8．太陽系里的流浪者

數百年間，我們在宇宙里的鄰居從沒有變過，它們是太陽、恒星、行星、少數幾個行星的衛星和彗星。盡管增加了一兩顆行星，但整個體系的基本組成沒有變化。

但是，1801年的元旦那天，一個新的類別出現了：小行星。這個名字是1802年英國天文學家約翰·赫歇耳爵士（Sir John Herschel）起的，他是天王星的發現者威廉·赫歇耳爵士的兒子。在之后的兩個世紀里，隨著天文學家發現許多此類“流浪者”，并確定它們巡回的區域、評估它們的成分、估算它們的尺寸、繪制它們的形狀、計算它們的軌道、派探測器登陸它們，太陽系的家譜里充滿了小行星的數據、照片和生命史。一些研究人員也提出，小行星是彗星甚至行星衛星的“親戚”。與此同時，一些天體物理學家和工程師正在尋找使那些體積較大的不速之客改變方向的方法。

要了解太陽系里的這些小天體，首先得研究那些大的，特別是那些行星。1977年普魯士天文學家戴維·提丟斯（Johann Daniel Titius）提出一個相當簡單的數學公式，以描述一個關于行星的奇怪事實。幾年之后，提丟斯的同行約翰·波得（Johann Elert Bode）在未提及提丟斯貢獻的情況下，開始宣傳這一公式。現在，這個公式常被稱為提丟斯—波得定律，或者甚至完全抹去提丟斯的貢獻，稱為波得定律。他們的簡便公式能相當準確地估算出行星與太陽間的距離，至少對當時已知的幾顆行星是這樣：水星、金星、地球、火星、木星和土星。1781年，已經廣為人知的提丟斯—波得定律事實上還引導人們發現了太陽的第七顆行星天王星，真的很厲害。所以，這個定律要么是個巧合，要么就是它體現了恒星系統里的某些基本規律。

不過，它也不是非常完美。

問題一：你要稍微作點小弊，在該代入1.5的地方換成0，才能得到水星的正確距離。問題二：第八顆行星海王星的實際距離比公式預測值近得多。問題三：一些人堅持稱為第九顆行星的冥王星以及它附近的其他天體都已不在計算范圍之內。

這個定律預測在火星和木星之間——距離太陽大約2.8天文單位處——有一顆行星。受到在提丟斯—波得定律預測的距離附近發現天王星的鼓舞，18世紀末的天文學家們覺得查看一下2.8天文單位附近的區域應該是個不錯的主意。果然，不出所料，1801年元旦那天，巴勒莫天文臺的創立者、意大利天文學家朱森皮·皮亞齊（Giuseppe Piazzi）在那里發現了一些東西。隨后它消失在太陽的光輝里，但是整整一年之后，借助德國數學家卡爾·弗雷德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss）的天才計算，那個新的天體在另一個天區被重新找到了。大家都很興奮：數學和望遠鏡的勝利導致了一顆新行星的發現。皮亞齊依照以羅馬神話中神的名字為行星命名的傳統，以谷物女神的名字給它取名為谷神星。

但是當天文學家更仔細地觀察谷神星，并且計算它的軌道、距離和亮度后，發現這顆新“行星”實在是太小了。隨后的幾年里，在同一區域又發現了另外3顆極小的行星——智神星、婚神星和灶神星。經過幾十年，赫歇耳發明的“小行星”（asteroid，字面意思是“星狀的”天體）一詞最終得以普及，因為在當時的望遠鏡里看起來，這些新發現的天體并不像行星那樣像個盤子，而是和恒星沒什么兩樣，只不過它們會移動罷了。進一步的觀測發現了更多的小行星，到19世紀結束的時候，已經在距離太陽2.8天文單位附近的狹窄空間內發現了464顆小行星。由于小行星分布的狹窄空間是一個相對平坦的條帶，而且也不像蜜蜂圍繞蜂巢那樣分散在太陽的各個方向，所以這個區域就被人們稱為小行星帶。

迄今為止，已有十多萬顆小行星編錄在冊，同時每年都有數百顆被新發現。據估計，尺寸超過半英里見方的小行星就有超過100萬顆。就世人所知，盡管羅馬的神們社會生活復雜，但是他們也沒有1萬個朋友，所以天文學家不得不放棄傳統的命名方法。因此，現在小行星可以用演員、畫家、哲學家、劇作家、城市、國家、恐龍、花草、四季乃至五花八門的事物的名字來命名。甚至也有用普通人的名字命名的。哈里特、喬安和拉爾夫各有1顆，它們是1744號哈里特、2316號喬安以及5051號拉爾夫，數字代表小行星軌道獲得正式確認的順序。加拿大裔天文愛好者大衛·列維（David H. Levy）是彗星搜尋者的偶像，但是他也發現了許多小行星。在我們專門為了普及宇宙知識而耗資2.4億美元建造的羅斯地球與太空中心開幕后不久，他非常客氣地以我的名字命名了1顆由他發現的小行星——13123號泰森。列維的心意令我非常感動。很快我拿到了13123號泰森的軌道數據，數據顯示它位于小行星帶的主帶內，在其他小行星中間穿行。它的軌道和地球軌道沒有交集，避免了給地球生命帶來滅頂之災的風險。聽到這樣的消息還是挺不錯的。

只有谷神星——最大的小行星，直徑大約有950千米——是球形的。其他小行星都是小得多的不規則碎片，形如狗骨頭和愛達荷馬鈴薯。奇怪的是，谷神星的質量就占了所有小行星總質量的1/4。如果把所有足夠大看得見的小行星的質量加在一起，再加上所有根據數據可以推算出的更小的小行星的質量，也比不上一顆行星的質量。總質量只有月球質量的5%。所以，提丟斯—波得定律預測2.8天文單位處潛藏著一顆活躍行星，看來有點夸大其詞。

大多數小行星完全由巖石構成，但也有一些完全由金屬構成，另一些則是兩者的混合。大多數位于常說的主帶，也就是火星和木星之間的區域。小行星通常被認為是由太陽系最初期殘留下來、未并入行星的物質構成。但這個解釋并不完整，無法解釋一些純金屬小行星的成因。要查明原因，首先應研究太陽系里較大天體的成因。

行星是由多元素恒星爆炸后四散的殘留物形成的、包含氣體和塵埃的云團凝結而成。坍縮的云團形成原行星——一個固態塊狀物，隨著附著的物質越來越多，它的溫度也越來越高。較大的原行星會發生兩個變化。一、塊狀物的形狀逐漸變成球形；二、內部的熱量使原行星熔化，重的物質（主要是鐵，還有混于其中的部分鎳和少量鈷、金、鈾等金屬）沉到正在長大的原行星的中心。同時，更多的普通輕物質（氫、碳、氧、硅）浮到表層。地質學家（他們最不怕長而繁瑣的單詞）稱這個過程為“分異作用”。因此，像地球、火星或金星等分異后的行星，內核是金屬，幔層和外殼主要是巖石，體積也比內核大得多。

行星冷卻后，如果遭到摧毀（比方說，撞上其他行星），兩者的碎片繼續在與碰撞前天體的原始軌道大致相同的軌道上圍繞太陽運轉。大部分碎片是巖石，因為它們來自兩個已分異天體的厚厚的外層巖石圈，少數碎片是純粹的金屬。事實上，這正是實際小行星的觀測結果。而且，一大塊鐵不可能是在星際空間里產生的，因為組成鐵塊的單個鐵原子原本分散在形成行星的氣體云里，而氣體云里大部分是氫和氦。要凝聚鐵原子，液態星體必須先分異。

但是，太陽系的天文學家是如何知道大部分主帶小行星是石質的？又或，他們到底是如何知道這一切的？主要的指標是小行星反射光的能力，即反照率。小行星本身不發光，它們只吸收和反射太陽光。1744哈里特反射或吸收紅外線嗎？可見光呢？紫外線呢？不同的物質吸收和反射不同頻帶的光。如果你（像天體物理學家那樣）十分熟悉太陽光譜，又如果你（像天體物理學家那樣）仔細觀察某顆小行星反射的陽光，那么你就能明白原來的陽光發生了什么變化，并且分辨出小行星表層的物質成分。從物質成分，你能判斷出有多少光線被反射，繼而判斷出距離，再從距離估算出小行星的大小。最終你或許可以解釋為什么天空中的某顆小行星看起來很明亮：它可能很灰暗，但是體積很大；也可能體積很小，但是反射很強；又或者介于兩者之間。不知道成分，你不可能單憑它的亮度知曉答案。

光譜分析最初引申出一種簡單的三分法，將小行星分成富碳的C型小行星，富硅的S型小行星，以及富金屬的M型小行星。但是更精密的測量已經產生了更多的分類，每個字母表示小行星成分中重要的細微差別，以說明小行星的多重來源，而不是破碎的單個行星。

如果你知道一顆小行星的成分，那你就有點把握知道它的密度。奇怪的是，根據有些小行星體積和質量的測量結果計算出的密度小于巖石的密度。一種合乎邏輯的解釋是，這些小行星并非固態。還有什么可能混雜在里面？或許是冰？不像。小行星帶離太陽足夠近，任何種類的冰（水的、氨的、二氧化碳的）——所有那些密度小于巖石的——早都就被太陽的熱量蒸發殆盡了。或許混入的只是空洞，和碎石塊一起飛行。

最早支持這個設想的觀測結果出現在56千米長的小行星艾達的影像里。照片是由伽利略號太空探測器在1993年8月28日飛越它時拍攝的。半年后，距艾達中心97千米處出現了一個斑點，經證實為一顆1.6千米寬的卵形衛星！它被命名為達克太，是人類觀察到的第一顆小行星衛星。衛星很稀有嗎？如果小行星能有一顆衛星，還能有2顆、10顆或是100顆嗎？換個角度說，會不會有些小行星就是一堆石頭？

答案是非常肯定的。有些天體物理學家甚至會說，這些已經正式命名了的“碎石堆”（天體物理學家又一次傾向核心而非冗長的多音節詞）可能相當普遍。最極端的例子之一是靈神星。它的直徑約240千米，能反光，說明表面是金屬。但根據估算的整體密度判斷，可能其內部70%以上的體積都是空的。

當你研究位于主帶之外的天體時，很快就會接觸到太陽系的其他“流浪者”：越地殺手小行星、彗星以及無數的行星衛星。彗星是宇宙里的雪球，通常不超過數千米寬。它們由凍結的氣體、冰、灰塵和其他各種顆粒組成。事實上，它們可能只是裹著一層永遠不會蒸發完的冰殼的小行星。某個碎片是小行星還是彗星的問題可能完全看它形成的位置和飛行路線。在牛頓1687年出版《自然哲學的數學原理》提出萬有引力定律之前，沒有人知道彗星存在并運行于行星之間，以極扁的軌道周期性穿過太陽系。在太陽系邊緣（柯伊伯帶或更遠）形成的冰凍碎片始終被冰包裹，如果沿著典型的橢圓軌道向太陽飛行，當它飛到木星軌道以內時，會出現由蒸發的水汽和其他揮發性氣體組成的稀薄而醒目的痕跡。多次（可能達到數百次甚至數千次）進入內太陽系之后，彗星里的冰最終損失殆盡，只剩下巖石。事實上，有些（如果不是全部的話）越地小行星可能就是“過氣”的彗星，是它們殘留的固態核。

所以就有了隕石，也就是撞入地球的宇宙碎片。大多數隕石和小行星一樣是石質的，偶爾也有金屬的，這顯然說明它們來自小行星帶。行星地質學家研究了日益增多的已知小行星，逐漸認識到并非所有軌道都在主帶之內。

正如好萊塢電影喜歡提醒我們的，有一天可能有小行星（或彗星）和地球相撞，但這種可能從來沒有被當真，直到1963年天體地質學家尤金·蘇梅克（Eugene M. Shoemaker）明確證明位于美國亞利桑那州溫斯洛附近、已有5萬年歷史的巴林杰隕石坑只可能出自隕石的撞擊，不可能是由于火山作用或者是其他地球的地質活動而形成。

我們在第6篇里將會看到，蘇梅克的發現激起了人們對小行星與地球軌道交疊的新一波好奇心。20世紀90年代，空間研究機構開始跟蹤近地天體，也就是美國國家航空航天局所定義的那些軌道“允許它們接近地球”的彗星和小行星。

木星在比它更遠的小行星和彗星的生活中扮演著重要角色。木星與太陽的引力平衡造成一群小行星聚集在木星軌道上超前木星60度處附近，同樣后60度附近也有一群，分別和木星以及太陽形成等邊三角形。如果做一下幾何計算，就會發現它們與木星和太陽的距離都是5.2天文單位。這些被俘獲的天體就是特洛伊小行星，它們所在位置的正式名稱是拉格朗日點。下一篇里我們會看到，這些區域的作用就像牽引光束，緊緊抓住那些想要飄走的小行星。

木星還使得許多朝向地球的彗星改變了方向。大多數彗星位于從冥王星軌道開始向外延伸到遠處的柯伊伯帶上。但是，所有敢從木星身邊經過的彗星都會被猛地拉到別的方向上。要不是木星的保護，地球被彗星撞擊的機會要多得多。奧爾特云是位于太陽系極外層的龐大彗星群，以最先提出該云存在的丹麥天文學家簡·奧爾特（Jan Oort）的名字命名。事實上，人們普遍認為奧爾特云是由被木星驅往四處的柯伊伯帶彗星所組成。而奧爾特云彗星的軌道一直延伸到太陽與最近恒星距離的一半遠處。

行星的衛星又如何呢？有些看起來像是被捕獲的小行星，比如又小又暗、像馬鈴薯似的火星衛星火衛一和火衛二。但是木星有好幾顆冰凍的衛星，該當作彗星嗎？還有，冥王星的衛星卡戎比它自己小不了多少，而且兩者都是冰凍的。所以或許它們應該被看作雙彗星。我相信它們都不會介意的。

宇宙飛船已經探索了十多顆彗星和小行星。最早執行此任務的是大小和汽車差不多、看上去像個機器人的美國飛船會NEAR—舒梅克號（NEAR-Shoemaker, NEAR是“近地小行星會合”的英文首字母縮寫），它訪問了小行星愛神星，時間特意定在2001年的情人節之前。它以每小時6.4千米的速度落地，出人意料地，儀器完好無損，其后兩周一直在發回數據，令行星地質學家有信心認為，33千米寬的愛神星是一顆未分異的完整天體，而不是一個碎石堆。

野心勃勃的后續任務包括星塵號。它從慧發或塵云中穿過，環繞彗核利用所攜的氣凝膠濾網收集一些微粒。此次任務的目標非常簡單，就是研究彗星里有哪些種類的太空塵埃，并在不破壞的情況下收集那些顆粒。為了達成目標，美國國家航空航天局使用了一種叫作氣凝膠的神奇物質，可以說是人類發明的最接近幽靈的東西。它是一種干燥的海綿狀硅，其中99.8%都是空氣。當顆粒以超音速撞進去時，它能完整地鉆進去并慢慢停下來。如果你打算用棒球手套或是其他材料讓同樣的灰塵停下來，高速灰塵會撞進表面，然后立刻停下并蒸發掉。

歐洲航天局也在外太空探索彗星和小行星。羅塞塔號飛船在12年的任務中將用兩年的時間探索一顆彗星，到從未有過的近距離上收集更多信息，然后再轉移到主小行星帶上對幾顆小行星進行研究。

和這些漫游者的接觸，都是為了搜集專門信息，以了解太陽系的形成和演化，了解太陽系里的天體種類，了解有機分子在撞擊中傳播到地球的可能性，或是了解近地天體的大小、形狀和硬度。而且，深入了解與你描述對象的熟練程度無關，而是與那對象與已知知識以及最新知識前沿的關聯程度有關。對太陽系來說，最新知識前沿就是對其他恒星系統的搜尋。科學家下一步想做的就是比較我們和太陽系外的行星和漫游者有什么相似點。只有這樣我們才能知道我們生活的家園正常與不正常。