作者：劉耕文、邵思齊、郭庭維
2017/10/11 在《自然》期刊上出現了一個新消息：妊神星有環！
這個矮行星是顆海王星外軌道的柯伊伯帶天體，歐洲 12 個望遠鏡藉由 URAT1 533-182543 掩星事件意外發現這個平均半徑約 700 公里的矮行星，不只擁有兩顆衛星還有個半徑 2000 公里的環。連這樣比月球小的天體都有環，太陽系內到底多少天體帶著呼拉圈環呢？
環是圍繞天體運轉的宇宙塵和小顆粒形成扁平盤狀的區域，太陽系內目前確定有環的天體包含四個類木行星，其中土星的環最為顯著。較小的天體包含矮行星妊神星和小行星女凱龍星都確定有環，還有目前懷疑有環的土衛五－麗亞 ( Rhea )。發現這些環的方法有很多，像土星可以用望遠鏡直接觀測確認的案例是非常難得的，現今大多環幾乎無法由地面望遠鏡看見，幾乎多是由掩星事件與探測器遙測推得。
探索行星環的歷史
伽利略在 1610 年時用望遠鏡就觀察到土星的「耳朵」並記錄在他的筆記本上，如圖一。伽利略的觀察結果會是如此是因當時望遠鏡解析度不高，土星環又幾乎平行著地球，使得伽利略將完整的圈視為三團物質，還一度認為土星是三行星系統。
圖一
到了 1655 年，惠更斯猜測土星旁邊的耳狀物應該是個環，4 年後用更高倍率的望遠鏡證實了他的推測。近代觀測顯示它是由冰塊、塵埃、及岩石組成，雖然已確定了構成物質，但形成方式仍眾說紛紜。目前已知其生成年代與土星年齡相似，因此主流的理論認為是原始星盤的物質所構成。
而第二個被發現有環的天體不是距離較近的木星，而是天王星，於 1977 年時由埃利奧特 ( James Ludlow Elliot ) 和其他兩位美國天文學家利用掩星現象而意外發現。他們本只想透過天王星遮掩背景恆星時來研究它的大氣層，卻意外發現那顆恆星在掩星前後各短暫的消失了五次，五次光度變化如圖二，十次時間點的對稱暗示著五個較明顯的環。現代觀測結果發現天王星環是黑色、不透明且只有幾公里寬。從它的混濁程度推論形成時間不可能超過六億年。
圖二 天王星掩星前後，恆星的亮度都會劇烈變化，由此得知天王星主環的位置
太陽系最巨大的行星－木星是則是到了 1979 年由航海家 1 號發現有環的存在，但當時的地面望遠鏡依然無法觀測。伽利略號發現木星環是由四顆衛星和塵埃所組成，拍攝到的照片如圖三。由解析這張經過長時間曝光的圖，可發現木星環十分的薄弱。近 27 年來，哈伯望遠鏡與部分地面大型望遠鏡的觀測發現木星共有四個環，由內而外分別是光環 ( Halo ring )、主環 ( Main ring )、阿馬爾賽薄紗光環 ( Amalthea gossamer ring )與底比斯薄紗光環 ( Thebe gossamer ring )，其中主環的反射率高，比起其他環較為顯眼，但實際上還是無法輕易觀測。
圖三 新視野號飛掠木星時所拍攝的木星環
而海王星的環被發現到時還只是個弧，是 1984 年時法國天文學家 Patrice Bouchet 觀測到的，但在航海家 2 號經過時發現它其實是一個完整的環，如圖四。但因物質密度分布不均，使它的環有明顯的亮度分別。整體來看，它是由塵土構成的薄環，顏色偏黑，推測是小天體出現在洛希極限內被撕碎所形成的。
圖四 航海家二號所拍攝的海王星環
2008 年，出現了一筆讓人訝異的資料，使土衛麗亞可能成為第一個被發現有環的衛星：卡西尼．惠更斯號經過麗亞時探測到磁場改變，有理論解釋是因這邊的塵埃聚集了電子。同時也觀察到塵埃撞擊麗亞赤道表面所發出的紫外光，增加了赤道上空有較密集物質聚集的可能性。雖然如此推測，但在經過卡西尼號不同角度的觀測都沒有觀測到環，也許與物質過於細小而無法可視，仍待其他觀測驗證。
圖五 土衛五與土衛三掩星比較
圖五為土衛五 ( 麗亞 ) 和土衛三 ( 忒提斯 ) 電漿穿透程度的比較，可以看出土衛五在掩星前後皆各有三次恆星亮度明顯下降，而且這六個時間點幾乎對稱。這是有環存在的證據，天文學家隨即展開調查，對土衛五拍照，但很不幸的是，即使曝光了一百秒，仍沒有拍到環。但許多天文學家還是認為它有環。
除此之外天文學家還觀測到小行星凱龍星註[1]在 1993 年 11 月 7 日、1994 年 3 月 9 日的掩星現象，恆星在本體掩星的前後時就有亮度變化，如觀測天王星時的狀態。過去天文學家將這現象的原因定為小行星上的物體噴發，但在發 現女凱龍星有環後，凱龍星掩星事件更受矚目。若證實了凱 龍星有環，天文學家預測會在半人馬小行星帶發現更多有環 的天體。
女凱龍星註[2]是目前發現唯一確定有環的小行星。2013 年 6 月 3 日前天文學家已預測了該次的掩星現象。在預先安排位於南美洲的 13 座天文台準備下，66 位天文學家觀察到了該次掩星。其中位於智利的拉希拉天文台，有一架望遠鏡成功地拍攝到完整的掩星過程，除了本體掩星，前後還有四次小規模的恆星亮度下降。比較許多可能造成次要掩星的理論後，天文學家一致認為是星環導致的現象，排除了彗星物質噴發的可能性。
最新發現有環的海王星外天體是矮行星妊神星，它的環是在 2017 年 1 月時透過掩星被發現，有趣的是，觀測發現它的環面、赤道面與其較大衛星的軌道線幾乎重合，是個更有力的證據顯示妊神星有環。
註[1]：2060 凱龍 ( 英文：Chiron ) ，或稱奇戎，是位於土星、天王星之間的小行星，屬半人馬小行星群之一，也是第一個被發現的半人馬小行星，當初被發現時被認為是彗星。
註[2]：小行星 10199 ( 英文：Chariklo ) ，是目前已知半人馬小行星群中最大的。
本圖呈現的是有環天體半徑與主環半徑的比例，中間的扇形是有環天體的半徑，而外圈的弧線和拱形則是主環的半徑。由此資料發現，氣體行星較岩石為主的妊神星環半徑比例較大。而已墜毀的羅賽塔號顯示 67P 彗星的組成物質是 以岩石為主，並非是冰。而女凱龍星所在的半人馬小行星帶，有部分觀察報告指出這一帶的天體介於小行星和彗星之間。而依它的環來看，女凱龍星似乎也屬於岩石為主的天體，或說，岩石為主的天體，其主環似乎比較遠。
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