長“尾巴”的小行星

2023年4月，中國首次火星探測任務(wù)工程總設(shè)計師張榮橋表示，天問二號已經(jīng)基本完成初樣研制階段的工作，計劃于2025年5月前后實施發(fā)射。天問二號除了要完成探測近地小行星2016 HO3并實現(xiàn)對該小行星的采樣返回任務(wù)之外，還會前往探測一顆主帶的活動小行星311P/PANSTARRS。這顆小行星雖然軌道位于小行星帶，但是卻表現(xiàn)出彗星的特征，這究竟是怎么回事呢？

01 活動小行星的獨特探索

在傳統(tǒng)觀念中，位于雪線以內(nèi)的小行星與彗星有著明顯區(qū)別。一直以來，人們認為小行星是“沉寂的”天體，與彗星不同，后者因水冰揮發(fā)形成的彗發(fā)與彗尾而備受矚目。然而，隨著望遠鏡技術(shù)的進步，我們對小行星有了全新的認識。2002年，Hsieh等人[1]意外地發(fā)現(xiàn)了小行星7968 Elst-Pizzaro表現(xiàn)出類似彗星的彗尾現(xiàn)象。這引發(fā)了人們對小行星活動性的深入思考與探索。

圖1：1996年8月7日, Eric W. Elst觀測到小行星1979 OW7（133P）彗星一般的“尾巴” 丨 ESO

初時，人們猜測這可能是一顆誤入主帶的彗星。然而，經(jīng)過后續(xù)定期觀測發(fā)現(xiàn)該小行星每次接近太陽近點時都表現(xiàn)出活動性，這不可能是偶然事件。于是，人們不得不重新審視小行星與彗星的定義和聯(lián)系。隨著越來越多這類有活動性的小行星的發(fā)現(xiàn)，Hsieh等人將這些具有類似彗星活動性卻具有小行星軌道的小天體稱為**“活動小行星”（Active Asteroids）**。根據(jù)軌道位置的分布還分為主帶的活動小行星（位于主小行星帶區(qū)域）和近地的活動小行星（位于近地軌道區(qū)域）。

圖2：主帶內(nèi)活動小行星（紅點）與一般小行星（黃點）和彗星（藍點）軌道分布比較圖[2]

圖3：小行星有“尾巴”的望遠鏡觀測圖像。 [3]

02 活動小行星的起源

活動小行星的起源有兩種主要猜想。一種認為它們可能是早期太陽系捕獲的彗星，另一種則認為它們可能來自主帶附近的小行星。

Levison等人的數(shù)值模擬表明，在Nice模型的支持下，許多原始的海外（海王星以外）天體在早期太陽系動力學(xué)演化階段可以散射到內(nèi)太陽系，并被捕獲至距離太陽2.68 AU 左右的軌道內(nèi)。Hsieh、Jewitt和Fernández的觀測研究表明，活動小行星的光譜顏色特征與來自柯伊伯帶的彗星不一致，從而基本排除了活動小行星來自柯伊伯帶或奧爾特云的可能性。

另一種猜想則是，活動小行星可能源自于真正的小行星，是通過大的母體小行星的分裂產(chǎn)生的，這種觀點與活動小行星的光學(xué)和軌道特征相吻合。Levison等研究表明，彗星的動力學(xué)壽命大約為45萬年，而許多活動小行星在超過1億年的時間尺度上都保持動力學(xué)穩(wěn)定，這說明活動小行星很可能起源于主帶區(qū)域，和小行星的起源類似。

圖4：小行星起源示意圖，較大的母體小行星經(jīng)過撞擊或者旋轉(zhuǎn)裂解成為小行星族群，在雅科夫斯基效應(yīng)、共振等的作用影響下演化至當(dāng)前位置。[4]

03 活動小行星的機制與特點

活動小行星的活動性機制多種多樣，包括水冰升華、撞擊噴發(fā)、旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定、靜電力、熱分裂、熱脫水、沖擊脫水和輻射壓力等。其中，冰的升華、撞擊噴發(fā)和旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定是最為常見的機制。

3.1水冰升華活動機制

活動機制為水冰升華的活動小行星的意義比較重大，這意味著在雪線以內(nèi)也有水冰的存在，因此它們還有一個官方名稱，主帶彗星。

盡管目前我們只在原始天體的表面下較深處發(fā)現(xiàn)了水冰存在，然而這些原始天體可能會因碰撞或旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定而破碎成各種大小的碎片（后來可能演化成小行星），從而暴露其內(nèi)部的水冰。當(dāng)這些水冰受到太陽輻射影響而升華時，產(chǎn)生的塵埃粒子受引力作用會重新降落到天體表面，形成一層塵埃幔層。這個過程會一直持續(xù)，直至塵埃幔層足夠厚，阻止水冰的熱輻射，從而使活動停止。水冰通常被埋藏在幾米或幾十米的深度，直到有較大物體撞擊表面，將這些水冰挖掘出來。當(dāng)主帶彗星接近太陽近點時，暴露在外的水冰會受到太陽的熱輻射而升華，形成彗發(fā)和彗尾，從而產(chǎn)生我們目前觀測到的活動現(xiàn)象。主帶彗星的活動性會隨著暴露的水冰耗盡或被新的塵埃層覆蓋而終止，直至下一次撞擊再次挖掘出水冰。換句話說，一顆主帶彗星可能會被多次激活，直至水冰耗盡、離開小行星帶進入不穩(wěn)定軌道，或與其他小行星、行星碰撞。

圖5：最早發(fā)現(xiàn)的三顆主帶彗星 [5]

圖6：水冰升華活動機制的活動小行星（簡稱為主帶彗星）的演化示意圖[6]

3.2 旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定活動機制

對于因旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定而產(chǎn)生活動的小行星，通常是由于其他天體的引力、碰撞、揮發(fā)物升華以及電磁輻射等物理過程施加了力矩，使得小行星的自轉(zhuǎn)速率加快，最終發(fā)生自轉(zhuǎn)裂變。

在小行星帶中，由于小行星的質(zhì)量較小，從而引力力矩相對較小，因此小行星之間的碰撞則可能導(dǎo)致角動量的隨機增大。含水冰的小天體在水冰升華時產(chǎn)生氣體，這也能有效地改變自轉(zhuǎn)狀態(tài)。

然而，對于不含冰的小天體，輻射力矩更有可能是其自轉(zhuǎn)速率加快的主要原因。由于小行星吸收太陽能并以熱能的形式輻射至太空，這個過程產(chǎn)生的熱能光子會在非均勻和非等溫的小行星表面產(chǎn)生微小的推動力，這就是所謂的Yarkovsky效應(yīng)。這個效應(yīng)對小行星的動力學(xué)演化產(chǎn)生了重要影響。若這個推力不通過小行星的質(zhì)心，它將改變小行星的自轉(zhuǎn)狀態(tài)并導(dǎo)致進動，這就是YORP效應(yīng)。

大多數(shù)小行星都會受到Y(jié)arkovsky和YORP效應(yīng)的影響，但復(fù)雜之處在于，YORP效應(yīng)不僅改變小行星的自轉(zhuǎn)狀態(tài)，還會影響其形狀，例如在旋轉(zhuǎn)過程中表面物質(zhì)的滑動；形狀的變化進而會反過來影響YORP力矩的方向和大小。正是由于力矩、自轉(zhuǎn)、小行星內(nèi)部物質(zhì)性質(zhì)、形狀和質(zhì)量損耗之間的復(fù)雜相互作用，我們尚未擁有完善的小行星旋轉(zhuǎn)裂變機制的模型，但一些近似模型也在嘗試研究力矩對小行星自轉(zhuǎn)、形狀、質(zhì)量損耗、結(jié)構(gòu)分解以及雙星系統(tǒng)形成的影響。

圖7：2013年7月10日所拍攝旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定活動小行星311P/PANSTARRS的活動圖像，活動時共六條彗尾[7]

3.3 碰撞活動機制

碰撞噴發(fā)是另一種活動小行星產(chǎn)生活動性的機制。在碰撞發(fā)生后，小行星的表面光譜性質(zhì)可能會發(fā)生變化。通過觀測限制的物理模型以及光譜信息，我們能夠進一步了解撞擊天體表面的物質(zhì)性質(zhì)。此外，通過對撞擊頻率的統(tǒng)計，我們還可以更深入地估算不可觀測的米級或幾十米級天體的數(shù)量。

圖8：撞擊碎裂的活動小行星(596) Scheila的觀測圖像[8]

04 旋轉(zhuǎn)裂變活動小行星311P

2013年8月27日，小行星311P/PANSTARRS首次由PanSTARRS巡天望遠鏡發(fā)現(xiàn)。311P位于小行星內(nèi)主帶，軌道半長徑a=2.189 AU，有中等偏心率e=0.115和較小的傾角i=5.0°，其軌道參數(shù)與古老的Flora族群(～ 109 yr)的小行星相似，可能是其中的成員之一。Flora族群是一個具有一萬多個小行星成員的大族群, 通過小行星光譜檢測到大多數(shù)族群成員都是S型小行星。另一方面，通過Jewitt等人對311P色指數(shù)的測量也表明311P更有可能是一個S型小行星。

在2013年9月至2014年2月期間，哈勃太空望遠鏡對311P進行了連續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)其分散噴射碎片，每次形成不同的彗尾，粒子半徑范圍從10微米到至少80毫米，噴射速度小于1m/s，這一觀測結(jié)果與撞擊和水冰升華活動性等原因相矛盾。Jewitt等人假設(shè)這些彗尾可能是由快速旋轉(zhuǎn)的彗核分裂產(chǎn)生，可能是因為YORP效應(yīng)導(dǎo)致的。

綜上可知，311P的軌道位于小行星內(nèi)主帶，與小行星的軌道一致，因此它是具有類似彗星活動性且具有小行星軌道的活動小行星。

圖9：311P的7個觀測時期的圖像處理，其中G-I彗尾是在2013年7月10日之后所識別得到[9]

05 未來探索

活動小行星引發(fā)了我們對于太陽系中小天體多樣性的新認識。311P/PANSTARRS的研究為我們揭示了活動小行星的一些特性，但仍有許多待解之謎。值得期待的是，“天問二號”計劃將于2025年左右進行發(fā)射，這項任務(wù)將借助長征三號乙運載火箭，分別探測共軌近地小行星2016 HO3以及主帶的活動小行星311P/PANSTARRS。通過這次探測，我們將更加深入地了解活動小行星的塵埃環(huán)境、熱物理屬性等物理特性，為更深入研究活動小行星提供數(shù)據(jù)支持，進一步豐富我們對活動小行星的了解。

參考文獻：

[1]Hsieh H H. The Astronomical Journal, 2004, 127(5): 2997-3017.

[2]Jewitt D., 2015, Asteroids IV. pp 221–241.

[3]Jewitt D., 2012, AJ. 143, 3.

[4]Novakovic B, EPSC-DPS Joint Meeting 2019: volume 2019.

[5]Hsieh H., Science, 2006, 312(5773): 561-563.

[6]Hsieh H., The Astronomical Journal, 2018, 155(2): 96.

作者：辛瑛琦（中國科學(xué)院紫金山天文臺博士研究生）