太陽系形成於大約45億年前。無數「碎片」一樣繞太陽系中心軌道運行的小行星，是太陽系早期形成過程的見證者。它們中的大部分是碳含量豐富的C型小行星。
在這幾十億年間，C型小行星幾乎沒什麼變化，如同「時間膠囊」一般將古老時期的物質保存了起來。日本「隼鳥二號」(Hayabusa2)探測器的目標「龍宮」(Ryugu)便是其中一顆。
近日，「隼鳥二號」傳回的紅外圖像數據已發表在《自然》雜誌上，顯現出「龍宮」幾乎完全由多孔的鬆散物質組成。科學家推測，以「龍宮」為代表的C型小行星，其脆弱的多孔結構可能類似於星子，星子形成於原始的太陽星雲，並在無數次碰撞中累積形成行星。
然而，迄今為止，我們並未完全了解太陽系早期的形成歷史，許多相關理論都是建立在模型數據基礎之上，還沒有得到實際觀測的證實。現在，攜帶「龍宮」樣本的「隼鳥二號」正在歸來的途中，科學家希望能通過這些樣本找到這個答案。
C型小行星見證太陽系「幼年」
C型小行星是一類含碳的小行星，也是太陽系中最為豐富和原始的小行星類型。它們約佔已知小行星總數的75%，在太陽系小行星主帶裡的佔比更高，並且深入主帶外緣。
「由於體積較小，誕生以來的進化程度較低，C型小行星仍然保留著大多數原始小行星時期的物理條件，諸如包絡外殼、孔隙度和粒度分布等。因此，它們的存在，為理解太陽系的起源和演化提供了線索。」中國科學院國家天文臺研究員平勁松介紹道。
晴朗的夜空裡，我們很難捕捉到C型小行星的身影。由於孔隙度高、反照率極低，它們在夜空裡比其他類型的小行星更暗，需要使用小型光學天文望遠鏡才看得見。天文觀測表明，這類小行星的光譜中除了不含氫、氦和揮發物之外，它們的化學組成和原始的太陽星雲幾乎一樣，也有水合礦物。
整體上看，C型小行星的光譜與碳質球粒隕石非常相似。一般認為，降落在地球表面上的碳質球粒隕石很可能來源於C型小行星。並由此推斷，碳質球粒隕石中也保存了形成太陽系的太陽星雲的成分。
「構成太陽系的氣體和塵埃物質，在之前可能參與過早期一代、二代恆星的誕生過程。」平勁松指出，數十年來科學家們在碳質球粒隕石中發現，多種元素的特殊同位素組成有變化。這種組成變化無法用太陽系內部過程進行解釋。對太陽系來說，這種同位素組成的變化，可能是太陽系形成時就固有的。
一直以來，科學家希望通過探測C型小行星，來了解太陽系行星系統的誕生和早期行星演化的過程。在「隼鳥二號」探測「龍宮」之前，美國國家航空航天局曾針對另一個編號為253馬蒂爾德的C型小行星
進行了探測，同樣發現它的表面存在鬆散結構，並解釋其可能是流星撞擊產生的鬆散物質。
事實上，關於太陽系行星誕生的過程，有著各種假說。平勁松介紹，其中一種廣為認同的假說認為，太陽系裡諸多行星成形於「太陽星雲」，太陽星雲是太陽形成過程中剩下的氣體和塵埃形成的圓盤狀雲。
太陽星雲中有著大量的矽酸鹽塵埃和冰等細顆粒物質。通過吸積集聚，這些顆粒形成一到十公裡直徑的塊狀物微小天體。然後它們互相碰撞，形成更大尺寸、多孔鬆散的碎石堆，直徑約幾公裡到幾十公裡，成為第一批太陽系的行星星子或者微行星。
這些星子們是經過多次聚合的星際顆粒鬆散結合而成的團塊，它們通過進一步相撞逐漸加大尺寸。在距太陽4個日地距離以內的內行星區域，由於過於溫暖以至於易揮發的如水和甲烷分子難以聚集，那裡形成的星子大部分由高熔點的物質形成。這些物質在宇宙中很稀少，導致類地行星不會長得太大。
研究認為，行星形成時代結束後，太陽系有50—100個行星胚胎。這些行星胚胎從形成開始經歷了相當大的變化。它們之間的碰撞一直持續發生。沒有星子之間的碰撞聚合，就無法形成巨大的行星個體。
「龍宮」藏著解題線索
「龍宮」是一個C型的近地小行星，距離太陽最近和最遠距離分別是日地平均距離的0.96倍和1.42倍。「隼鳥二號」通過近紅外光譜觀測確認，「龍宮」大部分光譜沒有特徵，和CM類型的碳質球粒隕石十分接近。
CM類型的碳質球粒隕石，包含高百分比的水和有機化合物。揮發性、有機化合物和水的存在，顯示它們形成時沒有經歷過一定程度的加熱。因此，它的礦物成份大多數保持了原始的物理化學狀態，記錄了早期太陽星雲演化的特徵，以及他們母體星子的演化特徵。
去年4月，「隼鳥二號」向「龍宮」發射了一枚2公斤重的銅炮彈，擊中「龍宮」表層，炸開了沙礫和巖石，甚至移動了一塊5米寬的巨石，形成一個外緣直徑大於10米、深2—3米的人工撞擊坑。
通過觀察這個新隕石坑的形成，研究人員發現，「龍宮」的表面並不是很堅固，它更像是有許多空隙的沙礫堆積而成，而不是整塊堅固的巖石。這項針對「龍宮」的實驗，主要目的是在撞擊後收集包含有小行星地表以下物質的原始樣本。
紅外成像帶來新發現
對「龍宮」的紅外成像分析，類似探礦的光譜分析。通過近紅外分光光譜儀的觀測，可以獲得小天體礦物、巖石表面的連續光譜，進而了解其表面物質的顆粒大小、孔隙率、巨石豐度、粗糙度等情況。
「隼鳥二號」搭載的熱紅外成像儀繞「龍宮」一圈拍攝了全球熱成像圖。對紅外圖像的分析顯示，「龍宮」表面巖體和包圍它的物質有相似的溫度，其熱慣量較低。研究人員認為，這種低熱慣量表明「龍宮」表面巖體比典型的碳質球粒隕石更具多孔性，預示其周圍覆蓋著直徑超過10釐米的多孔沙礫物質。近距離紅外探測也證實了這些多孔沙礫的存在。
同時，對「龍宮」的遙感熱成像觀測結果還顯示了其可能的形成歷史，即它是由母天體的撞擊碎片形成的碎石堆，其微孔隙約為30%至50%，經歷了低程度的固結。表面存在的一些緻密巨礫可能起源於最內部的固結區域，也可能是外生的。
在平勁松看來，以「龍宮」為代表的C型小行星，其脆弱的多孔結構可能類似於原始星子，內部的冰可能在演化過程中升華，從而形成多孔且不牢固的結構。「龍宮」表面之所以是一種不均勻的沙壤層，也很可能是因為在運行過程中遭遇了大量的撞擊，導致冰被衝擊融化，從而喪失了水分。
按計劃，「隼鳥二號」將於2020年底飛經地球，將其採集到的巖石樣本投送到澳大利亞南部的伍默拉沙漠。對於它即將帶回來的這份珍貴禮物，科學家充滿期待。(記者 唐 婷)
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