[科普中國]-灶神星

簡介

灶神星，小行星序號(hào)為**4 Vesta，**又稱第4號(hào)小行星，是太陽系最大的小行星之一，平均直徑525千米（326英里），是德國天文學(xué)家海因里?！W伯斯在1807年3月29日發(fā)現(xiàn)的，以羅馬神話中家和壁爐的女神Vesta命名。Vesta是古代意大利的管理爐灶和火種的女神，相當(dāng)于希臘神話中的赫斯提亞，是炊事人員、磨坊工人、面包師的保護(hù)神。又有一說它是源自于古代羅馬神話，取名為“灶神”，它是負(fù)責(zé)寺廟里面和古羅馬家庭里面的廚房的火種不滅的神，因此中文翻譯為灶神星。

灶神星是繼矮行星谷神星之后，質(zhì)量第二大的主帶小行星，占有主小行星帶總質(zhì)量的9%。 質(zhì)量雖然比智神星多一點(diǎn)點(diǎn)，但體積卻比較小，是體積第三大的小行星。灶神星形成巖質(zhì)行星剩余的原行星（內(nèi)部分異）。一、二億年前，灶神星曾經(jīng)被撞擊，產(chǎn)生了許多碎片，并留下兩個(gè)巨大的撞擊坑，而且南半球有著很高的密度。這次事件的一些碎片已經(jīng)墬落到地球，成為HED隕石，提供了有關(guān)灶神星的豐富資訊來源。

灶神星是從地球可以看見的最亮的小行星，它距離太陽最遠(yuǎn)時(shí)的距離只比谷神星最近的距離遠(yuǎn)了一點(diǎn)，不過灶神星的軌道完全都在谷神星的軌道之內(nèi)。

NASA的黎明號(hào)太空船在2011年7月16日至2012年9月5日進(jìn)入環(huán)繞灶神星的軌道，進(jìn)行了將近一年的探測(cè)，然后前往谷神星。研究人員繼續(xù)分析黎明號(hào)收集到的資訊，期望能更了解灶神星的形成和歷史。

發(fā)現(xiàn)史

灶神星是被德國天文學(xué)家奧伯斯（Heinrich Wilhelm Olbers）在1807年3月29日發(fā)現(xiàn)的。他接受杰出數(shù)學(xué)家高斯的建議，以羅馬神話的家庭與壁爐的女神維斯塔來命名，中國翻譯為灶神星。

1807年發(fā)現(xiàn)灶神星之后，長達(dá)37年的時(shí)間中未再發(fā)現(xiàn)其他的小行星。在這段期間，只有四顆小行星為人所知，因此她們有自己的標(biāo)志（符號(hào)），灶神星的標(biāo)志具有壁爐邊的風(fēng)格。

發(fā)現(xiàn)者：海因里奇· 威廉·奧伯斯

發(fā)現(xiàn)日期：1807年3月29日

其他編號(hào)：none B

天體分類：小行星帶天體（灶神星家族）

軌道數(shù)據(jù)離心率： 0.08902

半主軸： 53.268 兆米 (2.361 天文單位) 近日點(diǎn)： 321.82 Gm (2.151天文單位)

遠(yuǎn)日點(diǎn)： 384.72 Gm (2.572天文單位)

公轉(zhuǎn)周期： 1325.46 d (3.63 年)

平均公轉(zhuǎn)速度： 19.34 公里/秒

軌道傾角： 7.133°

升交點(diǎn)黃經(jīng)： 103.926°

近日點(diǎn)引數(shù)： 150.297°

平均近點(diǎn)角： 205.652°

特征物理性質(zhì)直經(jīng)： 578×560×458 公里

質(zhì)量：(2.67 ± 0.02)×102? kg

密度： 3.4 g/cm3

表面重力： 0.22 m/s2

逃逸速度： 0.35公里/秒

自轉(zhuǎn)周期： 0.2226 d

光譜分類： V-小行星

絕對(duì)星等： 36.6

反照率： 0.423

表面平均溫度 min: 85 K (-188℃)

max: 255 K (-18 ℃)

灶神星和谷神星是火星和木星之間小行星帶里個(gè)頭最大的成員，灶神星是第二大的小行星，僅次于谷神星。并且是在2.5天文單位的柯克伍德空隙內(nèi)側(cè)最大的小行星。它的體積與智神星相似(在誤差范圍內(nèi))，但更為巨大些。灶神星的形狀似乎已經(jīng)受到重力的影響是扁圓球體，但是大的凹陷和突出使它在國際天文聯(lián)合會(huì)第26屆的大會(huì)中被斷然的排除在行星之外。因此，灶神星將繼續(xù)歸類為小行星，仍屬于太陽系內(nèi)的小天體。對(duì)小行星而言，它的自轉(zhuǎn)(5.342小時(shí))是比較快的，方向?yàn)轫樞校睒O點(diǎn)指向赤經(jīng)20h32m，赤緯+48°，誤差(不確定值)約10°，轉(zhuǎn)軸傾角29°。對(duì)表面溫度的估計(jì)是當(dāng)日正當(dāng)中時(shí)是-20℃；在冬天，極點(diǎn)的溫度低至-190℃，正常的白天與夜晚的溫度各為-60℃和-130℃。以上的估計(jì)是在1996年5月6日，當(dāng)灶神星非常接近近日點(diǎn)的時(shí)候完成的，細(xì)節(jié)則會(huì)隨著季節(jié)有些許的變化。

地質(zhì)特征對(duì)于灶神星，科學(xué)家有大量有力的樣品可以研究，有超過200顆以上的HED隕石可以用于洞察灶神星的地質(zhì)歷史和結(jié)構(gòu)。灶神星被認(rèn)為有以鐵鎳為主的金屬核心，外面包覆著以橄欖石為主的地幔和巖石的地殼。是最早出現(xiàn)的富含鈣鋁(大約在45億6千7百萬年前，太陽系內(nèi)最早凝固的物質(zhì))，可能的時(shí)間排序如下：

大約以2～3百萬年累積完成。因?yàn)榉派湫运プ儯械幕蚴墙^大部分的鋁26，經(jīng)歷4～5百萬年，逐漸分離與沉降至核心。

地幔的對(duì)流作用，造成熔解與進(jìn)一步的結(jié)晶作用，經(jīng)歷約6～7百萬年，當(dāng)80%的物質(zhì)結(jié)晶之后，對(duì)流停止。剩余的熔融物質(zhì)經(jīng)由噴發(fā)，或是經(jīng)由熔巖噴發(fā)成為玄武巖，或短暫的形成巖漿的海洋，形成地殼。地殼的較深層因?yàn)榻Y(jié)晶形成火成巖，更老的玄武巖因?yàn)閬碜孕略霰韺拥膲毫Τ蔀樽冑|(zhì)巖。

內(nèi)部緩慢的冷卻。

灶神星是唯一原封不動(dòng)的更新過表面，并且是唯一經(jīng)歷過行星分化的小行星。但是，現(xiàn)有的鐵隕石和無球粒隕石未能在母體上被確認(rèn)。在隕石的分類中，是在星子與煉獄的歷史過程中，經(jīng)由撞擊產(chǎn)生的碎片。灶神星的外殼被認(rèn)為有下列的層次(依照深度排序)：

石化的風(fēng)化層，來自于古銅鈣無粒隕石和角礫巖的噴發(fā)。

玄武巖的熔巖流，來自于非推積性的噴發(fā)。包括輝石、易變輝石、和斜長石等火成巖，來自于推積性的噴發(fā)。

有大顆粒的直輝石類火成巖，來自于古銅無球隕石。

依照V-型小行星的大小(經(jīng)過大撞擊期間被拋出的灶神星外殼碎片)，與南極坑穴的深度估計(jì)，外殼厚度大約是10公里。

表面特征最明顯的特征是在鄰近南極點(diǎn)有一個(gè)巨大的，直徑460公里的火山口，它的寬度達(dá)到灶神星直徑的80%，坑穴底部的深度達(dá)到13公里，外緣比周圍的地形高出4～12公里，總高低差達(dá)到25公里，中心有一座18公里高的山峰突起。估計(jì)這次撞擊大約將灶神星體積的1%拋出，灶神星家族的V-型小行星就是由這次撞擊產(chǎn)生的。除了這個(gè)隕石坑外，還有幾個(gè)比較大的隕石坑（直徑約150公里、深度7公里左右）也曾被觀察到。一個(gè)寬達(dá)200公里反射率黑暗的區(qū)域已經(jīng)被命名為奧伯斯，以尊崇灶神星的發(fā)現(xiàn)者。但在等高線圖中并未顯示出奧伯斯，因此它是個(gè)新生成的坑穴，還是古老的玄武巖表面，至今尚無從得知。它被選定為經(jīng)度0°的參考點(diǎn)，定義上的本初子午線就穿過它的中心。

東半球和西半球顯示出明顯不同的地形，對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡影像的初步光譜分析，東半球顯示有幾種高反射率的地區(qū)，伴隨著老年風(fēng)化層的沉重坑穴高地地形，和深度足以探測(cè)火成巖地層的坑穴。另一方面，西半球的大片地區(qū)由被認(rèn)為是玄武巖的黑暗地質(zhì)組織占據(jù)的表面，或許類似于月海。

盆地

灶神星上的盆地，被認(rèn)為是巨大撞擊坑，以維斯塔貞女命名。

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撞擊坑

灶神星上的撞擊坑，多以維斯塔貞女命名，其中Marcia、Calpurnia和Minucia由于彼此相連又剛好大小由下往上依序排列，因此曾被昵稱為雪人撞擊坑。

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槽溝

灶神星上的槽溝，以古羅馬的節(jié)日和祭典命名。

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內(nèi)部結(jié)構(gòu)與形成有些HED隕石可能來自灶神星深部，可提供灶神星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地質(zhì)歷史的線索。237442號(hào)小行星1999TA10的紅外研究暗示它來自灶神星的內(nèi)部。結(jié)合黎明號(hào)飛船的探測(cè)資料，可以推算出灶神星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖)。它有金屬鐵–鎳的核，直徑為214～226km，占總質(zhì)量的18%，往其外是橄欖巖石的幔和最外部的巖殼。只有類地行星和大的衛(wèi)星才存在這樣的核、幔、殼結(jié)構(gòu)。

灶神星外殼的成分按深度增加依次如下1：

巖化的表土，是古銅鈣長無球粒隕石和角礫化的鈣長輝長無球粒隕石之源；玄武質(zhì)熔巖流，是無堆積的鈣長輝長無球粒隕石的一種源；輝石、易變輝石和斜長石組成的深成巖，是堆積的鈣長輝長無球粒隕石之源；富集斜方輝石大顆粒的深成巖，是奧長古銅無球粒隕石之源?；谧鳛榇箅E擊期間從灶神星外殼拋出碎塊的V型小行星的大小和雷爾西爾維亞隕擊坑的深度，估計(jì)灶神星外殼的厚度大約10km。

灶神星的地槽必定是斷裂所致的下降地形，說明灶神星有比其他小行星更復(fù)雜的地質(zhì)。如果灶神星保持球形，它必定會(huì)被分類為矮行星。只是由于其南極區(qū)受到大撞擊所致變形而未正式作為矮行星。撞擊導(dǎo)致灶神星自轉(zhuǎn)速度改變及大地槽使長465km、寬22km、深5km的“大峽谷(Grand Canyon)”矮化。

從隕石的分析研究得出，太陽系的最早固態(tài)物質(zhì)——碳質(zhì)隕石的富鈣鋁包裹體(CAIs)形成于45.67億年前，通常把它作為太陽系行星體吸積形成過程開始的時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)。由此算起，灶神星形成演化史的時(shí)間線如下：200～300萬年，灶神星完成吸積；400～500萬年，由于26Al的放射性衰變能量造成完全或幾乎完全熔融，導(dǎo)致分離出金屬核；600～700萬年，對(duì)流的熔融幔連續(xù)地結(jié)晶，到約80%物質(zhì)結(jié)晶時(shí)，對(duì)流停止；余下的熔融物質(zhì)或作為連續(xù)噴發(fā)的玄武巖流，或可能成為短壽的巖漿海，冷凝為外殼；外殼的較深層結(jié)晶形成深成巖，由于較新表層的壓力，較老的玄武巖變質(zhì)；內(nèi)部緩慢冷卻。

從有關(guān)的觀測(cè)證據(jù)和理論研究，建立了太陽系行星形成的“標(biāo)準(zhǔn)”模型(圖)，其概要如下：轉(zhuǎn)動(dòng)的原始太陽星云自吸引收縮，形成中央的“原太陽”(Protosun)和繞它轉(zhuǎn)動(dòng)的星云盤；星云盤中的固態(tài)顆粒是形成行星的基本建造材料，顆粒先集聚為小的星子(planetesimal)，它們碰撞結(jié)合而增長為大星子，大星子的引力場足夠強(qiáng)而吸積遇到的顆粒及小星子，很快成為原行星或行星胎，它們相互撞擊和進(jìn)一步吸積而成長為行星；在離太陽近的星云盤內(nèi)區(qū)溫度高，只有塵物質(zhì)的凝結(jié)顆粒而形成巖體的類地行星；在星云盤外區(qū)溫度低，還有水等冰物質(zhì)參于凝結(jié)的顆粒，因而更快形成大的行星胎，并吸積氣體而成為類木行星；小行星是行星形成過程的半成品，由于星云盤外區(qū)大星子之間的引力攝動(dòng)而使一些星子的軌道改變而經(jīng)過小行星區(qū)，吸積并帶走那里的建造材料，包括小的星子，使得原行星生長停頓在半成品狀態(tài)。灶神星就是僅以上述演化方式更新表面的已知原封原行星。然而，未識(shí)別出母體的鐵隕石和無球粒隕石的存在表明，曾一度存在有火成歷史的其他已分異的星子，后來被撞擊打碎。灶神星及其碎塊——HED隕石探測(cè)研究得到了很多過去不甚了解的寶貴新資料，有助于解決地球等行星的起源和早期演化的疑難。

深入研究已取得的灶神星探測(cè)資料以及將取得的谷神星探測(cè)資料，必將導(dǎo)致行星的形成演化研究的新突破。

探測(cè)活動(dòng)NASA的曙光計(jì)劃將是前往灶神星探測(cè)的第一個(gè)計(jì)劃，預(yù)計(jì)在2010-2011年間進(jìn)入軌道環(huán)繞9個(gè)月。

2007年9月27日，美國東部時(shí)間7時(shí)34分（北京時(shí)間19時(shí)34分），“黎明”號(hào)從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地由一枚德爾塔2型火箭運(yùn)載，順利升空，開始了它長達(dá)8年超過50億公里的星際探索之旅。它將遠(yuǎn)赴火星和木星之間的小行星帶，首先探測(cè)灶神星，此后再趕往谷神星繼續(xù)觀測(cè)，幫助專家尋找太陽系誕生的線索。

按計(jì)劃，它將于2011年飛抵環(huán)灶神星軌道，在結(jié)束對(duì)其為期6個(gè)月的觀察后啟程繼續(xù)趕往谷神星，預(yù)計(jì)在2015年抵達(dá)谷神星。如果不辱使命，“黎明”號(hào)將成為第一個(gè)環(huán)繞兩個(gè)不同天體運(yùn)行的無人探測(cè)器。

根據(jù)2006年8月國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)提出的新定義，谷神星已經(jīng)從小行星升格為矮行星，但美國宇航局沒有改口，仍將“黎明”號(hào)稱為小行星探測(cè)器。

科學(xué)家們認(rèn)為，探測(cè)灶神星和谷神星將有助于了解太陽系起源，該項(xiàng)目也由此取名為“黎明”。

2011年5月3日，黎明號(hào)在距離灶神星1.21百萬公里時(shí)拍攝了第一張照片，當(dāng)中灶神星只有約5像素寬。黎明號(hào)進(jìn)入接近灶神星的探測(cè)階段，并于6月12日開始減速，準(zhǔn)備在34天后進(jìn)入環(huán)灶神星軌道。

2011年6月1日，黎明號(hào)距離灶神星48.3萬公里時(shí)，為了導(dǎo)航需要拍攝了20張連續(xù)照片，分辨率已接近哈伯空間天文臺(tái)拍攝的灶神星照片。黎明號(hào)在抵達(dá)灶神星之前會(huì)減速，預(yù)計(jì)每周發(fā)布更多照片。黎明號(hào)預(yù)計(jì)2011年7月16日進(jìn)入環(huán)灶神星軌道。

美國宇航局證實(shí)黎明號(hào)在2011年7月16日進(jìn)入環(huán)灶神星軌道，成為首個(gè)環(huán)繞小行星帶小行星的探測(cè)器。黎明號(hào)確切入軌時(shí)間尚不清楚，這是由于當(dāng)時(shí)天文學(xué)家只能估計(jì)灶神星質(zhì)量與重力場，無法準(zhǔn)確得知其數(shù)據(jù)。而現(xiàn)在黎明號(hào)已進(jìn)入軌道，便能反過來計(jì)算灶神星的質(zhì)量與重力場。黎明號(hào)在7月17日06:30 UTC重新檢測(cè)搭載的設(shè)備儀器。

黎明號(hào)在9月27日進(jìn)入距離灶神星680公里的公轉(zhuǎn)軌道，環(huán)繞一周的時(shí)間為12.3小時(shí)。黎明號(hào)后來在12月8日進(jìn)入另一個(gè)公轉(zhuǎn)軌道，距離灶神星只有210公里，環(huán)繞一周的時(shí)間為4.3小時(shí)。美國宇航局在2012年5月首度公開黎明號(hào)獲得的灶神星初步數(shù)據(jù)，估計(jì)灶神星的金屬核心直徑為220公里。美國宇航局科學(xué)家進(jìn)一步將灶神星視為獨(dú)一無二的一種小行星，認(rèn)為它是與巖石行星同時(shí)形成的大型小行星殘存。

2012年9月7日，“黎明”號(hào)已在美國東部時(shí)間5日凌晨2時(shí)26分離開灶神星軌道，向谷神星飛去。若一切順利，“黎明”號(hào)有望成為第一個(gè)環(huán)繞兩顆不同天體運(yùn)行的無人探測(cè)器。