小行星帶（英語：Asteroid belt），又稱主小行星帶，簡稱主帶，位于火星和木星軌道之間，距離太陽約2.17-3.64天文單位，聚集了大約50萬顆以上的小行星。這一區(qū)域可能是地球生命和水體起源的重要線索之一。小行星帶中擁有大量的小行星，98.5%的小行星都在此處被發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)被編號的小行星有120,437顆。根據(jù)光譜特征不同，小行星帶內(nèi)的小行星可分為碳質(zhì)、硅酸鹽和金屬三類。直徑超過1公里的小行星約有110萬至190萬顆，而小于1公里的小行星據(jù)估算有數(shù)百萬顆。根據(jù)長半軸的位置和柯克伍德缺口，小行星帶可劃分為內(nèi)、中央和外主帶。
小行星帶由原始太陽星云中的一群星子（比行星微小的行星前身）形成。但是，因為木星的重力影響，阻礙了這些星子形成行星，造成許多星子相互碰撞，并形成許多殘骸和碎片。據(jù)估計，小行星帶的原始質(zhì)量可能與地球相當(dāng)，但隨著演化的進行，大部分物質(zhì)被排出，留下的質(zhì)量僅為原來的千分之一。小行星帶中最大的小行星是谷神星，直徑約為950公里，被認(rèn)為是矮行星。其次是灶神星，直徑為525公里，被視為HED石隕石的母體小行星。最早被發(fā)現(xiàn)的幾顆小行星是“谷神星”（1 Ceres)、“智神星”(2 Pallas)、“婚神星”(3 Juno) 和“灶神星”(4 Vesta)，它們也是所有小行星中最大的四顆。
探測小行星帶對于研究更廣泛的太陽系起源和演化具有重要意義，然而，小行星帶距離地球和太陽較遠(yuǎn)，探測器在能源、測控和導(dǎo)航等方面都面臨一定挑戰(zhàn)。小行星帶的物質(zhì)非常稀薄，已經(jīng)有幾艘航天飛機安全通過而未曾發(fā)生意外。20世紀(jì)90年代開始實施了專門針對小行星帶的探測任務(wù)。截至2024年，已經(jīng)完成了9次小行星帶探測任務(wù)，其中包括5次順訪任務(wù)和4次專訪任務(wù)。小行星帶的探測歷程始于1969年夏天的先驅(qū)者10號任務(wù)，這是人類歷史上第一艘成功穿越小行星帶的航天器，為后續(xù)的深空探測任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。黎明號探測器在2011年7月至2012年9月期間環(huán)繞灶神星，隨后自2015年3月起，開始環(huán)繞谷神星，這是首次有探測器對主帶小行星進行如此詳盡的考察，開啟了人類探索太空的新紀(jì)元。Lucy太空探測器于2023年飛越了152830 Dinkinesh，預(yù)計2025年將飛越C型主帶小行星52246 Donaldjohanson。
歷史背景
命名
“小行星帶”一詞最早出現(xiàn)在19世紀(jì)50年代初，但具體是誰創(chuàng)造了這個詞很難確定。據(jù)記錄，第一次使用似乎是在1850年亞歷山大·馮·洪堡（Alexander von Humboldt）的《宇宙》（Cosmos）一書的翻譯中（由埃利斯·奧特（Elise Otté）翻譯）：“每年11月13日和8月11日左右出現(xiàn)的流星可能是小行星帶的一部分。”另一個早期的使用是在羅伯特·詹姆斯·曼（Robert James Mann）的《天體知識指南》（A Guide to the Knowledge of the Heavens）中：“小行星的軌道位于一個寬闊的空間帶中。”美國天文學(xué)家本杰明·皮爾斯（Benjamin Peirce）似乎也采用了這個術(shù)語，并成為其推廣者之一。
早期研究
1596年，約翰內(nèi)斯·開普勒（Johannes Kepler）對幾何圖形中的調(diào)和比例的研究為人類探索宇宙產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。他在研究火星和木星軌道之間存在的間隙時，提出了一種大膽的假設(shè)：在火星與木星軌道之間存在一顆未知行星。這一假設(shè)極大的啟發(fā)了1801年谷神星的發(fā)現(xiàn)，并且早于該發(fā)現(xiàn)206年。
1766年，德國天文學(xué)家約翰·提丟斯（J. Titius）發(fā)現(xiàn)了太陽系內(nèi)行星排列的一種規(guī)律，被稱為提丟斯定律。根據(jù)這個定律，假設(shè)將太陽到土星之間的距離定為100個單位，那么水星、金星、地球、火星和木星與太陽的距離分別為4、7、10、16、52個單位。這個規(guī)律啟發(fā)了人們對行星排列的研究。
1781年，著名天文學(xué)家威廉·赫歇爾（William Herschel）發(fā)現(xiàn)了天王星。根據(jù)提丟斯定律，天王星與太陽的距離應(yīng)該是192個單位。將上述提丟斯的數(shù)列每一項都減去4，再加上土星和天王星的排序，得到的結(jié)果是：0、3、6、12、48、96、192。根據(jù)數(shù)列的排列規(guī)律，顯然在12和48之間缺少了一個數(shù)字，即24。由此推測，有一顆位于火星（12）與木星（48）之間的行星級天體尚未被發(fā)現(xiàn)。20年后，谷神星被發(fā)現(xiàn)，證實了這一推測。
1801年，意大利神父兼天文學(xué)家朱賽普·皮亞齊（Giuseppe Piazzi）在金牛座偶然發(fā)現(xiàn)了一顆在星圖上找不到的星。這顆星后來被著名約翰·卡爾·弗里德里希·高斯及其他天文學(xué)家計算并精確確定其運動軌道位于火星和木星之間，最終被確認(rèn)為第一顆被發(fā)現(xiàn)的小行星—谷神星（1 Ceres）。谷神星的直徑約為950公里，相當(dāng)于月球直徑的四分之一。為小行星帶中最大的小行星，也被稱之為矮行星。
1802年，天文學(xué)家威廉·奧爾伯斯（Wilhelm Olbers）同一區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)了另一個移動的物體，隨后命名為智神星（2 Pallas），引起了科學(xué)界的轟動。威廉·赫歇爾認(rèn)為這些天體是一顆行星被毀壞后的殘余物。后來，威廉·赫歇爾通過比較谷神星和智神星在地球視線下的尺寸來測量它們的大小，發(fā)現(xiàn)它們比其他已知的行星小得多。這促使威廉·赫歇爾將谷神星和智神星稱為小行星，因為它們雖小但外觀與行星類似。
1804年，卡爾·哈丁（Karl Harding）在同一區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)了第三顆小行星婚神星（3 Juno）。相比谷神星和智神星，婚神星要小得多，這一發(fā)現(xiàn)進一步證實了天文學(xué)家們對于太陽系中存在多顆小行星的猜測。
1807年，威廉·奧爾伯斯再次發(fā)現(xiàn)了一顆小行星，名叫灶神星（4 Vesta）。這顆小行星是歷史上發(fā)現(xiàn)的第四顆小行星，同時也是太陽系中第二大的小行星。奧爾伯斯也因此成為了第一個發(fā)現(xiàn)兩顆小行星的人。灶神星的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著第一個小行星發(fā)現(xiàn)時代的結(jié)束。在接下來的1807年到1845年期間，并未發(fā)現(xiàn)其他新的小行星。
1845年，卡爾·亨克（Karl Ludwig Hencke）發(fā)現(xiàn)了第五顆小行星義神星（5 Astraea）。緊接著，新小行星發(fā)現(xiàn)的速度急速增加，截至1868年中發(fā)現(xiàn)的小行星數(shù)目已有100顆。
1866年，丹尼爾·柯克伍德（Daniel Kirkwood）在研究主帶小行星時發(fā)現(xiàn)了柯克伍德空隙。這些空隙位于木星軌道周期與小行星軌道周期成整數(shù)比的共振處，表現(xiàn)為小行星的分布稀少。而在其他周期比的共振處，小行星則有聚集現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)進一步加深了人們對主帶小行星分布規(guī)律的理解。
快速發(fā)展
1891年，馬克斯·沃爾夫（Max Wolf）引入天文攝影技術(shù)，大大加快了小行星的發(fā)現(xiàn)速度。到1921年，已發(fā)現(xiàn)的小行星總數(shù)達(dá)到1,000顆。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，長時間的軌道計算變得可行，到1981年，已發(fā)現(xiàn)的小行星數(shù)量增加至10,000顆。
1982年，維登斯（Widoms）利用映射方法研究了1:3共振處的小行星軌道演化，發(fā)現(xiàn)這些軌道呈現(xiàn)混沌狀態(tài)，偏心率可以達(dá)到0.3，從而受到火星的攝動而離開主帶。進一步研究表明，與木星處于平運動共振的小行星帶可能是近地小天體（NEA）的來源之一。這些研究為我們更好地理解小行星帶中的軌道動力學(xué)提供了重要線索。
1984年，哈吉德梅特里烏（Hadjidemetriou）在限制性三體問題的框架下研究了一些特殊的共振，發(fā)現(xiàn)1:3和3:5共振處會產(chǎn)生空隙，而在1:2和2:3共振處則有小行星存在。這一發(fā)現(xiàn)有助于解釋小行星帶中的結(jié)構(gòu)和分布，為我們揭示了小行星帶形成和演化的復(fù)雜性。
1993年和1995年，德沃夏克（Dvorak）對主帶小行星的動力學(xué)演化進行了模擬研究，并得出結(jié)論：主帶內(nèi)的許多動力學(xué)結(jié)構(gòu)可以通過限制性三體問題加以解釋。主帶內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)主要受到小行星和木星之間長期共振的影響，而從1:2共振位置開始的小行星則可能因過于接近木星而受到其直接影響。這些模擬研究深化了我們對小行星帶內(nèi)部動態(tài)和演化過程的理解，為我們探索太陽系形成和演化歷史提供了重要參考。
現(xiàn)代觀測
1969年夏天，先驅(qū)者10號（Pioneer 10）任務(wù)標(biāo)志著小行星帶的航天探測歷程的開端。這是人類歷史上第一艘成功穿越小行星帶的航天器，為后續(xù)的深空探測任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。1972年3月，先驅(qū)者10號成功發(fā)射，標(biāo)志著它的歷史性穿越小行星帶的壯舉。隨后，1973年4月，先驅(qū)者11號（Pioneer 11）發(fā)射，成功飛越木星并轉(zhuǎn)向穿越小行星帶。
這兩艘航天器在穿越小行星帶期間未遭遇嚴(yán)重事故，證明了小行星帶中的粒子密度對航天器的影響相對有限。雖然它們攜帶了一系列科學(xué)儀器，但未對小行星本身進行成像。然而，這些航天器在設(shè)計時考慮了與地球通訊的挑戰(zhàn)，并成功地將大量數(shù)據(jù)傳回地球，驗證了穿越小行星帶的安全性，為后續(xù)的深空探測任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。
1989年10月，美國國家航空航天局（NASA）啟動了伽利略（伽利略·伽利萊）計劃，歷時14年。伽利略探測器配備了多種科學(xué)載荷，包括固體成像照相機（SSI）、近紅外成像光譜儀（NIMS）、紫外線光譜儀（UVS）、光偏振輻射計（PPR）、磁力計（MAG）、粉塵探測器（DDE）、等離子探測器（PLS）、高能粒子探測器（EPD）、等離子體波勘測器（PWS）和重離子計數(shù)器（HIC）。
1991年10月29日，伽利略探測器飛越小行星951 Gaspra，這是人造探測器首次與小行星相遇，共傳回了57張影像，從而可以通過固體成像照相機（SSI）獲取的覆蓋影像對主帶小行星進行詳細(xì)分析。
1993年8月28日，伽利略探測器又飛越小行星243 Ida，固體成像照相機用6個可見光譜段對243 Ida進行了成像，并驚奇地發(fā)現(xiàn)Ida小行星擁有一顆衛(wèi)星（該衛(wèi)星被命名為Dactyl），這是人類首次發(fā)現(xiàn)擁有天然衛(wèi)星的小行星。
1997年6月，NEAR探測器搭載了多光譜成像儀（MSI）、近紅外分光計（NIS）、X-射線/Gamma射線光譜儀（XGRS）、NEAR激光高度計（NLR）、磁力計（MAG）以及無線電科學(xué)和重力實驗裝置等科學(xué)載荷。NEAR在距離小行星253 Mathilde約1200公里處進行了飛越，并發(fā)現(xiàn)該小行星主要由黑色物質(zhì)組成，而這種成分在過去的45億年間基本沒有發(fā)生變化。
1998年，美國航空航天局的新千年計劃中的一項重要任務(wù)是深空1號（Deep Space 1），旨在驗證太陽電動引擎、自導(dǎo)航系統(tǒng)、高級微電子和通訊設(shè)備等尖端技術(shù)，并為未來深空探測任務(wù)提供試驗數(shù)據(jù)。深空1號攜帶了相機光譜綜合儀（MICAS）、行星探測等離子實驗設(shè)備（PEPE）以及離子推進系統(tǒng)（IPS）等科學(xué)載荷。1999年7月29日，深空1號以相對速度達(dá)15.5km/s的速度飛越了距離地球最近的小行星9969 Braille，飛越高度約為26km。
2000年，卡西尼號（Cassini）攜帶Cassini成像科學(xué)分系統(tǒng)成功穿越小行星帶，探測到了其中呈球形的S型小行星Masursky。卡西尼號從距離小行星160×104公里的位置拍攝了一系列圖像，并測量了等離子體和細(xì)塵埃顆粒。
2004年，歐洲航天局（ESA）發(fā)射了羅塞塔號（Rosetta）探測器。羅塞塔號攜帶了紫外成像光譜儀、微成像塵埃分析系統(tǒng)、光學(xué)光譜和紅外遠(yuǎn)程成像系統(tǒng)、離子中子分析光譜儀以及可見光和紅外熱成像光譜儀等設(shè)備。羅塞塔號飛越了主帶中的M型（或C型）小行星Lutetia和E型小行星Steins，并對它們進行了成像。
2006年，新視野號（New Horizons）探測器發(fā)射，攜帶了光譜成像儀、近紅外成像光譜儀、X射線/γ射線譜儀、NEAR激光高度計和磁力計等設(shè)備。新視野號在穿越小行星帶期間，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域擁有大量小天體，但與之相撞的幾率極低。
2007年9月27日，美國發(fā)射了黎明號（Dawn）探測器，攜帶了可見/紅外光譜儀、X射線譜儀、γ射線/中子探測儀和分幅式相機等科學(xué)載荷。黎明號先后環(huán)繞探測了V型主帶小行星灶神星（Vesta）（2011年7月16日至2012年9月5日）和C型矮行星谷神星（Ceres）（2015年3月7日至2018年6月）。
2021年10月，美國發(fā)射了Lucy太空探測器，攜帶了遠(yuǎn)程勘測成像儀、光學(xué)/近紅外光譜儀、熱紅外光譜儀等設(shè)備。2023年，Lucy探測器飛越了M型主帶小行星152830 Dinkinesh，隨后前往木星的特洛伊小行星群。
截止2024年，有1358239個已知天河體育中心，分為680000個編號和673773個未編號的小行星，其中有1255736個位于小行星帶。
形成和演化
形成
小行星帶可能是太陽系形成初期的重要遺跡，其研究對于理解太陽系的形成和演化至關(guān)重要。然而，小行星帶的起源目前尚無統(tǒng)一的解釋。目前普遍認(rèn)可的理論是半成品說，認(rèn)為小行星帶是太陽系形成早期的行星子，受到木星的引力攝動而無法繼續(xù)凝聚形成行星的殘留物。
半成品說認(rèn)為，小行星帶是太陽系演化的重要組成部分。起源于太陽系形成初期的原始太陽星云，其中的微小行星或星子，是行星形成的基石。太陽的引力將這些星子束縛在軌道上，它們在太陽星云的特定區(qū)域聚集，本可能發(fā)展成一顆或幾顆大行星，但由于木星強大引力的干擾，它們之間的相互作用路徑變得復(fù)雜。木星的引力不僅阻止了這些星子進一步聚集為大行星，還促使它們頻繁碰撞，產(chǎn)生大量的殘骸和碎片，形成了現(xiàn)今小行星帶的結(jié)構(gòu)。
此外，小行星帶位于類地行星和巨行星之間，處于動力學(xué)上不穩(wěn)定的狀態(tài)。這是因為小行星帶中的顆粒與來自巨行星帶的較大質(zhì)量顆粒碰撞，導(dǎo)致顆粒速度增加，并使小行星帶中的顆粒運動路徑變得隨機。這種不穩(wěn)定性抑制了小行星帶的進一步演化，反而導(dǎo)致了其解體。因此，小行星帶被視為太陽系演化的“活化石”。
與半成品說相比，大行星爆炸說認(rèn)為小行星是一顆巨大行星爆炸后留下的碎片。然而，觀測數(shù)據(jù)并不支持這一理論。首先，小行星的軌道并未表現(xiàn)出在大爆炸點處相交的跡象。其次，小行星的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于可能產(chǎn)生大爆炸的行星的質(zhì)量，這使得剩余質(zhì)量的去向難以解釋。此外，小行星的物質(zhì)成分與地球的物質(zhì)組成相差甚遠(yuǎn)，難以解釋為什么只有處于類地行星和木星之間的大行星會發(fā)生大爆炸。因此，大行星爆炸說難以解釋小行星帶的形成。
最后，彗星形成說認(rèn)為彗星的揮發(fā)物損失后留下的殘核成為小行星。然而，這一說法也難以令人信服。大多數(shù)小行星的質(zhì)量比現(xiàn)有彗星的質(zhì)量要大得多，這表明僅靠彗星殘核的形成無法解釋小行星帶中的大多數(shù)小行星。
演化
2007年8月，科學(xué)家在南極發(fā)現(xiàn)了一塊來自灶神星的隕石，其中的鋯石晶體提供了太陽系早期形成的重要信息。研究表明，這塊隕石以及小行星帶的其他部分在太陽系形成后的1000萬年內(nèi)迅速形成。
當(dāng)小行星帶首次形成時，距離太陽2.7天文單位的溫度在水的冰點以下，形成了一條“雪線”。在這條線之外形成的星子能夠累積冰。2006年，在雪線以外的小行星帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一群主帶彗星，這可能是造成地球海洋的主要供應(yīng)者。一些模型還表明，在地球形成時期，地球自身釋放的水量不足以形成海洋，因此需要外部來源，如彗星的撞擊。
小行星帶的質(zhì)量應(yīng)該僅是原始小行星帶的一小部分。根據(jù)計算機模擬的結(jié)果，小行星帶最初的質(zhì)量可能與地球相當(dāng)。然而，由于引力擾動的影響，經(jīng)過數(shù)百萬年的演化周期，大部分物質(zhì)被拋出，留下的小行星大約只有原來的千分之一。這些小行星主要分布在距離太陽2.8至3.3 AU的區(qū)域，其偏心率和傾角分布與觀測到的小行星帶特性相一致。這些幸存的小行星經(jīng)歷了半長軸的變化，達(dá)到數(shù)十分之一AU，這解釋了小行星分類類型在空間上的混合現(xiàn)象。
性質(zhì)與特征
小行星帶位于火星和木星之間，是一個龐大的區(qū)域，其中聚集著大量的小行星。根據(jù)估算，小行星帶的總質(zhì)量約為千克，相當(dāng)于月球質(zhì)量的3%。其中，谷神星占據(jù)了小行星帶總質(zhì)量的25%。然而，根據(jù)長期研究，原始小行星帶的質(zhì)量可能比現(xiàn)在的估計要大幾百倍或幾千倍。與太陽系其他區(qū)域相比，小行星帶區(qū)域的質(zhì)量分布相對較低，在太陽系的質(zhì)量分布中相當(dāng)明顯。
盡管如此，小行星帶中數(shù)量龐大的天體仍然引人注目。根據(jù)紅外波長的調(diào)查，小行星帶估計有70萬至170萬顆直徑為1公里或更大的小行星。這些小行星的數(shù)量隨著尺寸的減小而穩(wěn)步增加，盡管其大小分布通常遵循冪律，但在大約5公里和100公里的尺度范圍內(nèi)存在“顛簸”，在這些范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的小行星比預(yù)期的要多。
小行星帶的形成可能與太陽系早期的動力學(xué)事件密切相關(guān)。據(jù)推測，小行星帶的原始種群可能是今天的200倍。另外，原始小行星帶的固體表面質(zhì)量密度可能與類地行星區(qū)域相當(dāng)，微行星的形成可能在整個內(nèi)太陽系中以大致相同的方式進行。
自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)
在小行星帶中，小行星通常會自轉(zhuǎn)，其自轉(zhuǎn)周期一般在2到16小時之間，自轉(zhuǎn)軸呈現(xiàn)出各種不同的取向。然而，測量顯示小行星的自轉(zhuǎn)速率存在一個上限。直徑大于100米的小行星中，極少數(shù)的自轉(zhuǎn)周期小于2.2小時。盡管固體物質(zhì)可以更快地自轉(zhuǎn)，但當(dāng)自轉(zhuǎn)速度超過此上限時，小行星表面的慣性力會超過引力，導(dǎo)致松散的表面材料被甩出。因此，大多數(shù)直徑超過100米的小行星可能是由小行星之間碰撞后形成的碎片堆積而成的瓦礫堆。
主帶小行星距太陽一般為2.1~3.3AU（AU為天文單位，約為日地平均距離1.5億公里）。它們的公轉(zhuǎn)方向大多與行星相同（自西向東），但軌道較為扁平，且與黃道面的夾角一般小于20度，基本上集中在黃道面附近。由于小行星帶中天體分布密集，它們之間頻繁發(fā)生碰撞（以天文學(xué)的時間尺度計算）。直徑約為10公里的小行星，平均每一千萬年就會發(fā)生一次碰撞。這些碰撞會產(chǎn)生許多小行星碎片，形成新的小行星家族。一些碰撞產(chǎn)生的殘骸甚至可能進入地球大氣層，成為隕石。然而，當(dāng)兩顆小行星以較低速度相撞時，它們也可能會結(jié)合成一體。過去40億年中，一些小行星帶的成員仍保持著它們最初的特征。
組成
到了1970年代，通過觀察小行星的顏色發(fā)展出分類系統(tǒng)，這些小行星主要分為三類：C-型小行星（碳質(zhì)小行星）、S-型小行星（硅酸鹽小行星）和M-型小行星（金屬小行星），在主帶內(nèi)，M-型小行星主要分布在半長徑2.7天文單位的軌道上。此外，還有E-型小行星（頑火輝石小行星）和V-型小行星（輝石小行星）等。
小行星帶還包含著粒徑高達(dá)幾百微米的塵埃帶。這些細(xì)小的物質(zhì)至少部分是由小行星之間的碰撞以及微型隕石對小行星的撞擊產(chǎn)生的。在主帶內(nèi)也被找到三條明顯的塵埃帶，它們與曙神星、鴉女星、司理星有相似的軌道傾角，所以可能也屬于這些家族。由于Poynting-Robertson效應(yīng)，太陽輻射的壓力會使這些塵埃緩慢地向著太陽的方向內(nèi)旋。這些塵埃與彗星噴出物質(zhì)的結(jié)合產(chǎn)生了黃道光，這種微弱的光現(xiàn)象在夜間可以沿著黃道平面從太陽的方向觀察到。形成黃道光的小行星粒子平均直徑約為40μm，主帶塵埃云的典型壽命約為70萬年。因此，為了維持塵埃帶，必須在小行星帶內(nèi)穩(wěn)定地產(chǎn)生新的粒子。
過去認(rèn)為小行星之間的碰撞是黃道光的主要來源。然而，Nesvorny等人的計算機模擬發(fā)現(xiàn)，約85%的黃道光塵埃來源于木星族彗星的碎片，而非來自小行星帶內(nèi)的小行星碰撞。最多只有約10%的塵埃可以歸因于小行星帶。
主要小行星
小行星帶中最大的小行星為谷神星，也被稱之為矮行星，直徑約為950公里。第二大的小行星為灶神星，直徑為525公里，被認(rèn)為是HED石隕石的母體小行星。最早發(fā)現(xiàn)的幾顆小行星是“谷神星”（1 Ceres)、“智神星”(2 Pallas)、“婚神星”(3 Juno) 和“灶神星”(4 Vesta)，它們是所有小行星中最大的四顆。
部分小行星特征
谷神星
谷神星直徑約950公里，是小行星帶中最大的天體，其質(zhì)量占據(jù)了整個小行星帶的三分之一。與灶神星一起，這兩者的質(zhì)量幾乎占據(jù)了小行星帶總質(zhì)量的一半。因其具備多項顯著特征，成為研究生命起源的重要天體之一。美國宇航局的研究發(fā)現(xiàn)，谷神星表面存在大量水冰，內(nèi)部有一個巖質(zhì)核心。
建模顯示，谷神星的水冰在放射性元素作用下可能部分融化，形成一個具有一定鹽度的液態(tài)水海洋。此外，哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測到谷神星上有羽狀物質(zhì)噴射，這表明其上可能存在大量液態(tài)水，從而增加了存在低級生命的可能性。若確認(rèn)冰下液態(tài)水海洋存在，美國宇航局計劃派遣無人探測器著陸谷神星，以尋找生命跡象。這些發(fā)現(xiàn)和計劃將有助于人類更好地了解生命的起源。
谷神星表面較為暗淡，點綴著超過130個亮斑，其中最顯著的分布在歐卡托撞擊坑附近。自2015年3月起，黎明號探測器圍繞谷神星進行考察，研究顯示，這些明亮區(qū)域可能由大量的水合硫酸鎂組成。礦物質(zhì)成分表明，谷神星應(yīng)在太陽系外圍形成，但其表面以下的組成成分此前未有詳細(xì)分析。
意大利國家天文物理研究所利用黎明號探測器搭載的可見光和紅外成像光譜儀收集的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)歐卡托撞擊坑底部的明亮物質(zhì)主要是碳酸鈉與少量層狀硅酸鹽及碳酸銨或氯化銨的混合物。研究表明，這些化學(xué)成分通過水介反應(yīng)從谷神星內(nèi)部輸送到表面。
此外，《自然—地球科學(xué)》刊登的研究指出，美國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)現(xiàn)，谷神星最大撞擊坑的深度顯示其巖石外層之下的次表層不太可能主要由冰組成。他們推測，該表層可能只有30%到40%的冰，剩余60%到70%由巖石和低密度、高強度的含水鹽類和配位化合物混合組成。
灶神星
灶神星是太陽系小行星帶中的一顆重要天體，其直徑約525公里，位居第二大，占據(jù)了小行星帶總質(zhì)量的9%，僅次于谷神星。形成于約45.6億年前的灶神星，是太陽系早期歷史的見證者。其在小行星帶中異常明亮，亮度可達(dá)+5.1等，幾乎整夜可見，公轉(zhuǎn)周期為3.63年，會合周期約為520天。
2011年至2012年，黎明號探測器首次探索了灶神星，旨在了解其動態(tài)和特征，并通過這些信息推斷太陽系的歷史。過去，科學(xué)家認(rèn)為灶神星表面的粗糙度差異是由其他小行星的撞擊形成的，但最新的觀測結(jié)果表明，這些差異不能單純由撞擊坑解釋。
灶神星表面地形復(fù)雜，存在著一系列平行且環(huán)繞赤道的線性凹陷，撞擊坑數(shù)量龐大，但南北分布不均，北半球較多。灶神星獲得的近地光譜數(shù)據(jù)指示其可能是 HED 隕石的來源，經(jīng)歷了復(fù)雜的巖漿演化，是一個高度分化的天體，由鐵鎳核、富含橄欖石的硅酸鹽幔、鈣長輝長無球粒隕石組成的下地殼和以奧長古銅無球粒隕石為主的上地殼構(gòu)成。
美國南加州大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，灶神星表面存在大面積較為平滑的地形，與高水平的氫濃度相關(guān)聯(lián)，這暗示著可能存在冰，而這些冰可能在灶神星的地貌構(gòu)造中發(fā)揮了作用。盡管在過去的兩個世紀(jì)里，我們對灶神星的了解相當(dāng)有限，但如今我們對其地貌特征以及與太陽系行星的關(guān)系有了更深入的認(rèn)識。在未來的登陸任務(wù)中，準(zhǔn)確了解該小行星表面的粗糙度將至關(guān)重要。
智神星
智神星，位于火星和木星之間的太陽系小行星帶中，是一顆直徑超過520公里的大型小行星。其公轉(zhuǎn)周期幾乎與谷神星相同，約為4.6年，但其軌道傾角較高，導(dǎo)致智神星只有在很短的時間內(nèi)靠近黃道。德國天文學(xué)家海因里希·奧伯斯在發(fā)現(xiàn)谷神星的過程中，偶然觀測到了智神星，這一發(fā)現(xiàn)具有高度的運氣和時機成分。
2007年，NASA發(fā)射了黎明號，這是首個專門探測小行星帶的航天器。在2018年11月燃料耗盡之前，黎明號成功探測了灶神星和谷神星。NASA計劃于2022年8月發(fā)射探測器以探測智神星。這項探測任務(wù)將先飛向火星，利用火星的引力彈弓效應(yīng)再飛向小行星帶，從發(fā)射到飛越智神星僅需一年時間。
與黎明號不同的是，智神星探測任務(wù)更加簡潔，探測器將飛越智神星并拍照，而不會進行長時間環(huán)繞觀察。智神星探測器重量僅為180千克，相當(dāng)于一臺迷你冰箱的大小，探測成本僅為黎明號的十分之一。
柯克伍德空隙
小行星帶中的小行星軌道與太陽的距離并非均勻分布，而是呈現(xiàn)出一些特殊的間隔，這就是所謂的柯克伍德缺口。這些缺口與小行星的半長軸有關(guān)，半長軸描述了小行星繞太陽軌道的尺寸，并決定了其軌道周期。
在1866年，天文學(xué)家丹尼爾·柯克伍德觀察到了這些軌道間的間隔，并發(fā)現(xiàn)它們處于與木星軌道周期的整數(shù)倍相對應(yīng)的位置上。柯克伍德提出，這些間隔的形成是由于行星的引力擾動，它們使得小行星在這些位置上的軌道逐漸偏離了原始的軌道路徑。
這些主要間隙發(fā)生在與木星的3：1、5：2、7：3和2：1平均運動共振處。舉例來說，3：1柯克伍德間隙中的小行星在木星的每個軌道上都會繞太陽運行三次。較弱的共振則發(fā)生在其他半長軸值處，這些地方發(fā)現(xiàn)的小行星相對較少。（例如，半長軸為2.71 AU的小行星的共振為8：3）。
分類
根據(jù)長半軸的位置以及四個最顯著的柯克伍德缺口，小行星帶可以劃分為內(nèi)主帶、中央主帶和外主帶。按照該分類對偏心率分布進行分析，Plummer發(fā)現(xiàn)其基本符合瑞利分布，這為小行星帶形成與太陽系早期動力學(xué)事件提供了約束。
小行星帶的主要或核心種群可以進一步分為內(nèi)區(qū)和外區(qū)，由2.5天文單位處的3：1柯克伍德間隙隔開，外區(qū)可能由2.82天文單位處的5：2間隙進一步分為中區(qū)和外區(qū)。
具體來說：
其中，灶神星位于內(nèi)區(qū)，谷神星和智神星分別位于中間區(qū)，而海吉亞則位于外區(qū)。
也可以根據(jù)絕對星等對小行星帶進行分類，統(tǒng)計出小行星絕對星等分布，可以觀察到，小行星數(shù)量隨著絕對星等的遞增而增加。當(dāng)絕對星等為8.5和11時，斜率有所上升，直到絕對星等大于15（即小行星直徑小于5公里），小行星數(shù)量迅速下降。這種趨勢表明主帶中仍存在大量未知的、尺寸較小的小行星。
家族
在小行星帶中，直徑大于1公里的小行星約有110萬至190萬顆，而小于1公里的據(jù)估算有數(shù)百萬顆。Nesvorny等人提供的小行星數(shù)據(jù)集包含約137,000顆小行星，他們利用層次聚類方法將這些小行星分為122個家族。
小行星帶家族最初由平山清次（Hirayama）在1918年注意到小行星帶上一些小行星的軌道有相似的參數(shù)，并基于數(shù)百個天體的集合發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是解答火星和木星之間缺失行星的一部分謎團。這些家族成員是由于重復(fù)碰撞或系統(tǒng)性轟擊導(dǎo)致的原始較大天體碎裂，形成了現(xiàn)今小尺寸的天體。家族的存在直接證明了小行星帶中碰撞事件的發(fā)生，且它們的起源并非來自單一大型天體的解體。
在眾多家族中，Vest家族，F(xiàn)lora家族、Koronis家族、Eos家族和Themis家族是較為突出的。它們的成員顯示出比非家族小行星更加陡峭的導(dǎo)數(shù)質(zhì)量指數(shù)，表明它們源自于更劇烈的碰撞事件。這些家族的形成與小行星的碰撞和隨后的碎片擴散密切相關(guān)。
Vesta家族位于主帶的內(nèi)部區(qū)域，其成員數(shù)目超過15000顆，是主帶最多的家族之一。該家族中的大部分成員屬于V型小行星，也有一部分為S型小行星。Vesta家族是典型的由碰撞而形成的族群，其母體為灶神星（Vesta），是主帶中排在矮行星谷神星之后質(zhì)量最大的小行星，且該族群也被認(rèn)為是HED隕石的發(fā)源地。
相比之下，非家族小行星的導(dǎo)數(shù)質(zhì)量指數(shù)較平緩，意味著它們可能經(jīng)歷了不同的演化歷程或較溫和的碰撞歷史。
總體而言，小行星帶中大約三分之一的小行星是小行星家族的成員。它們具有相似的軌道元素和光譜特征，表明一個較大天體的分裂可能是它們的共同起源。
觀測與探測
小行星帶的探測歷程始于1969年夏天的先驅(qū)者10號任務(wù)，這是人類歷史上第一艘成功穿越小行星帶的航天器。先驅(qū)者10號于1972年3月發(fā)射，成功飛越木星并繼續(xù)向外太陽系飛行。其成功穿越小行星帶、近距離觀測木星以及離開太陽系的壯舉成為航天史上的里程碑。
隨后，先驅(qū)者11號在1973年4月發(fā)射，于1974年12月飛越木星，并在受到木星引力影響后轉(zhuǎn)向穿越小行星帶，再次穿越內(nèi)太陽系，并在1979年9月成功到達(dá)土星。這一壯舉超越了其最初的任務(wù)目標(biāo)。
這兩艘航天器在穿越小行星帶期間并未遭遇嚴(yán)重事故，證明了小行星帶中的粒子密度對航天器的影響相對有限。它們攜帶了一系列科學(xué)儀器，用于測量各種太空環(huán)境參數(shù)，但未特別專注于對小行星本身的成像。
值得一提的是，這些航天器在設(shè)計時考慮了與地球通訊的挑戰(zhàn)，有效地將大量數(shù)據(jù)傳回地球。先驅(qū)者10號傳回了約比特的數(shù)據(jù)，其強大的通信系統(tǒng)覆蓋了一個直徑超過公里的范圍。
這些早期的探測任務(wù)不僅驗證了穿越小行星帶的安全性，還為后續(xù)的深空探測任務(wù)如旅行者號探測器和尤里西斯號等奠定了基礎(chǔ)，后來旅行者1號探測器和2號、伽利略號木星探測器、卡西尼號、NEAR號和尤利西斯號這些任務(wù)同樣成功穿越了小行星帶并繼續(xù)他們的太陽系外探索之旅。
伽利略號在1991年和1993年分別對小行星951 Gaspra和243 Ida進行了飛掠成像，這些是較早的主帶小行星成像嘗試。
NEAR-Shoemaker探測器在1997年對小行星253 Mathilde進行了成像，并在2001年2月成功著陸在近地小行星433 Eros上，進行了詳細(xì)的成像和其他科學(xué)研究。
深空一號探測器在1999年飛越了小行星帶中尺寸僅1.0～2.1?km，幾何反照率較高，表面較為新鮮的 Q 型小行星 9969?Braille。
卡西尼號在前往土星的旅途中，于2000年穿越小行星帶時測量了等離子體和細(xì)塵埃顆粒。對小行星2685 Masursky進行了成像。
Stardust探測器在2002年對小行星553 Annefrank進行了成像，這是一次飛掠任務(wù)的一部分。
新地平線號探測器于2006年，對小行星4179132524 APL進行了成像，并穿越了小行星帶，發(fā)現(xiàn)盡管這片區(qū)域擁有大量的小天體，但與之相撞的幾率幾乎微乎其微，遠(yuǎn)低于十億分之一。
羅塞塔任務(wù)在前往丘留莫夫－格拉西緬科彗星/楚留莫夫-格拉希門科途中，于2008年9月對小行星2867 Steins進行了成像，2010年7月又對小行星21 Lutetia進行了成像。
黎明號在2011年7月至2012年9月期間環(huán)繞灶神星，隨后自2015年3月起，開始環(huán)繞谷神星，這是首次有探測器對主帶小行星進行如此詳盡的考察。
Lucy太空探測器于2023年飛越了152830 Dinkinesh，預(yù)計2025年將飛越C型主帶小行星52246 Donaldjohanson。隼鳥系列（Hayabusa）：雖主要探測近地小行星，但技術(shù)為小行星采樣奠定基礎(chǔ)。隼鳥2號成功采樣并帶回C型小行星“龍宮”的物質(zhì)，證實了含水礦物和有機物的存在。
Juice任務(wù)是歐洲航天局（ESA）的一項重要太空探索計劃，計劃將兩次穿越小行星帶，在任務(wù)中探索和研究小行星帶中的天體。在2029年10月15日與Rosa達(dá)到最近距離，距離約為429萬公里。
Psyche任務(wù)計劃在2029年8月至2030年5月對主帶內(nèi)富含金屬的小行星16 Psyche進行環(huán)繞探測，這將是人類首次對M型小行星進行研究。
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冰是灶神星“毀容”嫌犯.中國科學(xué)院.2024-05-23
紫金山天文臺等揭示Vesta族群小行星熱物理特性.中國科學(xué)院.2024-05-23