重大突破

紫金山天文台等在柯伊伯带小天体Arrokoth形状形成机制的研究中取得重要进展

  10月6日,《自然-天文学》 (《Nature Astronomy》) 在线发表了贝博体彩app紫金山天文台(紫台)行星科学与深空探测实验室赵玉晖副研究员等与德国马普太阳系研究所等单位的合作研究成果,该工作利用活动性气体挥发导致太阳系小天体形状变化的理论和数值模型(MONET模型),为NASA的新视野号(New Horizons)探测的柯伊伯带小天体(486958)Arrokoth(中文名:天涯海角)奇特的扁平形状的形成提供了新颖、有趣且合理的解释。 

  2019年1月1日,NASA的新视野号探测器在圆满完成了对冥王星的探测任务后,成功对柯伊伯带小天体Arrokoth进行了飞越探测,这也是目前人类飞船近距离探测的距地球最远的太阳系天体。柯伊伯带是太阳系中位于海王星轨道以外的一个小天体带,这里存在大量的形状不一的含冰小天体,被认为是太阳系早期形成过程中遗留的原始星子,也是半人马天体和木星族彗星的来源地。柯伊伯带天体的研究对了解太阳系起源和演化、地球上水和生命起源等具有关键的科学意义。 因此,新视野号对Arrokoth的探测,不仅创造了人类探测到最远和最原始的天体的纪录,也为我们了解太阳系和太阳系天体的形成过程提供了大量有价值的信息。 

  Arrokoth由两部分组成的双瓣结构和较为奇特的扁平的形状是新视野号获得的重要探测结果之一(图1)。双瓣结构的小天体在太阳系中较为普遍,也有多个较为成熟的模型对这种结构的形成提供解释。相反地,扁平结构的天体在太阳系中则较为罕见,目前也没有相关的理论和模型给出合理的解释。作为最稳定的一类柯伊伯带小天体,Arrokoth是通过高速碰撞等过程而形成了目前结构的可能性较低,因此研究人员初步认为是太阳系早期的星云坍塌过程形成了今天看到的Arrokoth的双瓣扁平形状。 

  在柯伊伯带小天体形状演化研究方面,紫台研究人员与合作者此前建立了气体挥发导致天体形状变化的模型(MONET模型)。结合Arrokoth较小的轨道偏心率和较大的自转轴倾斜角(自转轴与轨道面法向量的交角),MONET模型可以准确的预测出在太阳系初期形成的(椭)圆形的星子在这样的轨道和自转状态下由于活动性物质的挥发而不断扁平化的过程,在理论和数值模拟方面为Arrokoth的扁平结构的形成机制提供了合理的解释。研究认为该扁平结构的形成由于是太阳辐射作用下气体挥发导致的,而由于Arrokoth的自转轴与轨道面较近,轨道偏心率较小,在一个轨道周期内极区受到的太阳辐射远大于赤道区域(图2),因此也损失了更多的挥发性气体成分从而不断的趋近扁平。计算结果表明,该形状演化过程在小天体形成且其周围的星际气体和尘埃被驱散后的100万至1亿年的时间内完成,该时间尺度受到Arrokoth的原始尺寸、物质组成、主要挥发性气体的活动性、以及表面尘埃层的特性等因素的影响。同时,研究人员自洽地对该时间尺度内物质挥发产生的力矩对Arrokoth自转状态的影响开展了研究,理论分析和数值计算的结果都表明该过程对Arrokoth的自转状态改变很小;此外还探讨了该小天体的内部结构以及重力场在该演化过程中可能起到的作用。研究结果表明,活动性气体的挥发在太阳系形成初期对柯伊伯带小天体(以及太阳系其他区域存在活动性气体的小天体)的形状的改变可能是普遍存在的,某些小天体在其后续演化过程如果到达了距离太阳更近的区域(半人马天体或者木星族彗星),将可能由于更强的太阳辐射导致不同气体成分的挥发再次经历类似的形状演化过程(图3)。该研究结果对太阳系早期星子形成理论、太阳系小天体的形成演化等研究具有极其重要的意义。 

  新视野号的副项目科学家、成像团队首席科学家、Arrokoth拓展任务规划首席科学家、美国西南研究所的JohnSpencer博士认为这项研究为该小天体形状的形成提供了一个新颖、有趣和理论上可信的解释。《自然-天文学》的审稿人认为这项研究新颖的模型自然合理地解释了Arrokoth扁平结构的形成过程,适用于太阳系早期星子形成过程的模拟,该工作将引起对该领域的兴趣,为该领域的研究增加有价值的论述。 

  紫台赵玉晖副研究员是该研究的第一作者,与德国马普太阳系研究所LadislavRezac博士为共同通讯作者,合作者包括德国布伦瑞克工业大学Yuri Skorov博士、紫台胡寿村博士和美国行星科学研究所NalinSamarasinha博士、李荐扬博士。该研究得到了国家自然科学基金、贝博体彩app空间科学预先研究项目、贝博体彩app行星科学重点实验室、贝博体彩app比较行星学卓越创新中心和紫金山天文台小行星基金会等资助。 

  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41550-020-01218-7 

 

图1 新视野号探测器成像设备获得的Arrokoth形状模型(Spencer et al., 2020, science) 

 

图2 Arrokoth表面太阳辐射强度和温度分布(Grundyet al., 2020, science) 

 

图3 MONET模型得到的Arrokoth类似柯伊伯带小天体的扁平形状形成结果(Zhaoet al., 2020, Nature Astronomy) 

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