來著天文學家的新年獻禮

人類發現第一顆小行星那天，正好是元旦節，萬民狂歡的日子。

所謂小行星，是指太陽系內環繞太陽運動，體積和質量比一般行星小得多的天體。太陽系中的小行星主要集中在火星和木星之間的小行星帶。目前，小行星或彗星撞擊地球是天文迷們最關注的天文問題之一。

太陽系內數不清的小天體構成了龐大的小行星帶（網路圖）

據天文學家統計，太陽系內約50萬顆小行星像九大行星一樣繞著太陽公轉。目前登記在冊的小行星超過8000顆，而這個數字仍以每年上百顆的速度增長。毫無疑問，必定還有成千上百的小行星由於太小而無法在地球上觀察到。

故事就從那個元旦節說起。

「這顆星星正好在提丟斯-波得定則推算的範圍內，不像彗星，也不是大行星。到底是什麼？」

公元1801年1月1日晚上，義大利城鄉的百姓家都點著熊熊的爐火，圍在桌邊，享受著節日的快樂。然而，在西西里島的巴勒莫天文觀測台里，五十多歲的朱塞普·皮亞齊台長孤獨地工作著。他一邊用天文望遠鏡觀測星空，一邊自言自語。皮亞齊本是西厄汀教堂的修道士兼牧師，也是巴勒莫學院的數學教授，還是一名出色的天文學家。在所從事的工作中，他最喜歡的還是天文學。要不怎麼會放棄與家人共渡節日，把自己關在冰冷的天文觀測台里呢？

朱塞普·皮亞齊（GiuseppePiazzi，1746—1826）

皮亞齊所說的提丟斯-波得定則，又稱「波得定則」，是當時世界天文學界關於太陽系中行星軌道的簡單幾何學規則。此規則於公元1766年由德國中學教師戴維·提丟斯發現，後被柏林天文台台長約翰·波得（注一）歸納成一個經驗公式。按公式推算，火星和木星之間有一個巨大的空隙，這個空隙里應該還有一顆天體，只是人類沒有發現而已。

波得將這一結果公佈於世後，天文愛好者們便全力尋找這個未被發現的天體。有趣的是，當時歐洲的天文學家們為此自發組織了世界上第一次國際性科研項目，在哥達天文台的領導下按全天空24個區進行觀測。20多年過去了，人們一無所獲。超級天文迷皮亞齊也加入這場「戰鬥」中。

「這個天體比火星運動慢得多，又比木星快得多。它要麼是一顆很小的行星，要麼是一顆彗星。」皮亞齊先確定這顆星在金牛座里，然後再核對旁邊的星圖，發現沒標註。根據天文學常識推斷，它應該不是彗星，因為彗星呈雲霧狀，移動速度很快且不均勻。但從體積上看，顯然不是大行星。

「難道它就是那個幽靈一樣的天體？」想到這裡，皮亞齊馬上把觀測結果詳細地記錄下來。

此後幾天晚上，皮亞齊繼續觀測，發現這個天體在觀測期內不斷變動位置。他近一步研究得知，這個天體正好位於距太陽距離為2.8天文單位（注二）處，與「波得定則」預言相符。

原來，提丟斯-波得定則規定，從水星開始，對應天體距離太陽的天文單位數，.其實是一個數列的數字：4、4+3、4+6、4+12、4+24、4+48、4+96、4+192、4+384。用數學語言來表示，就是每項第一個加數為4，次加數是前一個次加數的2倍；最後把兩個加數相加再除以10。（前文數字對應的天體分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星）

欣喜若狂的皮亞齊寫信告訴波得，希望與他一起測定未知天體的軌道。遺憾的是，當皮亞齊想進一步努力時，一場重病不期而至。等到他恢復健康，再次回到天文望遠鏡面前，想尋找這個天體時，它卻不知所蹤。（後來才知道，此天體已公轉至太陽背面而無法觀測）

皮亞齊見觀測無果，便向世人公布結果，以期其它科學家證實這個天體就是天文學家們夢寐以求的幽靈行星。同時，他把這顆星稱為Ceres(古希臘中的穀類和耕作女神，亦是西西里島的穀粒美人），中文名穀神星（注三）。

穀神星和幾個小行星大小比較示意圖（中國宇航學會）

一石激起千層浪。皮亞齊的一紙報告讓歐洲天文學界嘩然，科學家們議論紛紛。有人認為他觀測到的是一顆彗星，不過沒看清楚罷了；有的認為他只有間斷的記錄，不足為憑；有的雖然支持他的說法，但苦於沒法確定穀神星下次出現的時間……

德國數學家高斯知道後，怦然心動。他想，如果穀神星有固定的軌道，豈不是通過數學算推測出它的軌道形狀，進而算出它何時出現在哪片天空？數學本就是天文學的基礎嘛！

數學天才高斯迎著世人懷疑的眼光，通過艱苦的運算，創立了行星軌道計算理論。在這理論中，他運用皮亞齊的觀測資料，得出穀神星最近會出現的確切天空位置。

奇蹟出現了。當年12月31日晚上，德國天文愛好者海因里希·奧伯斯（注四）送給皮亞齊一份「新年大禮」！他按照高斯的推算，準確地發現了穀神星。這個發現，不但是對高斯行星軌道計算理論的有力證明，也表明了皮亞齊一年前的辛苦沒有白費。綜合前人研究表明，穀神星不是彗星，而是一顆小型的行星。

穀神星軌道圖

公元1807年，就是在皮亞齊發現穀神星的第七個年頭，當時世界天文學界的泰斗，英國皇家天文學會首任會長威廉·赫歇爾（這位可是天文學的大牛，關於他和他傳奇的一家，請戳《赫謝爾家族的傳奇故事》）接到幾份報告，稱自己發現了比太陽系的大行星要小很多，但明顯不是恆星的天體。他把這些報告結果逐一排列，分別是：皮亞傑1801年發現的穀神星，奧伯斯1802年發現的智神星，1807年發現的婚神星和灶神星。

威廉·赫歇爾進一步研究得知，這些天體原來都是行星被毀壞後的殘餘物。由於它們的外觀類似恆星，號稱「恆星天文學之父」的威廉·赫歇爾就採用希臘文中的語根aster-（似星的）為其命名為asteroid，中文譯為小行星。從此，天文學裡增加了一個新名詞，天文學家們的研究領域也大大拓寬。

按此理論，皮亞齊是發現小行星當之無愧的第一人。後世的天文學家們沿著他的足跡，發現了一個小行星圈。為了紀念他的功勞，1923年，天文學家們把發現的第一千顆小行星命名為皮亞齊亞（意思是「皮亞齊星」）。

——1801年元旦的那個發現，可謂皮亞齊送給世人最好的新年禮物！

附圖：

人物小檔案：

朱塞普·皮亞齊，出生於義大利，是一名神父，也是一位天文學家。1779年在羅馬出任神學教授，一年後又在巴勒莫學院任數學教授。1790年於巴勒莫成立了官方天文台，並出任台長，後又在那不勒斯成立另一所官方天文台。以發現第一顆小行星聞名於世。

注釋：

一、 約翰·波得，德國天文學家。他一生的主要成就有三方面，一是提出了提丟斯-波得定則，二是把Uranus命名為天王星，三是還發現了M81星系，因而該星系被稱為「波得星系」。為紀念他對天文學所作的貢獻，月球一座環形山（北緯6.7°，西經2.4°，直徑18.0千米）以及第998號小行星都以其名命名，第998 號小行星也被命名為「波地亞」。

二、 天文單位，英文名AU，長度單位。曾經約等於地球跟太陽的平均距離，2012年國際天文學聯合會重新定義為一個常數。天文學中測量太陽系內天體之間距離的基本單位。1976年，國際天文學聯會把一天文單位定義為一顆體積可忽略、公轉軌道不受干擾而且公轉周期為365.2568983日（即一高斯年）的粒子與一個質量相等約一個太陽的物體的距離，值是149,597,870,691±30米（約一億五千萬公里或9300萬英里）。

三、 穀神星，太陽系中唯一一顆位於小行星帶的矮行星。據推測，它是一個分化型星球，具有岩石內核，地幔層包含大量冰水物質，水占穀神星體積的40%。穀神星還能通過太陽能獲得能量，因為它距離太陽僅2.8個天文單位。歐航局在《自然》雜誌上報告說，他們利用「赫歇爾」太空望遠鏡首次在穀神星上發現了水蒸氣，這些水蒸氣來自穀神星表面顏色較深的區域。水蒸氣冒出的具體原因可能有兩個：一是太陽照射使穀神星表面的冰被迅速加熱所致，二是穀神星內部仍有能量。科學家推測可能擁有液態水的海洋。

穀神星地表結構圖

四、 海因里希·奧伯斯，德國天文學家、醫生及物理學家。1802年發現並命名了智神星，5年後發現灶神星，1815年3月6日發現了一顆周期彗星。1826年，他提出了夜空為什麼是漆黑的疑問，人稱奧伯斯佯謬。