花一億年成功“瘦身”小天體“天涯海角”的秘訣是曬太陽

2020-10-12

柯伊伯帶數以億計的含冰小天體，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。因此，研究柯伊伯帶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。

2019年元旦，美國國家航空航天局“新視野”號探測器飛越柯伊伯帶小天體“2014 MU69”。

這是目前人類探測到的最遙遠和最原始的太陽系天體，它那扁平的雙瓣狀結構，宛如一個胖乎乎的雪人。這個“胖娃”引起了科學家的濃厚興趣。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字——“天涯海角”。

10月5日，《自然·天文》在線發表了中國科學院紫金山天文台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的合作研究成果。科研人員建立並利用太陽系小天體活動性物質揮發導致其形狀演化的模型，對“天涯海角”奇特的扁平形狀進行了分析，並得出一個全新的結論：這個圓乎乎的“胖娃”在其誕生後100萬到1億年的時間裏，大量甲烷、一氧化碳和氮氣等活動性氣體揮發導致了其扁平狀結構的形成，而且這種“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。

神秘的柯伊伯帶小天體

柯伊伯帶的命名來自一位美籍荷蘭天文學家——G.P.柯伊伯。

1951年，柯伊伯把愛爾蘭天文學家E.埃奇沃思提出的關於短週期彗星起源的設想發展成相應的理論，於是後人將這一預期中的環帶稱為柯伊伯帶，或埃奇沃思—柯伊伯帶。

1992年，天文學家用光學望遠鏡在海王星軌道外的環日軌道上觀測到一個小行星，隨後又發現更多類似的天體。到2006年，觀測到的總數已超過1000個，其中最大的一個直徑達1200千米，其餘的直徑多為200—400千米。

現在，人類已經可以通過地面望遠鏡觀測到柯伊伯帶不計其數的小天體，或者像“新視野”號那樣，飛越柯伊伯帶，為那些神秘的小天體拍張特寫近照。

趙玉暉告訴科技日報記者，柯伊伯帶在太陽系圓盤外圍，海王星軌道以外，距太陽30—50個天文單位（AU，1天文單位約為1.496億千米），主要由小型天體或太陽系形成的殘餘物組成。

它與小行星帶類似，分佈着數億固態小天體，是木星族彗星的發源地。但與小行星帶不同的是，大多數柯伊伯帶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。

説起柯伊伯帶中最著名的天體，就是曾經的太陽系第九大行星——冥王星。不過後來它被排除在外，其中一個重要原因就是因為它的大小和柯伊伯帶某些小天體的大小相當。

關於柯伊伯帶小天體的成因，目前還是一個未解的謎，科學家傾向於認為不同族羣的柯伊伯帶小天體可能形成於太陽系的不同位置。在45億年前，在接近太陽的區域，許多星際物質繞着太陽轉動、互相碰撞，結合在一起，形成了地球和其他類地行星，以及氣體巨行星的固體核。而在遠離太陽的區域，比如柯伊伯帶，温度極低，許多宇宙塵埃、冰、氣體得以保存下來，形成了大量比行星小的天體。

保留太陽系形成早期的物質

而“天涯海角”作為柯伊伯帶中最穩定的一類小天體——“冷經典”族羣，其軌道在演化過程中受到外界的干擾很少，屬於該區域土生土長的小天體。對於“天涯海角”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。

“我們之所以把‘天涯海角’稱為‘冷經典’，並不是因為它的温度低，而是從動力學上看，這類天體的軌道更加穩定，可以説是太陽系內最穩定的一類天體。”趙玉暉介紹説，除了“冷經典”族羣，在柯伊伯帶內還有“熱”經典柯伊伯帶天體、離散盤小天體、海王星共振軌道小天體等其他類型的小天體。

“天涯海角”是一個令人興奮的天文發現。它距地球約66億千米，是一個由兩部分組成的雙瓣結構天體，表面直徑不超過32千米，它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。而且它的顏色偏紅，温度極低。“這説明它含有託林，一種如甲烷、乙烷等簡單結構有機化合物在紫外線照射下形成的、存在於遠離恆星的寒冷天體上的物質。現有資料表明，它的表面最高温度約為零下218.15攝氏度。”趙玉暉説。

而在柯伊伯帶內，“天涯海角”又是極為穩定的“冷經典”族羣，可以説它自45億年前誕生後就沒有發生過太大的變化，因而“天涯海角”很可能保留着一些太陽系形成早期的物質。

輻射差異決定小天體“體形”

雙瓣結構的小天體在太陽系中較為普遍。但是扁平結構的天體則較為罕見，目前也沒有相關的理論和模型對於它的存在給出合理的解釋。

在此之前，國際天文學界並未對“天涯海角”奇特的形狀給出相應的解釋，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。

趙玉暉團隊自主開發出一套活動性物質揮發作用下小天體形狀演化的模型，利用這個模型他們對木星族彗星67P/CG，以及其他木星族彗星開展了相關的研究。

“雖然受觀測數據限制，我們的樣本比較有限，但是該模型在67P/CG彗星形貌的南北不對稱及彗星的表面地貌演化等問題的研究中都得到了驗證，這就説明我們的模型是可信的。”趙玉暉説道。

趙玉暉告訴記者，儘管如它的名字一樣，“天涯海角”距離我們非常遙遠，“新視野”號對它也僅僅是匆匆一瞥，但是對它的形狀的研究仍然有重要意義。

研究表明，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或釐米大小的顆粒，這些顆粒不斷聚集形成幾十到百千米大小的球形或橢球形星子。“天涯海角”可能最初就是由兩個這樣的星子結合形成的。

在太陽系形成初期，星際空間中仍充斥着大量的氣體和塵埃，遮擋了大部分太陽輻射，遙遠的柯伊伯帶區域温度依然非常低，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。隨着太陽系中的氣體和塵埃被驅散，太陽輻射變得強烈，温度逐漸升高，“天涯海角”表面和內部的活動性氣體開始揮發，物質逐漸流失。

由於“天涯海角”兩極受到的太陽輻射遠遠大於赤道區域，因而氣體的揮發速度也大大提高，整體形狀不斷的趨於扁平。

“這個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，相比起它45億年的年齡，這個過程是非常短暫的。”趙玉暉説。

據趙玉暉介紹，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。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）揮發，再次經歷類似的形狀演化過程。

“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。瞭解它們的作用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。”趙玉暉説。