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          前沿 天文

          一口气发了三篇《科学》,隼鸟2号在“龙宫”发现了啥?

          haibaraemily 发表于  2019-03-21 21:53

          |·?本文来自“我是科学家”·|

          小行星,是我们追溯太阳?#36947;?#21490;的“时光胶囊”。

          它们大多是太阳系行星形成时期的留下的碎片,很可能还保留着原始太阳系的成分和信息。

          但是,小行星的个头太小了,自身又不发光,肉眼几乎不可能看见(除了灶神星),即使在天文望远?#36947;錚?#20063;顶多?#36824;?#26159;一个小亮点。想要了解小行星的秘密,人们就需要派出使者——探测器,去一看究竟了。

          来自日本JAXA的隼鸟2号探测器,就担负了这样一个艰巨的任务:探访碳质小行星(C型小行星)——“龙宫”。

          C型小行星是小行星中数目最多,也最为原始的一类。它们被认为是落入地球?#31995;?#30899;?#26159;?#31890;陨石的母体,其中一些可能富含水和有机物。

          探测这样的小行星,不但可以帮助我们了解太阳系早期的历?#27867;?#28436;化,没?#23478;?#33021;我们寻找地球生命起源提供线索。

          2018年6月,隼鸟2号抵达龙宫。经过了几个月的探测之后,隼鸟2号团队迎来了第一个收获的季节——就在昨天,《科学》?#21448;?#19968;口气刊登了三篇论文,介绍隼鸟2号团队对小行星龙宫的初?#25945;?#27979;成果[1-3]

          从一个小亮点,到一整个世界

          隼鸟2号在距离龙宫133万公里处,首次拍到了它的身影——此时的龙宫还依然只是一个小亮点[4]

          隼鸟2号2018年2月26日首次拍到的小行星龙宫。来源:JAXA[4]

          然而,随着隼鸟2号一点一点飞近龙宫,隼鸟2号携带的“十八般兵器”渐渐为我们揭开龙宫的面纱。

          首先是出场的是相机。隼鸟2号携带了3个相机:1个远望相机ONC-T和两个宽角相机ONC-W1和ONC-W2,最高可以拍摄毫?#20934;?#20998;辨率的龙宫表面照片。

          隼鸟2号的三个导航相机。来源:JAXA[5]

          隼鸟2号的导航相机ONC的探测原理:

          ONC相机告诉我们,这个?#26412;对?00米的小?#19968;?#24418;状略扁(赤道半径502米,两极半径只有438米),长得像个粽子陀螺,赤道有一圈明显的隆起,这个环绕赤道一圈的隆起后来?#24187;?#21517;为“龙王山脊”。龙宫的自转周期约7.6小时,转轴倾角171.64°,几乎就是逆行自转(转轴倾角180°)。

          龙宫的东半球和西半球。来源:JAXA

          又一个疏松的“乱石堆”

          通过测量质量和体积,可以计算出龙宫的密度只有1.19克/立方厘米(实在是有点低),这并不是因为组成龙宫的石块本身密度太低,而是因为这些石块都是?#20843;?#26494;”地靠在一起的,彼此之间有很大空隙。

          当年,隼鸟2号的前辈隼鸟号探测的小行星“系川?#26412;?#26159;这样一颗典型的“乱石堆?#20445;╮ubble pile)。这种由众多大大小小的石块通过自身引力聚集在一起形成的小行星,彼此之间的“粘合力”很弱,质地松散,孔隙率自然也很高。

          龙宫?#31995;?#22349;塌和物质流动痕迹。(左)浦岛?#21448;?#30340;坍塌,(右)黄色箭?#20998;?#31034;重力位从高到低的方向,与龙宫?#22771;?#30340;物质流动方向一?#38534;?#26469;源:参考文献[3]

          而如果我们假设组成龙宫的颗粒物质密度和碳?#26159;?#31890;陨石差不多的话(其?#24515;壳?#24050;知密度最低的是Orgueil CI陨石,密度2.42±0.06?克/立方厘米[6]),那么整个龙宫的平均孔隙?#24335;?#22823;于50%,比小行星系川孔隙率(44%)还要高。

          也就是?#25285;?#40857;宫也是一颗乱石堆型小行星。

          乱石堆型小行星系川和龙宫。来源:JAXA

          另一个支持这个观点的证据是:龙宫表面有许多大石块。虽然?#19981;?#20316;用也会产生石块,但龙宫?#31995;?#36825;些石块不可能是?#19981;?#28293;射物,因为长于20米的石块实在太多了(最大的一块长度约160米),龙宫上最大的?#19981;?#22353;(?#26412;对?90米的浦岛坑)也不可能产生这么大的石块。

          因此,龙宫很可能是一颗?#26412;对?00公里的母天体被完全撞碎之后,碎片重新聚集形成的,而龙宫?#31995;?#36825;些大石块也不是龙宫形成之后才产生的,更可能是组成龙宫的原始碎片。

          “陀螺”是怎么形成的?

          其?#25285;?#38464;螺状的近地小行星倒也谈不上罕见,天文学家们已经通过地基雷达发现过一些。毕竟,自转引起的离心作用可以让赤道区域产生一定的隆起,这也不奇怪(咱们的地球不也是“两极稍扁,赤道略鼓”么)。

          自转周期短达3.9个小时的妊神星,就因为巨大的离心作用被整个“拉”扁了…快速旋转的妊神星的假想?#36857;?#30475;得我都晕……来源:Wikimedia Commons

          但是,相比于?#22771;?#24050;知的其他陀螺状的小行星,龙宫的自转速?#20154;?#20046;太低了(7.63小时),按理?#25285;?#36825;样的自转速?#20154;?#20046;并不足以引起这么明显的赤道隆起。

          JAJAXA隼鸟2号探访的龙宫,NASA冥王号探访的贝努,以及欧空局曾经的小行星采样返回计划MarcoPolo-R想要造访的小行星2008 EV5的大小、形状和自转周期,相比之下龙宫实在是转得太慢了。图片来源:JAXA、NASA

          那么,一个很自然的猜测就是:龙宫过去一定转得很快,是后来减速到现在的自转状态的。

          为了证实这一点,隼鸟2号团队分析了不同自转速率下龙宫表面坡度(表面法线和重力?#20219;幻?#30340;夹角)的分布。来源:参考文献[1]

          结果?#20174;?#20986;,当龙宫的自转速率是现在的两倍多的时候,龙宫上会发生大规模“坍塌?#20445;?#22823;量物质“流”向赤道区域,形成现在环绕赤道一圈的龙王山脊。

          再然后,随着自转的减慢,如今的龙宫赤道?#31995;?#29289;质也正重?#38534;?#27969;”向中高纬区域。

          有点“干旱”的“龙宫”

          “龙宫”这个名字来源于日本民间故?#38534;?#28006;岛太郎》(うらしまたろう),故事里的浦岛太郎被海龟带往海底龙宫,在龙宫受到了公主乙姬的热情款待,回到人间的时候带回了一个宝?#23567;?#23507;意采样返回的隼鸟2号也能?#26377;?#34892;星带回珍贵的信息。这个名字的另一个意义在于,C型(碳质)小行星中有几个亚类可能含富含水,这也非常符合“海底龙宫”的意味。

          ポプラ出版社(2018/3/6)童书《浦岛太郎》的封面

          那龙宫到底是不是这样呢?隼鸟2号的另一件宝贝——近红外光谱仪(NIRS3)告诉我们好像并不是。

          近红外光谱仪的内部结构。来源:JAXA[5]

          如果某个区域含有某种物?#39135;?#20998;,那么这个区域的反射光被光谱仪“分解”之后,就可能显?#22659;?#36825;种成分?#26434;?#30340;V型的特征吸收。也就是?#25285;?#20809;谱仪可以识别许多物质的“指纹”。

          龙宫携带的近红外光谱仪NIRS3覆盖了1.8-3.2微米的波段?#27573;В?#22312;这个?#27573;?#37324;,三种不同?#38382;?#30340;水:羟基(OH)、液态水和水冰会体现出不同的吸收特征——如果龙宫含水,就应该会被检测到。

          (左)羟基(OH)、水和水冰在3μm(3000 nm)附近有不同波段有不同的吸收特征示例。来源:参考文献[7](右)龙宫的近红外波段光谱特征。来源:参考文献[2]

          NIRS3的结果显示,龙宫只在2.72微米处探测到了很窄的V型吸收,而且遍布全球——这是羟基(OH)的吸收特征。也就是?#25285;?#21547;羟基的矿物(水合矿物)在龙宫表面普遍存在[2]

          然而,龙宫上羟基的特征吸收很微弱,?#24471;?#25972;个龙宫表面的羟基都不多——龙宫上虽然有水(羟基可以认为是结构水,但不同于液态水和水冰),但也没有多少水。

          为什么会有这么少的水呢?可能的原因有很多。

          一种可能性是,龙宫本身作为一颗重组的乱石堆,很可能经历过一些?#32570;?#36136;或者冲击变?#20351;?#31243;,类似于经历过这些的碳?#26159;?#31890;陨石,那么自然地,龙宫在这个过程中被加热脱水了。

          另一种可能是,龙宫曾经的轨道近日点比现在离太阳更近,会受到更强的来自太阳的热辐射,也会因为更强的太阳风作用而导致羟基的分崩离析。

          总之,就是龙宫可能曾经有过很多水,然后水没了。

          另一种可能是,龙宫可能原本就没有很多水:龙宫的母体小行星上就(因为种种原因)没有很多水,所以龙宫先天缺水。隼鸟2号项目组更倾向于这?#26234;?#20917;。

          乡关何处?

          至于龙宫原本来自哪里?它的母体小行星是什么样的?我们依然可以通过光谱特征这把“指纹钥匙”来推测,或者简单来?#25285;?#23547;找什么样的小天体和龙宫更像。

          以?#22771;?#40857;宫的光谱形态来看,和龙宫光谱特征最相似的小行星是两颗主带小行星:波兰星(Polana)和欧拉莉娅(Eulalia),从轨道特征来看,龙宫也很可能是这两颗小行星之一的碎片。

          龙宫和波兰星(Polana)、欧拉莉娅(Eulalia)的反射光谱。来源:参考文献[3]

          ?#29575;?#19978;,这两颗小行星并不是“单打独斗”的,它们各自有一个庞大的家族——也就是说一系列轨道特征相似,可能来自同一颗小行星母体的族群——波兰星族(Polana family)和欧拉莉娅星族(Eulalia family)(欧拉莉娅星族本身也是波兰星族的一个分支)。

          也就是?#25285;?#40857;宫可能并不直接来源于这两颗小行星之一的碎片,而可能是它们的二代、三代甚至n代碎片。

          龙宫的?#37096;?#19968;生

          在隼鸟2号抽丝剥茧地侦查之下,龙宫历经?#37096;?#30340;一生逐渐浮出水面。

          龙宫的母体小行星或许原本是有水的,但后来因为自身内部的?#27966;?#24615;物质衰减加热,或者因为陨石?#19981;?#21152;热,让很大一部分水散失了。?#19981;?#35768;是因为母体小行星的水蚀过程才刚刚开始,还没有形成很多水。

          总之,这颗略有点“干旱”的母体小行星被另一颗飞来的?#19981;?#20307;完全撞碎,这是太阳系中稀松平常的“惨剧”之一。

          在这毁灭之中,也孕育着新生——

          那些?#19981;?#20135;生的碎片,又聚集成了一个个新的小行星族群。因为碎片在这个?#19981;?#21644;重组过程中,除了因为?#19981;?#20135;生的有限的?#32570;?#36136;之外,并没有发生很大的化学变化,所以它们几乎还保留着来自母代小行星的“指纹”。

          龙宫或许就是这样的一颗小行星。

          又或许,那些子代小行星族群中的一颗,又再次被一颗飞来的?#19981;?#20307;完全击碎,这些碎片再次重组,成为了龙宫。

          龙宫可能的形成过程。来源:参考文献[3]

          我们并不知道龙宫的一生,经历了多少次俄罗斯套娃式的毁灭和重生。龙宫的这段历史,也是建立在无数“可能”之?#31995;?#25512;测——随着隼鸟2号的进一?#25945;?#32034;,我们一定会得到一段更加清晰的历史,或许和现在的猜测非常不同。

          但龙宫这样的小行星,一定经历过毁灭和新生交织的“?#37096;?#20154;生?#20445;?#25110;许也注定在某一次?#19981;?#20013;被完全毁灭。

          只是刚刚好在这样一个时刻,龙宫也在,我们也在,然后我们看到了龙宫。

          致谢:本文?#34892;?#23567;龙哈勃的审稿。

          (编辑:Yuki)

          参考文献:

          1. S. Watanabe, et al., Hayabusa2 arrives at the carbonaceous asteroid 162173 Ryugu—a spinning-top-shaped rubble pile. Science (2019).?
          2. K. Kitazato et al., The surface composition of asteroid 162173 Ryugu from Hayabusa2 near-infrared spectroscopy. Science (2019).?
          3. S. Sugita et al., The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent-body processes. Science (2019).?
          4. http://global.jaxa.jp/press/2018/03/20180301_hayabusa2.html
          5. https://www.darts.isas.jaxa.jp/planet/project/hayabusa2/
          6. P. Vernazza, et al. (2015). Interplanetary dust particles as samples of icy asteroids. The Astrophysical Journal, 806(2), 204.
          7. C. Pieters, et al. (2009). Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1. science, 326(5952), 568-572.

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          全?#31185;?#35770;(5)
          • 1楼
            2019-03-22 10:08 combok

            哪天我们需要逃离太阳系其实可以考虑捕获一个这样大小的 石头 来做飞船吧。装一个弹射系统不?#31995;?#23556;自身的石头作动力,?#28982;?#31661;功率高很多。。。

            ?#36824;?#36825; 石头 太干,水冰混?#31995;母?#22909;

            [1] 评论
          • 2楼
            2019-03-22 16:16 天降龙虾
            引用@combok 的话:哪天我们需要逃离太阳系其实可以考虑捕获一个这样大小的 石头 来做飞船吧。装一个弹射系统不?#31995;?#23556;自身的石头作动力,?#28982;?#31661;功率高很多。。。?#36824;?#36825; 石头 太干,水冰混?#31995;母?#22909;

            这不是一个石头,这是一堆石头,一碰就乱七八糟的那?#36136;?#22836;堆。。。。。。

            [0] 评论
          • 3楼
            2019-03-27 18:32 茶比咖啡好喝
            引用@combok 的话:哪天我们需要逃离太阳系其实可以考虑捕获一个这样大小的 石头 来做飞船吧。装一个弹射系统不?#31995;?#23556;自身的石头作动力,?#28982;?#31661;功率高很多。。。?#36824;?#36825; 石头 太干,水冰混?#31995;母?#22909;

            真聪明,燃料都不用带了

            [0] 评论
          • 4楼
            2019-03-28 11:24 combok
            引用@茶比咖啡好喝 的话:真聪明,燃料都不用带了

            燃料还是需要的,弹射速度快反推力才大呢

            [0] 评论
          • 5楼
            2019-03-31 20:45 绝先生

            龙宫这么简陋……?#36824;?#36825;个龙宫确实可以沉水。

            [0] 评论

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