主题：[科普]漫谈小行星（根据n久以前出版的《小行星趣谈》改写） -- 多嘴的江南
家园 四、小行星的大千世界 （1、拉格朗日的“数学游戏”） 第四部分：小行星的大千世界
1、拉格朗日的“数学游戏”
2、天空中的“仪仗队”
3、小行星的“奥林匹克运动会”
4、最远的小行星
5、小行星也有“卫星”？
6、假如我们登陆小行星
1、拉格朗日的“数学游戏”
我们在前面说过，提丢斯定则指出如果地球到太阳的距离为1，则火星和木星之间的“行星”所在的位置应该是2.8，而1801年元旦皮亚齐发现的谷神星验证了这个定则，虽然后来又发现了大量的小行星，它们中的绝大多数也的确都定居在2.8这个位置附近。
事实上，95%的小行星的轨道半长径都在2.17与3.64天文单位之间，如果我们将所有小行星在某一时刻的位置一一点在图上，就可以得到一个模糊的圆环，圆环的两个边界差不多就是以前面两个数值为半径的圆周，而这个圆环就被称为小行星主环带。
由此可见，大多数小行星与大行星（虽然现在似乎已经没有“大行星”这个名词了，不过为了以示区分，我们还是按照原来的称呼）的“脾气”差不多，也算是太阳系中安分守己的“居民”，始终在火星与木星的轨道之间游弋，从来不越雷池半步。
然而还是有一些小行星的轨道比较特殊，跑到了主环带之外，它们就是我们下面所要谈论的“主角”。
还要特别指出，主环带里的小行星也不是均匀分布的，如果我们画出每颗小行星的轨道，就会发现主环带里面会出现几条“狭缝”，这就是主环带的禁区，极少小行星能在这些狭缝里驻留，这个现象是科克伍德（Kirkwood，后来1578号小行星用他的名字命名）首先发现的，所以这些缝就被称为科克伍德环缝，它们对应的位置主要是2.50、2.82、2.96、3.28。假如我们算出a（对应这几个位置值）的立方值，再将其开平方得出一个值T，就会发现这些a值所对应的T值，恰好和木星的公转周期11.86年成简单的整数比，这种现象叫做“通约”，或者叫“共振”。显然，是木星的引力使得小行星不能在这些位置“安家落户”，然而，为什么会发生共振？共振的规律是什么？一系列的问题目前还无法解释清楚。令人不解的是，也有一些小行星聚集在某些a值上，例如周期比为1/1、4/3、3/2的通约所对应的a值，它们不仅没有被共振掉，反而密密的组成了一些小行星“群”。
三百年前，牛顿在开普勒、伽利略等人工作的基础上总结出力学三大定律，并提出了万有引力定律。从此之后，力学就开始了飞速的发展，由牛顿和莱布尼兹创立的微积分更成为了犀利的武器，力学成了“最完善”的科学。许多科学家被力学的成就所陶醉，甚至有人认为，世界上的一切问题，大到天文地理，小到鸡毛蒜皮，什么风吹草动、社会变迁都可以用力学的方法列出“运动方程”来解决，差别仅仅在于复杂程度的不同。所以，人们的理想、希望、失望等等一切一切都是不必要的，但又都是一定会产生的，你怀疑了？那么连你的怀疑也只是一条条力学方程链上的一个小小的环节，说不定将来就能直接从什么方程式里算出来。
我们离题了，这种哲学问题恐怕也不是几句话就能说清楚的，当然，随着科学的发展，现在持这种观点的人恐怕不多了。
事实上，和一切科学一样，天体力学至今远未达到尽善尽美的程度。三百年前，牛顿的理论一提出，“二体问题”——也就是两个均匀的球形天体在相互引力作用下的运动——就已经得到了彻底的解决。而人们辛辛苦苦的继续研究了三百年，天体力学能彻底解决的基本问题仍然只是这一个！哪怕再加上一个天体（即“三体运动”）也不行！甚至，连“三体问题”能不能彻底解决，也没有人能够说清楚！
那么这三个世纪以来，“三体”问题难道没有任何进展么？当然不是！虽然进展很有限。而在这些有限的成果中最著名的大概要算拉格朗日的解了。
拉格朗日(Joseph Louis Lagrange，1736—1813)是法国数学家、物理学家，他在数学、 力学和天文学三个学科领域中都有历史性的贡献，后来1006号小行星就以他的名字命名。
1772年，也就是在提丢斯再次提出他的行星距离定律的时候，拉格朗日发表了他的论文《三体问题论》，在费了很多心血之后，他仍然无法得到三体问题的一般解，只好用一个非常特殊的例子作为一个结果。在当时看来，这个例子纯粹是纸上谈兵，只是一个有趣的数学游戏而已。
拉格朗日指出，如果某一时刻三个天体恰好处在一个等边三角形的三个顶点上，那么在某种特定的初始相对速度下，它们就会始终保持着等边三角形的队形，这时，三个天体都以同一个周期绕它们的公共质心作椭圆（三个椭圆的大小不一定相等，但形状相似）运动，而这个三角形则以同样的周期做膨胀和收缩。如果三个天体的初始相对速度为0，那么它们就以圆形轨道运行，这是三角形的大小始终不变。
拉格朗日的这篇论文十分出色，并因此获得了巴黎科学院的奖金。不过，当时包括拉格朗日本人在内，没有人认真看待这个特解，也没有人认为它有什么实际意义。即使太阳系真的是由上帝创造的，上帝他老人家也一定只是在感到无聊的时候才会玩起这种数学游戏……
家园 先补两张图 一张是小行星主环带示意图，一张是拉格朗日的三体解图示，补在帖子里了
家园 三体问题 大刘连载中的作品啊，呵呵
家园 从头花到底~ 25花，得一宝~ 可惜没能给江南兄花来一宝，估计那意思是说您还得受累再继续写，等我继续花……
好看！喜欢看！：）
家园 花 家园 很抱歉拖了这么久才更新 我在最前面说过，这个“漫谈小行星”主要的内容都是来自科学普及出版社1984年版的《小行星趣谈》一书，其余一小部分是我自己补充进去的，主要涉及的就是一些关于小行星最新的发现，因为书是20多年前的，所以很多东西恐怕都已经被新的发现更新了，一如前些天对冥王星的重新定义，不过我能查到的资料里关于小行星的实在太少了，所以越写越感觉吃力，这个系列我争取尽快结束，计划里一共五个部分，后面还有一部分是写小行星起源的。
另外，如果文中的资料有问题，请大家指出来，也好让我多长些见识，多谢啦！
家园 三、起名字的艺术 （7、从九华、女娲到中国人的贡献） 7、从九华、女娲到中国人的贡献
不知道看过前面第二部分“发现之旅”的朋友们是否还记得那位发现100号小行星Hekate的美国天文学家华生(J.C.Watson)，他正是因为发现了这颗小行星而获得了法国科学院一枚特制的纪念奖章。这一节的故事我们就要从华生说起……
根据预测，1874年12月8日将有一次百年不遇的金星凌日，（多嘴插话：金星凌日的确是百年一遇的天文奇观，它出现的规律通常是8年、121.5年、8年、105.5年，也就是说，金星凌日每隔100多年才出现两次。我们生活的这个时代很幸运，正好赶上最近的两次金星凌日，第一次就是2004年6月8日那天，下一次要等到6年后的2012年6月6日，而再下一次则要等到2117年了。至于本文中提到的1874年的这次凌日，它的上一次则要前推到1769年的6月3日。金星凌日不仅仅是视觉上的奇观，它对天文学的发展也有着巨大的贡献，关于金星凌日的话题，或者以后我们可以专门来说说……），当时日地距离仍然没有测得很准，利用金星凌日的观测资料就可以更准确地对日地距离进行测量。但是这次凌日发生时美国正好是深夜，理想的观测地点则是中国和印度。
为了观测金星凌日，华生远渡重洋，提前来到了中国。10月10日，他在北京支起了自己的天文望远镜，他的第一项工作就是搜索新的小行星。或者是中国带给了华生好运，他很快就在双子座中发现了一颗从未见过的10等小星，几个小时后，这颗星已经有了小小的位移，华生马上意识到，这是一颗新的小行星！
“这是在中国发现的第一颗行星”，华生在一封给朋友的信中写道：“我于是恳请帝国的摄政者坤（音译，Kung）亲王赐予它一个恰当的名字，后来清国的一位高级官员带给我一个文件，这个文件包括了该行星将要留名青史的名字。同时，他还附带了一项由口头传达的要求——只有在钦天监向皇帝呈上发现并命名这颗行星的报告之后，我才能在中国公布这个名字，我当然很快就同意了。后来我才打听到，如果消息不是通过为领导观天事宜而特设的机构‘钦天监’传达到皇帝那里，那些官员难免要失宠遭殃。由坤亲王确定的名字叫‘九华’(Juewa)，字面上的意思是‘中国的福星’”。
九华的编号是139号，她是第一颗在中国发现的小行星，也是跟中国有关系的第一颗小行星！
华生在中国逗留期间受到了极好地接待，以至于他终生难忘。为了纪念这次快乐的中国之行，他把回国后发现的150号小行星取名为女娲(Nuwa)。用不着熟悉中国神话，大家也应该都知道这个中国女神，她不仅创造了人，还为了消除水神共工撞断擎天柱不周山而造成的弥天大祸，不辞辛苦的炼石补天。女娲是第一位登上小行星封神榜的中国神仙。
中国人自己找到的第一颗小行星是1125号中华(China)，发现者就是南京紫金山天文台原台长张钰哲先生。
先来简单介绍一下张钰哲先生。张钰哲先生是中国现代最杰出的天文学家。1902年2月16日他生于福建闽侯，1923年从北京清华学堂毕业并启程赴美国留学，1926年毕业于美国芝加哥大学，之后他在美国叶凯士天文台实习并继续攻读，就是在叶凯士天文台实习期间，1928年他发现了“中华”小行星。1929年秋，他回国受聘担任南京中央大学物理系教授和中央研究院天文研究所特约研究员。1941年在云南昆明担任天文研究所所长。抗日战争胜利后，他再度赴美考察和研究。解放前夕，他毅然从美返回报效祖国。新中国成立后，张先生历任紫金山天文台台长、天文学科组组长、中国科学院学部委员、中国天文学会理事长、《天文学报》主编等等重要职务。
年轻时的张钰哲
张钰哲先生以毕生的精力从事天文学研究，学术造诣深湛，建树卓越。他亲手创建并领导了我国的行星、小行星、彗星和人造卫星的观测和研究工作，其成就为世界所公认。他领导紫金山天文台，开拓了太阳物理、恒星物理、天文年历编算、天文仪器研制、毫米波射电天文、空间天文等分支学科，丰富了我国天文学的研究领域。他亲自奠定了我国天体力学轨道计算和人造卫星轨道研究工作的基础，指导了我国第一颗人造卫星的轨道设计、论证和测轨、定轨工作，为新中国的航天和国防事业做出了杰出贡献。（多嘴插话：以上这段话摘自2002年10月30日在紫金山天文台举行的“张钰哲先生诞辰一百周年纪念座谈会”的相关报道，关于张钰哲先生更多的事迹以及紫金山天文台的历史，推荐江晓原等人所著的《紫金山天文台史稿——中国天文学现代化个案》一书作参考。）
邮票上的张钰哲
1928年11月22日晚，张钰哲在他已经拍摄的照片上发现了一颗星表上没有见过小星，接下来经过大量的观测和计算，他确定这是一颗新的小行星，然后国际小行星中心也做出了鉴定，并给这颗小行星编号为1125号，命名的权利当然是发现者张钰哲的，为了表达对祖国的思念之情，张钰哲给这颗星取名“中华”。
“中华”是第一颗地道的“国货”小行星，但是，张钰哲没有想到，这颗象征着中国的小行星后来居然跟他玩起了“失踪”游戏。
在前面第二部分“发现越多，头就越痛”一节，我们曾经提到小行星发现史上几个比较有名的失踪个案，事实上，“中华”小行星失踪案比起帕里沙“茜拉”失踪案还要更曲折、复杂。1929年张钰哲获得博士学位并结束在美国的留学回到中国，但是由于国内恶劣的环境和条件的限制，甚至连适合追踪小行星的观测仪器都没有，他居然未能再次一睹“中华”的风采。于是在相当长的一段时期内，《小行星星历表》一直把“中华”作为已“遗失”的小行星处理。事隔29年之后，1957年10月，已经是紫金山天文台台长的张钰哲在紫金山天文台观测到一颗与“中华”轨道很相像的小行星。起初，张钰哲以为这就是他寻找了将近30年的那颗“中华”，但是天文学家的严谨态度要求他自己做出最精确的核实，他决心继续“跟踪追击”，以求水落石出。与此同时，其它一些国家的天文台的共同观测的结果证实1957年发现的这颗小行星，确实与失踪的1125号小行星非常相像。而结果要到20年后才能出来，1977年11月，经过了各国天文台的无数次观察证实，国际小行星中心在反复研究后终于做出决定：考虑到1125号小行星“中华”于1928年被发现后，在很长的一段时间里没有得到进一步的观测，而在1957年新发现的那颗小行星其轨道等参数与它很相像，并且两次的发现者又是同一个人，故决定将1957年发现的那颗称为“中华”，编号沿用1125号。而1928年发现的那颗小行星今后就不再称“中华”，也不再用1125号编号，只保留它当初被发现时的临时编号。就这样，新“中华”代替了老“中华”。
新中国成立以后，中国的小行星观测和研究也得到了相当的重视，紫金山天文台还设立了专门从事小行星研究的机构，到了现在，光是紫金山天文台发现并获得正式编号的小行星也已经有数百颗之多了，没有获得正式编号的就更多了（具体的数字实在是查不到，汗……）。下面说说部分中国天文学家发现的小行星和她们的名字罢：
“中华”虽然是中国人发现的第一颗小行星，但却是在美国被发现的，而紫金山天文台发现新小行星则是从1964年开始的。紫金山天文台发现的小行星最早获得正式编号的五颗是以我国古代著名科学家命名的，他们是：1802号张衡(Zhang Heng)、1888号祖冲之(Zu Chong-zhi)、1972号一行(Yi Xing)、2012号郭守敬(Guo Shou-jing)、2027号沈括(Shen Guo)。这五颗之后发现的小行星基本上都是用省市的地名命名，如今中国所有的省级地名都已经上了小行星谱，比如2045号北京(Peking)、2344号西藏(Xizang)等等，其中2223号喜玛拉雅和2260号昆仑在小行星星历表还有另外的名字，因为这两颗星都属于脱罗央群小行星，按照国际上对脱罗央群小行星起名的惯例，他们分别被称作萨耳珀冬(Sarpedon)和涅厄普托勒摩斯(Neoptolemus)。（关于脱罗央群以及对该群小行星的命名，这些都是后话暂且不提……）
作为中国最重要也是贡献最大的天文台，紫金山天文台也成为了小行星，1980年12月7日紫金山天文台自己发现的3494号小行星就被命名为“紫金山”！
中国现代科学家在小行星中也占有相当的地位，1990年3月11日，为表彰旅美著名物理学家吴健雄教授的杰出贡献，紫金山天文台将该台发现的编号为2752的小行星命名为“吴健雄星”，这是我国首次以当代科学家命名的小行星。其后，一批小行星陆续以著名物理学家杨振宁、李政道、周光召，著名数学家陈景润，著名水稻专家袁隆平等命名。2001年12月21日，由紫金山天文台发现的编号为3763的小行星被命名为“钱学森”。
3509号小行星名字叫做“三水健力宝”(Sanshui)，这颗小行星自然也是紫金山发现的，他是为了表彰当年健力宝集团的赞助对中国体育做出的巨大贡献而命名的，虽然如今健力宝已经因为自身经营的问题处在半死不活的状态，但是他们当年的贡献是不能被抹杀的。
国际天文学会为了表彰中国天文学家在小行星研究和其它方面的贡献，以中国天文学家的名字命名了三颗小行星。第一颗是德国海德堡天文台在1940年8月3日发现的1881号小行星，他的名字叫做邵(Shao)，这是对多年来一直在美国工作的华人天文学家邵正元博士的最高奖励，邵先生多年来一直从事小行星和彗星的研究并取得了相当的成绩；第二颗小行星是2051号张(Chang)，他是1976年10月23日在美国哈佛天文台被发现的，有意思的是，发现者正是邵正元先生，当时他用口径1.5米的天文望远镜观测紫金山天文台1964年发现的2169号小行星“台湾”时，在它的附近又发现了一 颗小行星，为了表示对张钰哲的敬意，邵先生特地将这颗小行星命名为“张钰哲”；第三颗小行星叫做蔡(Tsai)，编号为2240号，也是哈佛天文台的“战利品”，这颗发现于1978年12月30日的小行星名字的主人是台北天文台的台长蔡章献先生，蔡先生是行星和变星等研究课题的专家。
“神舟号”系列载人飞船是中国航天近期最重要的成就，8256号就被命名为“神舟星”，这颗小行星是紫金山天文台于1981年10月25日发现并于1998年获得国际小行星中心的永久编号。杨利伟作为中国第一个飞天的航天员也得到了国际小行星中心给与的荣誉，“杨利伟星”是西班牙天文学家艾斯特于1991年6月6日在欧洲南方天文台发现的，国际永久编号为21064号。
第三部分完！
家园 天，居然商标都出来了，太神奇。