「科普」太阳系小天体轨道分类总结

太阳系内的小天体，按照日心距大小已经轨道特征，从内到外可以划分为近地小行星(Near-Earth Asteroid, NEA)、主带小行星 (Main-belt Asteroid, MBA)、特洛伊天体 (Trojan Asteroid)、海外天体 (Trans-Neptune Object, TNO)、以及半人马天体 (Centaur) 和奥尔特云天体 (Oort Clout)。根据国际小行星中心的统计数据，截止到2022年5月2日，已发现的小天体总数为1198493颗，其中具有编号的小行星614690颗，未编号的579395颗，彗星4408颗。

太阳系木星轨道以内的小天体分布，不包括特洛伊天体、海外天天、奥尔特云

一、按轨道分类：

（1）近地小行星 (NEA)。指与地球轨道相近的小行星，按照国际惯例，近地小行星的近日点距离在0.983~1.3 AU。如果一个近地小行星的直径超过140米，且与地球轨道相交，那么这个近地小行星又可以被称为具有潜在撞击地球威胁的天体(PHO)，大多数PHO与地球的最近交汇距离(Earth MOID)小于0.05AU，且绝对星等不超过22等。随着观测技术的进步，越来越多的PHO相继被发现。NEA根据轨道距离和形状的不同，又可分为四大类型：Atira 型、Aten型、Apollo型和 Amor型。

截止2022-04-30已发现的近地小行星数目统计，数据来源于NASA/JPL

其中 Atira (阿提拉型) 型近地小行星又称为 Apohele 型近地小行星，与其他三类近地小行星相比 Atira 类型的小行星数目最少，已确定的 Atira 型小行星有 54 颗。这类小天体整个轨道全部在地球轨道以内，因此又叫做 Interior-Earth Objects (IEOs)，其远日点距离小于地球的近日点距离 (0.983 AU) 。第一颗被发现的 Arita 型小行星为 1998 DK36，但第一颗被确定的 Atira 型小行星是 2003 年发现的 (163693) Atira。2020 年 2 月 26 日，天文学家发现了一颗轨道完全在金星以内的小行星 (2002) AV2，其轨道远日点距离太阳只有 0.656 AU ，该类小行星又称为 Vatira 型小行星。由于受到水星和金星的引力扰动，Atira 型小行星的轨道通常不稳定，正因为如此，虽然 Atira 型小行星短时间内不会称为具有潜在撞击地球威胁的小行星，但经过一段时间的演化其轨道仍然有可能与地球相交。Greenstreet 对 (2002) AV2 的轨道演化进行了研究，通过对其当前轨道和 9900 条克隆轨道的数值积分，发现该小行星在未来几〸万年后将离开金星轨道内的区域并与地球轨道相交。

Amor 型（阿莫尔型）小行星是根据近地小行星 (1221) Amor 命名。根据定义，这类小行星的轨道近日点比地球的远日点距离要大，且轨道与地球轨道不相交，同时必须为近地小行星，即半长径a>1.0 AU, 近日点距离1.017

Aten 型（阿登型） 近地小行星以小行星 (2062) Aten 命名，是与地球轨道非常相似的一类小行星。根据定义，该类小行星的轨道半长径 a<1.0 AU，但轨道与地球轨道相交，即远日点距离 Q>0.983 AU。在 JPL 的统计数据库中，截止到 2022 年 5 月 2 日，已发现的 Aten 型近地小行星有 2225 颗。在已发现的所有 Aten 型小行星中，虽然大部分的远日点距离 Q 都大于 1 AU，但很多 Aten 型小行星的轨道偏心率 e 都比较大，因此其在轨道上运行的大部分时间都处在地球轨道以内，而在地球上的望远镜很难观测到地球轨道以内的小天体，从而导致对大偏心率 Aten型小行星的观测和统计可能出现选择效应，这也有可能是导致 Aten 型近地小行星占所有近地小行星的比例只有 7.4% 的原因。小行星 2016 XK24 是目前已知的轨道半长径最小的 Aten 小行星，只有0.580 AU，与之对应的则是该小行星的轨道偏心率在 Aten 小行星中最高，大约为 0.895，在这种高偏心率情形下，2016 XK24 的近日点距离只有 0.092 AU，完全处在水星轨道以内，远日点距离更是高达 1.66 AU，大于火星的半长径 1.53 AU。

Apollo 型小行星以小行星 (1862) Apollo 命名，根据定义，该类小行星的轨道半长径大于地球的轨道半长径，即 a>1 AU，同时，其近日点距离要小于地球的远日点距离，即 q<1.017 AU。Apollo 型小行星是所有近地小行星中数目最多的一类，根据 JPL 的统计，截止到 2022年 5 月 2 日，已发现的 Apollo 型小行星数目高达 14737 颗。在所有潜在撞击地球威胁的小行星中，Aten 型和 Apollo 型小行星占据了绝大多数，其中，2013 年 2 月 15 日发生在俄罗斯车里雅宾斯克的陨石袭击事件就是由 Apollo 型小行星造成，该事件造成了超过 1500 人的伤亡。

下面这张表总结了不同种类近地小行星的轨道参数分布情况。

不同类别的近地小行星轨道参数分布

（2）主带小行星 (Main Belt Asteroid, MBA)

目前人类所发现的绝大多数小行星都位于火星和木星之间的小行星带。根据MPC的统计，大多数MBA的偏心率小于0.4，轨道倾角小于30 。整个小行星带的质量占月球质量的4%，冥王星质量的22%，小行星带中四颗最大的小行星Ceres，Pallas，Vesta和Hygiea占据了整个小行星带总质量的百分之五十，随着越来越多的小行星被发现，这个质量比例可能会下降，其中Ceres（谷神星）是最大的一颗小行星，详细介绍可以参考我之前写过的一篇头条文章（ https://www.toutiao.com/item/7089283466235331104/ ）。

四颗质量最大的小行星

小行星带中质量最大的12颗小行星占整个小行星带总质量的比例

根据日心距的不同，主带小行星又可分为多个区域，如 Hungaria 区、内小行星带 (inner belt)、小行星带中部区域 (middle belt)、外小行星带 (outer belt)。其中Hungaria区域的日心距范围是1.8~2.0AU，该区域内的小行星通常是反照率较高 (>0.3)的E-type小行星。内小行星带的日心距范围在2.0~2.5 AU，该区域中最大的小行星是灶神星 (Vesta)。 中部区域日心距范围2.5~2.82 AU，其中分布有 Ceres 和 Pallas 等体积和质量较大的小行星，上述两颗较大的小行星分别占据了整个小行星带质量的 31% 和 7% 。 而在外小行星带中，小行星的日心距变化范围 2.82~3.3 AU，该区域 C-complex 天体占主导部分，也有发现一些 S-complex 小天体，其中最大质量的小行星为 Hygeia，尽管 S-type 小行星在外小行星带占比较小，但其质量仍然是内小行星带的 2~10 倍。

主带小行星轨道倾角随日心距的分布情况

由于小行星带处于火星和木星之间，因此这里的小行星受木星的引力扰动比较强，1866 年，美国天文学家 Daniel Kirkwood 发现了主带小行星半长径分布的 “孔隙” 区域，这些 “孔隙” 恰好处于木星低阶轨道平运动的共振区，我们把它叫做 Kirkwood 共振带。轨道平运动共振指木星轨道公转周期与小行星轨道公转周期之比为整数比，Kirkwood 共振带是指小行星带中与木星轨道发生 3:1，5:2和 7:3 共振的位置。此外，小行星带中还有大量小行星族群，关于小行星族群，笔者将会专门写一篇文章详细介绍，这里不过多赘述。

(3) 特洛伊天体 （Trojans）

在小行星带以外，木星轨道上还有大量的特洛伊天体 。特洛伊天体是指在大行星附近的拉格朗日点 L4 和 L5 附近，和大行星保持同步运转的小天体。太阳系中，木星族的特洛伊天体数目最多。木星特洛伊天体按照位置不同，可分为 Greek 区域 (L4 点) 和 Trojan 区域 (L5 点) ，其中直径大于 1 km 的木星特洛伊小行星数目超过 100 万颗。 作为太阳系早期形成的天体，对特洛伊小行星的研究，有助于我们了解太阳系形成初期这些小行星所在位置原始星云中的情况, 并且在木星特洛伊天体中，还发现了水和有机物的存在，因此对于这类小天体的研究具有重大的科学意义。

在对特洛伊天体研究的早期，地面和空间红外望远镜 (如 IRAS，AKARI) 只对一小部分特洛伊天体进行了观测，得到了部分几何反照率的大小。2010年 1 月到 10 月，空间红外巡天望远镜 WISE/NEOWISE 对该区域的小行星进行了探测，且观测样本较为完整，观测到超过 1700 颗已知的特洛伊小行星，所有直 径在 10 km 以下的特洛伊小行星观测到 80% 以上，并得到该类小行星的平均几何反照率为0.07 0.03。

(4) 半人马天体（Centaur）

根据 MPC 的定义，太阳系内的半人马天体 (Centaur) 是指近日点距离 q>5.2 AU (即木星轨道之外) ，同时轨道半长径 a<30.2 AU (即海王星轨道以内)的天体。其中比较著名的半人马天体有 (2060) Chiron，(5145) Pholus，(10199)Chariklo 等。由于该类小天体会穿过一个或者多个大行星轨道，因此其轨道通常不稳定，大多数半人马天体的轨道时标只有几百万年。 半人马天体的轨道偏心率分布范围较大，如半人马小行星 (2007) TB434，其偏心率 e<0.0026，轨道非常接近于圆轨道，而半人马小行星 1999 XS35 的轨道偏心率高达 0.947，这使得它在 绕日公转过程中能进入到地球轨道之内，而远日点则超出海王星轨道范围之外。由于距离较远，对半人马天体的观测会出现选择效应，即观测到的半人马小行星大都体积较大，这同时也造成了对半人马天体总数目的估算比较困难，Sarid 等人对太阳系内的半人马天体数目进行了估算，有效直径大于 1 km 的半人马天体数目在 44000~10000000 颗。

(5) 海外天体（Trans-Neptune object）

海外天体 (Trans-Neptunian Object, TNO) 是指轨道日心距超过海王星轨道半长径的天体，即 30.1 AU，根据 MPC 的统计，截止到 2020 年 4 月，已发现的TNOs 总数目超过 2500 个。其中，最先被发现的海外天体为 1930 年发现的冥王星，直到 1992 年才发现第二颗海外天体 (15670) Albion，随后发现较大的海外天体有 Eris、Haumea、Makemake 等。这几颗太阳系天体又被称为矮行星 (dawrf planet) ，冥王星为体积最大的矮行星，Eris 则是质量最大的矮行星，其直径为2326 12 km，质量为地球的0.27%，下图给出了目前已知体积最大的十个海外天体。

十颗体积最大的海外天体示意图，通过图片正下方和左下方可以对比地球和月球的大小

根据海外天体的日心距以及其他轨道参数，TNOs 又可分为两个大类别：柯伊伯带天体 (Kuiper Belt Object，KBOs) 和散射盘天体 (Scattered Disc Object，SDOs) 。

柯伊伯带是位于外太阳系中由小天体组成的环形盘状结构，其内边界在海王星轨道附近 (~30 AU) ，外边界大约延伸到 55 AU，该结构与小行星带类似，但其宽度为小行星带大的 20 倍，质量则是小行星带的 20 到 200 倍。尽管带在太阳系中所占面积较大，但目前已知的 KBOs 总质量大约只占地球质量的 1% 左右，而直径超过 100 km 的 KBO 估计超过 100000 颗。海王星的轨道平运动共振对柯伊伯带中天体的分布产生较大的影响，KBOs 中大部分质量都分布在 2:3 (39.5 AU) 和 1:2 (48 AU) 轨道平运动共振带之间。柯伊伯带中的天体距离太阳较远，它们所受到的太阳对其形状、表面物质、轨道等的影响相比较其他大多数内太阳系小天体要小很多，因此对其物质组成的估算将有助于研究太阳系形成早期的物质成分。 不过正因为与太阳和地球距离较远，同时其直径与大行星相比要小，对柯伊伯带天体物质成分的确定存在一定的难度。大多数小行星是由岩石组成，但通过对现有观测进行分析，目前大多数已知的柯伊伯带天体则是主要由固态挥发物组成，如固体状态的甲烷、氨和水等，平均温度为 50 K 左右。由于柯伊伯带天体较暗，其光谱并没有明显的特征，但仍有少数的 KBOs 被成功测定出组成成分， 如 Robert 等人对 KBO1993 SC 的光谱进行了测定，发现其与冥王星以及海王星卫星 Triton 有相似的物质组成，都含有大量的固态甲烷。2019 年 1 月，NASA 的新视野号探测器 (New Horizons) 成功飞越柯伊伯带小天体 (486958) Arrokoth，中文名又叫“天涯海角”，寓意该小天体是目前人类探测器所到达的太阳系中最遥远和最原始的天体。

柯伊伯带小行星Arrokoth示意图，又名“天涯海角”，新视野号拍摄，该小行星呈现扁平形状

散射盘天体 (SDOs) 是比 KBOs 距离太阳更远的一类天体。该类天体通常轨 道偏心率较高，轨道倾角可高达 51 ，轨道半长径大于 50 AU，但在近日点附近时，有可能会受到海王星引力的扰动，这些天体特殊的轨道根数则是由大行星的引力扰动造成。与其他 TNOs 类似，SDOs 的密度较低，且组成成分中也含有大量的冰 (包括甲烷、氨等) ，光谱分析表明，SDOs 和 KBOs 具有相似的物质组成，如冥王星和 Eris，均含有甲烷谱线特征。 关于散射盘的形成，目前还没有较好的模型来解释当前的观测，但根据现有理论模型，SDOs 是由 KBOs 经过大行星的引力扰动而 “散射” 到外围轨道，使这些天体有更大偏心率和轨道倾角。如前文所述，柯伊伯带被认为是短周期椭圆轨道彗星的发源地，而散射盘则是木星族彗星 (JFCs) 和 Halley-type 彗星发源地。

海外天体日心距结构示意图，不同大小的圆圈代表了不同小行星的直径