穀神星

穀神星是火星和木星軌道之間的主小行星帶中最亮的天體。它的直徑大約是，是海王星軌道以內最大的小行星。在太陽系天體大小列表排名第35，是在海王星軌道內唯一標示為矮行星的天體。穀神星由岩石和冰組成，估計它的質量佔整個主小行星帶的三分之一。穀神星也是主小行星帶已知唯一自身達到流體靜力平衡的天體。穀神星因其體積較小較為黯淡，視星等範圍在+6.7至+9.3之間，在近地點取得最大值，但若無極度昏暗的夜晚條件下，地球上也很難透過肉眼觀察到穀神星。1801年1月1日義大利人朱塞普·皮亞齊在巴勒莫首先發現了穀神星。最初將穀神星當成行星，但在相似的軌道上發現越來越多小天體，其在1850年代重新歸類為小行星。引力資料顯示穀神星內部存在區分，分別為岩石、核和冰的地函，冰層之下可能存在液態水的內部海洋。表面可能是水冰和不同的水合物礦物，像是黏土和碳酸鹽的混合物。在2014年1月，在穀神星的幾個地區都檢測到排放出的水蒸氣。然而一般只有彗星才會發出水蒸氣，在主小行星帶的大天體床通常不會發出水蒸氣，因此這項發現出人意料。美國NASA的空間探測器曙光號在2015年3月6日進入繞行穀神星的軌道。從2015年1月，曙光號就以前所未見的高解析度傳回影像，顯示表面有著坑坑窪窪。兩個獨特的亮點；也發現這些斑點與富含氨的黏土相關聯。2015年10月，NASA釋出了由曙光號拍攝的真實色彩穀神星影像。歷史.發現.約翰·波德在1772年率先提出在火星和木星軌道之間可能有顆尚未發現的行星。在1596年，克卜勒就已經注意到在火星和木星之間的差距；波德的想法源自提丟斯-波德定律 －在1766提出，現在已經喪失名譽的假說：觀察到當時已知行星軌道的半長軸，由於火星軌道和木星軌道的巨大差距，而沒有可遵循的規律模式。這個模式預測在軌道半長軸2.8天文單位之處應該有一顆行星存在。 赫歇爾在1781年發現的天王星位置靠近提丟斯-波德定律預測在土星之外的行星位置，增加了當時人們對這條定律的信心。在1800年，由《每月通訊》。然而，他們沒有發現穀神星，但稍後他們發現了幾顆較大的小行星。在西西里巴勒莫學院的天文學家朱塞普·皮亞齊，在接受這項邀請之前，就選擇了這項搜尋工作。他在1801年1月1日發現了穀神星。他在尋找尼可拉·路易·拉卡伊的黃道星表的第87顆星時，發現他看見的是另一顆不在星表上的星星。皮亞齊發現這是顆會移動的星，他首先想到的是彗星。皮亞齊總共觀測這顆星24次，最後一次是在1801年2月11日，因為生病中斷了他的觀測。他在1801年1月24日在信中宣佈了他的發現，但是隻給了兩位天文學家：他在米蘭的同胞和在柏林的約翰·波德。他報告說它像一顆彗星，“但是它的運動速度太慢，而且較為均勻。他曾經多次認為它可能是比彗星更好的東西”。在4月，皮亞齊送出了完整的報告給奧裡亞尼、波德和在巴黎的傑羅姆·拉朗德。這分資料刊登在1801年9月的每月通訊。不久之後，穀神星的位置改變了。這個問題會匯出一個至八個解的方程式，但其中的一個解，地球的軌道是已經知道的。而利用物理學的條件可以排除其餘的六個解，得到解決的方案。在這項工作中，高斯使用了他為此目地而建立的全面近似法。只花了幾個星期，他就將預測穀神星路徑的結果傳送給馮·扎克。在1801年12月31日，馮·扎克和歐伯斯就在靠近預測的位置附近重新找回了穀神星。早期的觀測者只能夠推算出穀神星大小的數量級。在1802年，赫歇爾低估了它的直徑為260公里，而施羅特在1811年高估為2613公里。命名.皮亞齊最初建議將它以農業女神刻瑞斯和西西里的費迪南多國王的名字結合，命名為刻瑞斯·費迪南多。但其它的國家不接受「費迪南多」，因而捨棄。另外，德國曾稱它為赫拉，但為時不長。希臘稱它為狄蜜特，是與羅馬的穀神有著相同意義的希臘文。狄蜜特在英文是小行星1108的名字。穀神星固有的天文學符號是一把鐮刀，但是圓圈是斷裂的。它有時會變為#重定向 ，源自「Ceres」首字母「C」。這些小行星符號後來都以編號序列取代#重定向 。在1803年發現的稀土元素鈰，是以穀神星命名的#重定向 。同年發現的另一元素最初也以穀神星命名，但在命名鈰後，發現者改以第二顆小行星智神星。分類.穀神星的分類已經變更過不止一次，但還是有不同的意見。約翰·波德相信穀神星是在於火星和木星之間，距離太陽4億1900萬公里達半世紀。穀神星附近陸續發現其它天體代表它屬新一類天體。1802年發現2 智神星，威廉·赫歇爾為這種天體創造名詞“小行星”，寫到：“它們像是小星星，即使用很好的望遠鏡也難以區別”。作為第一顆發現的這種天體，穀神星在現代的小行星序號系統獲賦予第1號。儘管1860年代沒有對行星精確定義或明確規範，但也普遍接受穀神星等小行星和行星間的基本差異。2006年圍繞著冥王星是否能列入行星的辯論重新考慮穀神星是否要改列為行星。之前提交給國際天文學聯合會的行星定義是這樣界定行星的：在繞行一顆恆星的軌道上，既不是恆星，也不是行星的衛星。這項提議如果透過，穀神星就會是從太陽算過來的第五顆行星。然而，這並沒有發生，在2006年8月24日透過的是修正案，要成為行星，還額外要求“清除圍繞在軌道附近的小天體”。根據這定義，穀神星不能支配其軌道，而與其它成千上萬顆小行星共用主小行星帶，並且只擁有帶中約三分之一的質量，故此不是行星。符合原始議案，但不符合修正案的天體，像是穀神星，重分類為矮行星。穀神星是主小行星帶中最大的天體。有時它被假設已經被重分類為矮行星，因此不再被認為是一顆小行星。例如，在space.com新上傳的資料就稱智神星是最大的小行星，穀神星以前是一顆小行星。有鑑於國際天文學聯合會的問題與回答公告狀態：“穀神星是最大的小行星”，然後它說“其它小行星”會穿越穀神星的路徑，這隱含著穀神星依然被認為是顆小行星。小行星中心注意到這個天體可能有雙重名稱。國際天文學聯合會在2006年將穀神星列為矮行星，但從未解決它是不是小行星的問題。事實上，在2006年之前國際天文學聯合會從未在任何場合定義“小行星”這個名詞，而在2006年之後寧可使用“太陽系小天體”和“矮行星”這兩個名詞。Lang在2011年評論：“國際天文學聯合會新增新的名詞給穀神星，把它列為一顆矮行星。……依據它的定義，鬩神星、妊神星、鳥神星和冥王星，以及最大的小行星，穀神星，都是矮行星”，並且在其它介紹它是“矮行星，第一號小行星穀神星”。NASA繼續指稱穀神星是一顆小行星，並置入各種學術教科書。天文學裡也存在著小行星帶彗星這種雙重身份的天體，因此也不排除一顆矮行星可以有其它的名稱。軌道.穀神星的軌道在火星和木星之間的主小行星帶內，其週期為4.6地球年。軌道有著適度的傾斜。圖說是穀神星的軌道火星的近日點和穀神星等幾顆較大的小行星，包括2智神星與10健神星，分列在太陽的兩側。底下的圖是側檢視，顯示穀神星相對於火星的軌道傾角。穀神星曾被認為是小行星家族的成員之一。這個小行星家族共享相似的固有軌道要素，這表示它們可能有著共同的起源，在過去的某一時間碰撞而形成。後來發現穀神星的光譜性質與家族的其他成員不同，現在這個家族已經依據序號最小的1272 吉菲昂重新命名為吉菲昂族。穀神星似乎只是這個家族的闖入者巧合的有著相似的軌道要素，但沒有共同的起源。穀神星的自轉週期是9小時4分鐘。穀神星與智神星有著近乎1:1的軌道共振；已經證實有50顆這種的小行星。特洛伊.已知穀神星有幾顆臨時的特洛伊小行星。穀神星的行星凌日.穀神星有優越的地位，可以看見水星、金星、地球和火星從太陽前方經過，也就是凌日的現象。最常發生的是水星凌日，通常每隔幾年就有一次，最近的是在2006年和2010年。最近的金星凌日發生在1953年，下一次會在2051年；地球凌日的相應日期是1814年和2081年；火星則是767年和2684年。地質.曙光號太空船測量穀神星的質量為，相較於主小行星帶的總質量3.0 ± 0.2×1021公斤，穀神星的質量約佔了三分之一，換言之，這大約是月球質量的4%。穀神星的質量大到可以達到流體靜力平衡，足夠形成近似球體的形狀。在太陽系的天體中，穀神星的尺度介於較小的灶神星和較大的特提斯之間，其表面積近似於印度或是阿根廷的陸地。表面.穀神星表面的化學組成大致上與C-型小行星相同，也存在著一些差異。穀神星的紅外線光譜顯示出水合的材料無所不在，表明其內部存在大量的水。表面可能的其它成分包括富鐵黏土礦物，都是碳質球粒隕石中常見的礦物。碳酸鹽巖和黏土礦物的光譜特徵通常在其它C型小行星中是所欠缺的。有時，穀神星會被歸類為G-型小行星一類。穀神星的表面是相對溫暖的。在1991年5月5日測定其日下點的最高溫度大約是235K。在這樣的溫度下，冰是不穩定的。在表面的冰昇華後所留下的材料，可以解釋穀神星何以會比外太陽系其它的冰衛星黑暗。曙光號觀測之前.在曙光號探測之前，已經清楚地檢測到穀神星表面的幾個特徵。在1995年，哈伯太空望遠鏡拍攝的高解析紫外線影像顯示表面有黑暗的斑點，並已被暱稱為皮亞齊以尊崇其發現者，這被認為是一個坑穴。稍後，凱克望遠鏡使用調適光學在近紅外波段的高解析觀測完整的自轉移動，顯示穀神星的表面有幾個黑暗的明亮的斑點。兩個圓形的黑暗特徵被推定為坑穴，其中一個被觀測到中央有著明亮的區域，而另一個就是皮亞齊。哈伯太空望遠鏡在2003年和2004年以可見光觀測自轉的完整影像，揭露出11個可以辨認的表面特徵，其中有些性質仍待測定，而其中一個特徵對應於之前所指認出的皮亞齊。最後的觀測顯示穀神星的北極指向赤經19h24m，這意味著轉軸傾角有4°。曙光號的觀測.曙光號觀測到大量的坑穴與不明顯的突起，顯示這些坑穴可能躺在較柔軟的表面，可能是水冰之上。其中一個直徑的坑穴，只有著極低的突起，讓人想起特提斯和伊阿珀託斯大而平的坑穴。意外的是大量穀神星的坑穴有中央的凹陷，而許多有著中央峰。曙光號觀測到幾個亮斑，最亮的斑位於直徑，被稱為歐卡託坑的中央。於2015年5月4日拍攝的穀神星影像顯示，第二亮的斑點實際上是一群可能多達10個分散亮點的集團。這些明亮特徵的反照率大約是40%，這是表面的一種物質，可能是反射太陽光的冰或鹽類。最有名的亮斑，"5號斑"會週期星的出現陰霾，支援這是某種釋氣或冰的昇華形成的亮斑。在2016年3月，曙光號在Oxo坑發現穀神星表面有水分子的決定性證據。噴射推進實驗室興奮的說：「這些水可以被束縛在礦物，或者是冰的形式。」在2015年12月9日，NASA的科學家報告說，穀神星的亮斑可能涉及某些鹽類，特別是表列出來的滷水，包括硫酸鎂、六水瀉鹽；這些斑點也發現與富含氨的黏土有所關聯。內部的結構.康奈爾大學的彼得·湯馬斯提出穀神星有分異的內部，因為對一顆未分異的天體來說它的扁率是太低了。這表示它他有一個被含冰的地函包覆的岩石核心。厚約100公里的地函)包含2億立方公里的冰，這比地球上的淡水總量還要多，此一結果得到凱克望遠鏡在2002的觀測和演化模型的支援。同樣的，在它的表面上也留下了一些歷史的痕跡(距離太陽是如此的遠，削弱了太陽輻射的影響力，使其在形成的過程中納入了一些低熔點的成分)，穀神星的內部可能有揮發性物質。另一方面，穀神星的形狀和大小或許可以解釋它內部的多孔性和只有部分的分異或是完全未分異。只有一層冰存在於岩石的基礎上，在重力上是不穩定的。如果有任何的岩石礦床陷入一層分異的冰中，將形成鹽類的沉積，而這些巖類是檢測不出來的。因此穀神星可能沒有一個很大的冰殼，取而代之的是多水的成分和低密度的小行星。放射性同位素的衰變也許不足以造成分異。大氣層.有跡象顯示穀神星有著微弱的大氣層。在距離太陽5AU之內，天體表面的水冰是不穩定的，所以當直接暴露在太陽輻射下時，它可以昇華。水冰可以從穀神星的深層遷移到表面，但是會在很短的時間逃逸。結果是，很難檢測到水氣的蒸發。在1990年代的初期，有可能觀測到水從穀神星的極地洩漏出來，不過沒有辦法證明。也可能在新撞擊火山口或是裂縫中檢測到逃逸出來的水蒸氣。國際紫外線探測衛星的紫外線觀測顯示在穀神星的北極檢測到在統計上有意義的氫氧化物，是由太陽輻射的紫外線分解水蒸氣的產物。起源和演化.穀神星可能是尚存的原行星，一個替代的理論則認為穀神星形成於古柏帶，稍後才遷移到小行星帶。穀神星的地質演化取決於形成期間和之後可用的熱源：來自微行星吸積的摩擦力、各種不同放射性元素的可能包括短半衰期的元素。這些被認為已足以使穀神星在形成後不久分異為岩石的核心和冰的地函。這種過程可能導製表面被水火山和地質構造重塑，消除了古老的地質容貌。由於它比較小，穀神星會比較快的冷卻而有效的阻止導致早期地質結構重整的過程。任何在表面上的冰都會逐漸昇華，留下各種的水合礦物，像是黏土和碳酸鹽。今天，穀神星似乎是一顆地質處於非活躍狀態的天體，表面可能只受到撞擊的影響。大量的水冰存在於其組成內，使得穀神星內部可能有一層液態水的存在，這個假設的層或許可以稱為海洋。如果有一層液態水存在，相信他會藉於古體的核心和冰地函之間，就像在理論上存在於歐羅巴的海洋一樣。海洋的存在更有可能將溶質溶解在其水。觀測.當穀神星在近日點附近衝時，它的視星等可以達到+6.7等，一般認為對裸眼來說這樣的光度還是太暗而難以見到，但視力特別銳利的觀測者可能可以看見這顆矮行星。穀神星在2012年12月18日的視星等可以達到+6.73等。亮度可以達到這種程度的小行星還有灶神星、智神星(在罕見的近日點衝)和虹神星。穀神星在合的時候光度是+9.3等，相當於使用10X50的雙筒望遠鏡可以看見的最暗天體。因此，當他在地平線上的任何時刻，只要天空夠黑暗，都可以用雙筒望遠鏡看見它。觀察穀神星的一些值得關注的里程碑包括：探測.從在火星表面和軌道上環繞的太空船所傳送的無線電訊號，觀察火星受到穀神星的運動所誘導的攝動，曾經被用來估計穀神星的質量。曙光號太空船被NASA在2007年9月27日發射，已經從2011年7月15日至2012年9月5日探測灶神星，然後它繼續前往穀神星。它在2015年3月6日到達穀神星，比新視野號太空船在到達冥王星之前早4個月。因此曙光號是第一個在近距離研究矮行星的探測任務。按照曙光號太空船的任務計畫，它會從一系列高度逐漸降低的圓形極軌道研究穀神星。2015年4月23日，它進入第一個高度13,500公里的觀測軌道，停留三星期 。然後又在高度1,470公里軌道（"HAMO"軌道) 停留兩個月。最後，在高度375公里軌道("LAMO"軌道)停留最少三個月。這艘太空船攜帶的儀器包括框架相機、可見光和紅外分光儀、伽瑪射線和中子偵測儀。這些儀器被用來審視這顆矮行星的形狀和元素豐度。