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小行星帶,是位於火星和木星軌道之間的小行星的密集區域,在太陽系中除了九顆大行星以外,還有成千上萬顆我們肉眼看不到的小天體,它們沿著橢圓形的軌道不停地圍繞太陽公轉。

1 小行星帶 -概述

小行星帶主要的小行星帶(以白色顯示)位於火星和木星軌道之間。從天球北極觀察。

小行星帶,是太陽系內介於火星和木星軌道之間的小行星密集區域。小行星是由岩石或金屬組成,圍繞著太陽運動的小天體,因為在比較上這是小行星最密集的區域,估計為數多達50萬顆,所以這個區域被稱為主小行星帶,簡稱「主帶」。


2 小行星帶 -歷史發現

理論預測

1766年德國天文學家提丟斯(J.Titius)偶然發現一個數列:(n+4)/10,將n=0、3、6、12……代入,可相當準確地給出各顆大行星與太陽的實際距離。這件事起初未引起人們的注意,後來柏林天文台的台長波德(J.Bode)得知后將它發表,乃為天文界所知。在1781年發現天王星之後,進一步證實公式有效,波德於是倡議在火星和木星軌道之間也許還有一顆行星。

觀測發現

小行星帶小行星帶
1801年,西西里和皮亞齊(G.Plazzi)在例行的天文觀測中偶然發現在2.77 AU處有個小天體,即把它命名為穀神星(Ceres)。1802年,天文學家奧伯斯(H.Olbere)在同一區域內又發現另一小行星,隨後命名為智神星(Pallas)。威廉·赫歇爾就建議這些天體是一顆行星被毀壞后的殘餘物。到了1807年,在相同的區域內又增加了第三顆婚神星和第四顆灶神星。由於這些天體的外觀類似恆星,威廉·赫歇爾就採用希臘文中的語根aster- (似星的)命名為asteroid,中文則譯為小行星。 拿破崙戰爭結束了小行星帶發現的第一個階段,一直到1845年才發現第五顆小行星義神星。緊接著,新小行星發現的速度急速增加,到了1868年中發現的小行星已經有100顆,而在1891年馬克斯·沃夫引進了天文攝影,更加速了小行星的發現。1923年,小行星的數量是1,000顆,1951年到達10,000顆,1982年更高達100,000顆。現代的小行星巡天系統使用自動化設備使小行星的數量持續增加。

計算證實

在小行星帶發現后,必須要計算它們的軌道元素。1866年,丹尼爾·柯克伍德宣布由太陽算起,在某些距離上是沒有小行星存在的空白區域,而在這些區域上繞太陽公轉的軌道周期與木星的公轉周期有簡單的整數比。柯克伍德認為是木星的攝動導致小行星從這些軌道上被移除。 在1918年,日本天文學家平山清次注意到小行星帶上一些小行星的軌道有相似的參數,並由此形成了小行星族。到了1970年代,觀察小行星的顏色發展出了分類的系統,三種最常見的類型是C-型(碳質)、S-型(硅酸鹽)和M-型(金屬)。2006年,天文學家宣布在小行星帶內發現了彗星的族群,而且推測這些彗星可能是地球上海洋中水的來源。

3 小行星帶 -形成學說

有一種叫「爆炸說」的理論認為:小行星帶內原先有一顆與地球、火星不相上下的大行星,後來由於某種現在尚不清楚的原因,這顆大行星發生了爆炸,炸裂的碎片就成了現在的小行星。此外還有所謂的碰撞說等等。這些假說都從某些方面假說了小行星的起源,但又都存在許多問題難以自圓其說。現在越來越多的天文學家認為,小行星記載著太陽系行星形成初期的信息,小行星的起源是太陽系起源問題中不可分割的一環。

4 小行星帶 -主要組成

主帶
小行星帶60光年外的小行星帶

在主帶的小行星大約有三分之一屬於不同家族的成員。同一家族的小行星來自同一個母體的碎片,共享著相似的軌道元素,像是半長軸、離心率、軌道傾角,還有相似的光譜。由這些軌道元素的圖型顯示,在主帶中的小行星集中成幾個家族,大約有20–30個集團可以確定是小行星族,並且可能有共同的起源。還有一些可能是,但還不是很確定的。小行星族可以藉由光譜的特徵來進行辨認。 較小的小行星集團稱為組或群。   

在主帶內著名的小行星族(依半長軸排序)有花神星族、司法星族、鴉女星族、 曙神星族、和司理星族。 最大的小行星族是以灶神星為主的灶神星族(穀神星是屬於Gefion族的闖入者),相信是由形成灶神星上隕石坑的撞擊造成的,而且HED隕石可能也是起源自這一次的撞擊。在主帶內也被找到三條明顯的塵埃帶,他們與曙神星、鴉女星、司理星有相似的軌道傾角,所以可能也屬於這些家族。

內外緣

在小行星帶的內緣(距離在1.78和2.0天文單位之間,平均半長軸1.9天文單位)有匈牙利族的小行星。們以匈牙利為主,至少包含52顆知名的小行星。匈牙利族的軌道都有高傾角,並被4:1的柯克伍德空隙與主帶分隔開來。有些成員屬於穿越火星軌道的小行星,並且可能是因為火星的擾動才使這個家族的成員減少。另一個在小行星主帶外緣的高傾角家族是福后星族,軌道在距離太陽2.25到2.5天文單位之間。主要由S-型的小行星組成,在靠近匈牙利族的附近有一些E-型的小行星。最大家族之一的花神星族已知的成員超過800顆,可能是在十億年前的撞擊后形成的, 主要分佈在主帶的內側邊緣。在主帶的外緣有原神星族的小行星,軌道介於3.3至3.5天文單位之間,與木星有7:4的軌道共振。希爾達族的軌道介於3.5和4.2天文單位之間,與木星有3:2的軌道共振。相對來說,在4.2天文單位之外,直到與木星共軌的特洛伊小行星之間仍有少量的小行星。

5 小行星帶 -運動特點

小行星帶小行星帶

小行星帶由原始太陽星雲中的一群星子——比行星微小的行星前身——形成。木星的引力阻礙了這些星子形成行星,並造成許多星子相互間高能量的碰撞,於是清掃了這一區域,造成許多殘骸和碎片。小行星繞太陽公轉的軌道,繼續受到木星的攝動,形成了與木星的軌道共振。在這些軌道距離(即柯克伍德空隙)上的小行星會被很快地掃進其它軌道。

大多數小行星是一些形狀很不規則、表面粗糙、結構較松的石塊,表層有含水礦物。它們的質量很小,按照天文學家的估計,所有小行星加在一起的質量也只有地球質量的4/10000。這些小行星和它們的大行星同伴一起,一面自轉,一面自西向東地圍繞太陽公轉。儘管擁擠,卻秩序井然,有時木星的引力會把一些小行星拉出原先的軌道,迫使它們走上一條新的漫遊道路。在近年對小行星觀測中,還發現一個有趣的現象,有些小行星竟然也有自己的衛星。


測量小行星帶中巨大小行星的自轉周期顯示有一個下限存在,直徑大於100米的小行星,自轉周期都超過2.2小時。雖然一個結實的物體可以用更高的速率自轉,但當小行星的自轉周期快過這個數值時,表面的離心力便會大於重力,因此表面所有的鬆散物質都會被拋離。這也說明直徑超過100米的小行星實際上是在碰撞后的瓦礫堆中形成的。

小行星帶高密度的天體分佈使得彼此間的碰撞頻繁(天文學的時間尺度)。在小行星帶中半徑為10公里的天體,平均每一千萬年就會發生一次碰撞。 碰撞會產生許多小行星的碎片(導致新的小行星族產生),而且一些碰撞的殘骸可能會在進入地球的大氣層並成為隕石。 但當小行星以低速碰撞時,兩顆小行星可能會結合在一起。在過去的40億年中,還有一些小行星帶的成員仍保持著原始的特徵。

除了小行星的主體之外,小行星帶中也包含了半徑只有數百微米的塵埃微粒。這些細微顆粒至少有一部分是來自小行星之間的碰撞(或微小的隕石體對小行星的撞擊)。由於坡印廷·羅伯遜阻力,來自太陽輻射的壓力會使這些粒子以螺旋的路徑緩慢的朝向太陽移動。這些細小微粒帶動彗星拋出的物質,產生了黃道光,這種微弱的輝光可以太陽西沉后的暮光中,沿著黃道面的平面上觀察到。產生黃道光的顆粒半徑大約為40微米,而這種顆粒可以維持的生命期通常是700,000年,因此必須有新產生的顆粒源源不斷地來自小行星帶。

6 小行星帶 -科學研究

小行星帶小行星帶
科羅拉多大學的天文學家麗貝卡·馬丁和空間望遠鏡研究所的馬里奧·利維奧提出了一個假說,認為太陽系中小行星帶的位置在木星和火星之間並非偶然,而恰恰是地球生命形成的必要條件。太陽系形成之時,木星和太陽之間的引力作用將太陽系內部的塵埃塊和小行星拖了出來。小行星帶位於所謂的「雪線」上,脆弱的物質如冰塊等,在這一距離仍能保持冰凍狀態,而再靠近的話就可能融化或分解。
 
太陽系形成過程中,冷卻的岩石和冰塊結合,形成我們現在所知的行星。然而在木星形成時,其軌道移位靠近太陽,在木星和太陽之間引力的作用下,「雪線」上的物質分崩離析,一顆新行星的形成過程被中止,只留下小行星帶。現在小行星帶的總質量只相當於最初形成時的百分之一。
 
對於太陽系內部的行星(包括地球)來說,這些小行星的攻擊已是家常便飯。在理論上小行星還為地球帶來了生命形成所需的原材料(如水等),並通過劇烈改變地球的環境和氣候,刺激了生命的演化過程。為了確定小行星帶並非太陽系所獨有,這些紅外信號數據指示了在大約90個不同的恆星星系中,也有小行星帶的存在。馬丁和利維奧研究了520個圍繞恆星運轉的大型氣體星球,發現其中只有19個位於雪線理論位置的外側。這意味著,只有少於4%的地外行星系統符合間斷平衡理論的設定,具備支持智慧生命進化的合適條件。
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