谷神星.docx
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谷神星
谷神星
谷神星
曙光号在2015年2月19日拍摄的谷神星。
发现[1]
发现者
朱塞普·皮亚齐
发现日期
1801年1月1日
编号
MPC编号
谷神星（小行星1）
命名依据
刻瑞斯
其他名称
A899OF;1943XB
小行星分类
矮行星
主带
形容词
Cererian
轨道参数[2]
历元2009年6月18日
（JD2455000.5）
远日点
446,669,320 km（2.9858 AU）
近日点
380,995,855 km（2.5468 AU）
半长轴
413,832,587 km（2.7663 AU）
离心率
0.07934[2]
轨道周期
1680.5 日
4.60 儒略年
平均速度
17.882 km/s
平近点角
27.448°
轨道倾角
10.585°[2]（相对于黄道）
9.20°（相对于不变平面）[3]
升交点黄经
80.399°[2]
近日点参数
72.825°[2]
物理特征
赤道半径
487.3 ± 1.8 km[4]
极半径
454.7 ± 1.6 km[4]
质量
9.43 ± 0.07×1020 kg[5]
平均密度
2.077 ± 0.036 g/cm3[4]
表面重力
0.27m/s2
0.028g[6]
逃逸速度
0.51 km/s[6]
恒星自转周期
0.3781 d
9.074170 h[7][8]
转轴倾角
大约3°[4]
北极赤经
19h24min
291°[4]
北极赤纬
59°[4]
反照率
0.090 ± 0.0033 （几何）[9]
表面温度
最低
平均
最高
K
?
~167 K[14]
239 K[14]
光谱类型
C-型小行星[10]
视星等
6.7[11]至9.32[12]
绝对星等（H）
3.36 ± 0.02[9]
角直径
0.84"[13]至0.33"[6]
谷神星（英语、拉丁语：
Ceres），正式名称为第1号小行星谷神星（1Ceres），是在太阳系内已知最大的小行星，并且是唯一位于主带的一颗矮行星。
它于1801年1月1日被朱塞普·皮亚齐发现[15]，有长达半世纪之久的时间被称为第8颗行星。
它的名称源自刻瑞斯，是掌管植物生长、收获和慈爱的罗马神。
谷神星直径大约950千米（590英里），是小行星带中已知最大和最重的天体，它的质量占小行星带总质量的三分之一（32%）[16][17]。
最近的观测显示它外表呈现球状，这不同于其他较小且重力较低而呈现不规则形状的小行星[9]。
谷神星的表面可能是各种水冰和水合矿物（如碳酸盐岩和黏土等）的混合物[10]。
谷神星也出现了分化，有岩石化的核心和以冰为主的地幔[4]，表面可能有在液态水海洋下形成的海湾[18][19]。
从地球看谷神星，它的视星等在6.7至9.3之间变化着，这种光度太暗以致于不能用裸眼看见[11]。
在2007年9月27日，NASA发射了黎明号太空船前往探测灶神星（2011年7月抵达）和谷神星（2015年3月抵达）[20]。
发现[]
1772年，约翰·波得最先提出在火星和木星之间可能有一颗未知行星的猜测[15]，这主要是根据约翰·丹尼尔·提丢斯1766年提出的提丢斯-波得定则。
当时观察到已知的行星轨道半长轴长度之间有某种规律，但在火星和木星之间广大的空隙却破坏了这个规律[15][21]。
这个模式预测有一颗轨道半长轴为2.8AU的行星失踪了[21]，而威廉·赫歇尔在1781年发现的天王星[15]接近提丢斯-波得定则所预测在土星轨道外下一颗天体的位置。
因此，他们在1800年邀请当时知名的24位有经验的天文学家，共同规划有条不紊的来搜寻这颗建议中的星球[15][21]。
这个团队由MonatlicheCorrespondenz的弗朗兹·冯·札奇（FranzXavervonZach）领导，虽然没有发现谷神星，但稍后他们发现了几颗较大的小行星[21]。
皮亚齐的书描述谷神星的发现
皮亚齐是在西西里巴勒莫受邀参加搜寻工作的天学家之一，但是在他回复同意接受邀请加入这个团队之前，皮亚齐已经于1801年1月1日发现了谷神星[22]。
当时他在搜寻拉卡伊87，因为它没有出现在拉卡伊的黄道星表所列出的位置上[15]。
在这颗恒星的位置上，皮亚齐发现了一颗像恒星的会移动天体，起初他认为是一颗彗星[23]。
皮亚齐总共观测了谷神星24次，最后一次是1801年2月14日，他的观测因为生病才中断。
他在1801年1月24日公布了此一发现，但只是写信通知了两位天文学家：
他在米兰的同胞巴尔纳巴·奥里亚尼与柏林的约翰·波得[24]。
他在报告中说这是一颗彗星，“但是它的运动非常缓慢而且均匀，它让我数度想到应该不是彗星，而更像是其它种类的天体”[15]。
在4月，他将完整的观测报告送给巴尔纳巴·奥里亚尼、约翰·波得和在巴黎的拉朗德，这些资料都登载在1801年9月的《每月通讯》（MonatlicheCorrespondenz）[23]。
不久之后，由于地球在轨道上的运动，谷神星的视位置有了明显的改变，它的位置太靠近太阳的眩光中，所以其它的天文学家无法在当年结束之前确认皮亚齐的发现。
然而，间隔了这么久的时间，很难预测它确切的位置。
为了再次找到谷神星，当时年仅24岁的高斯发展出了一种有效的方法测量轨道[23]。
他将完整的三次观测资料（时间、赤经和赤纬），代入他自己暂定的开普勒定律。
在数学上，这意味着一个在空间中确定的圆锥曲线，将太阳当作圆锥曲线的一个焦点，和二次圆锥曲线上的三个交点（从地球视线的直线与本身运动的椭圆轨道交点），可以由经历的时间测量行星在弧线上的移动（弧长可以依据开普勒第二定律计算）。
这个问题会导出一个至八个解的方程式，但其中的一个解，地球的轨道是已经知道的。
而利用物理学的条件可以排除其余的六个解，得到解决的方案。
在这项工作中，高斯使用了他为此目地而创建的全面近似法[25]。
只用了几个星期的时间，他就完成路径的预测，并送交给冯·扎克。
在1801年12月31日，冯·扎克和欧伯斯在接近预测的位置上找回了谷神星[23]。
赫歇尔在1802年估计谷神星的直径是260千米，约翰·希罗尼穆斯·施罗特（JohannHieronymusSchröter）在1811年的估计则是2,613千米[26][27]。
命名[]
皮亚齐最初建议命名为刻瑞斯·费迪南多（CerereFerdinandea），来源于罗马神话中的谷物女神刻瑞斯及两西西里王国的费迪南多国王[15][23]。
但“费迪南多”不被世界上其他的国家接受，因此没被采用。
另外，该天体在德国曾被称为“赫拉”，但为时不长[28]。
在希腊，它被称为Δήμητρα（得墨忒耳），是与谷神星相同意义的希腊文；但在英文的语法中，Demeter是另一颗小行星小行星1108的名字。
形容词的格式是Cererian[29]或是罕用的Cererean[30]，是从拉丁文的所有格Cereris转换的[31]。
谷神星的符号是一把镰刀（
），与金星的符号相似（
），后者是象征女性的性别符号和维纳斯手中的镜子[23][32]。
1803年发现的元素铈就是以谷神星的拉丁名称Cerium命名的[33]。
同样是在1803年发现的元素钯，起初也相依据谷神星来命名，但在铈被命名之后，发现者改为依据在1802年第二颗被发现的小行星智神星来命名[34]。
地位[]
谷神星、地球和月球的比较图[35]
谷神星的归类已经变更过很多次，并且都是天文学家们的意见不和造成的。
约翰·波得相信谷神星就是那颗在火星和木星之间，距离太阳4.19亿千米（2.8AU）的“失踪行星”[15]。
谷神星被赋予一个行星的符号，在更多小行星被发现之前，谷神星（还有智神星、婚神星和灶神星）有将近半个世纪都以行星之名列在天文学的书表之中[15][23]。
然而当其他的天体陆续在同一范围内被发现，人们慢慢了解到谷神星只是许许多多相似类型天体的一位而已[15]。
威廉·赫歇耳在1802年创造小行星（类似行星的天体）这个名词来称呼这种天体[36]，并写道“它与行星们是如此的难区别，使用最好的望远镜也会以为是小行星”[37]。
作为第一颗被发现的小行星，以现代的小行星编号系统被列为小行星1号谷神星[36]。
在2006年，关于冥王星是不是“行星”的辩论，引发了谷神星是否也应被重新归类为行星的问题[38][39]。
在国际天文联合会正式定义行星之前，行星曾被定义为“一个天体符合：
（a）有足够的质量，能以自身的重力克服刚体力，因此能呈现流体静力平衡的形状（接近圆球体）；（b）在轨道上围绕一颗恒星公转，而且不是一颗行星或卫星”[40]。
若依照这种定义，谷神星将会是从太阳系内侧按次序排列的第五颗行星[41]。
但是，这个定义并没有被接受，而且一个新定义于2006年8月24日生效：
“一颗行星符合（a）和（b），而且必须将邻近轨道上的天体清除”。
根据这样的定义，谷神星就不是一颗行星（因为它在小行星带上的轨道布满了千千万万颗小行星），并且现在归为“矮行星”（同时还有冥王星和阋神星），但并未说明它是否还是小行星的问题[42]。
天文学里也存在着小行星带彗星这种双重身份的天体，因此也不排除一颗矮行星可以有其它的名称[43]。
物理特性[]
最早发现的10颗小行星和地球的卫星月球的比较。
谷神星在最左边。
哈勃空间望远镜在2003和2004年间拍摄的谷神星，分辨率大约为30千米。
亮斑的本质未能确定。
谷神星是在火星和木星中间的小行星带内最大的天体[10]，古柏带中包含着更大的天体，包括冥王星和它的卫星凯伦、创神星和厄耳枯斯，而属于黄道离散天体的阋神星是所有小天体中最大的[44]。
谷神星的质量可以分析它施加在其它更小的小行星上的影响力得知，但是不同的研究者得到的结果都稍有不同[45]。
在2008年的三次最精确测量的平均值是9.4×1020 千克[5][45]。
谷神星的质量大约占了太阳系内小行星总质量3.0 ± 0.2×1021 千克的三分之一[46]，而这总共大约是月球质量的4%。
谷神星的大小和质量足以让它的形状接近球形[4]，也就是说，他接近于流体静力平衡。
而其它的小行星智神星[47]、婚神星[48]和健神星[49]，外形都是不规则的。
内部的结构[]
康奈尔大学的彼得·汤马斯提出谷神星有分异的内部[4]，因为对一颗未分异的天体来说它的扁率是太低了。
这表示它他有一个被含冰的地幔包覆的岩石核心[4]。
厚约100千米的地幔（占谷神星23-28%的质量，和约50%的体积）[50]）包含2亿立方千米的冰，这比地球上的淡水总量还要多[51]，此一结果得到凯克望远镜在2002的观测和演化模型的支持[5][18]。
同样的，在它的表面上也留下了一些历史的痕迹（距离太阳是如此的远，削弱了太阳辐射的影响力，使其在形成的过程中纳入了一些低熔点的成分），谷神星的内部可能有挥发性物质[5]。
另一方面，谷神星的形状和大小或许可以解释它内部的多孔性和只有部分的分异或是完全未分异。
只有一层冰存在于岩石的基础上，在重力上是不稳定的。
如果有任何的岩石矿床陷入一层分异的冰中，将形成盐类的沉积，而这些岩类是检测不出来的。
因此谷神星可能没有一个很大的冰壳，取而代之的是多水的成分和低密度的小行星。
放射性同位素的衰变也许不足以造成分异[52]。
表面[]
谷神星的表面成分大致上和C-型小行星相似[10]，但是仍然存在着一些差别。
谷神星的红外线光谱显示水合矿物是无所不在的，这显示在内部存在着大量的水。
其它可能存在表面的成分还有铁含量丰富的黏土（弹性绿泥石）和碳酸盐矿物（白云石和菱铁矿），它们都是碳质球粒陨石中常见的矿物[10]。
碳酸盐和粘土的光谱特征在其他C-型小行星里通常都不会出现[10]。
有时，谷神星会被分类为G-型小行星[53]。
相对来说，谷神星的表面是温暖的，在1991年5月5日它面向太阳一面的最高温度曾经在测量中被估计为235K（约-38°C）[14]。
考虑到当时的日心距离，估计在近日点的最高温大约是239 K[原创研究？
]。
图示显示出谷神星内部可能的结构。
谷神星的表面只有少数的特征被确实的观测到。
哈勃空间望远镜在1995年拍摄的高解析紫外线影像显示在表面有一个暗斑，被昵称为“皮亚齐”，以尊崇谷神星的发现者[53]，这被认为是一个坑洞。
之后，使用凯克望远镜的调适光学观察了完整的自转，并获得更高解析的近红外线影像，显示有一些明亮和黑暗的表面特征会随着这颗矮行星的自转一起运动[5][54]。
有两个形状是圆形的暗斑被假设是坑穴，而其中的一个被观测到在中央有明亮的区域，而另一个被确认就是“皮亚齐”[5][54]。
更多的特征出现在2003年和2004年由哈勃空间望远镜拍摄的完整自转照片上，显示有11个可以分辨的表面特征，但是目前还不清楚它们的本质[9][55]。
这些特征中的一个可以对应到较早之前观测到的“皮亚齐”[9]。
这些最后的观测还确定了谷神星的北极指向天龙座的方向，在赤经19 时24 分（291°），赤纬+59°。
这意味着谷神星的转轴倾角非常小，大约只有3°[4][9]。
大气层[]
有迹象显示谷神星有着微弱的大气层[56]。
在距离太阳5AU之内，天体表面的水冰是不稳定的[57]，所以当直接暴露在太阳辐射下时，它可以升华。
水冰可以从谷神星的深层迁移到表面，但是会在很短的时间逃逸。
结果是，很难检测到水汽的蒸发。
在1990年代的初期，有可能观测到水从谷神星的极地泄漏出来，不过没有办法证明。
也可能在新撞击火山口或是裂缝中检测到逃逸出来的水蒸气[5]。
国际紫外线探测卫星的紫外线观测显示在谷神星的北极检测到在统计上有意义的氢氧化物，是由太阳辐射的紫外线分解水蒸气的产物[56]。
轨道[]
图示是谷神星（蓝色）和几颗行星（白色和灰色）的轨道。
在黄道面下方的轨道以较暗的颜色表示，并以橙色+号标示出太阳的位置。
左上图是从天球北极鸟瞰的图，显示谷神星在木星换火星轨道间的位置。
右上图是显示火星与谷神星的近日点（q）和远日点（Q）的位置。
有趣的是，谷神星（和其它几颗最大的主带小行星）的近日点和火星是分别在太阳的两侧。
下图是透视谷神星、火星和木星轨道倾角的比较图。
谷神星的轨道介于木星和火星之间，位于小行星带的主带内，每4.6地球年绕行太阳一周。
轨道有些倾斜（i=10.6°，相较之下水星有是7°，冥王星有17°）和离心率（e=0.08，相较之下，火星是0.09）[2]。
在过去，谷神星曾经被认定是小行星家族中最大的小行星[58]。
这一家族的小行星共享着相似的轨道元素，表示这些小行星有着共同的起源，是在某一段时间经过碰撞后形成的。
但是，发现谷神星的光谱特性与家族中其他成员的不同，因此这个家族现在已经更名为吉菲昂族，是依据家族中序号最小的1272吉菲昂命名的[58]。
谷神星看来是这个家族的侵入者，恰巧有着相似的轨道元素，但来源是不同的[59]。
谷神星的自转周期（谷神日）是9小时4分[7]。
从谷神星看行星凌日[]
水星、金星、地球、和火星都是谷神星内侧的行星，因此都会有凌日的现象。
最常发生的是水星凌日，通常隔几年就会发生一次，最近的是2006年和2010年。
相应于金星的日期是1953年和2051年，对地球是1814年和2081年，火星则是767年和2684年[60]。
起源和演化[]
谷神星可能是尚存的原行星（萌芽期的行星），于45.7亿年前在小行星带中形成[61]。
虽然大多数内太阳系的原行星包括所有（月球-火星大小的天体）不是和其他的原行星合并成为类地行星，就是被木星弹射到太阳系外[61]，谷神星相信是留存下来较为完整的[18]（另一颗可能是原行星的是灶神星，它的体积更小，并在固化后曾遭受重大的撞击，损失它自身~1%的质量[62]），一个替代的理论则认为谷神星形成于古柏带，稍后才迁移到小行星带[63]。
谷神星的地质演化取决于形成期间和之后可用的热源：
来自微星吸积的摩擦力、各种不同放射性元素的可能包括短半衰期的元素（像是26Al）。
这些被认为已足以使谷神星在形成后不久分异为岩石的核心和冰的地幔[9][18]。
这种过程可能导制表面被水火山和地质构造重塑，消除了古老的地质容貌[18]。
由于它比较小，谷神星会比较快的冷却而有效的阻止导致早期地质结构重整的过程[18][19]。
任何在表面上的冰都会逐渐升华，留下各种的水合矿物，像是黏土和碳酸盐[10]。
今天，谷神星似乎是一颗地质处于非活跃状态的天体，表面可能只受到撞击的影响[9]。
大量的水冰存在于其组成内[4]，使得谷神星内部可能有一层液态水的存在[18][19]，这个假设的层或许可以称为海洋[10]。
如果有一层液态水存在，相信他会藉于古体的核心和冰地幔之间，就像在理论上存在于欧罗巴的海洋一样[18]。
海洋的存在更有可能将溶质（即盐、氨、硫酸或其它的防冻剂等成分）溶解在其水[18]。
观测[]
当谷神星在近日点附近冲时，它的视星等可以达到+6.7等[11]，一般认为对裸眼来说这样的光度还是太暗而难以见到，但视力特别锐利的观测者可能可以看见这颗矮行星。
谷神星在2012年12月18日的视星等可以达到+6.73等[12]。
亮度可以达到这种程度的小行星还有灶神星、智神星（在罕见的近日点冲）和虹神星[64]。
谷神星在合的时候光度是+9.3等，相当于使用10X50的双筒望远镜可以看见的最暗天体。
因此，当他在地平线上的任何时刻，只要天空够黑暗，都可以用双筒望远镜看见它。
观察谷神星的一些值得关注的里程碑包括：
∙1984年11月13日，在墨西哥、佛罗里达和加勒比海之间，观测到谷神星的恒星掩星[65]。
∙在1995年6月25日，哈勃空间望远镜的紫外线观测得到分辨率达到50千米的影像[53][66]。
∙在2002年，凯克望远镜使用调适光学得到分辨率30千米的红外线影像[54]。
∙在2003年和2004年使用哈勃空间望远镜观测，得到分辨率30千米的可见光影像（最好的资料）[9][55]。
探测[]
艺术家描绘下探测谷神星（右侧），灶神星和小行星带的黎明号太空船。
迄今还没有太空船曾经拜访过谷神星。
从在火星表面和轨道上环绕的太空船所发送的无线电讯号，观察火星受到谷神星的运动所诱导的摄动，曾经被用来估计谷神星的质量。
[46]
黎明号太空船被NASA在2007年9月27日发射，已经从2011年7月15日至2012年9月5日探测灶神星，[67]然后它继续前往谷神星。
它计划在2015年2月到达谷神星，将比新视野号太空船在到达冥王星之前早5个月。
[20]因此黎明号将是第一个在近距离研究矮行星的探测任务。
执行这项任务的黎明号太空船将会先进入高度5,900千米的轨道环绕谷神星，经过5个月的研究之后，太空船会先将高度降低至1,300千米，然后再经过5个月才降至700千米[68]。
这艘太空船携带的仪器包括框架相机、可见光和红外分光仪、伽玛射线和中子侦测仪。
这些将用来审视这颗矮行星的形状和元素丰度[20]。
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