[科普中国]-谷神星

谷神星（Ceres）是太阳系中最小的、也是唯一位于小行星带的矮行星。由意大利天文学家皮亚齐发现，并于1801年1月1日公布。2006年，国际天文学联合会将谷神星重新定义为矮行星，谷神星曾被认为是太阳系已知最大的小行星。

简介谷神星（Ceres）是太阳系中最小的、也是唯一位于小行星带的矮行星。由意大利天文学家皮亚齐发现，并于1801年1月1日公布。2006年，国际天文学联合会将谷神星重新定义为矮行星，谷神星曾被认为是太阳系已知最大的小行星。谷神星很可能是一个分化型星球，具有岩石内核，地幔层包含大量冰水物质，现探测到星球表面有大量载水矿物质。初步推测水占谷神星体积的40%。谷神星还能通过太阳能获得能量，因为它距离太阳仅2.8个天文单位，相比之下，木卫二和土卫二一距离较远，分别是5.2和9个天文单位。

谷神星位于火星和木星轨道间的小行星带中，此前研究已确认其内部存在大量的冰。欧航局在《自然》杂志上报告说，他们利用赫歇尔望远镜首次在谷神星上发现了水蒸气，这些水蒸气来自谷神星表面颜色较深的区域。水蒸气的量并不大，约为每秒6千克，但这一发现对于证实谷神星上有水意义重大。研究人员推测，水蒸气冒出的具体原因可能有两个：一是太阳照射使谷神星表面的冰被迅速加热所致，二是谷神星内部仍有能量。科学家推测可能拥有液态水的海洋。

2014年12月18日，美国行星科学研究所科学家李剑扬说：“我并不认为在天体生物学方面谷神星不如其它潜在宜居性的星球。生命存在需要3个基本条件——液态水、能量来源和某些化学成分（碳、氢、氮、氧、磷和硫磺等），谷神星均占一定优势。”

发现过程1766年，德国有一位名叫约翰·提丢斯（Johann Daniel Titius）的中学教师，把下面的数列：

（0+4）/10=0.4；（3+4）/10=0.7；（6+4）/10=1.0
（12+4）/10=1.6；（24+4）/10=2.8；（48+4）/10=5.2

（96+4）/10=10→（3*2ⁿ+4）/10

令提丢斯惊奇的是，他发现这个数列的每一项与当时已知的六大行星（即水星、金星、地球、火星、木星、土星）到太阳的距离比例（地球到太阳的距离定为1个单位）有着一定的联系。

提丢斯的朋友，天文学家波得深知这一发现的重要意义，就于1772年公布了提丢斯的这一发现，这串数从此引起了科学家的极大重视；并被称为提丢斯——波得定律即太阳系行星与太阳的平均距离．

当时，人们还没有发现天王星、海王星，以为土星就是距太阳最远的行星。

1781年，英籍德国人赫歇尔在接近19.6的位置上（即数列中的第八项）发现了天王星，从此，人们就对这一定则深信不疑了。根据这一定则，在数列的第五项即2.8的位置上也应该对应一颗行星，只是还没有被发现。于是，许多天文学家和天文爱好者便以极大的热情，踏上了寻找这颗新行星的征程。

1801年新年的晚上，意大利神父朱塞普·皮亚齐（Giuseppe Piazzi，1746年7月7日～1826年7月22日）还在聚精会神地观察着星空。突然，他从望远镜里发现了一颗非常小的星星，正好在提丢斯——波得定则中2.8的位置上。这颗行星在几天的观测期内不断变动位置。可是，当皮亚齐再想进一步观察这颗小行星时，他却病倒了。等到他恢复健康，再想寻找这颗小行星时，它却不知所踪。皮亚齐没有放弃这一机会，他认为这可能就是人们一直没有发现的那颗行星。

天文学家对皮亚齐的这一发现持有不同的看法。有人认为皮亚齐是正确的；也有人认为这可能是一颗彗星，关于这颗行星的说法不在少数，天文学界议论纷纷。

几个月过去了，人们的争论也没见分晓。可是，这场争论却引起了德国数学家高斯的注意。高斯想，既然天文学家通过观察找不到谷神星，那么，是否可以通过数学方法找到它呢？许多天文学家对高斯的这一提法不以为然。天文学家都找不到谷神星，难道高斯还能把它算出来吗？朋友们也劝他不要把自己的时间和才智浪费在这一毫无希望的问题上。

年轻的高斯却有自己的看法。他认为，天文学是离不开数学的。如果没有雄厚的数学知识，是不可能成为一个出色的天文学家的。在天文学发展史上，情况也正是如此。开普勒正是凭借着自己的数学才能，才发现了行星运动的三大定律。牛顿也是凭着渊博的数学知识，才发现了万有引力定律。

在高斯之前，著名数学家欧拉曾经研究出了一种计算行星轨道的方法。可是，这个方法太麻烦。高斯决心去寻找一种简便易行的方法。在前人的基础上，高斯经过艰苦的运算，以其卓越的数学才能创立了一种崭新的行星轨道计算理论。他根据皮亚齐的观测资料，利用这种方法，只用了一个小时就算出了谷神星的轨道形状，并指出它将于何时出现在哪一片天空里。

1801年12月31日夜，德国天文爱好者奥伯斯，在高斯预言的时间里，用望远镜对准了这片天空。不出所料，谷神星再一次奇迹般地出现了！

高斯的计算方法成功了。高斯从笔尖上寻找到的这颗行星，在隐藏了整整一年后，成为人类的最好的新年礼物。这一礼物向人们显示了数学在科学研究中的巨大作用。

在发现小行星之前，皮亚齐原是找寻Francis Wollaston的恒星列表中所记载的Mayer 87星，但他在表中所述的位置找不到该星。及后他找到一颗会移动的星，最初他认为这是颗彗星。

皮亚齐持续观测至2月11日，但他的发现却未受注意，之后该小行星已公转至太阳背面而无法观测。及后德国数学家高斯凭著皮亚齐的三次观测结果去估计其轨道，并于翌年由Franz Xaver，Baron von Zach和奥伯斯成功寻回该天体。另一位天文学家波得认为火星与木星轨道之间的位置理应有行星，而谷神星正是该颗他认为的未知行星，但它的体积比起其他大行星要小得多，因此威廉·赫歇尔（Friedrich Wilhelm Herschel，1738年11月15日～1822年8月25日）后来把这类天体称为“小行星”（asteroid）并由此延伸出一个标准，即要确定一个天体是否为行星，这个行星的体积必须比谷神星要大。

即将揭开相关之谜美国宇航局“黎明”号探测器正在谷神星周围的轨道上运行。在2月19日，“黎明”号在4.6万公里的高度上拍摄到谷神星的全貌，科学家发现图像中存在一个神秘的亮点。在最新的任务中，美国宇航局已经将神秘亮点列为首要观测的目标之一，有研究认为这是谷神星上的冰物质反射光。

目前“黎明”号探测器正在使用离子推进器进入半径为1.3万公里的圆轨道，这个高度上能够观测到谷神星表面的冰和岩石撞击坑的景观，因此神秘亮点的奥秘也将被揭开。

虽然“黎明”号降低了轨道高度，但现在还无法进行成像，直到太阳光再次照射到探测器下方的谷神星表面时才可获得高质量的图像。在众多令人着迷的观测目标中，神秘亮点非常引人注目。哈勃太空望远镜在10年前对谷神星进行观测，但直到现在我们才获得了最清晰的谷神星图像。“黎明”号本次轨道调整将延续到4月14日，变轨完成后将进行一次导航定位，此后我们将对谷神星进行全面观测，揭开谷神星上的各种谜团。

谷神星的直径大约为950公里，与地球或其他类地行星相似的地方在于其赤道比南北两极的距离要宽一些。4月23日之后，“黎明”号将按计划抵达RC3轨道，这是一个新的圆轨道，并开始为期一年的探测，拍摄数以万计的谷神星表面图像。“黎明”号其实还有故障在身，它的四个反作用轮中有两个已经损坏，科学家通过陀螺仪进行状态稳定，这会导致“黎明”号失去一些原计划的任务。

在RC3轨道上，每个像素可覆盖1.3公里跨度的谷神星地表面积，目前最好的照片分辨率仅为4.3公里，因此要想拍摄到更优质的照片，就需要在合适的角度利用反射光线提高照片的清晰度。截止4月7日，探测器与太阳和地球构成了等腰三角形，距离为2.89个天文单位。1

天文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，但视力特别锐力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[64]。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，当他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。

1984年11月13日，在墨西哥、佛罗里达和加勒比海之间，观测到谷神星的恒星掩星。

1995年6月25日，哈勃空间望远镜的紫外线观测得到分辨率达到50千米的影像。

2002年，凯克望远镜使用调适光学得到分辨率30千米的红外线影像。

2003年底及2004年初，哈勃太空望远镜首度摄得谷神星的外貌，发现它相当接近球形，而且表面具有不同的反照率，相信拥有复杂的地形，有天文学家甚至推测谷神星的具有冰质的幔及金属的核心。

2003年和2004年使用哈勃空间望远镜观测，得到分辨率30千米的可见光影像（最好的资料） 。

2015年，美国宇航局的“黎明号”探测器仍然运行在谷神星的轨道上，科学家发现谷神星上存在一座巨大的山脉，从外形上看，酷似埃及的金字塔。金字塔山脉的高度为6000米，这里还有一些巨大的撞击坑，分别为北半球的Occator撞击坑位和南半球的UrvaraYalode盆地。2

星球探测2006年，国际天文学联合会将谷神星重新定义为矮行星，谷神星曾被认为是太阳系已知最大的小行星。

2007年9月27日，NASA发射黎明号太空船，在2011年探测灶神星，然后在2015年抵达谷神星，迄今还没有太空船曾经拜访过谷神星，执行这项任务的黎明号太空船将会先进入高度5,900千米的轨道环绕谷神星，经过5个月的研究之后，太空船会先将高度降低至1,300千米，然后再经过5个月才降至700千米。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。这些将用来审视这颗矮行星的形状和元素丰度。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。

2014年1月，欧洲航天局一项最新研究首次确认，谷神星上有水蒸气冒出。

2015年1月，“黎明”号正从太阳的背面露出（之前它一度位于地球与太阳连线的另一侧，无法与地球通讯），与地球重新建立了无线电联系。

工程师已经为下一阶段的绕飞任务进行了编程，这个阶段称之为“谷神星”逼近阶段。“黎明”号距离“谷神星”大约64万公里，正以725千里/时的速度接近。接下来，当“黎明”号进入谷神星的轨道后，就标志着人类使用一枚探测器成功绕飞两颗天体（之前，“黎明”号已经完成了“灶神星”的绕飞任务，并成功脱离引力束缚）。3

黎明号探测器很快会进入谷神星附近，科学家认为谷神星上存在岩质表面，那些令人好奇的白色斑块到底是什么？也有研究指出白色斑块可能是谷神星上地下水逃逸到太空的过程中被冻结在表面上，科学家有望在谷神星上发现大面积的冰层，美国宇航局对谷神星的探索将是一个新的里程碑。

2015年1月27日，NASA发布“黎明”号于1月25日拍摄的谷神星照片，拍摄时距离谷神星147,000英里(237,000公里)远，大约43个像素宽，比哈勃望远镜2003、2004年拍摄的照片高30%的分辨率。4

2015年2月5日，NASA发布“黎明”号于2月4日拍摄的谷神星照片，拍摄时距离谷神星90,000 英里 (145,000 公里)远。5

2015年2月17日，NASA发布“黎明”号于2月12日拍摄的谷神星照片，拍摄时距离谷神星52,000 英里 (83,000 公里)远。6

2015年2月25日，NASA发布“黎明”号于2月19日拍摄的谷神星照片，拍摄时距离谷神星29,000 英里 (46,000 公里)远。7

2015年2月27日，NASA发布“黎明”号于2月19日拍摄的谷神星照片动图。8

2015年美国东部时间3月6日07:39(北京时间20:39)，黎明号开始被谷神星引力场捕获，此时飞船距离谷神星约6.1万公里。9

随后JPL美国东部时间8:36(北京时间21:36)接收到来自飞船发回的信号，确认黎明号飞船状况一切正常，其安装的离子发动机也工作正常，飞船成功进入环谷神星轨道，成为首个矮行星的人造卫星。

原计划2018年飞掠智神星的任务因为之前的故障（离子发动机故障延误航程）而无法前往，黎明号将伴随智神星一直绕飞下去。

2015年4月20日，NASA发布“黎明”号于2月14日与15日拍摄的谷神星照片及动图，拍摄时距离谷神星14,000 英里 (22,000 公里)远。8

地理位置谷神星的归类已经变更过很多次，并且都是天文学家们的意见不和造成的。约翰·波得相信谷神星就是那颗在火星和木星之间，距离太阳4.19亿千米（2.8AU）的“失踪行星”。谷神星被赋予一个行星的符号，在更多小行星被发现之前，谷神星（还有智神星、婚神星和灶神星）有将近半个世纪都以行星之名列在天文学的书表之中。

然而当其他的天体陆续在同一范围内被发现，人们慢慢了解到谷神星只是许许多多相似类型天体的一位而已。威廉·赫歇耳在1802年创造小行星（类似恒星的天体）这个名词来称呼这种天体，并写道“它与恒星们是如此的难区别，使用最好的望远镜也会以为是小恒星”。作为第一颗被发现的小行星，以现代的小行星编号系统被列为小行星1号谷神星。

在2006年，关于冥王星是不是“行星”的辩论，引发了谷神星是否也应被重新归类为行星的问题。在国际天文联合会正式定义行星之前，行星曾被定义为“一个天体符合：（a） 有足够的质量，能以自身的重力克服刚体力，因此能呈现流体静力平衡的形状（接近圆球体）；（b）在轨道上围绕一颗恒星公转，而且不是一颗行星或行星的卫星”。若依照这种定义，谷神星将会是从太阳系内侧按次序排列的第五颗行星。但是，这个定义并没有被接受，而且一个新定义于2006年8月24日生效：“一颗行星符合（a）和（b），而且必须将邻近轨道上的天体清除”。根据这样的定义，谷神星就不是一颗行星（因为它在小行星带上的轨道布满了千千万万颗小行星），并且归为“矮行星”（同时还有冥王星和阋神星），但并未说明它是否还是小行星的问题。天文学里也存在着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。

谷神星是迄今小行星带中最大的天体，但随着凯柏带及其天体的发现，比谷神星大的天体也随之被找到，包括（28978）小行星（Ixion）、（50000夸奥尔星）（Quaoar）、小行星（Orcus）以及2003 UB313（阋神星）等，而新发现的最远天体（90377）塞德娜星（Sedna）也可能比谷神星大，它可能来自奥特云内层。冥王星有时也会被认为是凯柏带天体。

相关数据

|| || 谷神星

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运行轨道谷神星的轨道介于木星和火星之间，位于小行星带的主带内，每4.6地球年绕行太阳一周。轨道有些倾斜（i= 10.6°，作比较的水星有7°，冥王星有17°）和离心率（e= 0.08，作比较的火星是0.09）。

说明图中呈现谷神星的轨道（蓝色）和一些行星的轨道（白色/灰色），在黄道面下方的轨道使用较暗的颜色，并以橘色的加号表示太阳的位置。左上图是从极点鸟瞰的图，谷神星的轨道在火星和木星中间的空隙内；右上图是特写图，标示出火星和谷神星的近日点（q）和远日点（Q），火星的近日点与小行星带主要的小行星，包括智神星和健神星，分在太阳的两侧；下图是显示轨道倾角的透视图，将谷神星和火星与木星的轨道比较。

在过去，谷神星曾经被认定是小行星家族中最大的小行星。这一家族的小行星共享着相似的轨道元素，表示这些小行星有着共同的起源，是在某一段时间经过碰撞后形成的。但是，发现谷神星的光谱特性与家族中其他成员的不同，因此这个家族已经更名为吉菲昂族，是依据家族中序号最小的1272 吉菲昂命名的。谷神星看来是这个家族的侵入者，恰巧有着相似的轨道元素，但来源是不同的。

谷神星的自转周期（谷神日）是9小时4分。

起源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Al）。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。这种过程可能导致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。

今天，谷神星似乎是一颗地质处于非活跃状态的天体，表面可能因受到撞击的影响。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。11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。

神秘亮点谷神星表面几处神秘亮点可能喷射水蒸汽羽流至太空，暗示着这颗矮行星拥有的地质活动十分活跃。

美国宇航局黎明号探测器接近谷神星时拍摄一些图像，科学家在月球和行星科学讨论会上指出，最新拍摄图像显示谷神星亮点可能是冰水物质，将为揭晓该星球表面之下潜藏物质提供重要线索。

德国马克斯·普朗克太阳系研究所安德里亚斯·纳逊斯(Andreas Nathues)博士说：“这种羽流在谷神星的一天之中不断变化，在白天期间，羽流会变得更亮，在黄昏时刻，羽流变得昏暗，进入傍晚，羽流完全消失。”

最初哈勃望远镜发现的神秘亮点再次出现在近期黎明号探测器拍摄的图像中，虽然科学家猜测这些亮点包含高反光冰水物质，但黎明号探测器还未近距离进行充分观察，目前最新数据表明这些亮点很可能是冰水。

目前最亮的亮点被科学家称做“5号特征”，从白天不同时间和角度拍摄照片显示很可能与羽流物质有关，该区域位于一个80公里直径陨坑底部。纳逊斯说：“我们认为这种亮点是某种释气现象，我们需要高分辨率图像数据来证实。”

并不是所有人都很快接受初步的羽流解释，美国华盛顿大学比尔·麦金农(Bill McKinnon)称，你从未看到具有亮点的羽流，霜冻和雪落在谷神星表面，但是我们需要进一步观察。

谷神星体积较大，外状呈圆形，富含大量水，是小行星带一颗奇特天体，科学家猜测谷神星存在次表层海洋或者冰冻水层，作为矮行星，它更像是一颗行星或者冰卫星，而不是天文学家之前所理解的小行星。12

彩色照片2015年4月6日，美国宇航局发射的“黎明”号探测器，在经历了近8年，超过50亿公里的星际探索后，成功抵达谷神星轨道。今天，美国宇航局正式公布了“黎明”号拍摄的谷神星表面彩色照片。13

这张照片就是“黎明”号传回的谷神星近照。通过图片的颜色，科学家可以分析出谷神星表面的不同物质结构构成，从而推测出这颗直径950公里的矮行星的演化过程。尽管人们在200年前就发现了谷神星的存在，但此前从未有探测器到访。因此，“黎明号”项目被寄予厚望。

最新发现2015年6月19日消息，据国外媒体报道，NASA的黎明号在谷神星上有了新的发现。谷神星是位于火星与木星之间的小行星带中体积最大的天体。

今年早些时候，黎明号开始了朝向谷神星的征途。该探测器随后在巨大的火山口上发现了一处面积巨大的神秘反射点，人们普遍认为该处地点蕴藏着大量的水、冰或泥浆。

众多观察人士猜测，谷神星上的亮点可能是目前或过去外星人停留在这颗矮行星上的证据。现在，探测器已经抵近该天体，距离为2700英里。虽然该反射点所为何物仍不清楚，但黎明号已经观测到更多的亮点，同时还有一处金字塔状物体，NASA预测该物体高3英里。该照片于6月6日拍摄，并于本周三公开。

也许，无论现在还是过去，谷神星在某些未知生命形态的眼中都非常具有吸引力。

我们期待黎明号传回的进一步数据，以便搞清楚谷神星上究竟存在些什么。

2017年2月18日消息，前往谷神星 Ceres 的 Dawn 探测器有了惊人的发现 -- 利用探测器的可见光与红外线光谱仪，他们发现了表面上竟然有简单有机物的存在，分布在一个名为 Ernutet 的陨石坑内及其四周，方圆约 1000 平方公里的范围内。考虑到科学家完全没有预期会发现有机物，这是相当庞大的量呢。光谱仪寻找的是碳-氢键，推测表面上最多的应该是甲基与亚甲基化合物。科学家推测它们是在谷神星本身上生成的，而非由其他星体载运到谷神星表面。我们已经知道谷神星上藏水量不少，配合碳酸化合物和土质，在阳光照射下，有可能出现往更复杂的有机化合物前进的条件。14

谷神星表面神秘亮斑可能是陨坑冰阱中的水冰

据英国每日邮报报道，受木星和土星引力，以及谷神星轴倾斜度的影响，这颗矮行星存在着显著变化。目前，科学家发现谷神星陨坑中神秘亮斑的形成之谜，在一项最新研究中，美国宇航局研究人员发现亮斑形成的一些沉积物质，很可能是水冰，猜测是谷神星最大轴倾斜度时期，在陨坑中长期未照射太阳光所形成的15。

本词条内容贡献者为:

杨荣佳 - 教授 - 河北大学