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  • 探索冥王星的新视野号,揭开柯伊伯带“太空雪人”诞生的奥秘!

    太阳系有史以来拍摄到的最遥远天体,新研究为柯伊伯带天体的形成提供了新线索,柯伊伯带天体是太阳系边缘类似小行星的天体,并有助于理解太阳系形成的早期阶段。在发表在《自然》期刊上的新研究中,解释了“雪人”(Arrokoth)的独特特征,雪人照片是去年由美国宇航局新视野号太空任务首次拍摄。故事始于2006年,当时新视野号航天器被派去拍摄冥王星的第一张特写图像,并研究冥王星的特征和地形。

    探索冥王星的新视野号,揭开柯伊伯带“太空雪人”诞生的奥秘!

    在发射后,新视野号固定了前往冥王星的轨道,开始了长达九年的漫长旅程。为了不浪费燃料和资源,它的大部分系统都处于休眠模式,直到它接近目标冥王星。也是在2006年,国际天文联合会决定将冥王星从行星地位降级为矮行星。简而言之,新视野号航天器被送去研究一颗行星,睡着了,醒来后发现曾经太阳系的九大行星之一,冥王星不再被认为是一颗行星。

    冥王星之旅

    但这并没有减损任务的重要性,新视野号提供了冥王星及其卫星卡隆的壮观图像,并提供了宝贵的科学信息,这些信息目前仍在研究中,可能会研究多年。这些研究将为理解太阳系的形成,特别是柯伊伯带的形成提供重要信息。但是,新视野号的冒险之旅还有更多内容,虽然冥王星是太阳系最远处最大的天体,但它并不是唯一的。在海王星之外有一个叫做柯伊伯带的区域,由数不清的类似小行星的物体组成,大小从几英尺到数千英里不等。

    探索冥王星的新视野号,揭开柯伊伯带“太空雪人”诞生的奥秘!

    这一区域的条件与它在太阳系内的“姊妹”小行星带不同(尤其是要冷得多),柯伊伯带天体通常由更多的冰物质组成。新视野号航天器配备了足够的资源来观测另一个柯伊伯带天体,如果能找到这样的天体,又距离航天器原始轨道不太远的话。2014年6月26日,在对这类天体进行了广泛的观测后,哈勃太空望远镜发现了其中一个。在确认之后,新视野号研究小组设计了航天器的轨迹,以便在完成绘制冥王星地图的任务后,它将通过新发现的天体旁边。

    发现之旅

    五年后(也就是2015年与冥王星相遇后的四年),新视野号经过了该天体,2019年1月1日,当新视野号航天器从3500英里外的柯伊伯带小天体经过时,人类首次近距离拍摄了它。在第一批图像到达后,柯伊伯带天体(被称为2014-69)因其独特的外观而被戏称为“雪人”。新视野号研究人员最初称它为Ultima Thule(拉丁语中的“世界边缘”),因为它位于太阳系边缘的偏远位置。

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    但这个天体最终被重新命名为Arrokoth486958,在现已灭绝的波瓦坦原住民语言中,意思是“天空”或“云”。新视野号收集了大量关于雪人的信息:它是一个30公里长的接触双星,由两个不同大小的叶通过细颈相互连接,似乎是两个较小的柯伊伯带天体碰撞形成Arrokoth的产物。虽然已经提出了各种模型来解释Arrokoth的形成和其特殊性质,但这些模型遇到了重大挑战,不能很好地解释雪人的重要特征,特别是它自身的缓慢旋转速度和大倾角。

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    研究人员提出了新颖的分析计算和详细模拟,解释了Arrokoth的形成和特征。这项研究由博士生叶夫根尼·格里辛(Evgeni Grishin)、博士后尤里·马拉默德(Uri Malamud)博士和他们的导师哈盖·佩雷斯(Hagai Perets)教授与德国图宾根研究小组合作领导。在柯伊伯带中由两个随机天体之间的简单高速碰撞将会粉碎它们,因为它们很可能主要是由软冰构成。另一方面,如果这两个天体在圆形轨道上运行(类似于月球围绕地球的轨道)。

    剖析“雪人”

    然后慢慢地向下旋转,以便更温和地接近对方并进行接触,那么Arrokoth的自转速度将会非常高,而相对于这样的预期,测量到的速度实际上相当低。Arrokoth的完整自转需要15.92小时。此外,它的倾角(相对于其绕太阳轨道的平面)非常大,达到98度,所以它几乎是相对地躺在一边。根据研究模型,这两个天体围绕彼此旋转,但因为它们一起围绕太阳旋转,所以它们基本上构成了一个三星系统。

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    这类三星系统的动力学很复杂,被称为三体问题。众所周知,引力三星系统的动力学非常混乱,在研究中,研究人员发现该系统并不是以简单有序的方式运动,而且也不是以完全混乱的方式运行。通过缓慢(长期)的演化,它从一个宽阔相对圆形的轨道,演变成一个高度偏心的椭圆形轨道,与Arrokoth绕太阳的轨道周期相比要慢得多。可以证明,这样的轨迹最终会导致碰撞,一方面碰撞会很慢。

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    但另一方面,会产生一个缓慢旋转、高度倾斜的物体,这与Arrokoth的性质一致。详细模拟证实了这一点,并产生了与Arrokoth雪人外表、旋转和倾斜非常相似的模型。还研究了这种过程的稳定性和可能性,并发现它们在所有柯伊伯带范围内的双星中,有多达20%是相当常见的,并且可能以类似的方式演化。到目前为止,还不可能解释Arrokoth的独特特征,这是一个违反直觉的结果。

    探索冥王星的新视野号,揭开柯伊伯带“太空雪人”诞生的奥秘!

    碰撞的可能性实际上会增加,因为初始双星的距离更大,并且初始倾斜角更接近90度。新模型既解释了碰撞的高可能性,也解释了今天统一系统的独特数据,实际上还预测柯伊伯带中会有更多物体。事实上,甚至冥王星和卡隆卫星的系统,也可能是通过类似的过程形成,它们似乎在太阳系双星和月球系统的演化中扮演着重要角色。

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