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一口氣發了三篇《科學》,隼鳥2號在“龍宮”發現了啥?

haibaraemily 發表于  2019-03-21 21:53

|·?本文來自“我是科學家”·|

小行星,是我們追溯太陽系歷史的“時光膠囊”。

它們大多是太陽系行星形成時期的留下的碎片,很可能還保留著原始太陽系的成分和信息。

但是,小行星的個頭太小了,自身又不發光,肉眼幾乎不可能看見(除了灶神星),即使在天文望遠鏡里,也頂多不過是一個小亮點。想要了解小行星的秘密,人們就需要派出使者——探測器,去一看究竟了。

來自日本JAXA的隼鳥2號探測器,就擔負了這樣一個艱巨的任務:探訪碳質小行星(C型小行星)——“龍宮”。

C型小行星是小行星中數目最多,也最為原始的一類。它們被認為是落入地球上的碳質球粒隕石的母體,其中一些可能富含水和有機物。

探測這樣的小行星,不但可以幫助我們了解太陽系早期的歷史和演化,沒準也能我們尋找地球生命起源提供線索。

2018年6月,隼鳥2號抵達龍宮。經過了幾個月的探測之后,隼鳥2號團隊迎來了第一個收獲的季節——就在昨天,《科學》雜志一口氣刊登了三篇論文,介紹隼鳥2號團隊對小行星龍宮的初步探測成果[1-3]

從一個小亮點,到一整個世界

隼鳥2號在距離龍宮133萬公里處,首次拍到了它的身影——此時的龍宮還依然只是一個小亮點[4]

隼鳥2號2018年2月26日首次拍到的小行星龍宮。來源:JAXA[4]

然而,隨著隼鳥2號一點一點飛近龍宮,隼鳥2號攜帶的“十八般兵器”漸漸為我們揭開龍宮的面紗。

首先是出場的是相機。隼鳥2號攜帶了3個相機:1個遠望相機ONC-T和兩個寬角相機ONC-W1和ONC-W2,最高可以拍攝毫米級分辨率的龍宮表面照片。

隼鳥2號的三個導航相機。來源:JAXA[5]

隼鳥2號的導航相機ONC的探測原理:

ONC相機告訴我們,這個直徑約900米的小家伙形狀略扁(赤道半徑502米,兩極半徑只有438米),長得像個粽子陀螺,赤道有一圈明顯的隆起,這個環繞赤道一圈的隆起后來被命名為“龍王山脊”。龍宮的自轉周期約7.6小時,轉軸傾角171.64°,幾乎就是逆行自轉(轉軸傾角180°)。

龍宮的東半球和西半球。來源:JAXA

又一個疏松的“亂石堆”

通過測量質量和體積,可以計算出龍宮的密度只有1.19克/立方厘米(實在是有點低),這并不是因為組成龍宮的石塊本身密度太低,而是因為這些石塊都是“松松”地靠在一起的,彼此之間有很大空隙。

當年,隼鳥2號的前輩隼鳥號探測的小行星“系川”就是這樣一顆典型的“亂石堆”(rubble pile)。這種由眾多大大小小的石塊通過自身引力聚集在一起形成的小行星,彼此之間的“粘合力”很弱,質地松散,孔隙率自然也很高。

龍宮上的坍塌和物質流動痕跡。(左)浦島坑中的坍塌,(右)黃色箭頭指示重力位從高到低的方向,與龍宮目前的物質流動方向一致。來源:參考文獻[3]

而如果我們假設組成龍宮的顆粒物質密度和碳質球粒隕石差不多的話(其中目前已知密度最低的是Orgueil CI隕石,密度2.42±0.06?克/立方厘米[6]),那么整個龍宮的平均孔隙率將大于50%,比小行星系川孔隙率(44%)還要高。

也就是說,龍宮也是一顆亂石堆型小行星。

亂石堆型小行星系川和龍宮。來源:JAXA

另一個支持這個觀點的證據是:龍宮表面有許多大石塊。雖然撞擊作用也會產生石塊,但龍宮上的這些石塊不可能是撞擊濺射物,因為長于20米的石塊實在太多了(最大的一塊長度約160米),龍宮上最大的撞擊坑(直徑約290米的浦島坑)也不可能產生這么大的石塊。

因此,龍宮很可能是一顆直徑約100公里的母天體被完全撞碎之后,碎片重新聚集形成的,而龍宮上的這些大石塊也不是龍宮形成之后才產生的,更可能是組成龍宮的原始碎片。

“陀螺”是怎么形成的?

其實,陀螺狀的近地小行星倒也談不上罕見,天文學家們已經通過地基雷達發現過一些。畢竟,自轉引起的離心作用可以讓赤道區域產生一定的隆起,這也不奇怪(咱們的地球不也是“兩極稍扁,赤道略鼓”么)。

自轉周期短達3.9個小時的妊神星,就因為巨大的離心作用被整個“拉”扁了…快速旋轉的妊神星的假想圖,看得我都暈……來源:Wikimedia Commons

但是,相比于目前已知的其他陀螺狀的小行星,龍宮的自轉速度似乎太低了(7.63小時),按理說,這樣的自轉速度似乎并不足以引起這么明顯的赤道隆起。

JAJAXA隼鳥2號探訪的龍宮,NASA冥王號探訪的貝努,以及歐空局曾經的小行星采樣返回計劃MarcoPolo-R想要造訪的小行星2008 EV5的大小、形狀和自轉周期,相比之下龍宮實在是轉得太慢了。圖片來源:JAXA、NASA

那么,一個很自然的猜測就是:龍宮過去一定轉得很快,是后來減速到現在的自轉狀態的。

為了證實這一點,隼鳥2號團隊分析了不同自轉速率下龍宮表面坡度(表面法線和重力等位面的夾角)的分布。來源:參考文獻[1]

結果反映出,當龍宮的自轉速率是現在的兩倍多的時候,龍宮上會發生大規模“坍塌”,大量物質“流”向赤道區域,形成現在環繞赤道一圈的龍王山脊。

再然后,隨著自轉的減慢,如今的龍宮赤道上的物質也正重新“流”向中高緯區域。

有點“干旱”的“龍宮”

“龍宮”這個名字來源于日本民間故事《浦島太郎》(うらしまたろう),故事里的浦島太郎被海龜帶往海底龍宮,在龍宮受到了公主乙姬的熱情款待,回到人間的時候帶回了一個寶盒——寓意采樣返回的隼鳥2號也能從小行星帶回珍貴的信息。這個名字的另一個意義在于,C型(碳質)小行星中有幾個亞類可能含富含水,這也非常符合“海底龍宮”的意味。

ポプラ出版社(2018/3/6)童書《浦島太郎》的封面

那龍宮到底是不是這樣呢?隼鳥2號的另一件寶貝——近紅外光譜儀(NIRS3)告訴我們好像并不是。

近紅外光譜儀的內部結構。來源:JAXA[5]

如果某個區域含有某種物質成分,那么這個區域的反射光被光譜儀“分解”之后,就可能顯示出這種成分對應的V型的特征吸收。也就是說,光譜儀可以識別許多物質的“指紋”。

龍宮攜帶的近紅外光譜儀NIRS3覆蓋了1.8-3.2微米的波段范圍,在這個范圍里,三種不同形式的水:羥基(OH)、液態水和水冰會體現出不同的吸收特征——如果龍宮含水,就應該會被檢測到。

(左)羥基(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。來源:參考文獻[7](右)龍宮的近紅外波段光譜特征。來源:參考文獻[2]

NIRS3的結果顯示,龍宮只在2.72微米處探測到了很窄的V型吸收,而且遍布全球——這是羥基(OH)的吸收特征。也就是說,含羥基的礦物(水合礦物)在龍宮表面普遍存在[2]

然而,龍宮上羥基的特征吸收很微弱,說明整個龍宮表面的羥基都不多——龍宮上雖然有水(羥基可以認為是結構水,但不同于液態水和水冰),但也沒有多少水。

為什么會有這么少的水呢?可能的原因有很多。

一種可能性是,龍宮本身作為一顆重組的亂石堆,很可能經歷過一些熱變質或者沖擊變質過程,類似于經歷過這些的碳質球粒隕石,那么自然地,龍宮在這個過程中被加熱脫水了。

另一種可能是,龍宮曾經的軌道近日點比現在離太陽更近,會受到更強的來自太陽的熱輻射,也會因為更強的太陽風作用而導致羥基的分崩離析。

總之,就是龍宮可能曾經有過很多水,然后水沒了。

另一種可能是,龍宮可能原本就沒有很多水:龍宮的母體小行星上就(因為種種原因)沒有很多水,所以龍宮先天缺水。隼鳥2號項目組更傾向于這種情況。

鄉關何處?

至于龍宮原本來自哪里?它的母體小行星是什么樣的?我們依然可以通過光譜特征這把“指紋鑰匙”來推測,或者簡單來說,尋找什么樣的小天體和龍宮更像。

以目前龍宮的光譜形態來看,和龍宮光譜特征最相似的小行星是兩顆主帶小行星:波蘭星(Polana)和歐拉莉婭(Eulalia),從軌道特征來看,龍宮也很可能是這兩顆小行星之一的碎片。

龍宮和波蘭星(Polana)、歐拉莉婭(Eulalia)的反射光譜。來源:參考文獻[3]

事實上,這兩顆小行星并不是“單打獨斗”的,它們各自有一個龐大的家族——也就是說一系列軌道特征相似,可能來自同一顆小行星母體的族群——波蘭星族(Polana family)和歐拉莉婭星族(Eulalia family)(歐拉莉婭星族本身也是波蘭星族的一個分支)。

也就是說,龍宮可能并不直接來源于這兩顆小行星之一的碎片,而可能是它們的二代、三代甚至n代碎片。

龍宮的坎坷一生

在隼鳥2號抽絲剝繭地偵查之下,龍宮歷經坎坷的一生逐漸浮出水面。

龍宮的母體小行星或許原本是有水的,但后來因為自身內部的放射性物質衰減加熱,或者因為隕石撞擊加熱,讓很大一部分水散失了。也或許是因為母體小行星的水蝕過程才剛剛開始,還沒有形成很多水。

總之,這顆略有點“干旱”的母體小行星被另一顆飛來的撞擊體完全撞碎,這是太陽系中稀松平常的“慘劇”之一。

在這毀滅之中,也孕育著新生——

那些撞擊產生的碎片,又聚集成了一個個新的小行星族群。因為碎片在這個撞擊和重組過程中,除了因為撞擊產生的有限的熱變質之外,并沒有發生很大的化學變化,所以它們幾乎還保留著來自母代小行星的“指紋”。

龍宮或許就是這樣的一顆小行星。

又或許,那些子代小行星族群中的一顆,又再次被一顆飛來的撞擊體完全擊碎,這些碎片再次重組,成為了龍宮。

龍宮可能的形成過程。來源:參考文獻[3]

我們并不知道龍宮的一生,經歷了多少次俄羅斯套娃式的毀滅和重生。龍宮的這段歷史,也是建立在無數“可能”之上的推測——隨著隼鳥2號的進一步探索,我們一定會得到一段更加清晰的歷史,或許和現在的猜測非常不同。

但龍宮這樣的小行星,一定經歷過毀滅和新生交織的“坎坷人生”,或許也注定在某一次撞擊中被完全毀滅。

只是剛剛好在這樣一個時刻,龍宮也在,我們也在,然后我們看到了龍宮。

致謝:本文感謝小龍哈勃的審稿。

(編輯:Yuki)

參考文獻:

  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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全部評論(5)
  • 1樓
    2019-03-22 10:08 combok

    哪天我們需要逃離太陽系其實可以考慮捕獲一個這樣大小的 石頭 來做飛船吧。裝一個彈射系統不斷彈射自身的石頭作動力,比火箭功率高很多。。。

    不過這 石頭 太干,水冰混合的更好

    [1] 評論
  • 2樓
    2019-03-22 16:16 天降龍蝦
    引用@combok 的話:哪天我們需要逃離太陽系其實可以考慮捕獲一個這樣大小的 石頭 來做飛船吧。裝一個彈射系統不斷彈射自身的石頭作動力,比火箭功率高很多。。。不過這 石頭 太干,水冰混合的更好

    這不是一個石頭,這是一堆石頭,一碰就亂七八糟的那種石頭堆。。。。。。

    [0] 評論
  • 3樓
    2019-03-27 18:32 茶比咖啡好喝
    引用@combok 的話:哪天我們需要逃離太陽系其實可以考慮捕獲一個這樣大小的 石頭 來做飛船吧。裝一個彈射系統不斷彈射自身的石頭作動力,比火箭功率高很多。。。不過這 石頭 太干,水冰混合的更好

    真聰明,燃料都不用帶了

    [0] 評論
  • 4樓
    2019-03-28 11:24 combok
    引用@茶比咖啡好喝 的話:真聰明,燃料都不用帶了

    燃料還是需要的,彈射速度快反推力才大呢

    [0] 評論
  • 5樓
    2019-03-31 20:45 絕先生

    龍宮這么簡陋……不過這個龍宮確實可以沉水。

    [0] 評論

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