总数超过50万颗的小行星带为什么只出现在火星和木星轨道之间?

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宇宙是一个既神秘,又极富有规律的存在,人类对于宇宙的认知非常有限,但是这有限的认识就很有规律性,所谓大道至简。我们发现宇宙有两大基本特性,一是宇宙是物质的,也就是宇宙是有物质组成的,组成宇宙的各类物质我们称为天体;二是宇宙是运动的,组成宇宙的天体都处在不断的运动之中。

宇宙是一个既神秘,又极富有规律的存在,人类对于宇宙的认知非常有限,但是这有限的认识就很有规律性,所谓大道至简。我们发现宇宙有两大基本特性,一是宇宙是物质的,也就是宇宙是有物质组成的,组成宇宙的各类物质我们称为天体;二是宇宙是运动的,组成宇宙的天体都处在不断的运动之中。

宇宙中的各类天体相互吸引、相互绕转而组成不同等级的天体系统,我们发现不管天体系统的等级高低,其运动的基本形式都是一样的,那就是做“绕转运动”,月球绕着地球转,地球绕着太阳转,太阳系绕着银河系中心转,至于银河系绕着什么转,就不清楚了,不过肯定也是在做绕转运动。

在太阳系中,八大行星几乎在同一平面上,以相同的方向,以椭圆的轨道绕着太阳做周期性运动,几乎是一种完美的运动形态。但是,在完美的八大行星绕日公转画面中好像有一些不协调的因素,那就是位于火星和木星轨道之间不是存在着一颗大行星,而是一个小行星带,里面存在着无数的小行星,估计其总数超过50万颗。

矮行星谷神星就是1801年在波德预测的轨道距离上被发现的。1802年,天文学家奥伯斯发现了第二号小行星智神星,威廉·赫歇尔认为这些天体是一颗行星被毁坏后的残余物。到了1807年,在相同的区域内又发现了第三颗婚神星和第四颗灶神星。 由于这些天体的外观像行星,威廉·赫歇尔就采用希腊文中的词根aster- (似星的),将其命名为asteroid,汉语译为“小行星”。

 谷神星(NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA)

拿破仑战争结束了是小行星发现的第一个阶段, 一直到1845年才发现了第五颗小行星义神星。接着,发现新小行星的速度加快,到1868年发现的小行星已经有100颗。1891年马克斯·沃夫引进了天文摄影,更加速了小行星的发现。 1921年,小行星的数量是1,000颗,1981年达到10,000颗,2000年更高达100,000颗。 现代的小行星巡天系统使用自动化的设备使小行星的数量持续地增加。

在小行星发现后,必须要计算它们的轨道元素。1866年,丹尼尔·柯克伍德宣布由太阳算起,在某些距离上是没有小行星存在的空白区域,而在这些区域上绕太阳公转的轨道周期与木星的公转周期有简单的整数比。柯克伍德认为是木星的摄动导致小行星从这些轨道上被移除。

1918年,日本天文学家平山清次注意到一些小行星的轨道有相似的参数,形成了小行星族。到了1970年代,观察小行星的颜色产生了小行星分类系统,最常见的三种类型是C-型(碳质)、S-型(硅酸盐)和M-型(金属)。

2006年,彗星族在小行星带内被发现。这些彗星有可能是地球海水的来源?在地球形成的过程中,本身并没有足以形成海洋的水,因此需要一个外在的水源供应者——像一次彗星的轰击是很有必要的。

人类对于小行星带中的小行星进行了编号,目前已经编到了120437颗小行星,这些小行星个头差异很大,其中有三颗最大的小行星,分别是智神星、婚神星和灶神星,直径都超过了400千米。在小行星带中还有一颗矮行星,名为谷神星,可以说是小行星带中的老大了,直径大约为950千米,上述四颗由于个头较大都呈球形形态,至于其他小行星,由于个头很小,多呈不规则形态,有的甚至只有尘埃大小。

总数超过50万颗的小行星,分布在绕太阳运行的巨大轨道上,其实是非常稀薄的,那么,为什么在火星和木星轨道之间会有这么一个小行星带呢?关于小行星带的成因,科学上有各种说法,其中比较公认的观点是,在太阳系形成初期,在不同的轨道上,物质由于引力不断聚集而形成行星,也就是说本来在火星和木星轨道之间,也会形成一颗行星的。

不过,由于该轨道位置距离木星太近,而木星的体积和质量巨大,由于受到木星重力作用的影响,使得物质很难形成巨大的行星。当然,也有观点认为,起初在小行星带位置上是有一颗大行星的,后来由于发生了巨大的爆炸,从而碎裂形成小行星带。还有观点认为,小行星带上本来有多颗类似谷神星的矮行星,然后彼此发生了碰撞,从而破碎形成小行星带。这些假说都没有定论,小行星带的真正成因还有待我们人类去继续研究。

那么为什幺小行星带位于火星木星之间。而不是位于水星金星,或者金星与地球、地球与火星、以及木星与土星等等之间呢?这要从小行星带的性质和起源说起。

目前一般认为小行星带由原始太阳星云中的一群星子(比行星微小的行星前身)形成,它的宽度达1.5个天文单位,近2亿3000万公里,其实从这个宽度上看,它就不可能存在于水星到金星、金星到地球以及地球到火星之间,因为小行星带的宽度远超过了这些星球之间的距离,而火星到木星之间的宽度则达5亿多公里,足够放下小行星带了。

小行星带(public domain)

根据太阳系行星分布规律来看,在小行星带的位置也是应该有一颗行星的,那幺小行星带为什么没有凝聚成一颗行星呢?天文学家们认为小行星带本来是可以形成一颗行星的,或者说甚至已经形成过矮行星之类的天体,然而因为它们有一个势力强大的邻居——木星,导致它们难以聚集成一颗行星,因为木星的引力作用阻碍了这些星子形成行星。

在小行星带的外围,木星引力场带动了相当数量的小行星,这些小行星虽然没有环绕木星运行,但是它们很明显地在木星的引力场下随波逐流,难以形成较大的星体。

也有科学家认为,小行星带曾经形成过几颗较小的矮行星,但是由于轨道不稳定,所以后来它们又发生了碰撞,破碎的星体碎片重新成为小行星,并且形成了一些某些物质含量较多的小行星家族,如碳质、硅酸盐、金属和彗星族群小行星。

从上面的讲解中,我们大概能明白小行星带为什么位于火星和木星之间了,其实主要就是两个原因,一是火星和木星之间的距离足够宽敞,容得下宽达2亿多公里的小行星带,再就是这里本来就应该有一颗行星,所以太阳系形成之初,这里的物质比较丰富,而其之所以没有形成小行星,木星的引力影响是一大因素。所以小行星带只能在火星和木星之间,位于其他星体之间还真不行。

小行星带虽然小行星数量很多,范围也很宽,实际上它的总质量并不大,只有地球质量的1‰左右,但是天文学家们认为在太阳系早期,小行星带的原始物质和地球不相上下,只是由于木星的吸引,很多的小行星都坠落到了木星上,也有小部分坠落到了火星上,当然也有一部分小行星逃离了小行星带,成为了太阳系的流浪者,降落到地球上的一些小行星,也很有可能是来自于小行星带之中的,因此小行星带的质量越来越小,如今只有当初的1‰左右了, 说起来也是小得可怜了, 而且这里由于没有物质补充,还会呈现出越来越少的趋势。

我们对宇宙了解的越多就越发现宇宙非常的有规律,超出了现在人类的认知。

责任编辑:田喆

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