谷神星探秘

刘声远

谷神星全貌（2015年拍摄）。

谷神星参数

远日点4.46亿千米

近日点3.83亿千米

轨道周期4.61地球年

平均轨道速度17.905千米/秒

体积4.34亿立方千米

平均直径939.4千米

表面积277万平方千米

平均密度2162克/厘米³

赤道表面引力0.029g

赤道自转速度92.61米/秒

表面平均温度-118摄氏度

科学家2020年8月11日宣布，美国宇航局“黎明号”航天器（以下简称“黎明号”）让他们得以近观矮行星谷神星。到2018年10月“黎明号”任务结束时。这艘航天轨道器已经下降到谷神星表面上空不到35千米，由此揭示了谷神星表面那些神秘明亮区域的新细节。

此前，科学家已经预料到这些明亮区域大多由碳酸钠组成。这些碳酸钠很可能来自从谷神星地下上升至地表的液体，这些液体蒸发后留下一种具有高反射性的盐壳。但科学家之前尚未确定这些液体来自哪里。通过分析“黎明号”在其任务期末采集的数据，科学家现在得出结论：这些液体来自谷神星地下深处的盐水库。通过研究谷神星的引力，科学家得以了解有关谷神星内部结构的更多信息，并且确定了这个盐水库位于谷神星地下大约40千米深度，直径为几百千米。因此，有科学家认为谷神星存在地下海洋。

外太阳系的一些含冰卫星之所以有内部热量，是因为它们与一颗大行星之间有引力交互，但谷神星并非如此。在最新研究中，科学家通过聚焦谷神星表面直径达92千米的刻瑞斯陨石坑，证实了谷神星像其他含冰天体一样富含水，还发现了刻瑞斯陨石坑中存在的地质活动。总之，“黎明号”取得的一系列大发现远远超出了科学家对它的期望，而它在任务期快要结束时更是成就斐然。

明亮之谜

在“黎明号”于2015年到达谷神星之前，科学家已经通过望远镜注意到了谷神星表面有一些明亮区域，但不了解它们的性质。在靠近谷神星的轨道中，“黎明号”抓拍了刻瑞斯陨石坑内部两个具有高反射性的区域（分别为赛瑞利亚和维拉利亚）的多幅图像。

科学家知道，微陨星经常撞击谷神星表面并留下撞击产物。随着时间推移，这应该会导致谷神星表面那些古老的明亮区域变暗。因此。今天见到的这些明亮区域应该还很年轻。那么，这些区域是怎么产生的？其地质材料为什么会这么新？这是2017～2018年“黎明号”延伸任务期的主要关注点。通过研究“黎明号”在此期间的探测数据，科学家证实了这些明亮区域果然年轻（其中一些形成至今还不到200万年），并且发现导致反射性物质沉积的地质过程可能仍在进行。他们的关键依据是集中于赛瑞利亚区域的盐化合物。

在谷神星表面，含水的盐会在几百年内迅速脱水。但“黎明号”能发现赛瑞利亚区域的含水盐，说明这些水是最近才上升至地表的。这不仅能证明刻瑞斯陨石坑地下有水，而且能证明谷神星地下物质仍在上升到表面。科学家发现了在赛瑞利亚区域让地下液体到达表面的两种主要途径：一是，大量盐由刚好位于地面下的冰融化成的水提供，冰融是因为在大约200万年前陨石坑形成时产生的热量，但这种热量在200万年中逐渐减少;二是，撞击产生的大型裂缝可深入到地下深处长期存在的盐水库，从而让盐水能上升到表面。

谷神星表面的明亮区域。

活跃地质

在太阳系中，涉及冰的地质活动主要发生在含冰卫星上，由卫星与其母行星之间的引力交互推动。但让地下盐水上升至谷神星表面的运动却非如此，这说明虽然富含冰，但并非卫星的天体也可能活跃。

刻瑞斯陨石坑中最近存在液体的证据既来自明亮沉积物，也来自谷神星极地受压地下水到达地表后冻结而形成的多座锥形小冰丘。这是首次在矮行星上观察到这样的冰丘，而这种冰丘之前在火星上被发现过。在对“黎明号”探测数据的最新研究中，科学家还首次对谷神星地壳各层的密度进行了绘图。通过引力测量，科学家发现谷神星地壳密度随着深度明显增加，但这并非仅仅是由于压力作用。科学家推测，在谷神星地下盐水上升到地表的同时，盐和泥不断融入地壳的低层。

由于谷神星表面存在有机物，地下存在液體，因此有科学家认为谷神星上可能存在生命。无论是否如此，行星保护规则都要求让“黎明号”（2018年10月31日，“黎明号”的肼燃料被耗尽）最终进入一个长周期稳定轨道，目的是避免“黎明号”撞击谷神星。

谷神星表层土（浮土）中氢浓度。蓝色表示氢浓度较高，因而表明水冰的存在。

谷神星内部结构（从表面向下依次为）：由冰、盐和水合矿物构成的表层;包含盐水的中间层;主要为含水岩石的核心部分。

之前观测

在“黎明号”任务之前，谷神星表面只有一些特征被清晰探测到。1995年，由哈勃空间望远镜拍摄的高解析度紫外系列图像显示出谷神星表面的一个暗斑，它被戏称为“皮亚齐”（发现谷神星的意大利天文学家），而且被认为是一个陨石坑。后来，由凯克望远镜运用自适应光学技术拍摄的更高解析度的近红外系列图像，显示出谷神星表面随谷神星自转而移动的多个明亮和黑暗地貌。其中两个黑暗地貌为圆形，它们被认为是陨石坑，其中一个的中心有一个明亮区域。哈勃空间望远镜在2003和2004年拍摄的可见光系列图像，显示出谷神星表面的11个可识别地貌，但它们的性质当时未被确定。

“黎明号”发现谷神星表面密布陨石坑，但陨石坑总数不及预测的多，这可能是由于谷神星过去的地质活动所致。谷神星表面超出预计数的大量陨石坑都有中心坑，许多陨石坑中还有中央峰，这可能是由冰火山活动造成的。谷神星表面有一座显眼的高山，它看起来是一座冰火山，而且它没有什么陨石坑，这说明它的年龄不超过几百万年。电脑模拟表明，谷神星表面原本有多座冰火山，但由于黏性松弛效应，如今它们已不可辨识。

谷神星表面的一座5000米高山。

刻瑞斯陨石坑中的第5号明亮区域。

“黎明号”观测到了谷神星表面的多个明亮区域，其中最亮的5号区域位于直径80千米的刻瑞斯陨石坑中心。从“黎明号”在2015年4月拍摄的谷神星系列图像可以看出，亮度第二的区域实际上由可能多达10个明亮区域组成。这些明亮地貌的高反射率可能是因为地表的冰或盐。5号区域上空周期性出现模糊云团，这可能支持一种猜想：明亮区域的形成是由于某种类型的放气或冰的升华作用。2016年3月，“黎明号”在刻瑞斯陨石坑表面发现了水分子的确凿证据。

发现故事

谷神星是主小行星带（位于火星轨道和木星轨道之间）中最大的天体，是最大的小行星和海王星轨道内唯一的矮行星，是海王星轨道内大小排名第25的太阳系天体。

1772年，德国天文学家波德首次提出：在火星轨道和木星轨道之间可能存在一颗尚未被发现的行星。早在1596年，德国天文学家开普勒就已经注意到了火星与木星之间的空白地带。波德的猜测是基于在1766年首次提出、如今已被否定的提丢斯-波德定则。波德通过观察发现已知行星的轨道大小有规律，而且这一规律只被火星与木星之间的空白破坏。根据该规律可以预测：这颗尚待发现的行星的轨道半径接近2.8天文单位（1天文单位≈1.496×10⁸千米）。1781年，德国天文学家赫歇尔在接近预测的距离发现了位于土星轨道外的天王星，这在当时增强了人们对提丢斯一波德定则的信心。1801年，两名意大利天文杂志编辑致信24位天文学家，请他们共同努力去发现波德所预测的那颗未知行星。虽然他们并未发现谷神星，但后来发现了多颗较大的小行星。

谷神星在火星与木星之间的轨道中运行。谷神星轨道位于小行星带以内，但更靠近火星轨道。谷神星的轨道周期为4.61地球年，轨道中度倾斜并中度偏心。这组图中显示的是谷神星的轨道（蓝色）和多颗行星的轨道（白色及灰色）。位于黄道（指地球环绕太阳运行的公转轨道所在平面）下面的轨道部分颜色更深，橘红色加号指代太阳的位置。左上图显示的是谷神星在火星和木星之间的位置。右上图显示的是谷神星和火星的近日点（q）及远日点（Q）。在这幅图中，火星近日点位于太阳的一侧，而谷神星及多颗较大的主带小行星（包括智神星和健神星）的近日点位于另一侧。下图为侧视图，它显示的是与火星和木星轨道相比之下的谷神星轨道倾斜情况。

这24名天文学家中包括意大利天文学家皮亚齐。实际上，在他接到发现未知行星的邀请之前，他就已经在1801年1月发现了谷神星。不过，当时他要寻找的是一颗恒星，却未料到自己发现的是一颗疑似的彗星。皮亚齐总共观测了谷神星24次。最后一次是在1801年2月11日，之后他因生病而中断观测。1801年1月24日，他在给两位天文学家——波德和奥里亚尼意大利天文学家的信中宣布了自己的这一发现。他在信中说，自己发现的是一颗彗星，但“因为它的运动缓慢且相当规则，所以我又多次想到它不該是一颗彗星”。1801年4月，皮亚齐把自己对这颗疑似彗星的完整观测情况发给了奥里亚尼、波德和法国天文学家拉朗德。1801年9月，皮亚齐的这一发现被发表在天文学刊物上。

到这时，谷神星的视位置已经改变（基本上是由于地球的轨道运动），谷神星受耀眼阳光的影响而几乎不可见。因此其他天文学家无法证实皮亚齐对谷神星的观测。1801年末，谷神星再度可见，但经过这么长的时间后难以准确判断其位置。为了再次找到谷神星，当时年仅24岁的德国数学家高斯研发出了一个确定轨道的有效方法。仅花了几周时间，他就预测了谷神星的路径，并将此发给了德国天文学家扎克。1801年12月31日，扎克和另一位德国天文学家奥伯斯在预测位置附近重新发现了谷神星。

讲述谷神星发现故事的皮亚齐著作。

归类之争

这些对谷神星的早期观测者只能算出谷神星的大概大小。有人在1802年估计的谷神星直径为260千米，1811年则有人估计这个直径为2613千米。

皮亚齐最初提议给自己发现的“彗星”命名为赛瑞尔·费迪南迪，这是依据罗马农业女神赛瑞斯（意大利文发音为“赛瑞尔”。赛瑞斯被认为起源于意大利的西西里，那里有最古老的赛瑞斯神庙）和西西里国王费迪南德。然而，“费迪南迪”这个名称不被其他国家接受，因此皮亚齐的提议被否。最终，这颗“彗星”被称为谷神星（赛瑞斯）。

四颗小行星（示意图）。

天文学家对谷神星的归类经过多次变更，这方面一直存在争议。波德相信，谷神星就是他认为存在于火星和木星之间的那颗“迷失的行星”。半个多世纪里，谷神星一直被列为一颗行星。但随着在谷神星所在区域发现其他天体，天文学界意识到谷神星代表着一类新天体。1802年，智神星（小行星2号）的发现让赫歇尔为这类天体提出了“小行星”这个术语。当时他写道：“这些天体很像是小恒星，以至于哪怕用最好的望远镜也很难把这两者区分开。”到了1860年前后，像谷神星这样的小行星与大行星之间的本质区别被天文学界普遍认可，但对“行星”的精确定义仍未形成。

2006年，围绕冥王星地位和行星界定的争论导致谷神星被重新考虑定位成一颗行星。当时提出的行星定义是：行星必须有足够的质量，从而通过自身引力让自己成为近似圆球形;行星必须环绕恒星运动，但行星既不是恒星也不是行星的卫星。如果该提议被接受，那么谷神星就是距离太阳第五近的一颗行星。然而，国际天文学联合会在2006年8月24日修改了行星定义，附加了一个条件：行星轨道附近不能有其他天体。根据这一点，谷神星不是行星，因为它与小行星带中的其他数千颗小行星共享一个区域，而且谷神星只占小行星带总质量的25%。像谷神星这样满足前两个条件但不满足第三个条件的天体，最终被归类为矮行星。不过，矮行星还同时拥有第二个身份——小行星。

谷神星观测的部分里程碑

1984年11月13日在墨西哥、美国和加勒比海地区观测到谷神星对一颗恒星的掩蔽现象（掩星）。

1995年6月25日哈勃空间望远镜拍摄了谷神星的紫外系列图像，解析度为50千米。

2002年凯克望远镜拍摄了谷神星的红外系列图像，解析度为30千米。

2003和2004年哈勃空间望远镜拍摄了谷神星的可见光系列图像，解析度为30千米。这是在“黎明号”任务之前对谷神星拍摄的最佳图像。

2012年12月22日在中国、俄罗斯和日本的部分地方，天文学家观测到谷神星对一颗恒星的掩星。

在地球上拍摄到的质量最好的谷神星照片。

2014年天文学家发现谷神星有很稀薄的大气层（也称外逸层或外大气层），该发现被赫歇尔空间望远镜证实。

2015年“黎明号”接近并环绕谷神星，在此期間向地球传回细节图像和大量科学数据。