住在第九行星上會是什麼樣子?

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想必你已經聽過很多關於第九行星的資訊?若沒有的話,以下有幾項關於第九行星(Planet Nine)的重點:

  • 古柏帶(穿越冥王星)中有許多天體。雖然古柏帶也是繞著太陽運行,但在某些程度上聚集在太陽系的一側。
  • 古柏帶天體的運行可藉由未知的「第九行星」的引力影響來解釋。
  • 第九行星可能不是最棒的名稱。我建議能用些更酷的名字像是屌行星,或是神奇寶貝行星。
  • 依古柏帶天體的運行,可以推測第九行星的運行半軸長為700天文單位(一天文單位相當於地球與太陽的距離),運行週期為10,000到20,000年。
  • 據估計,第九行星的質量為 6 x 1025 公斤( 質量較地球大)。行星半徑為13,000到26,000公里(地球半徑為6371公里)。
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現在我們對於這個「理論上」存在的行星有一些初步的了解,接著就來思考一些問題吧!

NASA的新視野號需多久才能抵達第九行星?

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雖然新視野號並不是以等速運行,我還是能以大約16公里/秒(16000公尺/秒)的速度估計。如果這個太空飛行器設定目標為第九行星與太陽最近距離的時候,那運行距離大約是200天文單位(2.99 x 1013 公尺)。現在我們也可以將這個平均速度用一般的定義理解(在一維空間裡)。

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我把1.87 x 109 秒換算成年(你可以在做課後作業時再計算),得到59.3年。若是以第九行星離太陽最遠(1200天文單位)的可能性計算,我算得的運行時間為355.7年。喔!第九行星離太陽的距離大約和地球到第九行星的距離相等。不過我們若要真的發射一個太空飛行器飛越第九行星的話,我們可能得先找一個年輕的科學家,或是造一個更快的太空飛行器。

在第九行星上能行走嗎?

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假設第九行星的表面為固體,除了覺得冷之外,行走在上面會是什麼感覺呢?這跟表面的重力場有關。在地球的表面,重力場為每公斤9.8牛頓。既然我們都知道身在地球表面的感覺,這個數據很適合拿來做對比。

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一個行星的表面重力場跟兩項東西有關(恩,至少兩項):行星的質量與行星的半徑。行星質量越大,重力場就越大。而當行星的半徑越長,重力場就越小(因為你離中心越遠)。表面重力場的大小可以這樣得到:

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用第九行星的最大與最小半徑估算,我算得重力場大約為5.9到23.7牛頓/公斤。所以在第九行星上行走有可能和在地球上一樣(不過冷多了)。但重力場若真的是23.6牛頓/公斤的話,那走起路來可能就沒那麼容易了!

在第九行星的表面上有多冷?

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讓我們假設第九行星沒有大氣。這個假設很重要,因為我們都知道一個行星的大氣對表面溫度有非常大的影響(例子像是金星、地球、火星)。還有假設太陽是一個黑體(所有的輻射是從表面溫度而來),那麼就能計算太陽的輻射能。如果輻射能量平均地從各個方向發出,光的強度會減少因為1除距離的平方。

當一行星接收太陽的輻射時,表面溫度會上升,同時也成為一個黑體輻射體。在接收到的輻射與放出的輻射相等時,行星的溫度會達平衡。這其中牽涉到一些數學計算,但大致上概念是這樣。以這個溫度模型與2000天文單位的距離,我算得的表面溫度是20.5克耳文(華氏-422.8度)。這比星際大戰中的霍斯(Hoth)星球還要冷。如果你假設第九行星不會吸收所有的輻射的話,那溫度就會更低一些。不過若是要接近實際值,還是得確知第九行星的屬性。

為了好玩,你也可以用同樣的模型計算地球表面溫度,你將會算得288 K的結果。但實際上,因為地球並不是完美的輻射吸收體,所以實際溫度比算出的結果低。如果沒有大氣,地球的溫度將會是約255K(華氏0度左右)。

作業

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除了上述問題外,顯然還有其他的問題需要解答。下列問題是你的作業。是的,考試會考!

有些行星的發現起始於它們對其它行星運行的擾動。天王星運行軌道的改變受到海王星影響,也因此發現海王星的存在。如果我們只看冥王星的運行軌道,第九行星會偏離多遠?你應該用數值計算。你也可以把第九行星假定在任何地方。

地球的大氣層把溫度從255K加溫到288K。你能把足夠的二氧化碳加至第九行星,讓它的溫度更宜人嗎?這是個難以回答的問題,所以你需要一些估計。給你點暗示:沒有大氣的金星大約為300K,有大氣的話會超過700K。如果你能使第九行星的大氣厚度跟金星的大氣厚度一樣呢?假設溫度升高的增加係數相同,第九行星的溫度將如何?
技術上來說,以金星的大氣效應為模型並不容易,因為它的大氣層很厚。地球的大氣效應可以用單層模型(single layer model—via ACS)估算。估算是一件有趣的事。

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來源: Wired