為何土星的衛星難以發現?

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土星衛星土衛二(Enceladus)。 圖片來源:NASA/JPL-Caltech/Space Science I via Reuters Connect

台灣中央研究院天文學家 Edward Ashton 與跨國團隊,在圍繞土星的軌道上發現了 63 顆新衛星,令土星衛星總數增加至 146 顆,超越木星成為擁有最多衛星的行星。這一發現歷時兩年多,但其實天文學家尋找土星衛星已逾 3 個半世紀,至今依充滿挑戰

最小、最大、逆行的衛星

由發現到獲得國際天文學聯會(IAU)認證為一顆新衛星,通常要經過多年觀察。土星衛星的大小、距離和運行方向不一,如 1655 年發現的土衛六(Titan)比水星還要大,是土星第一顆兼最大的衛星;1789 年發現的土衛一(Mimas)直徑卻只有 201 公里,是太陽系其中一顆最小的衛星。1898 年發現的土衛九(Phoebe),則距離木星較遠,且逆向圍繞土星軌道運行。

步入太空時代,隨著現代望遠鏡誕生,土星衛星的發現數才開始大幅增長,大多數是 2000 年後才湧現。當時發現的衛星體積較大,天文學家普遍認為,如果衛星是在其靠近的行星軌道上形成,它們將圍繞該行星的赤道平面運行。及後人們才發現,並非所有土星衛星也遵循這些「規則軌道」,也有些距離行星更遠、軌跡呈橢圓狀和傾斜、與行星圍繞太陽運行的方向不同,體積多數較小。

舊到新技術的極限

早期的探測人員會透過攝影底片來尋找衛星蹤跡。衛星的體積愈小、軌道愈不規則,觀測起來就愈困難。直至數碼相機誕生,其感光耦合元件(CCD)的感光度更勝攝影底片,有助檢測更微小的物體。但 CCD 感光器能捕捉的視野有限,至 90 年代末到 2000 年代初出現 CCD 馬賽克相機,能組合多個 CCD 感光器來捕捉更廣闊的畫面,終為探測衛星帶來重大突破。

是次團隊成員之一 Brett Gladman,就曾於 2000 年利用這項技術發現了 12 顆土星衛星。以往他們可能每隔 1 小時就要拍攝 1 張偏移量相同的照片,藉此觀察衛星是否向著特定方向運行,整個過程全憑肉眼判斷。如今則可借助電腦軟件,於照片上尋找和篩選出正在移動的物體。

另外,是次團隊還採用了名為「位移堆疊」(shift stack)的新技術,它類似相機上的多重曝光模式,有助找出只反射極少量光線的細小衛星。研究人員需要掌握衛星出現的範圍和移動方向,根據衛星的位置來疊加一系列照片。如果位移和堆疊準確,就會產生衛星的微弱影像;否則就要擴大拍攝和篩選範圍。

那些幾乎不反射光線的岩石碎片,或有助解釋細小衛星的形成:可能是太陽系中某個物體曾經歷一連串碰撞,那些碎片於數十億年間聚集一起,產生愈來愈小的衛星,並擁有相似軌道。Gladman 稱之為「碰撞級聯」(collisional cascade),並提出過去幾億年內,一次相對較新的碰撞事件,可能產生了一些最小而不規則的土星衛星。

現時的探測技術,捕捉直徑至少 1 公里的衛星已為極限。Gladman 表示,日後或可借助人工智能的機器學習技術來尋找這些衛星。相關工作儘管仍充滿挑戰,但過去幾年已開始取得實質進展。