穀神星(天文天體):簡介,發現過程,即將揭開相關之謎,天文觀測,星球探測,地理位置

穀神星（Ceres）是太陽系中最小的、也是唯一位於小行星帶的矮行星。由義大利天文學家皮亞齊發現，並於1801年1月1日公布。2006年，國際天文學聯合會將穀神星重新定義為矮行星，穀神星曾被認為是太陽系已知最大的小行星。

基本介紹

中文名：穀神星
外文名：Ceres
發現者：皮亞齊
發現時間：1801年1月1日
質量：9.43±0.07×1020 kg
平均密度：較低（2.09克/立方厘米）
直徑：大約950公里
表面溫度：~230 K
逃逸速度：0.51 km/s
空間位置：火星與木星之間的小行星帶中

簡介,發現過程,即將揭開相關之謎,天文觀測,星球探測,地理位置,相關數據,運行軌道,起源演化,神秘亮點,彩色照片,最新發現,

簡介

穀神星（Ceres）是太陽系中最小的、也是唯一位於小行星帶的矮行星。由義大利天文學家皮亞齊發現，並於1801年1月1日公布。2006年，國際天文學聯合會將穀神星重新定義為矮行星，穀神星曾被認為是太陽系已知最大的小行星。穀神星很可能是一個分化型星球，具有岩石核心，地幔層包含大量冰水物質，現探測到星球表面有大量載水礦物質。初步推測水占穀神星體積的40%。穀神星還能通過太陽能獲得能量，因為它距離太陽僅2.8個天文單位，相比之下，木衛二和土衛二一距離較遠，分別是5.2和9個天文單位。

穀神星位於火星和木星軌道間的小行星帶中，此前研究已確認其內部存在大量的冰。歐航局在《自然》雜誌上報告說，他們利用赫歇爾望遠鏡首次在穀神星上發現了水蒸氣，這些水蒸氣來自穀神星表面顏色較深的區域。水蒸氣的量並不大，約為每秒6千克，但這一發現對於證實穀神星上有水意義重大。研究人員推測，水蒸氣冒出的具體原因可能有兩個：一是太陽照射使穀神星表面的冰被迅速加熱所致，二是穀神星內部仍有能量。科學家推測可能擁有液態水的海洋。

2014年12月18日，美國行星科學研究所科學家李劍揚說：“我並不認為在天體生物學方面穀神星不如其它潛在宜居性的星球。生命存在需要3個基本條件——液態水、能量來源和某些化學成分（碳、氫、氮、氧、磷和硫磺等），穀神星均占一定優勢。”

發現過程

1766年，德國有一位名叫約翰·提丟斯（Johann Daniel Titius）的中學教師，把下面的數列：

（0+4）/10=0.4；（3+4）/10=0.7；（6+4）/10=1.0
（12+4）/10=1.6；（24+4）/10=2.8；（48+4）/10=5.2

（96+4）/10=10→（3*2ⁿ+4）/10

令提丟斯驚奇的是，他發現這個數列的每一項與當時已知的六大行星（即水星、金星、地球、火星、木星、土星）到太陽的距離比例（地球到太陽的距離定為1個單位）有著一定的聯繫。

提丟斯的朋友，天文學家波得深知這一發現的重要意義，就於1772年公布了提丟斯的這一發現，這串數從此引起了科學家的極大重視；並被稱為提丟斯——波得定律即太陽系行星與太陽的平均距離．

當時，人們還沒有發現天王星、海王星，以為土星就是距太陽最遠的行星。

1781年，英籍德國人赫歇爾在接近19.6的位置上（即數列中的第八項）發現了天王星，從此，人們就對這一定則深信不疑了。根據這一定則，在數列的第五項即2.8的位置上也應該對應一顆行星，只是還沒有被發現。於是，許多天文學家和天文愛好者便以極大的熱情，踏上了尋找這顆新行星的征程。

1801年新年的晚上，義大利神父朱塞普·皮亞齊（Giuseppe Piazzi，1746年7月7日～1826年7月22日）還在聚精會神地觀察著星空。突然，他從望遠鏡里發現了一顆非常小的星星，正好在提丟斯——波得定則中2.8的位置上。這顆行星在幾天的觀測期內不斷變動位置。可是，當皮亞齊再想進一步觀察這顆小行星時，他卻病倒了。等到他恢復健康，再想尋找這顆小行星時，它卻不知所蹤。皮亞齊沒有放棄這一機會，他認為這可能就是人們一直沒有發現的那顆行星。

天文學家對皮亞齊的這一發現持有不同的看法。有人認為皮亞齊是正確的；也有人認為這可能是一顆彗星，關於這顆行星的說法不在少數，天文學界議論紛紛。

幾個月過去了，人們的爭論也沒見分曉。可是，這場爭論卻引起了德國數學家高斯的注意。高斯想，既然天文學家通過觀察找不到穀神星，那么，是否可以通過數學方法找到它呢？許多天文學家對高斯的這一提法不以為然。天文學家都找不到穀神星，難道高斯還能把它算出來嗎？朋友們也勸他不要把自己的時間和才智浪費在這一毫無希望的問題上。

年輕的高斯卻有自己的看法。他認為，天文學是離不開數學的。如果沒有雄厚的數學知識，是不可能成為一個出色的天文學家的。在天文學發展史上，情況也正是如此。克卜勒正是憑藉著自己的數學才能，才發現了行星運動的三大定律。牛頓也是憑著淵博的數學知識，才發現了萬有引力定律。

在高斯之前，著名數學家歐拉曾經研究出了一種計算行星軌道的方法。可是，這個方法太麻煩。高斯決心去尋找一種簡便易行的方法。在前人的基礎上，高斯經過艱苦的運算，以其卓越的數學才能創立了一種嶄新的行星軌道計算理論。他根據皮亞齊的觀測資料，利用這種方法，只用了一個小時就算出了穀神星的軌道形狀，並指出它將於何時出現在哪一片天空里。

1801年12月31日夜，德國天文愛好者奧伯斯，在高斯預言的時間裡，用望遠鏡對準了這片天空。不出所料，穀神星再一次奇蹟般地出現了！

高斯的計算方法成功了。高斯從筆尖上尋找到的這顆行星，在隱藏了整整一年後，成為人類的最好的新年禮物。這一禮物向人們顯示了數學在科學研究中的巨大作用。

在發現小行星之前，皮亞齊原是找尋Francis Wollaston的恆星列表中所記載的Mayer 87星，但他在表中所述的位置找不到該星。及後他找到一顆會移動的星，最初他認為這是顆彗星。

皮亞齊持續觀測至2月11日，但他的發現卻未受注意，之後該小行星已公轉至太陽背面而無法觀測。及後德國數學家高斯憑著皮亞齊的三次觀測結果去估計其軌道，並於翌年由Franz Xaver，Baron von Zach和奧伯斯成功尋回該天體。另一位天文學家波得認為火星與木星軌道之間的位置理應有行星，而穀神星正是該顆他認為的未知行星，但它的體積比起其他大行星要小得多，因此威廉·赫歇爾（Friedrich Wilhelm Herschel，1738年11月15日～1822年8月25日）後來把這類天體稱為“小行星”（asteroid）並由此延伸出一個標準，即要確定一個天體是否為行星，這個行星的體積必須比穀神星要大。

即將揭開相關之謎

美國宇航局“黎明”號探測器正在穀神星周圍的軌道上運行。在2月19日，“黎明”號在4.6萬公里的高度上拍攝到穀神星的全貌，科學家發現圖像中存在一個神秘的亮點。在最新的任務中，美國宇航局已經將神秘亮點列為首要觀測的目標之一，有研究認為這是穀神星上的冰物質反射光。

目前“黎明”號探測器正在使用離子推進器進入半徑為1.3萬公里的圓軌道，這個高度上能夠觀測到穀神星表面的冰和岩石撞擊坑的景觀，因此神秘亮點的奧秘也將被揭開。

雖然“黎明”號降低了軌道高度，但現在還無法進行成像，直到太陽光再次照射到探測器下方的穀神星表面時才可獲得高質量的圖像。在眾多令人著迷的觀測目標中，神秘亮點非常引人注目。哈勃太空望遠鏡在10年前對穀神星進行觀測，但直到現在我們才獲得了最清晰的穀神星圖像。“黎明”號本次軌道調整將延續到4月14日，變軌完成後將進行一次導航定位，此後我們將對穀神星進行全面觀測，揭開穀神星上的各種謎團。

穀神星的直徑大約為950公里，與地球或其他類地行星相似的地方在於其赤道比南北兩極的距離要寬一些。4月23日之後，“黎明”號將按計畫抵達RC3軌道，這是一個新的圓軌道，並開始為期一年的探測，拍攝數以萬計的穀神星表面圖像。“黎明”號其實還有故障在身，它的四個反作用輪中有兩個已經損壞，科學家通過陀螺儀進行狀態穩定，這會導致“黎明”號失去一些原計畫的任務。

在RC3軌道上，每個像素可覆蓋1.3公里跨度的穀神星地表面積，目前最好的照片解析度僅為4.3公里，因此要想拍攝到更優質的照片，就需要在合適的角度利用反射光線提高照片的清晰度。截止4月7日，探測器與太陽和地球構成了等腰三角形，距離為2.89個天文單位。

天文觀測

當穀神星在近日點附近沖時，它的視星等可以達到+6.7等，一般認為對裸眼來說這樣的光度還是太暗而難以見到，但視力特別銳力的觀測者可能可以看見這顆矮行星。穀神星在2012年12月18日的視星等可以達到+6.73等。亮度可以達到這種程度的小行星還有灶神星、智神星（在罕見的近日點沖）和虹神星[64]。穀神星在合的時候光度是+9.3等，相當於使用10X50的雙筒望遠鏡可以看見的最暗天體。因此，當他在地平線上的任何時刻，只要天空夠黑暗，都可以用雙筒望遠鏡看見它。

1984年11月13日，在墨西哥、佛羅里達和加勒比海之間，觀測到穀神星的恆星掩星。

1995年6月25日，哈勃空間望遠鏡的紫外線觀測得到解析度達到50千米的影像。

2002年，凱克望遠鏡使用調適光學得到解析度30千米的紅外線影像。

2003年底及2004年初，哈勃太空望遠鏡首度攝得穀神星的外貌，發現它相當接近球形，而且表面具有不同的反照率，相信擁有複雜的地形，有天文學家甚至推測穀神星的具有冰質的幔及金屬的核心。

2003年和2004年使用哈勃空間望遠鏡觀測，得到解析度30千米的可見光影像（最好的資料）。

2015年，美國宇航局的“黎明號”探測器仍然運行在穀神星的軌道上，科學家發現穀神星上存在一座巨大的山脈，從外形上看，酷似埃及的金字塔。金字塔山脈的高度為6000米，這裡還有一些巨大的撞擊坑，分別為北半球的Occator撞擊坑位和南半球的UrvaraYalode盆地。

星球探測

2006年，國際天文學聯合會將穀神星重新定義為矮行星，穀神星曾被認為是太陽系已知最大的小行星。

2007年9月27日，NASA發射黎明號太空船，在2011年探測灶神星，然後在2015年抵達穀神星，迄今還沒有太空船曾經拜訪過穀神星，執行這項任務的黎明號太空船將會先進入高度5,900千米的軌道環繞穀神星，經過5個月的研究之後，太空船會先將高度降低至1,300千米，然後再經過5個月才降至700千米。這艘太空船攜帶的儀器包括框架相機、可見光和紅外分光儀、伽瑪射線和中子偵測儀。這些將用來審視這顆矮行星的形狀和元素豐度。從在火星表面和軌道上環繞的太空船所傳送的無線電訊號，觀察火星受到穀神星的運動所誘導的攝動，曾經被用來估計穀神星的質量。

2014年1月，歐洲航天局一項最新研究首次確認，穀神星上有水蒸氣冒出。

2015年1月，“黎明”號正從太陽的背面露出（之前它一度位於地球與太陽連線的另一側，無法與地球通訊），與地球重新建立了無線電聯繫。

工程師已經為下一階段的繞飛任務進行了編程，這個階段稱之為“穀神星”逼近階段。“黎明”號距離“穀神星”大約64萬公里，正以725千里/時的速度接近。接下來，當“黎明”號進入穀神星的軌道後，就標誌著人類使用一枚探測器成功繞飛兩顆天體（之前，“黎明”號已經完成了“灶神星”的繞飛任務，並成功脫離引力束縛）。

黎明號探測器很快會進入穀神星附近，科學家認為穀神星上存在岩質表面，那些令人好奇的白色斑塊到底是什麼？也有研究指出白色斑塊可能是穀神星上地下水逃逸到太空的過程中被凍結在表面上，科學家有望在穀神星上發現大面積的冰層，美國宇航局對穀神星的探索將是一個新的里程碑。

2015年1月27日，NASA發布“黎明”號於1月25日拍攝的穀神星照片，拍攝時距離穀神星147,000英里(237,000公里)遠，大約43個像素寬，比哈勃望遠鏡2003、2004年拍攝的照片高30%的解析度。

2015年2月5日，NASA發布“黎明”號於2月4日拍攝的穀神星照片，拍攝時距離穀神星90,000 英里 (145,000 公里)遠。

2015年2月17日，NASA發布“黎明”號於2月12日拍攝的穀神星照片，拍攝時距離穀神星52,000 英里 (83,000 公里)遠。

2015年2月25日，NASA發布“黎明”號於2月19日拍攝的穀神星照片，拍攝時距離穀神星29,000 英里 (46,000 公里)遠。

2015年2月27日，NASA發布“黎明”號於2月19日拍攝的穀神星照片動圖。

2015年美國東部時間3月6日07:39(台北時間20:39)，黎明號開始被穀神星引力場捕獲，此時飛船距離穀神星約6.1萬公里。

隨後JPL美國東部時間8:36(台北時間21:36)接收到來自飛船發回的信號，確認黎明號飛船狀況一切正常，其安裝的離子發動機也工作正常，飛船成功進入環穀神星軌道，成為首個矮行星的人造衛星。

原計畫2018年飛掠智神星的任務因為之前的故障（離子發動機故障延誤航程）而無法前往，黎明號將伴隨智神星一直繞飛下去。

2015年4月20日，NASA發布“黎明”號於2月14日與15日拍攝的穀神星照片及動圖，拍攝時距離穀神星14,000 英里 (22,000 公里)遠。

地理位置

穀神星的歸類已經變更過很多次，並且都是天文學家們的意見不和造成的。約翰·波得相信穀神星就是那顆在火星和木星之間，距離太陽4.19億千米（2.8AU）的“失蹤行星”。穀神星被賦予一個行星的符號，在更多小行星被發現之前，穀神星（還有智神星、婚神星和灶神星）有將近半個世紀都以行星之名列在天文學的書表之中。

然而當其他的天體陸續在同一範圍內被發現，人們慢慢了解到穀神星只是許許多多相似類型天體的一位而已。威廉·赫歇耳在1802年創造小行星（類似恆星的天體）這個名詞來稱呼這種天體，並寫道“它與恆星們是如此的難區別，使用最好的望遠鏡也會以為是小行星”。作為第一顆被發現的小行星，以現代的小行星編號系統被列為小行星1號穀神星。

在2006年，關於冥王星是不是“行星”的辯論，引發了穀神星是否也應被重新歸類為行星的問題。在國際天文聯合會正式定義行星之前，行星曾被定義為“一個天體符合：（a）有足夠的質量，能以自身的重力克服剛體力，因此能呈現流體靜力平衡的形狀（接近圓球體）；（b）在軌道上圍繞一顆恆星公轉，而且不是一顆行星或行星的衛星”。若依照這種定義，穀神星將會是從太陽系內側按次序排列的第五顆行星。但是，這個定義並沒有被接受，而且一個新定義於2006年8月24日生效：“一顆行星符合（a）和（b），而且必須將鄰近軌道上的天體清除”。根據這樣的定義，穀神星就不是一顆行星（因為它在小行星帶上的軌道布滿了千千萬萬顆小行星），並且歸為“矮行星”（同時還有冥王星和鬩神星），但並未說明它是否還是小行星的問題。天文學裡也存在著小行星帶彗星這種雙重身份的天體，因此也不排除一顆矮行星可以有其它的名稱。

穀神星是迄今小行星帶中最大的天體，但隨著凱柏帶及其天體的發現，比穀神星大的天體也隨之被找到，包括（28978）小行星（Ixion）、（50000夸奧爾星）（Quaoar）、小行星（Orcus）以及2003 UB313（鬩神星）等，而新發現的最遠天體（90377）塞德娜星（Sedna）也可能比穀神星大，它可能來自奧特雲內層。冥王星有時也會被認為是凱柏帶天體。

發現者	朱塞普·皮亞齊
發現日期	1801年1月1日
MPC編號	穀神星（小行星1）
命名依據	刻瑞斯
其他名稱	A899 OF; 1943 XB
小行星分類	矮行星　主帶
Adjective	Cererian
2009年6月18日
遠日點	2.978au
近日點	2.5585725au
半長軸	2.7681342au
離心率	0.0757051
軌道周期	1680.5日
平均速度	17.882km/s
平近點角	27.448°
軌道傾角	10.585°（相對於黃道）
升交點黃經	80.399°
近日點參數	72.825°
赤道半徑	487.3±1.8km
極半徑	454.7±1.6km
質量	9.43±0.07×10kg
平均密度	2.077±0.036g/cm
表面重力	0.27m/s
逃逸速度	0.51km/s
轉軸傾角	about 3°
北極赤經	19 h 24 min　291°
北極赤緯	59°
反照率	0.090±0.0033（幾何）
視星等	6.7
絕對星等(H)	3.34
角直徑	0.84"至0.33"

運行軌道

穀神星的軌道介於木星和火星之間，位於小行星帶的主帶內，每4.6地球年繞行太陽一周。軌道有些傾斜（i= 10.6°，作比較的水星有7°，冥王星有17°）和離心率（e= 0.08，作比較的火星是0.09）。

說明圖中呈現穀神星的軌道（藍色）和一些行星的軌道（白色/灰色），在黃道面下方的軌道使用較暗的顏色，並以橘色的加號表示太陽的位置。左上圖是從極點鳥瞰的圖，穀神星的軌道在火星和木星中間的空隙內；右上圖是特寫圖，標示出火星和穀神星的近日點（q）和遠日點（Q），火星的近日點與小行星帶主要的小行星，包括智神星和健神星，分在太陽的兩側；下圖是顯示軌道傾角的透視圖，將穀神星和火星與木星的軌道比較。

在過去，穀神星曾經被認定是小行星家族中最大的小行星。這一家族的小行星共享著相似的軌道元素，表示這些小行星有著共同的起源，是在某一段時間經過碰撞後形成的。但是，發現穀神星的光譜特性與家族中其他成員的不同，因此這個家族已經更名為吉菲昂族，是依據家族中序號最小的1272 吉菲昂命名的。穀神星看來是這個家族的侵入者，恰巧有著相似的軌道元素，但來源是不同的。

穀神星的自轉周期（穀神日）是9小時4分。

起源演化

穀神星可能是尚存的原行星（萌芽期的行星），於45.7億年前在小行星帶中形成。雖然大多數內太陽系的原行星包括所有（月球-火星大小的天體）不是和其他的原行星合併成為類地行星，就是被木星彈射到太陽系外，穀神星相信是留存下來較為完整的（另一顆可能是原行星的是灶神星，它的體積更小，並在固化後曾遭受重大的撞擊，損失它自身~1%的質量），一個替代的理論則認為穀神星形成於古柏帶，稍後才遷移到小行星帶。

穀神星的地質演化取決於形成期間和之後可用的熱源：來自微星吸積的摩擦力、各種不同放射性元素的可能包括短半衰期的元素（像是Al）。這些被認為已足以使穀神星在形成後不久分異為岩石的核心和凍的地函。這種過程可能導致表面被水火山和地質構造重塑，消除了古老的地質容貌。由於它比較小，穀神星會比較快的冷卻而有效的阻止導致早期地質結構重整的過程。任何在表面上的冰都會逐漸升華，留下各種的水合礦物，像是黏土和碳酸鹽。

今天，穀神星似乎是一顆地質處於非活躍狀態的天體，表面可能因受到撞擊的影響。大量的水冰存在於其組成內，使得穀神星內部可能有一層液態水的存在，這個假設的層或許可以稱為海洋。如果有一層液態水存在，相信他會藉於古體的核心和冰地函之間，就像在理論上存在於歐羅巴的海洋一樣。海洋的存在更有可能將溶質（即鹽、氨、硫酸或其它的防凍劑等成分）溶解在其水。

神秘亮點

穀神星表面幾處神秘亮點可能噴射水蒸汽羽流至太空，暗示著這顆矮行星擁有的地質活動十分活躍。

美國宇航局黎明號探測器接近穀神星時拍攝一些圖像，科學家在月球和行星科學討論會上指出，最新拍攝圖像顯示穀神星亮點可能是冰水物質，將為揭曉該星球表面之下潛藏物質提供重要線索。

德國馬克斯·普朗克太陽系研究所安德里亞斯·納遜斯(Andreas Nathues)博士說：“這種羽流在穀神星的一天之中不斷變化，在白天期間，羽流會變得更亮，在黃昏時刻，羽流變得昏暗，進入傍晚，羽流完全消失。”

最初哈勃望遠鏡發現的神秘亮點再次出現在近期黎明號探測器拍攝的圖像中，雖然科學家猜測這些亮點包含高反光冰水物質，但黎明號探測器還未近距離進行充分觀察，目前最新數據表明這些亮點很可能是冰水。

目前最亮的亮點被科學家稱做“5號特徵”，從白天不同時間和角度拍攝照片顯示很可能與羽流物質有關，該區域位於一個80公里直徑隕坑底部。納遜斯說：“我們認為這種亮點是某種釋氣現象，我們需要高解析度圖像數據來證實。”

並不是所有人都很快接受初步的羽流解釋，美國華盛頓大學比爾·麥金農(Bill McKinnon)稱，你從未看到具有亮點的羽流，霜凍和雪落在穀神星表面，但是我們需要進一步觀察。

穀神星體積較大，外狀呈圓形，富含大量水，是小行星帶一顆奇特天體，科學家猜測穀神星存在次表層海洋或者冰凍水層，作為矮行星，它更像是一顆行星或者冰衛星，而不是天文學家之前所理解的小行星。

彩色照片

2015年4月6日，美國宇航局發射的“黎明”號探測器，在經歷了近8年，超過50億公里的星際探索後，成功抵達穀神星軌道。今天，美國宇航局正式公布了“黎明”號拍攝的穀神星表面彩色照片。

這張照片就是“黎明”號傳回的穀神星近照。通過圖片的顏色，科學家可以分析出穀神星表面的不同物質結構構成，從而推測出這顆直徑950公里的矮行星的演化過程。儘管人們在200年前就發現了穀神星的存在，但此前從未有探測器到訪。因此，“黎明號”項目被寄予厚望。

穀神星(天文天體)