谷神星

谷神星（Ceres，; 小行星序号：1 Ceres; 符号：）是火星和木星轨道之间的主小行星带中最亮的天体。它的直径大约是，是海王星轨道以内最大的小行星。在太阳系天体大小列表排名第35，是在海王星轨道内唯一标示为矮行星的天体。谷神星由岩石和冰组成，估计它的质量占整个主小行星带的三分之一。谷神星也是主小行星带已知唯一自身达到流体静力平衡的天体。谷神星因其体积较小较为黯淡，视星等范围在+6.7至+9.3之间，在近地点取得最大值，但若无极度昏暗的夜晚条件下，地球上也很难通过肉眼观察到谷神星。1801年1月1日，意大利人朱塞普·皮亚齐在巴勒莫首先发现了谷神星，最初将谷神星当成行星，但之后在相似的轨道上发现越来越多小天体，使其在1850年代重新归类为小行星。
引力数据显示谷神星内部存在区分，分别为岩石、核和冰的地函，冰层之下可能存在液态水的内部海洋。表面可能是水冰和不同的水合物矿物，像是黏土和碳酸盐的混合物。2014年1月，在谷神星的几个地区都检测到排放出的水蒸气。然而一般只有彗星才会发出水蒸气，在主小行星带的大天体床通常不会发出水蒸气，因此这项发现出人意料。
美国国家航空航天局的空间探测器曙光号在2015年3月6日进入绕行谷神星的轨道。从2015年1月，曙光号就以前所未见的高解析度传回影像，显示表面有著坑坑洼洼。两个独特的亮点（或高反照率特征）出现在撞击坑内（不同于早些时候哈伯太空望远镜在一个撞击坑中观测到的影像）；出现于2015年2月19日的影像，导致考虑可能有冰火山或释气的发想。2015年3月3日，NASA的一位发言人说，这些点符合含冰或盐的反光物质，但不太可能是冰。2015年5月11日，NASA释放出高解析的影像，显示不是一个或两个点，实际上在高解析的影像上有好几个。2015年12月9日，NASA的科学家报导，谷神星的亮斑可能是一种类型的盐类，特别是“卤水”，包括硫酸镁等硫酸盐矿物（MgSO4·6H2O）；也发现这些斑点与富含氨的黏土相关联。2015年10月，NASA释出了由曙光号拍摄的真实色彩谷神星影像。
历史.
发现.
约翰·波德在1772年率先提出在火星和木星轨道之间可能有颗尚未发现的行星。而在1596年，克卜勒就已经注意到在火星和木星之间的差距；波德的想法源自提丢斯-波德定律，由在1766提出、现在已经丧失名誉的假说：观察到当时已知行星轨道的半长轴，由于火星轨道和木星轨道的巨大差距，而没有可遵循的规律模式。这个模式预测在轨道半长轴2.8天文单位之处应该有一颗行星存在。 赫歇尔在1781年发现的天王星位置靠近提丢斯-波德定律预测在土星之外的行星位置，增加了当时人们对这条定律的信心。在1800年，由《每月通讯》（Monatliche Correspondenz）的编辑为首的一个团体，发送了要求24位资深的天文学家，结合他们的努力，开始有系统搜寻预期的天体（称为「天空巡警」）。然而，他们没有发现谷神星，但稍后他们发现了几颗较大的小行星。
在西西里巴勒莫学院的天文学家朱塞普·皮亚齐，在接受这项邀请之前，就选择了这项搜寻工作。他在1801年1月1日发现了谷神星。他在寻找尼可拉·路易·拉卡伊的黄道星表的第87颗星时，发现他看见的是另一颗不在星表上的星星。皮亚齐发现这是颗会移动的星，他首先想到的是彗星。皮亚齐总共观测这颗星24次，最后一次是在1801年2月11日，因为生病中断了他的观测。他在1801年1月24日在信中宣布了他的发现，但是只给了两位天文学家：他在米兰的同胞和在柏林的约翰·波德。他报告说它像一颗彗星，“但是它的运动速度太慢，而且较为均匀。他曾经多次认为它可能是比彗星更好的东西”。在4月，皮亚齐送出了完整的报告给奥里亚尼、波德和在巴黎的杰罗姆·拉朗德。这分资料刊登在1801年9月的每月通讯。
不久之后，谷神星的位置改变了（主要是由于地球的轨道运动），因为太靠近太阳而隐没在眩光中，使得其他天文学家难以观测与确认皮亚齐的发现。到当年底应该可以再次见到谷神星，可是经过这么长的时间已经难以预测它确切的位置。为了再发现谷神星，年仅24岁的高斯发展出了轨道测定的有效方法高斯法。他将完整的三次观测资料（时间、赤经和赤纬），代入他自己暂定的克卜勒定律。在数学上，这意味著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（弧长可以依据克卜勒第二定律计算）。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。只花了几个星期，他就将预测谷神星路径的结果发送给冯·扎克。在1801年12月31日，冯·扎克和欧伯斯就在靠近预测的位置附近重新找回了谷神星。
早期的观测者只能够推算出谷神星大小的数量级。1802年，赫歇尔低估了它的直径为260公里，而施罗特在1811年高估为2613公里。
命名.
皮亚齐最初建议将它以农业女神刻瑞斯（被认为起源于义大利西西里，当地有最古老的神殿）和西西里的费迪南多国王的名字结合，命名为刻瑞斯·费迪南多。但其它的国家不接受「费迪南多」，因而舍弃。
另外，希腊称它为狄蜜特，与罗马的谷神有著相应的关系。德国曾称它为赫拉，但为时不长。至于其它语言的国家有些使用Ceres/Cerere的变体：苏联Церера、波斯سرس、日本ケレス，中国则是使用谷神星。而狄蜜特在英文是小行星1108的名字。
谷神星固有的天文学符号是一把镰刀，与金星符号相似，但是圆圈是断裂的。它有时会变为，源自「Ceres」首字母「C」。这些小行星符号后来都以编号序列取代。
在1803年发现的稀土元素铈，是以谷神星命名的。同年发现的另一元素最初也以谷神星命名，但在命名铈后，发现者改以第二颗小行星智神星（2 Pallas）命名为钯（palladium）。
分类.
谷神星的分类已经变更过不止一次，但还是有不同的意见。约翰·波德相信谷神星是在于火星和木星之间，距离太阳4亿1900万公里（2.8天文单位）“失落的行星”。谷神星获赋予行星符号，并且曾经在天文书籍和表中归类为行星（还有2 智神星、3 婚神星和4 灶神星）达半世纪。
谷神星附近陆续发现其它天体代表它属新一类天体。1802年发现2 智神星，威廉·赫歇尔为这种天体创造名词“小行星”（“asteroid”，意为“像星状”），写到：“它们像是小星星，即使用很好的望远镜也难以区别”。作为第一颗发现的这种天体，谷神星在现代的小行星序号系统获赋予第1号。尽管1860年代没有对行星精确定义或明确规范，但也普遍接受谷神星等小行星和行星间的基本差异。
2006年围绕著冥王星是否能列入行星的辩论重新考虑谷神星是否要改列为行星。之前提交给国际天文学联合会的行星定义是这样界定行星的：（a）有足够质量，其自身重力可以克服钢性力，而达到流体静力平衡（接近球体）的形状；而且（b）在绕行一颗恒星的轨道上，既不是恒星，也不是行星的卫星。这项提议如果通过，谷神星就会是从太阳算过来的第五颗行星。然而，这并没有发生，在2006年8月24日通过的是修正案，要成为行星，还额外要求“清除围绕在轨道附近的小天体”。根据这定义，谷神星不能支配其轨道，而与其它成千上万颗小行星共用主小行星带，并且只拥有带中约三分之一的质量，故此不是行星。符合原始议案，但不符合修正案的天体，像是谷神星，重分类为矮行星。
谷神星是主小行星带中最大的天体。有时它被假设已经被重分类为矮行星，因此不再被认为是一颗小行星。例如，在space.com新上传的资料就称智神星是最大的小行星，谷神星以前是一颗小行星。有鉴于国际天文学联合会的问题与回答公告状态：“谷神星（或许我们现在说它是）是最大的小行星”，然后它说“其它小行星”会穿越谷神星的路径，这隐含著谷神星依然被认为是颗小行星。小行星中心注意到这个天体可能有双重名称。国际天文学联合会在2006年将谷神星列为矮行星，但从未解决它是不是小行星的问题。事实上，在2006年之前国际天文学联合会从未在任何场合定义“小行星”这个名词，而在2006年之后宁可使用“太阳系小天体”和“矮行星”这两个名词。Lang在2011年评论：“国际天文学联合会添加新的名词给谷神星，把它列为一颗矮行星。……依据它的定义，阋神星、妊神星、鸟神星和冥王星，以及最大的小行星，谷神星，都是矮行星”，并且在其它介绍它是“矮行星，第一号小行星谷神星”。NASA继续指称谷神星是一颗小行星，并置入各种学术教科书。
天文学里也存在著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。
轨道.
谷神星的轨道在火星和木星之间的主小行星带内，其周期为4.6地球年。轨道有著适度的倾斜（"i" = 10.6°，相较于水星的7°和冥王星的17°）和适度的离心率（"e" = 0.08，相较之下火星是0.09）。
图说是谷神星的轨道（蓝色）和几颗行星的轨道（白色和灰色）。在黄道下方的轨道用较暗的颜色绘制，橙色的加号标示的是太阳的位置。最上面左侧的图是从天球北极上方的鸟瞰图，显示谷神星在火星和木星之间位置的差距。右上角是一个特写，显示火星和谷神星的近日点（q）和远日点（Q）。在这张图中（但一般不会这样）火星的近日点和谷神星等几颗较大的小行星，包括2智神星与10健神星，分列在太阳的两侧。底下的图是侧视图，显示谷神星相对于火星的轨道倾角。
谷神星曾被认为是小行星家族的成员之一。这个小行星家族共享相似的固有轨道要素，这表示它们可能有著共同的起源，在过去的某一时间碰撞而形成。后来发现谷神星的光谱性质与家族的其他成员不同，现在这个家族已经依据序号最小的1272 吉菲昂（1272 Gefion）重新命名为吉菲昂族。谷神星似乎只是这个家族的闯入者巧合的有著相似的轨道要素，但没有共同的起源。
谷神星的自转周期是（谷神星日）9小时4分钟。
谷神星与智神星有著近乎1:1的轨道共振（固有的轨道周期相差只有0.2%）。然而，因为它们的质量太小，相隔的距离又很遥远，两者不太可能有真正的共振，这类小行星之间的关系是非常罕见的。不过，谷神星还是能够暂时捕捉到一些有著1:1共振的其它小行星（时间达200万年或更长）；已经证实有50颗这种的小行星。
特洛伊.
已知谷神星有几颗临时的特洛伊小行星。
谷神星的行星凌日.
谷神星有优越的地位，可以看见水星、金星、地球和火星从太阳前方经过，也就是凌日的现象。最常发生的是水星凌日，通常每隔几年就有一次，最近的是在2006年和2010年。最近的金星凌日发生在1953年，下一次会在2051年；地球凌日的相应日期是1814年和2081年；火星则是767年和2684年。
地质.
曙光号太空船测量谷神星的质量为，相较于主小行星带的总质量3.0 ± 0.2公斤，谷神星的质量约占了三分之一，换言之，这大约是月球质量的4%。谷神星的质量大到可以达到流体静力平衡，足够形成近似球体的形状。在太阳系的天体中，谷神星的尺度介于较小的灶神星和较大的特提斯之间，其表面积近似于印度或是阿根廷的陆地。
表面.
谷神星表面的化学组成大致上与C-型小行星相同，也存在著一些差异。谷神星的红外线光谱显示出水合的材料无所不在，表明其内部存在大量的水。表面可能的其它成分包括富铁黏土矿物（黑铁蛇纹石）和碳酸盐矿物（白云石和菱铁矿），都是碳质球粒陨石中常见的矿物。碳酸盐岩和黏土矿物的光谱特征通常在其它C型小行星中是所欠缺的。有时，谷神星会被归类为G-型小行星一类。
谷神星的表面是相对温暖的。1991年5月5日，测定其日下点的最高温度大约是235K（大约是− 38 ° C 或− 36 ° F）。在这样的温度下，冰是不稳定的。在表面的冰升华后所留下的材料，可以解释谷神星何以会比外太阳系其它的冰卫星黑暗。
曙光号观测之前.
在曙光号探测之前，已经清楚地检测到谷神星表面的几个特征。1995年，哈伯太空望远镜拍摄的高解析紫外线影像显示表面有黑暗的斑点，并已被暱称为皮亚齐以尊崇其发现者，这被认为是一个坑穴。稍后，凯克望远镜使用调适光学在近红外波段的高解析观测完整的自转移动，显示谷神星的表面有几个黑暗的明亮的斑点。两个圆形的黑暗特征被推定为坑穴，其中一个被观测到中央有著明亮的区域，而另一个就是皮亚齐。哈伯太空望远镜在2003年和2004年以可见光观测自转的完整影像，揭露出11个可以辨认的表面特征，其中有些性质仍待测定，而其中一个特征对应于之前所指认出的皮亚齐。
最后的观测显示谷神星的北极指向赤经19h24m（291°）、赤纬 +59°，也就是星座中的天龙座，其结果是谷神星只有大约3°的转轴倾角。曙光号之后的测量确认北极轴实际是指向赤经19h24m40.3s（291.418°）、赤纬 +66°45’50”（距离天厨一，天龙座δ1.5°左右），这意味著转轴倾角有4°。
曙光号的观测.
曙光号观测到大量的坑穴与不明显的突起，显示这些坑穴可能躺在较柔软的表面，可能是水冰之上。其中一个直径的坑穴，只有著极低的突起，让人想起特提斯和伊阿珀托斯大而平的坑穴。意外的是大量谷神星的坑穴有中央的凹陷，而许多有著中央峰。曙光号观测到几个亮斑，最亮的斑（「5号斑」）位于直径，被称为欧卡托坑的中央。于2015年5月4日拍摄的谷神星影像显示，第二亮的斑点实际上是一群可能多达10个分散亮点的集团。这些明亮特征的反照率大约是40%，这是表面的一种物质，可能是反射太阳光的冰或盐类。最有名的亮斑，"5号斑"会周期星的出现阴霾，支持这是某种释气或冰的升华形成的亮斑。在2016年3月，曙光号在Oxo坑发现谷神星表面有水分子的决定性证据。喷射推进实验室兴奋的说：「这些水可以被束缚在矿物，或者是冰的形式。」
2015年12月9日，NASA的科学家报告说，谷神星的亮斑可能涉及某些盐类，特别是表列出来的卤水，包括硫酸镁、六水泻盐（Mg4·6H2）；这些斑点也发现与富含氨的黏土有所关联。
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，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函包覆的岩石核心。厚约100公里的地函（占谷神星23-28%的质量，和约50%的体积）)包含2亿立方公里的冰，这比地球上的淡水总量还要多，此一结果得到凯克望远镜在2002的观测和演化模型的支持。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。
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。
大气层.
有迹象显示谷神星有著微弱的大气层。在距离太阳5AU之内，天体表面的水冰是不稳定的，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，很难检测到水气的蒸发。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。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。
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。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，谷神星相信是留存下来较为完整的（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），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。
谷神星的地质演化取决于形成期间和之后可用的热源：来自微行星吸积的摩擦力、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函。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。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。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。
如今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。大量的水冰存在于其组成内，使得谷神星内部可能有一层液态水的存在，这个假设的层或许可以称为海洋。如果有一层液态水存在，相信他会藉于古体的核心和冰地函之间，就像在理论上存在于欧罗巴的海洋一样。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。
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，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。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。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，当它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：
探测.
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。
曙光号太空船被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，然后它继续前往谷神星。它在2015年3月6日到达谷神星，比新视野号太空船在到达冥王星之前早4个月。因此曙光号是第一个在近距离研究矮行星的探测任务。
按照曙光号太空船的任务计划，它会从一系列高度逐渐降低的圆形极轨道研究谷神星。2015年4月23日，它进入第一个高度13,500公里的观测轨道（"RC3"轨道），停留大约一圈（15日）。之后，太空船下降至高度4,400公里轨道（调查轨道），停留三星期 。然后又在高度1,470公里轨道（"HAMO"轨道）停留两个月。最后，在高度375公里轨道("LAMO"轨道)停留最少三个月。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。这些仪器被用来审视这颗矮行星的形状和元素丰度。