寻找行星的人

迈克·布朗在阿拉巴马州亨茨维尔的美国国家航空航天局（NASA）马歇尔太空飞行中心附近长大，他父亲和邻居的父亲们都在那里研制土星火箭。有时，当他在摆满太阳系海报的房间里学习时，地面会震动。这种震动预示着又一次火箭试射。

几十年后，布朗和他的同事——双子座天文台的查德·特鲁希略（Chad Trujillo）和耶鲁大学的大卫·拉比诺维茨（David Rabinowitz）——通过发现位于距离太阳100亿英里之外、被称为“柯伊伯带”的碎屑环中的轨道天体，彻底动摇了天文学界。他们给这些冰质天体起了昵称，如“夸奥尔”（Quaoar）、“塞德娜”（Sedna）、“圣诞老人”（Santa）、“复活节兔子”（Easter Bunny）和“塞娜”（Xena）。

最重要的发现是“塞德娜”，布朗称它是一块化石，可能有助于揭示太阳系的形成历史。但引起天文学家们最大轰动的还是“塞娜”，它最近被一个德国科学家小组证实，其大小至少比冥王星大30%。

“塞娜”引发了国际天文学联合会（IAU）的一场持续辩论，讨论它是否应该被正式认定为第十颗行星，或者冥王星是否应该被降级，行星数量减少到八颗。无论最终决定如何，最终每一个小学科学教科书和每一个太阳系海报都将需要被改写和修订。

如果你是我还在加州大学伯克利分校读天文学研究生一年级或二年级时的认识，你现在读到我可能会有点惊讶。

那时我有点格格不入。我住在伯克利码头的帆船上，大部分时间都在徒步旅行。然后，出现了一个重大的转变时刻。我记得它是重大的，唯一的原因是，在此之后，它又发生了一次。

我和我的学术导师一起去了加州大学的利克天文台，我们当时正在使用一台巨大的三米（120英寸）望远镜。它就像一座大教堂，事实上，天文台的一个工作人员提到了那台附着在大望远镜侧面的小望远镜。他说没有人使用它，因为它太小了，你看不清太多东西。我仍然记得那种在胃里翻腾的感觉：这是错的。

能获得望远镜的使用时间太难了。拥有不使用的望远镜是完全错误的。所以，我花了六个月时间四处走动，想着一定有办法能一直利用它们。这与其他人确定博士研究课题的方式完全相反。没人会找到一个望远镜，然后，在没有任何研究课题的情况下，花很长时间思考如何使用它。

那台望远镜引导我研究木星的一颗卫星——艾奥（Io），重点关注它的火山以及它与木星磁场的相互作用。我的博士论文就是利用这台望远镜连续观测艾奥六个月，观察火山爆发以及随后的变化。

但你知道那台望远镜真正做了什么吗？当下一个转变时刻到来时，它让我变得非常警觉。

我经过隔壁办公室——一位博士后简·刘（Jane Luu）的办公室——时，听到一阵急促的低语：“过来！”简把我带到她的电脑屏幕前，给我看了她和戴夫·朱伊特（Dave Jewitt）在冥王星远处发现的第一个柯伊伯带天体。

那是1992年。现在回想起来很有趣。前一天，柯伊伯带还被认为是彗星的储存库，彗星可能只有一公里宽。这个天体有几百公里宽。在此发现的前一天，大多数人根本没意识到那里有大型天体。当轮到我思考下一步要做什么时，这里显然是值得探索的地方。

我在艾奥上的工作把我带到了卡尔特克，那里是天文学家梦寐以求的地方。但这和我习惯的非常不同——那台小望远镜和大量的使用机会。在卡尔特克，你可以使用真正巨大的望远镜——一些世界上最伟大的望远镜——但一年只有几天。这极大地影响了你的天文学研究方式，坦白说，我感到不安。我喜欢在艾奥上使用的那种风格，甚至告诉我的父亲我在考虑离开。他立刻回应说，如果我离开卡尔特克，我就是个疯子。

仅仅几个月后，我正在使用卡尔特克帕洛玛天文台那台巨大的200英寸哈勃望远镜（Hale Telescope）。那是一个下雪的夜晚，我们什么也看不到，所以我去了可以休息的地方。在路上，我遇到了一位工作人员，他想给我看看塞缪尔·奥辛（Samuel Oschin）望远镜，这是一台48英寸的仪器，已经使用了50年，用于进行帕洛玛天文台的巡天观测。 （Palomar Observatory Sky Survey）

所有天文学家都知道帕洛玛巡天观测。它规模巨大。它拍摄了天空各个角落的照片，然后这些照片被复制成胶片，寄给了世界上的每一个天文学图书馆，这样任何人都可以用珠宝放大镜查看他或她想要的任何天空区域。

他们即将完成第二代巡天观测，这位工作人员告诉我，基本上，当这台望远镜完成任务后，它就没什么可做的了，它就要被闲置在那里了。我当时想：“哦，不，它不会！”

很明显，奥辛望远镜是寻找那些最大的柯伊伯带天体的理想工具。迄今为止搜寻这些天体的天空范围微不足道。找到这些天体的方法是拥有一台你可以长期使用并能巡视整个天空的望远镜。

我花了三年时间使用这台48英寸的望远镜和用于帕洛玛巡天观测的那种照相底片进行了大规模的巡视。每一张底片都是一块14英寸的玻璃，背面涂有感光乳剂。你在黑暗中把它带到望远镜前，熄灯装载，对着天空曝光约一小时，取下，然后放入一个传菜电梯，传到暗房，在那里进行显影。所有这些之后，你就会得到一张玻璃上的天空照片。然后底片需要被扫描和数字化，以便计算机能够寻找移动的物体，而我们不再需要用眼睛去寻找。

这带来了三年非常紧张的努力。我们什么也没找到，但这并不重要。我知道我们有机会在那里找到一些真正重大而有意义的东西。

我们之所以一无所获，是因为照相底片无法捕捉到今天新科技能看到的微弱物体——而且我们运气不好。我们搜寻的地方没有东西，但如果我们往南偏五度，我们五年前就能在那张照相底片上找到“塞娜”。

从某种意义上说，我很高兴我们没有。那会很令人兴奋，但这逐步推进的过程也很有趣。很明显，那里一定有大型天体，因为人们不断发现几百公里宽的物体，你可以进行推断。你永远不知道推断是否会奏效，但我们可以推断出会存在几个冥王星大小或更大的物体。

我们对最初三年一无所获感到非常失望。显然，我的终身教职委员会也对此感到担忧。但我没有。找不到东西不是问题——它仍然是好的科学。你需要做的是回去，进行非常仔细的校准，然后写一篇关于找不到东西的论文，使其具有参考价值。

那时我们已经开始着手部署我们现在拥有的新系统，即CCD相机，它非常类似于如今每个人都使用的小型数码相机。照相底片需要一个小时才能记录的相同物体，数码相机只需几分钟就能看到。这是一个巨大的不同，使我们能够覆盖大片天空。为了让你了解其中的区别，使用照相底片三年工作的量，用CCD相机大约一个月就能完成。而且我能看到比以前暗十倍的物体。

我意识到我必须做出一个重大决定。我可以花时间进行旧巡视的校准，并写一篇关于我为什么一无所获的文章，或者我可以把旧的巡视扔进垃圾桶，用新设备重新做一遍。

“你必须写完旧巡视的报告，”有人告诉我，我理解这一点。这是显而易见的建议。我也会给几乎所有人同样的建议。但我知道这是错误的建议。所以我忽略了它。现在，你这样做是自担风险。

就在终身教职的评审过程进行之际，我们用CCD相机重新开始了巡视。到委员会做出决定时，我们还没有找到任何东西——好吧，是一些小东西，但没有大的。

幸运的是，这不是我唯一投入时间的事情。我还做了一些其他委员会乐于看到的事情。正如我的部门主任后来解释的那样：“在终身教职的评定中，每个人都在寻找‘全垒打’。我不得不争辩说，你打出了很多‘一垒安打’和‘二垒安打’，加起来就相当于一两个‘全垒打’。”

获得终身教职一周后，我们发现了“夸奥尔”。

“夸奥尔”的大小是冥王星的一半。每个人都非常兴奋，想听听它的故事。那是2002年6月。现在回头看，我想：“嗯，‘夸奥尔’很大，但和后来的发现相比，没那么大。”

“塞德娜”完全出乎意料。它距离太阳80亿英里——冥王星是36亿英里——而在2004年，我们完全不知道太阳系外围区域存在这样的天体。它们的存在将告诉我们关于太阳诞生以及太阳系早期历史的惊人信息。

“塞德娜”不应该在那里。没有任何办法能把“塞娜”放到那里。它离太阳的距离不够近，不足以受到太阳的影响，但它离太阳的距离又不够远，不足以受到其他恒星的影响，就像在柯伊伯带中发现的彗星一样。“塞娜”被困住了，冻结在原地；没有任何办法移动它。如果没有办法移动它，基本上就无法把它放到那里——除非它在那里形成。但它的轨道非常椭圆，不可能在如此椭圆的轨道中形成任何东西。它根本不应该在那里。没有任何可能——但它就在那里。那么，它是怎么做到的呢？

我认为它是在太阳系早期形成的。我认为，如果以前有比现在近得多的恒星，并且那些恒星影响了“塞娜”轨道的外部，然后又远离了，那么它就可能在那里。所以我称“塞娜”为太阳系早期的化石记录。最终，当发现其他化石记录时，“塞娜”将帮助我们了解太阳是如何形成的，以及形成时靠近太阳的恒星数量。

“塞娜”非常遥远，如果不是因为它在轨道上最接近我们的时候，我们永远不会看到它。事实上，有一个大约200年的周期我们可以看到它，而它的轨道周期是12000年。那么这意味着什么呢？如果我们看到它200年 out of 12000 年，那就意味着我们只有1/60的机会看到它，这意味着对我来说，那里可能存在60个这样的天体。如果那里有60个这样的天体，那么很可能有20个比它稍大一些，甚至可能有几个像水星或火星一样大的。我们正在努力寻找所有这些天体。一旦完成，我们就能解读完整的化石记录，了解惊人的事物。

即使我们后来发现了“塞娜”（Xena），它比冥王星大，可以被称为行星，但这本身并不特别深刻。我们一直都知道那里可能存在比冥王星更大的东西，而我们终于找到了它。从科学上讲，毫无疑问，我们发现的最重要的天体是“塞娜”。

克莱德·汤博（Clyde Tombaugh），1930年发现冥王星的人，花了一二十年的时间每晚去望远镜那里，拍摄照相底片，白天冲洗底片，然后仔细查看。我从来没有真正“看到”过我发现的任何东西。我说“看到”，是指通过望远镜观察，让光子真正击中眼睛。我甚至不必去望远镜那里进行观测。望远镜会拍照，我在办公室的电脑屏幕上看到照片。这既抽象又机械。

电脑会处理大部分数据，我每天会花大约15分钟时间查看。现在并不是说我什么都不做——像这样自动化需要多年的努力。但这就是它有效的原因，也是我能拥有妻子和生活的原因。

我第一次在屏幕上看到“塞娜”时，以为有什么不对。它太大了，太亮了。我不得不仔细检查它在天空中的位置。然后我计算了它的大小和距离。“塞娜”是围绕太阳轨道上已知最远的天体——距离100亿英里，比冥王星远70多亿英里。它的直径约为1800英里，比冥王星大约400英里。

我抓起电话，打给我的妻子。“我刚发现了一颗行星，”我说。她当时怀孕了，她回答说：“那很好，亲爱的。你回家路上能顺便买点牛奶吗？”

我能不能不提西班牙人？我其实宁愿不提他们。现在我喜欢假装这一切从未发生过。

好吧，好吧，不可否认他们是故事的一部分。当我们于04年12月发现柯伊伯带天体“圣诞老人”时，我们欣喜若狂——这是我们见过的最明亮的东西。起初我们不知道它有多大，但我们有合理的理由认为它比冥王星大。

不到三周后，在05年1月，我们发现了“塞娜”，我们知道它比冥王星大。它不可能比冥王星小。当我们大约在复活节时详细研究这两个天体时，我们又发现了一个，我们称之为“复活节兔子”。它看起来也可能比冥王星大，尽管实际上不是。但当时我们认为我们发现了三个比冥王星大的天体。

我们打算先公布发现“圣诞老人”的喜讯，因为传言已经泄露。这样，每个人都会认为传言说的是“圣诞老人”，就不会怀疑我们。

我们正准备在9月于英国剑桥举行的一次会议上公布。然后我们将在10月公布另外两个。这个时间表有三个重要原因。一，我们希望在学年期间公布，因为孩子们喜欢这些东西。二，我们有时间准备我们的科学论文。你知道，我们实际上喜欢做与这些事物相关的科学研究，而不是简单地说：“哦，那里有什么东西！”第三，我的妻子在7月7日生下了孩子，我想和她以及婴儿一起享受一段宁静的时光。

7月底，我们参加了一个国际天文学联合会会议，并谈论了“圣诞老人”，尽管我们没有透露它的位置，所以似乎无法找到它。

但几天后，7月28日，我收到了一位与我们合作的人发来的电子邮件，他给我发送了关于发现一个天体的公告，并说：“这不是你刚才说的那个天体吗？”

正是如此。有人发现了“圣诞老人”。国际天文学联合会的人们起了疑心，因为我们的演讲摘要已经发布到网上。但当他们问我是否怀疑时，我天真地告诉他们没有。

几个小时后，我震惊地意识到，我们愚蠢地提到了电脑在发现东西时会立即生成的真实代码。“圣诞老人”是K40506A，这表明它是在2004年5月6日发现的。A表示这是我们在该日期发现的第一个天体。我们在摘要中使用了K40506A来识别该天体，这是愚蠢的。我们本应该直接使用“圣诞老人”的名字。

结果发现，我们不知道，如果在谷歌上输入K40506A，你就会深入到一个意外公开的存档中，那里记录了一个我们望远镜的指向。我们甚至不知道这个存档的存在，更不用说可以如此轻松地从谷歌访问它了。一旦进入那里，你就能弄清楚我们一直在观察哪里。

该存档本不应公开。本应有一行代码使其保密，但那一行代码有错误，导致它对全世界可见。

我们的网络服务器日志显示，西班牙安达卢西亚天体物理研究所的一台计算机访问了该存档。同一台计算机被用来发送电子邮件，声称“发现了”某物。

当我们意识到发生了什么后，我们就知道用同样的方法很容易找到其他两个天体。不可能保守另外两个的秘密。那是星期五的早晨。当太阳落山时，任何人都可以用望远镜指向天空，声称他们发现了另外两个。所以我们必须在日落前公布它们的存在——那是七月的最后一个星期五。

当时航天飞机正在太空中，他们正在试图修复瓦片。所有科学记者都在休斯敦的约翰逊航天中心，但我们于周五太平洋时间下午四点召开了新闻发布会，这是宣布任何事情最糟糕的时间，而且我们没有任何科学论文来支持我们的发现。

我们的公告被埋在了《洛杉矶时报》的第18页。没有人听到。那些热爱了解这些东西的孩子们甚至还没有上学。

如果国际天文学联合会宣布“塞娜”为真正的行星，我希望大家都有机会听到。但如果他们宣布它不是行星，那也很好。

这对我来说无关紧要的原因是，如果你从头开始进行科学定义，那么正确的行星数量是八颗。虽然我很为可怜的“塞娜”感到难过，但它就是不像其他八颗行星。冥王星甚至更小，更不像其他八颗行星。从科学意义上讲，它们都不是真正意义上的行星。

但每次你发现一些东西，人们就会兴奋起来。当我们发现“夸奥尔”时，人们问：“它是行星吗？”我们回答：“不，不，它不是行星。顺便说一句，冥王星也不是行星。”然后我们发现了“塞娜”。“它是行星吗？它是行星吗？”“不，不，它不是行星。顺便说一句，冥王星也不是行星。”“塞娜”也是如此。我们是不断重复同样的话吗？还是我们放弃并认识到人们就是爱冥王星？

没有人想摆脱冥王星，如果你说冥王星不是行星——它只是太阳系边缘一个疯狂的小东西——人们会觉得你是个大宇宙恶霸。

“行星”这个词存在于人们的脑海和想象中。冥王星之所以是行星，是因为75年来每个人都知道冥王星是行星，而不是因为有科学原因。

天文学家不喜欢这样，因为他们认为他们拥有“行星”这个词，但这个词已经存在了2000年，从来不是一个科学词汇，也不需要成为科学词汇。

我使用的类比是“大陆”这个词。没有一个科学定义来定义“大陆”这个词。如果你能想出一个科学定义来包含七大洲，我会印象深刻。尽管去试试。马达加斯加可能是个大陆，因为它位于一个独立的构造板块上。欧洲？不行，绝对不行——为什么它与亚洲分开？我不知道。澳大利亚？当然。也许我们会把新西兰算一个。新西兰有两个板块。总之，你永远不会听到地质学家争论这个问题，因为他们不在乎。在地质学上，社会是否称这些东西为大陆并不重要。他们谈论的是实际存在的东西：大陆地壳、大陆动力学等等。我认为天文学家应该借鉴这一点，并说，让我们现实一点——社会希望为我们所知的一小部分事物贴上标签。

作为科学家，我们当然需要知道八颗“主要行星”与“次要行星”之间的区别。这样，我们就会有好的科学名称，就像地质学家一样。如果人们想称冥王星为行星，那就让他们去叫吧。

但然后你就必须考虑称“塞娜”为行星，因为它更大。所以，如果国际天文学联合会想称“塞娜”为第十颗行星并给它一个正式的名字，我也会觉得很好。

我下一步做什么？好吧，如果我还在做这件事，那就意味着我陷入了僵局。有时人们会一直做一些越来越不有趣的事情。但我不能，即使我想，因为我们已经搜遍了天空。

这次巡视有一个自然的结束。到明年这个时候——除非有非常恶劣的天气——我们将基本覆盖了所有可见的天空。我们还想进行半球的观测，这还需要另外几年。但那就结束了。所以，这是我和我的学生经常讨论的问题：我们下一步该做什么？很多人都有五年的计划——他们想做什么，想去哪里。我一无所知。

也许我只是在等别人告诉我有一个望远镜碰巧没有人使用……

太阳系的边缘有什么？

天文学家必须在黑暗中摸索，寻找冥王星以外广阔区域的形状和构成线索。

由天文学家迈克·布朗及其团队发现的，既是又不是行星的“塞娜”，是人类迄今为止发现的绕太阳运行的最远天体——距离约100亿英里，比冥王星远70多亿英里。然而，“塞娜”离太阳系的边缘还远着呢。

真正的外围极限至少是其500倍的距离，大约比冥王星远5万亿英里，在那里太阳看起来就像一颗明亮的星星，温度仅比绝对零度高几度。天文学家认为这个区域被称为“奥尔特云”，包含了46亿年前形成太阳、地球和其他主要行星时留下的巨大冰屑集合体。

奥尔特云中的任何物体都无法直接通过望远镜看到，但天文学家推断其存在是因为它偶尔会喷出物体，这些物体会冲向太阳，在那里它们会长出长长的、蒸汽状的尾巴，成为彗星。每年大约有10颗来自太阳系最远处的彗星出现。西南研究所的哈罗德·莱维森（Harold Levison）利用数学模型分析了那些将它们甩出去的微妙力量——经过的恒星的牵引、星际气体云，尤其是我们银河系本身的引力场——估计了奥尔特云中还有多少其他物体。“总共有大约一万亿个。这是一个庞大的数字，甚至比我们国家的赤字还大，”他说。

莱维森说，这些隐藏的物体大多数可能是不到一英里宽的不规则岩石、冰和冻结气体的块状物。“但我敢肯定，也有冥王星大小，甚至月球大小或火星大小的东西在那里。”尽管如此，奥尔特云中的所有物体加起来可能也比不上地球。该区域最值得注意的方面是其令人惊叹的空旷。它如此之大，以至于物体之间的平均距离与地球到太阳的距离大致相等。只有当经过的恒星每隔几百万年左右搅动一次时，才会发生戏剧性的事件，像爆米花一样将奥尔特云膨胀起来，并剥离其外层。因此，它的数量随着时间的推移而稳步下降。

内奥尔特云，从距离太阳几百亿英里延伸到几千亿英里，比该区域的边缘稳定得多。如果那里有任何物体在绕轨道运行——没人知道——它们就会永远停留在原地。哈佛-史密森天体物理中心的布莱恩·马斯登（Brian Marsden）猜测，这个区域可能存在完整的地球大小的行星，它们在黑暗中看不见地绕行。“我们无法通过观测或动力学手段探测到它们，”他说。

如今最好的望远镜只能穿透太阳系外围区域最近的部分，即柯伊伯带。天文学家理论上认为，在太阳系形成初期，天王星和海王星周围的区域充满了冰冷的碎片。随着这些巨大的外行星的生长，它们强大的引力将许多碎片抛向外太空。离太阳最远的部分散布到四面八方，形成了奥尔特云。离太阳较近的物质形成了柯伊伯带。

柯伊伯带的存在在20世纪90年代初得到了直接观测证实，当时天文学家开始使用高灵敏度数码相机和运动感应计算机软件来巡视大片天空。夏威夷大学的大卫·朱伊特和简·刘于1992年发现了第一个柯伊伯带天体——一个100英里宽的冰冷球体，称为QB1。然后，情况一发不可收拾：天文学家迅速发现了1000多个类似的物体，其中大多数距离太阳约40亿英里，尽管有些的轨道距离是其四五倍。最好的估计是，该区域拥有至少一英里宽的1亿个物体。同样，小家伙占主导地位。莱维森和他的同事估计，所有柯伊伯带天体的总质量明显小于奥尔特云，可能只有地球质量的十分之一或百分之一。

天文学家曾经将柯伊伯带描绘成一个巨大的环形天体集合，位于一个盘状的平面上，称为黄道面，地球和其他所有主要行星都在这个平面上运行。但对天空的广域巡视带来了惊喜。最值得注意的是，“塞娜”以一个倾斜的45度角相对于主要行星运行，这使得“柯伊伯带就是一条带子”的旧观念显得荒谬。根据最新的想法，天王星和海王星在形成过程中发生了移动，而较小但仍然相当大的天体可能进一步搅动了太阳系外围，天文学家仍在努力理解这些过程。目前，布朗和他的行星猎人同伴们明白，他们需要抛弃旧观念，在所有方向上寻找新的世界。

这项不断扩展的搜寻即将从Pan-STARRS——全景巡天望远镜和快速响应系统（Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System）——那里获得巨大推动，该系统的原型将于今年晚些时候在夏威夷启动。它使用四组光学器件和世界上最大的数码相机来观察整个天空中的所有移动物体，从危险地靠近地球的近地小行星到柯伊伯带及更远处的未知天体。

Pan-STARRS是规模更宏大的大型巡天望远镜（Large Synoptic Survey Telescope）的前身，该望远镜预计将于2012年在墨西哥或智利投入使用。它将使用一面28英尺宽的镜子——是Pan-STARRS望远镜的五倍——以及一个卡车大小的相机，能在三天内完成整个天空的巡视。每30秒，它将收集36千兆字节的图像，足以装满50张CD。这批数字宝藏很可能包含大量关于数千个绕太阳运行、距离太阳达数百亿英里的柯伊伯带天体的数据，而且几乎肯定会包含一些再次与“太阳系边界”的定义相悖的物体。马斯登说：“我们以前错了很多次。”

与此同时，天文学家将在2015年7月近距离观测太阳系外围，届时“新视野号”（New Horizons）探测器将飞掠冥王星，并传回关于这个曾经最遥远行星及其三个卫星的详细图像。如果一切顺利，“新视野号”将继续飞向柯伊伯带。西南研究所的天文学家约翰·斯宾塞（John Spencer）正在制定“新视野号”任务计划，他甚至还没有选定目标；他正在等待Pan-STARRS为他提供更好的路线图。

“新视野号”看到的可能是连接太阳系各个部分的缺失环节，从这里到最边缘。如果莱维森是对的，同样的散射过程不仅创造了柯伊伯带和构建了奥尔特云，还用彗星轰击了年轻的地球，重塑了它的表面，并提供了有助于形成其海洋和大气层的冰。莱维森说，当你以足够大的视角审视太阳系时，“一切都是相互联系的”。——科里·S·鲍威尔（Corey S. Powell）