隐藏在太阳系里的秘密

       太阳系平面——黄道面——上存在大量尘埃早已不是什么秘密。在秋季黎明之前或春季日落之后，寻一暗处就不难看到阳光散射这些尘埃的产物——黄道光。在理想的暗夜之下，甚至还可以看到沿整个黄道分布的暗弱光带，它也是夜空背景光的重要组成部分。

 

        造就黄道光的尘埃整体来说大致分布在扁平的饼状区域内，这就是所谓的黄道云（zodiacal cloud）。云中的尘埃大小在数十到数百微米之间，总质量只相当于一颗直径十余千米的小行星。据信这些颗粒来自太阳系中各种小天体碰撞事件，只是彗星和小行星对其贡献孰大孰小尚存争议。在辐射压、太阳风压、坡印亭-罗伯逊效应、升华以及大天体动力学过程的共同作用下，黄道云组分的寿命并不长，所以云中以新近形成的尘粒为主。 

        黄道云的结构显然并不是铁板一块。到现在为止，研究者已经在云中辨认出了数道由短周期彗星留下的尘迹、一系列源于主带小行星的尘带，这也都在人们的预料之中。

 

        除此之外，前述种种可以作用于云中尘埃的效应以耗散力为主，所以它们环绕太阳运动的轨道也是一直处在衰减状态中的，换句话说，随着时间的推移，尘埃的轨道近日点距离会逐渐减小。早年的一系列分析已经证明，衰减轨道上的微粒更容易与质量较大的摄动天体构成轨道共振，从而在黄道云中堆砌出尘埃密度较周边更高的环状结构。从理论上说，这样的共振环可以出现在任何一颗行星周围。

        不过搜寻尘埃环的工作并不轻松。如前所述，黄道云的整体质量不算很大，能够分配到某一颗行星轨道上的尘埃数量自然是非常有限的。如此稀少的尘埃无论是散射阳光还是自身发出的热辐射，强度都不会很高；何况环体遵循行星轨道分布，自身的厚度和宽度也不小，因此在天空中占据的范围极广，只能通过大天区、高灵敏度观测来一窥究竟。对于内太阳系的尘埃环来说，由于这里的行星与太阳的距离很近，研究者还要额外面对强烈阳光的干扰。 

        另一道与金星密不可分的类似环带也在10多年前浮出了水面——这次是从20世纪70年代发射的太阳神号探测器的数据存档之中挖掘而出的，稍后这一发现又得到了日地关系观测台的证实。太阳神号与日地关系观测台都是曾在日心轨道上运行的太阳观测卫星，且配备有用于测量黄道光的光学测光仪器。鉴于黄道光由尘埃散射阳光形成，黄道光亮度的增加就意味着对应区域尘埃密度的提升。根据日地关系观测台的数据，金星尘埃环也没有严格遵循金星轨道分布，而且在最为靠近金星的地方也表现出了密度下降，这些特点倒是与地球环有点相似。 

         水星轨道上的尘埃分布就有些微妙了。一来这颗行星与太阳的角距离甚小，考察其周边环境困难重重；二来考虑水星较小的体积和太阳风作用，早先的理论认为，水星轨道上很难捕获足量尘埃形成环系，甚至还有观点认为太阳系的最内区理应存在一个无尘区。只是在地球和金星尘埃环前景的污染之下，这一说法很难得到证实——除非能够前往太阳附近。

 

        深入日冕的帕克太阳探测器就提供了这样一个机会。在此背景之下，研究者以日地关系观测台的现有观测为基础，尝试开发能够移除尘埃辐射、更好地解释帕克观测数据的方法。就在这一过程中，他们无心插柳般地找到了水星附近的共振环。当然，这道尘埃环的存在与无尘区并不矛盾，因为现时我们并不能确定无尘区的内边界何在，这个问题还有待帕克太阳探测器在不久的将来去最终解答。 

        那么上述尘埃环究竟源于何方？地球轨道上的环系最容易解答：主带岩质小行星的碰撞。根据一系列模拟工作，碰撞产物在落向太阳系中心的过程中受到地球引力的扰动，并在地球轨道周围积累起来。 

       不过，金星环就要麻烦一些了，单凭主带小行星似乎并不能贡献所有。近来有新的观点认为，金星附近一类共轨小行星族群或许是环带的主要物质来源，而这些小行星甚至可能是太阳系形成之初的残余——不过这类天体仍有待未来的观测者去发现。至于水星轨道上的尘埃环，其存在性在2018年11月刚刚得到证实，追溯其来源就是下一步要解决的问题了。 

        需要注意的是，所有这些尘埃环的物质密度与周边环境的相差都没有那么大——水星共振环的密度只比背景高出了5%；金星的略高，达到了10%；地球环则更高一些。但是，对于天体力学家而言，环中的密度分布其实能够提供大量关键信息，具体包括尘粒尺度、俘获机制等。如斯皮策空间望远镜观测到的地球共振环子结构就意味着较大尺度的尘粒在其中占据主导，而根据DIRBE的测量得出的尘埃密度则能对应较有效的尘埃俘获过程。这些都反映了太阳系生态的重要特性，对于全面了解尘埃生命循环来说是不可或缺的，进而将帮助天文学家深入认识太阳系演化的历程。