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阅读 9737 次 历史版本 5个 创建者:又是一年芳草绿 (2009/12/25 14:16:57)  最新编辑:又是一年芳草绿 (2010/2/21 21:07:04)
小行星带
拼音:xiǎo xínɡ xīnɡ dài
英文:Asteroid belt
  小行星带,是太阳系内介于火星木星轨道之间的小行星密集区域,由已经被编号的120,437颗小行星统计得到98.5%的小行星都在此处被发现。18世纪末期,根据Titius-Bode规则的预测,在火星和木星之间应该还有一颗失落的行星。经过相当的努力,终于在1801年12月31日,确认了第一颗后来命名为谷神星 (1 Ceres) 的小行星。后来又陆续发现智神星 (2 Pollas)、婚神星 (3 Juno)……
主要的小行星带(以白色显示)位于火星和木星轨道之间

  小行星是由岩石金属组成,围绕着太阳运动的小天体。因为在比较上这是小行星最密集的区域,估计为数多达50万颗,所以这个区域被称为主带,通常就直接称为小行星带。

  小行星带由原始太阳星云中的一群星子——比行星微小的行星前身—形成。但是,因为木星的重力影响,阻碍了这些星子形成行星,并造成许多星子相互之间高能量的碰撞,于是清扫了这一区域,造成许多残骸和碎片。小行星绕太阳公转的轨道,继续受到木星的摄动,形成了与木星的轨道共振。在这些轨道距离——柯克伍德空隙——上的小行星,会很快的被清扫入其他不同的轨道内。

  在主带内的质量都集中在几颗最大的小行星上。在主带内最大的三颗小行星是智神星、婚神星和灶神星,平均直径都超过400 公里;在主带中只有一颗矮行星——谷神星,直径大约950 公里;其余的小行星都不大,有些甚至小到只有尘埃的大小。小行星带的物质非常稀薄,已经有好几艘太空船平安的通过而未曾发生意外。在主带内的小行星依照它们的色彩和主要的形式分成三类:碳质、硅酸盐和金属。小行星之间的碰撞可能形成拥有相似轨道特征和成色的小行星族,这些碰撞也是产生黄道光的尘土的主要来源。

发现历史


图右下角的小行星 Gaspra是伽利略号太空船,在穿过小行星带时所拍摄
  1766年德国天文学家提丢斯(J.Titius)偶然发现一个数列:(n+4)/10,将n=0,3,6,12,……代入,可相当准确地给出当时已知行星的轨道半径。这件事起初未引起人们的注意,后来柏林天文台的台长波德(J.Bode)得知后将它发表,乃为天文界所知。在1781年发现天王星之后,进一步证实公式有效,波德于是倡议在火星和木星轨道之间也许还有一颗行星。1801年,西西里和皮亚齐(G.Plazzi)在例行的天文观测中偶然发现在2.77 AU处有个小天体,即把它命名为谷神星(Ceres)。

  1802年,天文学家奥伯斯(H.Olbere)在同一区域内又发现另一小行星,随后命名为智神星(Pallas)。威廉·赫歇尔就建议这些天体是一颗行星被毁坏后的残余物。到了1807年,在相同的区域内又增加了第三颗婚神星和第四颗灶神星。由于这些天体的外观类似恒星,威廉·赫歇尔就采用希腊文中的语根aster- (似星的)命名为asteroid,中文则译为小行星。
谷神星的近影,这颗1000千米直径的星星距离太阳2.77个天文单位,在小行星带中是个大个头儿

  拿破仑战争结束了小行星带发现的第一个阶段,一直到1845年才发现第五颗小行星义神星。紧接着,新小行星发现的速度极速增加,到了1868年中发现的小行星已经有100颗,而在1891年马克斯·沃夫引进了天文摄影,更加速了小行星的发现。1923年,小行星的数量是1,000颗,1951年到达10,000颗,1982年更高达100,000颗。现代的小行星巡天系统使用自动化设备使小行星的数量持续增加。
发现第一颗小行星谷神星的皮亚齐

  在小行星带发现后,必须要计算它们的轨道元素。1866年,丹尼尔·柯克伍德宣布由太阳算起,在某些距离上是没有小行星存在的空白区域,而在这些区域上绕太阳公转的轨道周期与木星的公转周期有简单的整数比。柯克伍德认为是木星的摄动导致小行星从这些轨道上被移除。

  在1918年,日本天文学家平山清次注意到小行星带上一些小行星的轨道有相似的参数,并由此形成了小行星族。到了1970年代,观察小行星的颜色发展出了分类的系统,三种最常见的类型是C-型(碳质)、S-型(硅酸盐)和M-型(金属)。2006年,天文学家宣布在小行星带内发现了彗星的族群,而且推测这些彗星可能是地球上海洋中水的来源。

起源演化


  在太阳系形成初期,因吸积过程的碰撞普遍,造成小颗粒逐渐聚集形成更大的丛集,一旦聚集到足够的质量(即所谓的微星),便能用重力吸引周围的物质。这些星子就能稳定地累积质量成为岩石行星或巨大的气体行星。小行星带的形成之谜不知道何时才能破解。不过,越来越多的天文学家认为,小行星记载着太阳系行星形成初期的信息。因此,小行星的起源是研究太阳系起源问题中重要的和不可分割的一环。

  目前被认同的行星形成理论是太阳星云假说,认为星云中构成太阳和行星的材料,尘埃和气体,因为重力陷缩而生成旋转的盘状。在太阳系最初几百万年的历史中,因吸积过程的碰撞变得黏稠,造成小颗粒逐渐聚集形成更大的丛集,并且使颗粒的大小稳定的持续增加。一旦聚集到足够的质量—所谓的微星 —便能经由重力吸引邻近的物质。这些星子就能稳定的累积质量成为岩石的行星或巨大的气体行星。

  在平均速度太高的区域,碰撞会使星子碎裂而抑制质量的累积,阻止了行星大小的天体生成。在星子的轨道周期与木星的周期成简单整数比的地区,会发生轨道共振,会因扰动使这些星子的轨道改变。在火星与木星之间的空间,有许多地方与木星有强烈的轨道共振。当木星在形成的过程中向内移动时,这些共振轨道也会扫掠过小行星带,对散布的星子进行动态的激发,增加彼此的相对速度。 星子在这个区域(持续到现在)受到太强烈的摄动因而不能成为行星,只能一如往昔的继续绕着太阳公转, 而且小行星带可以视为原始太阳系的残留物。

  目前小行带所拥有的质量应该仅是原始小行星带的一小部分,以电脑模拟的结果,小行星带原来的质量应该与地球相当。主要是由于重力的扰动,在百万年的形成周期过程中,大部份的物质都被抛出去,残留下来的质量大概只有原来的千分之一。

  当主带开始形成时,在距离太阳2.7 AU之处形成了一条温度低于水的凝结点线—“雪线”,在这条线之外形成的星子就能够累积冰。 在小行星带生成的主带彗星都在这条线之外,并且是造成地球海洋的主要供应者。

  因为大约在40亿年前,小行星带的大小和分布就已经稳定下来(相对于整个太阳系),也就是说小行星带的主带在大小上已经没有显著的增减变化。但是,小行星依然会受到许多随后过程的影响,像是:内部的热化、撞击造成的熔化、来自宇宙线和微流星体轰击的太空风化。因此,小行星不是原始的,反而是在外面古柏带的小行星,在太阳系形成时经历的变动比较少。

  主带的内侧界线在与木星的轨道周期有4:1 轨道共振 的2.06 AU之处,,在此处的任何天体都会因为轨道不稳定而被移除。在这个空隙之内的天体,在太阳系的早期历史中,就会因为火星(远日点在1.67 AU)重力的扰动被清扫或抛射出去。
    最早提出的成因解释是爆炸说,是太阳系第十大行星亿万年前的大爆炸分解成了千万颗小行星。这种理论一下子就解决了两个难题:小行星带的产生和为什么没有第十行星。但这种设想最大的缺陷是行星爆炸的原因说不清楚。也有人认为,木星与火星之间的轨道上本来就存在着5-10颗同谷神星大小相似的体积相对较大的小行星。这些行星通过长时间的相互碰撞逐渐解体,越来越小,越分越多,形成了大量的碎片,也就是我们目前观测到的小行星带。这些解释各有道理,但都不能自圆其说,因而都未形成定论。

探测


艺术家的概念下,曙光号太空船和灶神星(图左)与谷神星(图右)。美国国家航空航天局图片
  先锋10号在1972年7月16日成为进入小行星带的第一艘太空船,当时仍有许多不可预期的危险,像是小行星的碎片,威胁到太空船的安全。在此以后的先锋11号、航海家1号和2号、伽利略号、卡西尼号、尼尔 、尤利西斯号和新地平线号都没有发生意外,平安的穿越过小行星带。由于小行星带物质的低密度,估计与探测器发生碰撞的机率低于十亿分之一。

  只有尼尔和隼鸟任务曾经具体致力于小行星的研究,而且都是对近地小行星的研究。但是,曙光任务将要研究主带内的灶神星和谷神星。如果太空船在研究过这两个巨大的小天体之后仍然可以使用,将会延长任务继续探测其他的小行星。

家族和群组


  在主带的小行星大约有三分之一属于不同家族的成员。同一家族的小行星来自同一个母体的碎片,共享着相似的轨道元素,像是半长轴、离心率、轨道倾角,还有相似的光谱。由这些轨道元素的图型显示,在主带中的小行星集中成几个家族,大约有20–30个集团可以确定是小行星族,并且可能有共同的起源。还有一些可能是,但还不是很确定的。小行星族可以借由光谱的特征来进行辨认。 较小的小行星集团称为组或群。

  在主带内著名的小行星族(依半长轴排序)有花神星族、司法星族、鸦女星族, 曙神星族、和司理星族。 最大的小行星族是以灶神星为主的灶神星族(谷神星是属于Gefion族的闯入者),相信是由形成灶神星上陨石坑的撞击造成的,而且HED陨石可能也是起源自这一次的撞击。

  在主带内也被找到三条明显的尘埃带,他们与曙神星、鸦女星、司理星有相似的轨道倾角,所以可能也属于这些家族。

边缘


  在小行星带的内缘(距离在1.78和2.0天文单位之间,平均半长轴1.9天文单位)有匈牙利族的小行星。他们以匈牙利为主,至少包含52颗知名的小行星。匈牙利族的轨道都有高倾角,并被4:1的柯克伍德空隙与主带分隔开来。有些成员属于穿越火星轨道的小行星,并且可能是因为火星的扰动才使这个家族的成员减少。
  另一个在小行星主带外缘的高倾角家族是福后星族,轨道在距离太阳2.25到2.5天文单位之间。主要由S-型的小行星组成,在靠近匈牙利族的附近有一些E-型的小行星。
  最大家族之一的花神星族已知的成员超过800颗,可能是在十亿年前的撞击后形成的, 主要分布在主带的内侧边缘。
  在主带的外缘有原神星族的小行星,轨道介于3.3至3.5天文单位之间,与木星有7:4的轨道共振。希尔达族的轨道介于3.5和4.2天文单位之间,与木星有3:2的轨道共振。相对来说,在4.2天文单位之外,直到与木星共轨的特洛伊小行星之间仍有少量的小行星。

新家族


  证据显示新的小行星族仍在形成中(以天文学的时间尺度),Karin Cluster显然是在570万年前在一颗直径约16公里的母体小行星碰撞后产生的。 Veritas族是在830万年前形成的,证据则来自沉积在海洋被复原的行星际尘埃。

  在更久远的过去,曼陀罗族诞生在4亿5千万年前主带中的碰撞,但年龄的估计只是根据可能成员现在的轨道元素,而不是所有的物理特征。不过,这一群可以做为黄道带尘埃的一个材料来源。 其他最近形成的群还有伊安尼尼群(大约在150万年前后),可以提供小行星带内尘埃的另一个来源。 

物理特征

构造

  目前的小行星带包含两种主要类型的小行星。在小行星带的外缘,靠近木星轨道的,以富含碳值的C-型小行星为主,此类小行星占总数的75%以上。与其它的小行星相比,颜色偏红而且反照率非常低。它们表面的组成与碳粒陨石相似,化学成分、光谱特征都是太阳系早期的状态,但缺少一些较轻与易挥发的物质(如冰)。
  靠近内侧的部分,距离太阳2.5天文单位,以含硅的S-型小行星较为常见,光谱显示其表面含有硅酸盐与一些金属,但碳质化合物的成分不明显。这表明它们与原始太阳系的成分有显著区别,可能由于太阳系早期的熔解机制,导致分化的结果。相对C-型小行星来说,此类小行星有着高反射率。在小行星带的整个族群中约占17%。
  还有第三类的小行星,总数约占10%的M-型小行星。它们的光谱中含有类似铁-镍的谱线,显白色或轻微的红色,而没有吸收线的特征。M-型小行星推测是由核心以铁-镍为主母体经过毁灭性撞击形成。在主带内,M-型小行星主要分布在半长径2.7天文单位的轨道上。碰撞
  测量小行星带中巨大小行星的自转周期显示有一个下限存在,直径大于100米的小行星,自转周期都超过2.2小时。虽然一个结实的物体可以用更高的速率自转,但当小行星的自转周期快过这个数值时,表面的离心力便会大于重力,因此表面所有的松散物质都会被抛离。这也说明直径超过100米的小行星实际上是在碰撞后的瓦砾堆中形成的。
  小行星带高密度的天体分布使得彼此间的碰撞频繁(天文学的时间尺度)。在小行星带中半径为10公里的天体,平均每一千万年就会发生一次碰撞。 碰撞会产生许多小行星的碎片(导致新的小行星族产生),而且一些碰撞的残骸可能会在进入地球的大气层并成为陨石。 但当小行星以低速碰撞时,两颗小行星可能会结合在一起。在过去的40亿年中,还有一些小行星带的成员仍保持着原始的特征。

其它物质

  除了小行星的主体之外,小行星带中也包含了半径只有数百微米的尘埃微粒。这些细微颗粒至少有一部分是来自小行星之间的碰撞(或微小的陨石体对小行星的撞击)。由于坡印廷·罗伯逊阻力,来自太阳辐射的压力会使这些粒子以螺旋的路径缓慢的朝向太阳移动。
  这些细小微粒带动彗星抛出的物质,产生了黄道光,这种微弱的辉光可以太阳西沉后的暮光中,沿着黄道面的平面上观察到。产生黄道光的颗粒半径大约为40微米,而这种颗粒可以维持的生命期通常是700,000年,因此必须有新产生的颗粒源源不断地来自小行星带。

柯克伍德空隙

  小行星半长轴分布图主要用于描述在太阳附近小行星的范围,它的价值在可以推断小行星的轨道周期。就所有小行星的半长轴而论,在主带会出现引人注目的空隙。在这些半径上,小行星的平均轨道周期与木星的轨道周期呈现整数比,这样与气体巨星平均运动共振的结果,足以造成小行星轨道元素的改变。实际的效果是在这些空隙位置上的小行星会被推入半长轴更大或更小的不同轨道内。不过,因为小行星的轨道通常都是椭圆形的,还是有许多小行星会穿越过这些空隙,因而在实际的空间密度上,在这些空隙的小行星并不会比邻近的地区为低。
  这些箭头指出的就是小行星带内著名的柯克伍德空隙,主要的空隙与木星的平均运动共振为3:1、5:2、7:3和2:1。也就是说在3:1的柯克伍德空隙处的小行星在木星公转一圈时,会绕太阳公转三圈。在其他轨道共振较低的位置上,能找到的小行星也比邻近的区域少。(例如8:3共振小行星的半长轴为2.71天文单位。)
  柯克伍德空隙明显的将小行星带分割成三个区域:第一区是4:1(2.06天文单位)和3:1(2.5天文单位)的空隙;第二区接续第一区的终点至5:2(2.82天文单位)的共振空隙;第三区由第二区的外侧一直到2:1(3.28天文单位)的共振空隙。
  主带也明显的被分成内外二区带,内区带由靠近火星的的区域一直到3:1(2.5 天文单位)共振的空隙,外区带一直延伸到接近木星轨道的附近。(也有些人以2:1共振空隙做为内外区带的分界,或是分成内、中、外三区。)

太阳系小行星带具有“冰火两重天”的奇异景象


太阳系小行星带具有“冰火两重天”的奇异景象
  太阳系小行星带具有“冰火两重天”的奇异景象,其内侧小行星多为火成岩,而外侧却满是冰球状的天体,一项最新研究认为,这是太阳系形成初期几个大行星轨道变化带来的结果。
 
  英国《自然》杂志刊登美法等国研究人员的论文说,以前人们认为小行星带是太阳系各大行星形成之前曾经存在的原行星盘的残余物,并认为,其外侧大量冰状天体的轨道位置是能否形成冰占优势的行星的分界线。但新研究认为,这些冰状天体并不形成在原处,而是外来的。
 
  研究人员创建了一个模型,模仿太阳系形成大约7亿年(相当于太阳系的青少年期)时,大行星轨道的演变过程。太阳系各大行星形成时,天王星、海王星与太阳间的距离只是现在距离的大约一半。根据模型,太阳系形成7亿年后,木星和土星发生共振,导致天王星和海王星的轨道开始变得不稳定,它们逐步从初始轨道向外移动,而有的行星如木星则向内移动。在这个过程中,由于各种引力的拉扯,太阳系外围一些冰状天体被弹射到更靠内的位置,其中一些便停留在小行星带上,形成了如今小行星带的冰状外沿。
 
  太阳系小行星带位于火星和木星的轨道之间,其中存在大量种类各异的小行星,内侧小行星多是被炙烤过的岩石模样,而外侧多是大量富含水和有机分子的冰状天体。

NASA发现太空小行星带


  美国国家航空航天局的太空望远镜最近发现了一个可能的小行星带在环绕太阳的星球旋转,这一发现将帮助天文学家寻找类似地球的其它行星。
  
上图为NASA科学家提供的艺术素描图,它展示了外太空一个拥有小行星带的星系,该小行星带是太阳系小行星带的25倍,它所环绕的星球HD 69830也将进一步帮助天文学家寻找类似地球的行星

  小行星带主要由各种岩石天体的残余物以及它们相互碰撞形成的宇宙尘埃组成。在太阳系中,主要的小行星带分布在火星与木星之间。如果NASA的这一新发现得到证实,它将成为人类首次在年龄以及体积都类似于太阳的星球旁发现的行星带。

  人类天文学家曾经发现两个遥远的行星带,但是它们所环绕的星球都比较年轻,体积也和太阳相差很多。

  科学家们利用NASA的斯皮策空间红外望远镜(Spitzer Space Telescope)仔细观察了85颗类似于太阳的星球,在观察的过程中,他们发现距离地球40光年、编号为HD 69830的星球附近环绕着一个小行星带。而且该行星带要比太阳系中的行星带浓密,其中包含的天体物质数量也是太阳系行星带的25倍;同时它离核心星球的距离也比太阳系行星带离太阳的距离要近许多。
 
    查尔斯.贝克曼(Charles Beichman)是加利福尼亚州技术学院麦克逊科学中心(Michelson Science Center)的执行总裁,他说道:“类似于HD 69830的星球将是我们解开地球形成奥秘的关键。”而NASA喷气动力实验室的一名科学家也表示同意这一观点。关于这一发现的详细资料将会在不久的天体物理学杂志上发表。

  其实空间望远镜并没有直接观察到任何小行星带,但是它在星球系统中检测到了散射高能红外线波的环带,专家推测很有可能是来自于小行星带,而理由则是环带所在位置正是天体碰撞发生的高频率地区。

  贝克曼还指出需要更进一步的观察才能够确定这些尘埃红外线波是来自于小行星带,而不是彗星所释放出来的。因为另一个可能性是一颗体积类似于冥王星的彗星被困在HD 69830星球的内部,同时它也在不停地向外辐射能量,留下宇宙尘埃;不过科学家强调这种情况发生的可能性非常小。

  阿兰.波斯(Alan Boss)是来自于华盛顿州卡内基学院的天体物理学家,他说道:“这一发现无疑从另一个角度证明了在宇宙中,行星系统是非常普遍的。这样的发现是能够令人振奋的,但是由于这些系统充斥着众多的尘埃,想要明确地绘制出这些行星的轮廓还是比较困难的。”

  美国航空航天局的斯皮策空间望远镜是于2003年8月份发射升空,并一直在类似于地球轨道的地带环绕太阳运行。







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