谷神星（天文天体）

▌简介

谷神星是在火星和木星轨道之间的主小行星带中最亮的天体，由意大利天文学家皮亚齐发现，并于1801年1月1日公布。谷神星的直径约950千米，由岩石和冰组成，其轨道在火星和木星之间的主小行星带内，其周期为4.6地球年。

▌形体介绍

谷神星是太阳系中最小的、也是唯一位于小行星带的矮行星。由意大利天文学家皮亚齐发现，并于1801年1月1日公布。2006年，国际天文学联合会将谷神星重新定义为矮行星，谷神星曾被认为是太阳系已知最大的小行星。

谷神星很可能是一个分化型星球，具有岩石内核，地幔层包含大量冰水物质，现探测到星球表面有大量载水矿物质。初步推测水占谷神星体积的40%。谷神星还能通过太阳能获得能量，因为它距离太阳仅2.8个天文单位，相比之下，木卫二和土卫二一距离较远，分别是5.2和9个天文单位。

谷神星位于火星和木星轨道间的小行星带中，此前研究已确认其内部存在大量的冰。欧航局在《自然》杂志上报告说，他们利用赫歇尔望远镜首次在谷神星上发现了水蒸气，这些水蒸气来自谷神星表面颜色较深的区域。水蒸气的量并不大，约为每秒6千克，但这一发现对于证实谷神星上有水意义重大。研究人员推测，水蒸气冒出的具体原因可能有两个：一是太阳照射使谷神星表面的冰被迅速加热所致，二是谷神星内部仍有能量。科学家推测可能拥有液态水的海洋。

2014年12月18日，美国行星科学研究所科学家李荐扬说：“我并不认为在天体生物学方面谷神星不如其它潜在宜居性的星球。生命存在需要3个基本条件——液态水、能量来源和某些化学成分（碳、氢、氮、氧、磷和硫磺等），谷神星均占一定优势。”

▌发现过程

96+4）/10=10→（3*2ⁿ+4）/10

令提丢斯惊奇的是，他发现这个数列的每一项与当时已知的六大行星（即水星、金星、地球、火星、木星、土星）到太阳的距离比例（地球到太阳的距离定为1个单位）有着一定的联系。

提丢斯的朋友，天文学家波得深知这一发现的重要意义，就于1772年公布了提丢斯的这一发现，这串数从此引起了科学家的极大重视；并被称为提丢斯——波得定律即太阳系行星与太阳的平均距离。

当时，人们还没有发现天王星、海王星，以为土星就是距太阳最远的行星。

1781年，英籍德国人赫歇尔在接近19.6的位置上（即数列中的第八项）发现了天王星，从此，人们就对这一定则深信不疑了。根据这一定则，在数列的第五项即2.8的位置上也应该对应一颗行星，只是还没有被发现。于是，许多天文学家和天文爱好者便以极大的热情，踏上了寻找这颗新行星的征程。

1801年新年的晚上，意大利神父朱塞普·皮亚齐（Giuseppe Piazzi，1746年7月7日～1826年7月22日）还在聚精会神地观察着星空。突然，他从望远镜里发现了一颗非常小的星星，正好在提丢斯——波得定则中2.8的位置上。这颗行星在几天的观测期内不断变动位置。可是，当皮亚齐再想进一步观察这颗小行星时，他却病倒了。等到他恢复健康，再想寻找这颗小行星时，它却不知所踪。皮亚齐没有放弃这一机会，他认为这可能就是人们一直没有发现的那颗行星。

天文学家对皮亚齐的这一发现持有不同的看法。有人认为皮亚齐是正确的；也有人认为这可能是一颗彗星，关于这颗行星的说法不在少数，天文学界议论纷纷。

几个月过去了，人们的争论也没见分晓。可是，这场争论却引起了德国数学家高斯的注意。高斯想，既然天文学家通过观察找不到谷神星，那么，是否可以通过数学方法找到它呢？许多天文学家对高斯的这一提法不以为然。天文学家都找不到谷神星，难道高斯还能把它算出来吗？朋友们也劝他不要把自己的时间和才智浪费在这一毫无希望的问题上。

年轻的高斯却有自己的看法。他认为，天文学是离不开数学的。如果没有雄厚的数学知识，是不可能成为一个出色的天文学家的。在天文学发展史上，情况也正是如此。开普勒正是凭借着自己的数学才能，才发现了行星运动的三大定律。牛顿也是凭着渊博的数学知识，才发现了万有引力定律。

在高斯之前，著名数学家欧拉曾经研究出了一种计算行星轨道的方法。可是，这个方法太麻烦。高斯决心去寻找一种简便易行的方法。在前人的基础上，高斯经过艰苦的运算，以其卓越的数学才能创立了一种崭新的行星轨道计算理论。他根据皮亚齐的观测资料，利用这种方法，只用了一个小时就算出了谷神星的轨道形状，并指出它将于何时出现在哪一片天空里。

1801年12月31日夜，德国天文爱好者奥伯斯，在高斯预言的时间里，用望远镜对准了这片天空。不出所料，谷神星再一次奇迹般地出现了！

高斯的计算方法成功了。高斯从笔尖上寻找到的这颗行星，在隐藏了整整一年后，成为人类的最好的新年礼物。这一礼物向人们显示了数学在科学研究中的巨大作用。

在发现小行星之前，皮亚齐原是找寻Francis Wollaston的恒星列表中所记载的Mayer 87星，但他在表中所述的位置找不到该星。及后他找到一颗会移动的星，最初他认为这是颗彗星。

皮亚齐持续观测至2月11日，但他的发现却未受注意，之后该小行星已公转至太阳背面而无法观测。及后德国数学家高斯凭著皮亚齐的三次观测结果去估计其轨道，并于翌年由Franz Xaver，Baron von Zach和奥伯斯成功寻回该天体。另一位天文学家波得认为火星与木星轨道之间的位置理应有行星，而谷神星正是该颗他认为的未知行星，但它的体积比起其他大行星要小得多，因此威廉·赫歇尔（Friedrich Wilhelm Herschel，1738年11月15日～1822年8月25日）后来把这类天体称为“小行星”（asteroid）并由此延伸出一个标准，即要确定一个天体是否为行星，这个行星的体积必须比谷神星要大。

▌地理位置

谷神星的归类已经变更过很多次，并且都是天文学家们的意见不和造成的。约翰·波得相信谷神星就是那颗在火星和木星之间，距离太阳4.19亿千米的“失踪行星”。谷神星被赋予一个行星的符号，Unicode为U+26B3  ，在更多小行星被发现之前，谷神星（还有智神星、婚神星和灶神星）有将近半个世纪都以行星之名列在天文学的书表之中。

然而当其他的天体陆续在同一范围内被发现，人们慢慢了解到谷神星只是许许多多相似类型天体的一位而已。威廉·赫歇耳在1802年创造小行星（类似行星的天体）这个名词来称呼这种天体，并写道“它与恒星们是如此的难区别，使用最好的望远镜也会以为是小行星”。作为第一颗被发现的小行星，以现代的小行星编号系统被列为小行星1号谷神星。

谷神星是迄今小行星带中最大的天体，但随着凯柏带及其天体的发现，比谷神星大的天体也随之被找到，包括（28978）小行星（Ixion）、（50000夸奥尔星）（Quaoar）、小行星（Orcus）以及2003 UB313（阋神星）等，而新发现的最远天体（90377）塞德娜星（Sedna）也可能比谷神星大，它可能来自奥特云内层。冥王星有时也会被认为是凯柏带天体。

▌运行轨道

谷神星的轨道介于木星和火星之间，位于小行星带的主带内，每4.6地球年绕行太阳一周。轨道有些倾斜（i= 10.6°，作比较的水星有7°，冥王星有17°）和离心率（e= 0.08，作比较的火星是0.09）。

说明图中呈现谷神星的轨道（蓝色）和一些行星的轨道（白色/灰色），在黄道面下方的轨道使用较暗的颜色，并以橘色的加号表示太阳的位置。左上图是从极点鸟瞰的图，谷神星的轨道在火星和木星中间的空隙内；右上图是特写图，标示出火星和谷神星的近日点（q）和远日点（Q），火星的近日点与小行星带主要的小行星，包括智神星和健神星，分在太阳的两侧；下图是显示轨道倾角的透视图，将谷神星和火星与木星的轨道比较。

在过去，谷神星曾经被认定是小行星家族中最大的小行星。这一家族的小行星共享着相似的轨道元素，表示这些小行星有着共同的起源，是在某一段时间经过碰撞后形成的。但是，发现谷神星的光谱特性与家族中其他成员的不同，因此这个家族已经更名为吉菲昂族，是依据家族中序号最小的1272 吉菲昂命名的。谷神星看来是这个家族的侵入者，恰巧有着相似的轨道元素，但来源是不同的。谷神星的自转周期（谷神日）是9小时4分。

▌起源演化

谷神星可能是尚存的原行星（萌芽期的行星），于45.7亿年前在小行星带中形成。虽然大多数内太阳系的原行星包括所有（月球-火星大小的天体）不是和其他的原行星合并成为类地行星，就是被木星弹射到太阳系外，谷神星相信是留存下来较为完整的 （另一颗可能是原行星的是灶神星，它的体积更小，并在固化后曾遭受重大的撞击，损失它自身~1%的质量），一个替代的理论则认为谷神星形成于古柏带，稍后才迁移到小行星带。

谷神星的地质演化取决于形成期间和之后可用的热源：来自微星吸积的摩擦力、各种不同放射性元素的可能包括短半衰期的元素（像是Al）。这些被认为已足以使谷神星在形成后不久分异为岩石的核心和冰的地函。这种过程可能导致表面被水火山和地质构造重塑，消除了古老的地质容貌。由于它比较小，谷神星会比较快的冷却而有效的阻止导致早期地质结构重整的过程。任何在表面上的冰都会逐渐升华，留下各种的水合矿物，像是黏土和碳酸盐。

今天，谷神星似乎是一颗地质处于非活跃状态的天体，表面可能因受到撞击的影响。大量的水冰存在于其组成内，使得谷神星内部可能有一层液态水的存在，这个假设的层或许可以称为海洋。如果有一层液态水存在，相信他会藉于古体的核心和冰地函之间，就像在理论上存在于欧罗巴的海洋一样 。海洋的存在更有可能将溶质（即盐、氨、硫酸或其它的防冻剂等成分）溶解在其水。