05 小行星 Asteroids

  一本關於行星的書如果不討論小行星，那它將是不完整的，因為小行星是內太陽系會撞擊行星的最常見物體(小行星撞擊比彗星撞擊常見10倍)。此外，最大的小行星穀神星已被正式歸類為矮行星。

  形狀、尺寸和成分

  穀神星是美國宇航局黎明號宇宙飛船的目標，它將在2015年環繞穀神星運行5個月[1]。在那之前，黎明號已經在灶神星度過了從2011年7月開始的一年。灶神星是第二大小行星。一些較小的小行星已被宇宙飛船訪問過，並由宇宙飛船提供的圖像(圖25)證實了它們的形狀是不規則的。

  每50顆小行星中大約就有1顆可能擁有自己的衛星。幸運的是，當伽利略號在1993年飛過第二顆小行星艾達(Ida)時，發現艾達就有。這是第一顆被證實有衛星的小行星。隨後，通過先進的望遠鏡技術，如可以補償地球大氣閃爍的自適應光學望遠鏡，人們又發現了更多擁有衛星的小行星。小行星衛星的大小從相對較小到與主星相似都有。事實上，名為休神星(Antiope)的小行星似乎是由兩顆相互環繞的天體組成。它們的大小難以分辨，都在110千米左右，但中心距離只有170千米。迄今已知兩顆小行星各有兩顆小衛星。一些小行星的衛星可能是碰撞出的碎片，另一些則可能是被捕獲的物體，但這兩種說法都有些勉強，因為很難解釋為什麼這些「衛星」繞小行星的軌道運行而不飛散。

  圖25　不同規模的小行星的圖片。上部：艾達，一顆直徑為54 千米的主帶小行星，它的小衛星艾衛（Dactyl）在它的右邊。左下：愛神星（Eros），一顆直徑為33 千米的近地小行星。右下角：絲川（Itokawa），一顆直徑為0.5 千米的越地小行星。艾達和愛神星上有許多可見的隕石坑，小得多的絲川上則布滿了石塊

  

  測量出小行星的密度在1.2~3.0 g/cm3之間。石質隕石顯然是小行星的碎片，但其密度約為3.5 g/cm3，石質鐵隕石的密度更是接近5.0 g/cm3，由此可知，所有被測量的小行星都不可能是完整的固體，它們一定是多孔的碎石堆。一些測量過的小行星，如2005年日本探測器隼鳥號(Hayabusa)造訪的絲川(圖25)，以及其他由隼鳥號雷達確定出形狀的衛星，似乎是由兩個主要的團塊通過狹窄的腰部連接而成的「相接雙星」(contact binaries)。然而絲川表面眾多的巨石表明，這兩個主要的團塊本身也由許多分塊組成。

  小行星的顏色並不鮮艷，但還是可以根據它們的反射光譜對其進行分類，並主要可將其分為三種類型。S型小行星具有矽酸鹽岩石的特徵，與石質隕石具有明顯的同源性。軌道與太陽距離在2.0~2.6 AU之間的小行星大多數是S型小行星。而在距太陽2.6~3.4 AU之間，最為常見的是具有碳質球粒隕石特徵的C型小行星。軌道距太陽超過3.4 AU的小行星趨向於暗紅色，這些小行星被稱為D型小行星。D型小行星可能是長期暴露於太陽輻射(空間風化)期間，被含碳物質形成的焦油狀表面殘留物著色。這些焦油狀的物質通常被稱為「托林(tholins)」，是美國天文學家卡爾·薩根(Carl Sagan， 1934—1996)從古希臘單詞「mud」中創造出來的一個術語。

  散布在各處的小行星似乎主要是金屬的(M型)，它們顯然與鐵隕石有關。少數小行星表面似乎有玄武岩，特別是灶神星。這些小行星是V型小行星。這些小行星或者其現在支離破碎的母體，可能曾經有足夠的溫度來進行內部熔化和火山爆發。

  小行星的軌道

  大多數已知小行星的質量相當於月球質量的4%，它們的軌道位於火星和木星軌道之間，也就是所謂的「小行星帶」。超過3000顆主帶小行星已被記錄在案。主帶小行星一半以上的質量集中於四顆最大的小行星：穀神星、灶神星、智神星(Pallas)和健神星(Hygeia)，它們的直徑分別為950千米、530千米、540千米和430千米。灶神星的密度比智神星大，所以雖然它的體積略小，但質量更大。未被發現的小行星的大小從單個岩石塊大小到塵埃顆粒大小都有。然而，小行星帶實際上是一個空空蕩蕩的空間，你不要認為它充滿了相互碰撞的岩石。所有通過小行星帶發射的太空探測器都安然無恙，甚至必須細心操作才能與任意一顆小行星接近，以便經過時能對小行星進行研究。

  木星的引力會對主帶小行星的軌道產生相當大的影響。值得注意的是，木星的引力可以防止小行星進入會與木星自身周期產生共振的軌道，因此，幾乎沒有任何小行星的軌道周期與木星的軌道周期是簡單的4∶1、3∶1、5∶2或2∶1的關係，這些關係分別對應與太陽的平均距離(軌道半長軸)為2.06AU、2.50AU、2.82AU、3.28 AU的區域。這些區域中沒有小行星存在，因此被稱為「柯克伍德縫隙(Kirkwood gap)」，以1886年發現並解釋這一現象的美國天文學家丹尼爾·柯克伍德(Daniel Kirkwood)的名字命名。然而，並不是所有的共振軌道都是不穩定的小行星軌道，事實上有一小部分小行星的軌道周期是木星的三分之二(3∶2的軌道共振)。

  與木星軌道周期相同的小行星有很多。在這群小行星中，直徑超過1千米的可能有100多萬顆，總質量約占主小行星帶的五分之一。發生這些情況的區域只分布在木星自身軌道前60°和後60°的範圍內。這些地方很特殊，小天體可以在太陽和木星的引力下穩定地繞軌道運行，這裡被稱為前拉格朗日點和後拉格朗日點。按照慣例，這些軌道上的小行星以特洛伊戰爭英雄的名字命名(軌道在木星自身軌道前60°區域的小行星以希臘名字命名，軌道在木星自身軌道後60°區域的小行星以特洛伊戰爭英雄名字命名)，但統稱為「特洛伊型小行星」。

  末日降臨

  已經知道有一些小行星與火星有類似木星的「特洛伊」關係(小行星的軌道周期與火星軌道周期相同)，但地球沒有特洛伊伴侶。有一些小行星的軌道與我們的軌道相交，被稱為越地小行星。你可能會擔心，越地小行星或許會與地球發生有些嚇人的碰撞，但其實小行星的軌道往往與黃道有交角，所以當它們穿過我們的軌道時，它們幾乎總是「高於」或「低於」我們。只有其中一部分越地小行星被視為潛在威脅小行星(Potentially Hazardous Asteroids，PHAs)。這些小行星以小於0.05 AU的距離通過地球(這個範圍太近了，如果有第三個天體引起的攝動，可能最後會引發小行星和地球的碰撞)，並且有著150米以上的直徑(足夠大，能不減速地通過大氣層)。到2009年底，我們大約記錄了1100顆潛在威脅小行星，以及不到100顆有潛在危險的彗星。

  通過計算得到的最接近潛在威脅小行星的是毀神星(半徑為350米)，它將在2029年4月13日(星期五)非常接近地球。在它於2004年被發現後不久，毀神星的軌道還鮮為人知(其與地球發生碰撞的概率被估算為2.7%)，但隨後一系列更長時間的觀測表明，毀神星將安全地在離地球地面約3萬千米的地方通過。毀神星將在2036年4月13日再次返回，但由於我們不知道它在2029年經過地球時與地球的距離，所以我們也不知道它的軌道在這次相遇中受到地球引力的影響有多大。然而，毀神星與地球在2036年發生碰撞的可能性還是微乎其微。

  如果有小行星不減速地穿透地球大氣層，那將是非常危險的。小行星一旦撞擊海洋，就可能引發海嘯；一旦撞擊陸地，就會撞出一個比自身大得多的坑，並摧毀周圍地區。近日，在太平洋最南端的別林斯高晉海海底(the Bellingshausen Sea)發現了一個距今220萬年，長130千米的隕石坑，名為埃爾塔寧隕石坑(Eltanin)。這個隕石坑顯然是由直徑幾千米的小行星造成的。在撞擊海床之前，這顆小行星的速度幾乎沒被海洋減緩，更不用說大氣層了。計算機模型顯示，這顆小行星撞擊貝林豪森海底引發的海嘯會摧毀智利南部海拔300米的海岸和紐西蘭海拔60米的海岸。此次撞擊向大氣排放的水和塵埃數量之大甚至可能觸發氣候變化，這也導致了我們的祖先——直立人[2]，大約在這個時期離開了非洲。另一次碰撞發生在地球和一顆10千米長的「恐龍殺手」小行星之間。碰撞發生在6500萬年前，形成了直徑200千米的奇克蘇魯伯隕石坑(Chicxulub crater)。這個隕石坑現在被埋在墨西哥尤卡坦半島(the Yucatan peninsula of Mexico)的沉積物下面。這次碰撞引發了一場全球環境劇變。人們普遍認為這是導致「大規模滅絕事件」的原因，當時地球上約有75%的物種滅絕。

  幸運的是，這種規模的災難非常罕見，但統計數據顯示，小行星撞擊與火山爆發、地震和極端天氣事件一樣，都是潛在的「末日」原因。直徑1千米的小行星平均每20萬年撞擊一次海洋，能摧毀距撞擊點3000千米的海岸。直徑為200米的小行星撞擊大約每1萬年會發生一次，但其引發的海嘯半徑要小得多。

  為了對每一顆潛在威脅小行星所造成的危害進行分類，天文學家們使用了一個名為「都靈風險標度(the Torino Scale)」的數值系統。這個系統是在都靈的一次會議上達成一致，並因此得名的。這個數值系統將小行星傳遞的能量和與地球碰撞的可能性整合在一起，對潛在威脅小行星會造成的危害進行分類，用從0~10的單一數字表示。0表示發生碰撞的可能性微乎其微，而且(或者)小行星穿透大氣層的可能性低到可以忽略。10代表這是會導致全球災難的「恐龍殺手」 小行星。大多數直徑超過150米的潛在威脅小行星在被發現時，其「都靈風險標度」數值為0或1，但當充分研究過它們的軌道之後，1通常被降級為0。毀神星曾短暫擁有過「都靈風險標度」的最高紀錄——4級。4級代表「近距離接觸」，值得天文學家們注意；大於1%或更大的碰撞機會，可造成區域破壞。但在2006年，毀神星的「都靈風險標度」被降至0級。

  一個被稱為「太空衛士」的半正式的天文台網站承擔了定位和分類所有潛在威脅小行星的任務。這一點很重要，因為對大多數的自然災害來說，我們所能做的只是減輕影響，但是我們有可能防止潛在的小行星碰撞威脅。為了達到這個目的，我們有必要改變潛在威脅小行星的速度或它的運動方向，這件事的完成時間越提前，所需的動作就越小。有很多種方法可以做到這一點：可以簡單粗暴地給潛在威脅小行星裝備火箭發動機；也可以用更微妙的策略，在潛在威脅小行星的一面塗上一層反射物質，讓太陽輻射壓為我們工作。用核彈炸開進入地球大氣層的潛在威脅小行星並不是一個明智的選擇，因為除非能保證所有的碎片都很小，無法穿透大氣層，否則這樣可能會造成多重影響，使問題變得更糟。

  小行星礦業

  雖然希望很小，但有人認為小行星可能是寶貴的原材料來源。一顆直徑為1千米的M型小行星所含的鎳和鐵的量超過整個地球一年的消耗量。最典型的例子是靈神星(Psyche)，其所含的鎳和鐵的量足以滿足地球上數百萬年的消耗。小行星，尤其是M型小行星，也含有鉑等貴金屬。

  開採第一顆小行星的初期投資會非常大，但潛在的回報也是巨大的。小行星的主要價值到底是為地球提供原材料還是為太空工業提供原材料，這還有待觀察。一些近地天體很可能是已停止運轉的彗星，它們的塵埃表面下殘留著水冰。這些水冰可以用作推進劑、輻射屏蔽以及飲用水。

  名稱和暫定名稱

  到1891年，人們已經發現了332顆肉眼可見的小行星，攝影技術的提升又使這一數字在10年內增至464顆。現在，已知的不同類型的小行星的數量已經超過100 000顆，並且每一顆都需要以某種方式進行標識。國際天文學聯合會有一個監督每一項新發現的臨時命名體系。臨時命名的規則是發現年份加上雙字母代碼以及數字下標，與發現日期和序列相對應。第一個字母(A-Y，沒有I)代表了小行星是在哪個半月內被發現的，A為1月1日至15日，B為1月16日至31日，以此類推，直到Y， Y為12月16日至31日。第二個字母代表小行星被發現的順序，從A到Z，沒有I，有25個選項。不夠用時加數字下標會增加一個周期為25的循環。因此，2011BA意為2011年1月16日至31日期間發現的第一個天體，2011BB是第二個，2011BA1是第26個，以此類推。要精確測定一顆小行星的軌道可能需要幾年的時間，但軌道被準確測定之後，這顆小行星就可以被授予一個永久性的名稱，代替臨時名稱。例如，毀神星最初被臨時命名為2004 MN4，表示它是在2004年6月16日至30日期間，被發現的第113顆小行星。

  發現團隊有著對小行星永久命名的特權。一些自動化巡天設備發現了如此多的新的小行星，以至於它們的管理者們樂於接受命名建議。永久名稱前要加上一個數字，這個數字在添加每個新名稱時按順序加入。因此，形式上我們有(1)穀神星、(4)灶神星、(99942)毀神星，等等。對於所有這些小行星來說，可用的神話名稱太少了，理論上幾乎任何名稱都是允許的，但這個名稱不能是貶義的，並且與近期的政治或軍事活動無關。我認識幾個有小行星以他們的名字命名的天文學家(是同事用他們的名字來給小行星命名的，你不能用自己的名字給小行星命名)。有一顆小行星名叫(5460)Tsenaat'a'i，在納瓦霍語中是「飛石」的意思。我參與命名的唯一小行星是(57424)Caelumnoctu，是拉丁文「Caelum Noctu」，意為「夜晚星空」。這顆小行星在2007年被命名，是為了紀念英國廣播公司(BBC)長期播出的電視節目《夜空》(The Sky at Night)播出50周年。我們從列表中選擇這個名字是因為這顆小行星的編號對應了《夜空》第一次播出的日期——1957年4月24日(57/4/24)。

  [1]　本書成書於2010年，2015年黎明號如期抵星，並傳回了穀神星表面圖片。

  [2]　疑似原文有誤，普遍認為人類祖先為智人。