2019年元旦，美國國家航空航天局“新視野”號(hào)探測器飛越柯伊伯帶小天體“2014 MU69”。

這是目前人類探測到的最遙遠(yuǎn)和最原始的太陽系天體，它那扁平的雙瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，宛如一個(gè)胖乎乎的雪人。這個(gè)“胖娃”引起了科學(xué)家的濃厚興趣。它的名字Arrokoth來源于美洲原住民波瓦坦人的語言，意指“天空”;同時(shí)它也有個(gè)詩意的中文名字——“天涯海角”。

10月5日，《自然·天文》在線發(fā)表了中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)行星科學(xué)與深空探測實(shí)驗(yàn)室趙玉暉副研究員等與德國馬普太陽系研究所等單位的合作研究成果。科研人員建立并利用太陽系小天體活動(dòng)性物質(zhì)揮發(fā)導(dǎo)致其形狀演化的模型，對(duì)“天涯海角”奇特的扁平形狀進(jìn)行了分析，并得出一個(gè)全新的結(jié)論：這個(gè)圓乎乎的“胖娃”在其誕生后100萬到1億年的時(shí)間里，大量甲烷、一氧化碳和氮?dú)獾然顒?dòng)性氣體揮發(fā)導(dǎo)致了其扁平狀結(jié)構(gòu)的形成，而且這種“瘦身”機(jī)制可能廣泛存在于柯伊伯帶小天體形成初期的形狀演化過程中。

神秘的柯伊伯帶小天體

柯伊伯帶的命名來自一位美籍荷蘭天文學(xué)家——G.P.柯伊伯。

1951年，柯伊伯把愛爾蘭天文學(xué)家E.埃奇沃思提出的關(guān)于短周期彗星起源的設(shè)想發(fā)展成相應(yīng)的理論，于是后人將這一預(yù)期中的環(huán)帶稱為柯伊伯帶，或埃奇沃思—柯伊伯帶。

1992年，天文學(xué)家用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在海王星軌道外的環(huán)日軌道上觀測到一個(gè)小行星，隨后又發(fā)現(xiàn)更多類似的天體。到2006年，觀測到的總數(shù)已超過1000個(gè)，其中最大的一個(gè)直徑達(dá)1200千米，其余的直徑多為200—400千米。

現(xiàn)在，人類已經(jīng)可以通過地面望遠(yuǎn)鏡觀測到柯伊伯帶不計(jì)其數(shù)的小天體，或者像“新視野”號(hào)那樣，飛越柯伊伯帶，為那些神秘的小天體拍張?zhí)貙懡铡?/p>

趙玉暉告訴科技日?qǐng)?bào)記者，柯伊伯帶在太陽系圓盤外圍，海王星軌道以外，距太陽30—50個(gè)天文單位(AU，1天文單位約為1.496億千米)，主要由小型天體或太陽系形成的殘余物組成。

它與小行星帶類似，分布著數(shù)億固態(tài)小天體，是木星族彗星的發(fā)源地。但與小行星帶不同的是，大多數(shù)柯伊伯帶天體主要由凍結(jié)揮發(fā)物構(gòu)成，如二氧化碳和水，而非金屬物質(zhì)。

說起柯伊伯帶中最著名的天體，就是曾經(jīng)的太陽系第九大行星——冥王星。不過后來它被排除在外，其中一個(gè)重要原因就是因?yàn)樗拇笮『涂乱敛畮承┬√祗w的大小相當(dāng)。

關(guān)于柯伊伯帶小天體的成因，目前還是一個(gè)未解的謎，科學(xué)家傾向于認(rèn)為不同族群的柯伊伯帶小天體可能形成于太陽系的不同位置。在45億年前，在接近太陽的區(qū)域，許多星際物質(zhì)繞著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)、互相碰撞，結(jié)合在一起，形成了地球和其他類地行星，以及氣體巨行星的固體核。而在遠(yuǎn)離太陽的區(qū)域，比如柯伊伯帶，溫度極低，許多宇宙塵埃、冰、氣體得以保存下來，形成了大量比行星小的天體。

保留太陽系形成早期的物質(zhì)

柯伊伯帶數(shù)以億計(jì)的含冰小天體，被認(rèn)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。因此，研究柯伊伯帶天體對(duì)了解太陽系起源和演化、地球上水和生命起源等問題具有關(guān)鍵的科學(xué)意義。

而“天涯海角”作為柯伊伯帶中最穩(wěn)定的一類小天體——“冷經(jīng)典”族群，其軌道在演化過程中受到外界的干擾很少，屬于該區(qū)域土生土長的小天體。對(duì)于“天涯海角”的探測可以為人類研究太陽系和太陽系天體的形成和演化過程提供大量有價(jià)值的信息。

“我們之所以把‘天涯海角’稱為‘冷經(jīng)典’，并不是因?yàn)樗臏囟鹊停菑膭?dòng)力學(xué)上看，這類天體的軌道更加穩(wěn)定，可以說是太陽系內(nèi)最穩(wěn)定的一類天體。”趙玉暉介紹說，除了“冷經(jīng)典”族群，在柯伊伯帶內(nèi)還有“熱”經(jīng)典柯伊伯帶天體、離散盤小天體、海王星共振軌道小天體等其他類型的小天體。

“天涯海角”是一個(gè)令人興奮的天文發(fā)現(xiàn)。它距地球約66億千米，是一個(gè)由兩部分組成的雙瓣結(jié)構(gòu)天體，表面直徑不超過32千米，它奇特的扁平形狀被認(rèn)為是“新視野”號(hào)探測器獲得的最令人意外的探測結(jié)果。而且它的顏色偏紅，溫度極低。“這說明它含有托林，一種如甲烷、乙烷等簡單結(jié)構(gòu)有機(jī)化合物在紫外線照射下形成的、存在于遠(yuǎn)離恒星的寒冷天體上的物質(zhì)。現(xiàn)有資料表明，它的表面最高溫度約為零下218.15攝氏度。”趙玉暉說。

而在柯伊伯帶內(nèi)，“天涯海角”又是極為穩(wěn)定的“冷經(jīng)典”族群，可以說它自45億年前誕生后就沒有發(fā)生過太大的變化，因而“天涯海角”很可能保留著一些太陽系形成早期的物質(zhì)。

輻射差異決定小天體“體形”

雙瓣結(jié)構(gòu)的小天體在太陽系中較為普遍。但是扁平結(jié)構(gòu)的天體則較為罕見，目前也沒有相關(guān)的理論和模型對(duì)于它的存在給出合理的解釋。

在此之前，國際天文學(xué)界并未對(duì)“天涯海角”奇特的形狀給出相應(yīng)的解釋，此前曾有猜測，這種扁平形狀是在太陽系早期的星云坍塌過程中形成的。

趙玉暉團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)出一套活動(dòng)性物質(zhì)揮發(fā)作用下小天體形狀演化的模型，利用這個(gè)模型他們對(duì)木星族彗星67P/CG，以及其他木星族彗星開展了相關(guān)的研究。

“雖然受觀測數(shù)據(jù)限制，我們的樣本比較有限，但是該模型在67P/CG彗星形貌的南北不對(duì)稱及彗星的表面地貌演化等問題的研究中都得到了驗(yàn)證，這就說明我們的模型是可信的。”趙玉暉說道。

趙玉暉告訴記者，盡管如它的名字一樣，“天涯海角”距離我們非常遙遠(yuǎn)，“新視野”號(hào)對(duì)它也僅僅是匆匆一瞥，但是對(duì)它的形狀的研究仍然有重要意義。

研究表明，在太陽系行星形成過程的初期，微米量級(jí)的塵埃相互粘結(jié)形成毫米或厘米大小的顆粒，這些顆粒不斷聚集形成幾十到百千米大小的球形或橢球形星子。“天涯海角”可能最初就是由兩個(gè)這樣的星子結(jié)合形成的。

在太陽系形成初期，星際空間中仍充斥著大量的氣體和塵埃，遮擋了大部分太陽輻射，遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶區(qū)域溫度依然非常低，大量甲烷、一氧化碳和氮?dú)膺@類活動(dòng)性極強(qiáng)的分子能夠以固態(tài)的形式存在于星子中。隨著太陽系中的氣體和塵埃被驅(qū)散，太陽輻射變得強(qiáng)烈，溫度逐漸升高，“天涯海角”表面和內(nèi)部的活動(dòng)性氣體開始揮發(fā)，物質(zhì)逐漸流失。

由于“天涯海角”兩極受到的太陽輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于赤道區(qū)域，因而氣體的揮發(fā)速度也大大提高，整體形狀不斷的趨于扁平。

“這個(gè)形狀演化過程在它形成后大約100萬至1億年的時(shí)間內(nèi)完成，相比起它45億年的年齡，這個(gè)過程是非常短暫的。”趙玉暉說。

據(jù)趙玉暉介紹，太陽系形成初期，這種形狀演化機(jī)制在柯伊伯帶小天體中很可能普遍存在。但是某些小天體運(yùn)行到距離太陽更近的區(qū)域，比如半人馬天體或者木星族彗星，由于受到更強(qiáng)的太陽輻射，導(dǎo)致活動(dòng)性相對(duì)較弱的氣體(如二氧化碳、水)揮發(fā)，再次經(jīng)歷類似的形狀演化過程。

“研究表明，在太陽系形成早期，有大量的甲烷、一氧化碳和氮?dú)獾然顒?dòng)性氣體存在。了解它們的作用機(jī)制對(duì)于研究太陽系早期星子形成、太陽系小天體的形成演化等具有極其重要的意義。”趙玉暉說。(記者 張 曄)

關(guān)鍵詞： 小天體 天涯海角