中國天文學家在古柏帶天空星形狀形成機制研究中取得重要進展


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克斯·普朗克太陽系研究所(Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung)等單位的合作研究成果,該工作利用活動性氣體揮發導致太陽系小天體形狀變化的理論和數值模型,為美國太空總署的新視野號(New Horizo​​ns)探測的古柏帶(Kuiper belt,中國大陸譯作:柯伊伯帶)編號486958,稱為天空星(Arrokoth)奇特扁平形狀的小行星形成提供了新穎、有趣且合理的解釋。

2019年1月1日,美國太空總署的新視野號探測器在圓滿完成了對冥王星的探測任務後,成功對古柏帶小天體天空星進行了飛越探測,這也是目前人類飛船近距離探測的距地球最遠的太陽系天體。古柏帶是太陽系中位於海王星軌道以外的一個小天體帶,這裡存在大量的形狀不一的含冰小天體,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。古柏帶天體的研究對了解太陽繫起源和演化、地球上水和生命起源等具有關鍵的科學意義。因此,新視野號對天空星的探測,不僅創造了人類探測到最遠和最原始的天體的紀錄,也為我們了解太陽系和太陽系天體的形成過程提供了大量有價值的信息。

天空星由兩部分組成的雙瓣結構和較為奇特的扁平的形狀是新視野號獲得的重要探測結果之一(上圖)。雙瓣結構的小天體在太陽系中較為普遍,也有多個較為成熟的模型對這種結構的形成提供解釋。相反地​​,扁平結構的天體在太陽系中則較為罕見,目前也沒有相關的理論和模型給出合理的解釋。作為最穩定的一類古柏帶小天體,天空星是通過高速碰撞等過程而形成了目前結構的可能性較低,因此研究人員初步認為是太陽系早期的星雲坍塌過程形成了今天看到的天空星的雙瓣扁平形狀。

在古柏帶小天體形狀演化研究方面,紫金山天文台研究人員團隊此前建立了氣體揮發導致天體形狀變化的模型。結合天空星較小的軌道偏心率和較大的自轉軸傾斜角(自轉軸與軌道面法向量的交角),模型可以準確的預測出在太陽系初期形成的(橢)圓形的星子在這樣的軌道和自轉狀態下由於活動性物質的揮發而不斷扁平化的過程,在理論和數值模擬方面為天空星的扁平結構的形成機制提供了合理的解釋。研究認為該扁平結構的形成由於是太陽輻射作用下氣體揮發導致的,而​​由於天空星的自轉軸與軌道面較近,軌道偏心率較小,在一個軌道周期內極區受到的太陽輻射遠大於赤道區域,因此也損失了更多的揮發性氣體成分從而不斷的趨近扁平。計算結果表明,該形狀演化過程在小天體形成且其周圍的星際氣體和塵埃驅散後的一百萬至一億年的時間內完成,該時間尺度受到天空星的原始尺寸、物質組成、主要揮發性氣體的活動性、以及表面塵埃層的特性等因素的影響。同時,研究人員自洽地對該時間尺度內物質揮發產生的力矩對天空星自轉狀態的影響開展了研究,理論分析和數值計算的結果都表明該過程對天空星的自轉狀態改變很小;此外還探討了該小天體的內部結構以及重力場在該演化過程中可能起到的作用。研究結果顯示,活動性氣體的揮發在太陽系形成初期對古柏帶小天體(以及太陽系其它區域存在活動性氣體的小天體)的形狀的改變可能是普遍存在的,某些小天體在其後續演化過程如果到達了距離太陽更近的區域(半人馬天體或者木星族彗星),將可能由於更強的太陽輻射導致不同氣體成分的揮發再次經歷類似的形狀演化過程。該研究結果對太陽系早期星子形成理論、太陽系小天體的形成演化等研究具有極其重要的意義。


【圖:美國太空總署;文:節錄自中國科學院紫金山天文台網頁;新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2020年10月5日出版的《自然-天文学》期刊

國際天文聯會公佈新視野號2019年1月1日飛掠綽號「天涯海角」Ultima Thule,編號486958(臨時編號 2014 MU69) 小行星的正式名稱,以美國切薩皮克灣(Chesapeake Bay)地區土著的波哈坦(Powhatan)語「天空」Arrokoth 命名。命名原因是位於這個地區的哈勃太空望遠鏡和新視野搜索團隊,在促進這一顆古老而遙遠物體的發現和探索方面發揮了重要作用。

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