谷神星上迎来新曙光
Govert Schilling　文　Shea　编译
	曙光探测器即将到达谷神星，那里也许有着比地球上还要多的水。 2015年3月，美国宇航局的曙光探测器将轻轻地滑入环绕谷神星——太阳系中最大的小行星——的轨道。在2011年和2012年，“曙光”花了近14个月研究了谷神星的“小表弟”灶神星。 在灶神星上收获了丰硕的成果，天文学家预期在未来数月对谷神星的探测也将成为令人兴奋的新宝藏。此外，“曙光”抵达谷神星也标志着对矮行星近距离探测的开始：在此之后4个月的7月14日，新视野探测器就将会飞掠位于太阳冰冷外侧的冥王星。 在位于火星和木星轨道之间巨大的空隙之中，谷神星每4.6年绕太阳公转一周。19世纪末，天文学家已相信在那里可能潜藏着一颗新的行星。这一想法由德国天文学家约翰·埃勒特·波得（Johann Elert Bode）在1772年的一本书中所提出。 以约翰·丹尼尔·提丢斯（Johann Daniel Titius）的研究工作为基础，波得提出了一个数列，用它可以描述已知行星的轨道半径，它预言在火星和木星之间存在一颗尚未被发现的行星。当在1781年新发现的天王星也遵守这一定则时，天文学家开始相信火星和木星之间的巨大空隙不可能是空无一物的。 1800年，匈牙利贵族和天文学家弗朗茨·克萨韦尔·冯扎奇（Franz Xaver von Zach）男爵启动了一个搜索计划，有24位欧洲各地的天文学家参与。事实上，这个被冯扎奇称为“天空警察”的项目是天文学中第一项大型国际合作项目。其中一名参与合作搜索的天文学家便是朱塞普·皮亚齐（Giuseppe Piazzi），时年54岁他是意大利西西里岛北部海岸边巴勒莫天文台的台长。 [图片说明]：“曙光”从灶神星启程前往谷神星的艺术概念图。版权：NASA。 空隙中的“行星” 出于某种原因，皮亚齐并没有收到冯扎奇的信。但在其他人一无所获地搜寻了23天之后，皮亚齐却有了意外地发现了一颗新的“行星”。时间是1801年1月1日的晚上。他以罗马神话中西西里的守护神将其命名为谷神星。就在天王星发现之后仅仅20年，太阳系又多了一颗行星，把已知的行星数目提升到了8颗。然而，谷神星并没有在行星的宝座上坐很长时间：它目前是小行星带中已知最大的天体，也是历史上的第1号小行星。 尽管有着数亿千米的遥远距离，天文学家还是成功计算出了谷神星的直径。它赤道半径975千米，两极半径909千米，自转周期为9小时又4.5分钟。谷神星的尺度是第二大的小行星灶神星的1.8倍，质量则是灶神星的3.6倍。事实上，它占据了主小行星带总质量的约三分之一。使用哈勃空间望远镜和凯克望远镜，科学家们已在其表面发现了一些明亮和深色的区域；其中最大的深色区域被称为皮亚齐。 灶神星上的“曙光” 在“曙光”启航前往谷神星之前，它在较小的小行星灶神星周围逗留了14个月的时间。灶神星很扁，长宽高分别为573、557和446千米。它有着较高的密度、分化的内部物质以及堪比类地行星的结构。事实上，一些行星科学家认为灶神星是一颗原行星：如果在其周围曾经有更多星子的话，它很可能会成长一个大小接近月球的天体。 从2011年7月到2012年9月，“曙光”对灶神星进行了探测。它最重要的发现与灶神星南极巨大的撞击盆地有关。与另一个大型天体的剧烈碰撞剥离了灶神星南半球的大量物质，留下了这个巨大的圆形疤痕以及中央的一种大型山峰。这次撞击撼动了整颗小行星，在其赤道带上形成了巨大的山脊和沟槽。撞出的碎片——通过其矿物成分可以辨识出来自灶神星——则遍布内太阳系。事实上，地球上的所有陨石中有5%是从灶神星上撞出的残片。 2014年底，行星科学家公布了一张基于“曙光”数据的灶神星详细地质图。得益于此，它也成为了目前被了解得最详尽的小行星。 [图片说明]：“曙光”环绕灶神星的艺术概念图。版权：NASA/JPL-Caltech。 双星先锋 根据谷神星对其他小行星的微小引力摄动，可以推算出它的质量。根据质量和大小，可以计算出它的密度为每立方厘米2.1克。如此低的密度表明，它可能含有多达25%的冰。这意味着，尽管处于冰冻的状态，但谷神星上的水比地球上的海洋还要多。事实上，分光观测在它为尘埃所覆盖的表面上发现了含水的矿物。2014年1月，欧洲的赫歇尔空间天文台在红外波段上发现谷神星具有由水蒸气构成的羽状物，此前从未在任何一颗小行星上看到过类似的现象。由此，行星科学家们热切期待“曙光”抵达谷神星也就丝毫不奇怪了。 发射于2007年9月27日，“曙光”在2009年2月17日飞掠火星，2011年7月15日进入环绕灶神星上的预定轨道。在研究了这颗有趣的“原行星”一年之后（参见插页“灶神星上的‘曙光’”），它从灶神星启程前往谷神星。这是太空探索历史上第一次有一个探测器会在其任务执行期间环绕两个不同的目标天体。这都得益于“曙光”上的离子推进引擎，它通过用电加速氙原子来获得微小但却持续的推力。 在“曙光”的两侧有两个巨大的太阳能板，总跨度接近20米。它有1面直径1.5米的高增益天线来与地球进行无线电通信。它所携带的照相机将会在7个不同的颜色波段上对谷神星进行成像，可见光和红外分光仪将会研究谷神星的表面成分和热特性，γ射线和中子探测器则会测定化学元素的相对丰度。最后，通过“曙光”的遥测信息，天文学家还将测量谷神星的自转。 [图片说明]：2015年2月19日“曙光”在4.6万千米之外所拍摄的谷神星两个不同半球的影像。版权：NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA。 谷神星水库 2015年3月6日，“曙光”将被谷神星的引力场俘获。但它不会就此立即就位。起初，它会飞行在大约75,000千米的距离上，然后利用其离子引擎不断机动，最终在4月23日进入一条环绕谷神星的越极轨道。到2015年11月，它会转移到一条高度较低的勘测轨道上，距离谷神星的表面仅375千米。最初的入轨方案要比这简单得多。然而，2014年9月11日“曙光”的引擎因遭受高能宇宙线轰击而发生故障停止工作，在修复之后任务控制人员不得不重新设计了整个方案。由于离子引擎奏效地很缓慢，这一故障对“曙光”轨道机动时间表产生了很大的影响。 “曙光”对谷神星的探测将会为类地行星演化的早期历史提供极具价值的线索。它是否会真的会成为内太阳系中最大的储水地？其水中氘（重氢）的丰度是否会和地球海洋的相同？如果确实如此的话，这将表明地球上的水来自小行星而非彗星——因为欧洲空间局的罗塞探测器已测量发现，67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星上的氘丰度是地球的3倍。 或者，如果谷神星也具有较高的氘丰度的话，这可能意味着它诞生于海王星轨道之外的地方，在大约40亿年前由于行星之间的引力相互作用而迁移到了主小行星带中。若确实如此，那谷神星将成为第一个被近距离研究的柯伊伯带天体——毕竟，“新视野”探测器还要几个月才能抵达冥王星。 行星的变迁 在19世纪初，当谷神星、智神星、婚神星和灶神星被发现时，它们曾被认为是第八、第九、第十和第十一颗太阳系行星。于1781年发现了天王星的威廉·赫歇尔（William Herschel）是当时唯一一个认为这些小天体属于一个新类别的人，为此他创造了“小行星”（asteroid）一词，意思是“恒星状的”，言下之意它们在望远镜中呈点状（看不到圆面）。 那个时候，赫歇尔也许只是并不喜欢有人与他人分享行星发现者的头衔。但是，到19世纪中叶，在火星和木星的轨道之间发现越来越多的小天体之后，天文学家确实重新把它们归类成了小行星。于1846年发现的海王星则成为了太阳系第八颗“大”行星。谷神星、智神星、婚神星和灶神星的降级其实和2006年发生在冥王星身上的降级没有什么本质上的区别。尽管很小并且有着一条不寻常的轨道，但在1930年发现冥王星时它仍被认为是太阳系中的第九颗行星。直到20世纪90年代开始，随着在海王星轨道之外发现了越来越多的冰质天体之后，人们才日益清晰地意识到，冥王星只不过是最大的柯伊伯带天体之一。2006年8月，国际天文学联合会决定剥夺冥王星身上并不恰当的行星头衔。 连同少数其他的柯伊伯带天体一起，冥王星和谷神星已经正式被国际天文学联合会分类为矮行星：它们质量足够大可以在自身的引力下呈球形，但又还不足以已清空其轨道区域中更小的天体。
[Sky at Night 2015年2月]

2001-2015 火流星工作组制作


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