8．太阳系里的流浪者

数百年间，我们在宇宙里的邻居从没有变过，它们是太阳、恒星、行星、少数几个行星的卫星和彗星。尽管增加了一两颗行星，但整个体系的基本组成没有变化。

但是，1801年的元旦那天，一个新的类别出现了：小行星。这个名字是1802年英国天文学家约翰·赫歇耳爵士（Sir John Herschel）起的，他是天王星的发现者威廉·赫歇耳爵士的儿子。在之后的两个世纪里，随着天文学家发现许多此类“流浪者”，并确定它们巡回的区域、评估它们的成分、估算它们的尺寸、绘制它们的形状、计算它们的轨道、派探测器登陆它们，太阳系的家谱里充满了小行星的数据、照片和生命史。一些研究人员也提出，小行星是彗星甚至行星卫星的“亲戚”。与此同时，一些天体物理学家和工程师正在寻找使那些体积较大的不速之客改变方向的方法。

要了解太阳系里的这些小天体，首先得研究那些大的，特别是那些行星。1977年普鲁士天文学家戴维·提丢斯（Johann Daniel Titius）提出一个相当简单的数学公式，以描述一个关于行星的奇怪事实。几年之后，提丢斯的同行约翰·波得（Johann Elert Bode）在未提及提丢斯贡献的情况下，开始宣传这一公式。现在，这个公式常被称为提丢斯—波得定律，或者甚至完全抹去提丢斯的贡献，称为波得定律。他们的简便公式能相当准确地估算出行星与太阳间的距离，至少对当时已知的几颗行星是这样：水星、金星、地球、火星、木星和土星。1781年，已经广为人知的提丢斯—波得定律事实上还引导人们发现了太阳的第七颗行星天王星，真的很厉害。所以，这个定律要么是个巧合，要么就是它体现了恒星系统里的某些基本规律。

不过，它也不是非常完美。

问题一：你要稍微作点小弊，在该代入1.5的地方换成0，才能得到水星的正确距离。问题二：第八颗行星海王星的实际距离比公式预测值近得多。问题三：一些人坚持称为第九颗行星的冥王星以及它附近的其他天体都已不在计算范围之内。

这个定律预测在火星和木星之间——距离太阳大约2.8天文单位处——有一颗行星。受到在提丢斯—波得定律预测的距离附近发现天王星的鼓舞，18世纪末的天文学家们觉得查看一下2.8天文单位附近的区域应该是个不错的主意。果然，不出所料，1801年元旦那天，巴勒莫天文台的创立者、意大利天文学家朱森皮·皮亚齐（Giuseppe Piazzi）在那里发现了一些东西。随后它消失在太阳的光辉里，但是整整一年之后，借助德国数学家卡尔·弗雷德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss）的天才计算，那个新的天体在另一个天区被重新找到了。大家都很兴奋：数学和望远镜的胜利导致了一颗新行星的发现。皮亚齐依照以罗马神话中神的名字为行星命名的传统，以谷物女神的名字给它取名为谷神星。

但是当天文学家更仔细地观察谷神星，并且计算它的轨道、距离和亮度后，发现这颗新“行星”实在是太小了。随后的几年里，在同一区域又发现了另外3颗极小的行星——智神星、婚神星和灶神星。经过几十年，赫歇耳发明的“小行星”（asteroid，字面意思是“星状的”天体）一词最终得以普及，因为在当时的望远镜里看起来，这些新发现的天体并不像行星那样像个盘子，而是和恒星没什么两样，只不过它们会移动罢了。进一步的观测发现了更多的小行星，到19世纪结束的时候，已经在距离太阳2.8天文单位附近的狭窄空间内发现了464颗小行星。由于小行星分布的狭窄空间是一个相对平坦的条带，而且也不像蜜蜂围绕蜂巢那样分散在太阳的各个方向，所以这个区域就被人们称为小行星带。

迄今为止，已有十多万颗小行星编录在册，同时每年都有数百颗被新发现。据估计，尺寸超过半英里见方的小行星就有超过100万颗。就世人所知，尽管罗马的神们社会生活复杂，但是他们也没有1万个朋友，所以天文学家不得不放弃传统的命名方法。因此，现在小行星可以用演员、画家、哲学家、剧作家、城市、国家、恐龙、花草、四季乃至五花八门的事物的名字来命名。甚至也有用普通人的名字命名的。哈里特、乔安和拉尔夫各有1颗，它们是1744号哈里特、2316号乔安以及5051号拉尔夫，数字代表小行星轨道获得正式确认的顺序。加拿大裔天文爱好者大卫·列维（David H. Levy）是彗星搜寻者的偶像，但是他也发现了许多小行星。在我们专门为了普及宇宙知识而耗资2.4亿美元建造的罗斯地球与太空中心开幕后不久，他非常客气地以我的名字命名了1颗由他发现的小行星——13123号泰森。列维的心意令我非常感动。很快我拿到了13123号泰森的轨道数据，数据显示它位于小行星带的主带内，在其他小行星中间穿行。它的轨道和地球轨道没有交集，避免了给地球生命带来灭顶之灾的风险。听到这样的消息还是挺不错的。

只有谷神星——最大的小行星，直径大约有950千米——是球形的。其他小行星都是小得多的不规则碎片，形如狗骨头和爱达荷马铃薯。奇怪的是，谷神星的质量就占了所有小行星总质量的1/4。如果把所有足够大看得见的小行星的质量加在一起，再加上所有根据数据可以推算出的更小的小行星的质量，也比不上一颗行星的质量。总质量只有月球质量的5%。所以，提丢斯—波得定律预测2.8天文单位处潜藏着一颗活跃行星，看来有点夸大其词。

大多数小行星完全由岩石构成，但也有一些完全由金属构成，另一些则是两者的混合。大多数位于常说的主带，也就是火星和木星之间的区域。小行星通常被认为是由太阳系最初期残留下来、未并入行星的物质构成。但这个解释并不完整，无法解释一些纯金属小行星的成因。要查明原因，首先应研究太阳系里较大天体的成因。

行星是由多元素恒星爆炸后四散的残留物形成的、包含气体和尘埃的云团凝结而成。坍缩的云团形成原行星——一个固态块状物，随着附着的物质越来越多，它的温度也越来越高。较大的原行星会发生两个变化。一、块状物的形状逐渐变成球形；二、内部的热量使原行星熔化，重的物质（主要是铁，还有混于其中的部分镍和少量钴、金、铀等金属）沉到正在长大的原行星的中心。同时，更多的普通轻物质（氢、碳、氧、硅）浮到表层。地质学家（他们最不怕长而繁琐的单词）称这个过程为“分异作用”。因此，像地球、火星或金星等分异后的行星，内核是金属，幔层和外壳主要是岩石，体积也比内核大得多。

行星冷却后，如果遭到摧毁（比方说，撞上其他行星），两者的碎片继续在与碰撞前天体的原始轨道大致相同的轨道上围绕太阳运转。大部分碎片是岩石，因为它们来自两个已分异天体的厚厚的外层岩石圈，少数碎片是纯粹的金属。事实上，这正是实际小行星的观测结果。而且，一大块铁不可能是在星际空间里产生的，因为组成铁块的单个铁原子原本分散在形成行星的气体云里，而气体云里大部分是氢和氦。要凝聚铁原子，液态星体必须先分异。

但是，太阳系的天文学家是如何知道大部分主带小行星是石质的？又或，他们到底是如何知道这一切的？主要的指标是小行星反射光的能力，即反照率。小行星本身不发光，它们只吸收和反射太阳光。1744哈里特反射或吸收红外线吗？可见光呢？紫外线呢？不同的物质吸收和反射不同频带的光。如果你（像天体物理学家那样）十分熟悉太阳光谱，又如果你（像天体物理学家那样）仔细观察某颗小行星反射的阳光，那么你就能明白原来的阳光发生了什么变化，并且分辨出小行星表层的物质成分。从物质成分，你能判断出有多少光线被反射，继而判断出距离，再从距离估算出小行星的大小。最终你或许可以解释为什么天空中的某颗小行星看起来很明亮：它可能很灰暗，但是体积很大；也可能体积很小，但是反射很强；又或者介于两者之间。不知道成分，你不可能单凭它的亮度知晓答案。

光谱分析最初引申出一种简单的三分法，将小行星分成富碳的C型小行星，富硅的S型小行星，以及富金属的M型小行星。但是更精密的测量已经产生了更多的分类，每个字母表示小行星成分中重要的细微差别，以说明小行星的多重来源，而不是破碎的单个行星。

如果你知道一颗小行星的成分，那你就有点把握知道它的密度。奇怪的是，根据有些小行星体积和质量的测量结果计算出的密度小于岩石的密度。一种合乎逻辑的解释是，这些小行星并非固态。还有什么可能混杂在里面？或许是冰？不像。小行星带离太阳足够近，任何种类的冰（水的、氨的、二氧化碳的）——所有那些密度小于岩石的——早都就被太阳的热量蒸发殆尽了。或许混入的只是空洞，和碎石块一起飞行。

最早支持这个设想的观测结果出现在56千米长的小行星艾达的影像里。照片是由伽利略号太空探测器在1993年8月28日飞越它时拍摄的。半年后，距艾达中心97千米处出现了一个斑点，经证实为一颗1.6千米宽的卵形卫星！它被命名为达克太，是人类观察到的第一颗小行星卫星。卫星很稀有吗？如果小行星能有一颗卫星，还能有2颗、10颗或是100颗吗？换个角度说，会不会有些小行星就是一堆石头？

答案是非常肯定的。有些天体物理学家甚至会说，这些已经正式命名了的“碎石堆”（天体物理学家又一次倾向核心而非冗长的多音节词）可能相当普遍。最极端的例子之一是灵神星。它的直径约240千米，能反光，说明表面是金属。但根据估算的整体密度判断，可能其内部70%以上的体积都是空的。

当你研究位于主带之外的天体时，很快就会接触到太阳系的其他“流浪者”：越地杀手小行星、彗星以及无数的行星卫星。彗星是宇宙里的雪球，通常不超过数千米宽。它们由冻结的气体、冰、灰尘和其他各种颗粒组成。事实上，它们可能只是裹着一层永远不会蒸发完的冰壳的小行星。某个碎片是小行星还是彗星的问题可能完全看它形成的位置和飞行路线。在牛顿1687年出版《自然哲学的数学原理》提出万有引力定律之前，没有人知道彗星存在并运行于行星之间，以极扁的轨道周期性穿过太阳系。在太阳系边缘（柯伊伯带或更远）形成的冰冻碎片始终被冰包裹，如果沿着典型的椭圆轨道向太阳飞行，当它飞到木星轨道以内时，会出现由蒸发的水汽和其他挥发性气体组成的稀薄而醒目的痕迹。多次（可能达到数百次甚至数千次）进入内太阳系之后，彗星里的冰最终损失殆尽，只剩下岩石。事实上，有些（如果不是全部的话）越地小行星可能就是“过气”的彗星，是它们残留的固态核。

所以就有了陨石，也就是撞入地球的宇宙碎片。大多数陨石和小行星一样是石质的，偶尔也有金属的，这显然说明它们来自小行星带。行星地质学家研究了日益增多的已知小行星，逐渐认识到并非所有轨道都在主带之内。

正如好莱坞电影喜欢提醒我们的，有一天可能有小行星（或彗星）和地球相撞，但这种可能从来没有被当真，直到1963年天体地质学家尤金·苏梅克（Eugene M. Shoemaker）明确证明位于美国亚利桑那州温斯洛附近、已有5万年历史的巴林杰陨石坑只可能出自陨石的撞击，不可能是由于火山作用或者是其他地球的地质活动而形成。

我们在第6篇里将会看到，苏梅克的发现激起了人们对小行星与地球轨道交叠的新一波好奇心。20世纪90年代，空间研究机构开始跟踪近地天体，也就是美国国家航空航天局所定义的那些轨道“允许它们接近地球”的彗星和小行星。

木星在比它更远的小行星和彗星的生活中扮演着重要角色。木星与太阳的引力平衡造成一群小行星聚集在木星轨道上超前木星60度处附近，同样后60度附近也有一群，分别和木星以及太阳形成等边三角形。如果做一下几何计算，就会发现它们与木星和太阳的距离都是5.2天文单位。这些被俘获的天体就是特洛伊小行星，它们所在位置的正式名称是拉格朗日点。下一篇里我们会看到，这些区域的作用就像牵引光束，紧紧抓住那些想要飘走的小行星。

木星还使得许多朝向地球的彗星改变了方向。大多数彗星位于从冥王星轨道开始向外延伸到远处的柯伊伯带上。但是，所有敢从木星身边经过的彗星都会被猛地拉到别的方向上。要不是木星的保护，地球被彗星撞击的机会要多得多。奥尔特云是位于太阳系极外层的庞大彗星群，以最先提出该云存在的丹麦天文学家简·奥尔特（Jan Oort）的名字命名。事实上，人们普遍认为奥尔特云是由被木星驱往四处的柯伊伯带彗星所组成。而奥尔特云彗星的轨道一直延伸到太阳与最近恒星距离的一半远处。

行星的卫星又如何呢？有些看起来像是被捕获的小行星，比如又小又暗、像马铃薯似的火星卫星火卫一和火卫二。但是木星有好几颗冰冻的卫星，该当作彗星吗？还有，冥王星的卫星卡戎比它自己小不了多少，而且两者都是冰冻的。所以或许它们应该被看作双彗星。我相信它们都不会介意的。

宇宙飞船已经探索了十多颗彗星和小行星。最早执行此任务的是大小和汽车差不多、看上去像个机器人的美国飞船会NEAR—舒梅克号（NEAR-Shoemaker, NEAR是“近地小行星会合”的英文首字母缩写），它访问了小行星爱神星，时间特意定在2001年的情人节之前。它以每小时6.4千米的速度落地，出人意料地，仪器完好无损，其后两周一直在发回数据，令行星地质学家有信心认为，33千米宽的爱神星是一颗未分异的完整天体，而不是一个碎石堆。

野心勃勃的后续任务包括星尘号。它从慧发或尘云中穿过，环绕彗核利用所携的气凝胶滤网收集一些微粒。此次任务的目标非常简单，就是研究彗星里有哪些种类的太空尘埃，并在不破坏的情况下收集那些颗粒。为了达成目标，美国国家航空航天局使用了一种叫作气凝胶的神奇物质，可以说是人类发明的最接近幽灵的东西。它是一种干燥的海绵状硅，其中99.8%都是空气。当颗粒以超音速撞进去时，它能完整地钻进去并慢慢停下来。如果你打算用棒球手套或是其他材料让同样的灰尘停下来，高速灰尘会撞进表面，然后立刻停下并蒸发掉。

欧洲航天局也在外太空探索彗星和小行星。罗塞塔号飞船在12年的任务中将用两年的时间探索一颗彗星，到从未有过的近距离上收集更多信息，然后再转移到主小行星带上对几颗小行星进行研究。

和这些漫游者的接触，都是为了搜集专门信息，以了解太阳系的形成和演化，了解太阳系里的天体种类，了解有机分子在撞击中传播到地球的可能性，或是了解近地天体的大小、形状和硬度。而且，深入了解与你描述对象的熟练程度无关，而是与那对象与已知知识以及最新知识前沿的关联程度有关。对太阳系来说，最新知识前沿就是对其他恒星系统的搜寻。科学家下一步想做的就是比较我们和太阳系外的行星和漫游者有什么相似点。只有这样我们才能知道我们生活的家园正常与不正常。