穀神星

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穀神星 Ceres symbol.svg
Ceres optimized.jpg
哈柏太空望遠鏡下的穀神星(先進巡天照相機拍攝),對比被增強以顯示表面的詳細資訊。
发现[1]
发现者 朱塞普·皮亞齊
发现日期 1801年1月1日
编号
MPC编号 穀神星(小行星1)
命名依据 刻瑞斯
其他名称 A899 OF; 1943 XB
小行星分类 矮行星
主帶
Adjective Cererian
轨道参数[2]
历元 2009年6月18日
JD 2455000.5)
远日点 446,669,320 km(2.9858 AU
近日点 380,995,855 km(2.5468 AU)
半长轴 413,832,587 km(2.7663 AU)
离心率 0.07934[2]
轨道周期 1680.5 
4.60 儒略年
平均速度 17.882 km/s
平近点角 27.448°
轨道倾角 10.585°[2](相對於黃道
9.20°(相對於不變平面[3]
升交点黄经 80.399°[2]
近日点参数 72.825°[2]
物理特征
赤道半径 487.3 ± 1.8 km[4]
半径 454.7 ± 1.6 km[4]
质量 9.43 ± 0.07×1020 kg[5]
平均密度 2.077 ± 0.036 g/cm3[4]
表面重力 0.27 m/s2
0.028 g[6]
逃逸速度 0.51 km/s[6]
恒星自转周期 0.3781 d
9.074170 h[7][8]
转轴倾角 about 3°[4]
北极赤经 19 h 24 min
291°[4]
北极赤纬 59°[4]
反照率 0.090 ± 0.0033 (幾何[9]
表面温度 最低 平均 最高
K ? ~167 K[14] 239 K[14]
光谱类型 C-型小行星[10]
视星等 6.7[11]至9.32[12]
绝对星等 (H) 3.36 ± 0.02[9]
角直径 0.84"[13]至0.33"[6]

穀神星(英語、拉丁語:Ceres),正式名稱第1號小行星穀神星(1 Ceres),是在太陽系內已知最大的小行星,並且是唯一位於主帶的一顆矮行星。它于1801年1月1日被朱塞普·皮亞齊發現[15],有長達半世紀之久的時間被稱為第8顆行星。它的名稱源自刻瑞斯,是掌管植物生長、收穫和慈愛的羅馬神

穀神星直徑大約950公里(590英里),是小行星帶中已知最大和最重的天體,它的質量佔小行星帶總質量的三分之一(32%)[16][17]。最近的觀測顯示它外表呈現球狀,这不同於其他較小且重力較低而呈現不規則形狀的小行星[9]。穀神星的表面可能是各種水冰和水合礦物(如碳酸鹽岩黏土等)的混合物[10]。穀神星也出現了分化,有岩石化的核心和以為主的地函[4],表面可能有在液態水海洋下形成的海灣[18][19]

從地球看穀神星,它的視星等在6.7至9.3之間變化着,這種光度太暗以致於不能用裸眼看見[11]。在2007年9月27日,NASA發射了黎明號太空船前往探測灶神星(2011年7月抵達)和穀神星(預計2015年抵達)[20]

發現[编辑]

1772年,约翰·波得最先提出在火星木星之間可能有一顆未知行星的猜测[15],这主要是根據約翰·丹尼爾·提丟斯1766年提出的提丟斯-波得定則。當時觀察到已知的行星軌道半長軸长度之间有某种规律,但在火星和木星之間廣大的空隙卻破壞了這個规律[15][21]。這個模式預測有一顆軌道半長軸為2.8AU的行星失蹤了[21],而威廉·赫歇爾在1781年發現的天王星[15]接近提丟斯-波得定則所預測在土星軌道外下一顆天體的位置。因此,他們在1800年邀請當時知名的24位有經驗的天文學家,共同規劃有條不紊的來搜尋這顆建議中的星球[15][21]。這個團隊由Monatliche Correspondenz的編輯弗朗茲·馮·札奇(Franz Xaver von Zach)領導,雖然沒有發現穀神星,但稍後他們發現了幾顆較大的小行星[21]

皮亞齊的書描述穀神星的發現

皮亞齊是在西西里巴勒莫受邀參加搜尋工作的天學家之一,但是在他回覆同意接受邀請加入這個團隊之前,皮亞齊已經于1801年1月1日發現了穀神星[22]。当时他在搜尋拉卡伊87,因為它沒有出現在拉卡伊的黃道星表所列出的位置上[15]。在这颗恒星的位置上,皮亞齊發現了一顆像恆星的會移動天體,起初他認為是一顆彗星[23]。皮亞齊總共觀測了穀神星24次,最後一次是1801年2月14日,他的觀測因為生病才中斷。他在1801年1月24日公布了此一發現,但只是寫信通知了兩位天文學家:他在米蘭的同胞巴爾納巴·奧里亞尼與柏林約翰·波得[24]。他在報告中說這是一顆彗星,「但是它的運動非常緩慢而且均勻,它讓我數度想到應該不是彗星,而更像是其它種類的天體」[15]。在4月,他將完整的觀測報告送給巴爾納巴·奧里亞尼約翰·波得和在巴黎拉朗德,這些資料都登載在1801年9月的《每月通訊》(Monatliche Correspondenz)[23]

不久之後,由于地球在軌道上的運動,穀神星的視位置有了明顯的改變,它的位置太靠近太陽的眩光中,所以其它的天文學家無法在當年結束之前確認皮亞齊的發現。然而,間隔了這麼久的時間,很難預測它確切的位置。為了再次找到穀神星,當時年僅24歲的高斯發展出了一種有效的方法測量軌道[23]。他將完整的三次觀測資料(時間、赤經赤緯),代入他自己暫定的克卜勒定律。在數學上,這意味著一個在空間中確定的圓錐曲線,將太陽當作圓錐曲線的一個焦點,和二次圓錐曲線上的三個交點(從地球視線的直線與本身運動的橢圓軌道交點),可以由經歷的時間測量行星在弧線上的移動(弧長可以依據克卜勒第二定律計算)。這個問題會導出一個至八個解的方程式,但其中的一個解,地球的軌道是已經知道的。而利用物理學的條件可以排除其餘的六個解,得到解決的方案。在這項工作中,高斯使用了他為此目地而創建的全面近似法[25]。只用了幾個星期的時間,他就完成路徑的預測,並送交給馮·紮克。在1801年12月31日,馮·紮克和歐伯斯 在接近預測的位置上找回了穀神星[23]

赫歇爾在1802年估計穀神星的直徑是260公里,約翰·希羅尼穆斯·施羅特(Johann Hieronymus Schröter)在1811年的估計則是2,613公里[26][27]

命名[编辑]

皮亞齊最初建議命名為刻瑞斯·費迪南多Cerere Ferdinandea),來源於羅馬神話中的穀物女神刻瑞斯兩西西里王國费迪南多國王[15][23]。但「費迪南多」不被世界上其他的國家接受,因此沒被採用。另外,該天體在德國曾被稱為「赫拉」,但為時不長[28]。在希臘,它被稱為Δήμητρα(得墨忒耳),是與穀神星相同意義的希臘文;但在英文的語法中,Demeter是另一顆小行星小行星1108的名字。形容詞的格式是Cererian[29]或是罕用的Cererean[30],是從拉丁文所有格 Cereris轉換的[31]。穀神星的符號是一把鐮刀穀神星的符號是變形的鐮刀),與金星的符號相似(金星的天文學符號), 后者是象征女性的性別符號和維納斯手中的鏡子[23][32]。1803年發現的元素就是以穀神星的拉丁名稱Cerium命名的[33]。同样是在1803年發現的元素,起初也相依據穀神星來命名,但在鈰被命名之後,發現者改为依據在1802年第二顆被發現的小行星智神星來命名[34]

地位[编辑]

穀神星、地球和月球的比較圖[35]

穀神星的歸類已經變更過很多次,並且都是天文學家們的意見不和造成的。約翰·波得相信穀神星就是那顆在火星木星之間,距離太陽4.19億公里(2.8AU)的「失蹤行星[15]。穀神星被賦予一個行星的符號,在更多小行星被發現之前,穀神星(還有智神星婚神星灶神星)有將近半個世紀都以行星之名列在天文學的書表之中[15][23]

然而當其他的天體陸續在同一範圍內被發現,人們慢慢了解到穀神星只是許許多多相似類型天體的一位而已[15]威廉·赫歇耳在1802年創造小行星(類似行星的天體)這個名詞來稱呼這種天體[36],並寫道「它與行星們是如此的難區別,使用最好的望遠鏡也會以为是小行星」[37]。作為第一顆被發現的小行星,以現代的小行星編號系統被列為小行星1號穀神星[36]

在2006年,關於冥王星是不是「行星」的辯論,引發了穀神星是否也應被重新歸類為行星的問題[38][39]。在國際天文聯合會正式定義行星之前,行星曾被定義為「一個天體符合:(a) 有足夠的質量,能以自身的重力克服剛體力,因此能呈現流體靜力平衡的形狀(接近圓球體);(b)在軌道上圍繞一顆恆星公轉,而且不是一顆恆星行星衛星[40]。若依照這種定義,穀神星將會是從太陽系内侧按次序排列的第五顆行星[41]。但是,這个定义並沒有被接受,而且一個新定義於2006年8月24日生效:「一顆行星符合(a)和(b),而且必須將鄰近軌道上的天體清除」。根據這樣的定義,穀神星就不是一顆行星(因為它在小行星帶上的軌道佈滿了千千萬萬顆小行星),並且現在歸為「矮行星」(同時還有冥王星鬩神星),但並未說明它是否還是小行星的問題[42]。天文學裏也存在著小行星帶彗星這種雙重身份的天體,因此也不排除一顆矮行星可以有其它的名稱[43]

物理特性[编辑]

最早發現的10顆小行星和地球的衛星月球的比較。穀神星在最左邊。
哈柏太空望遠鏡在2003和2004年間拍攝的穀神星,解析度大約為30公里。亮斑的本質未能確定。

穀神星是在火星木星中間的小行星帶內最大的天體[10]古柏帶中包含著更大的天體,包括冥王星和它的衛星凱倫創神星厄耳枯斯,而屬於黃道離散天體鬩神星是所有小天體中最大的[44]

穀神星的質量可以分析它施加在其它更小的小行星上的影響力得知,但是不同的研究者得到的結果都稍有不同[45]。在2008年的三次最精確測量的平均值是9.4×1020 公斤[5][45]。谷神星的質量大約佔了太陽系內小行星總質量3.0 ± 0.2×1021 公斤的三分之一[46],而這總共大約是月球質量的4%。谷神星的大小和質量足以讓它的形狀接近球形[4],也就是說,他接近於流體靜力平衡。而其它的小行星智神星[47]婚神星[48]健神星[49],外形都是不規則的。

內部的結構[编辑]

康奈爾大學的彼得·湯馬斯提出穀神星有分異的內部[4],因為對一顆未分異的天體來說它的扁率是太低了。這表示它他有一個被含冰的地函包覆的岩石核心[4]。厚約100公里的地函(佔穀神星23-28%的質量,和約50%的體積)[50])包含2億立方公里的冰,這比地球上的淡水總量還要多[51],此一結果得到凱克望遠鏡在2002的觀測和演化模型的支持[5][18]。同樣的,在它的表面上也留下了一些歷史的痕跡(距離太陽是如此的遠,削弱了太陽輻射的影響力,使其在形成的過程中納入了一些低熔點的成分),穀神星的內部可能有揮發性物質[5]

另一方面,穀神星的形狀和大小或許可以解釋它內部的多孔性和只有部分的分異或是完全未分異。只有一層冰存在於岩石的基礎上,在重力上是不穩定的。如果有任何的岩石礦床陷入一層分異的冰中,將形成鹽類的沉積,而這些岩類是檢測不出來的。因此穀神星可能沒有一個很大的冰殼,取而代之的是多水的成分和低密度的小行星。放射性同位素的衰變也許不足以造成分異[52]

表面[编辑]

穀神星的表面成分大致上和C-型小行星相似[10],但是仍然存在著一些差別。穀神星的紅外線光譜顯示水合礦物是無所不在的,這顯示在內部存在著大量的水。其它可能存在表面的成分還有含量豐富的黏土彈性綠泥石)和碳酸鹽礦物(白雲石菱鐵礦),它們都是碳質球粒隕石中常見的礦物[10]。碳酸鹽和粘土的光譜特徵在其他C-型小行星裏通常都不會出現[10]。有時,穀神星會被分類為G-型小行星[53]

相對來說,穀神星的表面是溫暖的,在1991年5月5日它面向太陽一面的最高溫度曾經在測量中被估計为235K(約-38°C[14]。考慮到當時的日心距離,估計在近日點的最高温大約是239 K[原創研究?]

圖示顯示出穀神星內部可能的結構。

穀神星的表面只有少數的特徵被確實的觀測到。哈柏太空望遠鏡在1995年拍攝的高解析紫外線影像顯示在表面有一個暗斑,被暱稱為「皮亞齊」,以尊崇穀神星的發現者[53],這被認為是一個坑洞。之後,使用凱克望遠鏡調適光學觀察了完整的自轉,並獲得更高解析的近紅外線影像,顯示有一些明亮和黑暗的表面特徵會隨著這顆矮行星的自轉一起運動[5][54]。有兩個形狀是圓形的暗斑被假設是坑穴,而其中的一個被觀測到在中央有明亮的區域,而另一個被確認就是「皮亞齊」[5][54]。更多的特徵出現在2003年和2004年由哈柏太空望遠鏡拍攝的完整自轉照片上,顯示有11個可以分辨的表面特徵,但是目前還不清楚它們的本質[9][55]。這些特徵中的一個可以對應到較早之前觀測到的「皮亞齊」[9]

這些最後的觀測還確定了穀神星的北極指向天龍座的方向,在赤經 19 時24 分(291°),赤緯 +59°。這意味著穀神星的轉軸傾角非常小,大約只有3°[4][9]

大氣層[编辑]

有跡象顯示穀神星有著微弱的大氣層[56]。在距離太陽5AU之內,天体表面的水冰是不穩定的[57],所以當直接暴露在太陽輻射下時,它可以昇華。水冰可以從穀神星的深層遷移到表面,但是會在很短的時間逃逸。結果是,很難檢測到水氣的蒸發。在1990年代的初期,有可能觀測到水從穀神星的極地洩漏出來,不过没有办法證明。也可能在新撞擊火山口或是裂縫中檢測到逃逸出來的水蒸氣[5]國際紫外線探測衛星紫外線觀測显示在穀神星的北極檢測到在統計上有意義的氫氧化物,是由太陽輻射的紫外線分解水蒸氣的產物[56]

軌道[编辑]

穀神星的軌道

穀神星的軌道介於木星火星之間,位於小行星帶的主帶內,每4.6地球年繞行太陽一周。軌道有些傾斜(i = 10.6°,作比較的水星有7°,冥王星有17°)和離心率e = 0.08,作比較的火星是0.09)[2]

說明圖中呈現穀神星的軌道(藍色)和一些行星的軌道(白色/灰色),在黃道面下方的軌道使用較暗的顏色,並以橘色的加號表示太陽的位置。左上圖是從極點鳥瞰的圖,穀神星的軌道在火星和木星中間的空隙內;右上圖是特寫圖,標示出火星和穀神星的近日點(q)和遠日點(Q),火星的近日點與小行星帶主要的小行星,包括智神星健神星,分在太陽的兩側;下圖是顯示軌道傾角的透視圖,將穀神星和火星與木星的軌道比較。

在過去,穀神星曾經被認定是小行星家族中最大的小行星[58]。這一家族的小行星共享著相似的軌道元素,表示這些小行星有著共同的起源,是在某一段時間經過碰撞後形成的。但是,發現穀神星的光譜特性與家族中其他成員的不同,因此這個家族現在已經更名為吉菲昂族,是依據家族中序號最小的1272 吉菲昂命名的[58]。穀神星看來是這個家族的侵入者,恰巧有著相似的軌道元素,但來源是不同的[59]

穀神星的自轉週期(穀神日)是9小時4分[7]

從穀神星看行星凌日[编辑]

水星、金星、地球、和火星都是穀神星內側的行星,因此都會有凌日的現象。最常發生的是水星凌日,通常隔幾年就會發生一次,最近的是2006年和2010年。相應於金星的日期是1953年和2051年,對地球是1814年和2081年,火星則是767年和2684年[60]

起源和演化[编辑]

穀神星可能是尚存的原行星(萌芽期的行星),於45.7億年前在小行星帶中形成[61]。雖然大多數內太陽系的原行星包括所有(月球-火星大小的天體)不是和其他的原行星合併成為類地行星,就是被木星彈射到太陽系[61],穀神星相信是留存下來較為完整的[18](另一顆可能是原行星的是灶神星,它的體積更小,並在固化後曾遭受重大的撞擊,損失它自身~1%的質量[62]),一個替代的理論則認為穀神星形成於古柏帶,稍後才遷移到小行星帶[63]

穀神星的地質演化取決於形成期間和之後可用的熱源:來自微星吸積的摩擦力、各種不同放射性元素的可能包括短半衰期的元素(像是26Al)。這些被認為已足以使穀神星在形成後不久分異為岩石的核心和冰的地函[9][18]。這種過程可能導製表面被水火山地質構造重塑,消除了古老的地質容貌[18]。由於它比較小,穀神星會比較快的冷卻而有效的阻止導致早期地質結構重整的過程[18][19]。任何在表面上的冰都會逐漸昇華,留下各種的水合礦物,像是黏土碳酸鹽[10]

今天,穀神星似乎是一顆地質處於非活躍狀態的天體,表面可能只受到撞擊的影響[9]。大量的水冰存在於其組成內[4],使得穀神星內部可能有一層液態水的存在[18][19],這個假設的層或許可以稱為海洋[10]。如果有一層液態水存在,相信他會藉於古體的核心和冰地函之間,就像在理論上存在於歐羅巴的海洋一樣[18]。海洋的存在更有可能將溶質(即硫酸或其它的防凍劑等成分)溶解在其水[18]

觀測[编辑]

當穀神星在近日點附近衝時,它的視星等可以達到+6.7等[11],一般認為對裸眼來說這樣的光度還是太暗而難以見到,但視力特別銳利的觀測者可能可以看見這顆矮行星。穀神星在2012年12月18日的視星等可以達到+6.73等[12]。亮度可以達到這種程度的小行星還有灶神星智神星(在罕見的近日點衝)和虹神星[64]。穀神星在的時候光度是+9.3等,相當於使用10X50的雙筒望遠鏡可以看見的最暗天體。因此,當他在地平線上的任何時刻,只要天空夠黑暗,都可以用雙筒望遠鏡看見它。

觀察穀神星的一些值得關注的里程碑包括:

探測[编辑]

藝術家描繪下探測穀神星(右侧),灶神星和小行星帶的黎明號太空船。

迄今還沒有太空船曾經拜訪過穀神星。從在火星表面和軌道上環繞的太空船所發送的無線電訊號,觀察火星受到穀神星的運動所誘導的攝動,曾經被用來估計穀神星的質量。[46]

黎明號太空船被NASA在2007年9月27日發射,已經從2011年7月15日至2012年9月5日探測灶神星[67]然後它繼續前往穀神星。它計劃在2015年2月到達穀神星,将比新視野號太空船在到達冥王星之前早5個月。[20]因此黎明號將是第一個在近距離研究矮行星的探測任務。

執行這項任務的黎明號太空船將會先進入高度5,900公里的軌道環繞穀神星,經過5個月的研究之後,太空船會先將高度降低至1,300公里,然後再經過5個月才降至700公里[68]。這艘太空船攜帶的儀器包括框架相機、可見光和紅外分光儀伽瑪射線中子偵測儀。這些將用來審視這顆矮行星的形狀和元素豐度[20]

參見[编辑]

參考資料[编辑]

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星曆表[编辑]

外部鏈接[编辑]

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