“雪人”：講真，曬太陽(yáng)確實(shí)能瘦身

2019年1月1日，在圓滿完成了對(duì)冥王星的探測(cè)任務(wù)之后，NASA的新視野號(hào)（New Horizon）探測(cè)器近距離飛越了一顆柯伊伯帶小天體——“天空”阿羅科斯（Arrokoth），這不僅創(chuàng)造了人類探測(cè)到最遠(yuǎn)和最原始的天體的紀(jì)錄，也為我們了解太陽(yáng)系和太陽(yáng)系天體的形成過(guò)程提供了大量有價(jià)值的信息。

有意思的是，當(dāng)新視野號(hào)從3500千米的距離完成了與阿羅科斯的近距離交匯，并將首批拍攝的圖像從距離太陽(yáng)43.4 天文單位（au）的地方傳回地球時(shí)，呈現(xiàn)在人們臉前的竟然是一個(gè)萌萌噠雪人狀天體！阿羅科斯是一個(gè)由兩個(gè)十余公里大小的天體組成的密近雙星結(jié)構(gòu)，但與此前通過(guò)掩星觀測(cè)獲得的初步信息所預(yù)期的啞鈴形狀有所不同，照片中阿羅科斯兩個(gè)尺度不同的較圓的部分通過(guò)相對(duì)細(xì)小的頸部相連接，像極了我們?cè)诙沾笱┨炖锒训难┤?。一時(shí)間，這個(gè)身處太陽(yáng)系遙遠(yuǎn)邊疆的“雪人”，以它圓嘟嘟的身姿和可愛(ài)的形象成為世人關(guān)注的明星。

新視野號(hào)早期拍攝到的阿羅科斯的圖像展示了一個(gè)外形酷似雪人的雙瓣結(jié)構(gòu)小天體 | 圖源：NASA/JHU-APL/SWRI

不過(guò)，隨著后期觀測(cè)數(shù)據(jù)陸續(xù)傳回地球，科學(xué)家得以從不同的視角觀察“雪人”，發(fā)現(xiàn)阿羅科斯不再是一個(gè)擁有圓嘟嘟的腦袋和身體的“雪人”了。從側(cè)面看，“雪人”的肚皮變得干癟癟的，腦袋也成了凹凸不平的飛盤。新的數(shù)據(jù)顯示，這個(gè)小天體的形狀實(shí)際上更為復(fù)雜，看起來(lái)更像是由兩個(gè)不同尺寸的飛盤拼接成的扁平結(jié)構(gòu)。兩個(gè)部分的尺寸分別為20.6×19.9×9.4 km和 15.4×13.8×9.8 km，兩部分的體積比大約為1.9, 其中較大的一頭展示出更扁的結(jié)構(gòu)。

柯伊伯帶小天體阿羅科斯。 | 圖源：PMO/X. Zheng/Y. Zhao；形狀模型: NASA/Spencer et al., 2020; 背景: Courtesy of Southwest Research Institute/Alex H. Parker

一般的行星形成理論普遍認(rèn)為原始星子為球形或者橢球形，扁平結(jié)構(gòu)在太陽(yáng)系目前發(fā)現(xiàn)的天體中非常罕見(jiàn)。阿羅科斯這一奇怪的形狀可謂是新視野號(hào)飛越任務(wù)中收獲的最大驚喜，引起了研究行星形成的科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。是什么原因讓原以為是圓滾滾的“雪人”變得消瘦了呢？要解答這個(gè)疑問(wèn)，必須從雪人自身的因素說(shuō)起：

來(lái)自幽冥

阿羅科斯是一個(gè)冰質(zhì)天體，來(lái)自位于海王星軌道外遙遠(yuǎn)而寒冷的柯伊伯帶，被認(rèn)為是太陽(yáng)系早期形成過(guò)程中遺留的原始星子。與飛越任務(wù)前哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果相一致，新視野號(hào)獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示， 阿羅科斯兩部分的的表面都呈現(xiàn)出比冥王星表面更紅的顏色，這與觀測(cè)到的其他“冷經(jīng)典”柯伊伯帶小天體的表面特性相一致。這樣的顏色是由于阿羅科斯表面存在大量的共聚物分子——托林。托林不是簡(jiǎn)單的純凈物，是由最初的甲烷、乙烷等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)有機(jī)化合物在紫外線照射下形成的，和甲烷、乙烷一樣廣泛存在于遠(yuǎn)離恒星的寒冷星體上。

此外，新視野號(hào)還在阿羅科斯表面探測(cè)到了豐富的甲醇冰和其他的有機(jī)分子，以及水冰可能存在的痕跡。大量的甲醇和稀少的水冰標(biāo)志著在太陽(yáng)系早期形成過(guò)程中，這片遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)系原始星盤的外部區(qū)域由于被氣體和塵?；\罩而溫度極低。CO、甲烷等氣體在低溫環(huán)境下得以凝結(jié)在塵埃顆粒上，為甲醇的產(chǎn)生以及水冰的分解提供了條件。

左：阿羅科斯表面呈現(xiàn)出較深的紅色；右：阿羅科斯表面呈現(xiàn)出復(fù)雜的地貌特征 | 圖源：Stern et al., science, 2019

基于阿羅科斯的表面展現(xiàn)出的物質(zhì)成分、光譜特征以及地貌結(jié)構(gòu)等特性，科學(xué)家認(rèn)為它的表面可以追溯到40多億年前太陽(yáng)系形成初期行星吸積的時(shí)期，因此，這個(gè)遙遠(yuǎn)且原始的小天體可以為我們了解太陽(yáng)系早期形成的過(guò)程提供重要的信息。

不一樣的烤串兒模式

阿羅科斯的軌道半長(zhǎng)軸為44.6個(gè)天文單位，軌道偏心率0.046，是一個(gè)近圓形的軌道，軌道周期297.67年。它的軌道傾角僅有2.45度，與黃道面十分接近。這樣的軌道構(gòu)型表明阿羅科斯屬于柯伊伯帶小天體中的“冷經(jīng)典”（Cold Classical KBOs）族群，也就是自太陽(yáng)系形成以來(lái)的演化歷史中受到動(dòng)力學(xué)干擾最少的一類柯伊伯帶小天體。

阿羅科斯繞最大的慣量主軸自轉(zhuǎn)，該軸與兩個(gè)部分各自的最大慣量主軸指向非常接近。阿羅科斯自轉(zhuǎn)周期是15.92小時(shí)，自轉(zhuǎn)軸與軌道面法向的夾角約為99度，與軌道面非常接近。這種情況與太陽(yáng)系的一顆大行星——天王星非常相似，天王星的自轉(zhuǎn)軸與軌道面法向的夾角約為98度，看上去就像是躺在軌道上滾動(dòng)的。在一個(gè)297.67年的公轉(zhuǎn)周期內(nèi)，當(dāng)自轉(zhuǎn)軸指向太陽(yáng)時(shí)，其南極（或是北極）會(huì)受到長(zhǎng)期的、穩(wěn)定的、來(lái)自太陽(yáng)的燒烤；而當(dāng)其赤道朝向太陽(yáng)時(shí)，則變成頭和屁股上下翻騰的燒烤模式，周期為15.92小時(shí)。顯然這樣做出來(lái)的烤串兒不僅能吸引顧客的眼球，還能收獲吃貨們的拳頭。

阿羅科斯的扁平形狀和自轉(zhuǎn)軸 | 圖源：Stern et al., science, 2019

目前的研究認(rèn)為，阿羅科斯目前的自轉(zhuǎn)狀態(tài)在其形成初期已經(jīng)形成，天體撞擊、YORP效應(yīng)和氣體揮發(fā)等都未在其演化歷史中顯著地改變它的空間的指向和自轉(zhuǎn)角速度。

都是太陽(yáng)惹的禍

以上兩個(gè)因素：冰質(zhì)組分和特殊的自轉(zhuǎn)，正是“雪人”塑身的關(guān)鍵。

近日，紫金山天文臺(tái)研究人員與合作者建立的氣體揮發(fā)導(dǎo)致天體形狀變化的模型（MONET模型）對(duì)于阿羅科斯的扁平形狀給出了合理的理論解釋。模擬結(jié)果表明阿羅科斯的扁平結(jié)構(gòu)是在長(zhǎng)期太陽(yáng)輻射作用下氣體的揮發(fā)導(dǎo)致的。

原來(lái)，阿羅科斯接收到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度盡管只有地球附近的2000分之一左右，但是太陽(yáng)輻射仍然會(huì)影響其原始冰質(zhì)物質(zhì)的揮發(fā)。由于阿羅科斯的自轉(zhuǎn)軸與軌道面較近，軌道偏心率較小，在一個(gè)軌道周期內(nèi)，兩極地區(qū)（“雪人”的正面和背面）的太陽(yáng)輻射遠(yuǎn)大于赤道區(qū)域（“雪人”的側(cè)面），因此也損失了更多的揮發(fā)性氣體成分從而不斷的趨近扁平。該形狀演化過(guò)程在阿羅科斯形成后100萬(wàn)-1億年的時(shí)間內(nèi)便已完成。

原來(lái)這一切都是曬太陽(yáng)惹的禍！

結(jié)語(yǔ)

該研究結(jié)果表明，活動(dòng)性氣體的揮發(fā)在太陽(yáng)系形成初期對(duì)柯伊伯帶小天體（以及太陽(yáng)系其他區(qū)域存在活動(dòng)性氣體的小天體）的形狀的改變可能是普遍存在的，某些小天體在其后續(xù)演化過(guò)程如果到達(dá)了距離太陽(yáng)更近的區(qū)域（半人馬天體或者木星族彗星），將可能由于不同氣體成分的揮發(fā)再次經(jīng)歷類似的形狀演化過(guò)程。該工作近期發(fā)表在《自然-天文學(xué)》，該模型對(duì)太陽(yáng)系早期星子形成理論、太陽(yáng)系小天體的形成演化等研究具有重要的意義。

作者簡(jiǎn)介

趙玉暉：中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)行星科學(xué)與深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室副研究員，研究領(lǐng)域：太陽(yáng)系小天體動(dòng)力學(xué)和形成機(jī)制研究，彗星物理特性、活動(dòng)機(jī)制和長(zhǎng)期演化研究等。

主編：毛瑞青

輪值主編：李國(guó)亮

編輯：王科超、高娜