引力陷阱中潜藏着地球杀手?

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它们是被引力遗忘的角落。在那里,来自其他天体的引力会互相“抵消”,因此可以俘获住任何掉入其中的物体。这些引力陷阱也位于地球的轨道之上,一个在地球的前方,另一个则在地球的后方。天文学家将它们称为“拉格朗日点”,简写成L4和L5。你可以把它们想象成粘鼠板。
Stuart Clark 文 Shea 编译

它们是被引力遗忘的角落。在那里,来自其他天体的引力会互相“抵消”,因此可以俘获住任何掉入其中的物体。这些引力陷阱也位于地球的轨道之上,一个在地球的前方,另一个则在地球的后方。天文学家将它们称为“拉格朗日点”,简写成L4和L5。你可以把它们想象成粘鼠板。

在太阳系形成以来的45亿年里,从尘埃云到小行星以及隐藏的行星都有可能在那里聚集。一些人甚至怀疑,外星人的飞船正从拉格朗日点监视我们,来寻找文明的迹象。

暂时先把外星人放到一边,即使那里只存在着太阳系古老的小天体的话,也足以使绝大多数人为之高兴了。“我相信在L4和L5能找到不少东西,”美国普林斯顿大学的天体物理学家理查德・戈特(Richard Gott)说。

在近一个世纪的沉思之后,我们终于来到了能一探L4和L5究竟的边缘。今年底,两个用于研究太阳的探测器将开始穿越L4和L5的漫漫之旅。

科学家们计划使用美国宇航局(NASA)日地关系观测台(STEREO)两个探测器上的仪器来搜寻“身陷”拉格朗日点的小天体。无论它们发现了什么都会大大增进我们对太阳系形成的认识,告诉我们更多形成月亮的那次巨大撞击的有关信息,并且警告我们是否还有存在另一次剧烈碰撞的可能。

1772年数学家约瑟夫-路易・拉格朗日第一个发现了拉格朗日点。他计算发现地球的引力在五个地方会“中和”太阳的引力,使得位于那里的天体可以真正地体验到失重的感觉。

在五个拉格朗日点中L4和L5是最吸引人的,因为只有它们是“稳定”的。如果你在L1或者L2上放置一颗卫星的话,除非你可以不断地调整它的位置,否则几个月之后它就会跑开。而位于L4和L5的小天体则会在复杂的力平衡下保持稳定。在地球轨道上距离地球1.5亿千米的地方,L4位于地球前方60°的地方,而L5则位于地球后方60°的地方。


[图片说明]:版权:New Scientist。

天文观测发现其他行星的周围也存在类似的拉格朗日点。1906年马克斯・沃尔夫(Max Wolf)发现了一颗位于火星和木星间主带以外的小行星,并且证认出它就位于木星的L4上。沃尔夫将其命名为“阿基里斯”,并由此开启了用特洛伊战争中的人物来命名这些小行星的传统。

“阿基里斯”在木星和太阳引力的共同作用下被束缚在了L4周围跟着木星一起绕太阳转动,且不得越雷池半步。这也使得地面上的望远镜开始搜索更多这样的天体。现在已知在木星的L4和L5周围各有超过1000颗的小行星。

然而也并不是每颗行星都具有特洛伊型小行星。土星似乎就没有,而海王星则在最近十年中刚刚发现了它的特洛伊型小行星。很自然地,天文学家们就会想在地球的L4和L5上是不是会有小行星呢?

飞越L4和L5

问题是很难从地面上观测地球的L4和L5点。由于它们太靠近太阳了,因此当夜幕降临的时候,尾随的L5区域正好位于低空并且很快也要下落。而另一方面,当前导的L4点刚刚升起来的时候,不久黎明的曙光就会接踵而至。

但是这并不能阻挡加拿大西安大略大学的保尔・韦格特(Paul Weigert)及其同事在上个世纪90年代使用夏威夷莫纳克亚山上的加拿大-法国-夏威夷望远镜对这两个区域进行的搜寻工作。这是一项艰巨的任务,因为L4和L5周围的区域在天空中比满月还要大,因此要想彻底搜索它们的话就需要大量的观测。然而由于韦格特及其同事的搜寻不够彻底,最终他们不得不空手而归。

最近,诸如林肯近地小行星搜寻计划这样的程控小行星搜寻项目已经开始把搜索的天区逐渐向地球的拉格朗日点靠近,但是到目前为止还没有发现任何小行星。“这个领域已几近枯萎,因此大家都等着有人能发现点什么,”韦格特说。

引力陷阱中潜藏着地球杀手?  即便当初并不是设计来发现小行星的,但是NASA的STEREO还是会改变这一切。发射于2006年,STEREO的两个探测器一个位于地球之前,一个位于地球之后。跟着地球一起,STEREO A渐渐地跑到了地球的前面,而STEREO B则掉队得越来越远。这由于它们的特殊位置,这两个探测器可以直接监测位于太阳和地球之间的区域,以此来研究会对人造卫星电子设备和地球造成危害的太阳风暴。

[图片说明]:两颗STEREO卫星。版权:Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/NASA。

而L4和L5正是为地球预警来袭太阳风暴的理想位置。“我们曾经打算把STEREO的两个探测器就放置在两个拉格朗日点上,这样一来就它们就可以提供提前两、三天的太阳风暴警报,”美国戈达德航天中心的STEREO项目科学家迈克尔・凯泽(Michael Kaiser)说。

但STEREO的科学家发现,如果要让STEREO恰好在L4和L5处停下来的话会消耗大量的燃料。因此他们决定让STEREO自由穿过这一区域。“这是一片很大的区域,”凯泽说,“这将花上STEREO几个月的时间来穿越它。”

这一下让STEREO团队的成员、英国卢瑟福-阿普尔顿实验室的理查德・哈里森(Richard Harrison)想到了一个主意,也许STEREO探测器上的照相机还能用来做些其他的事情。他开始研究把STEREO上的日球层成像仪用于小行星搜寻的可能性和办法。“它们都不是用来干这个的,”做为成像仪首席科学家的哈里森说,“这是一个附加的用途。”

即便如此,小行星搜索也是一项艰苦的任务,因为位于拉格朗日点的小行星相对于背景中数千颗恒星而言只不过是一个移动的小亮点。而STEREO也会发动志愿者通过互联网来搜寻STEREO照片中的近地小行星。

除此之外,哈里森也希望能有专门的人来研究对L4和L5的穿越。“近距离地研究L4和L5将会是全新的经历,我们应该推动它的前进,”他说。但是在目前的经济背景下,这恐怕说起来容易做起来难。

如果科学家确实能发现小行星的话,那么他们的努力就没有白费。“看着它慢慢地进入我们的视场一定是非常壮观的,”哈里森说。

除了能看到小行星以外,还能根据它反射阳光的变化来推测出它的自转。“我们还可以测量出拉格朗日点周围的小行星和尘埃分布情况,”哈里森说。

有了这些信息,也许就能回答太阳系中最令人困惑的问题之一――为什么月亮的个头这么大?

绝大多数天文学家相信,月亮形成于40亿年前地球和火星大小的天体相撞之后产生的碎片。但问题是这个火星大小的天体又是来自何方的呢?

计算机模型显示,如果这个天体来自太阳系的其他地方,那么它就会携带过多的能量。因此它不但不会造就出月亮,还会把地球整个撞碎。所以这个天体必定来自一个比较近的地方,它在和地球相撞前还没来得及被过多地加速。

行星的残留物

另一条线索是,月球含有和地球相同丰度的氧同位素,这预示着不管是什么撞击了地球一定也和地球具有相同的氧同位素丰度。当天文学家们放眼太阳系,发现氧同位素的含量都和地球不同,火星也不例外。这也暗示着撞击天体就形成于地球附近。但是在哪儿呢?

令人疑惑的是一个天体是如何在距离地球这么近的地方形成并且在和地球碰撞前生长到火星大小的?地球和它之间的引力很快就会把它拉向地球。戈特说,除非它是在拉格朗日点形成的。“稳定拉格朗日点可能正是生它、养它的地方,”他说。

一旦它长得足够大,和其他天体(例如金星)的引力相互作用就有可能把它推出拉格朗日点,并且让它撞向地球。

“由于形成于太阳系的同一地区,因此它具有和地球相同的氧同位素,”戈特说。而且由于位于相同的轨道,因此它和地球相撞的时候两者的速度差异不会很大。

戈特认为,如果还有东西存在于L4和L5的话,可能是那个撞击天体残留下来的。“如果我们在那里发现了大量的天体。那么它们会是未来采样返回计划的重要目标,由此我们可以知道它们是否具有和地球一样的氧同位素含量,”戈特说。戈特相信,如果确实如此的话,这会增强撞击地球的小天体形成于拉格朗日点的说法。

为了准备探测器造访L4和L5,哈里森正在和他的同事们商讨如何来操控这两个探测器以此来取得最佳的视角。听起来似乎很奇怪,因为这两个探测器不会观测它们将要去的地方。相反,它们是面朝着地球向前飞,目的是为了监视指向地球的太阳风暴。为了取得观测拉格朗日点的最佳视角,探测器不得不翻个身,于是日球层成像仪就会朝向前方,而其他仪器则保持不变。

穿越L4和L5之旅是伴有潜在危险的。拉格朗日点处可能存在着被俘获的尘埃云,如果STEREO运气不佳的话,就会发生致命的碰撞。“如果有东西撞上我们的照相机的话,那我们就完了,”日球层成像仪小组成员、卢瑟福-阿普尔顿实验室的克里斯・戴维斯(Chris Davis)说。

当探测器穿越最危险地带的时候,将照相机背过来转向地球也许可以降低风险。不过STEREO小组的其他成员则很有信心。因为从发射至今,探测器已经和地球轨道上的尘埃发生过碰撞了。戈达德航天中心专门研究这些尘埃撞击事件的克里斯・圣西尔(Chris St Cyr)说:“从每天几次到几千次,尘埃撞击的起伏很大。”

没有人知道,STEREO能发现多少颗小行星。韦格特及其同事通过一系列的计算机数值模拟来演示在1百万年的时间里金星的引力是如何从地球的拉格朗日点中拽出小行星的。然而结果却发现这一过程是双向的,金星的引力在把小行星从拉格朗日点拽出来的同时也会把小行星推入拉格朗日点。这一结果再加上时至今日尚未被望远镜发现的拉格朗日点小行星使得韦格特开始仔细地思考他预计的STEREO所能发现的小行星的数量和大小。他说:“我认为那里会有一些小行星,但是不会超过几百个。而且我认为它们的直径都不会超过1千米。而在主带中,小行星的一般直径为100千米。”

哈里森倒并没有为此而担心。“有人认为我们会发现些什么,有人则认为我们不会,”他说,“但是如果我们让机会白白溜走的话,那才是最大的遗憾。”

 

正有另一颗行星在威胁地球吗?

绝大多数天文学家认为月亮是形成于地球早期和火星大小行星之间的碰撞。一些科学家提出这颗行星就形成于太阳和地球引力“相消”的拉格朗日点。那么现在的拉格朗日点中是否还潜藏着其他的行星杀手吗?

“绝对不会的,”加拿大西安大略大学的保尔・韦格特(Paul Weigert)说。因为太阳系中已经没有足量的尘埃物质了。

但是45亿年前的情况就不同了,当时太阳系正从星云中诞生。尘埃和气体的混合孕育了行星,而在它们的L4和L5则会集聚起其他较大的天体。“那时有足够的物质可以来形成火星大小的天体,”韦格特说。

好了,行星大小的天体可以被排除了。但是美国普林斯顿大学的理查德・戈特(Richard Gott)估计那里还是会存在可以威胁地球的小行星。戈特说:“如果我们在那里发现了个头较大的小天体,那么它无疑就是一颗定时炸弹。”因为来自其他天体(尤其是金星)的引力扰动会把它拽出拉格朗日点。一旦它脱离了束缚,就有可能会撞上地球。

“如果确实在那里发现了小行星,也许我们有必要先发制人,”戈特说,“把它炸碎。”

 

正有另一颗行星在威胁地球吗?

绝大多数天文学家认为月亮是形成于地球早期和火星大小行星之间的碰撞。一些科学家提出这颗行星就形成于太阳和地球引力“相消”的拉格朗日点。那么现在的拉格朗日点中是否还潜藏着其他的行星杀手吗?

“绝对不会的,”加拿大西安大略大学的保尔・韦格特(Paul Weigert)说。因为太阳系中已经没有足量的尘埃物质了。

但是45亿年前的情况就不同了,当时太阳系正从星云中诞生。尘埃和气体的混合孕育了行星,而在它们的L4和L5则会集聚起其他较大的天体。“那时有足够的物质可以来形成火星大小的天体,”韦格特说。

好了,行星大小的天体可以被排除了。但是美国普林斯顿大学的理查德・戈特(Richard Gott)估计那里还是会存在可以威胁地球的小行星。戈特说:“如果我们在那里发现了个头较大的小天体,那么它无疑就是一颗定时炸弹。”因为来自其他天体(尤其是金星)的引力扰动会把它拽出拉格朗日点。一旦它脱离了束缚,就有可能会撞上地球。

“如果确实在那里发现了小行星,也许我们有必要先发制人,”戈特说,“把它炸碎。”

出自:New Scientist
发布日期:2009-02-21

 

内容来自 火流星

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