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        奇特的小行星——灶神星

        2013-09-15 08:55:32胡中為
        自然雜志 2013年3期
        關(guān)鍵詞:球粒谷神星碎塊

        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),大多運行于火星和木星軌道之間的“小行星主帶”上,估計可能有百萬顆,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%。因為它們的光譜類似于灶神星,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,因為有線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個離子推進(jìn)器和2個巨大的太陽能板,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,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??紤]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)的事實表明,該坑至多僅有10億年歷史,它也是 HED隕石的拋出處。實際上,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)

        灶神星還有幾個直徑約150 km、深7 km的大隕擊坑。一個約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兩個大盆地時,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,這是因為空間風(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。暗成分大概是因為落入的含碳物質(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間基準(zhǔn)點。由此算起,灶神星形成演化史的時間線如下: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,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。

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