圖解太陽(yáng)系小天體（1）

文/ 葉楠

太陽(yáng)系是我們賴以生存的恒星系統(tǒng)。太陽(yáng)是這個(gè)系統(tǒng)毋庸置疑的核心，占據(jù)了太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.86%。8顆大行星，5顆矮星系，超過(guò)百萬(wàn)計(jì)數(shù)的小行星及其它們的衛(wèi)星，以及彗星和星際塵埃組成了余下的0.14%。過(guò)去的文章中我們?cè)鴮?duì)大行星探測(cè)進(jìn)行過(guò)介紹。從本期開(kāi)始，我們回顧人類對(duì)太陽(yáng)系物質(zhì)分布認(rèn)識(shí)的發(fā)展，以及對(duì)小天體的空間探測(cè)歷程。

太陽(yáng)系的物質(zhì)分布（上）

2006年，國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)會(huì)議決定對(duì)太陽(yáng)系內(nèi)天體進(jìn)行重新分類，新命名一類矮行星，包括曾經(jīng)作為1號(hào)小行星的谷神星、原九大行星之一的冥王星，以及近年才發(fā)現(xiàn)的鬩神星、鳥(niǎo)神星和妊神星。這一改寫(xiě)教科書(shū)的決議并不是說(shuō)太陽(yáng)系本身有了什么變化，只是表明人類對(duì)太陽(yáng)系有了更深的認(rèn)識(shí)。在不斷的觀測(cè)實(shí)踐中，天文學(xué)家不斷做出新的發(fā)現(xiàn)，不斷修改著之前的理論，不斷拓展著我們對(duì)這個(gè)世界的認(rèn)識(shí)，這一過(guò)程在天文學(xué)發(fā)展史上不斷上演。為了更加清晰的展現(xiàn)太陽(yáng)系天體的發(fā)現(xiàn)及探測(cè)歷程，我們先回溯到16世紀(jì)，看看那時(shí)人類認(rèn)識(shí)的太陽(yáng)系是什么樣子。

哥白尼時(shí)代的太陽(yáng)系模型

地球上的各個(gè)古老文明都有對(duì)太陽(yáng)系行星的觀測(cè)記載。受制于人眼的觀測(cè)極限，自古以來(lái)人類都只能目視觀測(cè)到水、金、火、木、土這5顆行星。通過(guò)這5顆行星的運(yùn)行，人類又描繪出太陽(yáng)系的模型圖景。托勒密的地心說(shuō)從公元2世紀(jì)一直占據(jù)著統(tǒng)治地位，直到1543年哥白尼發(fā)表《天體運(yùn)行論》提出了日心說(shuō)。1609年伽利略發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡并得到了更多的觀測(cè)證據(jù)，人們才逐漸接受了日心說(shuō)。圖為德國(guó)繪圖師塞拉里烏斯描繪的哥白尼日心說(shuō)模型，從中可以看出當(dāng)時(shí)人類認(rèn)識(shí)的太陽(yáng)系只包括日地月及5顆行星。

提丟斯-波得定則

基于日心說(shuō)及數(shù)學(xué)和幾何學(xué)的發(fā)展，天文學(xué)家已經(jīng)可以精確的計(jì)算出行星到太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軌道半徑。1766年，德國(guó)天文學(xué)家提丟斯在其翻譯的一本著作中首次闡述了對(duì)行星軌道半長(zhǎng)徑的預(yù)言。他發(fā)現(xiàn)如果將太陽(yáng)到土星的距離分成100份的話，那么水星距離太陽(yáng)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(yīng)該還有一個(gè)數(shù)字是4+24=28尚未發(fā)現(xiàn)任何天體。1772年，年僅25歲的波得在他出版的《星空知識(shí)指南》中引用了提丟斯的這一猜測(cè)。圖為提丟斯-波得定則的公式形式，以及其預(yù)測(cè)與實(shí)際距離的對(duì)比。

提丟斯-波得定則：0.4+0.3×k

天王星的發(fā)現(xiàn)

在波得歸納出提丟斯-波得定則的同時(shí)，他還對(duì)土星外側(cè)的天體進(jìn)行了預(yù)測(cè)。從某種角度來(lái)說(shuō)，波得是幸運(yùn)的。因?yàn)楫?dāng)1781年威廉·赫歇爾通過(guò)望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)天王星時(shí)，天王星正好位于距離太陽(yáng)19.2天文單位處，這與提丟斯-波得定則中的預(yù)言相差無(wú)幾。這一神奇巧合比高深的數(shù)學(xué)物理定律更能吸引公眾的注意力，甚至“天王星”這個(gè)名字都是由波得來(lái)命名的。1786年波得榮升為柏林天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)，并一直干到了1825年。在波得逝世后，為紀(jì)念他，月球上的一座環(huán)形山以及998號(hào)小行星都以他的名字命名。左下圖為赫歇爾發(fā)現(xiàn)天王星時(shí)使用的6.2英寸（15.7厘米）口徑牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡的復(fù)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(yè)，這是一部后無(wú)來(lái)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(shù)品。

谷神星和智神星的發(fā)現(xiàn)及其名分之爭(zhēng)

天王星的發(fā)現(xiàn)使得提丟斯-波得定則聲名鵲起，歐洲的天文學(xué)家們紛紛將目光聚焦到火星與木星之間那片空白的區(qū)域，這一次波得又是幸運(yùn)的。1801年1月1日，19世紀(jì)到來(lái)的第一天，來(lái)自意大利的天文學(xué)家皮亞齊將望遠(yuǎn)鏡指向了金牛座，發(fā)現(xiàn)了一顆新的天體，并命名為谷神星。當(dāng)時(shí)年僅24歲的數(shù)學(xué)天才高斯計(jì)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(yù)言極其接近。當(dāng)波得得知這個(gè)消息的時(shí)候就迫不及待地將之并入行星的行列。

1802年3月28日，德國(guó)天文學(xué)家?jiàn)W伯斯在觀測(cè)谷神星時(shí)意外發(fā)現(xiàn)了另一顆會(huì)移動(dòng)的天體，并命名為智神星。高斯利用新方法很快計(jì)算出其軌道，但結(jié)果竟然也是2.77天文單位。同一軌道上出現(xiàn)兩顆行星，這在當(dāng)時(shí)簡(jiǎn)直是無(wú)法理解的事情，波得為了避免這種尷尬甚至說(shuō)智神星是一顆彗星。這個(gè)時(shí)候，赫歇爾計(jì)算出谷神星和智神星的直徑，發(fā)現(xiàn)各自都只有幾百千米，比月球都要小得多，他認(rèn)為它們都沒(méi)有資格成為一顆行星，這在當(dāng)時(shí)也引發(fā)了一場(chǎng)論戰(zhàn)。奧伯斯提出過(guò)一個(gè)新奇的觀點(diǎn)，他認(rèn)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(guó)天文學(xué)家哈丁在這片區(qū)域又發(fā)現(xiàn)了一顆軌道半長(zhǎng)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(fā)現(xiàn)了一個(gè)軌道半長(zhǎng)徑2.36天文單位的新天體，被命名為灶神星，這是這片區(qū)域發(fā)現(xiàn)的第四個(gè)天體。天文學(xué)家們也逐漸接受了赫歇爾的觀點(diǎn)，將這些小天體通通貶為了“小行星”，與之對(duì)比傳統(tǒng)的行星被稱為“大行星”。

小行星帶天體與化學(xué)元素命名

當(dāng)1801年皮亞齊發(fā)現(xiàn)了谷神星后，整個(gè)科學(xué)界都對(duì)此非常興奮。1803年一個(gè)新的化學(xué)元素被發(fā)現(xiàn)，為了向谷神星致敬，這個(gè)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(shù)58，是地殼中豐度最高的鑭系及稀土元素，化學(xué)性質(zhì)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(dāng)?shù)诙w小行星帶天體智神星被發(fā)現(xiàn)后，同年第46號(hào)元素也被發(fā)現(xiàn)，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(lái)制造處理汽車尾氣的觸媒轉(zhuǎn)換器。除此以外還有一些化學(xué)元素與天文都有著關(guān)系，例如：氦Helium與太陽(yáng)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(wú)論是天王星的發(fā)現(xiàn)還是四顆小行星帶天體的發(fā)現(xiàn)，似乎都證明著提丟斯-波得定則在冥冥中主導(dǎo)著太陽(yáng)系的物質(zhì)分布。但天文學(xué)家們也都知道在這一串?dāng)?shù)字背后并沒(méi)有任何物理定律的支撐，這只是一個(gè)巧合而已。當(dāng)1846年，人們?cè)诰嚯x太陽(yáng)30天文單位處發(fā)現(xiàn)海王星時(shí)，提丟斯-波得定則完全被證偽了。它的下一個(gè)數(shù)值預(yù)言的是38.8天文單位，與30天文單位相差甚遠(yuǎn)。對(duì)于內(nèi)太陽(yáng)系來(lái)說(shuō)，這或許是一個(gè)神奇的近似公式，但對(duì)于外太陽(yáng)系未來(lái)更多的發(fā)現(xiàn)可以說(shuō)是謬以千里。不過(guò)波得自己卻可以得意的度過(guò)一生，因?yàn)樗?826年就已經(jīng)與世長(zhǎng)辭了。然而頗為諷刺的是，人類第一次觀測(cè)到海王星卻是在波得曾經(jīng)任職了40年的柏林天文臺(tái)。

曙光號(hào)小行星探測(cè)器

至1807年，人類發(fā)現(xiàn)了小行星帶內(nèi)的4顆天體，而到了19世紀(jì)末數(shù)量快速增加至超過(guò)300顆，到今天已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)100萬(wàn)顆。2007年9月27日，美國(guó)發(fā)射了曙光號(hào)小行星探測(cè)器（左下圖），主要探測(cè)目標(biāo)是小行星帶內(nèi)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(zhuǎn)，從2015年3月開(kāi)始環(huán)繞谷神星飛行，直至2018年11月停止通訊。右右圖是“曙光號(hào)”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(nèi)的亮斑及特殊的物質(zhì)構(gòu)成。

小行星帶的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步完善了太陽(yáng)系的物質(zhì)分布模型。谷神星的地位隨著人類認(rèn)識(shí)的變化而變化，從行星降級(jí)為小行星。而到了200年后的2006年，谷神星的地位再次發(fā)生了變動(dòng)，從小行星又升級(jí)為矮行星。而20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)的冥王星在當(dāng)了76年的大行星后被降級(jí)為矮行星。這背后隱藏著哪些新天文發(fā)現(xiàn)與故事呢？我們下期繼續(xù)。