导语：冥王星特殊的轨道可以揭示太阳系的起源？
关键词：冥王星 海王星 行星轨道
距离“新视野号”飞船近距离飞越冥王星的时刻，也就是美国东部时间7月14日星期二约下午10点还有数小时。在那个时刻我们可以近距离地观察这个神秘的矮行星。
当其掠过冥王星时，其搭载的七台仪器将会捕捉插肩而过的每个瞬间。
在接下来的几个月中，该数据将被传回地球。这样就可以为我们了解太阳系的形成和演化历程提供重要的新线索。
可是我们现在已经对冥王星了解多少呢？其在太阳系中的地位如何？
大多数学科的本质通常是实验性科学。我们知道，如果想弄清楚一些未知的事情，需要用锤子砸、把它扔进试管里加热或者让它走出错综复杂的迷宫。你懂得。
与之相反，天文学是一门观测性学科。我们不能真的做实验，最多也就用计算机做一下模拟。我们收集观测数据，用这些数据拼凑出事件是如何、什么时候、为什么以及在哪里发生的。
因此，如果说宇宙是一个犯罪现场的话，天文学家就是勘察罪犯留下的蛛丝马迹的侦探。冥王星及其在太空中除行星之外的同胞对于天文学家研究太阳系的过去是非常重要的线索。
在观测性学科--天文学中，天文学家扮演着侦探的角色，他们试图揭开我们周围宇宙的神秘面纱。（图片来源：xkcd, CC BY-NC-SA）
冥王星—天上的奇特星球
自从其在1930年被发现以来，天文学家已经知道了许多关于冥王星的信息，它是一个非常特别的天体。
它是高度反光的，当靠近太阳时大气显得稀薄。它有一组卫星，包括形体巨大的Charon，它的直径为1200千米多一点，其尺寸比冥王星的一半大一点。
冥王星和Charon，新视野号于2015年7月8日拍摄。（图片来源：NASA-JHUAPL-SWRI）
冥王星的轨道很明显不是圆形的也不是离心圆。当其距离太阳最近（距离44亿千米）时，冥王星在海王星轨道内部。而在其距离太阳最远时超出海王星轨道近30亿千米。
海王星的轨道也是倾斜的，与太阳系平面夹角约17度。在248年的公转周期内，冥王星有时在其它行星的上面有时在下面。
奇特的不仅仅只有这些。其运行路径与海王星交叉，你可能会认为冥王星最终会接近海王星，甚至有可能会发生碰撞。但由于它们之间存在一种所谓平均运动共振（mean-motion resonance），避免了这个命运。
冥王星的轨道比海王星的（164年）长50%。因此，冥王星运行两圈的时间海王星运行了三圈。这阻止了冥王星和海王星之间的亲密接触。每次冥王星路过海王星轨道时，海王星都在别的地方。
其原理如下：第一圈中，冥王星在其轨道交叉处超过了海王星，二者距离很远因而避免了碰撞。到冥王星跑完第二圈时，海王星已经又跑了一圈半，也就是说现在海王星在冥王星前面，这样又避免了碰撞。冥王星跑完第三圈时，二者又回到了它们出发的地方，如此重复。
由于海王星跑三圈的同时冥王星跑了两圈，我们说它们存在3：2平均运动共振。这个共振对于我们理解太阳系的形成非常关键。
冥王星和行星的形成
当前最好的理论是太阳系形成于气体和尘埃（丰富的原始行星盘），这与在猎户星云的年轻恒星周围观察到的气体和尘埃很类似。
行星，矮行星和别的各种碎片要形成这种环境的话，这个行星盘必须是动态低温的，即像薄煎饼一样平。
在那种情形下，盘中的尘埃和冰的小碎片以极低的速度碰撞因而可以粘在一起，而不是将对方撞碎。
数千万年中无数次碰撞最终形成了行星系。
这是个相当成功的模型，比别的模型更符合我们的观测。但是，乍一看冥王星奇特的轨道似乎与模型矛盾。如果冥王星是那样形成的，为什么它现在的轨道是离心而且是倾斜的？
冥王星并不是个例。现在已经知道海王星轨道外有很多天体，其中很多与海王星都是共振的，而且轨道是倾斜和/或离心的。它们肯定不是由薄而冷的物质盘形成的。
太阳系中土星轨道以外的小天体轨道倾斜。（图片来源：Wikimedia, CC BY-SA）
因此我们有关于冥王星和类冥王星离心率和倾斜度形成的线索。但它预示着什么呢？
冥王星是移动的标尺
由于行星形成的模型变得更复杂，我们行星是从它们的现有轨道上简单地形成的这一理论已经被推翻。
基于太阳系的天体中被封存的证据，我们认为木星、土星、天王星和海王星在其形成时移动、伸展形成了它们当前分散的分布。
海王星移动得特别远，一些模型表明，它形成时比现在观测的离太阳的距离近10到20亿千米。但我们咋知道的呢？是冥王星和类冥王星奇特的轨道告诉我们的。
海王星大移动的证据
当行星形成时海王星比现在离太阳近得多，其更远处的外面有很多碎片（星子）。当海王星吞入附近的物质时，它使得在海王星过度区域内部的同时开始向内移动，在这个过程中，海王星自己则越跑越远。
旅行者2号捕捉的天王星大黑子及其伴星斑点。（图片来源：NASA）
随着海王星的移动，其共振位置也在发生移动。行星向外移动的同时也在捕获天体，迫使其移动的步调与巨星一致。
在移动到更远的过程中，海王星捕获了更多的天体。这些天体一旦被捕获，很少能逃脱。这些天体不可阻挡地被带到更远的地方，比巨大的海王星提前到达。当它们移动过程中，驱动力使它们有了自己的轨道，增大了其离心率和倾斜度。
最终，海王星几乎停止移动，而类冥王星也停在了我们现在观测的地方，这揭示了海王星快速向外移动了多少。
长途移动之迷
这使我们回想起了冥王星。由其轨道以及其与海王星的联系可知，海王星形成时一定离太阳很近，后来才向外移动的。
这也意味着冥王星形成时的轨道一定比现在离太阳近。在一定程度上我们可以根据其现在的位置推测其形成时的位置。
这也是研制新视野号飞船的出发点。探测器未来几小时内做的测量将为测量冥王星的形成位置提供更多线索。
测量是支持我们的理论还是迫使我们从头开始？这还需要看数据结果。这也是这种观测和探测任务迷人和令人兴奋的地方。
作者简介：
Jonti Horner是南昆士兰大学（University of Southern Queensland）副校长的高级研究员。
Jonathan P. Marshall 是澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）副校长的博士后研究员。
（翻译：张文泰；审校：傅斓）
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