《科学》杂志：隼鸟2号的“龙宫”探险发现了些什么？

小行星，是我们追溯太阳系历史的“时光胶囊”。

它们是太阳系行星形成时期的留下的碎片，大多只经历过小规模的热改造，所以很可能还保留着原始太阳系的成分和信息。

碳质小行星（C型小行星）则是其中数目最多，也最为原始的一类，其中一些可能富含水和有机物。有些研究认为，地球早期的水和生命，可能就是富含水和有机物的小行星和彗星的撞击带来的。也就是说，探测这样的小行星既可以帮助我们了解太阳系早期的历史和演化，说不定也可以帮助我们寻找到地球生命起源的线索。

在过去的2018年这个不同寻常的年份里，两枚伟大的探测器——日本JAXA的隼鸟2号和美国NASA的冥王号（OSIRIS-REx）经历数年跋涉之后，都各自抵达了自己的探访目标——同为C型小行星的龙宫和贝努。

而如今，经过了几个月的探测之后，两个团队都各自迎来了第一个收获的季节。

美国时间2019年3月18-22日，一年一度的月球与行星科学会议（LPSC2019）如期在美国休斯顿召开，这是行星科学界最有分量的学术会议之一。

这次会议的亮点有许多，但两位小行星采矿大赛选手的成果报告毫无疑问是其中最受关注的热点之一。

另一边，《科学》和《自然》两大巨头也来凑起了热闹。为了和这两个团队在19-20日为期两天的系列专题报告同步上线，两大杂志在美国时间19日当天（提前）同步发表了两个团队的初步成果：

《科学》杂志连发3篇隼鸟2号团队对小行星龙宫的研究[1-3]；

《自然》杂志连同旗下的子刊团队《自然·天文》、《自然·地球物理》、《自然·通讯》一口气连发7篇冥王号团队对小行星贝努的研究…

（来呀，一起比赛啊…）

这个操作也是服气的…

7篇太多了看不过来…今天这篇先讲讲隼鸟2号团队的战况吧。

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从一个小亮点，到一整个世界

小行星的个头太小了，自身又不发光，肉眼几乎不可能看见（除了灶神星），即使在天文望远镜里，也顶多不过是一个小亮点。事实上，即使是奔着龙宫而来的隼鸟2号，在距离龙宫133万公里处首次拍到的小行星龙宫还依然只是一个小亮点[4]。

隼鸟2号2018年2月26日首次拍到的小行星龙宫。来源：JAXA[4]

然而，随着隼鸟2号一点一点飞近龙宫，隼鸟2号携带的“十八般兵器”最终还是帮助我们把龙宫的点点滴滴都尽收眼底。

首先是出场的是相机。隼鸟2号携带了3个相机：1个远望相机ONC-T和两个宽角相机ONC-W1和ONC-W2，最高可以拍摄毫米级分辨率的龙宫表面照片。

隼鸟2号的三个导航相机。来源：JAXA[5]

隼鸟2号的导航相机ONC的探测原理
来源：JAXA[5]

ONC相机告诉我们，这个直径约900米的小家伙形状略扁（赤道半径502米，两极半径只有438米），长得像个粽子陀螺，赤道有一圈明显的隆起，这个环绕赤道一圈的隆起后来被命名为“龙王山脊”。龙宫的自转周期约7.6小时，转轴倾角171.64°，几乎就是逆行自转（转轴倾角180°）。

龙宫的东半球和西半球。
来源：JAXA

ONC相机还联合激光高度计LIDAR，第一时间帮助隼鸟2号团队建立了龙宫的形状模型，分辨率高达约1米。

基于ONC-T相机在5.1-6.5公里高度下拍摄的214张、使用SfM方法，用3145728个多边形面元建立的龙宫形状模型（SFM20180804）。Z轴是自转轴方向，x轴指向0度经线。
来源：参考文献[1]

形状模型这么精细的东西都做出来了，精确的体积当然也就不在话下了。那质量咋办呢？有办法。龙宫的质量可以直接影响隼鸟2号的飞行，隼鸟2号只需做几个小实验，尽量关闭所有的轨道和姿态控制装置，让探测器尽可能完全在“龙宫”重力的支配下先自由落体降落一段，然后再飞起来：

2018年8月7日，隼鸟2号自由落体降到预定的最低高度——距离“龙宫”表面851米处，然后通过化学推进器上升。之后直接上升到约5 km高度处都不进行轨道和姿态控制。

通过测量隼鸟2号在下降和上升阶段的运动状态变化来反推“龙宫”表面不同位置的重力变化。

激光高度计LIDAR和重力测量原理
来源：JAXA[5]

总之，没费什么力气，隼鸟2号就测出龙宫的体积只有0.377立方公里（简直是太袖珍了），质量约为4.5×1011公斤（不确定性1.3%，主要来自对探测器受到的太阳光压估计的不确定性）。

通过质量和体积，可以计算龙宫的密度1.19±0.02 克/立方厘米，比典型的富含水的碳质小行星（Ch-和Cgh型）的测量值低（后者通常在1.6-2.4 克/立方厘米）[1]。

又一个疏松的“乱石堆”

龙宫的密度…实在是有点低的…这并不是因为组成龙宫的石块本身密度太低，而是因为这些石块都是“松松”地靠在一起的，彼此之间空隙太大了。

隼鸟2号的前辈，隼鸟号当年探测的小行星系川就是这样一颗典型的“乱石堆”（rubble pile），或者说，是众多大大小小的石块由于自身引力聚集在一起形成的小行星，彼此之间的“粘合力”很弱，撞一下，抖几抖，石块都会簌簌地乱动。这种乱石堆型小行星质地松散，孔隙率自然也很高。

龙宫上的坍塌和物质流动痕迹。（左）浦岛坑中的坍塌，（右）黄色箭头指示重力位从高到低的方向，与龙宫目前的物质流动方向一致。
来源：参考文献[3]

而如果我们假设组成龙宫的颗粒物质密度和碳质球粒陨石差不多的话（其中目前已知密度最低的是Orgueil CI陨石，密度2.42±0.06 克/立方厘米[6]），那么整个龙宫的平均孔隙率将大于50%，比小行星系川孔隙率（44%）还要高。

也就是说，龙宫也是一颗乱石堆型小行星。

乱石堆型小行星系川和龙宫。来源：JAXA

龙宫是一颗乱石堆型小行星的另一个证据是：龙宫表面有许多大石块，比如其中最大的乙姬石块位于南极附近，长约160米。确实，撞击作用也会产生石块，新鲜的撞击坑周围常常会有很多小石块，但龙宫上的这些石块不可能是撞击溅射物，因为长于20米的石块实在太多了（密度是系川上的两倍多），比龙宫上最大的撞击坑（直径约290米的浦岛坑）可能产生的溅射物还要大。

因此，龙宫很可能是一颗直径约100公里的母体小行星被完全撞碎之后的碎片聚集形成的，而龙宫上的这些大石块也不是龙宫形成之后才产生的，更可能是组成龙宫的原始碎片。

事实上，乱石堆型小行星龙宫的发现，也符合之前科学家们的一个猜想：

直径约1公里级的小行星可能都是乱石堆型小行星[7]。

龙宫多少岁了？

撞击坑统计可以帮助我们了解龙宫表面的年龄，因为撞击坑越密集，就表示表面越古老。不过这里说的“年龄”，只是龙宫成形、有现在的表面的年龄，而不是组成龙宫的石块形成的年龄——后者显然要更古老，那会是属于这些石块的母体小行星的历史了。

隼鸟2号在龙宫表面识别了50多个圆形洼陷结构，其中有30多个都有比较典型的撞击坑形态，可以基本认为是撞击坑，而剩下的暂时很难判断。

龙宫上识别出的地貌特征，其中红圈是比较确定的撞击坑。不过，撞击坑似乎聚集在赤道区域只是因为地图投影带来的错觉。
来源：参考文献[3]

龙宫上典型的撞击坑Kolobok坑，有抬升的坑壁、碗型结构，深而平坦的坑底。

Kolobok坑（直径240米，位于1.5°S，333.5°E）的形态（左）和地形剖面（右）。
来源：参考文献[3]

按现在的直径100-200米的撞击坑密度来推算，如果表面物质之间完全没有粘性的话，龙宫表面的年龄应该在900万年左右，而如果表面物质之间有干燥的土壤那种程度的微弱粘性的话，龙宫表面的年龄应该在1.6亿年左右，但无论是哪种情况，都有可能早于龙宫从主小行星带迁移到如今的近地小行星轨道的时间——也就是说，龙宫表面直径100米以上的撞击坑，很可能都是龙宫还在主小行星带中飞驰的时候形成的。

和隔壁家冥王号观测到的贝努相比，贝努表面的年龄在1亿到10亿年之间——龙宫比贝努年轻多了。

龙宫（左）和贝努（右）的撞击坑CSFD定年统计。来源：参考文献[3]和[8]

那么更小的撞击坑呢？龙宫上小于100米的撞击坑非常少，系川、爱神星、贝努上也是这样。这也很容易理解：越小的撞击坑也越浅，在这些结构松散的乱石堆型小行星上，浅（小）坑真的太容易被抹去了，随便抖动一下都能埋掉。

“陀螺”的形成：是龙宫的自转减慢了

巧的是，冥王号探访的小行星贝努…也是陀螺形的…事实上，陀螺状的近地小行星倒也谈不上罕见，天文学家们已经通过地基雷达发现过一些…毕竟，自转引起的离心作用可以让赤道区域产生一定的隆起，这也不奇怪（咱们的地球不也是“两极稍扁，赤道略鼓”么）。

自转周期短达3.9个小时的妊神星，就因为巨大的离心作用被整个“拉”扁了…

快速旋转的妊神星的假想图，看得我都晕……
来源：维基

奇怪的是，相比于目前已知的其他陀螺状的小行星，龙宫的自转速度太低了，这样的自转速度似乎并不足以引起这么明显的赤道隆起啊。

JAXA隼鸟2号探访的龙宫，NASA冥王号探访的贝努，以及欧空局曾经的小行星采样返回计划MarcoPolo-R想要造访的小行星2008 EV5的大小、形状和自转周期，相比之下龙宫实在是转得太慢了。来源：JAXA、NASA

那么，一个很自然的猜测就是：龙宫过去一定转得很快，是后来减速到现在的自转状态的。

为了证实这一点，隼鸟2号团队分析了不同自转速率下龙宫表面坡度（表面法线和重力等位面的夹角）的分布。

假定龙宫全球是均质的，密度为1.2克/立方厘米，保持原本形状所需的最小粘合强度约为4帕情况下龙宫全球的坡度图。
来源：[1]

结果显示，在目前的自转周期（7.63小时）下，龙宫表面大部分区域坡度都小于35°，平均坡度11.8°，总体来说是相当稳定的。而随着自转周期缩短到4小时，中高纬区域的坡度开始变大，而当自转周期索道到了3.5小时的时候（这几乎是赤道区域的引力和离心力相等的临界点），龙宫表面的平均坡度达到了31°，这一角度已经接近粒物质的摩擦角（~35°）了。

也就是说，当龙宫的自转速率是现在的两倍多的时候，龙宫上会发生大规模“坍塌”，大量物质“流”向赤道区域，形成现在环绕赤道一圈的龙王山脊。

再然后，随着自转的减慢，如今的龙宫赤道上的物质也正重新“流”向中高纬区域。

“干涸”的“龙宫”

“龙宫”这个名字来源于日本民间故事《浦岛太郎》（うらしまたろう）。故事里的浦岛太郎被海龟带往海底龙宫，在龙宫受到了公主乙姬的热情款待，回到人间的时候带回了一个宝盒——寓意采样返回任务隼鸟2号也能从小行星带回珍贵的信息。这个名字的另一个意义在于，C型（碳质）小行星中有几个亚类可能富含水，这也非常符合“海底龙宫”的意味。

ポプラ出版社 (2018/3/6)童书《浦岛太郎》的封面

那龙宫到底是不是这样呢？隼鸟2号的另一件宝贝——近红外光谱仪（NIRS3）告诉我们：好像并不是。

近红外光谱仪NIRS3的内部结构。来源：JAXA[5]

如果某个区域含有某种物质成分，那么这个区域的反射光被光谱仪“分解”之后，就可能显示出这种成分对应的V型的特征吸收。也就是说，光谱仪可以识别许多物质的“指纹”。

近红外光谱仪NIRS3的探测原理
来源：JAXA[5]

龙宫携带的近红外光谱仪NIRS3覆盖了1.8-3.2微米的波段范围，在这个范围里，三种不同形式的水：羟基（OH）、液态水和水冰会体现出不同的吸收特征——如果龙宫含水，就应该会被检测到。

（左）羟基（OH）、水和水冰在3微米附近的不同波段有不同的吸收特征。来源：参考文献[9] （右）龙宫的近红外波段光谱特征。
来源：参考文献[2]

NIRS3的结果显示，龙宫只在2.72微米处探测到了很窄的V型吸收，而且遍布全球——这是羟基（OH）的吸收特征。也就是说，含羟基的矿物（水合矿物）在龙宫表面普遍存在[2]。

然而，龙宫上羟基的特征吸收很微弱，说明整个龙宫表面的羟基都不多——龙宫上虽然有水（羟基可以认为是结构水，但不同于液态水和水冰），但也没有多少水。

为什么会有这么少的水呢？可能的原因有很多。

一种可能性是，龙宫本身作为一颗重组的乱石堆，很可能经历过一些热变质或者冲击变质过程，类似于经历过这些的碳质球粒陨石，那么自然地，龙宫在这个过程中被加热脱水了。

另一种可能是，龙宫曾经的轨道近日点比现在离太阳更近，会受到更强的来自太阳的热辐射，也会因为更强的太阳风作用而导致羟基的分崩离析。

总之，就是龙宫可能曾经有过很多水，然后水没了。

另一种可能是，龙宫可能原本就没有很多水：龙宫的母体小行星上就（因为种种原因）没有很多水，所以龙宫先天不足。隼鸟2号项目组更倾向于这种情况。

乡关何处？

龙宫原本来自哪里？它的母体小行星是什么样的？我们依然可以通过光谱特征这把“指纹钥匙”来推测，或者简单来说，寻找什么样的小天体和龙宫更像。

首先，龙宫的表面是非常暗的，几何反照率只有0.045，也就是说只有4.5%的阳光能被反射出来。literally炭一样黑（不然怎么叫C型小行星嘛对吧）…而且黑得很均匀

事实上，肉眼看上去的龙宫差不多会是这样：

隼鸟2号ONC-T相机2015年12月4日拍摄的地球和2018年6月21日拍摄的龙宫在接近肉眼状态下看到的样子。
来源：JAXA、东京大学、高知大学、立教大学、名古屋大学、千叶工大、明治大学、会津大学、产业技术综合研究所[10]

地球上能观察到的和龙宫上的物质最像的是碳质球粒陨石。隼鸟2号弹丸撞击试验用的模拟龙宫石块，就是完全参考碳质球粒陨石的形态、强度等特征制备的。

为第一次着陆采样做准备的撞击试验采用的模拟龙宫石块。
来源：JAXA、东大[11]

但球粒陨石细分下来还有很多种啊…不同类型的碳质球粒陨石，可能来自的母体小行星也不同。

以目前龙宫的光谱形态来看（龙宫本身的光谱类型目前认为属于Cb型），和龙宫最相似的陨石是经历过热变质/冲击变质而中度脱水的CM和CI型碳质球粒陨石，还有一种可能和龙宫相似的物质是星际尘埃粒子（IDPs），不过目前人们对这种物质的了解就更少了。

和龙宫光谱特征最相似的小行星是两颗主带小行星：波兰星（Polana）和欧拉莉娅（Eulalia），从轨道特征来看，龙宫也很可能来自这两颗小行星之一的碎片。

龙宫和波兰星（Polana）、欧拉莉娅（Eulalia）的反射光谱。
来源：参考文献[3]

事实上，这两颗小行星并不是“单打独斗”的，它们各自有一个庞大的家族——一系列轨道特征相似，可能来自同一颗小行星母体碎片的族群——波兰星族（Polana family）和欧拉莉娅星族（Eulalia family）（欧拉莉娅星族本身也是波兰星族的一个分支）。

也就是说，龙宫可能并不直接来源于这两颗小行星之一的碎片，而可能是它们的二代、三代甚至n代碎片。

坎坷一生

在隼鸟2号抽丝剥茧地侦查之下，龙宫历经坎坷的一生逐渐浮出水面。

龙宫的母体小行星或许原本是有水的，但后来因为自身内部的放射性物质衰减加热，或者因为陨石撞击加热，让很大一部分水散失了。也或许，母体小行星的水蚀过程才刚刚开始，还没有形成很多水。

但总之，在这样一个没有多少水的情况下，这颗母体小行星被另一颗飞来的撞击体完全撞碎了。这样的“惨剧”在太阳系中再平常不过了，无数的天体都曾经或终将经历这样的毁灭。

但这毁灭之中，也孕育着新生。

这些撞击产生的碎片，又聚集成了一个个新的小行星族群。因为碎片在这个撞击和重组过程中，除了因为撞击产生的有限的热变质之外，并没有发生很大的化学变化，所以它们几乎还保留着来自母代小行星的“指纹”——龙宫或许就是这样的一颗小行星。

又或许，这些子代小行星族群中的一颗，再次被一颗飞来的撞击体完全击碎了…这些碎片再次重组，成为了如今的龙宫。

龙宫可能的形成过程。来源：参考文献[3]

我们并不知道龙宫的一生，经历了多少次俄罗斯套娃式的毁灭和重生。龙宫的这段历史，也是建立在无数“可能”之上的推测——随着隼鸟2号的进一步探索，我们一定会得到一段更加清晰的历史，或许和现在的猜测非常不同。

但龙宫这样的乱石堆型小行星，一定经历过毁灭和新生交织的坎坷人生，也注定终将被另一颗撞击体完全撞碎，只要有足够长的时间。

只是刚刚好在这样一个时刻，龙宫也在，我们也在，然后我们看到了龙宫。

参考

[1] S. Watanabe, et al. (2019).  Hayabusa2 arrives at the carbonaceous asteroid 162173 Ryugu—a spinning-top-shaped rubble pile. Science doi:10.1126/science.aav8032
[2] K. Kitazato et al. (2019).  The surface composition of asteroid 162173 Ryugu from Hayabusa2 near-infrared spectroscopy. Science . doi:10.1126/science.aav7432
[3] S. Sugita et al. (2019). The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent-body processes. Science. doi:10.1126/science.aaw0422
[4] JAXA-Hayabusa2has detected Ryugu
http://global.jaxa.jp/press/2018/03/20180301_hayabusa2.html
[5] https://www.darts.isas.jaxa.jp/planet/project/hayabusa2/
[6] Vernazza, P., Marsset, M., Beck, P., Binzel, R. P., Birlan, M., Brunetto, R., … & Mousis, O. (2015). Interplanetary dust particles as samples of icy asteroids. The Astrophysical Journal, 806(2), 204.
[7] Walsh, K. J. (2018). Rubble Pile Asteroids. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 56, 593-624.
[8] Pieters, C. M., Goswami, J. N., Clark, R. N., Annadurai, M., Boardman, J., Buratti, B., … & Hibbitts, C. (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.
[9] Walsh, K. J., Jawin, E. R., Ballouz, R.-L., et al. (2019) Craters, boulders and regolith of (101955) Bennu indicative of an old and dynamic surface. Nature Geoscience, 1752-0908.doi: 10.1038/s41561-019-0326-6
[10] リュウグウ到着！|
http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20180629je/index.html
[11] JAXA | リュウグウに弾丸を撃ち込め！
http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190214_Experiment/
[12] LPSC2019重要报告的视频
https://livestream.com/viewnow/lpsc2019