谷神星探秘

劉聲遠(yuǎn)

谷神星全貌（2015年拍攝）。

谷神星參數(shù)

遠(yuǎn)日點(diǎn)4.46億千米

近日點(diǎn)3.83億千米

軌道周期4.61地球年

平均軌道速度17.905千米/秒

體積4.34億立方千米

平均直徑939.4千米

表面積277萬平方千米

平均密度2162克/厘米³

赤道表面引力0.029g

赤道自轉(zhuǎn)速度92.61米/秒

表面平均溫度-118攝氏度

科學(xué)家2020年8月11日宣布，美國宇航局“黎明號”航天器（以下簡稱“黎明號”）讓他們得以近觀矮行星谷神星。到2018年10月“黎明號”任務(wù)結(jié)束時(shí)。這艘航天軌道器已經(jīng)下降到谷神星表面上空不到35千米，由此揭示了谷神星表面那些神秘明亮區(qū)域的新細(xì)節(jié)。

此前，科學(xué)家已經(jīng)預(yù)料到這些明亮區(qū)域大多由碳酸鈉組成。這些碳酸鈉很可能來自從谷神星地下上升至地表的液體，這些液體蒸發(fā)后留下一種具有高反射性的鹽殼。但科學(xué)家之前尚未確定這些液體來自哪里。通過分析“黎明號”在其任務(wù)期末采集的數(shù)據(jù)，科學(xué)家現(xiàn)在得出結(jié)論：這些液體來自谷神星地下深處的鹽水庫。通過研究谷神星的引力，科學(xué)家得以了解有關(guān)谷神星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的更多信息，并且確定了這個(gè)鹽水庫位于谷神星地下大約40千米深度，直徑為幾百千米。因此，有科學(xué)家認(rèn)為谷神星存在地下海洋。

外太陽系的一些含冰衛(wèi)星之所以有內(nèi)部熱量，是因?yàn)樗鼈兣c一顆大行星之間有引力交互，但谷神星并非如此。在最新研究中，科學(xué)家通過聚焦谷神星表面直徑達(dá)92千米的刻瑞斯隕石坑，證實(shí)了谷神星像其他含冰天體一樣富含水，還發(fā)現(xiàn)了刻瑞斯隕石坑中存在的地質(zhì)活動?？傊袄杳魈枴比〉玫囊幌盗写蟀l(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了科學(xué)家對它的期望，而它在任務(wù)期快要結(jié)束時(shí)更是成就斐然。

明亮之謎

在“黎明號”于2015年到達(dá)谷神星之前，科學(xué)家已經(jīng)通過望遠(yuǎn)鏡注意到了谷神星表面有一些明亮區(qū)域，但不了解它們的性質(zhì)。在靠近谷神星的軌道中，“黎明號”抓拍了刻瑞斯隕石坑內(nèi)部兩個(gè)具有高反射性的區(qū)域（分別為賽瑞利亞和維拉利亞）的多幅圖像。

科學(xué)家知道，微隕星經(jīng)常撞擊谷神星表面并留下撞擊產(chǎn)物。隨著時(shí)間推移，這應(yīng)該會導(dǎo)致谷神星表面那些古老的明亮區(qū)域變暗。因此。今天見到的這些明亮區(qū)域應(yīng)該還很年輕。那么，這些區(qū)域是怎么產(chǎn)生的？其地質(zhì)材料為什么會這么新？這是2017～2018年“黎明號”延伸任務(wù)期的主要關(guān)注點(diǎn)。通過研究“黎明號”在此期間的探測數(shù)據(jù)，科學(xué)家證實(shí)了這些明亮區(qū)域果然年輕（其中一些形成至今還不到200萬年），并且發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致反射性物質(zhì)沉積的地質(zhì)過程可能仍在進(jìn)行。他們的關(guān)鍵依據(jù)是集中于賽瑞利亞區(qū)域的鹽化合物。

在谷神星表面，含水的鹽會在幾百年內(nèi)迅速脫水。但“黎明號”能發(fā)現(xiàn)賽瑞利亞區(qū)域的含水鹽，說明這些水是最近才上升至地表的。這不僅能證明刻瑞斯隕石坑地下有水，而且能證明谷神星地下物質(zhì)仍在上升到表面。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了在賽瑞利亞區(qū)域讓地下液體到達(dá)表面的兩種主要途徑：一是，大量鹽由剛好位于地面下的冰融化成的水提供，冰融是因?yàn)樵诖蠹s200萬年前隕石坑形成時(shí)產(chǎn)生的熱量，但這種熱量在200萬年中逐漸減少;二是，撞擊產(chǎn)生的大型裂縫可深入到地下深處長期存在的鹽水庫，從而讓鹽水能上升到表面。

谷神星表面的明亮區(qū)域。

活躍地質(zhì)

在太陽系中，涉及冰的地質(zhì)活動主要發(fā)生在含冰衛(wèi)星上，由衛(wèi)星與其母行星之間的引力交互推動。但讓地下鹽水上升至谷神星表面的運(yùn)動卻非如此，這說明雖然富含冰，但并非衛(wèi)星的天體也可能活躍。

刻瑞斯隕石坑中最近存在液體的證據(jù)既來自明亮沉積物，也來自谷神星極地受壓地下水到達(dá)地表后凍結(jié)而形成的多座錐形小冰丘。這是首次在矮行星上觀察到這樣的冰丘，而這種冰丘之前在火星上被發(fā)現(xiàn)過。在對“黎明號”探測數(shù)據(jù)的最新研究中，科學(xué)家還首次對谷神星地殼各層的密度進(jìn)行了繪圖。通過引力測量，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)谷神星地殼密度隨著深度明顯增加，但這并非僅僅是由于壓力作用?？茖W(xué)家推測，在谷神星地下鹽水上升到地表的同時(shí)，鹽和泥不斷融入地殼的低層。

由于谷神星表面存在有機(jī)物，地下存在液體，因此有科學(xué)家認(rèn)為谷神星上可能存在生命。無論是否如此，行星保護(hù)規(guī)則都要求讓“黎明號”（2018年10月31日，“黎明號”的肼燃料被耗盡）最終進(jìn)入一個(gè)長周期穩(wěn)定軌道，目的是避免“黎明號”撞擊谷神星。

谷神星表層土（浮土）中氫濃度。藍(lán)色表示氫濃度較高，因而表明水冰的存在。

谷神星內(nèi)部結(jié)構(gòu)（從表面向下依次為）：由冰、鹽和水合礦物構(gòu)成的表層;包含鹽水的中間層;主要為含水巖石的核心部分。

之前觀測

在“黎明號”任務(wù)之前，谷神星表面只有一些特征被清晰探測到。1995年，由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的高解析度紫外系列圖像顯示出谷神星表面的一個(gè)暗斑，它被戲稱為“皮亞齊”（發(fā)現(xiàn)谷神星的意大利天文學(xué)家），而且被認(rèn)為是一個(gè)隕石坑。后來，由凱克望遠(yuǎn)鏡運(yùn)用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)拍攝的更高解析度的近紅外系列圖像，顯示出谷神星表面隨谷神星自轉(zhuǎn)而移動的多個(gè)明亮和黑暗地貌。其中兩個(gè)黑暗地貌為圓形，它們被認(rèn)為是隕石坑，其中一個(gè)的中心有一個(gè)明亮區(qū)域。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在2003和2004年拍攝的可見光系列圖像，顯示出谷神星表面的11個(gè)可識別地貌，但它們的性質(zhì)當(dāng)時(shí)未被確定。

“黎明號”發(fā)現(xiàn)谷神星表面密布隕石坑，但隕石坑總數(shù)不及預(yù)測的多，這可能是由于谷神星過去的地質(zhì)活動所致。谷神星表面超出預(yù)計(jì)數(shù)的大量隕石坑都有中心坑，許多隕石坑中還有中央峰，這可能是由冰火山活動造成的。谷神星表面有一座顯眼的高山，它看起來是一座冰火山，而且它沒有什么隕石坑，這說明它的年齡不超過幾百萬年。電腦模擬表明，谷神星表面原本有多座冰火山，但由于黏性松弛效應(yīng)，如今它們已不可辨識。

谷神星表面的一座5000米高山。

刻瑞斯隕石坑中的第5號明亮區(qū)域。

“黎明號”觀測到了谷神星表面的多個(gè)明亮區(qū)域，其中最亮的5號區(qū)域位于直徑80千米的刻瑞斯隕石坑中心。從“黎明號”在2015年4月拍攝的谷神星系列圖像可以看出，亮度第二的區(qū)域?qū)嶋H上由可能多達(dá)10個(gè)明亮區(qū)域組成。這些明亮地貌的高反射率可能是因?yàn)榈乇淼谋螓}。5號區(qū)域上空周期性出現(xiàn)模糊云團(tuán)，這可能支持一種猜想：明亮區(qū)域的形成是由于某種類型的放氣或冰的升華作用。2016年3月，“黎明號”在刻瑞斯隕石坑表面發(fā)現(xiàn)了水分子的確鑿證據(jù)。

發(fā)現(xiàn)故事

谷神星是主小行星帶（位于火星軌道和木星軌道之間）中最大的天體，是最大的小行星和海王星軌道內(nèi)唯一的矮行星，是海王星軌道內(nèi)大小排名第25的太陽系天體。

1772年，德國天文學(xué)家波德首次提出：在火星軌道和木星軌道之間可能存在一顆尚未被發(fā)現(xiàn)的行星。早在1596年，德國天文學(xué)家開普勒就已經(jīng)注意到了火星與木星之間的空白地帶。波德的猜測是基于在1766年首次提出、如今已被否定的提丟斯-波德定則。波德通過觀察發(fā)現(xiàn)已知行星的軌道大小有規(guī)律，而且這一規(guī)律只被火星與木星之間的空白破壞。根據(jù)該規(guī)律可以預(yù)測：這顆尚待發(fā)現(xiàn)的行星的軌道半徑接近2.8天文單位（1天文單位≈1.496×10⁸千米）。1781年，德國天文學(xué)家赫歇爾在接近預(yù)測的距離發(fā)現(xiàn)了位于土星軌道外的天王星，這在當(dāng)時(shí)增強(qiáng)了人們對提丟斯一波德定則的信心。1801年，兩名意大利天文雜志編輯致信24位天文學(xué)家，請他們共同努力去發(fā)現(xiàn)波德所預(yù)測的那顆未知行星。雖然他們并未發(fā)現(xiàn)谷神星，但后來發(fā)現(xiàn)了多顆較大的小行星。

谷神星在火星與木星之間的軌道中運(yùn)行。谷神星軌道位于小行星帶以內(nèi)，但更靠近火星軌道。谷神星的軌道周期為4.61地球年，軌道中度傾斜并中度偏心。這組圖中顯示的是谷神星的軌道（藍(lán)色）和多顆行星的軌道（白色及灰色）。位于黃道（指地球環(huán)繞太陽運(yùn)行的公轉(zhuǎn)軌道所在平面）下面的軌道部分顏色更深，橘紅色加號指代太陽的位置。左上圖顯示的是谷神星在火星和木星之間的位置。右上圖顯示的是谷神星和火星的近日點(diǎn)（q）及遠(yuǎn)日點(diǎn)（Q）。在這幅圖中，火星近日點(diǎn)位于太陽的一側(cè)，而谷神星及多顆較大的主帶小行星（包括智神星和健神星）的近日點(diǎn)位于另一側(cè)。下圖為側(cè)視圖，它顯示的是與火星和木星軌道相比之下的谷神星軌道傾斜情況。

這24名天文學(xué)家中包括意大利天文學(xué)家皮亞齊。實(shí)際上，在他接到發(fā)現(xiàn)未知行星的邀請之前，他就已經(jīng)在1801年1月發(fā)現(xiàn)了谷神星。不過，當(dāng)時(shí)他要尋找的是一顆恒星，卻未料到自己發(fā)現(xiàn)的是一顆疑似的彗星。皮亞齊總共觀測了谷神星24次。最后一次是在1801年2月11日，之后他因生病而中斷觀測。1801年1月24日，他在給兩位天文學(xué)家——波德和奧里亞尼意大利天文學(xué)家的信中宣布了自己的這一發(fā)現(xiàn)。他在信中說，自己發(fā)現(xiàn)的是一顆彗星，但“因?yàn)樗倪\(yùn)動緩慢且相當(dāng)規(guī)則，所以我又多次想到它不該是一顆彗星”。1801年4月，皮亞齊把自己對這顆疑似彗星的完整觀測情況發(fā)給了奧里亞尼、波德和法國天文學(xué)家拉朗德。1801年9月，皮亞齊的這一發(fā)現(xiàn)被發(fā)表在天文學(xué)刊物上。

到這時(shí)，谷神星的視位置已經(jīng)改變（基本上是由于地球的軌道運(yùn)動），谷神星受耀眼陽光的影響而幾乎不可見。因此其他天文學(xué)家無法證實(shí)皮亞齊對谷神星的觀測。1801年末，谷神星再度可見，但經(jīng)過這么長的時(shí)間后難以準(zhǔn)確判斷其位置。為了再次找到谷神星，當(dāng)時(shí)年僅24歲的德國數(shù)學(xué)家高斯研發(fā)出了一個(gè)確定軌道的有效方法。僅花了幾周時(shí)間，他就預(yù)測了谷神星的路徑，并將此發(fā)給了德國天文學(xué)家扎克。1801年12月31日，扎克和另一位德國天文學(xué)家奧伯斯在預(yù)測位置附近重新發(fā)現(xiàn)了谷神星。

講述谷神星發(fā)現(xiàn)故事的皮亞齊著作。

歸類之爭

這些對谷神星的早期觀測者只能算出谷神星的大概大小。有人在1802年估計(jì)的谷神星直徑為260千米，1811年則有人估計(jì)這個(gè)直徑為2613千米。

皮亞齊最初提議給自己發(fā)現(xiàn)的“彗星”命名為賽瑞爾·費(fèi)迪南迪，這是依據(jù)羅馬農(nóng)業(yè)女神賽瑞斯（意大利文發(fā)音為“賽瑞爾”。賽瑞斯被認(rèn)為起源于意大利的西西里，那里有最古老的賽瑞斯神廟）和西西里國王費(fèi)迪南德。然而，“費(fèi)迪南迪”這個(gè)名稱不被其他國家接受，因此皮亞齊的提議被否。最終，這顆“彗星”被稱為谷神星（賽瑞斯）。

四顆小行星（示意圖）。

天文學(xué)家對谷神星的歸類經(jīng)過多次變更，這方面一直存在爭議。波德相信，谷神星就是他認(rèn)為存在于火星和木星之間的那顆“迷失的行星”。半個(gè)多世紀(jì)里，谷神星一直被列為一顆行星。但隨著在谷神星所在區(qū)域發(fā)現(xiàn)其他天體，天文學(xué)界意識到谷神星代表著一類新天體。1802年，智神星（小行星2號）的發(fā)現(xiàn)讓赫歇爾為這類天體提出了“小行星”這個(gè)術(shù)語。當(dāng)時(shí)他寫道：“這些天體很像是小恒星，以至于哪怕用最好的望遠(yuǎn)鏡也很難把這兩者區(qū)分開?！钡搅?860年前后，像谷神星這樣的小行星與大行星之間的本質(zhì)區(qū)別被天文學(xué)界普遍認(rèn)可，但對“行星”的精確定義仍未形成。

2006年，圍繞冥王星地位和行星界定的爭論導(dǎo)致谷神星被重新考慮定位成一顆行星。當(dāng)時(shí)提出的行星定義是：行星必須有足夠的質(zhì)量，從而通過自身引力讓自己成為近似圓球形;行星必須環(huán)繞恒星運(yùn)動，但行星既不是恒星也不是行星的衛(wèi)星。如果該提議被接受，那么谷神星就是距離太陽第五近的一顆行星。然而，國際天文學(xué)聯(lián)合會在2006年8月24日修改了行星定義，附加了一個(gè)條件：行星軌道附近不能有其他天體。根據(jù)這一點(diǎn)，谷神星不是行星，因?yàn)樗c小行星帶中的其他數(shù)千顆小行星共享一個(gè)區(qū)域，而且谷神星只占小行星帶總質(zhì)量的25%。像谷神星這樣滿足前兩個(gè)條件但不滿足第三個(gè)條件的天體，最終被歸類為矮行星。不過，矮行星還同時(shí)擁有第二個(gè)身份——小行星。

谷神星觀測的部分里程碑

1984年11月13日在墨西哥、美國和加勒比海地區(qū)觀測到谷神星對一顆恒星的掩蔽現(xiàn)象（掩星）。

1995年6月25日哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝了谷神星的紫外系列圖像，解析度為50千米。

2002年凱克望遠(yuǎn)鏡拍攝了谷神星的紅外系列圖像，解析度為30千米。

2003和2004年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝了谷神星的可見光系列圖像，解析度為30千米。這是在“黎明號”任務(wù)之前對谷神星拍攝的最佳圖像。

2012年12月22日在中國、俄羅斯和日本的部分地方，天文學(xué)家觀測到谷神星對一顆恒星的掩星。

在地球上拍攝到的質(zhì)量最好的谷神星照片。

2014年天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)谷神星有很稀薄的大氣層（也稱外逸層或外大氣層），該發(fā)現(xiàn)被赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡證實(shí)。

2015年“黎明號”接近并環(huán)繞谷神星，在此期間向地球傳回細(xì)節(jié)圖像和大量科學(xué)數(shù)據(jù)。