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第五章 小行星群

太阳系中火星和木星轨道间有一个巨大的空隙。在行星距离都已准确测定后,当然要引起天文学家的注意了。当波德发表他的定律时,这就成了惹人注意的事件。是真的原有这空隙,还是因为填补这空隙的行星渺小得未被我们注意到呢?

这问题由意大利天文学家皮亚齐(Piazzi)解决了。他有一座小天文台在西西里(Sicily)的巴勒莫(Palermo)。他是一个热心的天文观测者,对于他的望远镜可以确定的恒星,他制作了一个恒星位置表。在1801年1月1日,他为新世纪行了开幕礼,在原先空无一物的地方发现了一颗星。这颗星不久就被证明了是寻觅了好久的行星。这颗星得到了个名字叫谷神星(Ceres)。

那时引起惊异的是,这颗行星竟然那样渺小,当知道了它的轨道以后,又发现其离心率很大。可是新的发现不久便来了。在这新行星被发现后还未完成一周公转时,不来梅(Bremen)的医生奥尔伯(Olbers)常利用闲暇时间作天文观测及研究,这时发现了在与前者同一天区内运转的另一行星。代替那一颗大行星的,竟然有了这两颗小行星。于是他提出意见,认为这些也许是一个行星的碎片,而假如真是这样,一定还可以发现许多。这个猜测的后半部分已经被证明是真实无疑了。在接着到来的3年中,又发现了两颗,一共是4颗小行星了。

这样过了约有40年。1845年,德国观测者亨克(Hencke)发现了第五颗。第二年加上了第六颗,于是开始了一连串不息的发现,一年一年增加下来,现在已经超过两万颗了。

猎取小行星

直到1890年这些天体的发现都是由于少数的观测者,他们特别注意去寻觅捕获这些小星,正如同猎者捕兽一样。他们也可以说是安置了陷阱,把黄道附近的天空小块天区的星画出图来,记得清楚了,再去守候那自投罗网的闯入者。只要出现了一个,这就是一颗小行星,于是猎者将它放进他的笼中。

约在1890年人们才发现摄影术是找到这些东西的更容易更有效的方法。天文学家把望远镜对准天空,开动定时装置,用较长的曝光时间(也许是半小时左右)为星摄影。真恒星一定在底片上现为小圆点,但假如碰巧行星在内,就一定会运动,它的影像就是一条短线而不是圆点了。天文学家用不着搜索天空只消搜索照片了,这工作容易得多,因为一颗行星可以从长尾巴上立刻认出。海德堡(Heidelberg)的沃尔夫(Max Wolf)用这个方法发现了500多颗小行星。

新近发现的小行星大半都是极暗弱的,而数目也好像随着暗弱的程度增长。平常推测有一万颗是在我们望远镜所及的范围以内。这些物体中的较大的也小得只能在平常望远镜中看成星似的点子,而它们的圆面即使用最有力的工具也不容易看出来。谷神星最大,直径有770千米。约有12颗直径超出160千米。最小的只能由其光度粗略地推算其大小了。它们的直径大概有32千米到48千米光景。

小行星的轨道

有的小行星的轨道的偏心率是很大的。例如希达尔戈星(Hidalgo)的轨道偏心率就是0.65,这就是说当在近日点时它离太阳比平均距离要近2/3,在远日点时要远2/3。它在离太阳最远的地方竟和土星差不多远了。

有的轨道的倾斜之大也是可注意的。有的超过了20度,希达尔戈星是43度。

那种认为这些东西也许是被一次炸裂所粉碎的行星残片的见解现已被抛弃了。那些轨道占领的边界太宽,如果这些小行星当初是一体的,不见得会这样的。依我们现代的哲学而言,这些东西从开始有时就和我们现在所见一样了。依星云假说的理论而言,所有行星的物质从前都是环绕太阳运行的云状物质的环。别的行星都是由于环中物质渐渐集中于环中最密的一点,因而成为一颗星。可是也许造成小行星的这一环不像那样集中而成了这些碎片。

依照钱伯林(Chamberlin)和莫尔顿(Moulton)的星子假说(planetesimal hypothesis),这些小行星是由于较少的比大行星小的星的碰撞而成的。因此其中就有些没有得到那近圆而偏斜的轨道,于是成功进行了许多次的碰撞。

“半成品说”理论则认为:约46亿年前太阳系形成的早期,太阳系由一团星云凝聚成天体。凝聚过程中有一部分形成大行星,有一部分没有形成大行星,分布在火星和木星的轨道之间,所以才有了小行星带。

轨道的分群

这些小行星的轨道有一特色,可以使我们对它们的由来得到一点线索。我曾经解释过:行星轨道都近似圆形,但太阳并不在圆心。现在且假想我们从无穷的高处俯视太阳系,再假定小行星轨道都可看成精细画出的圆圈。这些圆圈就要互相交错,像织网一样,形成一个较宽的环,环外边的直径几乎比内边直径加一倍。

图41 主小行星带(白色部分)

可是假定我们能把这些圆圈当作丝线圈拿起来,再重新布置一下使它们都以太阳为中心,却不改它们的大小,那些较大的轨道直径就差不多要比较小的加一倍,因此这些圆圈就要占据很宽的空间,如图41所示。奇怪的是它们并不平均分布于全部占有的空间,却集合成清楚分开的几群。这也在图41中显示着,并且又用不同的但更完全的方法在图42中表示着。图42的说明如下:每一行星都在一定的日期内围绕太阳公转一次,它离太阳愈远,这周期便愈长。因为轨道的全圆周是129.6万秒(360度),所以用这数目除以公转周期,得的商数就表示那颗行星平均每日运行多少角度。这角度就叫做该行星的“平均运动”(meanmotion)。小行星的平均运动约自300秒起到1 100秒以上,度数愈大,公转周期愈短,行星离太阳愈近。

现在我们画出一道水平线,在旁边标注度数,从300秒到1 200秒,每隔100秒画一格。在每一格中我们把所有平均运动在这以内的小行星都用小点画出来。

略微考察这幅图,我们就可以分出五六群来。最外层的约在400秒与460秒之间,离木星也愈近,公转周期也差不多要8年之久。以后是一道宽空隙,直到560秒,我们才又发现10颗行星在540秒与580秒之间。由此越靠近木星,行星数愈加增多,但在700秒、750秒、900秒旁却只有很少或简直没有。好了,奇怪的事就在这一点上:这些空隙都是行星运动恰与木星成一简单关系的地方。一颗平均运动为900秒的行星绕太阳一周的时间是木星的1/3,600秒的是1/2,750秒的是2/5。依天体力学定律,凡一颗行星与其他行星有上述的简单关系的会由于互相的作用而逐渐产生大的轨道变化。因此,第一个指出这些空隙的柯克伍德(Kirkwood)就假定这是因为空隙中原有的行星不能永久保持其轨道。但是,奇怪的是在通约数为木星2/3或相等的地方却不但没有空隙,反而有成群的行星,其中的原因尚不明了,有人给出了统计解释,认为通约数为1/4、2/7、1/3、2/5、3/7、1/2的地方与小行星的径向分布概率的零点相一致。

图42 小行星轨道的分布

爱神星

这些小行星中有一颗非常特别,因此我们也要加以特别的注意。1898年以前所知的数百颗小行星都在火星、木星轨道之间运行。但那一年的夏天,柏林的威特(Witt)发现了一颗行星在近日点时竟进入了火星轨道的内部——实际已在距地球轨道2 200万千米以内。他替它起名字叫做“爱神星”(Eros)。这颗行星的轨道偏心率很大,在远日点时又远远逃出了火星的轨道外。此外,这颗行星与火星的两轨道竟如同锁链的两环相结,因此,如果轨道都是铁丝的,就要连套在一起了。

图43 爱神星

这颗行星又由于轨道的倾斜,常脱出到黄道带的范围以外。当1900年接近地球时,它竟跑到北方去了,跑得那样远,在北纬中部都不见它落下地平线,而经过子午圈时也在天顶以北了。它的运动这样特别,无疑是我们不能早早发现它的一个原因。当它在1900年~1901年接近地球时,我们曾很仔细地考察了一下这颗爱神星,却发现它的光度每小时都在改变。细心地观察测出这种变光有规则的周期是5小时15分。早先有人就假定这颗星实际上是两颗星互相绕着转,可是更近似的猜测说这颗行星表面上有光明区和黑暗区,它的变光是由于向着我们的半球上明暗区域的变换。2 000年小行星探测器NEAR终于接近了爱神星,它发回的照片揭示了谜底——爱神星的亮度变化反映出它是一个40×14×14立方千米的表面起伏不平的柱体。

对于爱神星以外的小行星,也有人怀疑是由于绕轴自转而生的变光,但至今一切还未确定。

从科学观点看来,爱神星也是最有趣味的,因为它有时离地球那样近,它的距离就可以测得极其准确,而太阳的距离以及全太阳系的大小由此也可以比用其他任何方法测得更为准确。不幸的是它的最接近的时候却相隔很久。

在1900年爱神星离地球只有约4 800万千米。在1931年1月30日它的距离只有约2 600万千米,这比任何曾经接近过地球的行星都更近,虽然它还可以更近320万千米。

近地小行星

现在已经发现的数量众多的小行星中,大概1 400多颗是轨道可能与地球轨道相汇的近地小行星,这些小天体的轨道有可能与地球轨道发生交叉,其中500多颗直径约1千米的小行星中的任何一颗一旦撞击地球,将带来毁灭性威胁。

小行星撞击地球的可能性究竟有多大?平均几千万年发生一次灭绝人类的撞击,平均每十几万年发生一次危及全球1/4人口生命的撞击,平均100年发生一次大爆炸,如1908年通古斯大爆炸,爆炸当量相当于500~1 000颗广岛原子弹。幸好月亮和木星都是地球的天然保护伞,它们阻止了许多小行星小天体接近地球。

对小行星的防范工作包括建立起空间监测搜索网、努力去寻找尚未发现的近地小天体、测定这些天体的精确运行轨道等方面。

中国科学院国家天文台在1985年开始实施施密特CCD小行星计划,使用河北省兴隆观测基地60/90厘米施密特望远镜对小行星进行巡天观测。1995年开始的“近地小行星追踪计划”由美国GPL 和美国空军合作,使用美国空军在夏威夷毛伊岛地面电子光学深空监测站。1996年3月26日,罗马成立了一个“太空防卫基金会”,由各国在近地小行星领域工作的一些知名天文学家组成。这个基金会在全球范围内组成专用的望远镜观测网,对近地小行星和彗星进行系统搜寻和监测。

美国宇航局把更多的精力投入在观测和研究小行星的本质方面,是纯铁的多还是石铁混合的多,然后采取对策。一旦发现大约10千米的小天体有可能撞向地球,而且轨道越来越低了,这时候可以采取措施,放置太阳能帆板或大型火箭发动机,人为改变它的轨道,把近地小行星推离原来轨道。

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