新华报业网 > 江苏 > 科技 > 正文
探索 | 追寻太阳系最初的样子:紫台研究小天体“瘦身”机制引发国际关注
2020/10/20 19:33  新华报业网  

  近日,《自然·天文学》在线发表了中国科学院紫金山天文台与德国马普太阳系研究所等单位的一项合作研究成果,引发国际天文界的高度关注。这项关于太阳系小天体阿罗科斯(Arrokoth,中文名“天涯海角”)形状形成机制的研究,解释了这一目前人类近距离探测到的最遥远和最原始的太阳系小天体,是如何用一百万到一亿年的时间“瘦身”成现在的扁平形状的,而该“瘦身”机制可能广泛存在于太阳系柯伊伯带小天体形成初期的形状演化过程中。

  阿罗科斯 图片来源:美国国家航空航天局

  尽管如它的名字一样,“天涯海角”距离我们非常遥远,但是小天体是太阳系形成过程中残留下的“化石”,是构建地球等行星的“砖瓦”,对它们的形成及演化的研究具有极为重要的意义。

  阿罗科斯(Arrokoth)是谁?

  首先,我们要先认识一下这项科学研究的主角——阿罗科斯(Arrokoth)。

  2019年1月,在完成对冥王星(位于太阳系的边缘柯伊伯带内侧)的探测任务后,NASA(美国国家航空航天局)“新视野号”探测器近距离飞越了另一颗柯伊伯带小天体——阿罗科斯(Arrokoth)。这不仅创造了人类探测到的最远、最原始的天体纪录,也为人类探索太阳系及其天体的形成和演化提供了大量有价值的信息。

  “太阳系小行星带和柯伊伯带都分布着大量的固态小天体,但与小行星带不同的是,大多数柯伊伯带小天体主要由冻结挥发物构成,如二氧化碳和水,而非金属物质。”中国科学院紫金山天文台行星科学与深空探测实验室副研究员赵玉晖是文章的第一作者,她告诉记者,这些小天体被认为是太阳系早期形成过程中遗留的原始星子,也是半人马天体和木星族彗星的来源。研究太阳系小天体对了解太阳系起源和演化、地球上水和生命起源等问题具有关键的科学意义。

  赵玉晖介绍,“新视野号”探测器最初拍到的照片中,阿罗科斯是由两个直径十余公里大小的天体组成的双瓣结构,通过相对细小的“颈部”连接,像极了冬日里堆的雪人。这个身处太阳系遥远边疆的“雪人”,以它圆嘟嘟的可爱身姿成为世人关注的明星。而它的名字Arrokoth来源于美洲原住民波瓦坦人的语言,意指“天空”,同时它也有个诗意的中文名——“天涯海角”。

  不过,随着“新视野号”后期观测数据陆续传回,科学家发现,阿罗科斯并不是一个拥有肉嘟嘟的脑袋和身体的“雪人”,从侧面看,这个小天体的形状实际上更为复杂,更像是由两个不同尺寸的飞盘拼接成的扁平结构。

  这样奇特的扁平形状被认为是“新视野号”探测器获得的最令人意外的探测结果。一般的行星形成理论认为,原始星子为球形或者椭球形,扁平结构在太阳系目前发现的天体中非常罕见。此前曾有猜测,这种扁平形状是在太阳系早期的星云坍塌过程中形成的,但目前国际天文学界也没有相关的理论和模型给出合理的解释。

  这引起了研究行星形成的科学家们的广泛关注。赵玉晖及其合作者也同样好奇:是什么原因让原以为是圆滚滚的“雪人”变消瘦了呢?

  这个“雪人”瘦身用了一亿年

  要揭开“雪人”瘦身的奥秘,必须从“雪人”自身因素说起。

  阿罗科斯是一个冰质天体,其“头”和“身体”两部分表面都呈现出比冥王星表面更红的颜色。“这样的颜色是由于阿罗科斯表面存在大量共聚物分子——托林。托林不是简单的纯净物,是由最初的甲烷、乙烷等简单结构有机化合物在紫外线照射下形成的,广泛存在于远离恒星的寒冷星体上。”赵玉晖说。

  “新视野号”还在阿罗科斯表面探测到了丰富的甲醇冰,以及水冰可能存在的痕迹。大量的甲醇和稀少的水冰标志着在太阳系早期形成过程中,这片遥远的太阳系原始星盘的外部区域由于被气体和尘埃笼罩而温度极低。一氧化碳、甲烷等气体在低温环境下得以凝结在尘埃颗粒上,为甲醇的产生以及水冰的分解提供了条件。

  此外,阿罗科斯的轨道是一个近圆形轨道且倾角仅有2.45度,与黄道面十分接近。这样的轨道构型表明其属于柯伊伯带小天体中的“冷经典”族群。“我们之所以把阿罗科斯称为‘冷经典’,并不是因为它的温度低,而是从动力学上看,这类天体的轨道更稳定,可以说是太阳系内最稳定的一类天体。”赵玉晖介绍。

  以上两个因素:冰质组分以及稳定的轨道和自转特性,正是“雪人”瘦身的关键。

  赵玉晖团队创造性地建立并利用“气体挥发导致天体形状变化的模型”(MONET模型),结合阿罗科斯的轨道和自转特性,对其扁平形状的形成给出了合理的理论解释。

  MONET模型得到的Arrokoth类似柯伊伯带小天体的扁平形状形成结果 (Zhao et al., 2020, Nature Astronomy)

  原来,在太阳系形成初期,星际空间中仍充斥着大量的气体和尘埃,遮挡了大部分太阳辐射,遥远的柯伊伯带区域温度非常低,大量甲烷、一氧化碳和氮气这类活动性极强的分子能够以固态的形式存在于星子中。随着太阳系中的气体和尘埃被驱散,太阳辐射变得强烈,温度逐渐升高,阿罗科斯表面和内部的活动性气体开始挥发,物质逐渐流失。

  由于阿罗科斯的自转轴与轨道面较近,轨道偏心率较小,在一个轨道周期内,两极地区(“雪人”正面和背面)的太阳辐射远大于赤道区域(“雪人”侧面),因此也损失了更多的挥发性气体成分从而不断的趋近扁平。“这个‘瘦身’的形状演化过程在它形成后大约100万至1亿年的时间内完成。一亿年啊,减肥这事儿,谁容易呢?”赵玉晖笑着说,不过,相比起它45亿年的年龄,这个过程也不算长了。

  莫奈模型,验证遥远星际的浪漫想象

  在这项科学研究中,“气体挥发导致天体形状变化的模型”是最关键的工具,而这一模型最初是赵玉晖与合作者为了研究67P彗星形状形成机制和南北被侵蚀的不对称性的研究而设计的。

  近年来,随着深空探测技术的发展,人类对太阳系小天体的探测揭开了越来越多小天体的神秘面纱和关于生命之源的奥秘。“但在不断的探测中,当你了解越多,随之而产生的问题也就更多。”赵玉晖举例说,在外形神似小鸭子的67P彗星上,北半球表面坑坑洼洼,而南半球表面则呈现出非常平滑的结构。为什么在同一个天体上的南北两极会存在如此大的地貌差异?正是赵玉晖与合作者对67P彗星的研究工作,为解释阿罗科斯以及太阳系其他小天体的形状结构提供了理论基础和数值模型。

  这一模型不仅可以用于木星族彗星的研究,也可以用于验证活动性气体的挥发在太阳系形成初期对柯伊伯带小天体(以及太阳系其他区域存在活动性气体的小天体)的形状的改变。也就是说,该“瘦身”机制可能广泛存在于柯伊伯带小天体形成初期的形状演化过程中,“瘦身”效果则因小天体的轨道形状和自转姿态而不同。

  “太阳系形成初期,这种形状演化机制在柯伊伯带小天体中很可能普遍存在。”赵玉晖解释,但是某些小天体运行到距离太阳更近的区域,比如半人马天体或者木星族彗星,由于受到更强的太阳辐射,导致活动性相对较弱的气体(如二氧化碳、水)开始挥发,再次经历类似的形状演化过程。

  “这些研究表明,在太阳系形成早期,有大量的甲烷、一氧化碳和氮气等活动性气体存在。了解它们挥发作用的机制对于研究太阳系早期星子形成、太阳系小天体的形成演化等具有极其重要的意义。”赵玉晖说,尽管如它的名字一样,“天涯海角”距离我们非常遥远,“新视野号”对它也仅是匆匆一瞥,但是这些小天体是太阳系形成过程残留下的“化石”,是构建地球等行星的“砖瓦”,对它的形状的研究仍然有重要意义。

  研究人员还通过该模型英文名称中的字母,赋予其一个浪漫的简称——莫奈(MONET)模型。太阳给人类艺术带来的灵感,让法国印象派画家莫奈创造性地改变了阴影和轮廓线的画法,在人类艺术史上留下了独特的光影与色彩。而太阳给遥远的星际边疆带去的光和热,改变了天体的形态,也激发了人类对遥远星空最浪漫的想象和探索欲望。“我们克服了重重困难建立了‘莫奈’模型,这个模型不仅为天体形状的演化机制提供了新颖、有趣且合理的解释,也更坚定了人类对宇宙演化、对地球形成、对生命之源的探索,它的身上寄寓了很多美好的人类愿景。”赵玉晖说。

  新闻链接>>>

  太阳系“化石”,揭秘天体与生命起源

  仰望星空,探索宇宙,是人类的自我认知之路。近年来,随着深空探测技术的发展,国际国内对太阳系小天体的探测和研究越来越多,生命之源的奥秘,永远吸引着我们去好奇、去想象、去实践。

  我国对图塔蒂斯小行星的飞越探测

  早在2012年12月,我国就进行过小行星探测任务。当时,“嫦娥二号”月球探测器成功飞抵距地球约700万公里远的深空,以10.73公里/秒的相对速度,与国际图塔蒂斯小行星由远及近擦身而过。交会时“嫦娥二号”星载监视相机对小行星进行了光学成像。图塔蒂斯是迄今为止靠近地球的最大的小行星之一,它的形状看起来就像一颗多瘤的花生,中间长而窄,两侧是大小不等的突出物,它不仅外形古怪,质量分布也呈现出很不均匀的特征。

  这是我国历史上首次对小行星的飞越探测,也是国际上首次实现对该小行星的近距离探测。在这个我国目前唯一一个小行星探测任务中,中国科学院紫金山天文台行星科学与深空探测实验室在图塔蒂斯小行星的定轨、观测策略、物理特性、表面年龄、形状形成机制和自转动力学演化等方面的研究中取得了一系列成果。

  图塔蒂斯 图片来源 文章Ji et al., 2013

  “小鸭子”67P彗星为何南北侵蚀不对称

  2014年,欧洲航天局“罗塞塔号”探测器到达木星族彗星67P/Churyumov–Gerasimenko(代号67P)。“彗星是太阳系形成初期留存至今的碎片,它们可能还保存着45亿年前原始太阳系的信息。”赵玉晖解释说,有理论认为小行星或彗星的撞击将生命的基本构成元素送到了地球,而科学家也确实在彗星67P上发现了构成生命的必要有机物——甘氨酸。这次探测为解开太阳系起源之谜,回答地球上的水及构成生命的有机物质是否来自于彗星的问题提供了线索。

  67P彗星 图片来源 欧洲航天局

  67P是一颗轨道周期为6.44年,自转周期为12.4小时的木星族彗星。从照片可以看出,67P彗星由明显的两部分组成,看上去就像一只小鸭子的头部和身子。这一怪异的外形可能是由于从彗星地表喷发出去的气流和尘埃物质喷流侵蚀造成的,它们或许造成了这颗彗星“脖颈”部位物质的严重剥蚀;但也存在这样的可能,那就是这只“鸭子”的“头部”和“身子”部分原本就属于两个单独的小天体,后来在一次碰撞中粘结在了一起,从而形成今天“罗塞塔号”飞船所见的模样。而67P彗星的北半球表面坑坑洼洼,南半球表面则非常平滑,这同样引起了赵玉晖与合作者的好奇,它们目前正对67P彗星南北被侵蚀的不对称性进行研究。

  贝努和龙宫小行星都发现水的痕迹

  2018年,美国“欧西里斯号”(OSIRIS-REx)探测器和日本“哈亚布萨2号”(Hayabusa2)探测器分别到达了近地小行星贝努(Bennu)和龙宫(Ryugu)开展探测。研究发现,贝努和龙宫小行星上都发现了水(曾)存在的痕迹。作为太阳系形成之初的残留,贝努和龙宫遍布含水材料,让它们成为研究太阳系原始挥发物和有机物成分的极佳样本。

  贝努(Bennu)是一个威胁近地天体且非常神秘的小行星,科学家预测其22世纪末将近距离接近地球,碰撞地球的概率为两千五百分之一。2018年12月10日,美国“奥西里斯-REx”(OSIRIS-REx)探测器在贝努小行星上发现了水痕迹。

  初步分析显示,贝努小行星存在含氢氧基的分子,其中氢氧基由氢原子和氧原子相连组成。整个小行星的含水粘土材料中都存在氢氧基团,这意味着贝努的岩体曾在某个时间点上与水发生过反应。贝努体积太小,不足以容纳液态水,因此这意味着贝努曾经的母体——一个体积更大的小行星——曾在某个时间存在液态水。

  贝努 图片来源 美国国家航空航天局

  科研人员用红外光谱法证明,含碳物质(如有机分子和/或碳酸盐矿物)广泛分布于贝努的大部分表面,尤其集中在单个的卵石上。他们在探测器主要采样点附近的一些卵石中发现了明亮的岩脉,这些岩脉具有明显的红外吸收,提示它们是碳酸盐矿物。在太阳系形成的早期,这些岩脉是通过与在贝努的小行星母体上流动的水进行反应而形成的。

  科研人员还发现,贝努的南半球更圆、更光滑,而其北半球的坡度更高、形状更不规则。贝努可能由两种不同类型的卵石组成,它们虽有相似的矿物成分,但具有不同的颜色和反照率,它们也可能具有不同的结构特性。

  近地小行星(162173)龙宫被认为是一个原始的碳质天体,含有水合矿物和有机分子,其运行轨道大多位于地球和火星之间。许多科学家认为,这种岩石小行星可能在很久以前与地球的碰撞中,将生命的基本构成元素送到了地球上。

  日本“哈亚布萨2号”(Hayabusa2)探测器曾于2018年短暂着陆龙宫,并在进行样本采集时,拍摄了高分辨率的图像和视频,令研究人员能对其岩石表面做近距离观察。他们在龙宫上发现较新岩石,命名其为“龙女”。

  龙宫 图片来源 日本宇宙航空研究开发机构

  龙宫直径约1千米,赤道附近由于自转离心力而膨胀,形成类似算盘珠或陀螺的形状。它的表面布满碎石,有类似陨石坑的凹陷。“哈亚布萨2号”先前的观测显示,龙宫表面是由两种不同类型的物质组成的,一种颜色略为偏红,另一种稍微偏蓝。然而,这种颜色变异的原因仍然未知。研究人员认为,小行星表面变红是由太阳短期强烈的加温所致,原因之一可能是龙宫运行轨道短暂地转向太阳。

  交汇点记者 蔡姝雯 王甜

标签:
责编:顾志铭

版权和免责声明

版权声明:凡来源为"交汇点、新华日报及其子报"或电头为"新华报业网"的稿件,均为新华报业网独家版权所有,未经许可不得转载或镜像;授权转载必须注明来源为"新华报业网",并保留"新华报业网"的电头。

免责声明:本站转载稿件仅代表作者个人观点,与新华报业网无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实,对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或者承诺,请读者仅作参考,并请自行核实相关内容。

read_image_看图王.jpg
娄勤俭.jpg
吴政隆 - 副本.jpg
苏言.jpg
受权.jpg
周刊 报业网小banner_wps图片.jpg
cj.jpg

相关网站

二维码.jpg
21913916_943198.jpg
jbapp.jpg
wyjbL_副本.png
jubao.jpg
网上不良信息_00.png
动态.jpg