關於你想知道的灶神星

新聞 07-28

原標題：關於你想知道的灶神星

「

灶神星（4 Vesta）是小行星帶第二大的天體，只有身為矮行星的穀神星（Ceres）比它大一些。作為天空中最明亮的小行星，灶神星偶爾能在地球上肉眼可見。它是第一個被飛行器探訪的小行星——黎明號於2011年環繞它，為我們提供了關於這個岩質世界的新視角。

找到的不是行星是小行星！

在1956年，發現行星軌道是橢圓形的時候，約翰尼斯·開普勒同時也逐漸開始相信在火星和木星中間，應該有一顆行星。這個預測之後於1772年被約翰·丹尼爾·提丟斯（Johann Daniel Titius）和約翰·埃勒特·波德（Johann Elert Bode）的數學計算進一步支持——也就是大名鼎鼎的提丟斯-波德定律（有時簡寫為波德定律）。後於1798年8月，一個名為「天體警察（Celestial Police）」的組織成立，搜尋這顆「丟失的恆星」。德國天文學家海因里希·奧伯斯（Heinrich Olbers）在這個團隊中，發現了智神星——第二大的小行星。在他寫給另一位天文學家的信中，他提出了第一個關於小行星起源的理論。在信中他寫到，「有沒有可能穀神星和智神星都只是一個曾經在火星和木星軌道中間存在過的更大的行星的碎片？」

波德定律和實際行星分布距離（從圖中我們可以看到波德定律對海王星和冥王星的預測誤差其實相當大）

圖片來源：http://blog.onlycollege.com.cn/batch.download.php?aid=48523

奧伯斯認為，這些行星碎片應該會起源於行星爆炸的那個點，同時它們的軌道方向互相相反。他隨後每夜觀測那兩片天區，然後於1807年3月29日發現了灶神星，從此他成為了歷史上第一位發現兩個小行星的人。

通過幾個觀測條件良好的晴夜的觀測確認，奧伯斯把他的結果寄給了卡爾·弗雷德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss），後者僅僅用了10個小時就把智神星的軌道計算出來了。同時，奧伯斯得到了給這顆新發現的小行星命名的機會——他選擇了Vesta（灶神星），也就是Ceres（穀神星）的姐妹，羅馬神話中掌管健康和維斯塔聖火的女神。

灶神星的小檔案

灶神星的特別之處在於，它的表面有著明暗不一的斑塊，像極了我們的月球。從地面的觀測數據來看，這顆小行星表面有玄武岩，這意味著火山熔岩曾經從它的表面流過。它的形狀有些不規則，大約是一個扁球體的樣子。

· 直徑：530km

· 質量：2.67*1020 kg

· 表面溫度：85～255K（-188～-18℃）

· 反照率：0.4322

· 自轉周期：5.242時

· 公轉周期：3.63年

· 偏心率：0.0886

· 遠日點：2.57 AU

· 遠日點：2.15 AU

· 離地球最近的距離：1.14 AU

黎明號用它的分幅照相機於2011年7月17拍下了這張圖片。它拍攝於距灶神星15000km的位置，照片中的每一個像素對應了1.4km。

圖片來源: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

探索灶神星

當灶神星於1996年接近地球的時候，哈勃望遠鏡繪出了它的表面地形和特徵。哈勃望遠鏡在它的南極附近發現了一個大環形山，其山谷走勢甚至延伸到了灶神星內部。

這個環形山的平均直徑約460km——然而有一點要注意的是，灶神星的直徑只有530km。環形山的存在使環形山內部的地表下降了13km，這很有可能由於小行星早期形成時的一次碰撞導致的。在那次碰撞中濺出的物質形成了軌道在灶神星附近小一些的小行星——灶神星族——以及最終撞進地球的隕石。

根據黎明號收集到的數據繪製出的關於灶神星南半球撞擊坑Rheasilvia的三維透視圖

圖片來源：NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/PSI

與其它小行星不同的是，灶神星的內部是有分層結構的。像岩質行星一樣，這顆小行星有著一層由冷卻岩漿構成的外殼、岩質地幔以及鐵鎳內核。這一特徵為定義灶神星為一顆原行星而不是小行星提供了有效的論據。

灶神星的內核在太陽系形成後的一千萬年中迅速成長，之後它的玄武岩外殼在幾百萬年間同樣增長迅速。起源於地幔運動的火山活動充斥著小行星各處，時長持續8～60小時不等，流出的火山岩可以流至幾百米至幾千米的距離，厚度在5～20米之間。流出的岩漿會很快冷卻，然而隨即又被更多的岩漿所覆蓋，直至形成一個完整的岩漿外殼。黎明號探測器測量出灶神星的內核大概有它總質量的18%，在同一比例下也就相當於地球內核質量的2/3。

灶神星在太陽系中的相對位置模擬圖

圖片來源： SKYSAFARI

其實，如果沒有木星的干擾，灶神星很有可能已經是一顆行星了。在小行星帶中，木星的引力把小行星們攪得翻天覆地，於是它們很難聚合在一起形成一個大的行星。小行星帶中天體們的速度非常大，而速度越大也就意味著它們越難在自身引力的作用下聚合在一起。

1960年，一個火球從天而降，落在了澳大利亞的Millbillillie——它是一塊灶神星的碎片。它主要由輝石組成，也就是岩漿流的主要成分，這塊隕石的光譜信息和灶神星是一樣的。

在2012年黎明號拜訪它的時候，發現了這顆小行星的表面有著大量的氫。黎明號還發現，那些高度反光的區域很可能是它誕生以來就有的。科學家們分析這種反光的物質起源於灶神星內部，並且自從40億年前灶神星誕生以來並沒有經歷什麼變化。

在灶神星的南極點上，有一座巨大的山。這座山高約20km，高度接近火星上高約24km的奧林匹斯山，也就是太陽系內最高的山（火山）。

黎明號得到的數據繪製出灶神星南極的Rheasilvia撞擊坑，上方是模擬圖，下方是地形圖

圖片來源： NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/PSI

小行星表面曾經有液態水流過。黎明號探測器對於灶神星上8個不同的撞擊坑拍下的照片顯示了上面彎曲的山壑和扇形沉積物。這8個撞擊坑都被認為是在過去的近幾億年內形成的，這對於這樣一顆45億歲的小行星來說算是非常年輕的傷疤了。

「大家並不是想要尋找灶神星上有液態水的證據——它的表面非常冷並且沒有大氣層，所以水在它的表面上會直接蒸發。」這項研究的主要作者詹妮弗·斯考利（Jennifer Scully）在一次NASA的聲明中說，她是UCLA的博士後研究員。「然而，我們發現灶神星是一顆非常有趣且複雜的天體。」

斯考利和她的團隊認為，灶神星的山谷可能是由於泥石流而不是擁有純凈水的河流和小溪造成的。他們認為，當隕石撞擊灶神星的時候會使地表下一部分沉積的冰融化，從而使液態水混合著小的岩質顆粒順著隕石坑流下。這樣的地質活動暗示了灶神星的地表下有冰的存在。

「如果現在冰還存在於灶神星上，那它們應該被埋在很深的地下以至於黎明號根本探測不到。」斯考利說，「但是那些內部有彎曲的山谷的撞擊坑通常是和凹凸不平的地表聯繫在一起的，這同時是一個表明灶神星上可揮發氣體流失的證據。」

圖片右側的光滑區域表明了灶神星表面可能有被撞擊而帶到小行星表面的冰

圖片來源：Elizabeth Palmer/Essam Heggy

冰很有可能在灶神星上起到了修整表面的作用。2017年的一項研究指出，小行星上比較光滑平整的斑塊通常顯示出較高的氫含量，而這些氫往往是來源於被太陽輻射照射而分解的水分子。在碰撞中，埋在地下的冰會因碰撞溫度升高而融化，於是會順著裂縫到地表上來。

黎明號同時還在灶神星表面上觀測到了水合礦物（就是結構中含有水分子的礦物），這也可以說明地下冰的存在。這些水合礦物起源於更古老的地層，同時也可能是被太陽系內的其它物質撞擊在灶神星上帶來的。

一張低海拔地形圖現實了灶神星的豐富地質狀態。它的大環形山的中心山坡度很陡，在其自身引力的作用下，山上的岩層逐漸剝落，暴露出了山體中的其他物質。

黎明號的探測發現了不同種類的礦物，包括一些可以幫助我們探測地下冰的物質。

在灶神星的南部有一個巨大的環形山。圖片中左上的照片是哈勃空間望遠鏡的，右上是根據理論計算重組後的樣子，下方是一個地形圖。

圖片來源：

Ben Zellner (Georgia Southern University) / Peter Thomas (Cornell University) / NASA

來自灶神星的貴客

事實上，灶神星獨特的構成意味著它和一大類隕石有著密切的關聯——它早期的生命歷程都記錄在HED隕石中了（HED隕石是三種無球粒隕石的統稱，古銅鈣無粒隕石Howardites，倍長輝長無粒隕石Eucrites，古銅無球隕石Diogenites）。倍長輝長無粒隕石是從冷卻的岩漿中形成的，古銅無球隕石形成於灶神星地表下，而古銅鈣無粒隕石是上述兩種的結合體，在足夠強烈以至於把上述兩種物質混合在一起的碰撞中形成。

降落在澳大利亞Millbillillie的那塊隕石的切片

圖片來源：https://www.amnh.org/exhibitions/permanent-exhibitions/earth-and-planetary-sciences-halls/arthur-ross-hall-of-meteorites/building-planets/vesta/chips-off-an-old-rock/millbillillie

自1970年以來，灶神星一直被認為是HED隕石的來源，這個猜想仍有一些爭議。黎明號的繪圖分光儀為這一假設提供了有力的證據。黎明號的團隊認為HED隕石來源於灶神星的雷希爾維亞盆地Rheasilvia，這個名字是根據古羅馬女祭司希爾維亞命名的。雷希爾維亞盆地直徑約460km，大小近乎於灶神星本身。它非常可能形成於一次大的撞擊，使南半球的外殼被剝離掉露出灶神星的內部。

在這次撞擊中，灶神星被撞得近乎破碎——撞擊在灶神星赤道附近上留下了同心圓狀的裂縫。

如果灶神星的軌道在火星之外，它的碎片是怎麼抵達地球的呢？灶神星的碎片每公轉三圈會穿過木星，利用木星強大的引力給它們加速。這樣的牽引力可以使碎片旋轉至朝向地球的方向並最終撞上地球。

因此，灶神星成為了科學家們有隕石標本的三個已知來源中的其中一個。另外兩個是月球和火星。

人類對它的探索歷程

NASA於2007年9月發射了黎明號小行星探測器，它是第一個進入小行星帶探測先後兩顆小行星的人類探測器。黎明號先是於2011年7月繞灶神星旋轉，然後於2015年3月飛向穀神星。

NASA黎明號探測器的任務是探測這兩顆截然不同的小行星從而研究早期太陽系的特徵。穀神星較為濕潤，有著隨季節變化的極地冰冠，並且它很有可能有薄薄的大氣。與它相反的是，灶神星是一顆乾燥的岩質小行星，通過研究它特殊的光譜特徵，也可以幫助我們理解我們的地球以及火星和水星。

從它們的大小來看，他們應該被看作原行星——大塊頭木星的引力干擾了它們成長為真正的行星。如果這個氣態巨行星不在的話，它們很有可能會繼續進化成足夠大小的行星。