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)估計直徑在1千米以上的小天體數(shù)量達到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且體積較小，所以亮度普遍較低，我們必須借助望遠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。谷神星直徑達到950千米，質(zhì)量相當于地球的萬分之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為重力逐漸凝結(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，科學家認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其數(shù)。雖然小行星帶內(nèi)聚集著如此眾多的天體，但實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，所以不用過分擔心探測器在飛越小行星帶時會和小行星發(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”（上圖）。之后，“先驅(qū)者11號”“旅行者號”“尤利西斯號”“伽利略號”“卡西尼號”“新視野號”等等諸多探測器都成功穿越小行星帶飛向更加遙遠的外太陽系。下圖為羅塞塔號探測器拍攝的類似鉆石形狀的2867號小行星。

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，而以小行星帶天體為主要目標的探測器數(shù)量卻并不多，只有“尼爾-舒梅克號”“黎明號”“隼鳥號”和“隼鳥2號”這4個?！澳釥?舒梅克號”于2001年成功在愛神星降落；“黎明號”分別從2011年和2015年開始對小行星帶內(nèi)質(zhì)量最大的兩個天體灶神星和谷神星進行了探測；“隼鳥號”和“隼鳥2號”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”拍攝的灶神星南極附近區(qū)域照片；右圖為“隼鳥2號”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號小行星智神星（左圖）和4號小行星灶神星（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，所以我們在地球上是無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0.42，它最亮時可以達到5.1等，甚至不需借助望遠鏡就可以看到。2022年8月25日，灶神星將會抵達沖日的位置，預計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-舒梅克號探測器成功進入愛神星環(huán)繞軌道，進行為期1年的探測，軌道高度最近時只有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”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，布滿表面的石塊被認為是約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”拍攝的愛神星。

擁有衛(wèi)星的小行星

1993年，伽利略號探測器在飛向木星途中偶遇243號小行星艾達。艾達是一顆不規(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”任務科學家在檢查傳回的照片時意外發(fā)現(xiàn)了艾達的衛(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，美籍加拿大天文學家沃森率領的金星凌日考察隊來到北京進行金星凌日觀測。當年10月10日，他在使用一臺5英寸口徑望遠鏡進行觀測時，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，負責管理欽天監(jiān)和算學事務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。沃森在他的觀測報告中將“瑞華”星翻譯為當時尚未標準化的拼音“Juewa”。上世紀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變成今天這個樣子。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。