中國天文學家揭開主小行星帶冰質天體表面土壤的物理特性

中國科學院紫金山天文台季江徽課題組基於來自太空望遠鏡和地面多波段紅外觀測數據及熱物理模型，合作研究團隊揭露主小行星帶冰質天體表面土壤的物理特性，對理解這些天體的形成與演化過程具有重要的科學意義。

太陽系中絕大多數小行星分佈在位於火星和木星之間的小行星帶，它們可能蘊藏着地球生命和水體起源的重要線索。 此外，在土星和海王星之間，還分佈著一定數量的半人馬天體，在海王星軌道以外則存在著大量的古柏帶（Kuiper belt）天體，它們的組分中含有大量的水冰和固態甲烷等物質。

704號小行星，因泰臘美那星（Interamnia）是主小行星帶中的第五大天體，質量大約佔整個主帶小行星質量總和的1.2%，天文學家通過直接拍攝獲得它的直徑超過340公里（上圖），光譜型為B型，它的軌道半長徑3.056天文單位， 偏心率0.155，傾角17.311°。

相關研究顯示因泰臘美那星平均密度約為1.98 g/cm³，與穀神星和健神星（Hygiea）接近，這兩顆天體都含有大量水冰。但目前為止，並未觀測到該小行星有類似彗星的氣體或塵埃尾，顯示它的表面可能存在一定厚度的塵埃層，能有效阻止地表以下的水冰快速揮發。

然而，因泰臘美那星光譜在0.38μm、0.44μm處的吸收線表明存在微弱的活動性，以下幾個科學問題有待解答：該小行星的水冰含量是多少？影響水冰揮發的關鍵物理參數又是怎樣的？ 鑑於因泰臘美那星重要的科學價值，可作為中國太陽系邊際探測任務的候選目標之一。

研究人員利用日本在夏威夷的昴星團紅外望遠鏡開展熱紅外線觀測，同時融合廣域紅外線巡天探測衞星（Wide-field Infrared Survey Explorer ，簡稱 WISE）；近地天體廣域紅外線巡天探測衞星（Near Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer ，簡稱 NEOWISE）、紅外線天文衛星（Infrared Astronomical Satellite，簡稱 IRAS）、AKARI（あかり，日語：光的意思）這些國際紅外線天文衛星的數據分析因泰臘美那星的表面土壤物理特性。觀測數據的波長覆蓋3.4μm~100μm，分析過程採用小行星真實表面土壤熱物理模型。與傳統熱模型中採用熱慣量作為自由參數不同，該模型使用小行星的表面土壤顆粒尺寸作為自由參數，減少了溫度對自由參數的影響。

基於該熱物理模型，研究人員計算因泰臘美那星的理論輻射流量，擬合了上述紅外望遠鏡的觀測數據，獲得了它表面土壤粒尺寸、反照率、直徑與粗糙度。 此外，研究人員新改進了廣域紅外線巡天探測衞星和近地天體廣域紅外線巡天探測衞星紅外數據處理方法，對於含較多太陽反射光的W1和W2波段由觀測星等轉換為輻射流量時，對反射光部分和熱輻射部分，分別採用了不同類別的色指數修正，提高了觀測數據的可靠性。

研究發現因泰臘美那星的表壤粒尺寸較小，平均為190 μm，顯示該天體表面存在細密的表壤，反照率為0.0472，計算得到其有效直徑339公里，與前人利用直接拍照獲得的直徑相符合。研究人員進而根據表面土壤粒尺寸大小，估算了其表面溫度及熱慣量的季節性變化，在一個公轉週期內，隨著溫度變化，因泰臘美那星表面不同區域的熱慣量變化範圍為9~92 Jm-2sᐨ¹/2Kᐨ¹。 此外，基於該天體平均密度大小，估算了水冰的體積分數為9%~66%。

該工作細緻探討主小行星帶冰質天體的表面土壤物理特性，深化了對含水冰小天體的認知，也為後續對太陽系小天體物理特性研究提供幫助。

上世紀70年代以來，先鋒（Pioneer）10號、11號以及航行者（Voyager）1號、2號與新視野號（New Horizons）太空船陸續開展外太陽系探測，拓展人類對外太陽系的認知。中國太陽系邊際探測任務擬開展對日球層動力學結構特性、近鄰太空環境以及外太陽系天體的研究，計劃發射太空船於2049年到達距離太陽100天文單位的位置。在飛往外太陽系旅途中，它可對主小行星帶天體、冰巨星及它們的衛星系統、半人馬天體、古栢帶、矮行星等不同類型原始天體開展全面探測，揭開行星形成與太陽系演化歷史。

【圖：歐洲南方天文台；文：節錄自中國科學院紫金山天文台2023年3月20日新聞公佈；新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2023年2月27日出版的《天體物理學報》；標題是：Mid-IR Observations of IRAS, AKARI, WISE/NEOWISE, and Subaru for Large Icy Asteroid (704) Interamnia: A New Perspective of Regolith Properties and Water Ice Fraction