竈神星

竈神星

小行星
竈神星, 小行星序号為4 Vesta,是太陽系最大的小行星之一[1],平均直徑525千米(326英裡)。它是海因裡希·歐伯斯在1807年3月29日發現的,以羅馬神話中家和壁爐的女神Vesta命名,中文翻譯為竈神星。
  • 中文名:竈神星
  • 外文名:
  • 别名:第4号小行星
  • 分類:小行星帶天體
  • 發現者:海因裡希·奧伯斯
  • 質量:
  • 平均密度:3.4
  • 直徑:
  • 表面溫度:
  • 逃逸速度:0.35
  • 反照率:0.423
  • 視星等:
  • 絕對星等:36.64
  • 自轉周期:5.342小時
  • 赤經:
  • 赤緯:
  • 距地距離:
  • 半長軸:
  • 離心率:
  • 公轉周期:
  • 平近點角:
  • 軌道傾角:
  • 升交點經度:
  • 質量:(2.67 ± 0.02)×10²⁰ kg
  • 直徑:578×560×458 km
  • 表面溫度:min:85K(-188℃)

簡介

竈神星是繼矮行星谷神星之後,質量最大的主帶小行星,占有主小行星帶總質量的9%。 質量雖然比智神星多一點點,但體積卻比較小,是體積第二大的小行星。竈神星形成岩質行星剩餘的原行星(内部分異)。一、二億年前,竈神星曾經被撞擊,産生了許多碎片,并留下兩個巨大的撞擊坑,而且南半球有着很高的密度。這次事件的一些碎片已經墬落到地球,成為HED隕石,提供了有關竈神星的豐富資訊來源。

竈神星是從地球可以看見的最亮的小行星,它距離太陽最遠時的距離隻比谷神星最近的距離遠了一點,不過竈神星的軌道完全都在谷神星的軌道之内。

NASA的黎明号太空船在2011年7月16日至2012年9月5日進入環繞竈神星的軌道,進行了将近一年的探測,然後前往谷神星。研究人員繼續分析黎明号收集到的資訊,期望能更了解竈神星的形成和曆史。

發現史

竈神星是被德國天文學家奧伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)在1807年3月29日發現的。他接受傑出數學家高斯的建議,以羅馬神話的家庭與壁爐的女神維斯塔來命名,中國翻譯為竈神星。

1807年發現竈神星之後,長達37年的時間中未再發現其他的小行星。在這段期間,隻有四顆小行星為人所知,因此她們有自己的标志(符号),竈神星的标志具有壁爐邊的風格。

竈神星和谷神星是火星和木星之間小行星帶裡個頭最大的成員,竈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内側最大的小行星。它的體積與智神星相似(在誤差範圍内),但更為巨大些。竈神星的形狀似乎已經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合會第26屆的大會中被斷然的排除在行星之外。因此,竈神星将繼續歸類為小行星,仍屬于太陽系内的小天體。對小行星而言,它的自轉(5.342小時)是比較快的,方向為順行,北極點指向赤經20h32m,赤緯+48°,誤差(不确定值)約10°,轉軸傾角29°。對表面溫度的估計是當日正當中時是-20℃;在冬天,極點的溫度低至-190℃,正常的白天與夜晚的溫度各為-60℃和-130℃。以上的估計是在1996年5月6日,當竈神星非常接近近日點的時候完成的,細節則會随著季節有些許的變化。

地質特征

對于竈神星,科學家有大量有力的樣品可以研究,有超過200顆以上的HED隕石可以用于洞察竈神星的地質曆史和結構。竈神星被認為有以鐵鎳為主的金屬核心,外面包覆著以橄榄石為主的地幔和岩石的地殼。是最早出現的富含鈣鋁(大約在45億6千7百萬年前,太陽系内最早凝固的物質),可能的時間排序如下:

大約以2~3百萬年累積完成。因為放射性衰變,所有的或是絕大部分的鋁26,經曆4~5百萬年,逐漸分離與沉降至核心。

地幔的對流作用,造成熔解與進一步的結晶作用,經曆約6~7百萬年,當80%的物質結晶之後,對流停止。剩餘的熔融物質經由噴發,或是經由熔岩噴發成為玄武岩,或短暫的形成岩漿的海洋,形成地殼。地殼的較深層因為結晶形成火成岩,更老的玄武岩因為來自新增表層的壓力成為變質岩。

内部緩慢的冷卻。

竈神星是原封不動的更新過表面,并且是經曆過行星分化的小行星。但是,現有的鐵隕石和無球粒隕石未能在母體上被确認。在隕石的分類中,是在星子與煉獄的曆史過程中,經由撞擊産生的碎片。竈神星的外殼被認為有下列的層次(依照深度排序):

石化的風化層,來自于古銅鈣無粒隕石和角礫岩的噴發。

玄武岩的熔岩流,來自于非推積性的噴發。包括輝石、易變輝石、和斜長石等火成岩,來自于推積性的噴發。

有大顆粒的直輝石類火成岩,來自于古銅無球隕石。

依照V-型小行星的大小(經過大撞擊期間被抛出的竈神星外殼碎片),與南極坑穴的深度估計,外殼厚度大約是10公裡。

表面特征

最明顯的特征是在鄰近南極點有一個巨大的,直徑460公裡的火山口,它的寬度達到竈神星直徑的80%,坑穴底部的深度達到13公裡,外緣比周圍的地形高出4~12公裡,總高低差達到25公裡,中心有一座18公裡高的山峰突起。估計這次撞擊大約将竈神星體積的1%抛出,竈神星家族的V-型小行星就是由這次撞擊産生的。除了這個隕石坑外,還有幾個比較大的隕石坑(直徑約150公裡、深度7公裡左右)也曾被觀察到。一個寬達200公裡反射率黑暗的區域已經被命名為奧伯斯,以尊崇竈神星的發現者。但在等高線圖中并未顯示出奧伯斯,因此它是個新生成的坑穴,還是古老的玄武岩表面,尚無從得知。它被選定為經度0°的參考點,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,對哈勃太空望遠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,伴随著老年風化層的沉重坑穴高地地形,和深度足以探測火成岩地層的坑穴。另一方面,西半球的大片地區由被認為是玄武岩的黑暗地質組織占據的表面,或許類似于月海。

盆地

竈神星上的盆地,被認為是巨大撞擊坑,以維斯塔貞女命名。

名稱

坐标

直徑(公裡)

名字來源

雷亞希爾維亞盆地

75°S 301°E

505

雷亞·西爾維亞,維斯塔貞女之一,羅馬城建立者羅穆盧斯和瑞摩斯之母。

維納尼亞盆地

52°S 170°E

395

維納尼亞,維斯塔貞女之一。

撞擊坑

竈神星上的撞擊坑,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。

名稱

坐标

直徑(公裡)

名字來源

塔爾皮亞撞擊坑

69.5°S 29°E

41

塔爾皮亞,維斯塔貞女之一;同時也是羅馬守城總督之女,後背叛羅馬引敵軍進城。

Vibidia撞擊坑

26.9°S 139.9°W

7.6

Vibidia,維斯塔貞女之一。

Marcia撞擊坑

63

Marcia,維斯塔貞女之一,後被指控犯罪。

Calpurnia撞擊坑

53

Calpurnia。

Minucia撞擊坑

24

Minucia,維斯塔貞女之一,後被指控不貞。

槽溝

竈神星上的槽溝,以古羅馬的節日和祭典命名。

名稱

坐标

長度(公裡)

名字來源

Divalia槽溝

69.5°S 29°E

465

Divalia,又稱為Angeronalia;古羅馬節日,主祭神為痛苦女神Angerona。

農神節槽溝

26.9°S 139.9°W

365

農神節,古羅馬節日,主祭神為薩圖爾努斯。

内部結構與形成

有些HED隕石可能來自竈神星深部,可提供竈神星的内部結構和地質曆史的線索。237442号小行星1999TA10的紅外研究暗示它來自竈神星的内部。結合黎明号飛船的探測資料,可以推算出竈神星的内部結構(圖)。它有金屬鐵–鎳的核,直徑為214~226km,占總質量的18%,往其外是橄榄岩石的幔和最外部的岩殼。隻有類地行星和大的衛星才存在這樣的核、幔、殼結構。

竈神星外殼的成分按深度增加依次如下:

岩化的表土,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;玄武質熔岩流,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岩,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岩,是奧長古銅無球粒隕石之源。基于作為大隕擊期間從竈神星外殼抛出碎塊的V型小行星的大小和雷爾西爾維亞隕擊坑的深度,估計竈神星外殼的厚度大約10km。

竈神星的地槽必定是斷裂所緻的下降地形,說明竈神星有比其他小行星更複雜的地質。如果竈神星保持球形,它必定會被分類為矮行星。隻是由于其南極區受到大撞擊所緻變形而未正式作為矮行星。撞擊導緻竈神星自轉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,太陽系的最早固态物質——碳質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間基準點。由此算起,竈神星形成演化史的時間線如下:200~300萬年,竈神星完成吸積;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,導緻分離出金屬核;600~700萬年,對流的熔融幔連續地結晶,到約80%物質結晶時,對流停止;餘下的熔融物質或作為連續噴發的玄武岩流,或可能成為短壽的岩漿海,冷凝為外殼;外殼的較深層結晶形成深成岩,由于較新表層的壓力,較老的玄武岩變質;内部緩慢冷卻。

從有關的觀測證據和理論研究,建立了太陽系行星形成的“标準”模型(圖),其概要如下:轉動的原始太陽星雲自吸引收縮,形成中央的“原太陽”(Protosun)和繞它轉動的星雲盤;星雲盤中的固态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),它們碰撞結合而增長為大星子,大星子的引力場足夠強而吸積遇到的顆粒及小星子,很快成為原行星或行星胎,它們相互撞擊和進一步吸積而成長為行星;在離太陽近的星雲盤内區溫度高,隻有塵物質的凝結顆粒而形成岩體的類地行星;在星雲盤外區溫度低,還有水等冰物質參于凝結的顆粒,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,由于星雲盤外區大星子之間的引力攝動而使一些星子的軌道改變而經過小行星區,吸積并帶走那裡的建造材料,包括小的星子,使得原行星生長停頓在半成品狀态。竈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,未識别出母體的鐵隕石和無球粒隕石的存在表明,曾一度存在有火成曆史的其他已分異的星子,後來被撞擊打碎。竈神星及其碎塊——HED隕石探測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。

深入研究已取得的竈神星探測資料以及将取得的谷神星探測資料,必将導緻行星的形成演化研究的新突破。

探測活動

NASA的曙光計劃将是前往竈神星探測的第一個計劃,預計在2010-2011年間進入軌道環繞9個月。

2007年9月27日,美國東部時間7時34分(北京時間19時34分),“黎明”号從佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍基地由一枚德爾塔2型火箭運載,順利升空,開始了它長達8年超過50億公裡的星際探索之旅。它将遠赴火星和木星之間的小行星帶,首先探測竈神星,此後再趕往谷神星繼續觀測,幫助專家尋找太陽系誕生的線索。

按計劃,它将于2011年飛抵環竈神星軌道,在結束對其為期6個月的觀察後啟程繼續趕往谷神星,預計在2015年抵達谷神星。如果不辱使命,“黎明”号将成為第一個環繞兩個不同天體運行的無人探測器。

根據2006年8月國際天文學聯合會提出的新定義,谷神星已經從小行星升格為矮行星,但美國宇航局沒有改口,仍将“黎明”号稱為小行星探測器。

科學家們認為,探測竈神星和谷神星将有助于了解太陽系起源,該項目也由此取名為“黎明”。

2011年5月3日,黎明号在距離竈神星1.21百萬公裡時拍攝了第一張照片,當中竈神星隻有約5像素寬。黎明号進入接近竈神星的探測階段,并于6月12日開始減速,準備在34天後進入環竈神星軌道。

2011年6月1日,黎明号距離竈神星48.3萬公裡時,為了導航需要拍攝了20張連續照片,分辨率已接近哈伯空間天文台拍攝的竈神星照片。黎明号在抵達竈神星之前會減速,預計每周發布更多照片。黎明号預計2011年7月16日進入環竈神星軌道。

美國宇航局證實黎明号在2011年7月16日進入環竈神星軌道,成為首個環繞小行星帶小行星的探測器。黎明号确切入軌時間尚不清楚,這是由于當時天文學家隻能估計竈神星質量與重力場,無法準确得知其數據。而黎明号已進入軌道,便能反過來計算竈神星的質量與重力場。黎明号在7月17日06:30 UTC重新檢測搭載的設備儀器。

黎明号在9月27日進入距離竈神星680公裡的公轉軌道,環繞一周的時間為12.3小時。黎明号後來在12月8日進入另一個公轉軌道,距離竈神星隻有210公裡,環繞一周的時間為4.3小時。美國宇航局在2012年5月首度公開黎明号獲得的竈神星初步數據,估計竈神星的金屬核心直徑為220公裡。美國宇航局科學家進一步将竈神星視為特别的一種小行星,認為它是與岩石行星同時形成的大型小行星殘存。

2012年9月7日,“黎明”号已在美國東部時間5日淩晨2時26分離開竈神星軌道,向谷神星飛去。若一切順利,“黎明”号有望成為第一個環繞兩顆不同天體運行的無人探測器。

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