图解太阳系小天体（1）

文/ 叶楠

太阳系是我们赖以生存的恒星系统。太阳是这个系统毋庸置疑的核心，占据了太阳系总质量的99.86%。8颗大行星，5颗矮星系，超过百万计数的小行星及其它们的卫星，以及彗星和星际尘埃组成了余下的0.14%。过去的文章中我们曾对大行星探测进行过介绍。从本期开始，我们回顾人类对太阳系物质分布认识的发展，以及对小天体的空间探测历程。

太阳系的物质分布（上）

2006年，国际天文联合会会议决定对太阳系内天体进行重新分类，新命名一类矮行星，包括曾经作为1号小行星的谷神星、原九大行星之一的冥王星，以及近年才发现的阋神星、鸟神星和妊神星。这一改写教科书的决议并不是说太阳系本身有了什么变化，只是表明人类对太阳系有了更深的认识。在不断的观测实践中，天文学家不断做出新的发现，不断修改着之前的理论，不断拓展着我们对这个世界的认识，这一过程在天文学发展史上不断上演。为了更加清晰的展现太阳系天体的发现及探测历程，我们先回溯到16世纪，看看那时人类认识的太阳系是什么样子。

哥白尼时代的太阳系模型

地球上的各个古老文明都有对太阳系行星的观测记载。受制于人眼的观测极限，自古以来人类都只能目视观测到水、金、火、木、土这5颗行星。通过这5颗行星的运行，人类又描绘出太阳系的模型图景。托勒密的地心说从公元2世纪一直占据着统治地位，直到1543年哥白尼发表《天体运行论》提出了日心说。1609年伽利略发明了天文望远镜并得到了更多的观测证据，人们才逐渐接受了日心说。图为德国绘图师塞拉里乌斯描绘的哥白尼日心说模型，从中可以看出当时人类认识的太阳系只包括日地月及5颗行星。

提丢斯-波得定则

基于日心说及数学和几何学的发展，天文学家已经可以精确的计算出行星到太阳的公转轨道半径。1766年，德国天文学家提丢斯在其翻译的一本著作中首次阐述了对行星轨道半长径的预言。他发现如果将太阳到土星的距离分成100份的话，那么水星距离太阳是4，金星是4+3=7，地球是4+6=10，火星是4+12=16，木星是4+48=52，土星是4+96=100，但是在地球与火星之间应该还有一个数字是4+24=28尚未发现任何天体。1772年，年仅25岁的波得在他出版的《星空知识指南》中引用了提丢斯的这一猜测。图为提丢斯-波得定则的公式形式，以及其预测与实际距离的对比。

提丢斯-波得定则：0.4+0.3×k

天王星的发现

在波得归纳出提丢斯-波得定则的同时，他还对土星外侧的天体进行了预测。从某种角度来说，波得是幸运的。因为当1781年威廉·赫歇尔通过望远镜首次发现天王星时，天王星正好位于距离太阳19.2天文单位处，这与提丢斯-波得定则中的预言相差无几。这一神奇巧合比高深的数学物理定律更能吸引公众的注意力，甚至“天王星”这个名字都是由波得来命名的。1786年波得荣升为柏林天文台台长，并一直干到了1825年。在波得逝世后，为纪念他，月球上的一座环形山以及998号小行星都以他的名字命名。左下图为赫歇尔发现天王星时使用的6.2英寸（15.7厘米）口径牛顿式反射望远镜的复制品；右下图为波得于1801年出版的著名星图《天象图》中的一页，这是一部后无来者的将精美的星座图案和精确的恒星位置巧妙融合在一起的珍贵艺术品。

谷神星和智神星的发现及其名分之争

天王星的发现使得提丢斯-波得定则声名鹊起，欧洲的天文学家们纷纷将目光聚焦到火星与木星之间那片空白的区域，这一次波得又是幸运的。1801年1月1日，19世纪到来的第一天，来自意大利的天文学家皮亚齐将望远镜指向了金牛座，发现了一颗新的天体，并命名为谷神星。当时年仅24岁的数学天才高斯计算出谷神星的轨道半径为2.77天文单位，与提丢斯-波得定则2.8天文单位的预言极其接近。当波得得知这个消息的时候就迫不及待地将之并入行星的行列。

1802年3月28日，德国天文学家奥伯斯在观测谷神星时意外发现了另一颗会移动的天体，并命名为智神星。高斯利用新方法很快计算出其轨道，但结果竟然也是2.77天文单位。同一轨道上出现两颗行星，这在当时简直是无法理解的事情，波得为了避免这种尴尬甚至说智神星是一颗彗星。这个时候，赫歇尔计算出谷神星和智神星的直径，发现各自都只有几百千米，比月球都要小得多，他认为它们都没有资格成为一颗行星，这在当时也引发了一场论战。奥伯斯提出过一个新奇的观点，他认为谷神星和灶神星都是一颗古老行星被摧毁后留下的残骸。在他给赫歇尔的信中表示在这附近必定可以搜索到更多的碎片。

1804年9月1日，德国天文学家哈丁在这片区域又发现了一颗轨道半长径为2.67天文单位的新天体，被命名为婚神星；1807年3月29日，奥伯斯再次发现了一个轨道半长径2.36天文单位的新天体，被命名为灶神星，这是这片区域发现的第四个天体。天文学家们也逐渐接受了赫歇尔的观点，将这些小天体通通贬为了“小行星”，与之对比传统的行星被称为“大行星”。

小行星带天体与化学元素命名

当1801年皮亚齐发现了谷神星后，整个科学界都对此非常兴奋。1803年一个新的化学元素被发现，为了向谷神星致敬，这个元素的拉丁文被命名为Cerium（谷神星的拉丁文为Ceres），中文名为铈。铈（左下图）原子序数58，是地壳中丰度最高的镧系及稀土元素，化学性质活泼，在空气中刀刮即可着火，铈铁合金常被作为打火石的主要成分。当第二颗小行星带天体智神星被发现后，同年第46号元素也被发现，它以智神星的拉丁文Pallas命名为Palladium，中文名钯。钯是一种具有光泽的银白色金属（右下图），主要用来制造处理汽车尾气的触媒转换器。除此以外还有一些化学元素与天文都有着关系，例如：氦Helium与太阳Helio，铀Uranium与天王星Uranus，镎Neptunium与海王星Neptune，钚Plutonium与冥王星Pluto，等等。

提丢斯-波得定则的证伪

无论是天王星的发现还是四颗小行星带天体的发现，似乎都证明着提丢斯-波得定则在冥冥中主导着太阳系的物质分布。但天文学家们也都知道在这一串数字背后并没有任何物理定律的支撑，这只是一个巧合而已。当1846年，人们在距离太阳30天文单位处发现海王星时，提丢斯-波得定则完全被证伪了。它的下一个数值预言的是38.8天文单位，与30天文单位相差甚远。对于内太阳系来说，这或许是一个神奇的近似公式，但对于外太阳系未来更多的发现可以说是谬以千里。不过波得自己却可以得意的度过一生，因为他在1826年就已经与世长辞了。然而颇为讽刺的是，人类第一次观测到海王星却是在波得曾经任职了40年的柏林天文台。

曙光号小行星探测器

至1807年，人类发现了小行星带内的4颗天体，而到了19世纪末数量快速增加至超过300颗，到今天已经发现了超过100万颗。2007年9月27日，美国发射了曙光号小行星探测器（左下图），主要探测目标是小行星带内最大的两颗天体——灶神星和谷神星。它于2011年7月至2012年9月围绕灶神星公转，从2015年3月开始环绕谷神星飞行，直至2018年11月停止通讯。右右图是“曙光号”于2018年传回的最后一批照片之一，这是一张伪彩色照片，揭示了谷神星刻瑞斯陨石坑内的亮斑及特殊的物质构成。

小行星带的发现进一步完善了太阳系的物质分布模型。谷神星的地位随着人类认识的变化而变化，从行星降级为小行星。而到了200年后的2006年，谷神星的地位再次发生了变动，从小行星又升级为矮行星。而20世纪初发现的冥王星在当了76年的大行星后被降级为矮行星。这背后隐藏着哪些新天文发现与故事呢？我们下期继续。