《自然·天文學》期刊：基於表面巨石重構陀螺型小行星形成歷史

2020-10-22 科普百分百

《自然·天文學》期刊：基於表面巨石重構陀螺型小行星形成歷史

（神秘的地球uux.cn報導）據清華新聞網10月22日電：近日，清華大學航天航空學院（簡稱「航院」）博士生程彬、教授寶音賀西與北京航空航天大學等單位的合作者，利用自旋加速導致風化層失穩的理論模型和顆粒仿真，結合最新的小行星探測數據，為「陀螺型」小天體的形成提出了有力的解釋。

小天體是從太陽系形成之初就存在的「剩餘材料」，記錄了太陽系早期的狀態信息，可以為探尋行星的演化乃至生命的起源提供重要線索。小天體形貌的演化過程存在豐富的動力學現象，近十年天文和航天的新發現使小行星在行星科學研究領域備受關注。

陀螺型小行星通常擁有鼓起的赤道脊，外表形似旋轉的陀螺。眾多的小行星具有此類獨特的形態，暗示了太陽系中可能存在某種普遍機制支配陀螺地貌的形成。近年，日本的隼鳥二號（Hayabusa2）與美國的冥王號（OSIRIS-REx）分別對兩顆陀螺型小天體「Ryugu」和「Bennu」進行了近距離探測，為揭開這一問題的神秘面紗提供了諸多線索。探測數據表明，這些小行星表面覆蓋一層鬆散的碎屑，其上散布諸多尺寸超幾十米的巨石，呈現出典型的「碎石堆」地貌。分析發現，它們除了獨特的陀螺形貌外，表面散落的巨石似乎也有著普遍的規律：極地存在上百米尺寸的穩定巨石；中緯度的巨石均有一定程度傾斜，並陷入風化層若干米；而赤道區域的巨石豐度遠遠少於其他區域。由於這些巨石的尺寸決定了其與小天體本身的形成時間相當，在太陽系的漫長演化中其與小天體共同演化，因此這些巨石構成的地質遺蹟必定記錄了小天體的地質演化乃至起源線索。

該工作正是從這一地質特徵入手，發現Yarkovsky–O'Keefe–Radzievskii–Paddack（YORP）效應可能是小天體最終演化為陀螺型的幕後推手。航院課題組使用自主智慧財產權的小天體顆粒動力學軟體，建立了千萬級顆粒精度的小天體地表模型，模擬在YORP效應作用下小天體在億萬年尺度上緩慢加速旋轉的過程。結果表明，自旋加速所引起的離心力增大使得中緯度附近的顆粒層逐漸不穩定，最終滑移並沉積於赤道區域，形成鼓起的赤道脊；而在表面重塑過程中，地表巨石也隨之蠕變移動，位於高緯度的巨石維持穩定，中緯度的巨石陷入下方的「流沙「中，赤道區域的巨石則被來自中緯度的沉積物完全掩埋。風化層-巨石耦合演化機制解釋了陀螺型小天體的主要地質特徵，顯示了YORP效應在小天體地貌演變中的重要作用。

研究以「基於表面巨石重構陀螺型小行星形成歷史」（Reconstructing the formation history of top-shaped asteroids by the surface boulders distribution）為題，於2020年10月19日發表在《自然·天文學》（Nature Astronomy）雜誌上。航院博士生程彬為第一作者，航院教授寶音賀西、北京航空航天大學副教授于洋為本文共同通訊作者，該項研究得到國家自然科學基金委等支持。

文章連結：https://www.nature.com/articles/s41550-020-01226-7

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陀螺型小行星因有鼓起的赤道脊，外表形似陀螺得名。這類小行星在太陽系中普遍存在，但其形成機制卻一直懸而未決。此前美、日兩國探測器近距離觀測陀螺型小行星「龍宮」和「貝努」發現，其表面風化層上散布諸多巨石。這些巨石的尺寸表明其與小行星本身的形成時間相當，其中很可能暗藏小行星的地質演化甚至起源線索。

研究團隊從巨石分布規律入手，發現小行星表面非均勻散熱產生的自旋加速可能是其最終演化為陀螺型的幕後推手。團隊使用完全自主開發的空間顆粒動力學軟體，建立了千萬量級顆粒精度的行星地表模型，在天河二號高性能計算集群上模擬了小行星風化層在百萬年時間尺度上的流動和演化。結果表明，自旋加速引起離心力增大，使赤道附近的顆粒層逐漸不穩定，最終滑移並沉積於赤道區域，形成鼓起的赤道脊；同時，地表巨石也隨之蠕變移動，位於高緯度的巨石維持穩定，中緯度的巨石陷入下方的流沙中，赤道區域的巨石則被來自中緯度的沉積物完全掩埋。模擬結果與「龍宮」「貝努」的觀測結果高度相符。

論文通訊作者、清華大學航天航空學院教授寶音表示，相關成果將服務於我國未來的小行星探測任務，為任務的設計論證提供方法依據和理論支撐。

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