图解太阳系小天体（4）

文/ 叶楠

小行星带天体

小行星带是太阳系中位于火星和木星轨道之间的一片环状区域，核心部分轨道半径介于2.06至3.27天文单位之间，质量中心大约在轨道半径2.8天文单位处。小行星带内绝大部分天体离心率都小于0.4、轨道倾角小于30°。典型值分别为离心率0.07、轨道倾角小于4°，因此，大部分小行星轨道都基本位于黄道面附近，且轨道接近圆形。这里拥有太阳系内已知数量最多的小天体，据估计直径在1千米以上的小天体数量达到100万颗以上，直径大于100千米的小天体数量超过200颗。由于小行星带天体距离我们较远且体积较小，所以亮度普遍较低，我们必须借助望远镜才能观测到它们的存在。

小行星带内最大的天体是谷神星，它也是小行星带内唯一一颗矮行星。谷神星直径达到950千米，质量相当于地球的万分之1.5，但却占据了小行星带总质量的三分之一。小行星带中最大的3颗小行星分别是智神星、灶神星和健神星，它们的平均直径都超过了400千米。

小行星带的诞生

关于小行星带的诞生，主流理论是太阳星云假说。原始星云是构成太阳系内各大天体的主要材料，在太阳系诞生早期，星云中的尘埃和气体因为重力逐渐凝结在一起，并吸引附近更多的物质形成稳定的岩石行星或巨大的气态行星。而在火星和木星之间的这片区域，物质之间经常发生的碰撞阻碍了原始行星的形成。时至今日，这些太阳系诞生早期遗存下来的小天体们依旧围绕着太阳公转，形成了现在的小行星带。我们一般将轨道半径在2.06至3.27天文单位之间的小行星称为主带小行星。

小行星带的分类

主带小行星主要包括两种类型的小行星：一类是位于主带外侧靠近木星轨道，以富含碳元素的C型小行星为主，这类小行星颜色偏红且反照率较低，化学组成与碳质陨石相似；另一类靠近主带内侧含硅元素较多的S型小行星则更为常见，这类小行星有着较高的反照率，但物质构成与原始太阳系成分有着显著不同，科学家认为这可能是早期分化的结果。上图为1969年在墨西哥发现的阿连德陨石，这是地球上发现最大的碳质球粒陨石，研究表明陨石年龄达到45.67亿年，比地球上最古老的岩石还要早近200万年，这颗陨石的来源很可能就是来自于小行星带；下图为司法星三维模拟图像，它是一颗典型的S型小行星。

小行星带的环境

红外巡天显示在小行星带内直径超过1千米的小行星数量超过百万颗，更小的小行星更是不计其数。虽然小行星带内聚集着如此众多的天体，但实际上它仍然非常的空旷。两颗较大的小行星之间的平均距离要超过500万千米，所以不用过分担心探测器在飞越小行星带时会和小行星发生撞击。历史上第一次飞越小行星带的探测器是“先驱者10号”（上图）。之后，“先驱者11号”“旅行者号”“尤利西斯号”“伽利略号”“卡西尼号”“新视野号”等等诸多探测器都成功穿越小行星带飞向更加遥远的外太阳系。下图为罗塞塔号探测器拍摄的类似钻石形状的2867号小行星。

主带小行星探测器

历史上飞越小行星带的探测器有数十个，而以小行星带天体为主要目标的探测器数量却并不多，只有“尼尔-舒梅克号”“黎明号”“隼鸟号”和“隼鸟2号”这4个。“尼尔-舒梅克号”于2001年成功在爱神星降落；“黎明号”分别从2011年和2015年开始对小行星带内质量最大的两个天体灶神星和谷神星进行了探测；“隼鸟号”和“隼鸟2号”分别于2005年和2019年在糸川小行星和龙宫小行星完成采样并返回地球。左图为“黎明号”拍摄的灶神星南极附近区域照片；右图为“隼鸟2号”的返回舱。

主带内最大和最亮的小行星

小行星带内最大的小行星是哪颗呢？候选者是2号小行星智神星（左图）和4号小行星灶神星（右图），两颗小行星的直径都超过了500千米，三维分别是582千米×556千米×500千米、572千米×557千米×446千米，可以看出灶神星长得更为椭圆一些。平均直径上智神星是544千米，灶神星是525千米，智神星小胜，也就是说从体积上看智神星更大一些。然而灶神星要比智神星重约23%，因此从质量上看灶神星更胜一筹。

虽然谷神星是小行星带内体积最大的天体，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阳光，最大视亮度只有约6.7等，所以我们在地球上是无法通过肉眼直接看到它的。而同在2.77天文单位轨道处的智神星反照率约为0.16，最大视亮度约6.4等，比谷神星大不少。而小行星带内最明亮的天体当属灶神星，不仅轨道半径只有2.36天文单位，反照率更是高达0.42，它最亮时可以达到5.1等，甚至不需借助望远镜就可以看到。2022年8月25日，灶神星将会抵达冲日的位置，预计此次冲日灶神星最大亮度约为5.9等。

探测器首次登陆的小行星

2000年2月14日，尼尔-舒梅克号探测器成功进入爱神星环绕轨道，进行为期1年的探测，轨道高度最近时只有5.3千米。如此近的距离，使人类第一次看清楚这颗长相奇特的小行星。爱神星的外形犹如一枚马铃薯，大小为13千米×13千米×33千米。2001年2月12日，“尼尔-舒梅克号”在爱神星南部地区着陆，这是人类探测器首次成功登陆小行星。爱神星的表面温度在-150℃～100℃之间，密度与地球地壳相当，布满表面的石块被认为是约10亿年前一次撞击带来的。在爱神星上还有两座环形山分别以贾宝玉和林黛玉的名字命名。图为“尼尔-舒梅克号”拍摄的爱神星。

拥有卫星的小行星

1993年，伽利略号探测器在飞向木星途中偶遇243号小行星艾达。艾达是一颗不规则的椭球形小行星，大小为54千米×24千米×15千米。第二年，“伽利略号”任务科学家在检查传回的照片时意外发现了艾达的卫星（左图），后被命名为艾卫一。艾卫一大小为1.6千米×1.4千米×1.2千米，近似球形。这是人类首次发现小行星的卫星。

87号小行星林神星是一颗直径超过300千米的小行星，早在1866年就已经被发现。2001年，天文学家发现了一颗直径约18千米的小行星围绕林神星公转。2005年，林神星第二颗卫星被发现，这颗卫星直径只有7千米。这是人类首次发现拥有2颗卫星的小行星。右图为艺术家笔下描绘的林神星及其卫星。

中国土地上发现的第一颗小行星

1874年，美籍加拿大天文学家沃森率领的金星凌日考察队来到北京进行金星凌日观测。当年10月10日，他在使用一台5英寸口径望远镜进行观测时，在双鱼座天区内发现一颗亮度只有11等的天体，这颗天体在恒星背景中缓慢的逆行。经过计算，沃森发现这是一颗轨道位于小行星带内的小行星。小行星发现之后，负责管理钦天监和算学事务的恭亲王奕将这颗小行星命名为“瑞华”星，意为中华吉祥之星。沃森在他的观测报告中将“瑞华”星翻译为当时尚未标准化的拼音“Juewa”。上世纪70年代，翻译人员曾误将“Juewa”翻译成“九华”星，直至2017年才重新更正回“瑞华”星。图为美国海军天文台资料截图。

小行星带是太阳系内小行星最为集中的区域，但它也会受到其他大行星的影响，尤其是在木星这颗太阳系内体积最大、质量也是最大的大行星引力作用下，小行星带天体的分布才会变成今天这个样子。下期我们将介绍位于木星轨道附近，与木星共用轨道的特洛伊族小行星。