邂逅小行星：主带

小行星带

主小行星带是太阳系中位于火星与木星轨道之间的区域，包含被称为小行星的岩石天体的最大集中。这个迷人的区域为了解约46亿年前太阳系形成期间的条件提供了宝贵的视角。

形成与组成

主带由围绕年轻太阳的原行星盘 （太阳系起源的气体和尘埃云）形成。木星的引力影响阻止了物质吸积成行星，而是留下了不同大小的碎片。

发现与探索

最初的发现

小行星的首次发现可追溯到1801年1月1日，当时朱塞佩·皮亚齐（1746-1826）从巴勒莫天文台观测到了谷神星。 此后不久，智神星、婚神星和灶神星等其他天体在19世纪初被确认，逐步确立了火星与木星之间存在一个富含小天体的区域。

20世纪的发展

在整个20世纪，天文摄影和早期计算机的使用使普查速度大大加快。 如今，得益于LINEAR、Pan-STARRS以及未来的LSST（Legacy Survey of Space and Time （Legacy Survey of Space and Time））等自动化巡天，数十万颗主带小行星已被编目，而较小的群体仍然调查得非常不完整。

太空任务

通过太空探测器的直接探索始于伽利略号任务（NASA，1989年发射），它进行了首次近距离飞越：1991年的加斯普拉和1993年的艾达。 这些观测证实了小天体的形态多样性和碎裂性质。

更近期的黎明号任务（NASA，2007–2018）在延长轨道上研究了灶神星（2011–2012）和谷神星（2015–2018），揭示了复杂的地质结构、盐沉积和冰火山活动的证据。

主带小行星的大小

层级分布

主带的小行星呈现出极其广泛的大小分布，从不到一公里到直径近1000公里不等。 该区域的四个最大天体是谷神星（约940公里）、灶神星（约525公里）、智神星（约512公里）和健神星（约430公里）。谷神星单独就占带质量的约35%，它是矮行星，而非当前天文学分类意义上的小行星。灶神星约占9%。 然而，大多数天体只是几公里的碎片，由激烈的碰撞历史产生。

如何计算小行星的数量？

直径大于\(D\)的小行星数量，记为\(N(>D)\)，大致遵循幂律 （幂律分布）： \( N(>D) \propto D^{-q} \) 其中指数\(q\)根据所考虑的大小范围而变化。 对于小天体（\(D<10 \, km\)），\(q \approx 2.5{-}3\)，反映出富含小碎片的群体。 对于最大的天体（\(D>100 \, km\)），斜率更平缓，反映了这些未被完全碎裂的原始天体的稀有性。

• 巨型天体（\(D>400 \, km\)）：已知只有4个巨型天体：谷神星、灶神星、智神星和健神星。 它们保持着层状分化的内部结构：金属核、硅酸盐幔、地壳。
• 大型小行星（\(100 \, km <D<400 \, km\)）：这些天体稀有但在质量上占主导，整个主带约有200个天体，包括因特拉姆尼亚（约330公里）、欧芙洛绪涅（约260公里）。 它们是吸积早期的"幸存者"。
• 中型天体（\(100 \, km <D<50 \, km\)）：约2,000颗小行星。
• 中型天体（\(10 \, km <D<50 \, km\)）：约20,000颗小行星。
• 小天体（\(1 \, km <D<10 \, km\)）：模型预测约100万至200万个天体，但迄今为止只有一小部分被编目。
• 极小体（\(10 \, m<D<1 \, km\)）：主带包含约5000亿个直径10米至1公里的小天体。

这些估计说明了群体的总体层级：大小越小，天体数量越多。然而，极小群体难以直接观测，其数量必须被视为模型估计而非计数。 这些小天体的丰富性不断为从地球观测到的流星体 （进入大气层的流星体）流提供补给。 不要与陨石混淆，陨石是穿过大气层并到达地球地壳的天体碎片。

小行星大小和质量汇总表

下表总结了主带小行星的主要类别，按其直径、估计数量以及在总质量中所占的比例进行分类。

主带的特洛伊小行星

什么是特洛伊小行星？

特洛伊小行星是共享一个质量大得多的天体轨道的小天体，聚集在与拉格朗日点L4和L5相关的稳定区域周围。木星的特洛伊小行星构成了一个与主带不同的群体。 在太阳系中，最著名的是木星的特洛伊小行星，但也存在与火星和主带某些大型小行星相关的特洛伊小行星。

主带的特洛伊小行星

还存在一些与主带小行星相关的少数小共轨天体。然而，它们构成特殊情况，不应与规模大得多的木星特洛伊群体混淆。点L4和L5位于主天体轨道前方和后方约60°处。 赫克托的情况涉及木星的特洛伊小行星，因此不构成主带小行星的例子。主带的共轨系统要罕见得多，其动力学是逐案研究的。

起源与动力学

这些天体可能由其母小行星的相同物质形成，或在主带历史中通过引力相互作用被捕获。 数值模拟表明，只要主小行星的轨道相对圆形且未被木星过度扰动，特洛伊小行星可以在数十亿年中保持稳定。

当前和未来的项目

正在进行和即将进行的任务

露西号任务（NASA，2021年发射）已在主带进行了多次飞越，包括2025年4月20日的唐纳德约翰逊飞越，然后继续前往木星特洛伊小行星的旅程。2024年10月7日发射的欧洲赫拉号任务将于2026年11月抵达双星系统迪迪莫斯-迪莫弗斯，研究DART撞击的后果。这些任务补充了黎明号的结果，并提高了我们对小天体动力学和结构的理解。

采矿前景

未来的任务设想开采小行星的贵金属和水资源，后者可转化为长途太空旅行的推进剂。