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Science:“新視野號”探測柯伊伯帶的“雪人”
2020-04-17 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  柯伊伯帶小行星被認為是原地形成的星子,在后期巨行星軌道遷移事件中未受到嚴重擾動,因此它們記錄了星云形成星子的詳細過程,是揭示太陽系起源和早期演化這一基本科學問題的鑰匙(Nesvorny, 2018)。2006年發射的 新視野號New Horizons)于20191月飛至柯伊伯帶,對編號為486958的小行星(Ultima Thule, 2014 MU69)開展了近距離探測,首次獲得了柯伊伯帶小行星高清的地形地貌(Spencer et al., 2020)、礦物成分(Grundy et al., 2020)、內部結構(Spencer et al., 2020)等信息,為認識太陽系早期演化提供了重要線索(McKinnon et al., 2020),相關結果于2020229號發表在Science上。486958號小行星已正式命名為Arrokoth,意為天空。該小行星形似雪人,本文以雪人形象稱呼它。 

  雪人小行星有著以下地質和地球物理特征(Spencer et al., 2020):它是一個雙小行星(Binary asteroid),由大(身體)?。^部)兩個小行星粘連在一起(圖1A),自轉周期為15.92±0.02小時。其中身體尺寸為20.6×19.2×9.4 km,頭部尺寸為15.4×13.8×9.8 km,密度約500 kg/m3,與67P彗星相當。全球0.6微米歸一化反射率為0.23,身體和頭部均有反射率偏高的區域(圖1B),被認為是內部物質活動所致。綜合地形地貌和光譜數據,可以劃分為若干單元,包括撞擊坑、洞、亮區、暗區、未熔融區等(圖1C)。統計年代學分析結果表明,撞擊坑保存年齡為約40億年,基本保留了太陽系形成以來的演化歷史。 

1 “雪人小行星的形貌和地質圖(Spencer et al.,2020)。(A)地形地貌特征;(B0.6微米歸一化的反射率;(C)地貌分類圖

2 A雪人小行星上撞擊坑和洞的分布。(B)撞擊坑年代學統計,受限于空間分辨率,其中粉紅色曲線代表撞擊坑的數據,可信度較高,指示撞擊坑年齡為~40億年;其它顏色曲線的結果可能混有非撞擊坑的信號(Spencer et al.,2020

  雪人小行星的礦物組成和溫度特征如下(Grundy et al., 2020):可見光波段的三波段合成假彩色圖片顯示,它具有比較均一的光譜特性(圖3B),說明它表面的主要組成礦物分布比較均勻??梢姽獠ǘ尉哂忻黠@的變紅趨勢,即隨波長增加,反射率升高,升高幅度為27%/100nm(圖3C);統計分析結果表明,它的頭部和身體的光譜特征幾乎沒有差異。近紅外波段的反射光譜數據質量并不理想,通過擴大分析區域(圖4B),Grundy et al.(2020)給出了雪人一些區域的近紅外光譜(圖4C)。累計平均的光譜曲線(圖4C)顯示,它在1.5-1.6、2.0-2.1、2.272.34微米波段存在一些吸收峰,指示存在甲醇、水冰和氨水,其中甲醇在2.272.34微米波段的吸收峰較強,可信度較高。微波熱輻射探測數據表明雪人的平均亮溫為29±5K,結合密度、軌道、公轉周期等其他物理參數后,估算其春季的表面溫度為40-55K,冬季可能為10-20K。這些新發現表明雪人是外太陽系星云直接凝聚的星子,而非內太陽系形成后遷移到外太陽系所致。夏冬兩季的溫度變化會導致一些組成氣體揮發份丟失,可能是導致它表面成分差異的主要原因。 

3 A)“雪人”小行星的形貌圖,空間分辨率83 m/pixel;(B)“雪人”小行星可見光波段的假彩色圖,數據來自:400-450 nm、540-700 nm780-975 nm的反射率,空間分辨率340 m/pixel;(C)彩色坡度圖,基于不同波段反射率的線性擬合(Grundy et al., 2020 

4 “雪人”小行星近紅外光譜(Grundy et al., 2020。(A)“雪人”小行星的形貌圖,空間分辨率138 m/pixel;(B)“雪人”小行星的近紅外光譜圖像,空間分辨率1.9 km/pixel;(CB圖標記區域的反射光譜與Hapke模型對比,2.25-2.35微米波段可見甲醇的吸收峰,紫色箭頭指示微弱的甲醇、水冰和氨水的吸收峰 

  根據新發現的“雪人”小行星的地形地貌、物理性質和化學成分等Spencer et al., 2020; Grundy et al., 2020,McKinnon et al.(2020)對比分析現有雙小行星的形成機制,并通過數值模擬計算,結果表明只有在撞擊速度~2.9 m/s條件下,兩個小行星才會形成雪人的形態特征(圖5),他們認為“雪人”的形成機制在星子生長階段可能具有普遍性。 

5 “雪人”小行星形成的數值模擬(McKinnon et al., 2020。(A)撞擊速度10 m/s,撞擊角度45°;(B)撞擊速度5 m/s,撞擊角度45°;(C)撞擊速度2.9 m/s,撞擊角度80°    

  我國深空探測起步較晚,月球、火星、小行星和木星將是未來我國深空探測的主要對象。相比火星等行星系統,小行星是太陽星云直接凝聚形成的星子,是構建行星的初始材料,因此小行星探測是揭示太陽星云過程、行星系統形成和生命起源等重大科學問題的突破口。國際上已經對Itokawa、Yugu、Benu、Vesta、Ceres、67P等小行星和彗星開展一些開拓性的探測,然而小行星在礦物組成、化學成分、形成條件、物理性質、空間分布等存在顯著的差異,還有更多的科學問題等待探索。     

  主要參考文獻 

  Grundy W M, Bird M K, Britt D T, et al. Color, composition, and thermal environment of Kuiper Belt object (486958) Arrokoth[J]. Science, 2020, 367(6481): eaay3705.鏈接 

  McKinnon W B, Richardson D C, Marohnic J C, et al. The solar nebula origin of (486958) Arrokoth, a primordial contact binary in the Kuiper Belt[J]. Science, 2020, 367(6481): eaay6620.鏈接 

  Nesvorny D. Dynamical evolution of the early solar system[J]. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 2018, 56: 137-174.鏈接 

  Spencer J R, Stern S A, Moore J M, et al. The geology and geophysics of Kuiper Belt object (486958) Arrokoth[J]. Science, 2020, 367(6481).鏈接     

  (撰稿:胡森/地星室)

 
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