圖解太陽系小天體（1）

文/ 葉楠

太陽系是我們賴以生存的恒星系統。太陽是這個系統毋庸置疑的核心，占據了太陽系總質量的99.86%。8顆大行星，5顆矮星系，超過百萬計數的小行星及其它們的衛星，以及彗星和星際塵埃組成了余下的0.14%。過去的文章中我們曾對大行星探測進行過介紹。從本期開始，我們回顧人類對太陽系物質分布認識的發展，以及對小天體的空間探測歷程。

太陽系的物質分布（上）

2006年，國際天文聯合會會議決定對太陽系內天體進行重新分類，新命名一類矮行星，包括曾經作為1號小行星的谷神星、原九大行星之一的冥王星，以及近年才發現的鬩神星、鳥神星和妊神星。這一改寫教科書的決議并不是說太陽系本身有了什么變化，只是表明人類對太陽系有了更深的認識。在不斷的觀測實踐中，天文學家不斷做出新的發現，不斷修改著之前的理論，不斷拓展著我們對這個世界的認識，這一過程在天文學發展史上不斷上演。為了更加清晰的展現太陽系天體的發現及探測歷程，我們先回溯到16世紀，看看那時人類認識的太陽系是什么樣子。

哥白尼時代的太陽系模型

地球上的各個古老文明都有對太陽系行星的觀測記載。受制于人眼的觀測極限，自古以來人類都只能目視觀測到水、金、火、木、土這5顆行星。通過這5顆行星的運行，人類又描繪出太陽系的模型圖景。托勒密的地心說從公元2世紀一直占據著統治地位，直到1543年哥白尼發表《天體運行論》提出了日心說。1609年伽利略發明了天文望遠鏡并得到了更多的觀測證據，人們才逐漸接受了日心說。圖為德國繪圖師塞拉里烏斯描繪的哥白尼日心說模型，從中可以看出當時人類認識的太陽系只包括日地月及5顆行星。

提丟斯-波得定則

基于日心說及數學和幾何學的發展，天文學家已經可以精確的計算出行星到太陽的公轉軌道半徑。1766年，德國天文學家提丟斯在其翻譯的一本著作中首次闡述了對行星軌道半長徑的預言。他發現如果將太陽到土星的距離分成100份的話，那么水星距離太陽是4，金星是4+3=7，地球是4+6=10，火星是4+12=16，木星是4+48=52，土星是4+96=100，但是在地球與火星之間應該還有一個數字是4+24=28尚未發現任何天體。1772年，年僅25歲的波得在他出版的《星空知識指南》中引用了提丟斯的這一猜測。圖為提丟斯-波得定則的公式形式，以及其預測與實際距離的對比。

提丟斯-波得定則：0.4+0.3×k

天王星的發現

在波得歸納出提丟斯-波得定則的同時，他還對土星外側的天體進行了預測。從某種角度來說，波得是幸運的。因為當1781年威廉·赫歇爾通過望遠鏡首次發現天王星時，天王星正好位于距離太陽19.2天文單位處，這與提丟斯-波得定則中的預言相差無幾。這一神奇巧合比高深的數學物理定律更能吸引公眾的注意力，甚至“天王星”這個名字都是由波得來命名的。1786年波得榮升為柏林天文臺臺長，并一直干到了1825年。在波得逝世后，為紀念他，月球上的一座環形山以及998號小行星都以他的名字命名。左下圖為赫歇爾發現天王星時使用的6.2英寸（15.7厘米）口徑牛頓式反射望遠鏡的復制品；右下圖為波得于1801年出版的著名星圖《天象圖》中的一頁，這是一部后無來者的將精美的星座圖案和精確的恒星位置巧妙融合在一起的珍貴藝術品。

谷神星和智神星的發現及其名分之爭

天王星的發現使得提丟斯-波得定則聲名鵲起，歐洲的天文學家們紛紛將目光聚焦到火星與木星之間那片空白的區域，這一次波得又是幸運的。1801年1月1日，19世紀到來的第一天，來自意大利的天文學家皮亞齊將望遠鏡指向了金牛座，發現了一顆新的天體，并命名為谷神星。當時年僅24歲的數學天才高斯計算出谷神星的軌道半徑為2.77天文單位，與提丟斯-波得定則2.8天文單位的預言極其接近。當波得得知這個消息的時候就迫不及待地將之并入行星的行列。

1802年3月28日，德國天文學家奧伯斯在觀測谷神星時意外發現了另一顆會移動的天體，并命名為智神星。高斯利用新方法很快計算出其軌道，但結果竟然也是2.77天文單位。同一軌道上出現兩顆行星，這在當時簡直是無法理解的事情，波得為了避免這種尷尬甚至說智神星是一顆彗星。這個時候，赫歇爾計算出谷神星和智神星的直徑，發現各自都只有幾百千米，比月球都要小得多，他認為它們都沒有資格成為一顆行星，這在當時也引發了一場論戰。奧伯斯提出過一個新奇的觀點，他認為谷神星和灶神星都是一顆古老行星被摧毀后留下的殘骸。在他給赫歇爾的信中表示在這附近必定可以搜索到更多的碎片。

1804年9月1日，德國天文學家哈丁在這片區域又發現了一顆軌道半長徑為2.67天文單位的新天體，被命名為婚神星；1807年3月29日，奧伯斯再次發現了一個軌道半長徑2.36天文單位的新天體，被命名為灶神星，這是這片區域發現的第四個天體。天文學家們也逐漸接受了赫歇爾的觀點，將這些小天體通通貶為了“小行星”，與之對比傳統的行星被稱為“大行星”。

小行星帶天體與化學元素命名

當1801年皮亞齊發現了谷神星后，整個科學界都對此非常興奮。1803年一個新的化學元素被發現，為了向谷神星致敬，這個元素的拉丁文被命名為Cerium（谷神星的拉丁文為Ceres），中文名為鈰。鈰（左下圖）原子序數58，是地殼中豐度最高的鑭系及稀土元素，化學性質活潑，在空氣中刀刮即可著火，鈰鐵合金常被作為打火石的主要成分。當第二顆小行星帶天體智神星被發現后，同年第46號元素也被發現，它以智神星的拉丁文Pallas命名為Palladium，中文名鈀。鈀是一種具有光澤的銀白色金屬（右下圖），主要用來制造處理汽車尾氣的觸媒轉換器。除此以外還有一些化學元素與天文都有著關系，例如：氦Helium與太陽Helio，鈾Uranium與天王星Uranus，镎Neptunium與海王星Neptune，钚Plutonium與冥王星Pluto，等等。

提丟斯-波得定則的證偽

無論是天王星的發現還是四顆小行星帶天體的發現，似乎都證明著提丟斯-波得定則在冥冥中主導著太陽系的物質分布。但天文學家們也都知道在這一串數字背后并沒有任何物理定律的支撐，這只是一個巧合而已。當1846年，人們在距離太陽30天文單位處發現海王星時，提丟斯-波得定則完全被證偽了。它的下一個數值預言的是38.8天文單位，與30天文單位相差甚遠。對于內太陽系來說，這或許是一個神奇的近似公式，但對于外太陽系未來更多的發現可以說是謬以千里。不過波得自己卻可以得意的度過一生，因為他在1826年就已經與世長辭了。然而頗為諷刺的是，人類第一次觀測到海王星卻是在波得曾經任職了40年的柏林天文臺。

曙光號小行星探測器

至1807年，人類發現了小行星帶內的4顆天體，而到了19世紀末數量快速增加至超過300顆，到今天已經發現了超過100萬顆。2007年9月27日，美國發射了曙光號小行星探測器（左下圖），主要探測目標是小行星帶內最大的兩顆天體——灶神星和谷神星。它于2011年7月至2012年9月圍繞灶神星公轉，從2015年3月開始環繞谷神星飛行，直至2018年11月停止通訊。右右圖是“曙光號”于2018年傳回的最后一批照片之一，這是一張偽彩色照片，揭示了谷神星刻瑞斯隕石坑內的亮斑及特殊的物質構成。

小行星帶的發現進一步完善了太陽系的物質分布模型。谷神星的地位隨著人類認識的變化而變化，從行星降級為小行星。而到了200年后的2006年，谷神星的地位再次發生了變動，從小行星又升級為矮行星。而20世紀初發現的冥王星在當了76年的大行星后被降級為矮行星。這背后隱藏著哪些新天文發現與故事呢？我們下期繼續。