文章專區

Take Home Message
．由中研院主導的 FOSSIL 國際合作計畫，利用昴望遠鏡與高效率廣角相機，經過多年曲折的觀測申請與資料分析，成功發現了新天體 2023 KQ14。
．2023 KQ14 的軌道穩定且不受海王星引力影響，符合類賽德娜天體特徵，但它的軌道方向與過去已知的類賽德娜天體不同，顯示出外太陽系的動力結構比原過往認知更為複雜。
．未來將有更多新型望遠鏡上線，以及 TAOS II 掩星計畫的持續觀測，有望發現數萬個新的海王星外天體，幫助科學家重建外太陽系的演化歷史，並找出太陽系形成的關鍵拼圖。

2024 年 6 月，超過 100 位研究太陽系邊緣天體的專家齊聚於中央研究院天文所，進行海王星外天體 （Trans-Neptunian Objects, TNO） 的國際研討會。該會議每三年一次，每次分別會在不同國家舉行。

就在本次的會議進行期間時，執行「外太陽系的形成：冰凍的遺產」（Formation of the Outer Solar System: An Icy Legacy, FOSSIL）計畫的博士陳英同，突然召集觀測計畫的成員，興奮地宣布團隊可能發現了重要的天體。這個新天體名為 2023KQ14，暱稱「菊石」（Ammonite），預計將成為第四個類賽德娜天體（sednoid）〔註〕，也是已知距離太陽第三遠的太陽系天體。

〔註〕一類具有大半長軸和高近日點的海王星外天體，它的軌道不受海王星引力的影響，目前已知的類賽德娜天體僅有 90377 賽德娜、2012VP113、小行星 541132（2015 TG387）和 2023 KQ14。

FOSSIL 計畫如何尋找遙遠天體？

FOSSIL 計畫是由中研院主導的國際計畫，透過目前世界上巡天觀測效率最高的昴望遠鏡（Subaru Telescope），再利用望遠鏡上搭載的超高效率廣角相機（Hyper Suprime-Cam, HSC）尋找黯淡的 TNO，因為它距離太陽更遠，是難以被找到的天體。

FOSSIL計畫的成員包含臺灣、日本、加拿大、韓國、中國與印度的科學家。觀測使用的是位於夏威夷茂納凱亞山（Mauna Kea）山頂上口徑達8.2公尺的昴望遠鏡。這座望遠鏡搭載的HSC 是由日本國立天文臺（National Astronomical Observatory of Japan, NAOJ）與中研院天文所及美國普林斯頓大學（Princeton University）共同開發，是目前巡天觀測效率最高的 8 公尺級望遠鏡，也是偵測遙遠太陽系天體最強大的相機。

陳英同是此觀測計畫主要的資料分析人員，他在2023 年 8 月的第一批觀測結束後，開始進行資料處理。和一般的天文資料分析不同，要尋找移動緩慢的 TNO，除了要對每一幅曝光進行一般的影像處理之外，還要偵測出相對於背景恆星移動的光點，並且在相隔幾天、一個月，甚至一年之後辨認出同一個移動光點 ， 並進行軌道的計算分析，以確認它是否為 TNO。

為了達到最有效的偵測效率，FOSSIL 計畫的觀測相當複雜。觀測團隊首先規畫了從 2023 年上半年中的 3 月、5 月及 6 月進行觀測。每一個月的觀測包含三個晚上，每個晚上對同一個天區在相隔1～ 1.5 小時的間隔進行三次拍攝。這樣的觀測方式可以在一個晚上的資料中先找到移動的天體。而連續三個晚上的觀測除了能去除因天氣不佳而無法觀測的狀況，也可以先選出移動速度與 TNO類似的光點。最後，再把這三個月觀測的資料串連起來，便可以得到 TNO 大致的軌道。這樣的軌道資料，能讓團隊在設計一年後的觀測計畫時，預測 TNO 的可能位置，減少所使用的觀測時間。

一波三折的觀測計畫申請與觀測過程

昴望遠鏡的廣視野觀測能力特別適合搜尋2023 KQ14這類黯淡、移動緩慢的天體。當HSC在2013 年開始科學觀測之後，觀測團隊一直想利用HSC 瞄準以往較沒有被觀測過的黃道面區域，進行 TNO 的研究。但由於 HSC 最初的科學目標是進行一個大型的暗物質觀測計畫，因此並沒有足夠的觀測時間及彈性執行 TNO 的觀測。對此，觀測團隊一直等到 2019 年才正式提出計畫。但由於團隊提出的計畫需要使用昴望遠鏡長達 25 個晚上，且必須連續觀測 3～ 4 個月，最終因無法被排進望遠鏡的時程中，第一次申請以失敗收場。

幸好，後續觀測團隊仍不氣餒，改將原先的計畫切分成兩個部分。第一個部分是針對小行星的觀測，並在 2020 年及 2021 年成功取得觀測資料。

第二個部分則是針對 TNO，也是規模比較大的部分，從 2021 開始申請，但無奈還是失敗。這次是因為在天文觀測的過程中 ， 由於地球公轉的緣故，一年只能有一次申請觀測的機會。

於是團隊又再縮小觀測的區域，終於在 2023 年申請成功。但此部分所觀測的天空範圍只有最初規劃的 1/3，因此必須特別專注於與目前已知類賽德娜天體反向的天區進行觀測，希望能發現與過往的類賽德納天體具有不同軌道方向的新天體。觀測團隊於 2023 年的觀測原先是安排在 3 月、4 月及 6 月，每個月有三個半個晚上對目標天區拍攝影像。但由於望遠鏡發生技術問題，6 月的觀測完全沒有得到資料，而 3 月與 5 月的天氣狀況也不穩定，總共只有取得 4 天的資料。於是觀測團隊又再申請 2023 年 8 月的觀測，以補足 3 個月的觀測。

但是當完成最初的資料分析之後，由於軌道的不確定性仍大，加上觀測團隊又未獲得通過申請昴望遠鏡一年後追蹤的觀測時間，因此便臨時改選擇另一座口徑為 4 公尺的加法夏望遠鏡（Canada–France–Hawaii Telescope, CFHT），以確認 2023 KQ14 的軌道。

昴望遠鏡與 CFHT 都是中研院天文所長期的合作夥伴。其中 CFHT 因具有較彈性的觀測排程，讓觀測團隊可在短時間內順利取得發現 2023 KQ14一年後的位置資料，最終也確認了這確實是一個類賽德娜天體。之後團隊更透過過去十多年的檔案影像與額外觀測，準確計算出 2023 KQ14 的運動軌跡及其軌道參數。

2023 KQ14 是個什麼樣的天體？

2023 KQ14 的近日點為 66 天文單位（AU），代表它距離海王星最近時遠超過 30 AU。而觀測團隊的軌道模擬顯示該天體軌道非常穩定，沒有受到海王星的引力影響 ， 符合類賽德娜天體的特徵。天文學家認為，大部分距離太陽較遠的 TNO都是受到海王星的影響而形成現在的軌道，但由於賽德娜天體的軌道距離海王星太遠，而無法受到海王星的引力影響，因此它們形成的原因一直是個謎團。

過去在發現 2023 KQ14 之前，僅有近日點約 76AU 的賽德娜、近日點約 80 AU 的 2012 VP113 與近日點約 65 AU 的小行星 541132（Leleakuhonua）三顆天體的近日點距離太陽如此遙遠。它們異常的軌道暗示著太陽系中可能存在尚未發現的影響力量，也許是一顆早已消失的行星，或是數十億年前與其他恆星的掠遇，甚至可能是目前仍未被發現的「第九行星」（Planet Nine）。……【更多內容請閱讀科學月刊第675期】