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“龍宮”的“骨質疏松”或是太陽係早期行星的“典型症狀”
2020-05-18 08:59:13 來源: 科技日報
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  太陽係形成于大約45億年前。無數“碎片”一樣繞太陽係中心軌道運行的小行星,是太陽係早期形成過程的見證者。它們中的大部分是碳含量豐富的C型小行星。

  在這幾十億年間,C型小行星幾乎沒什麼變化,如同“時間膠囊”一般將古老時期的物質保存了起來。日本“隼鳥二號”(Hayabusa2)探測器的目標“龍宮”(Ryugu)便是其中一顆。

  近日,“隼鳥二號”傳回的紅外圖像數據已發表在《自然》雜志上,顯現出“龍宮”幾乎完全由多孔的松散物質組成。科學家推測,以“龍宮”為代表的C型小行星,其脆弱的多孔結構可能類似于星子,星子形成于原始的太陽星雲,並在無數次碰撞中累積形成行星。

  然而,迄今為止,我們並未完全了解太陽係早期的形成歷史,許多相關理論都是建立在模型數據基礎之上,還沒有得到實際觀測的證實。現在,攜帶“龍宮”樣本的“隼鳥二號”正在歸來的途中,科學家希望能通過這些樣本找到這個答案。

  C型小行星見證太陽係“幼年”

  C型小行星是一類含碳的小行星,也是太陽係中最為豐富和原始的小行星類型。它們約佔已知小行星總數的75%,在太陽係小行星主帶裏的佔比更高,並且深入主帶外緣。

  “由于體積較小,誕生以來的進化程度較低,C型小行星仍然保留著大多數原始小行星時期的物理條件,諸如包絡外殼、孔隙度和粒度分布等。因此,它們的存在,為理解太陽係的起源和演化提供了線索。”中國科學院國家天文臺研究員平勁松介紹道。

  晴朗的夜空裏,我們很難捕捉到C型小行星的身影。由于孔隙度高、反照率極低,它們在夜空裏比其他類型的小行星更暗,需要使用小型光學天文望遠鏡才看得見。天文觀測表明,這類小行星的光譜中除了不含氫、氦和揮發物之外,它們的化學組成和原始的太陽星雲幾乎一樣,也有水合礦物。

  整體上看,C型小行星的光譜與碳質球粒隕石非常相似。一般認為,降落在地球表面上的碳質球粒隕石很可能來源于C型小行星。並由此推斷,碳質球粒隕石中也保存了形成太陽係的太陽星雲的成分。

  “構成太陽係的氣體和塵埃物質,在之前可能參與過早期一代、二代恒星的誕生過程。”平勁松指出,數十年來科學家們在碳質球粒隕石中發現,多種元素的特殊同位素組成有變化。這種組成變化無法用太陽係內部過程進行解釋。對太陽係來説,這種同位素組成的變化,可能是太陽係形成時就固有的。

  一直以來,科學家希望通過探測C型小行星,來了解太陽係行星係統的誕生和早期行星演化的過程。在“隼鳥二號”探測“龍宮”之前,美國國家航空航天局曾針對另一個編號為253馬蒂爾德的C型小行星

  進行了探測,同樣發現它的表面存在松散結構,並解釋其可能是流星撞擊産生的松散物質。

  事實上,關于太陽係行星誕生的過程,有著各種假説。平勁松介紹,其中一種廣為認同的假説認為,太陽係裏諸多行星成形于“太陽星雲”,太陽星雲是太陽形成過程中剩下的氣體和塵埃形成的圓盤狀雲。

  太陽星雲中有著大量的硅酸鹽塵埃和冰等細顆粒物質。通過吸積集聚,這些顆粒形成一到十公裏直徑的塊狀物微小天體。然後它們互相碰撞,形成更大尺寸、多孔松散的碎石堆,直徑約幾公裏到幾十公裏,成為第一批太陽係的行星星子或者微行星。

  這些星子們是經過多次聚合的星際顆粒松散結合而成的團塊,它們通過進一步相撞逐漸加大尺寸。在距太陽4個日地距離以內的內行星區域,由于過于溫暖以至于易揮發的如水和甲烷分子難以聚集,那裏形成的星子大部分由高熔點的物質形成。這些物質在宇宙中很稀少,導致類地行星不會長得太大。

  研究認為,行星形成時代結束後,太陽係有50—100個行星胚胎。這些行星胚胎從形成開始經歷了相當大的變化。它們之間的碰撞一直持續發生。沒有星子之間的碰撞聚合,就無法形成巨大的行星個體。

  “龍宮”藏著解題線索

  “龍宮”是一個C型的近地小行星,距離太陽最近和最遠距離分別是日地平均距離的0.96倍和1.42倍。“隼鳥二號”通過近紅外光譜觀測確認,“龍宮”大部分光譜沒有特徵,和CM類型的碳質球粒隕石十分接近。

  CM類型的碳質球粒隕石,包含高百分比的水和有機化合物。揮發性、有機化合物和水的存在,顯示它們形成時沒有經歷過一定程度的加熱。因此,它的礦物成份大多數保持了原始的物理化學狀態,記錄了早期太陽星雲演化的特徵,以及他們母體星子的演化特徵。

  去年4月,“隼鳥二號”向“龍宮”發射了一枚2公斤重的銅炮彈,擊中“龍宮”表層,炸開了沙礫和岩石,甚至移動了一塊5米寬的巨石,形成一個外緣直徑大于10米、深2—3米的人工撞擊坑。

  通過觀察這個新隕石坑的形成,研究人員發現,“龍宮”的表面並不是很堅固,它更像是有許多空隙的沙礫堆積而成,而不是整塊堅固的岩石。這項針對“龍宮”的實驗,主要目的是在撞擊後收集包含有小行星地表以下物質的原始樣本。

  紅外成像帶來新發現

  對“龍宮”的紅外成像分析,類似探礦的光譜分析。通過近紅外分光光譜儀的觀測,可以獲得小天體礦物、岩石表面的連續光譜,進而了解其表面物質的顆粒大小、孔隙率、巨石豐度、粗糙度等情況。

  “隼鳥二號”搭載的熱紅外成像儀繞“龍宮”一圈拍攝了全球熱成像圖。對紅外圖像的分析顯示,“龍宮”表面岩體和包圍它的物質有相似的溫度,其熱慣量較低。研究人員認為,這種低熱慣量表明“龍宮”表面岩體比典型的碳質球粒隕石更具多孔性,預示其周圍覆蓋著直徑超過10厘米的多孔沙礫物質。近距離紅外探測也證實了這些多孔沙礫的存在。

  同時,對“龍宮”的遙感熱成像觀測結果還顯示了其可能的形成歷史,即它是由母天體的撞擊碎片形成的碎石堆,其微孔隙約為30%至50%,經歷了低程度的固結。表面存在的一些致密巨礫可能起源于最內部的固結區域,也可能是外生的。

  在平勁松看來,以“龍宮”為代表的C型小行星,其脆弱的多孔結構可能類似于原始星子,內部的冰可能在演化過程中升華,從而形成多孔且不牢固的結構。“龍宮”表面之所以是一種不均勻的沙壤層,也很可能是因為在運行過程中遭遇了大量的撞擊,導致冰被衝擊融化,從而喪失了水分。

  按計劃,“隼鳥二號”將于2020年底飛經地球,將其採集到的岩石樣本投送到澳大利亞南部的伍默拉沙漠。對于它即將帶回來的這份珍貴禮物,科學家充滿期待。(記者 唐婷)

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【糾錯】 責任編輯: 王頔
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