探索冥王星的新視野號(hào)，揭開(kāi)柯伊伯帶“太空雪人”誕生的奧秘

太陽(yáng)系有史以來(lái)拍攝到的最遙遠(yuǎn)天體，新研究為柯伊伯帶天體的形成提供了新線索，柯伊伯帶天體是太陽(yáng)系邊緣類(lèi)似小行星的天體，并有助于理解太陽(yáng)系形成的早期階段。在發(fā)表在《自然》期刊上的新研究中，解釋了“雪人”(Arrokoth)的獨(dú)特特征，雪人照片是去年由美國(guó)宇航局新視野號(hào)太空任務(wù)首次拍攝。故事始于2006年，當(dāng)時(shí)新視野號(hào)航天器被派去拍攝冥王星的第一張?zhí)貙?xiě)圖像，并研究冥王星的特征和地形。

在發(fā)射后，新視野號(hào)固定了前往冥王星的軌道，開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)九年的漫長(zhǎng)旅程。為了不浪費(fèi)燃料和資源，它的大部分系統(tǒng)都處于休眠模式，直到它接近目標(biāo)冥王星。也是在2006年，國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)決定將冥王星從行星地位降級(jí)為矮行星。簡(jiǎn)而言之，新視野號(hào)航天器被送去研究一顆行星，睡著了，醒來(lái)后發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)太陽(yáng)系的九大行星之一，冥王星不再被認(rèn)為是一顆行星。

冥王星之旅

但這并沒(méi)有減損任務(wù)的重要性，新視野號(hào)提供了冥王星及其衛(wèi)星卡隆的壯觀圖像，并提供了寶貴的科學(xué)信息，這些信息目前仍在研究中，可能會(huì)研究多年。這些研究將為理解太陽(yáng)系的形成，特別是柯伊伯帶的形成提供重要信息。但是，新視野號(hào)的冒險(xiǎn)之旅還有更多內(nèi)容，雖然冥王星是太陽(yáng)系最遠(yuǎn)處最大的天體，但它并不是唯一的。在海王星之外有一個(gè)叫做柯伊伯帶的區(qū)域，由數(shù)不清的類(lèi)似小行星的物體組成，大小從幾英尺到數(shù)千英里不等。

這一區(qū)域的條件與它在太陽(yáng)系內(nèi)的“姊妹”小行星帶不同(尤其是要冷得多)，柯伊伯帶天體通常由更多的冰物質(zhì)組成。新視野號(hào)航天器配備了足夠的資源來(lái)觀測(cè)另一個(gè)柯伊伯帶天體，如果能找到這樣的天體，又距離航天器原始軌道不太遠(yuǎn)的話(huà)。2014年6月26日，在對(duì)這類(lèi)天體進(jìn)行了廣泛的觀測(cè)后，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了其中一個(gè)。在確認(rèn)之后，新視野號(hào)研究小組設(shè)計(jì)了航天器的軌跡，以便在完成繪制冥王星地圖的任務(wù)后，它將通過(guò)新發(fā)現(xiàn)的天體旁邊。

發(fā)現(xiàn)之旅

五年后（也就是2015年與冥王星相遇后的四年），新視野號(hào)經(jīng)過(guò)了該天體，2019年1月1日，當(dāng)新視野號(hào)航天器從3500英里外的柯伊伯帶小天體經(jīng)過(guò)時(shí)，人類(lèi)首次近距離拍攝了它。在第一批圖像到達(dá)后，柯伊伯帶天體（被稱(chēng)為2014-69）因其獨(dú)特的外觀而被戲稱(chēng)為“雪人”。新視野號(hào)研究人員最初稱(chēng)它為Ultima Thule(拉丁語(yǔ)中的“世界邊緣”)，因?yàn)樗挥谔?yáng)系邊緣的偏遠(yuǎn)位置。

但這個(gè)天體最終被重新命名為Arrokoth486958，在現(xiàn)已滅絕的波瓦坦原住民語(yǔ)言中，意思是“天空”或“云”。新視野號(hào)收集了大量關(guān)于雪人的信息：它是一個(gè)30公里長(zhǎng)的接觸雙星，由兩個(gè)不同大小的葉通過(guò)細(xì)頸相互連接，似乎是兩個(gè)較小的柯伊伯帶天體碰撞形成Arrokoth的產(chǎn)物。雖然已經(jīng)提出了各種模型來(lái)解釋Arrokoth的形成和其特殊性質(zhì)，但這些模型遇到了重大挑戰(zhàn)，不能很好地解釋雪人的重要特征，特別是它自身的緩慢旋轉(zhuǎn)速度和大傾角。

研究人員提出了新穎的分析計(jì)算和詳細(xì)模擬，解釋了Arrokoth的形成和特征。這項(xiàng)研究由博士生葉夫根尼·格里辛(Evgeni Grishin)、博士后尤里·馬拉默德(Uri Malamud)博士和他們的導(dǎo)師哈蓋·佩雷斯(Hagai Perets)教授與德國(guó)圖賓根研究小組合作領(lǐng)導(dǎo)。在柯伊伯帶中由兩個(gè)隨機(jī)天體之間的簡(jiǎn)單高速碰撞將會(huì)粉碎它們，因?yàn)樗鼈兒芸赡苤饕怯绍洷鶚?gòu)成。另一方面，如果這兩個(gè)天體在圓形軌道上運(yùn)行（類(lèi)似于月球圍繞地球的軌道）。

剖析“雪人”

然后慢慢地向下旋轉(zhuǎn)，以便更溫和地接近對(duì)方并進(jìn)行接觸，那么Arrokoth的自轉(zhuǎn)速度將會(huì)非常高，而相對(duì)于這樣的預(yù)期，測(cè)量到的速度實(shí)際上相當(dāng)?shù)?。Arrokoth的完整自轉(zhuǎn)需要15.92小時(shí)。此外，它的傾角(相對(duì)于其繞太陽(yáng)軌道的平面)非常大，達(dá)到98度，所以它幾乎是相對(duì)地躺在一邊。根據(jù)研究模型，這兩個(gè)天體圍繞彼此旋轉(zhuǎn)，但因?yàn)樗鼈円黄饑@太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，所以它們基本上構(gòu)成了一個(gè)三星系統(tǒng)。

這類(lèi)三星系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)很復(fù)雜，被稱(chēng)為三體問(wèn)題。眾所周知，引力三星系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)非?；靵y，在研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)并不是以簡(jiǎn)單有序的方式運(yùn)動(dòng)，而且也不是以完全混亂的方式運(yùn)行。通過(guò)緩慢(長(zhǎng)期)的演化，它從一個(gè)寬闊相對(duì)圓形的軌道，演變成一個(gè)高度偏心的橢圓形軌道，與Arrokoth繞太陽(yáng)的軌道周期相比要慢得多?？梢宰C明，這樣的軌跡最終會(huì)導(dǎo)致碰撞，一方面碰撞會(huì)很慢。

但另一方面，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)緩慢旋轉(zhuǎn)、高度傾斜的物體，這與Arrokoth的性質(zhì)一致。詳細(xì)模擬證實(shí)了這一點(diǎn)，并產(chǎn)生了與Arrokoth雪人外表、旋轉(zhuǎn)和傾斜非常相似的模型。還研究了這種過(guò)程的穩(wěn)定性和可能性，并發(fā)現(xiàn)它們?cè)谒锌乱敛畮Х秶鷥?nèi)的雙星中，有多達(dá)20%是相當(dāng)常見(jiàn)的，并且可能以類(lèi)似的方式演化。到目前為止，還不可能解釋Arrokoth的獨(dú)特特征，這是一個(gè)違反直覺(jué)的結(jié)果。

碰撞的可能性實(shí)際上會(huì)增加，因?yàn)槌跏茧p星的距離更大，并且初始傾斜角更接近90度。新模型既解釋了碰撞的高可能性，也解釋了今天統(tǒng)一系統(tǒng)的獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)，實(shí)際上還預(yù)測(cè)柯伊伯帶中會(huì)有更多物體。事實(shí)上，甚至冥王星和卡隆衛(wèi)星的系統(tǒng)，也可能是通過(guò)類(lèi)似的過(guò)程形成，它們似乎在太陽(yáng)系雙星和月球系統(tǒng)的演化中扮演著重要角色。

博科園｜研究/來(lái)自： 美國(guó)技術(shù)學(xué)會(huì)

參考期刊《自然》

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