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赛德娜 (小行星)

矮行星
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赛德娜（英语：Sedna，符号：⯲[7]）为一颗外海王星天体，小行星编号为90377。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）及拉比诺维茨（耶鲁大学）共同发现，它被发现时是太阳系中距离地球最远的大型天然天体。赛德娜目前距离太阳88天文单位[8]，为海王星与太阳之间距离的3倍。在赛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候选都要遥远。赛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（Tholin）所构成。国际天文学联合会目前并未将赛德娜视为矮行星，但是有一些天文学家认为它应该是一颗矮行星[9][10][11][12][13]。

赛德娜 ⯲
哈勃空间望远镜于2004年拍摄到的赛德娜
发现[1]
发现者迈克尔·E·布朗、
查德·特鲁希略、
戴维·拉比诺维茨
发现日期2003年11月14日
编号
MPC编号90377 Sedna
其它名称2003 VB12
小行星分类外海王星天体
独立天体[2]
轨道参数[2]
历元 1990年9月26日 (JD 2 448 160.5)
远日点937 天文单位
（1.402×1014 米）
近日点76.361 天文单位
（1.1423×1013米）
半长轴518.57 天文单位
（7.7576×1013米）
离心率0.855
轨道周期大约 4 404 480 日
（12 059.06 儒略年）
平均轨道速度1.04 千米/秒
平近点角357.457°
轨道倾角11.934°
升交点黄经144.514°
近日点参数311.123°
物理特征
大小（直径）995 ± 80 千米[3]
质量≈1 × 1021千克 [注 1]
平均密度2.0? 克/立方厘米
表面重力0.4975 米/秒²
0.4975 千米/秒
恒星周期0.42 日（10 小时） 1
反照率0.32 ± 0.06 [3]
温度≈12K
光谱类型（红色）B-V=1.24; V-R=0.78 [4]
视星等21.1[5]
20.5 [6]
绝对星等(H)1.83 ± 0.05 [3]

赛德娜的公转轨道是一个离心率较大的椭圆，远日点估计为937天文单位，所以它是太阳系中最遥远的天体之一，比大部分的长周期彗星都还要远[注 2]。赛德娜的公转周期约为11,400年，近日点约为76天文单位，天文学家可以借此推断它的起源。小行星中心目前将赛德娜视为黄道离散天体，这类天体是因为海王星向外迁徙造成的引力扰动，从柯伊柏带散射入高倾斜和高离心率的轨道内。但是这种分类已经引起争议，因为赛德娜不曾接近海王星，所以海王星的引力扰动无法造成它的轨道如此椭圆。一些天文学家认为赛德娜是人类首度发现的首颗奥尔特云天体[15]，其他天文学家则认为赛德娜的椭圆轨道是一颗通过太阳系附近的恒星所造成的，它可能位在与诞生太阳的星团（一个疏散星团）之内，甚至有天文学家认为赛德娜是太阳从其他恒星系所捕捉到的天体。有些假说[16]认为赛德娜的轨道是海王星外天体存在的证据。共同发现赛德娜和矮行星阋神星，妊神星，和鸟神星的天文学家迈克尔·E·布朗认为它是目前为止人类发现的外海王星天体中最重要的一颗，因为了解它的特殊公转轨道可能可以得知太阳系的起源及早期的演化资讯[17]。

发现

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位于圣迭戈东北部帕洛马山天文台的塞缪尔·奥斯钦望远镜（英语：Samuel Oschin telescope）（Samuel Oschin telescope）首次在2003年11月14日观测到赛德娜，当时帕洛马山天文台正在搜寻黄道离散天体[18][19]。天文学家布朗（加州理工学院）、特鲁希略（双子星天文台）及拉比诺维茨（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，辨认出赛德娜。天文学家得以更精确的计算出它的轨道及且倾斜角度[16]。

迈克尔·E·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赛德娜来命名，传说祂居住在北极海的深处[20]”。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[20]。这个天体在获得官方正式名称之前被公开称为赛德娜[21]，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[22]。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[23]。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[21]。

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。美国的斯皮策空间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赛德娜，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公里）[24]。

轨道特性

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赛德娜的公转轨道与太阳系其他天体的比较

赛德娜拥有离心率非常大的椭圆公转轨道，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[25]，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[26]。赛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[27]，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赛德娜更远的位置，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[28]。

赛德娜的公转周期约为11,400年[25]，会在2075年末[29][2]至2076年中[6]之间通过近日点，而赛德娜也会在2114年追过阋神星，成为距离太阳最远的球状天体[6]。

根据法国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，赛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1亿年间曾近距离的通过（小于800天文单位）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[30]。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几率更低，但是却可能更精确的解释赛德娜的形成。

天文学家戈麦斯则提出另一种解释，认为赛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）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[31]。

小行星148209是另一颗拥有类似赛德娜轨道的天体，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。它的轨道可能也跟赛德娜一样受到类似的影响。

天文学家刚发现赛德娜时，认为它的自转周期拥有相当长，介于20到50天之间[28]。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，例如冥卫一，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[32]。而多镜面望远镜后续的观测则显示赛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[33]。

物理特征

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赛德娜的想像图

赛德娜的反照率估计为0.32[34]，因此推断出赛德娜的直径约为1,000公里[3][34][35]。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公里[36]，不过天文学家在2007年使用斯皮策空间望远镜观测赛德娜后，认为它的直径上限在1,600公里以下[24]。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公里，比冥卫一还要小[3]。因为赛德娜没有任何卫星[37]，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暗红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[38]。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[39]。赛德娜与两颗非常遥远的天体（小行星87269及小行星308933）、半人马小行星小行星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[40]。赛德娜表面的甲烷冰或水冰很少，与冥王星或冥卫一相异。

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[41]。甲烷冰受到辐射照射后，托林得以在赛德娜的表面形成[42]。巴鲁希及他的同事在比较赛德娜与土卫六之后，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，他们认为赛德娜的表面由24%托林（类似土卫六）、7%无定形碳、26%甲醇冰与33%甲烷所组成[43][44]。斯皮策空间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[42]。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 °C），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[44]。然而赛德娜的深红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）[42]。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[45]。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赛德娜[46]。

族群

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艺术家所想像的塞德娜地平线，可以见到银河、太阳、心宿二及角宿一

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[16][34]。小行星148209的公转轨道类似塞德娜，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[30]。

天文学家提出每一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[47]。

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”[17]。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[48]。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[48]。

起源

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哈勃空间望远镜所拍摄的赛德娜

天文学家布朗在公布发现赛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天体。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。赛德娜的近日点为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[16]。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，所以他们将赛德娜视为“内奥尔特云天体”，位于柯伊伯带及奥尔特云之间的区域[18][19]。

如果赛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[49]。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[50]，然后才进入目前的椭圆轨道。布朗、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[16]。

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[16][51][52][30]。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[30][53]。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[16]。根据法国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，赛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[30][54]。

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。一种假设认为赛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[52][55]。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[56]。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[47]。

另一假设认为赛德娜的轨道是一颗巨大且遥远的（距离几千天文单位）太阳伴星所造成的，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[55][57]。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[58][59]。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[60]。摩比德里及肯杨也提出另一种看法：赛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[30][53]。

分类

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小行星中心将赛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。许多天文学家认为赛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）[61]、分离天体[62]、遥远分离天体（DDO）[31]或离散－延伸黄道天体（根据黄道巡天计划的正式分类[63]）。

发现赛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导赛德娜的消息：“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。天文学家目前估计赛德娜的史藤－李文森参数介于冥王星的8×10−5至6×10−3之间[注 3]，因此即使尚未在它的周围发现其他天体，也无法认为赛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[64]。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。

探测

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赛德娜将在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。虽然美国国家航空航天局将赛德娜名列太阳系探测网站中[65]，但是目前并未考虑任何探测计划[66]。

据计算，在2033年5月6日和2046年6月23日发射探测器，使用木星重力助推可以在24.5年后对塞德纳进行一次飞掠任务。当航天器到达时，塞德纳距离太阳77.27或76.43 AU。

注释

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  1. ^ 假设赛德娜直径约1,000公里，密度与冥王星相当（2.0克/立方厘米）。
  2. ^ 直到2012年为止, 赛德娜距离太阳为87天文单位[8][14][5]阋神星正逐渐接近近日点，而赛德娜会在2075年末至2076年中之间通过近日点[6]，赛德娜会在2114年追过阋神星，但是2007 OR10会在2045年同时追过阋神星与赛德娜[6]。
  3. ^ 史藤－李文森参数 （使用不准确的最高估计质量） = （7×1021） / （5.9736×1024）^2 / 12,059年 = 1.14×10−10
    （赛德娜： 1.14×10−10） / （冥王星： 1.95×10−8） = 5.8×10−3

参考资料

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  14. ^ 目前阋神星距离太阳比赛德娜更远，为96.6天文单位。
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