 （温馨提示：本文6306个字，阅读完需要约13分钟） 在第十三章，我们介绍了太阳内的行星。在那里我们提出了行星的定义：绕太阳运转、自身为球形、可以扫除轨道附近的天体。太阳系中只有8个天体满足这个条件。 有些天体满足前两个条件，但无法扫除轨道附近的天体，它们就被定义为矮行星。 有些天体只满足第一个条件，围绕太阳运转，但既不是圆形，也不能扫除轨道周围天体，它们就是小行星。小行星是太阳系形成之初，来不及碰撞并合为大行星的天体，因此是太阳系的活化石，具有重要的研究价值。 除了行星、矮星系与小行星之外，太阳系中还有一些轨道特别长的天体，它们有的在接近太阳的时候产生长长的尾巴，因此被称为彗星。当然，并不是所有彗星都会产生尾巴。下面我们就看看哈勃看到的一些矮行星、小行星与彗星的风采。  矮行星 太阳系中最著名的矮行星有两个：谷神星与冥王星。在2006年之前，谷神星还在小行星的队伍中，冥王星还在行星的队伍中。2006年，谷神星升级为矮行星，冥王星降级为矮行星。 谷神星 谷神星是1801年元旦被天文学家皮亚奇首先发现的，但很快天文学家就又找不到它了。数学家高斯利用少量观测数据与自己发明的轨道计算方法，确定出谷神星的运行轨道，预言了它在不同时刻的位置。1801年12月31日，天文学家在高斯预测的位置重新找到了谷神星。这也使得高斯声名鹊起。 一开始人们认为谷神星是一颗大行星，但很快人们就失望了：它太小了，半径可能只有几百千米。因此，人们将它称为小行星。在谷神星被发现之后，人们又在它轨道附近发现了大量其他更小的天体，它们都是小行星，一起构成小行星带。 谷神星是圆形的，半径达到了470千米。作为对比，其他大部分小行星的半径都只有几千米到几十千米，很少超过100千米，且形状不规则。2006年，天文学家根据新的定义，将谷神星升格为矮行星。它是距离太阳最近的矮行星。 谷神星离太阳最远时的距离为3个天文单位；离太阳最近时距离为2.56个天文单位。每4.61年，谷神星绕太阳一圈。它的质量只有地球的万分之1.6，只有月球的百分之1.28。  图：哈勃的ACS拍摄的谷神星的表面的紫外与光学合成图像。对图像的分析表明，谷神星表明上可能覆盖着水结成的冰。Credit: NASA, ESA, J. Parker (Southwest Research Institute), P. Thomas (Cornell University), L. McFadden (University of Maryland, College Park), and M. Mutchler and Z. Levay (STScI)https://esahubble.org/images/opo0527h/ 数据表明：谷神星的核心是岩石与冰构成的固体核，核心外面可能由一层地下海，表面有稀薄的大气，主要成分为水蒸气。NASA的“曙光号”近距离观测了谷神星，得到了更好的数据表明谷神星内部的地质活动可能比较活跃。 理论研究表明，谷神星是一颗没有进化完全的恒星胚胎。在太阳系刚形成时，大量恒星胚胎环绕着太阳，彼此碰撞结合，像滚雪球一样结合为大行星，但谷神星没有来得及继续与其他恒星胚胎碰撞结合，因此一直保持现在这样大小。 冥王星 在海王星被发现之后，天文学家一直致力于寻找更远的行星。1930年，汤博首次用天文望远镜发现了一颗新的行星，它被命名为“冥王星”。人们一度以为冥王星也是一颗大行星，但此后的观测与分析都表明它的质量和半径比地球小得多。特别是冥王星的卫星被发现之后，人们终于完全确定了冥王星的质量，证明它确实比地球质量小得多，只有地球的千分之2.18。 天文学家发现，冥王星的附近与外面也有大量天体，它们构成了一个带状区域，这个区域被称为“柯伊伯带”，因为以前天文学家柯伊伯曾经从理论角度研究过类似的区域。 奇怪的知识：柯伊伯带与海外天体。柯伊伯带延伸到海王星110亿千米之外，相当于70多个天文单位。由于柯伊伯带处于海王星之外，柯伊伯带内的这些天体也被简称为海外天体 (trans-Neptunian objects) 。冥王星就是柯伊伯带内的天体，也是海外天体。 冥王星与太阳的距离最远时大约是49天文单位，最近时大约是30天文单位，每过248 年才绕太阳一圈。它的半径大约是 1188 千米，是谷神星的半径的2.5倍。因为距离非常远，冥王星表面的平均温度非常低，达到零下 230 度。  图：哈勃于2002年到2003年拍摄的冥王星表面的图像。为了得到这几张图，数据处理专家让20台计算机同时运行了4年。尽管因为太遥远，哈勃的观测并不非常清楚，但还是能让人看出其冥王星表面白色、暗红色与黑色混杂的复杂地形。中间的图像显示出一块亮斑，富含二氧化碳结成的霜。在NASA的新视野飞船于2015年7月飞掠冥王星之前，这几张图是冥王星最清晰的图。新视野飞掠冥王星时拍下的图又比这张图清晰得多。Credit: NASA, ESA and M. Buie (Southwest Research Institute)https://esahubble.org/images/opo1006a/ 阋神星 柯伊伯带内另一个重要的矮行星是阋神星（阋，音“细”），它是天文学家Michael Brown于2005年检查 2003 年拍摄的照片时找到的。阋神 (Eris) 是古希腊神话中专门播弄是非的神。 当时的初步结果就已经证明阋神星的大小与冥王星差不多。阋神星是天文学家最终决定把冥王星从行星的队伍中剔除出去的重要原因之一。 “新视野”号在2005年测得它的半径大约是1186千米，略小于比冥王星的半径。但是，另一方面，阋神星的质量比冥王星的质量大百分之27。它因此成为柯伊伯带中质量最大的天体。  图：哈勃的ACS于2006年8月30日拍摄的阋神星的图像，左侧为其卫星阋卫一。Credit: NASA, ESA, and M. Brown (California Institute of Technology)https://esahubble.org/images/opo0724b/ 阋神星比冥王星更远，最远时与太阳的距离大约是冥王星与太阳距离的2倍。由于距离太阳非常远，阋神星每557 年才能绕太阳走一圈。 共工星 2007年，天文学家Megan Schwamb、Michael Brown与David Rabinowitz在柯伊伯带中发现了另外一颗比较大的天体，它被命名为“2007 OR10”。此后天文学在一张1985年的一张照片中找到了这各天体的图像。 2019年，天文学家将它正式命名为“共工”。根据中国古代神话传说，水神共工撞倒了天柱，导致天空塌陷，此后女娲因此补天。 共工星是柯伊伯带内的第三大天体，仅次于阋神星与冥王星，它的平均半径大约是615千米，大约是冥王星半径的一半，被认为是一颗可能的矮行星。共工星与太阳的距离最远时达到101个天文单位（151亿千米），最近时为34个天文单位（51亿千米），比冥王星还近一些。它每554 年绕太阳运转一周。  图：哈勃的WFC3在8个时期拍摄的共工星 (2007 OR10) 与其卫星的可见光照片。图中最大的亮斑为共工星。Credit: NASA, ESA, C. Kiss (Konkoly Observatory), and J. Stansberry (STScI)https://esahubble.org/images/opo1718b/ 奇怪的知识：共工星与海王星的共振。共工星与海王星存在3:10共振，即，共工星围绕太阳公转3圈所用的时间等于海王星围绕太阳转10圈的时间。更通俗点说，共工星上的3年，等于海王星上的10年。 共工星上面富含化学物“索林斯”，因此它看起来很红。 创神星 2002年，Chad Trujillo与Michael Brown发现创神星（意为“创世之神”，Quaoar）。这是柯伊伯带内另一个著名的天体，它的半径约为 550千米，大约为冥王星的一半，是另一个可能的矮行星。 创神星距离太阳约42个天文单位，比冥王星略远一点，每288年绕太阳转一圈。  图：哈勃于2002年拍摄的创神星的图像。哈勃的图像证明创神星是到当时为止被发现的第二大的海外天体，当时人们还没有发现阋神星与共工星。人们认为创神星也可能是矮行星，但至今为止，它还是没有被正式列入矮行星的队伍，还在小行星的队伍中。Credit: NASA/ESA and M. Brown (Caltech)https://esahubble.org/images/opo0217b/  图：地球、月球、冥王星与创神星的大小比较的艺术想象图。图中单位为英里，1英里为1.61千米。https://esahubble.org/images/opo0217g/ 太阳系的活化石：小行星 小行星在太阳系内普遍存在。其中有两片区域聚集着最多小行星：火星与木星之间的小行星带、海王星之外的柯伊伯带。除了这两个“带”之外，还有一些小行星在其他区域游荡，其中有的一些在某些时候比地球更接近太阳。 小行星带之王：灶神星 火星与木星轨道之间的小行星带内有数百万个小行星，它们中最小的只有小石头大小，最大的是平均半径为263千米的灶神星 (Vesta) ，它于1807年3月29日被德国天文学家奥伯斯 (Heinrich Olbers) 发现。  图：哈勃的WFC3于2010年2月28拍摄的小行星灶神星的4张近紫外与蓝光合成照片。Credit: Illustration Credit: NASA, ESA, and Z. Levay (STScI). Science Credit: NASA, ESA, J.-Y. Li (University of Maryland, College Park), and L. McFadden (NASA/GSFC)https://esahubble.org/images/opo1033g/ 它实际上是一个三轴体——就像一个扁土豆，这三条轴上的半径分别为286.3千米、278.6千米与223.2千米。 灶神星不仅是小行星带中最大的小行星，也是太阳系内最大的几个小行星之一。它的密度是3.456克每立方厘米，质量是2.6万亿亿千克，占据整个小行星带所有天体质量的百分之9，以至于小行星带现在被称为“灶神星带”。 灶神星距离太阳最远与最近时分别为2.57与2.15天文单位。它绕太阳一圈需要3.63地球年。它快速转动，每5.342小时自转一圈。灶神星全年的最高温度与最低温度分别为零下23摄氏度与零下198摄氏度。NASA的曙光号探测器曾经近距离拍摄了灶神星的照片。 奇怪的知识：最早被发现的四颗小行星分别是1801年被发现的谷神星（Ceres，后来被列入矮行星行列）、1802年被发现的智神星 (Pallas) 、1804年被发现的婚神星 (Juno) 与1807年被发现的灶神星 (Vesta) 。它们都相对较大，因此最早被发现。此后直到1844年都没有小行星被发现。1845年以及之后，又有大量小行星被发现。至今为止，人类已经发现了超过100万颗小行星。 P/2013 P5 P/2013 P5位于火星与木星之间的小行星带，于2013年被位于夏威夷的“泛星计划”望远镜 (Pan-STARRS) 观测到。天文学家认为，这颗小行星自转较快，将表面的一些尘埃甩出去，然后太阳光的辐射使这些尘埃聚集成尾巴的形状。太阳光产生的辐射压力还会使这颗小行星的自转变快。  图：哈勃的WFC3于2013年9月10日（左）与23日（右）拍摄的小行星P/2013 P5的可见光与紫外线的合成图像。图中的小行星显示出6条类似于彗星尾巴的尾巴。图像中的这颗天体有绒毛状特点。哈勃的观测发现了它的尾巴。Credit: NASA, ESA, D. Jewitt (University of California, Los Angeles), J. Agarwal (Max Planck Institute for Solar System Research), H. Weaver (Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory), M. Mutchler (STScI), and S. Larson (University of Arizona)https://esahubble.org/images/heic1320a/ 首次见证小行星的瓦解：P/2013 R3 P/2013 R3也位于小行星带中，与太阳的平均距离大约为3个天文单位。天文学家在2013年发现这颗小行星正在碎裂。这是天文学家首次观测到小行星碎裂的现象。  图：哈勃的WFC3于2013年11月15日拍摄的小行星P/2013 R3的紫外线图像。哈勃的图像显示：这颗小行星正在瓦解，各部分正在分离，这是天文学家第一次看到小行星瓦解的过程。Credit: NASA, ESA, D. Jewitt (UCLA)https://esahubble.org/images/heic1405d/ 据推测，这颗小行星可能在45亿年前被其他小行星撞击而破裂，但依然松散地聚在一起。在这颗小行星靠近太阳的过程中，太阳辐射增强，其辐射压强导致这颗小行星的自转变快，快速的转动使这些碎片彼此远离，就像洗衣机脱水时的快速旋转将水甩出。  图：哈勃的WFC3于2013年10月29日、11月15日、12月13日与2014年1月14日（从左到右）拍摄的小行星P/2013 R3的紫外线图像。这颗小行星碎裂为10个碎片，这些碎片的尘埃被太阳光的辐射压力吹成类似于彗星的尾巴状。这些碎片中最大的4片的直径最大的达到了200米。Credit: NASA, ESA, D. Jewitt (UCLA)https://esahubble.org/images/heic1405b/  图：小行星P/2013 R3的碎裂的艺术想象图。这颗小行星此前已经被其他天体撞击而破裂。阳光照射使其自转加快，从而导致那些碎片互相远离，成为独立的碎片。Credit: NASA, ESA, D. Jewitt (UCLA), and A. Feild (STScI)https://esahubble.org/images/heic1405g/ (596) Scheila 小行星 (596) Scheila位于小行星带内，于1906年被首次发现。它距离太阳最远时3.4天文单位，最近时为2.4天文单位，每5年绕太阳一周。这颗小行星的半径大约是55千米。这颗小行星被一些尘埃所包围。天文学家猜测，这些尘埃很可能源自它与一颗小得多的小行星的碰撞，碰撞导致表面的尘埃扬起。  图：哈勃WFC3于2010年12月27日拍摄的小行星 (596) Scheila的可见光图像。哈勃拍摄这张图时，它与地球的距离是3.5亿千米。为了能够拍摄出尘埃，图像被过度曝光，导致这颗小行星的像特别亮，像一颗恒星。2011年1月4日，哈勃再次拍摄了这颗小行星，发现它周围的尘埃暗了百分之30，从而证明了这颗小行星之前确实与其他小行星碰撞过。Credit: NASA, ESA, D. Jewitt (UCLA, USA) and M. Mutchler (STScI)https://esahubble.org/images/opo1113a/ 彗星 在太阳系中，除了行星与小行星之外，还有一些运行轨道特别扁的天体，它们最远时可以超过冥王星的轨道之外，最近时可以比地球更接近太阳。这些天体被称为“彗星”。彗星分为两大类：有尾巴的与没有尾巴的。彗星的尾巴被称为彗尾，核心被称为彗头。 哈勃升空后，也观测了多颗彗星。最著名的是苏梅克-列维9号彗星，这颗彗星是苏梅克夫妇与列维三人于1993年3月24日发现的，是他们共同发现的第九颗彗星，因此被命名为“苏梅克-列维9号”。此后，天文学家用计算机模拟推断出：它在1992年7月8日就被木星强大的潮汐力撕碎，成为21个碎块，那时它距离木星表面4万千米。 进一步的计算预测，这颗彗星的众多碎片会在1994年7月16日开始一一撞向木星。  图：哈勃的WFPC2拍摄的木星与苏梅克-列维9号彗星的可见光合成图。图中，彗星被木星引力撕碎后像一串珍珠一样洒落太空。Credit: N/Ahttps://esahubble.org/images/opo9426a/ 下图为哈勃在不同日期拍摄的木星与苏梅克-列维9号彗星的碎片的合照。左侧从上到下分别为1993年7月1日、1994年1月24日、1994年3月30日、1994年5月17日拍摄的图像；右侧从上到下分别为1994年6月24日、1994年7月4日、1994年7月11日、1994年7月20日拍摄的图像。除了第一张为WFPC拍摄的之外，其余7张都是WFPC2拍摄的。  图：哈勃的WFPC与WFPC2拍摄的8张苏梅克-列维9号彗星的碎片的图像。这些碎片被标记为P-Q复合碎片。这8张图片给出了这些碎片在碰撞彗星之前一年的演化。图片中还显示了这些碎片之间的距离的变化。Credit: Dr. H. A. Weaver, Mr. T. E. Smith, and Mr. K. B. Jones (STScI), and NASAhttps://esahubble.org/images/opo9443a/ 1994年7月16日20点15分，这颗彗星的第一个碎片撞击木星南半球。此后，其余碎片依次撞击木星，直到7月22日，最后一块碎片撞击木星。碎片G的撞击木星后，在木星上产生的痕迹比地球的直径还长。  图：1994年，苏梅克-列维9号彗星的碎片依次撞击木星，哈勃的WFPC2在此后拍摄到木星被撞击的区域的可见光与近红外线合成图，图中显示出了其中8个撞击区域，有些区域成对出现，看上去像一个区域。图中最小的撞击区域的跨度不到200千米。这些被撞击的区域快速演化。Credit: Hubble Space Telescope Comet Team and NASA/ESAhttps://esahubble.org/images/opo9434a/ ISON彗星 过去几年比较著名的一颗彗星是ISON彗星。ISON是“国际科学光学网络”的英文缩写。2012年9月12日，天文学家用ISON的一台0.4米望远镜发现了这颗彗星，这颗彗星因此被命名为ISON彗星，它的核心的直径大约为0.8千米。 哈勃望远镜于2013年4月30日拍下了这颗彗星的照片，当时它正在不断靠近太阳，彗星图像周围是比它远得多的银河系内的恒星与更遥远得多的众多星系。2013年底，它因为距离太阳太近而被太阳发出的热与太阳的潮汐力彻底瓦解。  图：哈勃拍摄的闯入群星中的ISON彗星的可见光与近红外线合成图像。这张图由2013年4月30获得的图像合成而成，当时ISON彗星正在靠近太阳。Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)https://esahubble.org/images/opo1331a/ 73P彗星 73P彗星又被称为Schwassmann-Wachmann 3彗星，它于1930年被Schwassmann, Wachmann与Arthur发现。73P彗星的核心的直径大约1千米，每5.36年绕太阳一圈。 1995年，73P彗星在重新靠近太阳时因为温度升高而瓦解为4个大碎片，分别被标记为A, B, C, D。为30块碎片。2006年，这颗彗星继续瓦解为至少8块碎片。 2006年4月18日，哈勃上面的高级巡天相机 (ACS) 拍下碎片B的照片，这块碎片后面洒满了多个更小的碎片。到2006年5月，它至少分裂为66个碎片。它的一些碎片被地球吸引过去，形成了“武仙座τ”流星雨的来源之一。  图：哈勃的ACS于2006年4月18日拍摄的73P彗星的碎片B的可见光图像。此时，碎片B已经瓦解出更多更小的碎片，它们更在大碎片的后面。Credit: NASA, ESA, H. Weaver (APL/JHU), M. Mutchler and Z. Levay (STScI)https://esahubble.org/images/heic0605b/ 天外来客：2I/Borisov 太阳系内，除了周期性绕着太阳旋转的行星、矮星系、小行星与彗星之外，还有一些突然从星际空间闯入太阳系、短暂绕着太阳运动并迅速离开的小天体，比如著名的奥陌陌 (ʻOumuamua) 与2I/Borisov。 2I/Borisov是第二颗被发现的来自星际、穿过太阳系的天体，于2019年8月30日被业余天文学家、望远镜制造者Gennadiy Borisov首次发现。实际上，它在2018年12月13日就已经被拍摄到，但当时未被识别出来。 2I/Borisov的名称中，I代表星际 (Interstellar) ，2代表它是第2颗被发现的星际天体，Borisov代表它的发现者。 奇怪的知识：第一个来自星际、穿过太阳系的天体是2017年被发现的奥陌陌 (ʻOumuamua) 。至今为止，人类只发现了2个闯入太阳系的星际天体。  图：哈勃的WFC3于2019年11月（左）与12月（右）拍摄的彗星2I/Borisov的图像。左图中与这颗彗星同框的是一个遥远的星系，当时2I/Borisov与地球的距离为3.26亿千米。右图中，2I/Borisov与地球的距离缩小到2.98亿千米。Credit: NASA, ESA, and D. Jewitt (UCLA)https://esahubble.org/images/heic1922c/ 2I/Borisov于2019年12月8日离太阳最近，当时它与太阳的距离是2个天文单位，即大约3亿千米。2019年12月28日，这颗彗星离地球最近。天文学家假定2I/Borisov能够将照到它上面的阳光的百分之4反射出去，计算出它的直径大约是500米。  编辑：王茹茹  文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表23篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。 王善钦专栏链接：https://www.koushare.com/category/singlecolumn/60                 
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