本文轉載自 NASA愛好者（nasawatch）
就像灰塵會聚積在家裡的角落和書架上，它們也會在太陽系中堆積起來，不同的是，星際塵埃聚成的是好幾個環狀的圈圈，圍繞著我們的太陽。這些塵埃環恰好與行星的運行軌道重合，因為在行星繞太陽運行的時候，會通過萬有引力的作用拖拽著這些星際塵埃，最終形成環繞太陽的塵埃圓環。
在大約46億年前，太陽系從一片混沌中開始誕生，小行星相互衝擊、彗星東碰西撞，星際塵埃就是由當時殘存的碎石和碎屑組成的。這些星際塵埃散布在整個太陽系中，但又主要聚集在地球和金星的運行軌道上，形成滿是顆粒的圓環，從地球上用望遠鏡就能看得到。通過研究這些星際塵埃的組成、由來和運動，科學家探尋著行星的誕生和太陽系中一切可見物質的組成。
最近的兩項研究發表了太陽系內部塵埃環的新發現。其中一項研究用到了NASA的數據，概述了圍繞太陽的水星軌道上存在一個塵埃環的證據。另一項研究則來自NASA，確定了金星軌道上塵埃環的可能來源：一組與金星共軌運動的、從沒探測到過的小行星。
“在太陽系裡，我們並不能每天都發現新的東西。”馬克?庫徹納（Marc Kuchner）說道，他是金星研究的作者之一，同時也是NASA位於馬裡蘭格林貝爾特戈達德航天中心（Goddard Space Flight Center）的天體物理學家。“而這些星際塵埃就在我們的身邊。”
在這張圖中，有好幾個環繞著太陽的塵埃環，由行星的萬有引力拖拽形成，覆蓋在相應的行星軌道上。最近，科學家在水星的公轉軌道上發現了一個塵埃環；另外還有研究表明，金星軌道上的塵埃環來自一組從未被探測到過的共軌小行星。
版權：NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith
另一個圍繞太陽的環
吉耶爾莫?斯滕堡（Guillermo Stenborg）和呂塞伊?霍華德（Russell Howard）兩人是華盛頓特區美國海軍科研實驗室（Naval Research Laboratory）的太陽科學家，他們一開始並沒有想到會找到一個塵埃環。“我們是偶然發現它的。”斯滕堡笑道。他們將這個新發現總結在了論文裡，發表在《天體物理學雜誌》（The Astrophysical Journal）上。
他們在研究中描述了水星軌道上存在一個星際塵埃環的證據，寬度大約有930萬英裡（1500千米）。水星的直徑為3030英裡（4878千米），足以讓美國大陸橫越過來，在這圈更寬大的塵埃環中，水星劃過無數石塊碎屑，環繞著我們的太陽運行。
略帶諷刺意味的是，這兩位科學家一開始是為了搜尋太陽附近一片“無塵區”的相關線索和證據，結果卻被這個巨大的塵埃環絆住了腳。根據幾十年前的一個預測，在離開太陽一定距離的區域中，太陽巨大的熱量會讓周圍的星際塵埃灰飛煙滅，清理出一片潔淨無痕的空間。如果能找到這個空間的邊界所在，科學家就能了解星際塵埃本身的成分，也會有助於探索我們所在的年輕的太陽系中行星是如何形成的 。
科學家認為，行星的起源就是簡單的塵埃粒子，誕生於環繞恆星的巨大星際塵埃和氣體圓盤。萬有引力和其他的作用力讓圓盤內的物質相互碰撞，最終聚合凝結在一起。
版權：NASA’s Jet Propulsion Laboratory
到目前為止，我們還沒能找到與“無塵區”相關的證據，但其中一部分原因是我們很難從地球上探測到這些線索。在地球上，無論科學家多麽努力地設法去探測，橫在我們和太陽之間不計其數的星際塵埃都會形成一種屏障，這也讓科學家懷疑，或許我們設想的太陽周邊的“無塵區”壓根就不存在。
斯滕堡和霍華德想出了一個方法，他們覺得或許可以建一個模型來解決這個問題，借助於NASA日地關係觀測台（Solar Terrestrial Relation Observatory，STEREO）衛星的行星際（interplanetary）空間圖片數據。
最終，這兩位科學家希望能對他們的模型進行測試，以為NASA的帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）作準備，帕克太陽探測器目前正在一個相當扁的橢圓軌道上繞太陽飛行，在接下來的7年中將一點一點向太陽靠近。他們希望能用他們的技術方法去分析帕克將會發回地球的圖片，探究靠近太陽附近的星際塵埃的性質。
帕克將要探索的區域距離太陽非常之近，科學家從未在這一人類尚未涉足的區域收集過數據，更不用說對這些數據進行研究了。類似斯滕堡和霍華德所建立的一些模型，為理解帕克太陽探測器的觀測數據提供了重要的理論背景，同時也能一窺探測器處於怎樣的太空環境，究竟是潔淨無瑕還是塵土飛楊。
日地關係天文台的圖片中顯現出了兩種光：其中一種光來自太陽熊熊燃燒的外層大氣，也就是日冕（corona）；另一種光由太空中漂浮的星際塵埃反射而來。由圍繞太陽緩緩運動的塵埃所反射的太陽光亮度，大約比日冕發出的光要高出100倍。
“我們並不是真正想要這些星際塵埃。”霍華德說道，他同時也主要負責日地關係天文台和帕克太陽探測器上針對日冕進行拍照的照相機。“那些靠近太陽的塵埃僅僅只是在我們的觀測中出現了，而一般來說，我們會把它從數據中移除掉。”像霍華德這樣的太陽科學家，已經花費了數年的時間開發各種技術來消除星際塵埃的影響，他們對太陽活動進行研究是為了達到一些特定的目的，例如預測即將到來的太空氣象，包括太陽某些物質的巨型爆炸（有時可能會濺射到地球上），而只有在消除掉來自星際塵埃的“光汙染”之後，他們才能清楚地探測到日冕上發生的反應和產生的現象。
這兩位科學家建立的模型可以作為一種工具，讓其他人可以在處理日地關係天文台和未來的帕克太陽探測器傳回的圖片數據時，免受這些討厭的星際塵埃的煩擾；但是對於“無塵區”的預測，他們仍存有希望。如果他們能夠設計出一種將兩種光區分開，並分離出來自塵埃的反射光，那就能算出太陽周圍究竟存在多少星際塵埃了；打個比方說，如果他們發現拍攝的圖像中所有的光都來自日冕，那就可能表明他們真的找到了“無塵區”。
水星的塵埃環仿佛上天的恩賜，來自斯滕堡和霍華德在研究他們的模型使的意外發現。當用他們的新技術來分析日地關係天文台拍攝的圖片時，斯滕堡和霍華德注意到沿著水星軌道有一圈亮度較強的區域，也就是那裡有更多的星際塵埃，而他們一開始只是準備棄去這些強光數據。
“這一發現並不是一個獨立存在的事件，”霍華德說，“無論探測器處於什麽位置，我們都能在太陽附近觀測到同樣5%的塵埃亮度增加，或者說5%的塵埃密度增加。這表明那裡存在著什麽東西，它們圍繞著太陽向整個外界延伸。”
斯滕堡表示，科學家從未料想會有一個塵埃環存在於水星的運行軌道上，也可能正因為如此，我們直到現在才發現它。“我們認為水星不像地球或是金星那樣，它實在太小，距離太陽也太近了，不太可能會吸附這麽多星際塵埃而形成一個環，”他說道，“科學家認為來自太陽的太陽風（solar wind）和磁力會將所有水星運行軌道上的星際塵埃‘吹走’。”
憑借著意外的新發現和他們成功研究出的靈敏的新工具，研究人員對“無塵區”仍非常感興趣。隨著帕克太陽探測器對日冕的進一步探索，他們的模型也能幫助其他的研究人員，揭示所有潛伏在太陽周圍的“塵埃小賊”。
藏在金星軌道中的小行星
其實這不是第一次在太陽系內部發現塵埃環了，25年之前，科學家就發現地球是在一個巨大的塵埃環中圍繞太陽運行時。另有一些研究人員則在金星的運行軌道上發現了類似的塵埃環，他們一開始在2007年利用的是德-美太陽神號空間探測器（Helios space probes）的檔案數據，後來在2013年借助日地關係天文台的數據證實了他們的發現。
從那時起，科學家就查明了地球運行軌道上塵埃環的來歷：這些星際塵埃來自小行星帶，一片位於火星和木星之間的巨型甜甜圈狀的區域，太陽系中大部分小行星的棲身之處。這些岩石小行星不斷地相互撞擊，撞擊過程中脫落的星際塵埃則會受太陽巨大引力的牽引，向太陽系內部漂移，如果地球的引力將這些星際塵埃拐走了，那它們就會留在地球的運行軌道上。
一開始的時候，金星軌道上塵埃環的形成看起來和地球軌道上的的相似，來源於太陽系其他地方產生的星際塵埃，但是當戈達德航天中心（Goddard Space Flight Center）的天體物理學家彼得?波科爾尼（Petr Pokorny）對由小行星帶旋轉飄向太陽的星際塵埃進行模擬時，他只得到了與地球軌道上觀測到的塵埃環相符合的環狀物，而沒有得到金星軌道上的。
這種差異讓他不禁懷疑，如果金星軌道上的塵埃環不是來源於小行星帶，那又會來自哪裡呢？在一系列的模擬之後，波科爾尼和他的研究搭檔馬克?庫切納假設這個塵埃環來自一組從未被探測到過的小行星，它們和金星一起圍繞太陽運行。他們將這一研究工作發表在了2019年3月12日的《天體物理學雜誌快報》（The Astrophysical Journal Letters）上。
這一可視化視頻展示了對圍繞太陽的金星軌道上塵埃環的模擬，科學家假設這些構成金星塵埃環的星際塵埃，來自一組從未被探測到的小行星，它們和金星一同圍繞著太陽運行。
版權：NASA’s Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman
“關於這個結果，我認為最讓人興奮的一點就是，它或許能讓我們發現一群新的小行星，而這可能為太陽系的形成提供了新的線索。”庫切納說道。如果波科爾尼和庫切納能夠觀察到這群新的小行星，它們或許就能揭開地球和金星早期形成史的面紗；應用恰當的工具，這群小行星或許同樣能為太陽系的化學多樣性研究帶來線索。
由於金星的塵埃環分布在一個更大的軌道區域上，它比新探測到的水星塵埃環要大得多，它的外經大約有1600萬英裡（約2600萬千米），環的寬度大約有600萬英裡（約970萬千米），滿布著大大小小的塵埃顆粒，其中最大的塵埃顆粒和砂紙上粗糙顆粒的大小相近。由於星際塵埃的存在，這片區域比其他周圍的空間的密度要高大約10%，儘管如此，它的結構仍然相當松散：如果將環中所有的塵埃緊密地聚集在一起，也只會得到一顆直徑約為2英裡（3.2千米）的小行星。
利用十幾種不同的模型工具對塵埃圍繞太陽的運行進行模擬，波科爾尼已經對所有他能想到的塵埃來源進行了模型處理，只為找到能和觀測數據相符的模擬金星塵埃環。他列出所有嘗試過的塵埃來源，看起來就像是太陽系中岩石星體的花名冊：主帶小行星（Main Belt asteroids）、奧爾特雲彗星（Oort Cloud comets）、哈雷型彗星（Halley-type comets）、木星族彗星（Jupiter-family comets），以及最近發生在小行星帶中的碰撞。
小行星代表了太陽系岩石行星的構建基石，當它們在小行星帶中相互衝擊碰撞時，會有不計其數的星際塵埃脫離下來，並散落在整個太陽系之中。對這些星際塵埃進行研究，科學家可以探索早期行星的形成史。
版權：NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
“但是在所有這些模擬的模型中，沒有一個是可行的，”庫切納說道，“所以我們開始自行拚湊這些塵埃的來源。”
這兩位科學家認為，或許金星塵埃環中的星際塵埃來自比小行星帶離金星更近的一組小行星，可能存在一組小行星與金星共軌圍繞太陽運行，也就是說它們的運行軌道和金星的是同一個，只是和金星一直保持著一個較遠的距離，一般而言相對於金星位於太陽的另一側。波科爾尼和庫切納認為，這組與金星共軌的小行星直到現在都未被探測到，是因為我們很難將位於地球上的望遠鏡調整到那個方向，那裡距離太陽如此之近，全然沒有來自太陽光的干擾。
共軌的小行星就是被稱為“共振軌道”（resonance orbit）的一個例子，一種將不同的運行軌道鎖定在一處的軌道模式，這一模式取決於星體引力作用的相互影響。波科爾尼和庫切納對多種潛在的共振軌道進行了建模：比如當金星圍繞太陽每運行3周，小行星就圍繞太陽運行2周；或是金星每運行10周，小行星就運行9周；或是金星圍繞太陽一周，小行星也圍繞太陽一周。在所有的可能性中，有且只有一個模型對金星塵埃環作出了與實際相符的模擬：一組在金星軌道上、以與金星公轉相同的速度運行的小行星。
即使找到了一個可行的假設方案，科學家仍不能就此宣告研究的終結。“我們認為我們已經發現了這些小行星的存在，但我們還需要證明這一點，並證明共振軌道的模式是真實可行的，”波科爾尼說道，“我們一開始的確激動不已，但事後又意識到，‘啊，我們還有很多工作要完成呢。’”
他們需要證明這些小行星的存在對於太陽系是有意義的，而他們同時也意識到，這些位於金星環狀軌道上特別的小行星與小行星帶不同的是，它們不太可能來自其他地方，如果這群小行星從太陽系初形成時就已經存在，那麽他們的假說就會顯得更有科學意義。
兩位科學家又建立了一個另外的模型，這次他們從鄰近金星的10000顆小行星群著手，讓這個模擬迅速地由初始狀態走完太陽系45億年的歷史，結合每一個行星所有的引力效應。當這個模型模擬到現在的時間點時，大約有800個小行星在這場時間的測試中存留了下來。
波科爾尼認為這是一個相當樂觀的小行星存留率，這表明在早期太陽系的一片混沌之中，小行星是有可能在金星的運行軌道中存在的，其中有一些甚至能直至今日都一直留在那裡，並成為金星塵埃環的一部分。
下一步需要做的其實是對這些難以捉摸的小行星位置進行確定，並進一步切切實實地觀測到它們。“如果真有東西存在於那裡，理論上我們就應該能找到它。”波科爾尼說道。想要驗證它們的存在，或許可以借助像哈勃（Hubble）這樣的空間望遠鏡，或者是類似日地關係天文台這樣的星際空間成像儀。驗證了存在性之後，就會有更多的問題等待科學家去探索：那裡究竟有多少小行星，每顆小行星的大小又如何呢？它們是在不斷地散落星際塵埃，還是一次性地將其全拋出去呢？
其他恆星周圍的塵埃環
在這幅圖像中，由於LSPM J0207+3331這顆白矮星（white dwarf）強大的引力作用，一顆小行星變得四分五裂。LSPM J0207+3331位於地球之外145光年的地方。科學家認為，搖搖欲墜的小行星能為這顆古老恆星周圍的塵埃環帶來原料。
版權：NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger
水星和金星引領的塵埃環距離我們只有1～2個行星的距離，而科學家已經在遙遠的恆星系統中發現了許多其他的塵埃環，這些巨大的塵埃環比系外行星（exoplanet）更容易被觀測到，並且可以用於推斷隱藏的行星所在，甚至還能用於探究這些隱藏行星的軌道特性。
但是想要解釋太陽系外的塵埃環並不是件容易的事。“為了對其他恆星周圍的塵埃環進行模擬和準確讀取，我們首先必須了解我們‘地球後院’中塵埃的物理性質。”庫切納說道。鄰近的水星塵埃環、金星塵埃環和地球塵埃環中的星際塵埃，記錄著太陽系中萬有引力的持久影響，通過對它們進行研究，科學家可以開發出新的技術，來同時理解距離我們較近和較遠的塵埃環。
參考：
[1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/what-scientists-found-after-sifting-through-dust-in-the-solar-system
[2]https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aae6cb/meta
[3]https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0827
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