質的噴出活動 (即是冰火山作 用 cryovolcanism) 所造成 木衛二短片: 木衛三 Ganymede 比水星還要大 有弱磁 場 表面的暗斑是古老地質演化區 亮斑點 是年輕碰撞坑 岩表層下可能存在鹽水海洋 和水冰 木衛四 Callisto 由近乎等量的岩石 和水 / 冰構成 表面有許多碰撞坑和一個大 型多環碰撞盆地 上述的四顆伽利略衛星 有時橫過木星表面造成 木衛凌木 圖 2 就是木衛一及其投影的凌木景象 伽利略衛星以外還有許多小木衛 在最外範 圍的木衛皆逆向運行 (右圖) 它們可能是以 前小行星或衛星碰撞碎裂後所造成的 較特 別是順行木衛 S/2016 J2 (Valetudo) 直徑只 有 1 公里 它的軌道傾斜 340 並且穿越逆行 的衛星群 將來有機會碰撞而碎裂 AC_Planet_Comet Alan Chu 13 of 28 伽利略衛星以外的木衛軌道

14 木星內部的上層是氣態氫 ( 右圖 ), 中層承受上層的重力形成液態氫, 下層的壓力更大, 結果無數電子被擠離氫原子間的鍵結, 形成一層像金屬能夠導電的液態金屬氫, 木星自轉使電子在液態金屬氫內流動並且產生強大且複雜的磁場 ( 見 ), 木衛一 二 三 ( 特別是木衛一 Io) 在木星的磁場運行時可以產生大量電流傾入木星的磁極, 因而激發大氣高層出現極光, 這些電流與木星磁場交互時也會激發厘米至米級波長的射電 左圖 : 木衛一的火山噴出物 ( 氧離子 硫離子 電子等 ) 散佈在軌道附近形成輪胎狀的 等離子體環, 環與木星磁場交互, 結果產生電流沿着磁流管傾入木星兩極的大氣層 ( 相當於幾百萬安培 ), 激發極光 右圖 : 哈勃太空望遠鏡用 UV 波段拍攝的木星北極光,1 2 3 分別是木衛一 二 三的電流接通點 由於磁場強大, 木星更易捕獲帶電粒子並使粒子加速形成木星輻射帶, 這些粒子能量比地球的范艾倫輻射帶強千倍, 可以損害飛近探測器的電子儀器和太陽能電池板, 因此美國朱諾號 (Juno) 採用右圖的繞極軌道來探測木星 朱諾號先從木星北極進入, 盡量避開輻射帶, 最低時離木星雲頂 4 千公里, 可以近距探測木星大氣層 磁場及重力, 軌道遠點則在 110 個木星半徑左右, 這樣朱諾號可以多次飛近木星但不會長期接觸輻射帶, 同時有足夠時間讓太陽能電池板補充電力 木星的大質量令整體緩慢地進行重力塌縮, 不斷將物質的引力勢能轉化為熱能, 結果木星向外輻射的熱能比它從太陽得到的熱能還要多兩倍, 在木星雲層下數百公里還會發射微波 木星有 4 組極暗的塵環, 只有幾米口徑的紅外線望遠鏡才察覺到 彗星撞木星 這是人類首次印證小天體碰撞行星的事件 右圖 A: SL 9 彗星 (Comet Shoemaker-Levy 9) 在 1993 年 3 月被發現, 到了 1994 年 5 月, 彗星已被木星的強大引潮力瓦解為 21 塊碎片, 碎片的散佈範圍長達一百萬公里 圖 B: 彗星碎片在 1994 年 7 月碰撞木星南半球, 劇烈的爆炸在木星雲層上留下黑色的疤痕, 疤痕逐漸擴散成長紋, 經歷十八個月後才消失 圖 C: 同年 7 月德國 X 射線人造衛星 ROSAT 拍下第 K 塊碎片碰撞木星的情況, 紅色是 X 射線最強的地方, 表示碰撞時產生的溫度甚高 AC_Planet_Comet Alan Chu 14 of 28

15 土星 土星也是氣體行星, 亮度 1.5 至零等, 自轉週期 10.6 小時, 赤道直徑是地球的 9.5 倍, 極直徑比赤道短 1/10, 平均密度 0.7 g/cc, 比水密度更低 大氣層中氫佔 96 %, 表面有橫紋, 但不及木星紋那般明顯, 偶然表面會出現白斑和極光 在北極有奇異的六角氣團, 它比地球寬兩倍, 相對土星表面, 六角邊緣是靜止的, 但其內卻是大型旋渦風暴 在南極沒有六角氣團但有同樣的旋渦風暴 土星最觸目的特徵是正最大視面的土星光環 ( 十吋反射鏡拍攝 ) 圓形的光環, 目視有 2.3 倍土星直徑, 內環密密麻麻分為 A-B-C-D 四組, 其中 A B 環最亮,C 環是暗淡和半透明的,D 環非常暗黑, 在 A 環外還有地面望遠鏡看不到的 F G 和最外 E 環 土星環有許多隙縫, 以分隔 A B 環的卡西尼縫 (Cassini division) 最寬, 達 4700 公里, 其次是在 A 環的恩克縫 (Encke gap), 寬 320 公里, 更窄是在 C 環的麥克斯韋縫 (Maxwell gap), 寬 270 公里 ( 光環與表面特徵併合詳圖 ) 土星環對軌道傾斜 27 0, 因此每隔半個土星軌道週期 (14.75 年 ), 它總以一次最大視面和一次環邊向着地球, 當環邊向正地球的時候, 即使用大望遠鏡也僅可察覺環的存在 有時環面短暫浮現一些輪輻紋 (spokes), 它們可能是受到某種靜電作用, 脫離環面而升起的冰微粒, 真正成因未明 圍繞赤道的土星環 A 環以外還有在地球看不到的 F G E 環 在土星北極的六角氣團 (Saturn s Hexagon) 土星環的最大和最小視面 B 環面上的輪輻紋在南極的旋渦風暴 土星環甚薄, 平均厚度只有十米, 由無數毫米到米級的水冰碎塊組成, 並且圍繞土星赤道運轉 土星環來歷及年齡仍未清楚, 它可能是衛星互撞的遺跡, 或外來彗星因太接近土星的洛希極限而瓦解成環, 不過從卡西尼號所見, 土星環的形成頗複雜, 有些冰粒是源於衛星噴出物的 參考 : 土星有 60 餘個衛星, 只有 5 個大過 1000 公里, 最小不足 1 公里, 其中一些在土星環內運行, 見下圖 Atlas 土衛十五 Pan 土衛十八 Calypso 土衛十四 Pandora 土衛十七 Enceladus 土衛二 Prometheus 土衛十六 Epimetheus 土衛十一 Telesto 土衛十三 Janus 土衛十 Tethys 土衛三 Mimas 土衛一 AC_Planet_Comet Alan Chu 15 of 28

16 最大是位於 E 環外的土衛六 Titan, 直徑 5100 公里, 比水星還要大, 有濃厚大氣層 ( 氮 ) 和液態甲烷湖 / 海, 大氣曾出現塵暴, 其半面被土星引潮力鎖定而永遠向着土星 次大是土衛五 Rhea 土衛八 Iapetus 土衛四 Dione 和土衛三 Tethys, 四者直徑 1 千多公里, 外層是水冰, 表面有碰撞坑 土衛二 Enceladus 在 E 環內, 直徑 500 公里, 重力探測顯示冰表層之下有大片海洋 海水 海床岩石與由引潮力觸發地熱之間的化學作用產生分子氫, 卡西尼號曾發現水氣帶動分子氫和有機化合物從土衛二南極冰面的裂縫噴出, 土星 E 環都是由這些噴出物形成的 400 公里大的土衛一 Mimas 有一個觸目的大坑 土衛七 Hyperion 是一團靠微弱引力併合的冰石, 直徑約 300 公里, 重心常受外力干擾, 自轉週期極不規則 土衛九 Phoebe 直徑約 220 公里, 距離土星較遠, 逆向繞土星運行, 馬鈴薯的外形佈滿碰撞坑 短片 : 太陽系的海洋世界 ` 守護衛星 或 牧羊衛星 (shepherd satellites) 指在土星環縫內的土衛, 它們剛好位於洛希極限之外, 所以沒有被土星瓦解 守護衛星是保持土星環完整的功勞者, 以右圖狹窄的 F 環為例, 它有一對 100 公里左右的守護衛星, 分別稱土衛十六和土衛十七, 前者靠近 F 環內側運行, 軌道週期 0.61 天 ; 後者靠近 F 環外側運行, 軌道週期 0.63 天 根據牛頓力學, 土衛十六一定走得快過在 F 環的環粒 P,P 又一定走得快過土衛十七 假如 P 因某原因失速墜向土星, 土衛十六會追過 P, 這時土衛十六的引力會令 P 加速重返原本軌道 假如 P 漂離土星, 滯後的土衛十七會把 P 的速度拖慢, 結果 P 損失動能重返原本軌道 就是這樣, 環粒被一對小衛星守護着不偏離軌道,F 環保持完整不散 在恩克縫內還有飛碟狀的土衛十八 (Pan), 直徑 30 公里, 軌道週期 0.58 天, 它猶如一位清道夫把誤闖入縫內的環粒掃返軌道兩旁, 結果恩克縫保持着固定的寬度 天王星 海王星 天王星 海王星分別在 年發現, 兩者也是氣體行星, 直徑相近, 約 5 萬公里 大氣成分以氫為主, 但含 1-2 % 甲烷 由於大氣的甲烷會吸收紅光, 天王星呈綠藍色, 海王星呈藍色, 表層大氣有隱約的紋帶 1989 年航行者二號 (Voyager 2) 曾遇見海王星出現一巨型反氣旋風暴 ( 別名 大暗斑 ), 到 1994 年用哈勃太空望遠鏡觀測已不復見 天王星亦偶然出現過暗斑, 但規模較小 天王星 (2006 年 ) 與海王星 (2018 年 ),N 為北極方向 天王星的自轉軸幾乎與軌道面平行 AC_Planet_Comet Alan Chu 16 of 28

17 天王星的公轉週期長達 84 年, 自轉軸幾乎與軌道面平行, 因此四季變化十分誇張, 例如夏天會持續 21 年 (1/4 公轉週期 ), 在北極的太陽可以升近天頂而多天不落, 這些現象在地球是不會發生的 天王星的亮度約 6 等, 有廿餘顆衛星, 其中四個的直徑超過 1000 公里 衛星中以天衛一 (Ariel) 和天衛五 (Miranda) 的表面最崎嶇, 兩者距離天王星分別是 7.5 及 5.1 個天王星半徑, 在如此近距下, 天王星的引潮力把它們張壓變成現在的崎嶇樣子 海王星的公轉週期長達 165 年, 亮度約 8 等, 有十餘顆衛星, 大部分直徑不足 300 公里, 最特別是海衛一 (Triton), 直徑達 2700 公里, 比冥王星還要大, 但距離海王星只有 14 個行星半徑並且逆向運行, 常受海王星的引潮力而作地質活動, 它可能是被海王星捕獲的 TNO 海衛一的表面溫度低至 C, 有稀薄的氮大氣層, 部分地區被薄氮冰遮蓋, 範圍隨陽光照射而變化 天王星和海王星都有磁場, 磁軸分別傾斜 59 0 和 47 0 ( 右圖 ), 大幅傾斜的原因可能與原始行星時期的彼此碰撞有關 兩星也有地球見不到的極暗薄環 天王星環的發現很偶然,1977 年一班天文學家在 KAO (Kuiper Airborne Observatory) 飛行天文台利用掩星方法研究天王星的大氣層, 他們意外地發現被掩的星光有異象 ( 下圖 ), 就是掩始時的光變曲線起伏幾次, 接近掩終時又起伏幾次, 他們認為天王星極可能有多重環圈令星光起伏 KAO 在這次任務中沒有看見環貌, 到 1986 年, 兩圈的天王星暗環終於被航行者二號探測器 (Voyager 2) 確認 目前已知天王星有暗環圈超過 10 個, 海王星暗環圈有 5 個 ( 參考 ), 兩行星的環內存在守護衛星, 但環粒的成分不太清楚 天王星 海王星的怪異磁軸 AC_Planet_Comet Alan Chu 17 of 28

18 冥王星 TNO 柯伊伯帶 奧爾特雲 冥王星 (Pluto) 在 1930 年被湯博 (Clyde Tombaugh) 發現, 直徑 2370 公里, 質量是地球的 0.22 %, 亮度約 15 等, 以前被認為是行星, 但 IAU 在 2006 年修改行星的定義, 行星 須符合以下條件 : 1. 在軌道上環繞着太陽 ; 2. 未能發生核聚變 ( 沒有氫燃燒 ); 3. 有足夠大的質量, 能以本身重力達致流體靜力平衡的球狀 ; 4. 能把其軌道上的鄰近天體清除 依此定義, 冥王星符合條件 但不符合條件 4, 因此被定性為 矮行星 (dwarf planet) 且看下面的 TNO ( 海王外天體 ) 分佈圖一些矮行星與月球的大小比較 冥王星的確有許多小鄰居, 它們有機會互相干擾而闖入冥王星的軌道, 但冥王星不能清除它們遠離本身的軌道, 因此冥王星不是行星而是衆多 TNO 的一分子 已知的 TNO 有千多個, 絕大多數是小天體, 配稱矮行星的只有十餘個, 其中鬩神星 (Eris) 的直徑與冥王星相若, 但質量比冥王星多 1/4, 軌道傾斜高達 44 0 賽德娜 (Sedna) 是一個軌道十分扁長的 TNO, 遠日點超過 900 AU, 繞日週期約 1 萬年 較大的 TNO 都有衛星, 表面溫度低於 C 較大的 TNO 名稱 平均直徑近日點 - 遠日點 Pluto 冥王星 2370 km AU Eris 鬩神星 2330 km AU Haumea 妊神星 1600 km AU 2007 OR km AU Makemake 鳥神星 1450 km AU Quaoar 創神星 1100 km AU Sedna 賽德娜 1000 km AU Orcus 亡神星 900 km AU 從美國新視野號探測器 (New Horizons ) 在 2015 年掠過冥王星時所見, 冥王星被冰態的氮 甲烷和一氧化碳覆蓋, 冰面受陽光照射形成極稀薄以氮 甲烷為主的大氣層 地表有一廣寬的心形冰封平原 ( 下圖 ), 稱 Tombaugh Regio, 心形邊近赤道處有三千多米高的結冰山脈, 左上半邊有冰川 ( 固態氮及一氧化碳 ) 流動的痕跡, 但毫無環形山, 這意味此處仍然有地質活動, 估計冰川形成不超過一億年, 相對 46 億年的地球年齡是十分年輕了 心形平原之外是含碳化合物的暗區, 小部分暗區露出水冰, 因此冥王星體內可能還有一層水冰, 再下是岩石, 平均密度 2 g / cc 新視野號拍攝的冥王星, 心形平原的左半沒有環形山, 藍假色是露出水冰的地方 冥王星的軌道對海王星軌道傾斜 16 0, 它的近日點也位於海王星軌道之內, 但兩者不會在軌道交點相撞, 因為它們的公轉週期分別是 248 年及 165 年, 冥王星每公轉 1 圈, 海王星已公轉 1.5 圈 ( 即 2 : 3 軌道共振 ), 所以每當冥王星經過軌道交點的時候, 海王星總會繞到別處, 根本沒有機會碰撞 AC_Planet_Comet Alan Chu 18 of 28

19 已知的冥衛有 5 顆, 最大最近是冥衛一 (Charon, 讀音 sharon), 直徑 1210 公里, 南北半球好像被一大峽谷分隔, 北極區有一含甲烷的棕色大斑 其他的冥衛則十分細小 冥王星與冥衛一的相對運動很特別, 原來前者的質量只比後者大九倍, 系統質心不在冥王星體內, 兩者像一對 雙矮行星 圍着外露的質心互繞多於行星 - 衛星關係 冥衛一的軌道週期等於冥王星的自轉週期, 同樣是 6.4 天, 如果有人在冥王星上看冥衛一, 冥衛一是不會在天空移動的 冥衛一軌道動畫 : 年,IAU 釐定 1 號小行星 (950 公里大的穀神星 ) 和四個較大的 TNO ( 冥王星 神星 妊神星 鳥神星 ) 為矮行星, 自此之後, 名詞 TNO (trans-neptunian objects) 被廣泛應用, 它是所有在海王星軌道以外的天體統稱, 包括源自 柯伊伯帶 (Kuiper belt) 及 奧爾特雲 (Oort cloud) 的天體, 見右圖 柯伊伯帶指距離太陽約 AU 的環帶狀空間, 多數已知的 TNO 都位於在柯伊伯帶內, 近 40 AU 的 TNO 與海王星作 2 : 3 軌道共振 ; 奧爾特雲是以太陽為中心的假想球殼狀空間, 半徑五千到十萬 AU 以上, 相當於兩光年或最近恆星距離的一半, 內有億計的冰石混合小天體 ; 介於柯伊伯帶與奧爾特雲的天體常以偏離黃道面的扁長軌道公轉, 我們籠統地稱這空間為 離散盤 (scattered disk) 彗星 柯伊伯帶 奧爾特雲的範圍 已知的彗星超過五千顆, 其中 60 % 由 SOHO 太陽探測器發現 絕大多數的彗星都沿着扁長的橢圓形軌道繞日運行, 週期從幾年到十萬年以上, 運行方向不定, 有順行, 有逆行 ( 與行星公轉方向相反 ), 軌道傾斜更不定, 甚至垂直 90 0, 不循閉合軌道運行的彗星, 這些只能算是過客, 一旦離去就不知何時向太陽回歸了 基於以上的軌道統計, 荷蘭天文學家奧爾特 (Jan Oort) 在 1950 年代提出一個假設 : 200 年以上的長週期彗星都來自一個遙遠的彗星倉庫, 即是前述的奧爾特雲, 在此的彗體會被路過的星或氣團干擾, 可能會出現狀態失衡而改道奔向太陽, 到內太陽系時才露出彗髮和彗尾 ; 少於 200 年週期的彗星多數來自柯依伯帶 根據開普勒定律, 彗星遠離太陽時必定走得慢, 接近太陽時的軌速會越來越快, 我們只能在日落後或日出前一段短時間見到接近太陽的彗星 奧爾特雲是假想的彗星倉庫, 倉內的含冰小天體被路過的星或氣團干擾, 改道奔向太陽成為彗星 彗星接近太陽時走得快, 一個月內便經過幾個星座 有研究認為軌道傾斜兼偏心率大的長週期彗星可能來自鄰近的星系統, 太陽隨機把它們攫獲才成為地球所見的彗星, 參考 首個闖進太陽系又離開的星際彗星是 ʻOumuamua ( 奧陌陌 ), 形狀與軌道異常, 參考 AC_Planet_Comet Alan Chu 19 of 28

20 從柯依伯帶或更遠來的彗星, 如果在奔日途中遇着大質量行星, 行星攝動會把它們的軌道縮小 ( 下圖 ) 成為 哈雷型彗星 (Halley-type comets) 或 木族彗星 (Jupiter-family comets), 前者的軌道週期約在 20 至 200 年之間, 軌道傾斜可達 90 0, 後者的週期少於 20 年, 軌道傾斜不超過 30 0 行星攝動使彗星軌道縮小 彗星軌道的比較 顧名思義, 最典型的哈雷型彗星就是聞名的哈雷彗星 (Halley s comet), 中國由秦始皇到清末共有 29 次哈雷彗星回歸的記錄, 一次不漏, 惜無人察覺它是同一彗星, 它的身分由英國天文學家哈雷首先確認 哈雷彗星以逆行公轉, 軌道傾斜 18 0, 近日點在水星至金星軌道之間, 遠日點在海王星的軌道外, 回歸週期約 75 年, 這樣的軌道使我們相信, 最初的哈雷不是這樣走的, 它好可能始於遙遠的奧爾特雲, 在奔日途中受到四大質量行星或其中一顆的攝動, 軌道才由長週期變為 75 年週期, 隨着未來的每次回歸, 它的質量和軌道會慢慢改變直至壽終, 粗略估計它會再回歸二千次 目前已知的哈雷型彗星不多, 約得 70 顆 1986 年的哈雷彗星, 下次回歸 2061 年 木族彗星的遠日點在木星軌道附近, 因此它的軌道變動完全由木星主導, 已知數量有 4 百多顆, 通常以順行公轉, 由於距日不太遠, 彗體內的揮發物不會多, 亮度很低 例子有 26P 彗星 (26P / Grigg-Skjellerup), 觀測亮度 9-23 等, 它在木星軌道之內運行, 多年來不停被木星攝動, 軌道逐漸往木星方向擴張, 近日點由 1922 年的 0.89 AU 增大至 2017 年的 1.09 AU, 遠日點在 4.95 AU ( 很接近木星的軌道內側 ), 軌道傾斜角也被木星拉低至 22 0 不過有些彗星不是這樣幸運把軌道保存着, 前述的 SL 9 彗星就是被木星的引潮力弄碎後再撞落木星而毁滅 右圖展示彗星變軌的另一種可能情況 : 海王星的質量比地球大 17 倍, 它的引力足夠把一顆臨近的彗星向前拉, 結果彗星獲得新動能向前衝, 軌道變得更長更大, 甚至遠日點被拋離到 60 AU 以外的空間, 彗星的週期也由原本短於 200 年增大到 200 年以上 這種變軌動力學原理常被應用到 引力輔助導航 (gravity-assisted navigation) 的航程上, 例如美國在 2006 年發射的新視野號, 它首先航近木星, 利用木星引力加速到 23 km/s 左右才繼續遠航, 終於在 2015 年中飛近冥王星探測 除了木星之外, 太陽又可以破壞甚至摧毀前來的彗星, 例如編號 73P 的木族彗星 (73P / Schwassmann-Wachmann 3), 在近日點 ( 約 1 AU) 受熱時揮發物質過度而逐漸分裂, 到現在已分成六十多份碎片, 右圖是哈勃太空望遠鏡拍得該彗星 B - 碎片在 2006 年接近太陽時再度分裂的影像 還有一族叫 掠日彗星 (sungrazers) 的, 由於近日點只有大約 0.01 AU, 被太陽分裂的 木星把彗星軌道的傾斜角拉低 行星攝動使彗星軌道擴大 73P 彗星的 B - 碎片再度分裂 AC_Planet_Comet Alan Chu 20 of 28

21 機會更高 克羅伊玆群 (Kreutz group) 是已知分裂最多的彗星, 母體原是古記載一顆八百年週期的大彗星, 後來這天體分裂, 至今已分成千多個子彗星, 它們的軌道週期與母體大致相同 有些掠日彗星更不幸, 抵擋不住太陽的引力和熱力, 結果墜落太陽或被大量蒸發而消失 ( 像下圖左的 ISON 彗星 ), 不過彗形變化多端,2011 年洛夫喬伊彗星 (C/2011 W3 Lovejoy) 的近日點只有 AU, 它竟然成功穿過日冕再走出來 ( 下圖右 ) 參考 : ISON 彗星繞過太陽後只剩下越來越小的殘骸 穿過日冕的洛夫喬伊彗星 (C/2011 W3 Lovejoy) 毫無疑問, 哈雷彗星是歷史上最著名的彗星, 但它並非最觸目, 恩克彗星 (Comet Encke) 也非觸目, 實際上亮度微弱, 聞名是由於它是繼哈雷之後, 第二顆可預測回歸的彗星, 而且又是週期 (3.3 年 ) 最短之一 除了這兩顆彗星外, 過去數十年較聞名的彗星有 1956 阿倫德 - 羅蘭 (Arend-Roland) 1965 池谷 - 関 (Ikeya-Seki) 1969 班尼特 (Bennett) 1973 高豪德 (Kohoutek) 1975 威斯特 (West) 1995 海爾 - 博普 (Hale-Bopp) 1996 百武 (Hyakutake) 2006 麥諾 (C / 2006 P1 McNaught) 2007 赫姆斯 (Holmes) 2011 洛夫喬伊 (C/2011 W3 Lovejoy) 書尾附錄列出上述彗星的軌道數據及命名法 天文愛好者拍攝的彗星 AC_Planet_Comet Alan Chu 21 of 28

22 洛夫喬伊彗星 (C/2011 W3) 在 發現, 初見時移動很快, 不久國際小行星中心算出它的近日點只有 AU ( 相當於 1.2 個太陽半徑 ), 通常在如此近距下, 彗星不是被太陽熱力蒸發就是墮向日面而消失, 結果它在 成功繞過太陽再走出來, 不單如此, 在南半球重現時更放異彩 照片上的洛夫喬伊彗星已過近日點, 彗尾約長 20 度 ( 謝恩攝於紐西蘭 日出前 1.2 小時 50 mm 鏡頭 + Nikon D7000) AC_Planet_Comet Alan Chu 22 of 28

23 科學家把彗星比喻為髒雪球, 因為它由大量水冰和固態氣體 ( 一氧化碳 二氧化碳 甲烷等 ) 混雜塵粒碎石而成, 遠離太陽時只有彗核, 大小約幾公里, 質量 kg, 回歸至 4 AU 左右時受太陽輻射影響, 易揮發的物質便從彗核釋放出來形成彗髮, 彗髮可以膨脹如太陽直徑, 因此密度甚稀, 比彗髮更大更稀薄的還有氫包層, 但肉眼難見 當彗星進一步靠近太陽, 彗尾便伸出來了, 越近太陽, 彗尾越長, 大彗星的彗尾甚至長過 1 AU, 橫跨幾十度天空 彗尾分為塵埃尾及離子尾兩部分, 前者是彗核沿着軌道外拋的塵粒, 塵粒的大小散射不同波長的陽光, 通常呈黃白色, 有時夾帶藍橙紅多色 ; 塵埃的拋出速度不及彗核的前進速度, 因此塵埃尾都向後彎曲 ( 像疾走火車的噴煙 ), 太陽風和陽光壓力也令塵埃尾永遠偏離軌道而背向太陽 ; 由於太陽風斷斷續續吹來, 從彗核拋出的塵粒亦非定量, 塵埃尾有時會斷裂或散成扇狀 離子尾來自彗髮上被太陽紫外線激發的電離子 ( 主要是 CO + 離子 ), 顏色偏藍而且同樣背向太陽, 但離子比塵埃輕, 因此外形筆直, 亮度較暗 偶然在特殊方向我們會看見無彗尾或反向彗尾的彗星, 這是一種視覺效果, 見本篇 第二組 Q&A 第 8 題 有時, 彗核內凝固氣體的沸點可能比表面物質的沸點為低, 當彗星飛近太陽時, 在內的凝固氣體受熱提早揮發, 結果氣體從表面縫孔擠出, 形成噴流, 美國探測器深度撞擊號 (Deep Impact) 還見過彗星 Hartley 2 擠出水冰粒 ( ) 1986 年歐洲探測器喬托 (Giotto) 飛近哈雷彗星探測其噴流, 噴流中八成是水氣, 其餘是一氧化碳 二氧化碳和塵粒 彗核因噴流作用不規則地打滾, 顏色暗黑, 表面粗糙, 反照率 0.04, 密度只及水的六成, 這說明彗核結構是多孔鬆散的 彗核的黑色來自一些 CHON ( 碳 - 氫 - 氧 - 氮 ) 化合物, 這些都是原始生命要素, 因此一些人推想地球上的生命和海水可能是由彗星帶來的, 但沒有佐證 後來歐洲探測器羅塞塔 (Rosetta) 登陸 67P 彗星, 發現彗核水分中氫同位素 重氫 (deuterium) 對氫原子的比例較地球海水多 3.5 倍, 更多分析說明彗星不是地球海水的主要來源, 參考 此外, 在小行星主帶內還存在一些富水分的小行星, 也有罕見帶彗髮的小天體, 稱主帶彗星 ( 見前文 ) 威斯特彗星的扇形彗尾 流星雨 流星雨 (meteor shower) 和彗星有密切的關係 當彗星接近太陽時, 它的外揮物質會不斷瓦解及分佈在軌道上, 如果碎片分佈平均, 每年地球與之相遇時便出現流星雨, 如果碎片分佈不平均, 流星雨便有密有疏, 甚至不明顯 最聞名要算每 33 年盛極一兩次的獅子座流星雨, 其源頭是軌道週期 33 年的坦普 - 塔托彗星 (55P/Tempel-Tuttle), 它遺下的碎片分佈並不平均, 極盛的獅子座流星雨就是地球經 AC_Planet_Comet Alan Chu 23 of 28

24 過彗星碎片最密集處時發生的,1999 年那一次, 每小時出現的流星超過一千顆 流星雨以它的輻射點 (radiant) 所在星座命名, 獅子座流星雨即其中一例, 其他還有舊稱的象限儀座流星雨 (1 月初, 輻射點在牧夫座 ) 寶瓶座 η 流星雨 (5 月初 ) 英仙座流星雨 (8 月中 ) 獵戶座流星雨 (12 月下旬 ) 雙子座流星雨 (12 月中 ) 等, 見書尾的附錄 當地球遇上彗星碎片時, 在黎明 ( 日出前 2-3 小時 ) 看到的流星數目可能比午夜前多, 因為在黎明時分, 地球的自轉和公轉讓觀測者向着正面而來的彗星碎片, 在午夜前看則受地球本體阻隔 不過這只是慨論, 實際的流星出現率還要視乎碎片的分佈情況 流星 隕石 流星 (meteor) 與上述的流星雨不同, 它只是瞬息閃過的個體, 當外太空的個別碎片以數十公里秒速衝入大氣層, 到 70 至 100 公里高度時便與空氣摩擦生熱, 後來燃燒成為可見的流星 特別耀眼的流星稱為火流星 (bolide / fireball), 高速飛過的火流星可能產生假爆裂的錯覺, 甚至發出嘶嘶噪音 ( ) 沒有在天空燒盡而墜落地面的餘體稱為隕石 (meteorite) 普通球粒隕石 (ordinary chondrite) 是發現最多的一種, 它沒有遭遇過母天體的地質分異或熔解, 因此結構沒有改變, 其基質嵌有豐富鐵鎂矽酸鹽的細球粒, 被認為是形成原始行星的物質 ; 含大量鐵 - 鎳的則稱為鐵隕石或隕鐵 基本上隕石保存了太陽系演化的原始訊息, 因此很有科學研究價值 有些大隕星或流星體 (meteoroid) 罕見地在大氣層中解體, 例如 1976 年在中國吉林市郊出現的隕石雨,2013 年發生在俄羅斯的車里亞賓斯克 (Chelyabinsk) 隕星爆炸事件及 1908 年發生在西伯利亞的通古斯卡爆炸事件 (Tunguska event ) 科學家估計每年入侵地球的外天體總量有幾萬噸, 絕大部分都是微粒, 流星和隕石佔的比例很少 普通球粒隕石 ( 截面 ) 一顆十餘米大的隕星在俄羅斯西部的車里亞賓斯克上空 30 公里爆炸, 威力相當於二十個原子彈 許多屋宇玻璃被震碎使千多人受輕傷 1920 年在非洲南部納米比亞 (Namibia) 一處稱荷巴農莊 (Hoba) 發現的大塊鐵鎳隕石, 寬約 2.7 米, 重逾 60 公噸 AC_Planet_Comet Alan Chu 24 of 28

25 太陽系外行星 附上的 DVD 中有兩輯記錄片連中文字幕, 上輯 45 分鐘講太陽系外行星 ( 簡稱系外行星 exoplanet) 的發現, 下輯 45 分鐘講小行星和彗星, 上輯內容 : 1. Marcy 與 Butler 利用十米口徑的凱克望遠鏡 (Keck Telescope), 以母星抖動原理 (wobbling of star) 搜索太陽系外行星 在 2000 年代初期發現的太陽系外行星不足一百顆 2. 在此之前 ( 指 1995 年 ), 在瑞士的 Queloz 首先發現飛馬座星 51 Pegasi (51 Peg) 的抖動, 證實它有一顆行星, 簡稱 51 Peg b, 距離地球 50 光年 ( 字母 a 按例留給母星, 同系的行星則稱 b c d ) Peg b 特別之處 : 軌道位置與太陽系的行星理論完全不同, 這行星的軌道週期短至 4 天, 距離母星近至 0.05 AU, 表面熱至 C 以上, 質量大如木星, 俗稱 熱木星 (hot Jupiter) 因此而名 4. Lin 提出新理論 ( 右圖 ), 氣體行星先在母星的遠處形成, 往後受到其他引力攝動, 逐漸旋近母星才變成熱木星 5. 科幻 : 在 51 Peg b 行星上, 熾熱大氣層充滿氣化的鉀 鈉等金屬元素, 有強風和閃電, 不可能孕育我們所知的生命 6. Fisher 在仙女 Upsilon 發現一個多行星系統, 不過全部都是木星質量級的, 軌道頗橢圓 ( 離母星時近時遠 ), 後來發現大熊 47 有兩顆近圓形軌道的行星, 但質量似木星, 所以這時期的獵星者仍然找不到類地行星 (terrestrial planets) 類地行星意味着它可能娠育生命或適宜人居, 要求的條件是 : 母星光度長期穩定, 行星的質量與地球同級, 軌道不太橢圓, 並且位於宜居帶 (habitable zone) 內 7. 尋找類地行星的最可行方法 : 研製闊視場的太空望遠鏡, 可以同時偵察多個行星凌越母體時的減光現象 # 8. Rothschild 發現微生物在 C 高溫 無氧 高鹽度或極酸的劣環境下生存, 打破舊有觀念 目前入選的太陽系外行星有四千多顆, 其中三千多顆已確定為行星, 五百多個系統擁有兩顆或以上的行星 (Kepler-90 系統最少有八個行星 ), 還有少數行星圍繞雙星運行 最新統計 : 參考 : Lin s theory 宜居帶是理論上可能出現液態水讓生物棲息的行星環境帶 參考 : # 2009 年美國發射開普勒 (Kepler) 太空望遠鏡, 口徑 0.95 米, 視場 12 0, 指向天鵝座天區, 在五年內以凌星減光原理發現了約四千顆行星, 有些行星凌越母體時更顯現酷似光環的大氣層 此鏡的感光度很高, 因此在後期任務中也偵察到許多星光的微脈動 根據開普勒鏡的發現推算, 銀河系可能存在百億個行星系統 2018 年美國再發射 TESS 衛星, 內設四台 24 0 x 24 0 CCD 探測儀, 以凌星減光原理巡查太陽系近鄰是否有類地行星及宜居帶存在 AC_Planet_Comet Alan Chu 25 of 28

26 歷史回顧 首次光速測定十七世紀丹麥天文學家羅邁 (Rómer) 利用木衛一的掩食來測量光速 理論上, 木衛一每隔 42.5 小時 ( 一個軌道週期 ) 便被木星掩食一次, 不過羅邁發覺掩食的發生時間偏離預測, 後來他領悟這是由於光速的緣故 他曾計算當地球由左圖位置 A 走到 B 時 ( 相隔 6 個月 ), 木衛食的發生時間將比他預期遲來 ΔT = 22 分鐘, 因此光速 = D / ΔT = km / s, 羅邁的計算結果欠準 ( 因為那時 D 值和掩食預測還未充分掌握 ), 但他的推算原理是正確的 彗星與流星雨左 : 1858 年 10 月 5 日大彗星, 發現者為意大利天文學家 Dontai, 彗尾右面是北斗, 彗核旁亮星是牧夫座的大角星 ( 原圖刊於 Bilderatlas der Sternenwelt, 1888) 右 : 1866 年 11 月 13 日在英國格林威治天文台外所見的獅子座流星雨, 是記載中最盛的一次, 每小時流星有幾千顆 ( 博物館油畫 ) 天王星的發現左 : 英國天文學家威廉 赫歇爾 (William Herschel) 與親妹卡羅琳 (Caroline Herschel) 在德國出生, 年輕時移居英國, 卡羅琳年幼時患天花留下臉疤, 結果終生不嫁輔助兄長觀測星空 1781 年 3 月 13 日赫歇爾發現天王星, 當時卡羅琳已 31 歲 圖中是赫歇爾發現天王星時使用的自制 6 吋 f / 14 金屬反射鏡, 在此之前曾有人見過天王星, 但沒有察覺到它是行星 右 : 1977 年 3 月 10 日, 一班天文學家在 KAO (Kuiper Airborne Observatory) 機艙內利用掩星方法觀測天王星的大氣層, 數據顯示天王星可能有暗環存在 火星運河 1877 年, 意大利天文學家斯吉業巴列里 (Giovanni Schiaparelli) 發表了首張火星地圖, 稱圖上的黑條紋為 canali ( 意大利語 水道 ), 但是英文報刊卻譯之為 canal ( 運河 ) 後來美國天文學家羅威爾 (Percival Lowell) 更以私人 24 吋折射鏡觀測, 左面就是在其 1905 年著作中的一幅火星圖, 運河網絡比以前更複雜, 羅威爾認為火星上的地貌隨四季變化, 這些運河都是智慧生物的水利設施 此後火星人 (Martian) 之說源源不絕, 甚至有科幻小說 廣播劇和電影描述火星人偷襲地球 現今所謂火星運河, 實際上是目視火星風沙留下線痕時產生的一種錯覺 AC_Planet_Comet Alan Chu 26 of 28

27 \ 冥王星的發現 左: 年輕時的湯博 (C. W. Tombaugh, ) 美國人 完成中學後任職羅威爾天文台 專 責尋找羅威爾遺願的 X 行星 右: 利用閃視儀比較這兩張 1930 年雙子座照片的星點位置 湯博發現了冥 王星 (箭嘴處) 當時亮度 15 等 一生中湯博還發現過八百顆小行星 一顆彗星 一批變星 星團和星系 Venera 13 lander 首次金星陸地探測 前蘇聯在 年間發射了十多個 Venera 探測器到金星 其中的 Venera 13 及 14 號在 1982 年 3 月分別進入圍繞軌道並且射出着陸器 上圖是 14 號着陸器拍攝的金星表面照片 (砌圖) 隨後 彈出機械臂將土壤樣品送往內置的質譜儀分析 認定岩石成分類似地球深海地層的火成岩 (gabbro) 在九十 多倍地球大氣壓力及 465 0C 高溫的環境下 着陸器操作了 57 分鐘後便停止將資訊傳返給軌道上的飛行器 第一個柯伊伯帶天體的發現 1992 年美國天文學家 David Jewitt 與越南裔的 Jane Luu (劉麗杏) 發現了首顆 柯伊伯帶天體 1992 QB1 (上圖白圈) 兩人因此獲 2012 年邵逸夫天文學獎 1992 QB1 直徑約百餘 公里 由 於它的軌道偏心率不大 (a = 44 AU e = 0.065) 它不會進入海王星軌道 也不與海王星作軌道共振 以後發 現像 1992 QB1 軌道性質的柯伊伯帶天體都稱為 classical KBO 或暱稱 cubewano (編號次序 QB1 0 的併音) AC_Planet_Comet Alan Chu 27 of 28

28 Q&A ( 物理常數見書尾的附錄 ) 1. 試列出每顆行星兩個最明顯的表面或構造特徵 2. a. 為什麼水星無大氣層? b. 科學家怎樣知道水星有很大的核心? 3. 為什麼金星有盈虧? 為什麼金星日 夜氣溫都很熱? 4. 為什麼火星的極冠會有大小變化? 5. 附圖是 2001 年 NEAR-Shoemaker 探測器在近距拍得愛神星表面的照片, 兩個碰撞坑大小相若 ( 約三百米寬 ), 那一個坑較為年輕? 6. 為什麼木星的大紅斑經歷了幾百年還未消失? 設今天 8:00 pm 見到大紅斑在木星圓面邊轉出來, 明天 9:00 pm 會見到大紅斑嗎? 7. a. 要隔多少年才見到張到最大視面的土星環? b. 土星的守護衛星 (shepherd satellites) 有何功能? 請列出土衛六 (Titan) 的兩個特徵 8. 海王星 冥王星的軌道週期分別為 165 及 248 年, 求海王星與冥王星會合的週期 9. 為什麼冥王星屬於矮行星族? 已知兩個最大 TNO 是 TNO 與柯依伯帶天體有何分別? 10. 為什麼把彗星比喻為髒雪球? 塵埃尾與離子尾有什麼分別? 那個彗星與獅子座流星雨有關? 11. 講義提及的赫姆斯 (17P/ Holmes) 是木族彗星, 週期約 7 年, 在 觀測時沒有明顯的彗髮, 照片則攝於 , 這時彗星距離地球 2.43 x 10 8 km (1.62 AU), 彗髮視直徑擴展至 22 角分 問 : 照片中彗髮的實際半徑和平均擴展速度有多大? 設彗星的總質量 = kg, 其中彗髮佔 1/10 總質量, 試估計彗髮內氣體的平均密度有多少? 如果彗星的尾巴掃過地球, 地球有危險嗎? 12. 對橢圓軌道而言, 小天體距離太陽 r 時的軌速 v = [G M (2 / r 1 / a)],a 是軌道半長徑,G 是引力常數,M 是太陽質量 (a) 設哈雷彗星軌道 a = 17.8 AU, 近日點 AU, 求哈雷彗星的近日點軌速 (b) Lovejoy 彗星軌道的 a = 79 AU, 近日點 AU, 求 Lovejoy 彗星的近日點軌速 13. 何謂熱木星? 何謂類地行星? 51 Peg 母星因行星存在而抖動, 試估計母星抖動時的星光紅移 14. 何謂行星系統的宜居帶 (habitable zone)? 答案 : ( 只提供部分答案, 其他答案可在講義中找到 ) 2b. 如果水星全部由石質 ( 密度 ~3.4 g/cc) 構成, 它的質量 ( 體積 x 密度 ) 將會是 2.1 x kg, 實際上水星質量有 3.3 x kg, 相當於一個 3600 km 直徑的鐵質核心 ( 密度 ~ 8 g / cc) + 石包層所造成的球體 ;3600 km 即是水星直徑的 3 / 4, 對水星來說這是一個很大的鐵質核心 4. 因為火星自轉軸傾斜 25 0, 火星的四季氣候變化可以使極冠表面的 CO 2 冰層縮小 ( 氣化 ) 或增大 5. 在照片上部的碰撞坑較為年輕, 因為它有鋒銳的坑邊, 在坑底的石塊清楚可見 ; 另一個碰撞坑則年老得多, 因為坑邊和外圍已被多個小坑侵食, 坑的內壁亦被塵土舖蓋變得平滑 6. 9:00 pm 時不會見到大紅斑, 因為木星的自轉 ( 週期 9.9 小時 ) 使大紅斑轉到木星背面 8. 海王星與冥王星會合的週期 = ( 1 / 海王星軌道週期 1 / 冥王星軌道週期 ) 1 = 493 年 ( 最初觀測時 ), 彗髮半徑 (18 天後 ), 彗髮半徑 = 2.43 x 10 8 x sin (22 arcmin / 2) = 7.8 x 10 5 km 彗髮平均擴展速度 = 7.8 x 10 5 km / 18 天 0.5 km/s 彗髮平均密度 = 質量 / 體積 = kg / [4/3 π (7.8 x 10 8 m) 3 ] 5 x kg/m 3 ( 幾乎真空!) 彗尾的密度同樣低得很, 即使彗尾掃過地球, 地球沒有危險 12a. v = [G M (2 / r 1 / a)] = [(6.673 x )(1.989 x )(2 / / 17.8) / (1.496 x )] = 55 km/s b. v [G M (2 / r)] = [G M (2 / ) / (1.496 x )] = 568 km/s ( 相當於 0.92 太陽的逃逸速度!) 13. 根據講義內的 51 Peg 抖動曲線, 抖動的波幅約 ± 60 m/s, 相應的紅移 z 應小於 ± (60 m/s) / 光速 = ± 60 / = ± , 這是極微量的紅移, 須用超靈敏的分光技術測量 14. 宜居帶是理論上可能出現液態水讓生物棲息的行星環境帶, 即溫度介於 C 左右的空間 通常先估計行星的受光溫度 ( ) 再定出宜居帶的寬度 AC_Planet_Comet Alan Chu 28 of 28