谷神星探秘

劉聲遠

谷神星全貌（2015年拍攝）。

谷神星參數

遠日點4.46億千米

近日點3.83億千米

軌道周期4.61地球年

平均軌道速度17.905千米/秒

體積4.34億立方千米

平均直徑939.4千米

表面積277萬平方千米

平均密度2162克/厘米³

赤道表面引力0.029g

赤道自轉速度92.61米/秒

表面平均溫度-118攝氏度

科學家2020年8月11日宣布，美國宇航局“黎明號”航天器（以下簡稱“黎明號”）讓他們得以近觀矮行星谷神星。到2018年10月“黎明號”任務結束時。這艘航天軌道器已經下降到谷神星表面上空不到35千米，由此揭示了谷神星表面那些神秘明亮區域的新細節。

此前，科學家已經預料到這些明亮區域大多由碳酸鈉組成。這些碳酸鈉很可能來自從谷神星地下上升至地表的液體，這些液體蒸發后留下一種具有高反射性的鹽殼。但科學家之前尚未確定這些液體來自哪里。通過分析“黎明號”在其任務期末采集的數據，科學家現在得出結論：這些液體來自谷神星地下深處的鹽水庫。通過研究谷神星的引力，科學家得以了解有關谷神星內部結構的更多信息，并且確定了這個鹽水庫位于谷神星地下大約40千米深度，直徑為幾百千米。因此，有科學家認為谷神星存在地下海洋。

外太陽系的一些含冰衛星之所以有內部熱量，是因為它們與一顆大行星之間有引力交互，但谷神星并非如此。在最新研究中，科學家通過聚焦谷神星表面直徑達92千米的刻瑞斯隕石坑，證實了谷神星像其他含冰天體一樣富含水，還發現了刻瑞斯隕石坑中存在的地質活動。總之，“黎明號”取得的一系列大發現遠遠超出了科學家對它的期望，而它在任務期快要結束時更是成就斐然。

明亮之謎

在“黎明號”于2015年到達谷神星之前，科學家已經通過望遠鏡注意到了谷神星表面有一些明亮區域，但不了解它們的性質。在靠近谷神星的軌道中，“黎明號”抓拍了刻瑞斯隕石坑內部兩個具有高反射性的區域（分別為賽瑞利亞和維拉利亞）的多幅圖像。

科學家知道，微隕星經常撞擊谷神星表面并留下撞擊產物。隨著時間推移，這應該會導致谷神星表面那些古老的明亮區域變暗。因此。今天見到的這些明亮區域應該還很年輕。那么，這些區域是怎么產生的？其地質材料為什么會這么新？這是2017～2018年“黎明號”延伸任務期的主要關注點。通過研究“黎明號”在此期間的探測數據，科學家證實了這些明亮區域果然年輕（其中一些形成至今還不到200萬年），并且發現導致反射性物質沉積的地質過程可能仍在進行。他們的關鍵依據是集中于賽瑞利亞區域的鹽化合物。

在谷神星表面，含水的鹽會在幾百年內迅速脫水。但“黎明號”能發現賽瑞利亞區域的含水鹽，說明這些水是最近才上升至地表的。這不僅能證明刻瑞斯隕石坑地下有水，而且能證明谷神星地下物質仍在上升到表面?？茖W家發現了在賽瑞利亞區域讓地下液體到達表面的兩種主要途徑：一是，大量鹽由剛好位于地面下的冰融化成的水提供，冰融是因為在大約200萬年前隕石坑形成時產生的熱量，但這種熱量在200萬年中逐漸減少;二是，撞擊產生的大型裂縫可深入到地下深處長期存在的鹽水庫，從而讓鹽水能上升到表面。

谷神星表面的明亮區域。

活躍地質

在太陽系中，涉及冰的地質活動主要發生在含冰衛星上，由衛星與其母行星之間的引力交互推動。但讓地下鹽水上升至谷神星表面的運動卻非如此，這說明雖然富含冰，但并非衛星的天體也可能活躍。

刻瑞斯隕石坑中最近存在液體的證據既來自明亮沉積物，也來自谷神星極地受壓地下水到達地表后凍結而形成的多座錐形小冰丘。這是首次在矮行星上觀察到這樣的冰丘，而這種冰丘之前在火星上被發現過。在對“黎明號”探測數據的最新研究中，科學家還首次對谷神星地殼各層的密度進行了繪圖。通過引力測量，科學家發現谷神星地殼密度隨著深度明顯增加，但這并非僅僅是由于壓力作用。科學家推測，在谷神星地下鹽水上升到地表的同時，鹽和泥不斷融入地殼的低層。

由于谷神星表面存在有機物，地下存在液體，因此有科學家認為谷神星上可能存在生命。無論是否如此，行星保護規則都要求讓“黎明號”（2018年10月31日，“黎明號”的肼燃料被耗盡）最終進入一個長周期穩定軌道，目的是避免“黎明號”撞擊谷神星。

谷神星表層土（浮土）中氫濃度。藍色表示氫濃度較高，因而表明水冰的存在。

谷神星內部結構（從表面向下依次為）：由冰、鹽和水合礦物構成的表層;包含鹽水的中間層;主要為含水巖石的核心部分。

之前觀測

在“黎明號”任務之前，谷神星表面只有一些特征被清晰探測到。1995年，由哈勃空間望遠鏡拍攝的高解析度紫外系列圖像顯示出谷神星表面的一個暗斑，它被戲稱為“皮亞齊”（發現谷神星的意大利天文學家），而且被認為是一個隕石坑。后來，由凱克望遠鏡運用自適應光學技術拍攝的更高解析度的近紅外系列圖像，顯示出谷神星表面隨谷神星自轉而移動的多個明亮和黑暗地貌。其中兩個黑暗地貌為圓形，它們被認為是隕石坑，其中一個的中心有一個明亮區域。哈勃空間望遠鏡在2003和2004年拍攝的可見光系列圖像，顯示出谷神星表面的11個可識別地貌，但它們的性質當時未被確定。

“黎明號”發現谷神星表面密布隕石坑，但隕石坑總數不及預測的多，這可能是由于谷神星過去的地質活動所致。谷神星表面超出預計數的大量隕石坑都有中心坑，許多隕石坑中還有中央峰，這可能是由冰火山活動造成的。谷神星表面有一座顯眼的高山，它看起來是一座冰火山，而且它沒有什么隕石坑，這說明它的年齡不超過幾百萬年。電腦模擬表明，谷神星表面原本有多座冰火山，但由于黏性松弛效應，如今它們已不可辨識。

谷神星表面的一座5000米高山。

刻瑞斯隕石坑中的第5號明亮區域。

“黎明號”觀測到了谷神星表面的多個明亮區域，其中最亮的5號區域位于直徑80千米的刻瑞斯隕石坑中心。從“黎明號”在2015年4月拍攝的谷神星系列圖像可以看出，亮度第二的區域實際上由可能多達10個明亮區域組成。這些明亮地貌的高反射率可能是因為地表的冰或鹽。5號區域上空周期性出現模糊云團，這可能支持一種猜想：明亮區域的形成是由于某種類型的放氣或冰的升華作用。2016年3月，“黎明號”在刻瑞斯隕石坑表面發現了水分子的確鑿證據。

發現故事

谷神星是主小行星帶（位于火星軌道和木星軌道之間）中最大的天體，是最大的小行星和海王星軌道內唯一的矮行星，是海王星軌道內大小排名第25的太陽系天體。

1772年，德國天文學家波德首次提出：在火星軌道和木星軌道之間可能存在一顆尚未被發現的行星。早在1596年，德國天文學家開普勒就已經注意到了火星與木星之間的空白地帶。波德的猜測是基于在1766年首次提出、如今已被否定的提丟斯-波德定則。波德通過觀察發現已知行星的軌道大小有規律，而且這一規律只被火星與木星之間的空白破壞。根據該規律可以預測：這顆尚待發現的行星的軌道半徑接近2.8天文單位（1天文單位≈1.496×10⁸千米）。1781年，德國天文學家赫歇爾在接近預測的距離發現了位于土星軌道外的天王星，這在當時增強了人們對提丟斯一波德定則的信心。1801年，兩名意大利天文雜志編輯致信24位天文學家，請他們共同努力去發現波德所預測的那顆未知行星。雖然他們并未發現谷神星，但后來發現了多顆較大的小行星。

谷神星在火星與木星之間的軌道中運行。谷神星軌道位于小行星帶以內，但更靠近火星軌道。谷神星的軌道周期為4.61地球年，軌道中度傾斜并中度偏心。這組圖中顯示的是谷神星的軌道（藍色）和多顆行星的軌道（白色及灰色）。位于黃道（指地球環繞太陽運行的公轉軌道所在平面）下面的軌道部分顏色更深，橘紅色加號指代太陽的位置。左上圖顯示的是谷神星在火星和木星之間的位置。右上圖顯示的是谷神星和火星的近日點（q）及遠日點（Q）。在這幅圖中，火星近日點位于太陽的一側，而谷神星及多顆較大的主帶小行星（包括智神星和健神星）的近日點位于另一側。下圖為側視圖，它顯示的是與火星和木星軌道相比之下的谷神星軌道傾斜情況。

這24名天文學家中包括意大利天文學家皮亞齊。實際上，在他接到發現未知行星的邀請之前，他就已經在1801年1月發現了谷神星。不過，當時他要尋找的是一顆恒星，卻未料到自己發現的是一顆疑似的彗星。皮亞齊總共觀測了谷神星24次。最后一次是在1801年2月11日，之后他因生病而中斷觀測。1801年1月24日，他在給兩位天文學家——波德和奧里亞尼意大利天文學家的信中宣布了自己的這一發現。他在信中說，自己發現的是一顆彗星，但“因為它的運動緩慢且相當規則，所以我又多次想到它不該是一顆彗星”。1801年4月，皮亞齊把自己對這顆疑似彗星的完整觀測情況發給了奧里亞尼、波德和法國天文學家拉朗德。1801年9月，皮亞齊的這一發現被發表在天文學刊物上。

到這時，谷神星的視位置已經改變（基本上是由于地球的軌道運動），谷神星受耀眼陽光的影響而幾乎不可見。因此其他天文學家無法證實皮亞齊對谷神星的觀測。1801年末，谷神星再度可見，但經過這么長的時間后難以準確判斷其位置。為了再次找到谷神星，當時年僅24歲的德國數學家高斯研發出了一個確定軌道的有效方法。僅花了幾周時間，他就預測了谷神星的路徑，并將此發給了德國天文學家扎克。1801年12月31日，扎克和另一位德國天文學家奧伯斯在預測位置附近重新發現了谷神星。

講述谷神星發現故事的皮亞齊著作。

歸類之爭

這些對谷神星的早期觀測者只能算出谷神星的大概大小。有人在1802年估計的谷神星直徑為260千米，1811年則有人估計這個直徑為2613千米。

皮亞齊最初提議給自己發現的“彗星”命名為賽瑞爾·費迪南迪，這是依據羅馬農業女神賽瑞斯（意大利文發音為“賽瑞爾”。賽瑞斯被認為起源于意大利的西西里，那里有最古老的賽瑞斯神廟）和西西里國王費迪南德。然而，“費迪南迪”這個名稱不被其他國家接受，因此皮亞齊的提議被否。最終，這顆“彗星”被稱為谷神星（賽瑞斯）。

四顆小行星（示意圖）。

天文學家對谷神星的歸類經過多次變更，這方面一直存在爭議。波德相信，谷神星就是他認為存在于火星和木星之間的那顆“迷失的行星”。半個多世紀里，谷神星一直被列為一顆行星。但隨著在谷神星所在區域發現其他天體，天文學界意識到谷神星代表著一類新天體。1802年，智神星（小行星2號）的發現讓赫歇爾為這類天體提出了“小行星”這個術語。當時他寫道：“這些天體很像是小恒星，以至于哪怕用最好的望遠鏡也很難把這兩者區分開?！钡搅?860年前后，像谷神星這樣的小行星與大行星之間的本質區別被天文學界普遍認可，但對“行星”的精確定義仍未形成。

2006年，圍繞冥王星地位和行星界定的爭論導致谷神星被重新考慮定位成一顆行星。當時提出的行星定義是：行星必須有足夠的質量，從而通過自身引力讓自己成為近似圓球形;行星必須環繞恒星運動，但行星既不是恒星也不是行星的衛星。如果該提議被接受，那么谷神星就是距離太陽第五近的一顆行星。然而，國際天文學聯合會在2006年8月24日修改了行星定義，附加了一個條件：行星軌道附近不能有其他天體。根據這一點，谷神星不是行星，因為它與小行星帶中的其他數千顆小行星共享一個區域，而且谷神星只占小行星帶總質量的25%。像谷神星這樣滿足前兩個條件但不滿足第三個條件的天體，最終被歸類為矮行星。不過，矮行星還同時擁有第二個身份——小行星。

谷神星觀測的部分里程碑

1984年11月13日在墨西哥、美國和加勒比海地區觀測到谷神星對一顆恒星的掩蔽現象（掩星）。

1995年6月25日哈勃空間望遠鏡拍攝了谷神星的紫外系列圖像，解析度為50千米。

2002年凱克望遠鏡拍攝了谷神星的紅外系列圖像，解析度為30千米。

2003和2004年哈勃空間望遠鏡拍攝了谷神星的可見光系列圖像，解析度為30千米。這是在“黎明號”任務之前對谷神星拍攝的最佳圖像。

2012年12月22日在中國、俄羅斯和日本的部分地方，天文學家觀測到谷神星對一顆恒星的掩星。

在地球上拍攝到的質量最好的谷神星照片。

2014年天文學家發現谷神星有很稀薄的大氣層（也稱外逸層或外大氣層），該發現被赫歇爾空間望遠鏡證實。

2015年“黎明號”接近并環繞谷神星，在此期間向地球傳回細節圖像和大量科學數據。