紫金山天文臺最新揭秘：小天體「天涯海角」為何是扁平形狀的？

2020-10-06 新華報業網

交匯點訊 中文名為「天涯海角」的柯伊伯帶小天體（486958）Arrokoth，是目前人類飛船近距離探測的距地球最遠的太陽系天體。近日，關於該小天體的研究取得最新進展：中國科學院紫金山天文臺（紫臺）行星科學與深空探測實驗室趙玉暉副研究員等與德國馬普太陽系研究所等單位合作，利用太陽系小天體上活動性物質揮發的模型，為「天涯海角」奇特的扁平形狀（圖1）的形成提供了新穎、有趣且合理的解釋。

該研究成果對太陽系早期星子形成、太陽系小天體的形成演化等研究具有重要意義，於北京時間10月5日23時在線發表在《自然-天文學》 (《Nature Astronomy》)上。

圖1 柯伊伯帶小天體Arrokoth （圖: PMO/X. Zheng/Y. Zhao；形狀模型: NASA/Spencer et al., 2020; 背景: Courtesy of Southwest Research Institute/Alex H. Parker）

「天涯海角」：人類飛船探測的最遠的太陽系天體

2019年1月1日，NASA的新視野號探測器（New Horizons）在圓滿完成了對冥王星的探測任務後，對柯伊伯帶小天體Arrokoth（天涯海角）進行了飛越探測，這是目前人類飛船近距離探測的距地球最遠的太陽系天體。

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，這裡存在大量的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。對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問題具有關鍵的科學意義。

作為柯伊伯帶中最穩定的一類小天體—「冷經典」（Cold Classical KBOs）族群，Arrokoth的軌道在其演化過程中受到外界的「幹擾」很少，屬於該區域「土生土長」的小天體。對於Arrokoth的探測可以為人類研究太陽系和太陽系天體的形成和演化過程提供大量有價值的信息。

圖2 新視野號探測器成像設備獲得的Arrokoth形狀模型 (Spencer et al., 2020, science)

Arrokoth是一個由兩部分組成的雙瓣結構天體，它奇特的扁平的形狀被認為是新視野號探測器獲得的最令人意外的探測結果 (圖2)。雙瓣結構的小天體在太陽系中較為普遍，研究認為Arrokoth的兩部分是在行星形成過程中相互繞轉的兩個星子，它們在潮汐作用下緩慢接近最終碰到一起。而扁平結構的天體在太陽系中則較為罕見，目前也沒有相關的理論和模型給出合理的解釋，研究人員推測是太陽系早期的星雲坍塌過程形成了Arrokoth的扁平形狀。

「天涯海角」扁平形狀的成因

在最新的研究成果中，由紫金山天文臺研究人員牽頭的國際合作團隊利用柯伊伯帶小天體上活動性物質揮發的模型，自然、合理地解釋了Arrokoth（天涯海角）扁平形狀的成因。

在太陽系行星形成過程的初期，微米量級的塵埃相互粘結形成毫米/釐米大小的顆粒，這些顆粒不斷聚集形成幾十到百公裡量級大小的球形或橢球形的星子。Arrokoth最初就是由兩個這樣的星子結合形成的。由於此時星際空間中仍充斥著大量的氣體和塵埃遮擋了大部分太陽輻射，Arrokoth所在的遙遠的柯伊伯帶區域溫度依然非常低，大量甲烷、一氧化碳和氨氣這類活動性極強的分子可以以固態的形式存在於星子中。隨後隨著太陽系中的氣體和塵埃被驅散，太陽輻射變得強烈，溫度逐漸升高，Arrokoth表面和內部的活動性氣體開始揮發，物質逐漸流失。

圖3 Arrokoth軌道周期表面平均溫度分布 (Grundy et al., 2020, science)

圖4 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 (Zhao et al., 2020, Nature Astronomy)

圖5 Arrokoth形狀演化過程 （圖: PMO/X. Zhang）

由於Arrokoth的自轉軸與軌道面非常接近且軌道接近圓形，在一個軌道周期內兩個極區受到的太陽輻射遠遠大於赤道區域，因而具有更高的溫度（圖3），氣體的揮發速度也大大提高。因此，相比赤道區域，極區損失了更多的物質成分，整體形狀從而不斷的趨近扁平（圖4，圖5）。研究表明這個形狀演化過程在小天體形成後大約100萬至1億年的時間內完成，這個時間尺度受到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。

該研究結果表明，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）的形狀的改變很可能是普遍存在的。某些小天體在其後續演化過程到達了距離太陽更近的區域（半人馬天體或者木星族彗星），將由於受到更強的太陽輻射導致此前活動性相對較弱的氣體（如二氧化碳、水）產生揮發，再次經歷類似的形狀演化過程。該理論對太陽系早期星子形成、太陽系小天體的形成演化等研究具有極其重要的意義。

交匯點記者 蔡姝雯

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