第五节 小行星
第五节 小行星
行星之间的距离一经算出，太阳系中火星和木星轨道之间的间隔便自然地吸引了天文学家的注意。当波德宣布他的定律时，这个间隔备受瞩目。规律排列的八个数字，除其中一个外，其他每一个都对应一颗行星的距离。那个数字的位置是空的。那里真的什么也没有吗，或者只是因为那里的行星太小而没有被注意到？
意大利天文学家皮亚齐（Piazzi）解决了这个问题，他在西西里岛的巴勒莫有一个小型天文台。他酷爱天文观测，用望远镜确定星星的位置，并为所有他确定位置的星星编制目录。1801年1月1日，他开创了天文观测的新纪元，在此前未有任何发现的地方发现了一颗星，并且迅速证实这颗星正是长期以来在寻找的行星。这颗星被命名为谷神星（Ceres），意为麦田女神。
令人吃惊的是，这颗行星非常小；知道了它的轨道以后，发现其偏心率很大。很快又有了新的发现。这颗新的行星被发现以后，在它完成一个公转周期之前，奥尔贝斯（Olbers）博士在相同的区域发现了另外一颗运行中的行星，奥贝尔斯博士是不来梅的物理学家，闲暇时进行天文学观测和研究。相继发现的是两颗很小的行星而不是一颗巨大的行星。奥贝尔斯博士提出这两颗小行星可能是一颗行星破碎之后的碎片，倘若果真如此，可能还会发现更多。这个推测的后半部分得到了证实。在随后的3年里，又发现了两颗这样的小行星，总共是4颗了。
就这样过去了40年。到了1845年，一位名叫亨克（Hencke）的德国观测者发现了第五颗小行星，第二年发现了第六颗，然后便开始了一系列神奇的发现，每一年都有新的收获，目前已知的数量超过了2万颗。
寻找小行星
直至1890年，只有少数观测者一直在寻找小行星，他们专注于此，犹如猎人打猎一样。可以这么说，他们会设置陷阱，画出黄道附近某一小片星空的分布图；还熟悉星星的分布，然后守望目标。一旦目标出现便又找到一颗小行星，于是猎人将其收入囊中。
相继出现许多小行星猎手，其中一些人对其他天文学工作一无所知。19世纪50年代，他们之中最成功的一位是高施密特，如果我没记错的话他是巴黎的珠宝商。詹姆斯·弗格森（James Ferguson）教授在华盛顿天文台发现了3颗。维也纳的帕利扎（Palisa）创造了纪录。在这100年里，克林顿的C.H.F.彼得斯（C.H.F.Peters）教授和安娜堡的詹姆斯·C.沃森非常成功。最后三位一共找到了200多颗。
1890年，照相技术成为寻找小行星的一个更加简单有效的手段。天文学家将望远镜对准天空，用长曝光给星星拍照，曝光时间可能长达半个小时左右。恒星拍摄在底片上是一个小圆点。若一颗行星恰在恒星之中，那么它将是移动的，于是它的照片是一条短线，而不是一个点。天文学家不必再巡视天空，只浏览照片即可，工作起来更加容易，行星有拖尾的话一下就能辨认出来。来自海德堡的沃尔夫（Wolf）通过摄影发现了超过500颗小行星。
相较来说后续发现的小行星更暗淡，看起来越暗的小行星数量越庞大。人们推测能够用望远镜观测到的小行星应该有10 000颗。通过普通望远镜观测，个头比较大的小行星也只剩一个点，就算用最好的望远镜去看，也很难看清楚它们的表面。谷神星是最大的小行星，直径达到480英里。此外，有12颗小行星直径大于100英里。最小的小行星难以精确测量，只能通过它们的明暗程度估计，它们的直径一般在20~30英里之间。
小行星的轨道
小行星的轨道偏心率基本上都非常大。例如希达尔戈星（Hidalgo），轨道偏心率大约是0.65，这意味着在近日点它到太阳的距离比它到太阳的平均距离近2/3，而在远日点则远2/3。它距离太阳最远时，和土星到太阳的距离差不多。(https://www.daowen.com)
另一个值得关注的是，大多数小行星轨道的倾斜角度非常大。有的超过20°，希达尔戈星的轨道倾角是43°。
奥尔贝斯认为这些小行星可能是一颗行星爆炸后的碎片，这个观点现在已经过时了。小行星的轨道分布范围太宽，如果这些小行星曾经组成一个星球，应该不会这样分布。现在认为这些小行星从最初就是现在这样的。根据星云假说，所有的行星都是曾经围绕太阳运转的环状星云的一部分，环中的物质逐渐聚集到环中密度最大的质点周围，从而凝聚成为一个天体。据推测，小行星带没有以此种方式聚集到一起，而是分散成为不计其数的碎片。
钱柏林（Chamberlin）和莫尔顿（Moulton）提出过星子假说，认为数量众多的小行星是少量比大行星小的星体撞击形成的，它们中的一些没有形成接近圆形的倾斜轨道，进而发生了多次碰撞。
轨道分组
这些小行星的轨道有一个奇特之处，或许可以解释小行星的起源。我已经讲过行星的轨道近似圆形，但是并不以太阳为中心。想象从无限高的高度向下看太阳系，设想小行星的轨道看起来如图31中精细绘制的圆圈。这些圆圈看起来相互交错就像一个错综复杂的网络，形成一个宽阔的圆环，这个圆环的外圈直径接近或恰好是内圈直径的2倍。
图31 小行星群
设想这些圆圈犹如金属丝一样可以拿起来以太阳为中心，而不改变大小。其中较大圆圈的直径是较小圆圈直径的2倍，因此这些圆圈占据了宽阔的空间，如图32所示。此时，一个奇特的情形是，这些轨道在整个空间的分布不是均匀的，而是有明显的分组。这些分组参见图31以及图32，第二幅图更加清晰完整，图中的轨道分布说明如下：每一颗行星的公转周期都是一定的，行星距离太阳越远公转周期越长。因为轨道的圆周是1 296 000″（360°），因此如果用公转周期除以这个数值，所得的商是这颗行星一天中在轨道上运行角度的平均值。这个角度叫作行星的平均运动。小行星的平均运动从300秒至1 000多秒不等，数值越大公转周期越短，离太阳越近。
现在画一条水平线，标出平均运动的数值，从300秒至1 200秒，中间用100秒等分。在两个刻度之间，有多少颗行星的平均运动值在这个区间就标出多少个点。例如，在550秒和560秒之间有3个点，这意味着，有3颗行星的平均运动值在550秒和560秒之间。
图32 小行星轨道的分布
仔细查看这幅图可以区分出5~6个群。最外侧的一个群在400~460秒之间，距离木星最近，公转时间不超过8年。此后至560秒有一道很宽的间隔，在540~580秒之间有10颗星。从这个点往后行星更多了，但是在700秒、750秒和900秒我们发现的点很稀少，甚至没有。最明显的特点是，在这些空白处，行星的运动只与木星的运动相关。如果一个行星的平均运动是900秒，那么它围绕太阳运行一周的时间是木星公转周期的1/3；如果一颗行星的平均运动是600秒，那么它围绕太阳运行一周的时间是木星公转周期的1/2；如果一颗行星的平均运动是750秒，那么它围绕太阳运行一周的时间是木星公转周期的2/5。这是天体力学定律，即行星的轨道与另一颗行星发生上述简单关系会因为二者之间的相互作用而在运行时间上发生巨大的变化。由此，第一个指出这一系列间隔的柯克伍德（Kirkwood）认为，间隔产生的原因是处于其中的行星不能永远保持其轨道。然而奇怪的是，在行星平均运动接近木星平均运动的2/3的地方，却有大量小行星。由此可见其观点是值得怀疑的。
最奇特的小行星
有一颗小行星非常特殊，引起了我们的特别关注。1898年已知的几百颗小行星都在火星和木星的轨道之间运行。但是在那一年夏天，柏林的维特（Witt）发现一颗小行星在近日点时进入火星轨道里面，离地球轨道1400万英里。他将其命名为爱神星。爱神星的轨道偏心率非常大，以至在远日点处于火星轨道之外。而且，爱神星和火星的轨道像锁链一样互相交织，如果用金属丝模拟二者的轨道，那么两根金属丝是套在一起的。
由于爱神星轨道的倾斜度，这颗小行星似乎游离于黄道带的界线之外。当它距离地球最近时，例如1900年，有一段时间它运行至很远的北边，以至从我们地球的中纬度地区看一直在天空不落，而且经过了天顶北边的子午线。其运动的这一特殊性无疑是其未被很快发现的原因之一。1900~1901年冬天，爱神星离地球最近，近距离观察发现其亮度每个小时都有变化，且这种变化是有规律的，每次变化大约持续2个半小时。在此期间，其亮度衰减程度是极其一致的。一些观测者坚持认为，每次亮度的变化都是以最低限度衰减，因此真正的变化周期是5小时。有观点认为，这种情况表明这颗行星实际由两颗星组成，二者相互绕行，或许实际上融为一体。不过亮度的变化更有可能是因为这颗小行星的表面有亮区和暗区，朝向地球的半球上亮区和暗区的面积对比引起了亮度的变化。令人费解的是，经过几个月的观测，这颗小行星的亮度变化已经得到证实，然而这种变化逐渐消失了。这颗小行星的构造似乎存在奥秘。
有人设想其他的小行星也存在因为自转而产生亮度变化的情况，但是这一观点还没得到证实。
爱神星在科学的层面也是最有趣的，因为一次次距离地球那么近，可以很精确地测量出其到地球的距离，由此可以测定出其到太阳的距离以及整个太阳系的规模，而且比其他任何方法都更加准确。遗憾的是，距离地球最近的情况发生的时间间隔太长了。
1900年，爱神星距离地球不超过3 000万英里，1931年1月30日，距离地球约1 600万英里，比此前任何一次都要更近。其实它还有再近200万英里的余地。
