神秘的小行星帶與我們的太陽相隔多遠?看看天文學家怎麼說

2021-01-10 天文在線

在18世紀，對所有已知行星(水星、金星、地球、火星、木星和土星)的觀測使天文學家們發現了它們軌道間的一種特定規律。最終，這引出了提丟斯-波得定理，使科學家們能夠預測行星間的空間量。根據這條定理，實際觀測的火星與木星之間的空間距離與定理的推斷不相符，對此現象的調查引出了一個重大的發現。

最終，天文學家們發現火星與木星之間遍布著無數的小天體，他們被稱為「小行星」。這又導致了「小行星帶」一詞的出現，而該詞後來被廣泛使用。和太陽系中的所有行星一樣，它們圍繞太陽運行，並在太陽系的演化與歷史中扮演著重要的角色。

結構與構成：

小行星帶由數個大天體和數百萬個小天體組成。較大的天體，如穀神星、灶神星、雅典娜星和健神星，佔了該小行星帶總質量的一半，僅穀神星就佔了近三分之一。

此外，直徑大於100公裡的小行星有200多顆，直徑大於1公裡的小行星有170多萬顆。

穀神星與迄今為止發現的小行星相比，包括「黎明」號在2011年測繪的目標——灶神星。信貸：NASA / ESA /保羅Schenck

總的來說，小行星帶的質量估計是2.8×1021到3.2×1021公斤，相當於月球質量的4%。雖然大多數小行星是由巖石構成的，但其中也有一小部分含有鐵和鎳等金屬。剩下的小行星是由這些物質和富含碳的物質混合而成的。一些距離較遠的小行星往往含有更多的冰和揮發物，其中包括水冰。

儘管小行星帶中包含了數量驚人的天體，但主帶的小行星也分布在非常大的空間範圍內。因此，物體之間的平均距離約為965,600公裡(600,000英裡)，這意味著主帶主要由真空組成。事實上，由於小行星帶內的物質密度較低，現在估計探測器撞上小行星的機率不到十億分之一。

小行星帶的主要(或核心)數量有時被分為三個區域，這是基於所謂的「柯克伍德缺口」。1866年，丹尼爾·柯克伍德(Daniel Kirkwood)發現了小行星之間的距離差距，並以他的名字命名。這些差距與土星和其他氣態巨行星的光環系統相似。

起源：

最初，小行星帶被認為是一個更大的行星的殘餘，佔據了火星和木星軌道之間的區域。這個理論最初是由海因裡希·奧爾伯德斯(Heinrich Olbders)向威廉·赫歇爾(William Herschel)提出的，作為穀神星(Ceres)和雅典娜(Pallas)存在的可能解釋。然而，這一假設後來被證明有幾個缺陷。

首先，摧毀一顆行星所需要的能量是驚人的，而且暫時還沒有提出可以解釋這類事件的假設。其次，小行星帶的質量只有月球的4%(冥王星的22%)。與如此微小的天體發生災難性碰撞的可能性非常小。最後，小行星之間顯著的化學差異沒有指向一個共同的起源。

如今，科學界的共識是，這些小行星並不是由原來的行星分裂而成，而是來自太陽系早期的殘餘物，根本就沒有形成行星。在太陽系歷史的最初幾百萬年裡，引力的吸積導致了物質團塊從吸積盤中形成。這些團塊逐漸聚集在一起，最終達到流體靜力平衡(變成球形)並形成行星。

然而，在小行星帶的區域內，行星受到木星引力的強烈擾動而無法形成行星。因此，這些天體將像以前一樣繼續繞太陽公轉，只有一個天體(穀神星)積累了足夠的質量來達到流體靜力平衡。有時，它們會碰撞產生更小的碎片和塵埃。

在這段時間內，小行星受一定的溫度影響而融化，這使得它們內部的元素被質量部分或完全區分。然而，由於它們的規模相對較小，這段過程必然是短暫的。它很可能在45億年前結束，也就是太陽系形成後幾千萬年。

雖然這些小行星的存在可以追溯到太陽系的早期歷史，但它們如今的模樣並不是仍處於太陽系早期的樣子。自形成以來，它們經歷了相當大的改變，包括內部加熱、撞擊導致的表面融化、輻射導致的空間風化以及微隕石的撞擊。因此，今天的小行星帶被認為只包含了原始帶質量的一小部分。

計算機模擬表明，最初的小行星帶可能包含了與地球相當的質量。主要是由於引力的擾動，大部分物質在形成100萬年後被拋出，留下的質量還不到原始質量的0.1%。從那時起，小行星帶的大小分布被認為保持了相對穩定。

當小行星帶最初形成時，距離太陽2.7天文單位的溫度在冰點以下形成了一條「雪線」。從本質上說，在這個半徑之外形成的星子能夠聚集冰，其中一些可能提供了地球海洋的水源(甚至比彗星還多)。

與太陽的距離：

小行星帶位於火星和木星之間，距離太陽2.2到3.2個天文單位(AU)——3.29億到4.787億公裡(20443萬到2.9745億英裡)。據估計，它的厚度為1個天文單位(1.496億公裡，或9300萬英裡)，這意味著它所佔據的距離與地球到太陽之間的距離相同。

太陽系內部的小行星和木星：甜甜圈形狀的小行星帶位於木星和火星的軌道之間。來源：維基百科

小行星離太陽的距離(它的半長軸)取決於它分布在三個不同區域中的一個，這三個區域基於小行星帶的「柯克伍德間隙」(Kirkwood gap)。I區位於4:1共振和3:1共振的柯克伍德間隙之間，約為2.06和2.5 AUs(3至37.4億公裡；分別離太陽18.6億至23億英裡。

II區從I區末端延伸至5:2的共振間隙，即2.82 AU(42.2億公裡；遠離太陽。帶的最外面部分III區，從II區外沿延伸到2:1共振間隙，位於約3.28 AU(49億公裡；30億英裡)。

雖然許多太空飛行器已經到達了小行星帶，但大多數都是在前往外太陽系的途中經過的。直到最近幾年，隨著黎明號的任務，小行星帶才成為科學研究的焦點。在未來的幾十年裡，我們可能會發現自己把宇宙飛船送到那裡去開採小行星，收集礦物和冰，供地球使用。

作者： universetoday

FY: 火星蜘蛛

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