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龟屈
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1 篇名 : 作者 : 黃少薔私立精誠高級中學高一 1 班指導老師 : 陳明凱老師

2 壹前言一研究動機 2006 年 8 月, 一行行令人震驚的標題出現在報紙的頭版行星定義修正通過冥王星降級九大行星不在冥王星降級名稱亦不保更名小行星冥王星被踢出行星行列九大行星成歷史名詞註一等等當時, 這些報導便一直困惑著我 : 以前學的九大行星之一的冥王星, 為什麼就這麼無緣無故被屏除在行星的新定義之外呢? 矮行星, 到底是什麼? 是被矮化的行星嗎? 抑或只是個翻譯名詞? 等到國中學到了地球科學的天文部分, 雖然只是粗略地介紹, 但也讓我對這些稱不上是行星的太陽系成員想要有更深一層的認識, 因此, 矮行星便成為我這篇小論文研究的主題二研究目的藉由此篇小論文, 我想要探討到底將冥王星降級是否有真的有其必要? 那麼當初在國際天文聯合會 (IAU) 所召開的投票會議怎麼只有 424 人決定冥王星的踢除與否? 到底在太陽系中, 還有多少個和冥王星一樣, 介於行星和矮行星的定義之間的模糊地帶? 藉由此篇小論文, 我想要釐清冥王星到底是該歸類於矮行星還是行星? 貳正文一何謂矮行星 1 矮行星的定義 2006 年 8 月 4 日在捷克首都布拉格舉行的第 26 屆國際天文學大會 (IAU) 中, 確認了矮行星的稱謂與定義, 決議文對矮行星的描述如下 : 矮行星是 A 以軌道繞著太陽的天體 B 有足夠的質量能讓自身重力克服固體應力, 而使其達到流體静力學平衡 ( 接近球形 ) 的形狀 C 未能清除在近似軌道上的其他小天體 D 不是行星的衛星, 或是其他非恆星的天體註四 2 矮行星成員的比較( 見表一 ) 表一/ 註二名稱榖神星冥王星鬩神星烏神星妊神星 1

3 小行星編號太陽系的區域小行星柯依伯帶黃道離散盤柯依伯帶柯依伯帶帶面分類小行星類冥矮行星類冥矮行星類冥矮行星類冥矮行星直徑 ( 公里 ) ± ± ~1500 質量 ( 千克 ) 與地 ~ ~ ~ 球比較 (est.) 體積密度 ( 克 / 厘米 ) 赤道重力 ( 公里 / 秒 ) 自轉週期公轉週期 ( 恆星年 ) 軌道傾角 ( 對黃道 ) 表面平均溫度 ~30 ~50 (K ) 衛星數 ( 個 ) 二何謂行星 1 行星定義在 2006 年 8 月 24 日通過的行星重定義方案中, 行星需要完全符合下列的三項原則 : A 圍繞一個恆星或者恆星遺跡公轉 B 有足夠大的質量來克服固體應力, 以達到流體靜力平衡的形狀 ( 即近於球形 ) C 已清空其軌道附近區域( 即是該區域內最大天體, 即以其自身引力把軌道兩側附近的小天體吸引成為自己的衛星 ) 註四 2 太陽系行星的比較( 見表二 ) 表二/ 註二星球水星金星地球火星木星土星天王星海王星距日 (ua) 質量大氣壓力 0atm 90atm 1atm 0.008atm 70kPa 8.96m/s2 8.69m/s

4 溫度 ( 平均 ) 自轉週期 ( 天 ) 公轉週期 ( 天 ) 自轉軸傾斜度密度 (g/cm3) m/s2 340K 737K 287K 210K 152K 134K 76K 72K 年 84 年年 ? 衛星數三冥王星的小檔案 1 冥王星的發現具歷史上的記載, 在 1894 年時, 羅威爾成立了天文台 (Lowell Observatory) 而從 1905 年開始, 便在天文愛好者羅威爾 (Percival Lowell) 的主導之下, 已有系統的方式展開了搜尋第九行星的工作當時距離太陽系第八顆行星海王星的發現 ( 於 1846 年發現的 ), 已經相隔了 80 多年了, 但是, 天文學家們仍然不放棄搜尋其他行星的存在 1930 年 2 月 18 日的傍晚, 天文學家湯葆 (Clyde Tombaugh) 用心的檢視兩組天空照片, 這是他在 1 月 23 日與 29 日用羅威爾天文台 13 英吋羅威爾望遠鏡 (Abbott Lawrence Lowell Telescope) 拍攝到的影像這支望遠鏡當時才剛啟用了一年而已由於太陽系中的天體離地球比較近, 所以在天空中的移動速度比其它背景恆星還快, 因此他利用了所謂的閃視比較鏡 (blinked comparator), 來回地顯示兩張底片, 查看是否有某顆天體在兩張底片上跳動這些底片不如現今的技術, 當然拍攝到的天體都很昏暗又模糊, 要在這種底片上尋找新天體, 根本是完全靠經驗技巧專注的精神和運氣因此, 當他在雙子座 δ 星附近發現 14 等的冥王星時, 還完全沒辦法相信下方星圖便是他發現冥王星當時的那張照片註三 ( 見圖一 ) 3

5 圖一 / 註三此時他才急忙通知天文台另兩位同事 Carl Lampland 和 V.M. Slipher 來幫忙確認, 而從底片上的位置計算之後, 看起來就像是顆行星 Slipher 要求湯葆當晚再拍攝一張照片試試看, 以便做確認不是搞錯了湯葆這時的心情忐忑地度過白天, 傍晚就馬上衝進天文台中等待天黑, 但等到卻是一整晚的雲終於在數天之後, 天氣放晴, 湯葆又才在拍到冥王星, 而這些天文學家也才確認了它的行星地位, 此時冥王星才成為太陽系中最小最冷最暗最遠的行星天文台創辦人羅威爾很熱心於行星 X 的搜尋, 也很認真地進行各種計算來預測行星 X 的位置, 但花了一生的時間始終沒發現那顆無名的行星, 也沒有活著見到這歷史的一刻 ( 逝世於 1916 年 ) 因此羅威爾天文台一直到 1930 年 3 月 13 日羅威爾的 75 歲冥誕, 才正式對外公佈這個消息經過天文學家激烈的爭議之後, 終於決定遵循其他行星的命名傳統, 按照英格蘭牛津地區 11 歲女孩 Venetia Burney 的建議, 將這顆位在太陽系邊境的行星命名為 Pluto, 也就是羅馬神祇之一的冥府之神 ( 希臘神話之名為 Hades), 並同時取冥王星 (Pluto) 和羅威爾之名 (PL for Percival Lowell), 以 P 為冥王星的符號註三 2 冥王星的外觀冥王星距離太陽十分遙遠, 最清晰的照片是由哈伯望遠鏡所拍攝的, 但僅能顯示冥王星表面的明暗程度, 無法了解確切的地貌下圖是由哈伯望遠鏡 (Hubble Space Telescope) 的資料分析所製作的冥王星地圖橫軸代表冥王星的經度, 縱軸是冥王星的緯度 ( 見圖二 ) 圖二/ 註四 4

自從 1930 年發現冥王星後, 由於冥王星的半徑太小以致於無法穿越地球混亂的空氣, 然後被解析, 所以就算是用當時地球上解析度最高的望遠鏡觀察拍攝, 冥王星還是只能以一個小亮點的樣子顯現冥王星是月球大小的 2/3, 但是卻是月球與地球距離的 12000 倍, 所以, 觀看冥王星表面的細節是很困難的但是, 在 1998 年 3 月 28 日, 美國太空總署 (NASA) 用哈伯望遠鏡觀察,

6 自從 1930 年發現冥王星後, 由於冥王星的半徑太小以致於無法穿越地球混亂的空氣, 然後被解析, 所以就算是用當時地球上解析度最高的望遠鏡觀察拍攝, 冥王星還是只能以一個小亮點的樣子顯現冥王星是月球大小的 2/3, 但是卻是月球與地球距離的倍, 所以, 觀看冥王星表面的細節是很困難的但是, 在 1998 年 3 月 28 日, 美國太空總署 (NASA) 用哈伯望遠鏡觀察, 歐洲航太署 (European Space Agency) 的 Faint Object Camera(FOC) 拍攝的冥王星, 是從未被見過的冥王星表面註四 ( 見圖三 ) 圖三/ 註四 3 冥王星的特殊軌道 A 橢圓形軌道在太陽系中其他行星的軌道大多都接近圓形, 但是冥王星的軌道卻有些不一樣, 像蛋型細長的橢圓形軌道表示橢圓形與正圓形的差異度數值是離心率離心率越大則橢圓越細長地球公轉軌道離心率是 0.02, 冥王星離心率是 0.25 冥王星最接近太陽時, 離太陽約 30 天文單位最遠離太陽時, 離太陽約 50 天文單位它的軌道也偏斜黃道面達 17 度, 是太陽系中偏斜最厲害的行星, 其偏心率是行星中的冠軍註五 B 是否與冥王星相撞冥王星的公轉週期為 248 年,1979 年曾經跨入海王星內側成為第二遠的行星但在 1999 年卻又跨出海王星軌道, 再度成為最遠的行星這樣說起來, 他們可能會互相碰撞, 但是事實上是不會的因為冥王星的軌道並不在黃道面上, 它是在冥王星的下方運行且它們之間的距離都大於 3.78 億公里, 所以理論上不可能會相撞的到註五 ( 見圖四 ) 5

藉由冥王星的恆星蝕可得知冥王星也有非常稀薄的大氣因為恆星被冥王星遮蔽時, 恆星的光並非立刻消失, 而是逐漸降低亮度, 從降低亮度的情形得知,

7 圖四 / 註五 4 冥王星的星體結構與大氣組成 A 星體結構冥王星主要可能是由冰所組成的, 並且有一個由鐵鎳岩石混合成的小核, 下圖為冥王星結構的示意圖, 不過仍然需要更多的觀測數據確認註五 ( 見圖五 ) 圖五 / 註五 B 大氣組成藉由冥王星的恆星蝕可得知冥王星也有非常稀薄的大氣因為恆星被冥王星遮蔽時, 恆星的光並非立刻消失, 而是逐漸降低亮度, 從降低亮度的情形得知, 冥王星的大氣分為透明的上層大氣和相當不透明的下層大氣據光譜觀測的結果, 發現冥王星覆蓋著甲烷的冰或霜凱倫則是覆蓋著水的霜所以冥王星的反射能相當大, 約達 50% 註五 5 冥王星的衛星凱倫 (Charon) 6

8 冥王星的衛星 Charon 是在 1978 年由 James W. Christy 發現的, 當時 Charon 的軌道平面剛好側面朝向地球, 因此當它經過冥王星前方時, 即會造成冥王星亮度降低, Christy 就是經由這種掩星的方式發現的這顆衛星的存在的註二 1978 年發現冥王星也擁有一顆迷你小衛星 - 凱倫他們的距離非常小, 只有公里左右, 為冥王星半徑的 17 倍由於凱倫的半徑約 586±13 公里, 為冥王星的一半大, 因此兩星軌道的重心是在冥王星外面的, 也就是說她們比較像是一個雙矮行星系統不過, 它正確的質量和密度, 至今還不能完全確定下圖為 2006 年 2 月由哈伯望遠鏡拍攝的冥王星系統合照可清楚的看見冥王星與較大的衛星凱倫, 右方的兩個星點則是新發現的迷你衛星海卓 (S/2005P1) 與尼克斯 (S/2005P2) 註六 ( 見圖六 ) 圖六/ 註四四冥王星與太陽系行星的差異八大行星當中, 離太陽較近的的四大行星, 由岩石與金屬組成的類地行星水星金星地球火星, 它們體積小質量小, 但是密度大而距太陽較遠的另外四顆行星, 木星土星天王星海王星合稱為類木行星, 它們和類第行星的特徵是迥然不同的這四顆外圍行星的體積和質量都很大, 而成分是以氣體和冰為主, 擁有的衛星數較類地行星來得多很多註七不過, 在太陽系外圍的的冥王星就與其他行星們有著天壤之別的差異了他既不屬於類地行星, 也沒有類木行星的特性舉例來說, 如它的質量還不到地球的千分之二, 直徑也不到地球的五分之一, 甚至比月球還小 7

9 長久以來, 天文學家一直困擾冥王星是怎麼來的, 因為它違反了其他行星共同的規律性過去幾年, 天文學家利用靈敏的儀器, 在海王星以外的區域, 找到了很多小型的天體, 它們比冥王星還小, 也繞著太陽運行註八五冥王星的探測計畫太陽系最遙遠的冥王星及庫柏帶一直是太空探測未及之地不過 NASA 於 2003 年 3 月宣布, 將與約翰霍普金斯大學應用物理實驗室 (APL) 西南研究學會(SwRI) 等單位合作, 全力發展第一個冥王星與庫柏帶的探測計畫註九計畫中的新地平線號 (New Horizon) 太空船預定於 2006 年發射, 再 2007 年通過木星時, 借其重力加速度, 於 2015 年夏天前抵達冥王星註十新地平線號將對冥王星與其衛星凱倫進行為期六個月的探測, 包括地質地形測繪表面組成溫度測量與大氣分析後, 將繼續航向更遙遠的庫柏帶, 選擇一或多顆庫柏帶星體進行探測其時間表如下 : 2006 年 1 月 19 日成功發射升空 2007 年 2 月 28 日飛越木星拋射往冥王星方向 2015 年 7 月到達冥王星系統並且進行探測 2016 年 ~2020 年進行庫柏帶星體探測註五參結論一冥王星為什麼會被排除在行星的名單之外 1 應該是一個天文學上的錯誤, 才把它當作行星在 1930 年美國天文學家湯博錯估了冥王星的質量, 以為冥王星比地球還大, 所以命名為大行星然而, 經過近 30 年的進一步觀測, 發現它的直徑只有 2300 公里, 無論直徑及質量都比月球還要小, 但當等到冥王星的大小被真正確認, 冥王星是行星早已被寫入教科書, 深植民心, 所以後來也就將錯就錯了 2 新的行星定義: 同時其運行軌道與周圍衛星軌道範圍清楚區分冥王星主要就是因為部分軌道與海王星重疊, 不合符新的定義而遭除名但因為它附合 8

10 新定義中其他兩點 : 圍繞太陽運轉以自身引力足以克服其應力而使天體呈圓球狀, 這也就是說 : 冥王星符合的定義是矮行星的定義而非行星的定義 3 在冥王星發現後, 天文學家又陸續發現柯伊伯帶有更多圍繞太陽運行的大天體例如, 美國天文學家布朗發現的 2003UB3I3 ( 即齊娜 ), 就是一個直徑和質量都超過冥王星的天體它的出現就引起部份天文學家爭議 : 如果要把冥王星叫作行星, 那麼在其附近的庫柏帶也至少有 42 個星體符合資格, 就連星體齊娜 ( 直徑 2400~2500 公里 ) 也比它更大, 更有資格當行星布朗等人的發言因而使傳統行星定義遭遇巨大挑戰因此, 國際天文學聯合會大會 (IAU) 希望透過新行星定義, 來彌合傳統的行星概念與新發現的差距 4 冥王星的軌道也與其他八行星很不同, 太陽系其他行星的軌道大多接近圓形, 但是冥王星的軌道是細長, 偏離率很大的橢圓形, 其軌道亦是最扁的環繞太陽一周需要地球年表示橢圓形與正圓形之差異程度的數值是離心率離心率越大則橢圓越細長地球公轉軌道的離心率是 0.02, 冥王星離心率是 0.25 冥王星最接近太陽時, 距離太陽約 30 天文單位最遠離太陽時, 距離太陽約 50 天文單位冥王星的軌道也偏斜黃道面達 17 度, 為太陽系中偏斜最厲害的行星它也曾在上世紀 80 年代進入海王星軌道, 使海王星變成最遠的行星 5 有科學家曾提出: 冥王星擁有衛星( 凱倫 Charon), 因此它該為行星, 但天文學家及後相繼發現小行星 243( 愛達 ) 等部份小行星同樣皆擁有衛星, 所以擁有衛星不再被認為是判定行星的標準二冥王星的未來遠景由於冥王星的不規律軌道特殊結構和科學家的缺乏探測, 使得冥王星總是被蒙上一層神秘的面紗, 讓我們無法真正的了解它, 也就造成它現在具爭議性的地位了到底冥王星應該歸類於行星, 抑或是矮行星的一員呢? 在經過國際天文聯合會 (IAU) 的研究和一連串的討論之下, 將冥王星就不符合行星的定義之下, 把它降級為矮行星, 從九大行星的行列中除名, 並且正式以號小行星稱呼之不過, 國際天文聯合會 (IAU) 的這個決議, 卻遭到部份的天文學家所反對, 不只是因為太陽系的九大行星這個觀念已深植人心長達七十年之久, 更是由於行星定義的不明確性, 和投票的科學家只有區區四百多人, 實在很難讓人信服, 才會造成雖已經過三年多, 但這項決議卻還無法受到大部分的人認同的原因註十一然而, 外太空是無窮無盡無垠無涯的, 我們所生長所了解的只不過是整個宇宙中的小小一塊光是一個太陽系, 就花費了全人類所有的資源去探測, 但卻還是 9

11 沒有辦法真正的了解它, 那更何況是整個銀河系, 整個宇宙了人類的所知所見是有限的, 而宇宙是無限在擴張的, 如果要就我們現在的所知輕易的劃分行星和矮行星的差別輕易的歸類冥王星是屬於行星還是矮行星, 是不可能的在整個外太空中, 還有許許多多我們無法以現在天文學去解釋的事情, 所以, 不管在 2015 年新地平線號的探測結果是如何, 我們現在要做的, 是向那更遠更深澳的宇宙前進! 肆引註資料註一陳昶佑 (2006) 行星定義修正通過冥王星降級九大行星不再 YAHOO 奇摩新聞 2009 年 8 月 3 日, 取自註二維基百科 2009 年 8 月 19 日, 取自註三羅威爾天文台 (Lowell Observatory) 2009 年 8 月 12 日, 註四美國國家航空暨太空總署 (National Aeronautics and Space Administration, NASA) 註五光與物質小站 2009 年 8 月 22 日, 取自註六國際天文聯合會 (International Astronomical Union,IAU) 註七 I NICONLSO(1993) 行星的探索台北市 : 幼獅文化註八王執明 (2006) 基礎地球科學全台北市 : 龍藤文化註九邱淑玲 (2005) 冥王星發現 75 周年仍充滿神秘色彩民生報,2 月, 20 日,3 版註十台北市立天文科學教育館 2009 年 8 月 3 日, 取自註十一索特 (2007) 冥王星為何不再是行星科學人雜誌,60,

二次曲線人們對於曲線的使用及欣賞比曲線被視為一種數學題材來探討要早得多各種曲線中在日常生活常接觸的當然比較容易引起人們的興趣比如投擲籃球的路徑是拋物線盤子的形狀有圓形或橢圓形雙曲線是較不常見的然而根據科學家的研究彗星的運行軌道是雙曲線的一部分我們將拋物線圓與橢圓雙曲

二次曲線人們對於曲線的使用及欣賞比曲線被視為一種數學題材來探討要早得多各種曲線中在日常生活常接觸的當然比較容易引起人們的興趣比如投擲籃球的路徑是拋物線盤子的形狀有圓形或橢圓形雙曲線是較不常見的然而根據科學家的研究彗星的運行軌道是雙曲線的一部分我們將拋物線圓與橢圓雙曲 -1 圓方程式第章二次曲線 38 二次曲線人們對於曲線的使用及欣賞比曲線被視為一種數學題材來探討要早得多各種曲線中在日常生活常接觸的當然比較容易引起人們的興趣比如投擲籃球的路徑是拋物線盤子的形狀有圓形或橢圓形雙曲線是較不常見的然而根據科學家的研究彗星的運行軌道是雙曲線的一部分我們將拋物線圓與橢圓雙曲線合稱為圓錐曲線因為在平面坐標系中其對應的方程式均為二元二次式