胡中為

教授，南京大學(xué)天文學(xué)與空間科學(xué)學(xué)院，南京 210008

1 引言

開普勒推測在火星和木星的軌道間距內(nèi)應(yīng)當(dāng)有一顆未知的行星，按照提丟斯-波得定則推測，這顆行星的軌道長徑為2.8 AU，于是掀起搜尋熱潮。1801年元旦之夜，皮亞齊(G. Piazzi)首先發(fā)現(xiàn)一顆軌道長徑為 2.77 AU的谷神星(Ceres)，但它太小(直徑為952 km)，不是要搜尋的行星，而稱作小行星(Asteroid，Minor Planet)(圖1)。1802年，奧伯斯(H. Olbers)發(fā)現(xiàn)第二顆小行星——智神星(Pallas)，他提出，這兩顆小行星是一顆行星瓦解的碎塊，建議尋找附近更多碎塊。他于1807年3月29日發(fā)現(xiàn)第四顆小行星——灶神星(Vesta)。隨后，越來越多的小行星被發(fā)現(xiàn)，大多運(yùn)行于火星和木星軌道之間的“小行星主帶”上，估計(jì)可能有百萬顆，但總質(zhì)量僅約為月球質(zhì)量的 4%。其中最大的谷神星約占總質(zhì)量的1/3，其次是灶神星占9%，再次是智神星占7%，但智神星(直徑為 545 km)略大于灶神星(直徑為525 km)。

圖 1 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡所攝灶神星(左上)、谷神星(左下)跟月球(右)的實(shí)際大小對比

軌道特性(半長徑、偏心率和傾角)相近的小行星構(gòu)成小行星族，以族中最大的小行星命名之。同族的大多小行星常有相似的光學(xué)性質(zhì)，多數(shù)可能是同一母體碎裂出來的，少數(shù)是外來的“入侵者”。灶神星族在主帶內(nèi)側(cè)，其核心的最小與最大軌道半長徑為2.26 AU與2.46 AU；偏心率為0.075與0.122，傾角為5.6°與7.9°，主帶小行星的6%(6 000多顆)屬于此族，一般直徑都是10 km以下的，其中最亮的是1929 Kollaa和 2045北京。小行星也按照它們的表面成分和光譜特性劃分類型，常見的兩大類是 C(碳質(zhì))類和S(石質(zhì))類。C類的反照率低(0.05)，光譜類似于碳質(zhì)球粒隕石，谷神星屬此類且紅外光譜有H2O吸收帶；S類的反照率較高(0.18)，光譜類似于普通球粒隕石和石鐵隕石。灶神星的光譜類似于特型的玄武巖無球粒隕石，經(jīng)歷過顯著的加熱和分異。有類似光譜的小行星稱為“V型小行星”，它們的反照率高(0.423)，大部分是灶神星族的；但有些的軌道偏心率和傾角類似于灶神星，而軌道半長徑介于2.18 AU與在2.50 AU的扣克伍德空隙(Kirkwood gap)之間，暗示它們來自灶神星的外殼，可能是灶神星在過去遭受一次大撞擊拋出來的，諸如近地小行星3908 Nyx、3551 Verenia和4055麥哲倫。

“HED隕石”是古銅鈣長無球粒隕石(Howardite)、鈣長輝長無球粒隕石(Eucrite)和奧長古銅無球粒隕石(Diogenite)三種隕石的總稱(圖2)，它們占所有發(fā)現(xiàn)隕石的5%。因?yàn)樗鼈兊墓庾V類似于灶神星，推測是來自灶神星的外殼。由這些隕石的放射性同位素年齡測定，灶神星形成在44.3億～45.5億年之前，很快(僅300萬年)發(fā)生分異。灶神星遭受巨大撞擊而拋射出一些碎塊成為灶神星族的小行星，另外一些散布為V型小行星，而且可能經(jīng)多次撞擊，有些巖石碎塊隕落到地球而成為 HED隕石。這些事件發(fā)生至今不超過10億年。根據(jù)宇宙射線暴露年齡的測量，多數(shù)的HED隕石來自幾次不同型態(tài)的撞擊事件，且在太空中運(yùn)行了600萬～7 300萬年才隕落到地球。

圖2 HED隕石示例

2 黎明號飛船探訪灶神星

2006年國際天文學(xué)聯(lián)合會大會把谷神星、冥王星和鬩神星劃為首批“矮行星”成員，并有包括灶神星的多顆候選者。矮行星成為當(dāng)代熱門的探測和研究對象，很多奧秘還有待揭示。近些年來，灶神星和谷神星倍受關(guān)注，因?yàn)橛芯€索表明它們可能是遺留的原行星，保留有行星形成及早期演化過程和事件的記錄；但許多問題都需要飛船去親臨探明。黎明號飛船的使命就是仔細(xì)探測這兩顆最大的殘留原行星，以便了解行星形成的條件，作為類地行星“建筑磚塊”的性質(zhì)，以及比較它們的形成和演化過程而了解控制演化的機(jī)制是什么，主要問題是大小和水在行星形成演化中的作用。

黎明號飛船上安裝有3個(gè)離子推進(jìn)器和2個(gè)巨大的太陽能板，雙翼間距近20 m，足以提供穿越太空的能量。黎明號還載有兩架同樣的攝像機(jī)、可見光和紅外光譜儀、伽馬射線和中子探測儀等。同一套儀器先后探測灶神星和谷神星，更有利于對它們進(jìn)行比較研究(圖3)。

黎明號飛船于2007年9月27日發(fā)射升空；2009年2月17日經(jīng)火星附近完成引力助推；2011年7月16日進(jìn)入環(huán)繞灶神星的初始軌道，12月5日到繞灶神星的最低軌道；進(jìn)行1年多的灶神星探測后，于2012年9月5日離開繞灶神星的軌道，向谷神星飛去；預(yù)計(jì)于2015年2月飛臨谷神星，開展繞谷神星半年多的探測，將于當(dāng)年7月結(jié)束主要使命(圖4)。

黎明號飛船發(fā)回灶神星的第一手寶貴資料中，新奇的發(fā)現(xiàn)令人震驚，大量的分析研究還在積極地進(jìn)行中。陸續(xù)公布的研究結(jié)果成為新聞的熱門話題，以前的一些推測得到進(jìn)一步證實(shí)，避免了某些貽誤。下面簡要地作些介紹。

圖3 黎明號飛船探訪灶神星(左)和谷神星(右)示意圖

圖4 黎明號飛船的航行路徑

3 灶神星的主要軌道特征和物理性質(zhì)

綜合多年來的大量觀測研究，得到如下灶神星的主要軌道特征和物理性質(zhì)。

灶神星繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道半長徑為 2.362 AU(3.532 68億km)，軌道橢圓偏心率為0.088 62，近日距為2.153 6 AU，遠(yuǎn)日距為2.571 AU，公轉(zhuǎn)周期為3.63年，軌道對黃道的傾角為7.134°。它是地球上看到的最亮小行星，離地球很近時(shí)肉眼可見。

灶神星的質(zhì)量為2.590 76×1020kg，形狀近似于572.6 km×557.2 km×446.4 km的扁球(圖5)，平均直徑為 525.4 km，平均密度為 3.456 g/cm3。其表面重力為0.25 m/s2，逃逸速度為0.36 km/s，因而撞擊碎塊易拋離出來。考慮到其南極區(qū)的大盆地和山丘及內(nèi)部的核、幔、殼結(jié)構(gòu)(圖6)，應(yīng)當(dāng)把它列入矮行星的合格候選者。它的自轉(zhuǎn)周期為5.342 h，自轉(zhuǎn)軸傾角約29°，順向自轉(zhuǎn)(自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)方向相同)。估計(jì)其表面溫度在-20℃(太陽直射處)與-190℃(冬季極區(qū))之間。

圖 5 黎明號所攝灶神星的合成像(最顯著特征是南半球的雷爾西爾維亞(Rhea Silvia)隕擊盆地及其巨大的中央山峰(下端)、“雪人(Snowman)”坑(左上)和平行的“農(nóng)神地槽(Saturnalis Fossa)”(右部))

圖6 灶神星的北半球(左)和南半球(右)地形假彩圖(從紅到紫色依次相應(yīng)于高到低。北半球的高度范圍從44.22 km到22.24 km，頂部三個(gè)隕擊坑呈“雪人”特征。南半球的高度范圍從42.28 km到23.65 km，隕擊盆地內(nèi)的山峰高度是地球上珠峰的2倍多)

4 灶神星的表面特征

在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡拍攝的灶神星圖像上，粗略地看到其表面有不均勻的特征(圖 1)，但不足以分辨細(xì)節(jié)。黎明號飛船近距離拍攝了大量圖片，揭示出灶神星表面的多樣復(fù)雜特征(圖5和6)。

4.1 隕擊坑

灶神星表面有大量隕擊坑，最顯著的是南極附近的雷爾西爾維亞(Rhea Silvia)隕擊坑(也稱為盆地)，其直徑為505 km。該坑的底部比地面約低13 km，而坑緣高出周圍4～12 km，高低總差約25 km(圖7)。該坑中央有突起的山峰，高于底部最低處23 km，而坑緣最高部高于底部最低處31 km。估計(jì)該次大隕擊開掘了約1%的灶神星體積，拋出的碎塊成為灶神星族的和 V型的小行星。若果真如此，至今遺留約10 km的碎塊(灶神星族小行星)的事實(shí)表明，該坑至多僅有10億年歷史，它也是 HED隕石的拋出處。實(shí)際上，所有已知的V型小行星一起僅約占拋出的6%，其余的或成為小碎塊，或被攝動而遠(yuǎn)遠(yuǎn)離去了。哈勃望遠(yuǎn)鏡所攝灶神星光譜分析表明，該坑穿過灶神星外殼好幾層，可能深到幔。該坑中央的山丘高度為20～25 km，寬度180 km。該坑還覆蓋一個(gè)幾乎直徑395 km大而較老的Veneneia隕擊坑(盆地)。

圖7 灶神星的南極區(qū)

灶神星還有幾個(gè)直徑約150 km、深7 km的大隕擊坑。一個(gè)約200 km大的暗反照率特征以灶神星發(fā)現(xiàn)者奧伯斯命名，但在高程圖上未如新鮮隕擊坑那樣顯明，現(xiàn)在還不知道它的性質(zhì)，或許是一處老的玄武巖表面。

北半球有三個(gè)鄰近的隕擊坑組成的群，因其形貌而稱為“雪人坑”。從大到小，它們的正式命名分別是 Marcia、Calpurnia 和 Minucia(圖 8)。

圖8 “雪人”隕擊坑指三個(gè)鄰近隕擊坑群(圖左)

4.2 溝槽

灶神星的大部分赤道區(qū)被一系列同心溝槽(troughs)“雕刻”，它們有平的或彎的底和顯著的兩側(cè)壁，形如字母U，這是斷裂運(yùn)動分開的標(biāo)志，而不同于較簡單小行星(如愛神星)的溝槽那樣呈字母V形壁的地塹。最大的溝槽是“戴瓦麗亞地槽”(Divalia Fossa)，長465 km，寬10～20 km，深5 km。第二系列是對赤道傾斜的“農(nóng)神地槽”(Saturnalia Fossa)寬約40 km, 長約370 km。這些地槽的成因曾令人迷惑，合理的解釋是：在巨大隕擊產(chǎn)生雷爾西爾維亞和 Veneneia兩個(gè)大盆地時(shí)，強(qiáng)力的隕擊激波導(dǎo)致赤道區(qū)的大尺度斷裂，成為太陽系最長的大峽谷(圖9和10)。

圖9 赤道區(qū)的黑白照片(左)和假彩圖像(右)，包含“雪人”隕擊坑(左)和溝槽

4.3 表土和碎塊

灶神星的表面覆蓋著浮土，它們不同于月球或諸如系川(Itokawa)小行星的表土，這是因?yàn)榭臻g風(fēng)化作用不同。由于灶神星表面受到的很多隕擊是低速的，不會使巖石熔融和蒸發(fā)，因而灶神星表面沒有納米相鐵(nanophase iron)的明顯跡象。浮土的演化由角礫巖化作用與后來的亮、暗成分混合主宰。暗成分大概是因?yàn)槁淙氲暮嘉镔|(zhì)，而亮成分是灶神星原來的玄武質(zhì)浮土。

圖10 赤道區(qū)溝槽

已測定出V型小行星1929 Kollaa等有類似的堆積型鈣長輝長無球粒隕石成分。黎明號飛船所攝灶神星表面的光譜更好地匹配 HED隕石的光譜，因而進(jìn)一步確證大多灶神星族小行星、V型小行星和 HED隕石是灶神星受撞擊而拋出來的碎塊。

5 灶神星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與形成演化史

有些 HED隕石可能來自灶神星深部，可提供灶神星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地質(zhì)歷史的線索。237442號小行星1999 TA10的紅外研究暗示它來自灶神星的內(nèi)部。結(jié)合黎明號飛船的探測資料，可以推算出灶神星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖11)。它有金屬鐵-鎳的核，直徑為214～226 km，占總質(zhì)量的18%，往其外是橄欖巖石的幔和最外部的巖殼。只有類地行星和大的衛(wèi)星才存在這樣的核、幔、殼結(jié)構(gòu)。

灶神星外殼的成分按深度增加依次如下：

巖化的表土，是古銅鈣長無球粒隕石和角礫化的鈣長輝長無球粒隕石之源；玄武質(zhì)熔巖流，是無堆積的鈣長輝長無球粒隕石的一種源；輝石、易變輝石和斜長石組成的深成巖，是堆積的鈣長輝長無球粒隕石之源；富集斜方輝石大顆粒的深成巖，是奧長古銅無球粒隕石之源。

圖11 灶神星內(nèi)部的核、幔、殼結(jié)構(gòu)

基于作為大隕擊期間從灶神星外殼拋出碎塊的 V型小行星的大小和雷爾西爾維亞隕擊坑的深度，估計(jì)灶神星外殼的厚度大約10 km。

灶神星的地槽必定是斷裂所致的下降地形，說明灶神星有比其他小行星更復(fù)雜的地質(zhì)。如果灶神星保持球形，它必定會被分類為矮行星。只是由于其南極區(qū)受到大撞擊所致變形而未正式作為矮行星。撞擊導(dǎo)致灶神星自轉(zhuǎn)速度改變及大地槽使長465 km、寬22 km、深5 km的“大峽谷(Grand Canyon)”矮化。

從隕石的分析研究得出，太陽系的最早固態(tài)物質(zhì)——碳質(zhì)隕石的富鈣鋁包裹體(CAIs)形成于45.67億年前，通常把它作為太陽系行星體吸積形成過程開始的時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)。由此算起，灶神星形成演化史的時(shí)間線如下：200～300萬年，灶神星完成吸積；400～500萬年，由于26Al的放射性衰變能量造成完全或幾乎完全熔融，導(dǎo)致分離出金屬核；600～700萬年，對流的熔融幔連續(xù)地結(jié)晶，到約80%物質(zhì)結(jié)晶時(shí)，對流停止；余下的熔融物質(zhì)或作為連續(xù)噴發(fā)的玄武巖流，或可能成為短壽的巖漿海，冷凝為外殼；外殼的較深層結(jié)晶形成深成巖，由于較新表層的壓力，較老的玄武巖變質(zhì)；內(nèi)部緩慢冷卻。

從有關(guān)的觀測證據(jù)和理論研究，建立了太陽系行星形成的“標(biāo)準(zhǔn)”模型(圖12)，其概要如下：轉(zhuǎn)動的原始太陽星云自吸引收縮，形成中央的“原太陽”(Protosun)和繞它轉(zhuǎn)動的星云盤；星云盤中的固態(tài)顆粒是形成行星的基本建造材料，顆粒先集聚為小的星子(planetesimal)，它們碰撞結(jié)合而增長為大星子，大星子的引力場足夠強(qiáng)而吸積遇到的顆粒及小星子，很快成為原行星或行星胎，它們相互撞擊和進(jìn)一步吸積而成長為行星；在離太陽近的星云盤內(nèi)區(qū)溫度高，只有塵物質(zhì)的凝結(jié)顆粒而形成巖體的類地行星；在星云盤外區(qū)溫度低，還有水等冰物質(zhì)參于凝結(jié)的顆粒，因而更快形成大的行星胎，并吸積氣體而成為類木行星；小行星是行星形成過程的半成品，由于星云盤外區(qū)大星子之間的引力攝動而使一些星子的軌道改變而經(jīng)過小行星區(qū)，吸積并帶走那里的建造材料，包括小的星子，使得原行星生長停頓在半成品狀態(tài)。灶神星就是僅以上述演化方式更新表面的已知原封原行星。然而，未識別出母體的鐵隕石和無球粒隕石的存在表明，曾一度存在有火成歷史的其他已分異的星子，后來被撞擊打碎。灶神星及其碎塊——HED隕石探測研究得到了很多過去不甚了解的寶貴新資料，有助于解決地球等行星的起源和早期演化的疑難。

圖12 太陽系的行星形成過程

深入研究已取得的灶神星探測資料以及將取得的谷神星探測資料，必將導(dǎo)致行星的形成演化研究的新突破。