圖解太陽系小天體（4）

文/ 葉楠

小行星帶天體

小行星帶是太陽系中位于火星和木星軌道之間的一片環(huán)狀區(qū)域，核心部分軌道半徑介于2.06至3.27天文單位之間，質(zhì)量中心大約在軌道半徑2.8天文單位處。小行星帶內(nèi)絕大部分天體離心率都小于0.4、軌道傾角小于30°。典型值分別為離心率0.07、軌道傾角小于4°，因此，大部分小行星軌道都基本位于黃道面附近，且軌道接近圓形。這里擁有太陽系內(nèi)已知數(shù)量最多的小天體，據(jù)估計(jì)直徑在1千米以上的小天體數(shù)量達(dá)到100萬顆以上，直徑大于100千米的小天體數(shù)量超過200顆。由于小行星帶天體距離我們較遠(yuǎn)且體積較小，所以亮度普遍較低，我們必須借助望遠(yuǎn)鏡才能觀測到它們的存在。

小行星帶內(nèi)最大的天體是谷神星，它也是小行星帶內(nèi)唯一一顆矮行星。谷神星直徑達(dá)到950千米，質(zhì)量相當(dāng)于地球的萬分之1.5，但卻占據(jù)了小行星帶總質(zhì)量的三分之一。小行星帶中最大的3顆小行星分別是智神星、灶神星和健神星，它們的平均直徑都超過了400千米。

小行星帶的誕生

關(guān)于小行星帶的誕生，主流理論是太陽星云假說。原始星云是構(gòu)成太陽系內(nèi)各大天體的主要材料，在太陽系誕生早期，星云中的塵埃和氣體因?yàn)橹亓χ饾u凝結(jié)在一起，并吸引附近更多的物質(zhì)形成穩(wěn)定的巖石行星或巨大的氣態(tài)行星。而在火星和木星之間的這片區(qū)域，物質(zhì)之間經(jīng)常發(fā)生的碰撞阻礙了原始行星的形成。時(shí)至今日，這些太陽系誕生早期遺存下來的小天體們依舊圍繞著太陽公轉(zhuǎn)，形成了現(xiàn)在的小行星帶。我們一般將軌道半徑在2.06至3.27天文單位之間的小行星稱為主帶小行星。

小行星帶的分類

主帶小行星主要包括兩種類型的小行星：一類是位于主帶外側(cè)靠近木星軌道，以富含碳元素的C型小行星為主，這類小行星顏色偏紅且反照率較低，化學(xué)組成與碳質(zhì)隕石相似；另一類靠近主帶內(nèi)側(cè)含硅元素較多的S型小行星則更為常見，這類小行星有著較高的反照率，但物質(zhì)構(gòu)成與原始太陽系成分有著顯著不同，科學(xué)家認(rèn)為這可能是早期分化的結(jié)果。上圖為1969年在墨西哥發(fā)現(xiàn)的阿連德隕石，這是地球上發(fā)現(xiàn)最大的碳質(zhì)球粒隕石，研究表明隕石年齡達(dá)到45.67億年，比地球上最古老的巖石還要早近200萬年，這顆隕石的來源很可能就是來自于小行星帶；下圖為司法星三維模擬圖像，它是一顆典型的S型小行星。

小行星帶的環(huán)境

紅外巡天顯示在小行星帶內(nèi)直徑超過1千米的小行星數(shù)量超過百萬顆，更小的小行星更是不計(jì)其數(shù)。雖然小行星帶內(nèi)聚集著如此眾多的天體，但實(shí)際上它仍然非常的空曠。兩顆較大的小行星之間的平均距離要超過500萬千米，所以不用過分擔(dān)心探測器在飛越小行星帶時(shí)會(huì)和小行星發(fā)生撞擊。歷史上第一次飛越小行星帶的探測器是“先驅(qū)者10號(hào)”（上圖）。之后，“先驅(qū)者11號(hào)”“旅行者號(hào)”“尤利西斯號(hào)”“伽利略號(hào)”“卡西尼號(hào)”“新視野號(hào)”等等諸多探測器都成功穿越小行星帶飛向更加遙遠(yuǎn)的外太陽系。下圖為羅塞塔號(hào)探測器拍攝的類似鉆石形狀的2867號(hào)小行星。

主帶小行星探測器

歷史上飛越小行星帶的探測器有數(shù)十個(gè)，而以小行星帶天體為主要目標(biāo)的探測器數(shù)量卻并不多，只有“尼爾-舒梅克號(hào)”“黎明號(hào)”“隼鳥號(hào)”和“隼鳥2號(hào)”這4個(gè)。“尼爾-舒梅克號(hào)”于2001年成功在愛神星降落；“黎明號(hào)”分別從2011年和2015年開始對(duì)小行星帶內(nèi)質(zhì)量最大的兩個(gè)天體灶神星和谷神星進(jìn)行了探測；“隼鳥號(hào)”和“隼鳥2號(hào)”分別于2005年和2019年在糸川小行星和龍宮小行星完成采樣并返回地球。左圖為“黎明號(hào)”拍攝的灶神星南極附近區(qū)域照片；右圖為“隼鳥2號(hào)”的返回艙。

主帶內(nèi)最大和最亮的小行星

小行星帶內(nèi)最大的小行星是哪顆呢？候選者是2號(hào)小行星智神星（左圖）和4號(hào)小行星灶神星（右圖），兩顆小行星的直徑都超過了500千米，三維分別是582千米×556千米×500千米、572千米×557千米×446千米，可以看出灶神星長得更為橢圓一些。平均直徑上智神星是544千米，灶神星是525千米，智神星小勝，也就是說從體積上看智神星更大一些。然而灶神星要比智神星重約23%，因此從質(zhì)量上看灶神星更勝一籌。

雖然谷神星是小行星帶內(nèi)體積最大的天體，但反照率只有0.09，只能反射不到十分之一照射在它身上的陽光，最大視亮度只有約6.7等，所以我們?cè)诘厍蛏鲜菬o法通過肉眼直接看到它的。而同在2.77天文單位軌道處的智神星反照率約為0.16，最大視亮度約6.4等，比谷神星大不少。而小行星帶內(nèi)最明亮的天體當(dāng)屬灶神星，不僅軌道半徑只有2.36天文單位，反照率更是高達(dá)0.42，它最亮?xí)r可以達(dá)到5.1等，甚至不需借助望遠(yuǎn)鏡就可以看到。2022年8月25日，灶神星將會(huì)抵達(dá)沖日的位置，預(yù)計(jì)此次沖日灶神星最大亮度約為5.9等。

探測器首次登陸的小行星

2000年2月14日，尼爾-舒梅克號(hào)探測器成功進(jìn)入愛神星環(huán)繞軌道，進(jìn)行為期1年的探測，軌道高度最近時(shí)只有5.3千米。如此近的距離，使人類第一次看清楚這顆長相奇特的小行星。愛神星的外形猶如一枚馬鈴薯，大小為13千米×13千米×33千米。2001年2月12日，“尼爾-舒梅克號(hào)”在愛神星南部地區(qū)著陸，這是人類探測器首次成功登陸小行星。愛神星的表面溫度在-150℃～100℃之間，密度與地球地殼相當(dāng)，布滿表面的石塊被認(rèn)為是約10億年前一次撞擊帶來的。在愛神星上還有兩座環(huán)形山分別以賈寶玉和林黛玉的名字命名。圖為“尼爾-舒梅克號(hào)”拍攝的愛神星。

擁有衛(wèi)星的小行星

1993年，伽利略號(hào)探測器在飛向木星途中偶遇243號(hào)小行星艾達(dá)。艾達(dá)是一顆不規(guī)則的橢球形小行星，大小為54千米×24千米×15千米。第二年，“伽利略號(hào)”任務(wù)科學(xué)家在檢查傳回的照片時(shí)意外發(fā)現(xiàn)了艾達(dá)的衛(wèi)星（左圖），后被命名為艾衛(wèi)一。艾衛(wèi)一大小為1.6千米×1.4千米×1.2千米，近似球形。這是人類首次發(fā)現(xiàn)小行星的衛(wèi)星。

87號(hào)小行星林神星是一顆直徑超過300千米的小行星，早在1866年就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。2001年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆直徑約18千米的小行星圍繞林神星公轉(zhuǎn)。2005年，林神星第二顆衛(wèi)星被發(fā)現(xiàn)，這顆衛(wèi)星直徑只有7千米。這是人類首次發(fā)現(xiàn)擁有2顆衛(wèi)星的小行星。右圖為藝術(shù)家筆下描繪的林神星及其衛(wèi)星。

中國土地上發(fā)現(xiàn)的第一顆小行星

1874年，美籍加拿大天文學(xué)家沃森率領(lǐng)的金星凌日考察隊(duì)來到北京進(jìn)行金星凌日觀測。當(dāng)年10月10日，他在使用一臺(tái)5英寸口徑望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測時(shí)，在雙魚座天區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)一顆亮度只有11等的天體，這顆天體在恒星背景中緩慢的逆行。經(jīng)過計(jì)算，沃森發(fā)現(xiàn)這是一顆軌道位于小行星帶內(nèi)的小行星。小行星發(fā)現(xiàn)之后，負(fù)責(zé)管理欽天監(jiān)和算學(xué)事務(wù)的恭親王奕將這顆小行星命名為“瑞華”星，意為中華吉祥之星。沃森在他的觀測報(bào)告中將“瑞華”星翻譯為當(dāng)時(shí)尚未標(biāo)準(zhǔn)化的拼音“Juewa”。上世紀(jì)70年代，翻譯人員曾誤將“Juewa”翻譯成“九華”星，直至2017年才重新更正回“瑞華”星。圖為美國海軍天文臺(tái)資料截圖。

小行星帶是太陽系內(nèi)小行星最為集中的區(qū)域，但它也會(huì)受到其他大行星的影響，尤其是在木星這顆太陽系內(nèi)體積最大、質(zhì)量也是最大的大行星引力作用下，小行星帶天體的分布才會(huì)變成今天這個(gè)樣子。下期我們將介紹位于木星軌道附近，與木星共用軌道的特洛伊族小行星。