2019年8月27日

 

位於太陽系的邊陲區，遠至海王星軌道以外的地方，有著數量很多的小天體，它們是行星形成所殘餘的冰質物體。雖然這些遙遠的小型冰體很不容易發現及觀測，但其軌道特性和表面組成卻是太陽系形成和演化的關鍵線索。「外太陽系起源巡天計劃」（the Outer Solar System Origins Survey, OSSOS）和其姊妹計畫（CFEPS, HiLat）的科學觀測主要利用夏威夷毛納基峰「加法夏望遠鏡」完成，在1,209平方度的天區內，發現了1,000多個「海王星外天體」（trans-Neptunian objects，簡稱為TNOs）。

在此大量發現中，包含了3個可能是屬於「妊神星家族」（Haumea Family）的天體。

一般認為，妊神星家族是在幾十億年前的一場大碰撞中形成，目前識別是否為家族成員的大概依據為：有無相似的軌道元素、表面是否顯示有水冰。

 

雖然位於火星跟木星之間的小行星帶裡有著100多個由碰撞產生的家族，但目前在海王星外的古柏帶中確認的「碰撞家族」仍只有這一個。如果我們能夠更加瞭解這個古柏帶碰撞家族的碰撞歷史，將更能探知古柏帶中的碰撞機制及其他關鍵的動力學資訊，也更能幫助我們搜尋其他未知海王星外家族的天體。

在OSSOS中發現三個可能為妊神星家族成員的天體，最為令人驚訝的是它們都比預期的亮很多(大很多)。中研院天文所博士後研究 Rosemary Pike 表示：「如果OSSOS的調查天區裡真的有小型妊神星家族成員的話，我們應該會有所發現才對。因為，對多數的 TNO 來說，小顆的TNO 數量一定會遠大於大顆 TNO的，但是這個計劃並沒有發現那麼多的小顆妊神星家族成員，是令人非常訝異的。既然OSSOS發現了1-3個大顆妊神星家族成員，所以它也應該找到10-30個小妊神星家族成員才對，但是這些小體型的物體消失了！」以Rosemary 為首的這個團隊獲得的這項發現，近期刊登在Nature Astronomy期刊。

 

Rosemary 進一步說明：「我們經過仔細地檢測了巡天觀測靈敏度，以及妊神星家族軌道分佈的模型，確定得到結論是：妊神星家族裡的小型天體數量明顯少於其他TNO族群。在電腦模型中，我們以緩斜率大小分佈可以描述這個觀測結果(編註：也就是像兒童球池裡的大小分佈，而不是像溪邊巨石-石塊-沙的分佈)。由於OSSOS 對觀測的偏差有非常好掌握，這讓我們能夠對妊神星家族的大小分佈，首次在統計上進行嚴格測試，並且也第一次對古柏帶中究竟有多少數量的妊神星家族成員提供一個較精確的約束值（robust constraint）。」

該團隊已經確知妊神星家族成員的大小分佈斜率很緩，這點不僅有別於所有其他 TNO 的大小分佈，同時也暗示了妊神星家族的形成過程。在電腦模擬中，我們知道緩斜率分佈可由擦撞及合併產生，其中，撞擊物體與原始妊神星先發生碰撞、減速，並再回頭第二次碰撞、進而與妊神星合併。隨著這個合併天體快速旋轉並物質脫離，妊神家族於是誕生。

 

然而，在電腦模擬中，由擦撞與合併碰撞形成的模擬軌道分佈，並不能再現妊神星家族成員的等向性軌道分佈。等向性的軌道分佈是由兩個天體劇烈碰撞所型成，撞擊物會立刻毀滅，但這會產生與本觀測結果不相容的「陡峭型」大小分佈斜率。

該團隊認為目前的結果對妊神星家族相關研究很有啟發，未來研究重點將致力於瞭解，什麼樣的形成機制，能重現這次觀測到的軌道和大小分佈。

 

[照片]

(A) 夏威夷毛納基峰上有著許多天文望遠鏡，加法夏望遠鏡（CFHT，中間偏左，白色）也是其中之一，照片中看起來最大且偏銀色的是「雙子星望遠鏡」（Gemini Observatory）。運用加法夏望遠鏡進行調查的「外太陽系起源巡天計畫」（OSSOS）和姊妹計畫 "CFEPS"，已發現許多遙遠的冰天體。OSSOS所涵蓋的天區有一半在本圖中可見到，其位置以白色長方形框標示。

(B) 圖中以紅色／粉紅色顯示妊神星和妊神星家族成員的軌道，它們的軌道與多數一般的海王星外天體軌道（灰色）都不一樣。妊神星家族的軌道傾角較高，軌道也超過了一般海王星外天體所分布的黃道面。