塞德娜(英语: Sedna;小行星90377;临时编号2003 VB12)为一颗 外海王星天体 、独立天体,它于2003年11月14日由天文学家布朗( 加州理工学院 )、特鲁希略(双子星天文台)及 大卫·拉比诺维茨 ( 耶鲁大学 )共同发现,塞德娜距离太阳约88个天文单位,为海王星与太阳之间距离的3倍。在塞德娜大部分的 公转 周期中,它与太阳之间的距离比任何已知的 矮行星 与太阳的距离都要遥远。塞德娜是 太阳系 中颜色最红的 天体 之一。它大部分由水、 甲烷 、氮冰及托林所构成。国际天文联合会并未将塞德娜视为矮行星,但有一些天文学家认为其可能达到流体静力平衡,直径比太阳系最小的矮行星谷神星(950千米)大。
发现与命名
位于圣地亚哥东北部帕洛马山天文台的塞缪尔·奥斯钦望远镜(Samuel Oschin telescope)首次在2003年11月14日观测到塞德娜,当时帕洛马山天文台正在搜寻 黄道 离散天体。天文学家布朗( 加州理工学院 )、 特鲁希略 (双子星天文台)及 大卫·拉比诺维茨 ( 耶鲁大学 )在当天共同观测到一个 天体 在超过3.1小时之内移动了4.6角分,显示它的距离约为100天文单位。智利托洛洛山美洲际天文台在11月至12月进行的后续观测及美国 夏威夷州 的凯克天文台的观测显示它的 公转 轨道非常接近椭圆。天文学家后来根据 塞缪尔 奥斯钦望远镜拍摄的老旧照片及近地 小行星 追踪拍摄的照片,辨认出塞德娜。天文学家得以更精确的计算出它的轨道及且倾斜角度。
米高·布朗 在他的网站上说“我们发现的新 天体 是 太阳系 最遥远也是最寒冷的一个,所以我们认为它适合用因努伊特神话中的海洋女神塞德娜来命名,传说他居住在 北冰洋 的深处”。布朗也建议 国际天文学联合会 小行星中心未来在赛德娜公转地区发现的 天体 都应该使用北极地区的神祇。这个天体在获得官方正式名称之前被公开称塞德娜,当时它的临时名称为2003 VB12。小行星中心主任 布莱恩·马斯登 认为这种行为违悖命名协议,一些 国际天文学联合会 的会员也可能投票反对。但是后来并没有任何天文学家反对这个名称,也没有其他名称被提出,于是 国际天文学联合会 在2004年9月正式接受赛德娜这个名称。国际天文学联合会也认为未来如果遇到类似的情况,可能可以允许天文学家在官方正式名称确定之前先公布 天体 名称。
西班牙 与 美国 其他地区( 亚利桑那州 )的天文台也在几天之内观测到该天体。美国的 斯皮策太空望远镜 当时也正在观测这个区域,不过并没有发现它。天文学家后来使用斯皮策空间望远镜来观测塞德娜,并计算出它的直径上限大约是 冥王星 的四分之三(小于1,600千米)。
轨道特性
塞德娜的 公转 轨道与 太阳系 其他天体的比较 塞德娜拥有非常接近椭圆的公转轨道,它的近日点及远日点估计分别约为76天文单位及937天文单位,是天文学家观测到的天体中近日点距离太阳最遥远的一个。塞德娜在天文学家发现它的时候正接近近日点,当时距离 太阳 为89.6天文单位,是人类观测到距离太阳最远的太阳系 天体 。 阋神星 后来在距离太阳97天文单位的位置被天文学家发现,比发现赛德娜的位置更远。有一些长周期 彗星 会运行到比塞德娜更远的位置,不过因为太过黑暗而无法观测(除非是在接近近日点的时候)。即使赛德娜在2076年抵达近日点, 太阳 仍然只是天空中一个非常明亮的 恒星 ,只比满月还要明亮100倍,而且因为太过遥远,所以无法用肉眼观测到圆盘面。
塞德娜的 公转 周期约为11,400年,会在2075年末至2076年中之间通过近日点,而塞德娜也会在2114年追过 阋神星 ,成为距离 太阳 最远的球状 天体 。
根据 尼斯 蔚蓝海岸天文台(Observatoire de la Côte d'Azur)天文学家哈洛·F·李维森(Harold F. Levison)与阿勒山卓·摩比德里(Alessandro Morbidelli)的研究显示,塞德娜目前轨道形成的原因可能是一颗 恒星 在 太阳系 形成后的1亿年间曾近距离(小于800天文单位)的通过该天体附近,或一颗与 太阳 同时形成的恒星后来从太阳系分离出去所造成的。他们也提出另一种解释:赛德娜可能是在一颗质量为 太阳 20分之一的 褐矮星 附近所形成的,后来在褐矮星通过太阳系的时候被太阳所捕捉到。虽然这种情况发生的机率更低,但是却可能更精确的解释塞德娜的形成。 (相关内容详见“ 涅墨西斯星 ”,推测可能存在的 太阳伴星 )
天文学家戈麦斯则提出另一种解释,认为塞德娜受到一颗位于内奥尔特云的未知行星所干扰。最近的模拟显示塞德娜可能受到一颗位于2,000天文单位或更近的 天体 (质量与 海王星 相当)所扰动,或是一颗具有木星质量的天体(距离5,000天文单位),甚至是一颗位于1,000天文单位、质量类似 地球 的天体所影响。
小行星148209 是另一颗拥有类似塞德娜轨道的天体,虽然它没有那么极端的轨道:它的近日点为44.3天文单位、远日点则是394天文单位,轨道周期则是3,240年。它的轨道可能也跟塞德娜一样受到类似的影响。
天文学家刚发现塞德娜时,认为它的自转周期相当长,介于20到50天之间。天文学家推论这样长的自转周期是大型 卫星 引力 拉扯所造成的,例如像 冥卫一 一类的卫星,因此天文学家尝试寻找它的卫星。但是根据 哈勃空间望远镜 于2004年3月作出的观测结果,天文学家并未发现有卫星绕其 公转 。而多镜面望远镜后续的观测则显示塞德娜的自转周期约为10小时,符合赛德娜的大小应该具有的情况。
物理特征
塞德娜的 绝对星等 为1.8等, 反照率 估计为0.32,因此推断出塞德娜的直径约为1,000千米。当它在2003年被天文学家发现时,是人类自1930年发现 冥王星 以来在 太阳系 所发现的最明亮 天体 。赛德娜的发现者在2004年认为它的直径上限为1,800千米,不过天文学家在2007年使用 斯皮策太空望远镜 观测赛德娜后,认为它的直径上限在1,600千米以下。赫歇尔空间天文台在2012年的观测结果显示赛德娜的直径为995±80千米,比 冥卫一 还要小。因为赛德娜没有任何 卫星 ,所以天文学家无法估计出它的质量,除非发射航天器来近距离探测它。假设它的密度与冥王星相当,为2.0公克/立方厘米,那么赛德娜的质量约为1 × 10²¹ 千克 。
托洛洛山美洲际天文台的观测显示赛德娜是 太阳系 中最红的 天体 之一,颜色类似 火星 。双子星天文台的查德·特鲁希略及他的同事认为赛德娜呈现出的 栗色 是因为烃 沉淀物 或简单 有机化合物 长期暴露在 紫外线 下所形成的托林覆盖在表面的结果,就像在 小行星 佛拉斯上所发现的一样。赛德娜表面的物质与光谱相当均匀。可能是因为它距离 太阳 过于遥远,很少受到其他天体的影响,所以不像飞龙星那样暴露出内部构造。塞德娜与两颗非常遥远的天体(小行星87269及 2006 SQ372 )、 小行星5145 的颜色相当。就像外侧的经典 柯伊伯带 天体一样,表示它们都有相同的起源。赛德娜表面的 甲烷 冰或水冰很少,与 冥王星 或 冥卫一 相异。
拉斐尔·特鲁希略 及他的同事认为赛德娜的表面由60%甲烷冰及70%水冰所构成。甲烷冰受到辐射照射后,托林得以在塞德娜的表面形成。巴鲁希及他的同事在比较塞德娜与 土卫六 之后,发现该 天体 拥有甲烷及 氮气 的微弱 谱线 。根据这些观测结果,他们认为塞德娜的表面由24%托林(类似土卫六)、7%无定形碳、26% 甲醇 冰与33%甲烷所组成。 斯皮策太空望远镜 红外线光度测量在2006年确认赛德娜的表面存在 甲烷 及水冰。天文学家认为它的表面可能至少在短暂时间内有氮气存在,所以它可能拥有大气层。赛德娜表面的最高温度在接近太阳的200年当中会超过35.6K(-237.6 ℃),可以让固态氮ɑ阶段转变成β阶段,与 土卫六 相似。 氮气 在35K的蒸气压是14微巴。然而赛德娜的 栗色 光谱 斜率 显示有机化学高度集中在表面,微弱的甲烷 谱线 表示它表面的甲烷并不是新生成的。天文学家由此推断赛德娜的表面太过寒冷,所以甲烷无法蒸发,然后像雪一样落在表面上(类似土卫六, 冥王星 很可能也有这种情况)。天文学家经由放射性过程产生的内部加热现象,认为赛德娜的地表下可能拥有液态水构成的海洋。业余天文学家可以使用先进的电脑软件及长时间的曝光 摄影 来搜寻塞德娜。
族群
除非这次发现只是侥幸,否则天文学家很可能侦测到其他类似塞德娜这样轨道为高度椭圆的 天体 ,天文学家估计还有40至120个这类天体存在塞德娜运行的区域内。 小行星148209 的 公转 轨道 似塞德娜,近日点为44.3天文单位,远日点为394天文单位,公转周期为3,240年,其形成的过程可能跟塞德娜相同。
天文学家提出每个解释塞德娜 椭圆轨道 的机制都明确显示出这样天体结构及力学模式。如果 海王星 外天体存在,所有类似的天体都会有相当的近日点(约80天文单位)。如果塞德娜是从另一个旋转方向与 太阳 相同的 恒星系 所捕获的话,这样的 天体 都会有低倾斜角, 半长轴 为100至500天文单位。如果它是从另一个旋转方向与太阳相反的恒星系所捕获的话,将会形成两个群体,一个会有低倾斜角的轨道,另一个则有高倾斜角的轨道。 恒星 的重力将会导致天体近日点及倾斜角分散开来,角度及数量都是相异的。
天文学家从这类天体获取的大量数据可以决定哪一种情况比较有可能发生。布朗在2006年说“我称塞德娜为早期 太阳系 的化石纪录。最后,当其他化石纪录被发现后,塞德娜将会帮助我们了解 太阳 如何形成及太阳形成时有多少恒星曾经接近过”。布朗在2007年至2008年间进行一次观测,试图寻找塞德娜这类 天体 的其他成员。这次观测将范围延伸到1,000天文单位,并发现大型 外海王星天体 小行星225088 ,但是没有观测到任何类似塞德娜的天体。后续新的电脑摹拟资料显示类似塞德娜的天体约有40个可能出现在这个区域。
分类
小行星 中心将塞德娜视为一颗 黄道 离散天体,但是这种分类有许多问题存在。许多天文学家认为塞德娜与一些其他少数天体(例如 小行星148209 )应该归类为一种新的天体类型,称为延伸黄道离散天体(E-SDO)、分离天体、遥远分离天体(DDO)或离散-延伸黄道天体(根据黄道 中国空间站工程巡天望远镜 计划的正式分类)。
发现塞德娜也让天文学家重新面对一个问题:“怎么样的 天体 可以被视为是一颗 行星 ”。2004年3月15日的一篇大众媒体文章这样报道赛德娜的消息:“发现第10颗行星”。后来国际天文联合会在2006年8月24日所决议的 行星定义 解决这个问题,认为行星必须清除邻近的小天体。天文学家目前估计塞德娜的史藤-李文森参数。介于 冥王星 的8×10⁻⁵至6×10⁻³之间,因此即使尚未在它的周围发现其他天体,也无法认为塞德娜可以清除邻近的小天体。天文学家怀疑赛德娜是否达到 流体静力平衡 (Hydrostatic equilibrium),但仍然无法确定。如果它真的达到流体静力平衡的话,将会被视为是 矮行星 的候选 天体 。
起源
天文学家布朗在公布发现塞德娜消息的论文 中将 赛德娜视为人类首次观测到的 奥尔特云 。 奥尔特云 是包围着 太阳 系 的球体云团,布满不少 彗星 ,距离太阳约一光年。塞德娜的近日点为76天文单位,所以不像 黄道 离散 天体 的轨道会受到 海王星 引力 的影响。因为它比其他假设的奥尔特云天体还要接近太阳, 轨道倾角 与 行星 及 柯伊伯带 约成一直线,所以他们将塞德娜视为“内奥尔特云天体”,位于柯伊伯带及奥尔特云之间的区域。
如果塞德娜是在目前所在区域内形成的话, 太阳 的原 行星盘 至少延伸至75天文单位的地区。赛德娜原本的 公转 轨道必定是圆形的,除非它是借由其他小型 天体 吸积 而成的,但是因为原行星之间巨大的相对速度相当不一致,所以这种情况不大可能发生。赛德娜必定是受到其他天体的 引力 交互作用,然后才进入目前的 椭圆轨道 。 布朗 、 大卫·拉比诺维茨 及其同事在最早的论文中这个天体有3种可能:一颗未发现且位于 柯伊伯带 外侧的 行星 、一颗通过 太阳 附近的 恒星 或一颗在太阳形成时,与它融合在一起的年轻恒星。
迈克尔-布朗 及其团队偏好的假说认为一颗出现在形成太阳的 星团 的恒星让赛德娜进入目前的椭圆轨道。他们认为它的远日点约1,000天文单位,比其他长周期 彗星 都还要近,所以一颗通过太阳附近的恒星无法影响其轨道。布朗认为最佳解释是: 太阳 形成的疏散星团也生成其他几颗 恒星 ,它们后来分开时影响到赛德娜的 公转 轨道。阿勒山卓·摩比德里(Alessandro Morbidelli)及史考特·J·肯杨后来进一步修正这个假说。裘洛·佛南德兹及Adrian Brunini认为疏散星团中一些年轻 恒星 多次近距离接近太阳会造成许多公转轨道类似赛德娜的 天体 。根据 尼斯 蔚蓝海岸天文台(Observatoire de la Côte d'Azur)天文学家摩比德里及哈洛·F·李维森(Harold F. Levison)进行的一项研究显示,塞德娜的 公转 轨道最有可能是一颗 恒星 在 太阳系 形成后的1亿年间以不到800天文单位的距离通过赛德娜所引起的。
许多天文学家(包括戈麦斯及帕特克·莱卡维卡)经由几种不同的模式来描述 海王星 外天体假说。一种假设认为塞德娜的轨道受到一颗位于内奥尔特云的未知行星所扰动。最近的电脑模拟显示赛德娜可能受到一颗位于2,000天文单位(或更近)的 天体 (质量与海王星相当)扰动,或一颗木星质量的天体(距离5,000天文单位),甚至是一颗位于1,000天文单位,质量类似 地球 的天体。帕特克·莱卡维卡的电脑模拟认为赛德娜的轨道是由一颗大小类似地球的天体所引起的, 海王星 在 太阳系 形成初期将它弹射出去,所以目前它绕着80至170天文单位的狭长轨道 公转 。迈克尔·布朗的巡天计划并未在100天文单位内的区域发现任何大小类似地球的天体,但是这样的天体可能在内奥尔特云形成后被抛离太阳系内。
另一假设认为塞德娜的轨道是一颗巨大且遥远的(距离几万天文单位) 涅墨西斯星 所造成的, 涅墨西斯星 是可能存在的太阳伴星其中之一。涅墨西斯星是一颗推测可能存在的暗淡的 恒星 ,可能是 地球 数次 周期性 的 生物集群灭绝 、月球 撞击事件 及许多长周期 彗星 公转轨道的主因。然而并没有涅墨西斯星存在的 直接证据 ,许多证据(例如撞击坑 计数 )都质疑它的存在。约翰·马泰塞(John J. Matese)及丹尼尔·怀特米尔(Daniel P. Whitmire)这两位长期支持遥远 太阳伴星 存在的学者认为一颗位于7,850天文单位,质量为 木星 5倍的 天体 可以导致天体拥有类似赛德娜的 公转 轨道。摩比德里及肯杨也提出另一种看法:塞德娜可能是在另一个 恒星系 (特别是质量比 太阳 小20倍的 褐矮星 )附近形成的,后来它在通过 太阳系 附近的时候被太阳所捕捉到。
探测
塞德娜将在2075年至2076年间通过近日点,在接近太阳期间将是人类探测该天体的最佳时机,因为它下一次通过近日点将发生在12,000年后。虽然 美国航空航天局 将塞德娜名列太阳系探测网站中,但是目前并未考虑任何探测计划。