美国航空航天局(NASA新视野号任务的数据,为我们提供了小行星(planetesimal)和行星(行星组成结构)形成方式的新见解。

最远天体“天空” 为什么看起来像个雪人?

阿罗科斯(Arrokoth),别称“天涯海角”(Ultima Thule)。
图片来源:Quapan/Flickr, CC BY-SA

在2019年1月1日,新视野号任务拍摄了2014 MU69的图像,这是一个距离太阳66亿公里的小天体,也是有史以来人类航天器访问过的最遥远天体。根据形状,这一天体常被描绘成“人”、“保龄球”或是“花生”。在上面的图片里,我们看到的是太阳系中最古老、最原始的天体之一。

虽然只用了几分钟的时间,新视野号就以3500公里的最近距离飞越了这颗神秘的天体,但是在这短短的几分钟时间里新视野号物尽其用,记录了量宝贵的信息。由于新视野号与地球相距甚远,且数据传输速度相对缓慢,这几分钟记录的数据花费了好几个月才顺利从航天器下载下来。

而现在,新视野号的任务团队在《科学》(Science)上发表了一系列研究论文,并于2月13日在西雅图举行的美国科学促进会(American Association for the Advancement of Science,AAAS)年会的媒体发布会上作了报告,向我们展现了虽然记录时间只有短短的几分钟,但经过精心地策划和协调后,我们可以了解到的信息与新知有多丰富。这些论文对它进行了详尽的描述,它的形状没有发生改变,仍然是“雪人”或“花生”的样子,但现在我们知道了为什么它会是这样的形状。相关的解释将帮助我们更多地了解那些太阳系中从始至终变化甚微的天体。

美国西南研究所(Southwest Research Institute)新视野号任务的首席研究员艾伦•斯特恩(Alan Stern)表示:“它是人类航天器探索过的最遥远、最早期、最原始的天体,因此我们知道它会带给我们一个独特的故事,它将教会我们小行星是如何形成的,我们相信这一结果标志着在理解小行星和行星的整体形成方面有了重大进步。”

这一天体位于柯伊伯带(Kuiper Belt),“柯伊伯带天体”形成了一条密集的中空圆盘状小天体带,延伸到海王星的轨道之外。它是太阳系形成过程中的低温、岩石态的残留碎片;这枚问题天体的颜色颇深,略带红色,它的双瓣状外观类似于67P /丘留莫夫-格拉西缅科(67P / Churyumov-Gerasimenko)彗星,这是欧洲空间局(ESA)极为成功的罗塞塔号(Rosetta)任务的探索目标。

“阿罗科斯”——来自天空的灵感

在深入了解这个36公里长的天体可以带给我们的信息之前,我们应该先弄清楚如何正确地称呼它。它叫什么?它的正式名称仍然是2014 MU69,但是,与其他的重要天文学物体一样,它被赋予了一个更朗朗上口的名字。新视野号完成飞越的好几个月后,2014 MU69被称为“ Ultima Thule”,意为“天涯海角”(遥远的土地),而2014 MU69无疑曾是(现在也是)真正意义上的“天涯海角”。

但是这个别称颇具争议,因为它与纳粹主义相关联,根据极右翼极端主义,“图勒”(Thule)曾被作为“雅利安人”(Aryan race)原始起源地的名称。新视野号团队也表示希望能有一个更为具体的名称。2019年11月,国际天文学联合会(International Astronomical Union,一个监督天文学物体命名的组织)同意将2014 MU69正式命名为“ 阿罗科斯”(Arrokoth)。

为什么是阿罗科斯?浩渺的星空给一代又一代的文人和音乐创作者带来了无限灵感,它为神话与传说提供了背景,是天文爱好者们无价而又免费的全景观测图。天空广阔无垠,无边无际,正因如此,当新视野号任务团队在寻找“天涯海角”的正式名称时,他们向天空寻求了灵感。

阿罗科斯是一个美洲原住民术语,意为“天空”,正如斯特恩解释说:“‘Arrokoth’这个名字反映了仰望天空所获得的灵感,以及对于地球周围恒星和行星世界的遐想。”

温柔的合并

回到阿罗科斯的外形上,它是一种双瓣连接物,也就是说它拥有两瓣连在一起的结构。在新视野号刚完成飞越的时候我们就已经知道这一点了,但现在,研究人员又收到了分辨率更高的图像,从中我们可以看到阿罗科斯的表面非常平滑,少有坑穴。

最远天体“天空” 为什么看起来像个雪人?

阿罗科斯的表面颜色均匀、成分均一,表明这个柯伊伯带天体是由太阳星云(solar nebula)中一小块均匀的物质所形成的,而不是来自太阳星云中更为离散部分的混沌物质。并且,前者支持了一种理论,那就是阿罗科斯形成于太阳星云内的云层局部塌陷之中。不同于小行星在等级式吸积中的高速碰撞,在粒子云塌陷中,粒子会缓慢融合并逐渐变大。
图片来源:NASA / 约翰•霍普金斯大学应用物理实验室(Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory)/西南研究所/罗曼•特卡琴科(Roman Tkachenko)

其中最重要的一点是两个瓣状结构的连接方式,这两瓣之间的连接部分轮廓清晰,并且在现有的图片里看起来非常平滑,没有任何裂缝存在的迹象,这表明自行星形成时代结束以来,阿罗科斯的表面一直保持完好无损。这一点很重要,因为如果两个瓣状结构是由强烈的冲击撞连在一起的,或者是来自较大物体撞击留下的碎片,那么裂缝就必然会存在。

斯特恩说:“我们发现的所有证据都指向粒子云塌陷模型(particle-cloud collapse model),几乎排除了阿罗科斯是由等级式吸积(hierarchical accretion)形成的,也由此推断出其他小行星的形成方式。”

可能的解释是,两个瓣状结构一开始就被引力“绑”在了一起,在碰撞之前以较小的相对速度各自缓慢旋转;并且撞在一起时的速度也很缓慢,大约只有几米每秒;碰撞时还存在足够的气体作为缓冲,减慢两部分的旋转速度并帮助它们一起移动:这样一来才产生了如此“温柔”的撞击合并。

利用新视野号所有可用的、从多个角度拍摄的阿罗科斯图像,科学家对它的三维形状进行了成像,如上面的动画所示。阿罗科斯的形状让我们能进一步了解它的起源,每个瓣状结构都呈扁平形状,它们的极点和赤道都非常紧密地对齐,表明这两个瓣状结构是有序、轻柔地结合在一起的,并且来自同一个粒子云坍缩。
视频来源:NASA /约翰•霍普金斯大学应用物理实验室/西南研究所/詹姆斯•塔特尔•基恩(James Tuttle Keane)

尽管目前我们将这两个瓣状结构各自看作是单一的物体,而不是更小单元的累加,它们内部的颜色、倾斜度和平滑度仍不尽相同,相应的变化也能绘制成不同的地形特征。依据现有的信息,我们还不足以确定这些单元是否具有不同的矿物学性质,但是数据表明,即使颜色的变化非常微妙,它们也还是能被区分开来。

阿罗科斯的表面被甲醇和复杂的有机化合物沉积物所覆盖,这些有机物很可能是直接从太阳诞生的原始云(primordial cloud)中衍生出来的物质,混合在表面的辐射驱动反应产生的更为复杂的化合物中。尽管尚未在阿罗科斯上发现和氨冰,但它们可能存在于尘埃和有机物的表层下方。另一方面,鉴于柯伊伯带极低的温度,阿罗科斯上不太可能有任何生命存在。

阿罗科斯的两个瓣状结构可能分别是由原始云中的尘埃聚集而成的,这让它成为了太阳系的“第一代居住者”,在过去45.67亿年的时间里,它一直过着无人搅扰的悠闲生活。

NASA行星科学部(Planetary Science Division)主任洛丽•格莱兹(Lori Glaze)说:“对于已经非常成功且具有历史意义的任务而言,这确实是一个令人振奋的发现, NASA的新视野号接二连三的发现令人震惊,因为它重塑了我们对太阳系中的行星体在整个宇宙中形成方式的认识和理解。”

“天空”并不是新视野号任务的极限,即便阿罗科斯的相关数据还没有全部传回地球,新视野号仍在马不停蹄地奔向它的下一个目标,以每小时近31 300英里(50 400公里)的速度深入柯伊伯带。而下一个目标又会是怎样的形状呢?雪人?葫芦瓢?还是花生?

参考来源:

[1]https://www.nasa.gov/feature/new-horizons-team-uncovers-a-critical-piece-of-the-planetary-formation-puzzle

[2]https://theconversation.com/why-the-most-distant-object-ever-visited-looks-like-a-snowman-flyby-delivers-results-131797

[3]https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aay3999

[4]https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aay3705

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坤 和

我在BBC纪录片《行星》中看到,中文翻译叫“天涯海角”,至于形成原因,不敢妄加推测。

Jingjing Fan

这感觉很像是两块石头撞到一起了