10月6日，《自然-天文學》（Nature Astronomy）在線發表中國科學院紫金山天文臺行星科學與深空探測實驗室副研究員趙玉暉等與德國馬克斯-普朗克太陽系研究所等單位的科研人員合作的研究成果，該研究利用活動性氣體揮發導致太陽系小天體形狀變化的理論和數值模型（MONET模型），為NASA新視野號（New Horizons）探測的柯伊伯帶小天體（486958）Arrokoth（中文名：天涯海角）扁平形狀的形成提供解釋。
2019年1月1日，NASA的新視野號探測器在完成冥王星的探測任務後，對柯伊伯帶小天體Arrokoth進行飛越探測。柯伊伯帶是太陽系中位於海王星軌道以外的一個小天體帶，存在較多形狀不一的含冰小天體，被認為是太陽系早期形成過程中遺留的原始星子，也是半人馬天體和木星族彗星的來源地。柯伊伯帶天體的研究對了解太陽系起源和演化、地球上水和生命起源等具有科學意義。因此，新視野號對Arrokoth的探測為了解太陽系和太陽系天體的形成過程提供信息。
Arrokoth雙瓣結構和扁平形狀是新視野號的探測結果之一（圖1）。雙瓣結構的小天體在太陽系中較為普遍，也有多個較為成熟的模型對此結構的形成提供解釋。扁平結構的天體在太陽系中則較為罕見，目前暫無相關的理論和模型給出合理的解釋。作為較穩定的一類柯伊伯帶小天體，Arrokoth通過高速碰撞等過程形成目前結構的可能性較低，因此，研究人員初步認為，太陽系早期的星雲坍塌過程形成Arrokoth的雙瓣扁平形狀。
在柯伊伯帶小天體形狀演化研究方面，紫金山天文臺研究人員與合作者此前建立氣體揮發導致天體形狀變化的模型（MONET模型）。結合Arrokoth較小的軌道偏心率和較大的自轉軸傾斜角（自轉軸與軌道面法向量的交角），MONET模型可預測太陽系初期形成的（橢）圓形的星子在該軌道和自轉狀態下由於活動性物質的揮發而不斷扁平化的過程，在理論和數值模擬上為Arrokoth扁平結構的形成機制提供解釋。研究指出，由於該扁平結構的形成是太陽輻射作用下氣體揮發導致，Arrokoth的自轉軸與軌道面較近，軌道偏心率較小，在一個軌道周期內極區受到的太陽輻射大於赤道區域（圖2），因而損失更多的揮發性氣體成分從而不斷趨近扁平。計算結果表明，該形狀演化過程在小天體形成且其周圍的星際氣體和塵埃被驅散後的100萬至1億年的時間內完成，該時間尺度受到Arrokoth的原始尺寸、物質組成、主要揮發性氣體的活動性，以及表面塵埃層的特性等因素的影響。研究人員對該時間尺度內物質揮發產生的力矩對Arrokoth自轉狀態的影響展開研究，理論分析和數值計算的結果均顯示，該過程對Arrokoth的自轉狀態改變較小；此外還探討了該小天體的內部結構以及重力場在演化過程中可能起到的作用。研究表明，活動性氣體的揮發在太陽系形成初期對柯伊伯帶小天體（以及太陽系其他區域存在活動性氣體的小天體）形狀的改變可能普遍存在，某些小天體在其後續演化過程如果到達距離太陽更近的區域（半人馬天體或者木星族彗星），將可能由於更強的太陽輻射導致不同氣體成分的揮發再次經歷類似的形狀演化過程（圖3）。該研究對太陽系早期星子形成理論、太陽系小天體的形成演化等研究具有重要意義。
新視野號的副項目科學家、成像團隊首席科學家、Arrokoth拓展任務規劃首席科學家、美國西南研究院的John Spencer博士認為，該研究為該小天體形狀的形成提供解釋。《自然-天文學》的審稿人認為，該研究的模型解釋了Arrokoth扁平結構的形成過程，適用於太陽系早期星子形成過程的模擬，研究工作將引起對該領域的興趣，為相關研究增加有價值的論述。
趙玉暉為論文第一作者，與德國馬克斯-普朗克太陽系研究所博士Ladislav Rezac為論文共同通訊作者，合作者包括德國布倫瑞克工業大學博士Yuri Skorov，紫金山天文臺博士胡壽村，以及美國行星科學研究所博士Nalin Samarasinha、李薦揚。研究工作得到國家自然科學基金、中科院空間科學預先研究項目、中科院行星科學重點實驗室、中科院比較行星學卓越創新中心和紫金山天文臺小行星基金會等的資助。
論文連結
圖1.新視野號探測器成像設備獲得的Arrokoth形狀模型（Spencer et al.,2020, science）
圖2.Arrokoth表面太陽輻射強度和溫度分布（Grundyet al.,2020, science）
圖3.MONET模型得到的Arrokoth類似柯伊伯帶小天體的扁平形狀形成結果（Zhaoet al.,2020, Nature Astronomy）
【來源：紫金山天文臺】
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