追尋太陽系最初的樣子：紫臺研究小天體「瘦身」機制引發國際關注

近日，《自然·天文學》在線發表了中國科學院紫金山天文臺與德國馬普太陽系研究所等單位的一項合作研究成果，引發國際天文界的高度關注。這項關於太陽系小天體阿羅科斯（Arrokoth，中文名「天涯海角」）形狀形成機制的研究，解釋了這一目前人類近距離探測到的最遙遠和最原始的太陽系小天體，是如何用一百萬到一億年的時間「瘦身」成現在的扁平形狀的，而該「瘦身」機制可能廣泛存在於太陽系柯伊伯帶小天體形成初期的形狀演化過程中。

儘管如它的名字一樣，「天涯海角」距離我們非常遙遠，但是小天體是太陽系形成過程中殘留下的「化石」，是構建地球等行星的「磚瓦」，對它們的形成及演化的研究具有極為重要的意義。

阿羅科斯（Arrokoth）是誰？

首先，我們要先認識一下這項科學研究的主角——阿羅科斯（Arrokoth）。

2019年1月，在完成對冥王星（位於太陽系的邊緣柯伊伯帶內側）的探測任務後，NASA（美國國家航空航天局）「新視野號」探測器近距離飛越了另一顆柯伊伯帶小天體——阿羅科斯（Arrokoth）。這不僅創造了人類探測到的最遠、最原始的天體紀錄，也為人類探索太陽系及其天體的形成和演化提供了大量有價值的信息。

「太陽系小行星帶和柯伊伯帶都分布著大量的固態小天體，但與小行星帶不同的是，大多數柯伊伯帶小天體主要由凍結揮發物構成，如二氧化碳和水，而非金屬物質。」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是文章的第一作者，她告訴記者，這些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。研究太陽系小天體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。

趙玉暉介紹，「新視野號」探測器最初拍到的照片中，阿羅科斯是由兩個直徑十餘公裡大小的天體組成的雙瓣結構，通過相對細小的「頸部」連接，像極了冬日裡堆的雪人。這個身處太陽系遙遠邊疆的「雪人」，以它圓嘟嘟的可愛身姿成為世人關注的明星。而它的名字Arrokoth來源於美洲原住民波瓦坦人的語言，意指「天空」，同時它也有個詩意的中文名——「天涯海角」。

不過，隨著「新視野號」後期觀測數據陸續傳回，科學家發現，阿羅科斯並不是一個擁有肉嘟嘟的腦袋和身體的「雪人」，從側面看，這個小天體的形狀實際上更為複雜，更像是由兩個不同尺寸的飛盤拼接成的扁平結構。

這樣奇特的扁平形狀被認為是「新視野號」探測器獲得的最令人意外的探測結果。一般的行星形成理論認為，原始星子為球形或者橢球形，扁平結構在太陽系目前發現的天體中非常罕見。此前曾有猜測，這種扁平形狀是在太陽系早期的星雲坍塌過程中形成的，但目前國際天文學界也沒有相關的理論和模型給出合理的解釋。

這引起了研究行星形成的科學家們的廣泛關注。趙玉暉及其合作者也同樣好奇：是什麼原因讓原以為是圓滾滾的「雪人」變消瘦了呢？

這個「雪人」瘦身用了一億年

要揭開「雪人」瘦身的奧秘，必須從「雪人」自身因素說起。

阿羅科斯是一個冰質天體，其「頭」和「身體」兩部分表面都呈現出比冥王星表面更紅的顏色。「這樣的顏色是由於阿羅科斯表面存在大量共聚物分子——託林。託林不是簡單的純淨物，是由最初的甲烷、乙烷等簡單結構有機化合物在紫外線照射下形成的，廣泛存在於遠離恆星的寒冷星體上。」趙玉暉說。

「新視野號」還在阿羅科斯表面探測到了豐富的甲醇冰，以及水冰可能存在的痕跡。大量的甲醇和稀少的水冰標誌著在太陽系早期形成過程中，這片遙遠的太陽系原始星盤的外部區域由於被氣體和塵埃籠罩而溫度極低。一氧化碳、甲烷等氣體在低溫環境下得以凝結在塵埃顆粒上，為甲醇的產生以及水冰的分解提供了條件。

此外，阿羅科斯的軌道是一個近圓形軌道且傾角僅有2.45度，與黃道面十分接近。這樣的軌道構型表明其屬於柯伊伯帶小天體中的「冷經典」族群。「我們之所以把阿羅科斯稱為『冷經典』，並不是因為它的溫度低，而是從動力學上看，這類天體的軌道更穩定，可以說是太陽系內最穩定的一類天體。」趙玉暉介紹。

以上兩個因素：冰質組分以及穩定的軌道和自轉特性，正是「雪人」瘦身的關鍵。

趙玉暉團隊創造性地建立並利用「氣體揮發導致天體形狀變化的模型」（MONET模型），結合阿羅科斯的軌道和自轉特性，對其扁平形狀的形成給出了合理的理論解釋。

原來，在太陽系形成初期，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，遙遠的柯伊伯帶區域溫度非常低，大量甲烷、一氧化碳和氮氣這類活動性極強的分子能夠以固態的形式存在於星子中。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，阿羅科斯表面和內部的活動性氣體開始揮發，物質逐漸流失。

由於阿羅科斯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，兩極地區（「雪人」正面和背面）的太陽輻射遠大於赤道區域（「雪人」側面），因此也損失了更多的揮發性氣體成分從而不斷的趨近扁平。「這個『瘦身』的形狀演化過程在它形成後大約100萬至1億年的時間內完成。一億年啊，減肥這事兒，誰容易呢？」趙玉暉笑著說，不過，相比起它45億年的年齡，這個過程也不算長了。

莫奈模型，驗證遙遠星際的浪漫想像

在這項科學研究中，「氣體揮發導致天體形狀變化的模型」是最關鍵的工具，而這一模型最初是趙玉暉與合作者為了研究67P彗星形狀形成機制和南北被侵蝕的不對稱性的研究而設計的。

近年來，隨著深空探測技術的發展，人類對太陽系小天體的探測揭開了越來越多小天體的神秘面紗和關於生命之源的奧秘。「但在不斷的探測中，當你了解越多，隨之而產生的問題也就更多。」趙玉暉舉例說，在外形神似小鴨子的67P彗星上，北半球表面坑坑窪窪，而南半球表面則呈現出非常平滑的結構。為什麼在同一個天體上的南北兩極會存在如此大的地貌差異？正是趙玉暉與合作者對67P彗星的研究工作，為解釋阿羅科斯以及太陽系其他小天體的形狀結構提供了理論基礎和數值模型。

這一模型不僅可以用於木星族彗星的研究，也可以用於驗證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。也就是說，該「瘦身」機制可能廣泛存在於柯伊伯帶小天體形成初期的形狀演化過程中，「瘦身」效果則因小天體的軌道形狀和自轉姿態而不同。

「太陽系形成初期，這種形狀演化機制在柯伊伯帶小天體中很可能普遍存在。」趙玉暉解釋，但是某些小天體運行到距離太陽更近的區域，比如半人馬天體或者木星族彗星，由於受到更強的太陽輻射，導致活動性相對較弱的氣體（如二氧化碳、水）開始揮發，再次經歷類似的形狀演化過程。

「這些研究表明，在太陽系形成早期，有大量的甲烷、一氧化碳和氮氣等活動性氣體存在。了解它們揮發作用的機制對於研究太陽系早期星子形成、太陽系小天體的形成演化等具有極其重要的意義。」趙玉暉說，儘管如它的名字一樣，「天涯海角」距離我們非常遙遠，「新視野號」對它也僅是匆匆一瞥，但是這些小天體是太陽系形成過程殘留下的「化石」，是構建地球等行星的「磚瓦」，對它的形狀的研究仍然有重要意義。

研究人員還通過該模型英文名稱中的字母，賦予其一個浪漫的簡稱——莫奈（MONET）模型。太陽給人類藝術帶來的靈感，讓法國印象派畫家莫奈創造性地改變了陰影和輪廓線的畫法，在人類藝術史上留下了獨特的光影與色彩。而太陽給遙遠的星際邊疆帶去的光和熱，改變了天體的形態，也激發了人類對遙遠星空最浪漫的想像和探索欲望。「我們克服了重重困難建立了『莫奈』模型，這個模型不僅為天體形狀的演化機制提供了新穎、有趣且合理的解釋，也更堅定了人類對宇宙演化、對地球形成、對生命之源的探索，它的身上寄寓了很多美好的人類願景。」趙玉暉說。

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太陽系「化石」，揭秘天體與生命起源

仰望星空，探索宇宙，是人類的自我認知之路。近年來，隨著深空探測技術的發展，國際國內對太陽系小天體的探測和研究越來越多，生命之源的奧秘，永遠吸引著我們去好奇、去想像、去實踐。

我國對圖塔蒂斯小行星的飛越探測

早在2012年12月，我國就進行過小行星探測任務。當時，「嫦娥二號」月球探測器成功飛抵距地球約700萬公裡遠的深空，以10.73公裡/秒的相對速度，與國際圖塔蒂斯小行星由遠及近擦身而過。交會時「嫦娥二號」星載監視相機對小行星進行了光學成像。圖塔蒂斯是迄今為止靠近地球的最大的小行星之一，它的形狀看起來就像一顆多瘤的花生，中間長而窄，兩側是大小不等的突出物，它不僅外形古怪，質量分布也呈現出很不均勻的特徵。

這是我國歷史上首次對小行星的飛越探測，也是國際上首次實現對該小行星的近距離探測。在這個我國目前唯一一個小行星探測任務中，中國科學院紫金山天文臺行星科學與深空探測實驗室在圖塔蒂斯小行星的定軌、觀測策略、物理特性、表面年齡、形狀形成機制和自轉動力學演化等方面的研究中取得了一系列成果。

「小鴨子」67P彗星為何南北侵蝕不對稱

2014年，歐洲航天局「羅塞塔號」探測器到達木星族彗星67P/Churyumov–Gerasimenko（代號67P）。「彗星是太陽系形成初期留存至今的碎片，它們可能還保存著45億年前原始太陽系的信息。」趙玉暉解釋說，有理論認為小行星或彗星的撞擊將生命的基本構成元素送到了地球，而科學家也確實在彗星67P上發現了構成生命的必要有機物——甘氨酸。這次探測為解開太陽系起源之謎，回答地球上的水及構成生命的有機物質是否來自於彗星的問題提供了線索。

67P是一顆軌道周期為6.44年，自轉周期為12.4小時的木星族彗星。從照片可以看出，67P彗星由明顯的兩部分組成，看上去就像一隻小鴨子的頭部和身子。這一怪異的外形可能是由於從彗星地表噴發出去的氣流和塵埃物質噴流侵蝕造成的，它們或許造成了這顆彗星「脖頸」部位物質的嚴重剝蝕；但也存在這樣的可能，那就是這隻「鴨子」的「頭部」和「身子」部分原本就屬於兩個單獨的小天體，後來在一次碰撞中粘結在了一起，從而形成今天「羅塞塔號」飛船所見的模樣。而67P彗星的北半球表面坑坑窪窪，南半球表面則非常平滑，這同樣引起了趙玉暉與合作者的好奇，它們目前正對67P彗星南北被侵蝕的不對稱性進行研究。

貝努和龍宮小行星都發現水的痕跡

2018年，美國「歐西裡斯號」（OSIRIS-REx）探測器和日本「哈亞布薩2號」（Hayabusa2）探測器分別到達了近地小行星貝努（Bennu）和龍宮（Ryugu）開展探測。研究發現，貝努和龍宮小行星上都發現了水（曾）存在的痕跡。作為太陽系形成之初的殘留，貝努和龍宮遍布含水材料，讓它們成為研究太陽系原始揮發物和有機物成分的極佳樣本。

貝努（Bennu）是一個威脅近地天體且非常神秘的小行星，科學家預測其22世紀末將近距離接近地球，碰撞地球的概率為兩千五百分之一。2018年12月10日，美國「奧西裡斯-REx」（OSIRIS-REx）探測器在貝努小行星上發現了水痕跡。

初步分析顯示，貝努小行星存在含氫氧基的分子，其中氫氧基由氫原子和氧原子相連組成。整個小行星的含水粘土材料中都存在氫氧基團，這意味著貝努的巖體曾在某個時間點上與水發生過反應。貝努體積太小，不足以容納液態水，因此這意味著貝努曾經的母體——一個體積更大的小行星——曾在某個時間存在液態水。

科研人員用紅外光譜法證明，含碳物質（如有機分子和/或碳酸鹽礦物）廣泛分布於貝努的大部分表面，尤其集中在單個的卵石上。他們在探測器主要採樣點附近的一些卵石中發現了明亮的巖脈，這些巖脈具有明顯的紅外吸收，提示它們是碳酸鹽礦物。在太陽系形成的早期，這些巖脈是通過與在貝努的小行星母體上流動的水進行反應而形成的。

科研人員還發現，貝努的南半球更圓、更光滑，而其北半球的坡度更高、形狀更不規則。貝努可能由兩種不同類型的卵石組成，它們雖有相似的礦物成分，但具有不同的顏色和反照率，它們也可能具有不同的結構特性。

近地小行星（162173）龍宮被認為是一個原始的碳質天體，含有水合礦物和有機分子，其運行軌道大多位於地球和火星之間。許多科學家認為，這種巖石小行星可能在很久以前與地球的碰撞中，將生命的基本構成元素送到了地球上。

日本「哈亞布薩2號」（Hayabusa2）探測器曾於2018年短暫著陸龍宮，並在進行樣本採集時，拍攝了高解析度的圖像和視頻，令研究人員能對其巖石表面做近距離觀察。他們在龍宮上發現較新巖石，命名其為「龍女」。

龍宮直徑約1千米，赤道附近由於自轉離心力而膨脹，形成類似算盤珠或陀螺的形狀。它的表面布滿碎石，有類似隕石坑的凹陷。「哈亞布薩2號」先前的觀測顯示，龍宮表面是由兩種不同類型的物質組成的，一種顏色略為偏紅，另一種稍微偏藍。然而，這種顏色變異的原因仍然未知。研究人員認為，小行星表面變紅是由太陽短期強烈的加溫所致，原因之一可能是龍宮運行軌道短暫地轉向太陽。

交匯點記者 蔡姝雯 王甜