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浩瀚星空,藏着你未知的世界 精选

已有 2377 次阅读 2017-4-17 09:32 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记|关键词:太阳系考古遗存:小行星 胡中为 赵海斌 科学出版社 科学 小行星 太阳系 考古



从天文观测到理论探索与预言,再到搜寻与新发现,人类对太阳系的认识不断发展。在天文史上,小行星的发现是一个里程碑。小行星的演化程度小,为行星的形成和早期演化提供宝贵信息,是太阳系考古遗存;而某些小行星因其潜在撞击地球的严重危害而更受关注。自航天时代以来,小行星的探测研究成为热门领域之一,意义深远。


小行星的发现


图1 是地球和另外五颗行星绕太阳公转的轨道图,可以察觉出行星轨道有什么特征或规律吗?天文学家早就感到火星和木星的轨道间距太大,开普勒推测此间距内应当有一颗未知行星。



图1 地球和五颗行星绕太阳公转的轨道


1766 年,德国中学教师提丢斯(J. D. Titius)发现,已知行星轨道半长径值可组成简单的数列。后来,柏林天文台长波得(J. E. Bode)进一步总结了这一规律并广为宣传,故称为“提丢斯-波得定则”,其表达式可以写为:an=0.3×2n+0.4(AU)(天文单位)。对于水星、金星、地球、火星、木星、土星,序数n 分别为 –∞、0、1、2、4、5(如图2)。哎呀!怎么缺少n=3 的相应行星呢?1871年,赫歇尔(F. W. Herschel)发现了天王星,其轨道半长径(19.2 AU)与计算值a6 =19.6 AU 接近,成为提丢斯-波得定则的有力支持。因而推测,应存在一颗相应于符合提丢斯-波得定则a3 =2.86 AU 的未知行星呢!于是,天文界掀起搜寻这颗未知行星的热潮,Baron von Zech 曾组织24 位天文学家系统地搜寻这颗未知行星,但是没有取得成果。



图2 行星公转轨道半长径的


1801 年元旦之夜,不在上述搜寻天文学家之列的西西里天文台台长皮亚齐(G. Piazzi),在进行金牛座巡天观测时,偶然发现了一颗星图上没有的星。次日,该星相对于背景恒星逆行了4角分,随后沿此方向一直逆行到1月12日,而后改为顺行。他认为该星是一颗彗星,立刻把该发现写信报告给波得。此后皮亚齐便生病了,无法继续观测。然而他的信历经了很长时间才到达哥达,直至3月20日,波得才收到来信,而这时那颗星已经向太阳方向运动,无法再被找到了!


那时,高斯发明了一种计算行星和彗星轨道的方法,用这种方法只需要几个位置点就可以计算出一颗天体的轨道。高斯读了皮亚齐的发现后就将这颗天体的位置计算出来送往哥达。奥伯斯(H. Olbers)于1801年12月31日晚重新发现了这颗星。后来,它被正式命名为Ceres(谷神星)。1802 年奥伯斯又发现了另一颗天体,命名为Pallas(智神星)。随后,新的天体陆续被发现,1803 年发现Juno(婚神星),1807 年发现Vesta(灶神星),到1845 年又发现义神星。这些天体都比行星小得多,于是就称作“小行星(asteroid,minor planet)”。后续的搜寻发现更多更小的小行星,但确实不存在那颗预想的行星。


国际天文学联合会(International Astronomical Union,简称IAU)的小行星中心(Minor Planet Center,简称MPC)设在史密松天体物理台(Smithsonian Astrophysical Observatory,简称SAO),负责太阳系小天体(小行星、彗星、自然卫星)的证认和命名,也负责有效收集和传播它们位置观测和轨道计算,发布下列期刊:


《小行星通告》(MPCs——Minor Planet Circulars,一般每个月发布一次);


《小行星通告:轨道补充》(MPO——Minor Planet Circulars Orbit Supplement,每年发布);


《小行星通告:补充》(MPS——Minor Planet Circulars Supplement,每年发布3 或4 次);


《小行星电子通告》(MPECs——Minor Planet Electric Circulars,按需要发布,一般至少每天一次)。


现今对观测和搜寻小行星有志趣的青少年越来越多,却受望远镜仪器和情报等条件所限而难于实现所愿,但近年有了参加搜寻活动的好机会,且取得可喜的成果。


我们为什么要研究小行星?


如前所述,搜寻火星与木星轨道之间的未知行星未果,却发现了很多小行星。起初以为这些小行星是一颗行星爆裂的碎块,但缺乏科学根据。随后,寻找热潮虽然经历一段较冷落时期,但小行星的观测研究后来却更发展和兴盛起来,成为当代最活跃的领域之一,尤其是先后发送多艘飞船去探访某些小行星。这是为什么呢?探索小行星有什么重要意义?

探索行星和和太阳系的起源


这是有实际价值的一个自然科学基本问题。地球和其他行星都经历了严重的演化,丧失了其形成和演化早期的遗迹。例如,地球经历了“沧海桑田”的演化,地球表面积的98%是后半期形成的,90%是近6亿年内形成的,不能从地球本身考查得出其形成和早期演化历史。依据观测资料和理论研究,行星形成过程是:由原始太阳星云中的凝固颗粒逐步聚集、形成越来越大的“星子”,大星子成为“行星胎”,再吸积星子等物质而生长为行星。因为小行星形成区的可吸积物质匮乏,那里的大星子不能进一步成长为行星,而停留为“半成品”的小行星。由于行星的引力摄动,一些小行星轨道变化大,高速碰撞而破碎为小的小行星。而且,由于小行星自身演化程度小,保留了早期的一些状况,成为太阳系考古的遗存。小行星是陨落到地球上的陨石母体,通过对陨石的仔细分析研究,可以提供小行星的、进而提供行星和整个太阳系的起源和早期演化的重要信息,诸如太阳系的原始成分和形成演化的时间历程。

探索小行星撞击地球的影响


小行星容易受大行星的引力摄动而经常改变轨道,乃至撞击—陨落到行星上。因此人类尤其着重搜寻和监测有潜在撞击地球威胁的小行星,推算其未来的行径,及时预报其撞击地球的可能性。虽然真正撞击的概率很小,然而,一旦发生撞击,其危害可能超过大地震、火山爆发、海啸、核战等,因此需要采取适当的措施,如发射航天器将其击毁或转移走,或采取一定的防御措施而减少危害。月球和水星上有大量的古老陨击坑和陨击盆地,类地行星可能都经历过早期的严重陨击期,对它们的演化起重要作用。地球早期受到这样的陨击更多、规模更大,促使地球大气和海洋的形成,甚至生命的起源可能都与此有关。虽然地球上的古老陨击遗迹被后来的地质过程严重改造而丧失,但尚保存的陨击构造也显示出小行星撞击的严重影响,例如,墨西哥尤卡坦半岛的奇科苏卢布(Chicxulub)陨击构造产生于6500万年前,推算是一颗不到10公里的小行星或彗星陨击所致,这次撞击引起巨大海啸和全球回荡的地震,陨击抛出富含水汽的尘埃雨升腾到大气中,笼罩地球,后来又落回地球而形成全球的白垩纪末地层,也造成大规模生物绝灭。

探索小行星与陨石之间的直接关系


除了月球和火星陨石,绝大多数陨石都来自小行星的碎片。目前全世界已收集到3万多块陨石样品,其中80%是普通球粒陨石,其余为碳质球粒陨石、顽火辉石球粒陨石和分异陨石(无球粒石陨石、石铁陨石和铁陨石)。原始球粒陨石自形成以来没有受过重大变质作用,其化学成分与太阳系平均组成非常相似,它们是原始太阳星云凝聚分馏的产物,代表了太阳系最原始的物质组成;而分异陨石的化学成分和矿物组合变化很大,从玄武质无球粒石陨石,到石铁陨石和铁陨石,它们是太阳系早期小行星内部岩浆熔融分异的产物。要充分认识这些陨石的特性以及它们在太阳系形成过程中的作用,我们必须首先了解陨石的来源和陨石母体的特征。长期以来,天文界一直试图寻找陨石与小行星的关系。如果能确定某种陨石来自某一特定类型的小行星,那么分析研究这些陨石样品就可以了解小行星的形成、内部熔融分异和演化历史。最常见的普通球粒陨石的母体小行星应该普遍存在于小行星带内,然而,天文观测并没有找到与普通球粒陨石的反射光谱相同的主带小行星,这是当今行星科学的一大困惑,寻找这种母体小行星也成为重要任务。


小行星和陨石之间有很多相关问题还没有解决。例如,C型小行星与碳质球粒陨石的反射光谱相似,但前者的比重却只有后者的一半,可能是由于C型小行星含有20%的水。然而,S型小行星的比重也比球粒陨石低,这是否说明所有小行星都含水?还是小行星内部具有特殊的松散结构?要解决这些问题,仅靠实验室的陨石分析和地面望远镜观测小行星是不够的,而需要飞船探访小行星,包括直接采集小行星样品带回地球进行实验分析,并跟天文观测数据和陨石分析结果结合,来确定陨石和小行星之间的直接关系。


探索小行星及类地行星母体内部的熔融分异机制


陨石研究表明,大多数陨石(85%)自形成以后没有发生重大变化,较完整地保留了原始太阳星云凝聚分馏和演化的历史,这些陨石的母体小行星内部没有发生高温熔融分异过程,代表了太阳系原始物质组成。而有些陨石(无球粒石陨石、石铁陨石和铁陨石)则明显是岩浆熔融分异结晶的产物,表明它们的母体小行星内部发生了大规模的高温熔融分异过程,如同地球、火星那样形成核、幔、壳的结构。为什么有些小行星在太阳系形成初期内部发生了高温熔融分异,而有些小行星却在形成以后没有发生重大的地质作用?是什么物理机制使小行星内部发生了熔融现象?内部发生熔融分异过程的小行星在太阳系内的空间和时间上的分布规律是什么?尤其是大的主带小行星1号“谷神星”是原始型小行星,而4号灶神星却是熔融分异型小行星,它们为什么差异如此之大?这成为“黎明号”飞船探测它们的重要任务。


探索太阳系原始物质和外来物质


全世界已收集到3万多块各种类型的陨石,大多可能来自S型、C型和M型小行星。但是还有很多类型的小行星,如T、D、O、Ld型等,与其相对应的物质却不在陨石之列。这些类型的小行星物质的化学成分和矿物组成有什么特性?是否代表了太阳系的原始物质?有没有经历水变质和热变质作用的影响?对这类小行星的深空探测有望能为我们提供新的线索。


现代实验室同位素分析表明,有些陨石含有短寿期放射性同位素26Al、41Ca、53Mn、60Fe 等,有些陨石含有前太阳系恒星尘埃,如金刚石、石墨、SiC、Si3N4、刚玉、尖晶石、黑铝钙矿、TiO2 和硅酸盐。这些都是由邻近的恒星向太阳系原始星云注入的物质,它们或者是星际介质的分子,或者是恒星大气中的尘埃,含有大量恒星形成和演化过程的信息。然而,在陨石中寻找恒星物质非常困难,只在少数原始球粒陨石中找到了恒星物质。但是,具有同样类型和特性的小行星数量很多,深空探测采集小行星样品返回地球,可能为我们提供新的恒星物质类型,有助于进一步认识恒星的形成和演化历史,及恒星对太阳系形成所起的作用。


揭示生命起源


小行星含有有机成分,可为研究地球上的生命起源提供新线索,其中氨基酸是生物功能大分子蛋白质的基本组成单位。它们由陨石、彗星和宇宙尘埃带入地球,为地球布下了生命的种子。生命可能就是从这些有机物中发展和演化而成。


碳质球粒陨石含有多种有机分子,包括氨基酸、咖啡因、嘧啶磷等生命起源所需的重要有机分子。C型小行星的反射光谱与碳质球粒陨石非常相似,表面物质富含碳和水,有机物含量也很高。从C型小行星上采集样品返回地球,将对研究生命的起源有极其重大的意义。


为以后征服太空,利用和开发太空的自然资源做好准备


水在生命起源和演化过程中起非常重要的作用;同时,水又是重要的自然资源。C型小行星含有近20%的水。从小行星运送水资源到空间站要比从地球上运送更容易,可节省大量能源,因此可将小行星作为人类空间探测的水源补给站。除水以外,小行星还蕴藏其他稀有金属和矿产资源,可开发利用。M型小行星是由金属组成,其中含有大量贵金属,如Au、Ru、Rh、Pd、Os、Ir 和Pt。据估计,一颗直径1公里的M型小行星含有约40万吨的贵金属,目前的市场价高达50000亿美元。


试验和开发航空航天新技术,促进国民经济的全面发展


小行星是人类深空探测“天然的跳板”。通过把数百吨的小行星置于地月引力系统或近地空间,航天员可以通过几周的航行就抵达小行星进行探测,显著降低任务成本;小行星可作为中转站,为人类建设空间设施以及星际航行转移系统提供大量基础材料。小行星的探测工作还有很多技术是开创性的。深空探测技术的发展带动了计算机、通信、测控、火箭、激光、材料、医疗等一系列基础科学和高新技术的全面发展。这些技术转变为民用后,可以多方面改善人们生活的方式和品质,促进国民经济的发展。航天事业与国防建设密切相关,海陆空立体战争要求对目标实施精确打击,需要精准的导航系统和完善的通信系统。目前,中国已做过小天体探测策略、小天体目标选择、小行星预警与防御技术等前期研究,并已展开小行星资源开发与利用研究。可以预料,航天事业的发展将对未来经济发展和国防建设起到主导作用。






《太阳系考古遗存:小行星》

作者:胡中为,赵海斌

责编:胡凯,许蕾

北京:科学出版社,2017.4

ISBN:978-7-03-052470-6


小行星是绕太阳公转的小天体。它们是形成行星的半成品,演化程度小,成为太阳系考古遗存。尤其,近地小行星还有撞击地球的潜在危害。航天时代以来,小行星成为当代最活跃的探测对象,惊奇成果纷至沓来,激励青少年的参与志趣。《太阳系考古遗存:小行星》共十二讲,通俗地阐述了小行星的发现和观测研究意义、轨道与物理性质的观测和飞船探测;主带小行星的轨道、性质与类型、卫星、几颗著名小行星、近地小行星及其撞击地球的影响;外区的柯伊伯带与弥散盘、矮行星;太阳系的起源、小行星起源演化。


(本期责编:李文超)



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