清华大学天文学导论-13太阳系小天体

1、第第1313讲讲太阳系太阳系(2)(2)矮行星、小天体与太阳系形成矮行星、小天体与太阳系形成 Almost in the center of it, above the Prechistenka Boulevard, surrounded and sprinkled on all this sides by stars shone the enormous and brilliant comet of 1812the comet which was said to portend all kinds of woes and the end of the world. Leo Tolstoy (

2、1828-1910) WAR AND PEACE天文学导论天文学导论本讲内容本讲内容 Dwarf planets 矮行星 Asteroids 小行星 Comets 彗星 Meteoroids 流星体与流星 Collisions 碰撞 太阳系形成这些太阳系形成时所遗留下来的“残骸”的体积虽小，但其重要性不小。它们提供了有关太阳系起源的信息。1。矮行星 谷神星：最大小行星，1号小行星（1801） 冥王星（1930汤伯发现）美国加州理工大学迈克尔布朗（Michael E. Brown） 阋神星（Eris厄里斯 2003 UB313, 齐娜Xena 2005年7月29日发现），最大矮行星 鸟神星、妊神

3、星 Sedna赛德纳，2003年11月14日发现 1801年由意大利天文学家皮亚齐发现 位于火星与木星之间的小行星带中，1号小行星 直径约950公里，等于月球直径的1/4，质量约为月球的1/50 谷神星所含淡水可能比地球还多谷神星谷神星CeresPluto 冥王星冥王星 “古怪的小家伙古怪的小家伙” 曾作为太阳系最小的第九大行星 性质特殊，既不像类地行星，也不像类木行星 1999年，国际天文联合会曾考虑把冥王星开除九大行星之列，没有成功！2006年“成功”了！Computer enhanced HST images 冥王星的基本特征冥王星的基本特征 对冥王星的了解不深，原因有二： 距离遥远 还

4、没有太空船到冥王星作近距离观测 质量小于地球的1%，半径约1150千米，比月球（半径约1740千米）还小 密度约为水的2.3倍。通常类木行星的密度小于2，而类地行星的密度大于5 冥王星表面及其大气由氮组成，从其密度推断，它应有坚固的表面冥王星的轨道冥王星的轨道 冥王星的轨道非常特殊：拥有最大偏心率（作为第九大行星）；公转轨道和黄道面的夹角为17.2度；距太阳平均距离40 AU 轨道周期248年，自转周期 6.39 天“Pluto: Planet 9 or 8?” “冥王星的轨道部分在海王星轨道之内，所以从1979年到1999年，在太阳系内，距离太阳最远的“大行星”是海王星而不是冥王星”自发现以

5、来，冥王星仅运动了其轨道的大约1/3冥王星和查戎冥王星和查戎 ：一对双行星一对双行星 冥王星的卫星称为查戎 Charon，直径约1200千米，是冥王星直径的一半多点，因此相对于它所围绕的天体来说，它实在是非常巨大HST image查戎和冥王星互为同步卫星 查戎的公转（自转）周期和冥王星的自转周期都是6.39天 因此，在冥王星表面，其中一半可以永远在天空差不多同一地点看到查戎，但另一半却永不见其踪影。反之亦然 查戎是整个太阳系已知惟一的天然同步卫星哈勃太空望远镜拍摄的冥王星“全家福”冥王星及其三颗卫星同一轨道平面两颗新卫星的大小仅相当于查戎的1/10，亮度仅及查戎的1/600可能与查戎同一时间诞

6、生，是同一次巨大天体碰撞的结果？ 奔向冥王星和柯伊柏带的New Horizons 如何发现太阳系“小”天体?Sedna 赛德纳2。小行星。小行星“天上的灾星天上的灾星” 小行星带：位于火星和木星轨道之间的一个“垃圾场”，距离太阳约2.8（2.0-3.3）AU 特洛伊型小行星：和木星具有共同轨道的小行星群小行星带的基本特征小行星带的基本特征 轨道周期：3.2-6年 由岩石与金属构成的块状小天体 编号与命名（1号谷神星，4号灶神星） 直径大于250千米的小行星不足20颗 大部分形状不规则，非球形，形如土豆，表面有大小不等的撞击环形坑，裂缝 小行星间隔平均几千万千米 轨道：像多纳圈 干扰对正常天体的

7、研究：天上的灾星 揭示太阳系形成和演化奥秘的重要钥匙小行星的数量？ 535000颗（截至2010/9/22），估计质量为0.0008个地球质量 谷神星Ceres 矮行星 第一颗小行星，1801年发现 最大小行星：直径约950 km 3 种类型： 岩石 铁/镍 （富）碳小行星的偶然发现 小行星在背景天空上运行，只要以长时间曝光的方式拍摄，小行星的影像就成为一条光迹。大多数天文学家用此方法寻找小行星 事实上，大部分小行星就是通过这种方式而被偶然发现的近地小行星 NEO 由于受到木星引力的影响，小行星带中的某些碎块改变轨道而接近地球轨道 7000多颗，轨道距地球不到4500万公里 直径：最大32千米

8、，最小仅几米 直径大于1千米的千余颗中的90%已确认，主要研究100-1000米的小行星（估计28000颗，已知15%） 轨道：阿登型小行星（地球轨道以内）；阿波罗型小行星（地球与火星之间）；阿莫尔型小行星（地球轨道外侧，平行但不相交） 类型：碳质、岩石和金属小行星九颗近地小行星已得到考察Asteroid 951（Gaspra 加斯普拉）： 自转周期 7小时小行星伊达 （Ida Asteroid 243，自旋周期 4.5小时）和它的卫星达克图 (243)1Galileos visit to the asteroids in 1991小行星不仅仅是潜在的威胁 太空旅行的理想跳板 有待开发的矿藏：

9、金属、气体、水 未来太空探索的补给站 揭开地球生命起源之谜 NASA 的黎明号探测器抵达灶神星 通常把彗星看作一个“脏雪球”，弥散的、发亮的天体，常常拖着长长的尾巴 古老天体：几十亿年前太阳系构建过程中所遗留下来的残片碎块 太阳系起源的“物证”1976 到访内太阳系的到访内太阳系的 威斯特（威斯特（West）彗星）彗星3。 彗星彗星脏兮兮的雪球脏兮兮的雪球世纪大彗星世纪大彗星 C/2006 P1 麦克诺特彗星麦克诺特彗星 40年来最亮彗星 澳大利亚天文学家R.H. McNaught于2006年8月7日用口径0.5米施密特望远镜发现，2007/1/13-14 最亮-5到-6等2007年年11月：

10、霍尔姆斯彗星大爆发体积超过太阳月：霍尔姆斯彗星大爆发体积超过太阳 One view of comets as destroyers of worlds in 1857 King Harold (England) and nation cower in fear at the close passage of Halleys Comet （冰窟中的）彗星的基本特征（冰窟中的）彗星的基本特征 彗星和小行星具有共同的起源，却是不同类型的天体（成分、轨道） 彗星由夹杂一些岩石的（水）冰物质构成，故称为“脏雪球” 跨度大多仅有几千米 彗星质量 10-11地球质量，体积大，密度很低，因而是结构松散、多孔的

11、天体彗星的结构彗星的结构彗核彗核 彗星中心是一颗由凝固了的气体和尘埃组成的、直径小于10公里的细小彗核Halleys nucleus 美丽的彗尾 当彗星接近太阳的时候，凝固的气体受热蒸发而产生延展的彗发coma 当它进一步接近太阳，太阳风及太阳辐射压便会把气体和尘埃向后推，形成美丽壮观的彗尾。因此，彗尾永远是背着太阳的 通常形成两条彗尾，一个是蓝色的由离子组成的直尾，另一条是黄色的弯曲的尘埃尾。两条彗尾均可延展数百万公里West彗星的轨道：开放轨道彗星的轨道：开放轨道 彗星轨道基本有两种：开放或封闭式绕日运行 以开放式（非周期轨道）绕日运行的彗星只经过太阳一次彗星的轨道：彗星的轨道： 周期轨道

12、周期轨道 封闭式轨道彗星（很扁的椭圆形周期轨道）则可造访太阳多次，交替非常远离和靠近太阳 最著名的周期彗星是以76年周期绕日运行的哈雷彗星 Comet Halley 万有引力最重要的早期预言 彗星核的寿命取决于它的轨道周期和到太阳的最近距离 短周期轨道和长周期轨道，以200年为界（不确定）。一些周期长达一百万年 已知短周期彗星约200颗，长周期彗星约770颗。平均每年发现约6颗彗星 彗星轨道高度椭圆，行星轨道近似圆形。短周期彗星和行星同向运行，轨道取向接近太阳系轨道面；长周期彗星有同向和反向，轨道取向各个方向彗星的轨道特征彗星的轨道特征彗星的可能来源彗星的可能来源 柯伊伯带 Kuiper be

13、lt (盘状，柯伊伯带天体 KBOs ) 奥尔特云 Oort cloud： 太阳系最外区域，球壳状，距离太阳 50,000 AU以外， 1012 小天体 邻近恒星通过太阳附近时其引力扰动使这两个区域里的一些物质进入内太阳系而成为彗星太阳有一个“复仇女神？”深度撞击深度撞击 deep impact 2005/7/4，撞击彗星 Tempel 1 由远古的冰冷物质构成 太阳系起源的信息4。 流星体流星体 除了小行星带以外，太阳系中还充塞着大量的块状物，称为流星体，它们在太阳系中漂浮飞行 大多数流星体很小(10 m)，多为沙粒大小 流星体可能来自小行星带，由小行星碰撞分裂而成；也可能是彗星靠近太阳时所

14、遗留的物质Meteor 流星流星 当流星体以每秒数十公里的速度进入地球大气层( 140 terrestrial craters foundBarringer meteor crater 巴林格陨击坑巴林格陨击坑Small meteorite produce big destruction!“Barringer meteor crater” in Arizona: 1.2 km diameter. Probably from diameter 3*106倍 为了太阳的稳定，如此快速自转要求太阳的自引力必须增加大约2*106倍 事实上，分子云核的大部分角动量滞留在行星上。因此，分子云核的角动量比从

15、其中所形成的太阳的角动量大得多3. An accretion disk forms 形成吸积盘 如果没有自转（角动量），分子云核自然坍缩为一个球 对于自转的分子云核，因为离心力平衡引力，坍缩的程度具有方向性：自转使得垂直于自转轴方向上的坍缩减慢，但是不影响沿自转轴方向的坍缩，所以自转的分子云核渐渐变得扁平 最终分子云核坍缩为一个原始恒星和一个吸积盘（称为原行星盘） 因此自转的分子云核坍缩为一个盘而不是直接坍缩为一个恒星Animation4. 小物体成长为大物体 在原行星盘内，气体的运动将较小的颗粒吹入较大的颗粒内 通过吸附较小的颗粒，较大的尘埃颗粒变得更大 从只有几微米大小开始，稍微大一点的尘

16、埃渐渐生长 当尘埃颗粒增长为大约100米大小的时候，物体的增长率减小，但100米大小的物体会结合形成更大的物体。此时的结合必须轻微，否则猛烈的碰撞会使它们再裂解为许多小碎片。在物体增长的阶段，这种反过程是常见的星子：行星的种子星子：行星的种子 当物体增长为约1公里大小的时候，物体的质量足够大因而其引力变得重要并开始起作用。 1千米大小的物体通常称为星子（planetesimals，literally “tiny planets”） 星子的增长加快，较大的星子很快吸引完其轨道附近的其它小物体 通过吸引，引力使得星子最终成长为原行星（protoplanets） 原行星的增长方式：凝聚碰撞吸引5.

17、原行星盘：内热外冷原行星盘：内热外冷 当下落气体撞击吸积盘后，原子的（冷）运动变为随机热运动，下落气体的引力能转变为热能，到达内盘的物质因为在原恒星的引力场中走得更远而转化更多热能，使内盘更热 原太阳的热辐射（引力能转化为热能，非热核反应的光度是目前太阳的许多倍）加热内盘 挥发性的物质（冰）只在外盘中得以保留下来 难熔物在高温下仍保持固态，所以内盘仅有难熔物质存活下来6. 固态的原行星吸积大气 一旦原行星形成，它将进一步吸引原行星盘中的气体 由于强烈的原太阳风和辐射，这个过程必须很快结束（对木星，大约一千万年） 由于强大的引力，新形成的大质量行星能束缚大量气体，在其周围形成小吸积盘 小质量行星失去原始大气。目前的大气称为次级大气，是在小质量行星的后续演化中产生的，例如火山爆发7。卫星的形成。卫星的形成 类似于行星的形成，巨大行星的卫星形成于其周围的小吸积盘 月球可能是星子和地球碰撞的残骸 火星的两个卫星可能是俘获的小行星8。原太阳和原行星的最后凝聚 最后的生存者其质量足够大而成为行星，既有较小也有