灶神星（4 Vesta）是小行星帶第二大的天體，只有身為矮行星的谷神星（Ceres）比它大一些。 作為天空中最明亮的小行星，灶神星偶爾能在地球上肉眼可見。它是第一個(gè)被飛行器探訪的小行星——黎明號(hào)于2011年環(huán)繞它，為我們提供了關(guān)于這個(gè)巖質(zhì)世界的新視角。
找到的不是行星是小行星！
在1596年，發(fā)現(xiàn)行星軌道是橢圓形的時(shí)候，約翰尼斯·開普勒同時(shí)也逐漸開始相信在火星和木星中間，應(yīng)該有一顆行星。這個(gè)預(yù)測(cè)之后于1772年被約翰·丹尼爾·提丟斯（Johann Daniel Titius）和約翰·埃勒特·波德（Johann Elert Bode）的數(shù)學(xué)計(jì)算進(jìn)一步支持——也就是大名鼎鼎的提丟斯-波德定律（有時(shí)簡寫為波德定律）。后于1798年8月，一個(gè)名為“天體警察（Celestial Police）”的組織成立，搜尋這顆“丟失的行星”。德國天文學(xué)家海因里?！W伯斯（Heinrich Olbers）在這個(gè)團(tuán)隊(duì)中，發(fā)現(xiàn)了智神星——第二發(fā)現(xiàn)小行星。在他寫給另一位天文學(xué)家的信中，他提出了第一個(gè)關(guān)于小行星起源的理論。在信中他寫到，“有沒有可能谷神星和智神星都只是一個(gè)曾經(jīng)在火星和木星軌道中間存在過的更大的行星的碎片？”
波德定律和實(shí)際行星分布距離（從圖中我們可以看到波德定律對(duì)海王星和冥王星的預(yù)測(cè)誤差其實(shí)相當(dāng)大）
圖片來源：http://blog.onlycollege.com.cn/batch.download.php?aid=48523
奧伯斯認(rèn)為，這些行星碎片應(yīng)該會(huì)起源于行星爆炸的那個(gè)點(diǎn)，同時(shí)它們的軌道方向互相相反。他隨后每夜觀測(cè)那兩片天區(qū)，然后于1807年3月29日發(fā)現(xiàn)了灶神星，從此他成為了歷史上第一位發(fā)現(xiàn)兩個(gè)小行星的人。
通過幾個(gè)觀測(cè)條件良好的晴夜的觀測(cè)確認(rèn)，奧伯斯把他的結(jié)果寄給了卡爾·弗雷德里?！じ咚梗–arl Friedrich Gauss），后者僅僅用了10個(gè)小時(shí)就把智神星的軌道計(jì)算出來了。同時(shí)，奧伯斯得到了給這顆新發(fā)現(xiàn)的小行星命名的機(jī)會(huì)——他選擇了Vesta（灶神星），也就是Ceres（谷神星）的姐妹，羅馬神話中掌管健康和維斯塔圣火的女神。
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灶神星的小檔案
灶神星的特別之處在于，它的表面有著明暗不一的斑塊，像極了我們的月球。從地面的觀測(cè)數(shù)據(jù)來看，這顆小行星表面有玄武巖，這意味著火山熔巖曾經(jīng)從它的表面流過。它的形狀有些不規(guī)則，大約是一個(gè)扁球體的樣子。
· 直徑：530km
· 質(zhì)量：2.67*1020 kg
· 表面溫度：85～255K（-188～-18℃）
· 反照率：0.4322
· 自轉(zhuǎn)周期：5.242時(shí)
· 公轉(zhuǎn)周期：3.63年
· 偏心率：0.0886
· 遠(yuǎn)日點(diǎn)：2.57 AU
· 遠(yuǎn)日點(diǎn)：2.15 AU
· 離地球最近的距離：1.14 AU
黎明號(hào)用它的分幅照相機(jī)于2011年7月17拍下了這張圖片。它拍攝于距灶神星15000km的位置，照片中的每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)了1.4km。
圖片來源: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
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探索灶神星
當(dāng)灶神星于1996年接近地球的時(shí)候，哈勃望遠(yuǎn)鏡繪出了它的表面地形和特征。哈勃望遠(yuǎn)鏡在它的南極附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)大環(huán)形山，其山谷走勢(shì)甚至延伸到了灶神星內(nèi)部。
這個(gè)環(huán)形山的平均直徑約460km——然而有一點(diǎn)要注意的是，灶神星的直徑只有530km。環(huán)形山的存在使環(huán)形山內(nèi)部的地表下降了13km，這很有可能由于小行星早期形成時(shí)的一次碰撞導(dǎo)致的。在那次碰撞中濺出的物質(zhì)形成了軌道在灶神星附近小一些的小行星——灶神星族——以及最終撞進(jìn)地球的隕石。
根據(jù)黎明號(hào)收集到的數(shù)據(jù)繪制出的關(guān)于灶神星南半球撞擊坑Rheasilvia的三維透視圖
圖片來源：NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/PSI
與其它小行星不同的是，灶神星的內(nèi)部是有分層結(jié)構(gòu)的。像巖質(zhì)行星一樣，這顆小行星有著一層由冷卻巖漿構(gòu)成的外殼、巖質(zhì)地幔以及鐵鎳內(nèi)核。這一特征為定義灶神星為一顆原行星而不是小行星提供了有效的論據(jù)。
灶神星的內(nèi)核在太陽系形成后的一千萬年中迅速成長，之后它的玄武巖外殼在幾百萬年間同樣增長迅速。起源于地幔運(yùn)動(dòng)的火山活動(dòng)充斥著小行星各處，時(shí)長持續(xù)8～60小時(shí)不等，流出的火山巖可以流至幾百米至幾千米的距離，厚度在5～20米之間。流出的巖漿會(huì)很快冷卻，然而隨即又被更多的巖漿所覆蓋，直至形成一個(gè)完整的巖漿外殼。黎明號(hào)探測(cè)器測(cè)量出灶神星的內(nèi)核大概有它總質(zhì)量的18%，在同一比例下也就相當(dāng)于地球內(nèi)核質(zhì)量的2/3。
灶神星在太陽系中的相對(duì)位置模擬圖
圖片來源： SKYSAFARI
其實(shí)，如果沒有木星的干擾，灶神星很有可能已經(jīng)是一顆行星了。在小行星帶中，木星的引力把小行星們攪得翻天覆地，于是它們很難聚合在一起形成一個(gè)大的行星。小行星帶中天體們的速度非常大，而速度越大也就意味著它們?cè)诫y在自身引力的作用下聚合在一起。
1960年，一個(gè)火球從天而降，落在了澳大利亞的Millbillillie——它是一塊灶神星的碎片。它主要由輝石組成，也就是巖漿流的主要成分，這塊隕石的光譜信息和灶神星是一樣的。
在2012年黎明號(hào)拜訪它的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了這顆小行星的表面有著大量的氫。黎明號(hào)還發(fā)現(xiàn)，那些高度反光的區(qū)域很可能是它誕生以來就有的?？茖W(xué)家們分析這種反光的物質(zhì)起源于灶神星內(nèi)部，并且自從40億年前灶神星誕生以來并沒有經(jīng)歷什么變化。
在灶神星的南極點(diǎn)上，有一座巨大的山。這座山高約20km，高度接近火星上高約24km的奧林匹斯山，也就是太陽系內(nèi)最高的山（火山）。
黎明號(hào)得到的數(shù)據(jù)繪制出灶神星南極的Rheasilvia撞擊坑，上方是模擬圖，下方是地形圖
圖片來源： NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/PSI
小行星表面曾經(jīng)有液態(tài)水流過。黎明號(hào)探測(cè)器對(duì)于灶神星上8個(gè)不同的撞擊坑拍下的照片顯示了上面彎曲的山壑和扇形沉積物。這8個(gè)撞擊坑都被認(rèn)為是在過去的近幾億年內(nèi)形成的，這對(duì)于這樣一顆45億歲的小行星來說算是非常年輕的傷疤了。
“大家并不是想要尋找灶神星上有液態(tài)水的證據(jù)——它的表面非常冷并且沒有大氣層，所以水在它的表面上會(huì)直接蒸發(fā)。”這項(xiàng)研究的主要作者詹妮弗·斯考利（Jennifer Scully）在一次NASA的聲明中說，她是UCLA的博士后研究員?！叭欢?，我們發(fā)現(xiàn)灶神星是一顆非常有趣且復(fù)雜的天體?！?/p>
斯考利和她的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，灶神星的山谷可能是由于泥石流而不是擁有純凈水的河流和小溪造成的。他們認(rèn)為，當(dāng)隕石撞擊灶神星的時(shí)候會(huì)使地表下一部分沉積的冰融化，從而使液態(tài)水混合著小的巖質(zhì)顆粒順著隕石坑流下。這樣的地質(zhì)活動(dòng)暗示了灶神星的地表下有冰的存在。
“如果現(xiàn)在冰還存在于灶神星上，那它們應(yīng)該被埋在很深的地下以至于黎明號(hào)根本探測(cè)不到?！彼箍祭f，“但是那些內(nèi)部有彎曲的山谷的撞擊坑通常是和凹凸不平的地表聯(lián)系在一起的，這同時(shí)是一個(gè)表明灶神星上可揮發(fā)氣體流失的證據(jù)?！?/p>
圖片右側(cè)的光滑區(qū)域表明了灶神星表面可能有被撞擊而帶到小行星表面的冰
圖片來源：Elizabeth Palmer/Essam Heggy
冰很有可能在灶神星上起到了修整表面的作用。2017年的一項(xiàng)研究指出，小行星上比較光滑平整的斑塊通常顯示出較高的氫含量，而這些氫往往是來源于被太陽輻射照射而分解的水分子。在碰撞中，埋在地下的冰會(huì)因碰撞溫度升高而融化，于是會(huì)順著裂縫到地表上來。
黎明號(hào)同時(shí)還在灶神星表面上觀測(cè)到了水合礦物（就是結(jié)構(gòu)中含有水分子的礦物），這也可以說明地下冰的存在。這些水合礦物起源于更古老的地層，同時(shí)也可能是被太陽系內(nèi)的其它物質(zhì)撞擊在灶神星上帶來的。
一張低海拔地形圖現(xiàn)實(shí)了灶神星的豐富地質(zhì)狀態(tài)。它的大環(huán)形山的中心山坡度很陡，在其自身引力的作用下，山上的巖層逐漸剝落，暴露出了山體中的其他物質(zhì)。
黎明號(hào)的探測(cè)發(fā)現(xiàn)了不同種類的礦物，包括一些可以幫助我們探測(cè)地下冰的物質(zhì)。
在灶神星的南部有一個(gè)巨大的環(huán)形山。圖片中左上的照片是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的，右上是根據(jù)理論計(jì)算重組后的樣子，下方是一個(gè)地形圖。
圖片來源：
Ben Zellner (Georgia Southern University) / Peter Thomas (Cornell University) / NASA
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來自灶神星的貴客
事實(shí)上，灶神星獨(dú)特的構(gòu)成意味著它和一大類隕石有著密切的關(guān)聯(lián)——它早期的生命歷程都記錄在HED隕石中了（HED隕石是三種無球粒隕石的統(tǒng)稱，古銅鈣無粒隕石Howardites，倍長輝長無粒隕石Eucrites，古銅無球隕石Diogenites）。倍長輝長無粒隕石是從冷卻的巖漿中形成的，古銅無球隕石形成于灶神星地表下，而古銅鈣無粒隕石是上述兩種的結(jié)合體，在足夠強(qiáng)烈以至于把上述兩種物質(zhì)混合在一起的碰撞中形成。
降落在澳大利亞Millbillillie的那塊隕石的切片
圖片來源：https://www.amnh.org/exhibitions/permanent-exhibitions/earth-and-planetary-sciences-halls/arthur-ross-hall-of-meteorites/building-planets/vesta/chips-off-an-old-rock/millbillillie
自1970年以來，灶神星一直被認(rèn)為是HED隕石的來源，這個(gè)猜想仍有一些爭議。黎明號(hào)的繪圖分光儀為這一假設(shè)提供了有力的證據(jù)。黎明號(hào)的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為HED隕石來源于灶神星的雷希爾維亞盆地Rheasilvia，這個(gè)名字是根據(jù)古羅馬女祭司希爾維亞命名的。雷希爾維亞盆地直徑約460km，大小近乎于灶神星本身。它非?？赡苄纬捎谝淮未蟮淖矒?，使南半球的外殼被剝離掉露出灶神星的內(nèi)部。
在這次撞擊中，灶神星被撞得近乎破碎——撞擊在灶神星赤道附近上留下了同心圓狀的裂縫。
如果灶神星的軌道在火星之外，它的碎片是怎么抵達(dá)地球的呢？灶神星的碎片每公轉(zhuǎn)三圈會(huì)穿過木星，利用木星強(qiáng)大的引力給它們加速。這樣的牽引力可以使碎片旋轉(zhuǎn)至朝向地球的方向并最終撞上地球。
因此，灶神星成為了科學(xué)家們有隕石標(biāo)本的三個(gè)已知來源中的其中一個(gè)。另外兩個(gè)是月球和火星。
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人類對(duì)它的探索歷程
NASA于2007年9月發(fā)射了黎明號(hào)小行星探測(cè)器，它是第一個(gè)進(jìn)入小行星帶探測(cè)先后兩顆小行星的人類探測(cè)器。黎明號(hào)先是于2011年7月繞灶神星旋轉(zhuǎn)，然后于2015年3月飛向谷神星。
NASA黎明號(hào)探測(cè)器的任務(wù)是探測(cè)這兩顆截然不同的小行星從而研究早期太陽系的特征。谷神星較為濕潤，有著隨季節(jié)變化的極地冰冠，并且它很有可能有薄薄的大氣。與它相反的是，灶神星是一顆干燥的巖質(zhì)小行星，通過研究它特殊的光譜特征，也可以幫助我們理解我們的地球以及火星和水星。
從它們的大小來看，他們應(yīng)該被看作原行星——大塊頭木星的引力干擾了它們成長為真正的行星。如果這個(gè)氣態(tài)巨行星不在的話，它們很有可能會(huì)繼續(xù)進(jìn)化成足夠大小的行星。
灶神星與其它天體大小的比較——它是圖片中最小的那個(gè)～
圖片來源：NASA/JPL-Caltech/ UCLA
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