太阳系中的小天体——小行星

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太阳系是由太阳、八大行星及其卫星、矮行星、众多小天体及行星际物质组成的系统，是我们的家园。种类众多的小天体包括：小行星、彗星、流星体等，而小行星是其中数量众多且具有重要科学研究意义与应用价值的天体。本文首先对小行星的发现研究历史、轨道特征与分类、物理性质与化学组成、科学研究意义与应用价值几个方面进行综合阐述，之后的文章将针对小行星的观测发现方法和命名情况进行介绍。

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图1.太阳系

一、小行星的发现研究历史

1801年元旦之夜，意大利神父兼天文学家朱赛普.皮亚齐（Giuseppe Piazzi）通过望远镜在金牛座偶然发现了一颗在星图上找不到的星，后来它的运动轨道被著名数学家高斯及其他天文学家计算并精确确定后，被证认为第一颗被发现的小行星—谷神星（Ceres），它的直径约为一千公里，相当于月球直径的1/4（下图为2015年2月NASA的Dawn（曙光）探测器拍摄的谷神星照片）。但有趣的是，根据最新的太阳系天体定义，谷神星已于2006年被归类为了矮行星。小行星的英文asteroid来自于希腊语“像恒星的天体”，当然国际上也更常用广义术语minor planet（意为“较小的行星”）来表示它们。

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图2.朱赛普.皮亚齐

图3.谷神星

（NASA Dawn 探测器摄于2015年）

在此之后，随着天文观测技术的不断进步，人们利用大视场的观测搜索方法发现了数十万计的小行星，由隶属于国际天文学联合会（IAU）的国际小行星中心（MPC）负责其确认与发布，关于小行星的观测发现方法介绍请见后续文章详述。另外，小行星也是少数能够由其主要发现者给予国际公认命名的天体，关于其命名情况及规则的介绍也请见后续文章详述。

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二、小行星的轨道特征与分类

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主带小行星

绝大部分（~90%）的小行星分布在火星与木星轨道之间的小行星带上，称为主带小行星（main belt asteroids）。主带小行星距太阳一般为2.1~3.3AU（AU为天文单位，约为日地平均距离1.5亿公里），它们公转的方向大多与行星相同（自西向东），但轨道通常较扁，公转轨道和黄道面的夹角都小于20度，基本都在黄道面附近。

图4.主带小行星

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近地小行星

有少部分的小行星其轨道与地球轨道交错，称为近地小行星（near earth asteroids）。大部分已知的近地小行星都不大，不过如果地球受到它们的撞击，会带来很大的灾难。据估计，一颗一公里大小的小行星撞击地球，将会在地面产生一个直径100公里左右的巨大陨石坑，撞击所释放的能量相当于引爆了一百万颗百万吨级的原子弹！近地小行星按其轨道可细分为以下几种类型：阿登型（Aten），其轨道半长径a<1AU，远日点距离Q＞0.983AU（地球近日点距离），平均约一亿年会有一颗撞击地球，如Apophis（阿波菲斯）；阿波罗型（Apollo），其轨道半长径a＞1AU，近日点距离q＜1.017AU（地球远日点距离），平均10亿年会有3颗撞击，如Icarus（伊卡鲁斯）、Toutatis（图塔蒂斯）；阿莫尔型（Amor），其轨道近日点距离1.017AU＜q＜1.3AU，平均10亿年会有1颗撞击，如Eros（爱神星）；还有新发现的一类阿提拉型（Atira）近地小行星，其轨道远日点距离Q小于0.983AU。

图5.近地小行星

图6.近地小行星

2012 QG42

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其它轨道的小行星类型

在其它行星（如木星）轨道的拉格朗日点上运行的小行星被称为特洛伊小行星（Trojan asteroids）；位于土星和天王星之间的小行星有一群被称为半人马小行星群（Centaurs）的小行星；还有位于遥远的海王星轨道以外柯伊伯带（Kuiper Belt）中的小行星等。

图7.在木星轨道的拉格朗日点运行的特洛伊小行星

三、小行星的物理性质与化学组成

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质量与大小

小行星的体积和质量比行星小的多，其总质量仅为地球质量的万分之四左右，而且估计前四颗小行星：谷神星、智神星、婚神星、灶神星集中了该质量的80%（注意谷神星已为归类为矮行星），剩余的质量就更小了。小行星的直径多数在1千米以下，大个头的很少，如果将所有小行星加在一起组成一个单一的天体，其大小会比月球还小，直径不到1500公里！

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形状

小行星的形状很不规则，曾经唯一呈球形的谷神星已为划为矮行星了。它们有的像一个长长的土豆、有的像根大骨棒、有的像块石头，而且其表面粗糙，有撞击坑痕迹。小行星一般也有自转，周期一般为2~16小时，自转轴有各种取向。

图8.爱神星 Eros

（近地小行星会合-舒梅克号（NEAR）拍摄）

图9.艾达Ida及其卫星

（伽利略号探测器拍摄）

图10.近地小行星2014 JO25

（深空网络70米雷达天线拍摄）

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化学组成

小行星按其含有的化学成分主要可分为：C类（约占75%）：主要包含碳质，其构成与碳质球粒陨石类似，一般多分布于小行星带的外层；S类（约占17%）：主要包含硅酸盐或岩石物质，一般分布于小行星带的内层；M类：含有较多的铁镍等金属成分，可能是过去较大小行星的金属核，是目前小行星采矿所关注的类别。

四、小行星的科学研究意义与应用价值

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理解太阳系的形成演化过程

天文学家认为小行星是太阳系形成过程中没有形成行星的残余物质，它们由于各种原因不能被更大质量的天体吸附吞噬，从而散落在太空。由于小行星质量小，所以它们没有足够的能力改变自身的形态和物理特征，因而保存着太阳系早期历史的大量原初信息，是研究太阳系形成与演化的太空“标本”。目前人类可以通过空间探测器对小行星进行近距探测甚至接触采样研究，如我国的嫦娥二号卫星在完成探月任务后就又近距离“拜访”了曾于2004年与地球“擦肩而过”的近地小行星“战神”（Toutatis图塔蒂斯）。

图11.图塔蒂斯 Toutatis

（嫦娥二号探测器拍摄）

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撞击预警

前文所述近地小行星有撞击地球的风险。据分析6500万年前著名的恐龙灭绝事件就可能是一颗10公里直径的小行星或彗星撞击地球从而导致整个生态系统发生全球性灾变的结果。与之类似的还有约2.5亿年前二叠纪末期的小行星撞击导致的90%的生物大灭绝，1908年发生于俄罗斯西伯利亚的“通古斯大爆炸”，以及于2013年2月发生在俄罗斯车里雅宾斯克的陨石陨落空爆事件。因此目前全球科学家逐步建立起了对这些“潜在威胁”天体的监测网络，2013年联合国大会第68届会议上批准成立了国际小行星预警网（IAWN），我国紫金山天文台盱眙观测站的近地天体望远镜也加入了该网络。

图12.已知的近地天体（NEOs）

图13.小行星撞击地球

（艺术假想图）

图14.恐龙灭绝可能源于小行星或彗星撞击地球

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小行星采矿

有些小行星的主要成分是铁和其它重要工业物质甚至贵金属（金银乃至钻石！），所以它们可以被看做漂浮在太空中的“矿山”。例如小行星1986DA，是一颗金属结构的小行星，估计含铁100亿吨、镍10亿吨、黄金1万吨、铂10万吨。近年来很多科学家和有眼光的商人将目光投到了对小行星矿藏的开采利用上，如美国的Planetary Resources 和 Deep Space Industries等公司和我国的“起源太空”公司，等。当然由于现阶段的开采成本和难度非常高，所以这应该是数十年的长期计划才能实现的。

图15.小行星开采

（艺术假想图）