小行星

  小行星是一些围绕太阳运转但因为太小而称不上行星的天体。小行星可大至如直径约1000公里的Ceres 小行星,小至与鹅卵石一般。有16颗小行星的直径超过 240公里。它们位于地球轨道以内到土星的轨道以外的空间中。而大多数小行星集中在火星与木星轨道之间的小行星带里。有些小行星的轨道与地球轨道相交,有些小行星还曾与地球相撞。

  小行星是太阳系形成后的剩余物质。一种推测认为它们是一颗在很久以前一次巨大碰撞中被毁的行星的遗留物。然而这些小行星更像是些从未组成过单一行星的物质。事实上,如果将所有的小行星加在一起组成一个单独的天体,它的直径还不到1500公里——比月球的半径还小。

  由于小行星是早期太阳系的物质,科学家们对它们的成份非常感兴趣。宇宙探测器经过小行星带时发现,小行星带其实非常空旷,小行星与小行星之间分隔得非常遥远。在1991年以前所获的小行星数据仅通过基于地面的观测。1991年10月,伽利略号木星探测器访问了951 Gaspra小行星,从而获得了第一张高分辨率的小行星照片。1993年8月,伽利略号又飞经了243 Ida小行星,使其成为第二颗被宇宙飞船访问过的小行星。 Gaspra和Ida小行星都富含金属,属于S型小行星。

  我们对小行星的所知很多是通过分析坠落到地球表面的太空碎石。那些与地球相撞的小行星称为流星体。当流星体高速闯进我们的大气层,其表面因与空气的摩擦产生高温而汽化,并且发出强光,这便是流星。如果流星体没有完全烧毁而落到地面,便称为陨星。 牋?经过对所有陨星的分析,其中 92.8%的成分是二氧化硅(岩石),5.7%是铁和镍,剩余部分是这三种物质的混合物。含石量大的陨星称为陨石,含铁量大的陨星称为陨铁。因为陨石与地球岩石非常相似,所以较难辨别。

  1997年 6月27日,NEAR探测器与253 Mathilde小行星擦肩而过。这次机遇使得科学家们第一次能近距离观察这颗富含碳的 C型小行星。此次访问由于NEAR探测器不是专门用来对其进行考察而成为唯一的一次访。NEAR是用于在1999年 1月对Eros小行星进行考察的。

  天文学家们已经对不少小行星作了地面观察。一些知名的小行星有Toutais、Castalia、Vesta和Geographos等。对于小行星Toutatis、Castalia和Geographos,天文学家是在它们接近太阳时,在地面通过射电观察研究它们的。Vesta 小行星是由哈勃太空望远镜发现的。

  小行星的发现同提丢斯- 波得定则的提出有密切联系,根据该定则,在距太阳距离为2.8 天文单位处应有一颗行星,1801年元旦皮亚奇果真在该处发现了第一颗小行星谷神星。在随后的几年中同谷神星轨道相近的智神星,婚神星,灶神星相继被发现。天文照相术的引进和闪视比较仪的使用,使得小行星的的年发现率大增,到1940年具有永久性编号的小行星已经有1564颗。其中,德国天文学家恩克和汉森因长于轨道计算,沃尔夫和赖因穆特在观测上有许多发现而贡献尤大。

  小行星的命名权属于发现者。早期喜欢用女神的名字,后来改用人名,地名,花名乃至机构名的首字母缩写词来命名。有些小行星群和小行星特别著名,如脱罗央群,阿波罗群,伊卡鲁斯,爱神星,希达尔戈等。按轨道根数作统计分析,轨道倾角在约5 度和偏心率约0.17处的小行星数目最多。柯克伍德缝是按小行星平均日心距离统计得到的最著名的分布特征。小行星数N 与平均冲日星等m 之间有统计关系logN=0.39m-3.3,小行星直径d 同绝对星等g 之间满足统计公式logd(公里)=3.7-0.2g。小行星数随直径的分布在直径约30公里附近出现间断。

 

   1801年科学家们在夜空中发现了一个闪光的小物体。起初他们以为这个名为"谷神星"的东西是颗行星,然而一年后又发现了一个同谷神星十分相像的物体。他们意识到行星不可能这么小,于是将其命名为~小行星~,意思是"象星星一样"。
直到1951年也只发现8颗小行星。而今天天文学家运用先进科技已经辨别出约5000颗小行星。
太阳系中成千上万颗小行星都没能积聚形成行星。它们的体积大小不等,有的与高尔夫球一般大,而有的则相当于整个罗德艾兰州那么大。大多数在火星与木星之间的小行星带中进行轨道运行。
大多数小行星沿着木星的路线进行规则的轨道运行。另外一些轨道则为偏心圆,远时靠近天王星,近时靠近地球。到目前为止,天文学家发现有几百颗小行星穿过地球~轨道~,据估计还有成千上万颗小行星未被发现。
天文学家们根据~陨石~成份和光谱将大部分小行星分成三大类。"硅质"小行星含有一个石质硅层包围的铁镍内核。这种小行星约占15%。"金属质"小行星占10%,主要由铁和镍组成。"碳质"小行星数量最多,占了75%,它们含有丰富的碳。
有时小行星的轨道会对地球造成威胁。地球和受到撞击而布满~陨石坑~的月球一样,也是宇宙撞击的目标。我们这颗勤勉的星球通过填平、火山活动以及风化腐蚀抹去了那些暴力的痕迹,然而少数大的冲击遗留下来的陨石坑仍是过去创伤的见证。

小行星带

小行星加斯普拉

   在太阳系中,除了九大行星以外,在红色的火星和巨大的木星轨道之间,还有成千上万颗肉眼看不见的小天体,沿着椭圆轨道不停地围绕太阳公转。与九大行星相比,它们好像微不足道的碎石头。这些小天体就是太阳系中的小行星。

小行星Mathilde(左)、Gaspra(中)、Ida(右)    大多数小行星的体积都很小,是些形状不规则的石块。最早发现的“谷神星”、“智神星”、“婚神星”和“灶神星”是小行星中最大的四颗。其中“谷神星”直径约为1000千米,位居老大,老四“婚神星”直径约200千米。除去这“四大金刚”外,其余的小行星就更小了,最小的直径还不足1千米。

    自从1801年发现第一颗小行星,到20世纪90年代末,已登记在册和编了号的小行星已超过8000颗。据统计,小行星的总数当在50万颗左右。它们中的绝大多数分布在火星和木星轨道之间,与太阳的距离约2.06-3.65的天文单位。这部分区域被称为小行星带。

    至于小行星带形成的原因,迄今还没有公认的定论。有一种叫“爆炸说”的理论认为:小行星带内原先有一颗与地球、火星不相上下的大行星,后来由于某种现在尚不清楚的原因,这颗大行星发生了爆炸,炸裂的碎片就成了现在的小行星。此外,还有所谓的碰撞说等等。这些假说都从某些方面假说了小行星的起源,但又都存在许多问题难以自圆其说。现在,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,小行星的起源是太阳系起源问题中不可分割的一环。

监测小行星会否撞地球 

 紫金山天文台盱眙观测基地位于铁山寺国家森林公园,走近观测基地,首先映入眼帘的是一个“中世纪城堡状”的基座,在基座的上面顶着一个宛如“巨蛋”的观测房,“巨蛋”里最显眼的,就是这方圆一万多平方米的主人了———一台通光口径1米、球面反射镜1.2米的施密特型望远镜。
  “这是一台自动化程度非常高的施密特望远镜。”谈起这台世界排名第五的“中国第一望远镜”,紫金山天文台副研究员姚进生非常自豪。据悉,所谓的“施密特望远镜”,其实是指折返射式望远镜,它综合了折射式望远镜和反射式望远镜的优点,有效口径比较大,这意味着它通光量更大,探测能力也更强。
  “以前的望远镜都是一帧一帧地拍,而我们的这台望远镜采用了国内首创的‘飘移扫描系统’,拍出来的图像更加真实,因此也更容易进行分析。”赵海斌博士说,“另外,因为它的移位速度较快,所以它的跟踪能力也要强于一般的望远镜。”
  据介绍,“中国第一望远镜”的工作原理其实不是特别复杂:通过自动的“巡天观测”,望远镜会对大面积的天空进行扫描,并拍摄成电子底片;拍摄完以后,专家会对同一天同一天空范围的不同底片进行比照,并对那些突然进入视野的天体进行辨别,通过各种方法计算它们的位置和运动轨迹,确定其是不是在有规律地运行;如果发现它们有和地球相撞的可能性,则要设法计算出可能相撞的时间和相撞前后的运行轨道等数据。
  缘起 “彗木碰撞”警世
  1993年以前,小行星撞击地球之类的说法虽也偶有闻之,但并没有引起人们的重视,甚至连天文学家们也没有给予它足够的关注。在大多数人的眼里,这种事情只是科幻小说家为了夺人眼球而制造的噱头罢了。
  1993年,国际天文界发出警报:苏梅克·列维9号彗星,在经过木星时被木星强大的引力拉成了21个碎片,这些碎片大的直径有两三公里,小的也有500米左右。它们像一排大雁列队前行,预计在绕太阳一圈后,再次靠近木星时,将一个接着一个地撞向木星,碰撞的时间大约在1994年7月15日—22日,这就是后来举世震惊的“彗木碰撞”。
  “彗木碰撞”引起了国际天文学界的极大震动,地球遭遇外来天体袭击的说法一下子变得现实起来:彗星既然可以撞到木星上,也就有可能撞到地球上。何况能够靠近地球的,除了彗星,还有众多的近地小行星。
  在“彗木碰撞”事件的刺激下,国际天文学会联合会专门成立了一个“小行星研究联合会”,试图对靠近地球的天体进行全方位的观测和监控。
  此时,在我国紫金山天文台“服役”的望远镜由于城市灯光的污染、通光口径过小,已经难以承担观测更多小行星的重任,而发达国家又不肯与我国共享此类资料。如果没有一架通光口径更大的施密特望远镜,我国的小行星观测就完全是“两眼漆黑”。
  但令人气馁的是,在当今的天文领域,近地天体的研究只是一个比较小的分支,在科研投入普遍不足的情况下,经费相当拮据。
  不过,在经受了数次刺激后,紫金山天文台张家祥等三位老科学家下了决心:就算再艰难,也要设法弄一架。接下来这几年,这三位老科学家走了一段他们科学研究生涯中最特殊、最坎坷的路。有一位知情人甚至说:“提起这一段,他们是要流泪的,要大哭一场的。”令人欣慰的是,经过几年的艰苦努力,他们从海外筹集了400万元人民币,并争取到了科技部、中科院和江苏省的支持和配套经费。
  选址:经过层层筛选
  经过几位老科学家的牵头和各界的努力,钱总算是筹够了,但新的问题又来了:由于城市的发展产生了“光污染”,紫金山天文台的夜天光亮度(数字越大,越有利于观测)已经降到了17.5等左右,紫金山天文台已经不再适合进行小行星观测。
  1998年,由紫金山天文台副研究员姚进生主管的观测基地选址项目正式启动,经过数轮严格的筛选,留下的是安徽的明光、江苏的盱眙和赣榆三个地方。他们又根据62个因素,对上述三地进行了综合比较,最后确定盱眙县铁山寺国家森林公园中的跑马山作为新的小行星观测基地。
  姚进生说:“一年之中,跑马山的晴天数,也就是可观测夜数达到了200天左右,这在华东地区都是比较高的。而且,由于周边地区工业化程度不高,跑马山的夜天光亮度达到了20.8等,这个数据也是非常难得的。”
  2000年10月,我国天文学界所有八位院士中的七位齐聚跑马山,对定址问题进行最后探讨,并给出了肯定的结论。2001年,盱眙观测基地破土动工,“中国第一望远镜”的研制也提上了日程。
  研制:虽万难其犹未悔
  正如每一件新生事物的出现都经历了长时间的酝酿,“中国第一望远镜”的诞生也经历了颇多的坎坷。
  “真正动手了,才发现很多问题是原来没有想到过的。”姚进生副研究员告诉记者。根据本来的计划,观测基地和望远镜应当在2002年投入使用,但期间碰到了层出不穷的技术问题,科学家们虽是殚精竭虑,可是等到望远镜正式安装完毕,已经是2004年的10月6日了。“在这几年里,我一个月在南京呆不了几天,基本上都泡在那个山沟里了。”姚进生说。
  虽然望远镜已在近日安装完毕,但要真正投入使用,尚要经过一段时间的调试。“我们希望年底可以吧。”负责望远镜观测的赵海斌博士对记者说,“我们还没有给它起名字,暂时都叫它的学名‘近地天体探测望远镜’,不过以后肯定会有的,毕竟它倾注了我们那么多心血。”

  ■新闻链接

  小行星

  小行星多由石块、金属和尘埃构成,小如卵石,大的如山脉,形状不规则,外表暗淡。它们本该聚集在火星和木星轨道之间、被天文学家称为“小行星带”的地方绕太阳公转。但它们由于质量微小,常被大行星的引力所摄动而远离原来的轨道。在这种情况下,地球可能成为它们的目标。这些可以飞到地球公转轨道附近的小行星,被称为“近地小行星”。现在已被确认的近地小行星有400多颗,其中直径在1000千米以上的就有近百颗;直径在50米以上的,数量高达100万颗。

  小行星威胁地球

  小行星的危害有多大呢?姚进生副研究员告诉记者,一颗直径为1千米的小行星,如果和地球相撞的话,产生的能量和地球上所有核武器爆炸的结果相当。

  尘埃遮蔽太阳

  在1908年,由于一颗小行星落到了俄罗斯通古斯地区,熊熊大火吞噬了西伯利亚平原上2200多平方公里的原始森林,把1000平方公里的中心区域完全化为焦土。爆炸抛上高空的大量尘埃遮蔽了太阳,使地球表面气温在以后数年间明显下降。

  造成恐龙灭绝

  科学界还普遍认为一颗直径10千米到20千米的小行星撞击地球导致了恐龙的灭绝———爆炸扬起的尘埃遮天蔽日,几个月的完全黑暗使全球气温骤降,大量植物和以植物为食的动物死亡了。碰撞点处石灰石释放的过量二氧化碳又在后来的几百年中造成温室效应,过度的升温灭绝了劫后余生的恐龙。

6500万年前导致恐龙灭绝的小行星撞击地球假想图


  是否大范围危害地球
  据赵海斌博士介绍,真正令人担心的只是在以后两个世纪里有没有与地球的碰撞。于是有人提出了PHA概念。
  一个小行星能成为PHA的条件是:在今后两个世纪内,会非常接近地球轨道;有足够亮的绝对星等,从而大到可以造成大范围甚至全球性危害。
  赵博士告诉记者,除了大家熟悉的用武器对小行星进行袭击促使其偏离原有轨道外,利用反射太阳光也能达到同样的效果。

一九九一年一月,人類險些遇上一場大浩劫!
一顆直徑約九公尺的小行星在距地球十七萬公里處掠過,若該星擊中地球,將引發一次比廣島原爆威力大十倍的大爆炸。如果落在城市上,後果固然不堪設想,即使跌落海中,亦會引起巨大海嘯,對人命財產造成嚴重威脅。
究竟這些小行星是何方神聖?原來太陽系內除了九大行星外還有很多小石頭及碎片,特別是在火星和木星之間,離太陽約二至三天文單位處 (一天文單位等於地球和太陽的平均距離),就有一個小行星帶 (asteroid belt),佈滿超過萬顆這類小天體,稱為小行星 (asteroid / minor planet)。巳知體積最大的小行星為榖神星 (Ceres),其直徑約為九百四十公里,質量只有地球的一萬分之一。由於小行星的體積小,觀測它們十分困難。例如發現「高錕星」,就好比在一至二千公里外找到一個像排球一般大小的物體。現今巳測定軌道的小行星,只有約三千五百顆。大部份的小行星以近似圓形的橢圓形軌道運行,軌道隨時受其他天體影響,特別是當它們進入所謂「卻活缺口」(Kirkwood gaps) 時。這些缺口與太陽的距離剛好和木星軌道半徑成整數比例 (例如 1:2,2:3 等),以致產生共振現象 (resonance)。在「卻活缺口」的小行星受木星引力影響極大,其軌道十分不穩定,很容易突變成長橢圓形,以致離開小行星帶,伸延到較近太陽和地球的地方。亦有一些小行星在類似情形下被拋出太陽系以外。為理解這特殊現象,物理學家應用混沌力學 (Chaotic dynamic) 來描述小行星軌跡,近年取得相當進展。
究竟小行星帶如何形成?說起來這又和天文學上一條叫 Titius-Bode Rule 的規律有關。這規律描述各大行星與太陽的距離 (設地球與太陽的平均距離為一天文單位):
Titius-Bode Rule

此式中 n 為一整數,代表各行星,如 n = 2 為金星, n = 3 則為地球等。至今沒有任何理論可解釋此式之來由,因此大部份天文學家只把它看成為巧合而巳。根據上式,於 2.8 天文單位處應有一顆行星。後來果然在 2.77 天文單位處發現穀神星,而小行星帶的位置亦正好在那裡。這似乎暗示小行星帶本來是一顆行星,後來不知何故碎裂成千萬塊碎片。另一個理論則認為在小行星帶的物質從未凝聚成一顆行星;在太陽初生時,那處的氣體及塵埃不斷受木星引力拉扯,撕裂成千萬小塊,再各自凝結成小行星。當中即使出現較大塊的凝固物,亦會因為與其它物體碰撞而碎裂成小塊。近年的觀測證據似乎較支持後者。其中一項證據是小行星帶內部 (近火星) 的金屬含量較高,而帶外部 (近木星) 的碳含量則較高。這可能是因為氣體塊與太陽的距離不一,導致溫度差異並產生分化現象。若說小行星是一顆大行星碎裂而成,則很難解釋這種現象。
研究小行星的結構及成份,有助於瞭解太陽系的起源。小行星的金屬含量頗高,其中可能包括地球上的稀有金屬如鉑等。甚至有人估計,一顆直徑一公里的小行星的礦藏,可能價值萬億美元以上。所以派太空船到小行星採礦,可能是將來重要的研究方向。

小行星 Gaspra

圖二  小行星 Gaspra 好像花生 (Courtesy JPL/NASA)

 

派太空船到小行星探測,巳經不是科幻小說的情節。一九九六年二月十七日,美國太空總署發射了一個名為 NEAP 的太空探測衛星,向小行星帶進發。NEAR 於九七年六月在小行星 Mathilde 一千二百公里外掠過,然後於九九年一月飛到愛神星 (Eros) 幾百公里的範圍內進行詳細的探測工作。愛神星形若橄欖,長約四十公里,軌道橢圓率甚大。愛神星的近日點在地球軌道之內,是有機會與地球相撞的小行星之一。九五年到達木星的「伽里略號」太空船,於途中亦飛過兩顆小行星 Gaspra 及 Ida 並在近距離做了很多觀測工作。Ida 狀似花生,雖然只有五十六公里長,卻擁有一顆一英里大小的衛星 Dactyl。由於其質量及表面重力場分佈極不平均,在 Ida 上拋擲物體的軌跡便會比在地球上複雜得多了。
除了這些太空計劃,世界各地亦有很多業餘或專業天文學家長期找尋未發現的小行星。小行星的發現者除了可以享受發現新天體的滿足感外,亦有給小行星命名的權利。這種工作甚至有助預報災難。為甚麼?讓我們回到小行星與地球碰撞的話題上。
小行星撞擊地球並不罕見。最近一次發生於一九零八年。一顆約三十公尺大的石質小行星直闖地球,在西伯利亞上空爆炸,威力相當於一千萬噸炸藥。地球上一百多個半徑大於十分一公里的隕石坑,相信就是這類撞擊造成的。巳知有兩組小行星有機會撞上地球。這兩組稱為 Apollo 及 Amor 的小行星,直徑可達兩公里左右,若其中一顆擊中地球便會引發約一千億噸炸藥威力的大爆炸。很多科學家相信,六千五百萬年前恐龍突然絕種,就是因為這種大爆炸令全球氣溫驟變所致。下一次小行星撞地球更可能令人類滅亡!巳確定軌道的 Apollo 小行星約有三十顆,短期內均不會撞上地球。不過估計未發現的 Apollo 小行星共有數千顆,我們可能要等到其中一顆飛近地球時才驚覺危險!希望那時人類有足夠的智慧及科技去應付這場大浩劫吧。