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那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界 [:1700893222]
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那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界 27 大小之谜
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冥王星被发现之后，天文学家们很快就对它的轨道及大小进行了研究。在这两方面，冥王星都显现出很大的特异性。这其中轨道研究相对比较容易，短短几个月后就大体确定了主要的轨道参数，其中半长径约为39.5天文单位，椭率约为0.248，倾角约为17.1°。与其他八大行星相比，这是一个相当另类的轨道，它的椭率与倾角都是创纪录的。由于轨道椭率很大，冥王星有时甚至会比海王星离太阳更近，这种轨道交错现象在已知行星中是绝无仅有的。而由于轨道倾角很大，冥王星在多数时候都处在离黄道面较远的位置上，因而特别不易被发现。但幸运的是，汤博搜索冥王星的那段时间，恰好是冥王星离黄道面较近的时候。
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冥王星的轨道参数虽然很快就被确定了，但确定它的大小——这个大小既是几何意义上的，也是质量意义上的——却向天文学家们提出了一个极大的挑战。因为人们很快就发现，无论用什么样的望远镜也无法让冥王星显示出行星应有的圆面。自望远镜问世以来，除了将小行星当成行星的那些年（参阅第7章）外，这种无法显示行星圆面的情形还从未发生过。当然，天文学家们对此倒也并非无心理准备，冥王星被发现时的亮度只有15等，比人们预期的暗淡得多〔1〕，除非冥王星表面物质的反光率低得异乎寻常，否则这样的暗淡只能有一个解释：那就是冥王星比人们预期的小得多。
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那么冥王星究竟有多小呢？天文学家们用了几十年的漫长时光才搞明白了答案。
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由于无法观测到圆面，天文学家们惯用的通过几何手段确定行星直径的方法在冥王星这里遭到了滑铁卢，取而代之的是通过亮度间接推断直径这一不太可靠的方法。这一方法之所以不可靠，是因为行星的亮度与直径并不存在固定的关系。同样亮度的行星，若表面物质的反光率高，它的直径就小；反之，若表面物质的反光率低，则直径就大。对于像冥王星那样遥远的新行星，当时的天文学家们并无任何办法确定其表面物质的反光率，因此虽然知道亮度，却无法准确估计它的直径。既然连直径都无法准确估计，对质量的估计自然就更困难了，因为后者还依赖于一个新的未知数：冥王星物质的平均密度。
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虽然没有可靠的方法，天文学家们还是对冥王星的质量进行了粗略估计。1930-1931年间，天文学家们估计的冥王星质量约在0.1到1个地球质量之间。与现代数据相比，这是非常显著的高估。但即便是这些高估了的数据，也立刻就对罗威尔有关冥王星的“预言”造成了毁灭性的打击。读者们也许还记得，我们在第24章中曾经介绍过，罗威尔给出的行星X的质量约为地球质量的6.6倍。如果冥王星的实际质量只有0.1到1个地球质量，那它对天王星或海王星轨道的影响显然要远远小于罗威尔的计算，而罗威尔通过那种错误的影响对冥王星位置所作的反推则不可能是正确的。因此在冥王星被发现后不久，人们就已意识到，冥王星的发现并不是海王星神话的重演。冥王星在距罗威尔的预言只差6°的地方被发现，是纯粹的巧合〔2〕。
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有读者也许会问：我们在第20章中曾经提到过，亚当斯与勒维耶对海王星质量及轨道的预测与海王星的实际参数也有不小的出入。为什么那些出入并不妨碍我们将海王星的发现视为巨大的天体力学成就呢？这首先是因为，亚当斯与勒维耶的海王星轨道计算是依据确凿存在的天王星出轨现象进行的，因此其观测依据是充分的；其次，20世纪七八十年代曾有人对亚当斯与勒维耶的计算细节进行了“复盘”，结果表明他们的计算细节也是完全有效的〔3〕。反观罗威尔有关冥王星的“预言”，虽然在计算方法上效仿了勒维耶，但它依据的所谓天王星与海王星的“出轨”数据是子虚乌有的，因而整个计算只是一场“空对空”的演练。另一方面，由于罗威尔的“预言”很快就被判定为无效，后人也就没兴趣去复核他的计算细节了，他在这方面犯错的可能性也是完全存在的。因此，对冥王星的“预言”并不是海王星神话的重演，不仅在理论上不是，而且在实际上——如我们在上章中所说——也并未对冥王星的发现起到引导作用，冥王星的发现者汤博是在搜遍了黄道面之后才发现冥王星的。
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虽然罗威尔有关冥王星的预言很快就被推翻了，但人们对冥王星大小的推算却仍在继续。直到冥王星被发现40年后的20世纪70年代初，人们对冥王星质量的估计仍大体维持在0.1到1个地球质量之间，这些估计与现代值相比都大得离谱。虽然推算冥王星的质量不是一件容易的事情，但在那么多年的时间里，那么多天文学家所作的那么多估算竟然一面倒地巨幅高估冥王星的质量，这其中不能说没有心理上的原因。这原因就是自木星开始，太阳系的外行星是清一色的巨行星，而冥王星又一经发现就被认定为是行星。虽然冥王星已绝无可能是巨行星，但天文学家们显然还没有足够的心理准备来接受有关它大小的真相。
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我们在前面说过，同样亮度的行星，表面物质的反光率越低，相应的直径就越大。为了让冥王星维持一个体面的大小，天文学家们不惜将它“抹黑”为一个表面反光率极低、如同巨型煤球一样的天体。而事实上，在冥王星那样遥远而寒冷的行星上，很多气体都能凝结成冰，冥王星是一个具有较高表面反光率的“冰球”的可能性要比它是“煤球”的可能性大得多。这一显而易见的可能性被错误地蒙蔽了几十年，直到20世纪70年代中期，才终于被确立了起来。反光率的调整立即对冥王星的质量估算产生了巨大影响，它的质量估计值一举缩小了两个数量级，不仅比所有其他行星都小得多，甚至变得比月球还小。这也为它日后的命运沉沦埋下了种子。
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不过，依靠对那样遥远的一个天体的表面反光率及物质密度的研究来推断其质量，无论如何只能算是下策。估计冥王星质量的最佳途径，显然是越过所有这些与冥王星物质有关的细节来直接估计其质量。这样的途径在1978年成为了现实。1978年6月22日，美国海军天文台（Naval Observatory）的天文学家们发现了冥王星的卫星卡戎（Charon，希腊神话中摆渡亡灵的神）（图13）。在行星天文学上，一颗行星一旦被发现有卫星，我们就可以通过观测卫星的运动来测定该行星的引力场，既而推断其质量，这是测定天体质量最有效的手段之一。因此卡戎的发现为直接估计冥王星的质量提供了极好的条件。（请读者们想一想，中学物理课本中的哪一条定律有助于利用卡戎来确定冥王星的质量？）〔4〕
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图13 从冥卫三看冥王星与卡戎（冥卫一）的艺术想像画
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如今我们知道，冥王星的质量只有地球质量的0.21％（图14），它绝不可能是罗威尔或其他任何人所预言的海外行星，它对天王星和海王星的引力摄动甚至还不如作为内行星的地球对它们的引力摄动来得大。1993年，美国加州喷气动力实验室的科学家斯坦迪什（Erland Myles Standish, Jr）利用“旅行者号”飞船所获得的有关木星、土星、天王星和海王星的最新质量数据重新计算了外行星的轨道摄动，并再次证实了的确不存在天王星和海王星的出轨问题，不存在需要用新行星来解释的偏差。冥王星的发现完全是一个多重错误导致的奇异果实：罗威尔对冥王星轨道的计算是依据错误数据所做的无效分析；汤博对冥王星的搜索则是源于罗威尔天文台对一个错误心愿的盲目继承。
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图14 冥王星（左上）与地球的大小对比
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而所有这一切的错误之所以最终结出了一个如此美丽的果实，全靠汤博在寒冷的亚里桑那高原上为期十个月的顽强搜索，这是整个冥王星故事中唯一的必然。
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〔1〕比如罗威尔所预测的冥王星亮度为13等。
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〔2〕这一巧合的概率并不很小，因为罗威尔对行星X的位置预言其实有两处（彼此相差180°），在其中任何一处的左右6°范围之内发现新行星的概率约为1/15（请读者自行计算一下）。
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〔3〕1970年，一位名叫布鲁克斯（C. J. Brookes）的研究者对亚当斯的方法进行了分析，结论是它的确可以得到精度在几度之内的结果。1980年，另一位研究者巴格代迪（Baghdady）对勒维耶的方法进行了复盘，结果得到了误差仅为16′的结果。这些验证表明亚当斯与勒维耶的计算方法都是有效的。
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〔4〕通过卡戎的运动直接测定的其实是冥王星与卡戎这一行星-卫星系统的总质量。对于其他行星来说，这几乎就等于行星的质量。但冥王星与卡戎却是一个引人注目的例外，因为卡戎的质量相当大（约为冥王星质量的11.65％）。因此用引力效应测定冥王星的质量时还牵涉到确定卡戎与冥王星的相对质量这一额外的复杂性。
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那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界 [:1700893223]
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那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界 28 深空隐秘
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