花一亿年成功“瘦身”的柯伊伯带小天体“天涯海角”2014 MU69的秘诀是晒太阳
据中国科技网：柯伊伯带数以亿计的含冰小天体，被认为是太阳系早期形成过程中遗留的原始星子，也是半人马天体和木星族彗星的来源地。因此，研究柯伊伯带天体对了解太阳系起源和演化、地球上水和生命起源等问题具有关键的科学意义。2019年元旦，美国国家航空航天局“新视野”号探测器飞越柯伊伯带小天体“2014 MU69”。
这是目前人类探测到的最遥远和最原始的太阳系天体，它那扁平的双瓣状结构，宛如一个胖乎乎的雪人。这个“胖娃”引起了科学家的浓厚兴趣。它的名字Arrokoth来源于美洲原住民波瓦坦人的语言，意指“天空”；同时它也有个诗意的中文名字——“天涯海角”。
10月5日，《自然·天文》在线发表了中国科学院紫金山天文台行星科学与深空探测实验室赵玉晖副研究员等与德国马普太阳系研究所等单位的合作研究成果。科研人员建立并利用太阳系小天体活动性物质挥发导致其形状演化的模型，对“天涯海角”奇特的扁平形状进行了分析，并得出一个全新的结论：这个圆乎乎的“胖娃”在其诞生后100万到1亿年的时间里，大量甲烷、一氧化碳和氮气等活动性气体挥发导致了其扁平状结构的形成，而且这种“瘦身”机制可能广泛存在于柯伊伯带小天体形成初期的形状演化过程中。
神秘的柯伊伯带小天体
柯伊伯带的命名来自一位美籍荷兰天文学家——G.P.柯伊伯。
1951年，柯伊伯把爱尔兰天文学家E.埃奇沃思提出的关于短周期彗星起源的设想发展成相应的理论，于是后人将这一预期中的环带称为柯伊伯带，或埃奇沃思—柯伊伯带。
1992年，天文学家用光学望远镜在海王星轨道外的环日轨道上观测到一个小行星，随后又发现更多类似的天体。到2006年，观测到的总数已超过1000个，其中最大的一个直径达1200千米，其余的直径多为200—400千米。
现在，人类已经可以通过地面望远镜观测到柯伊伯带不计其数的小天体，或者像“新视野”号那样，飞越柯伊伯带，为那些神秘的小天体拍张特写近照。
赵玉晖告诉科技日报记者，柯伊伯带在太阳系圆盘外围，海王星轨道以外，距太阳30—50个天文单位（AU，1天文单位约为1.496亿千米），主要由小型天体或太阳系形成的残余物组成。
它与小行星带类似，分布着数亿固态小天体，是木星族彗星的发源地。但与小行星带不同的是，大多数柯伊伯带天体主要由冻结挥发物构成，如二氧化碳和水，而非金属物质。
说起柯伊伯带中最著名的天体，就是曾经的太阳系第九大行星——冥王星。不过后来它被排除在外，其中一个重要原因就是因为它的大小和柯伊伯带某些小天体的大小相当。
关于柯伊伯带小天体的成因，目前还是一个未解的谜，科学家倾向于认为不同族群的柯伊伯带小天体可能形成于太阳系的不同位置。在45亿年前，在接近太阳的区域，许多星际物质绕着太阳转动、互相碰撞，结合在一起，形成了地球和其他类地行星，以及气体巨行星的固体核。而在远离太阳的区域，比如柯伊伯带，温度极低，许多宇宙尘埃、冰、气体得以保存下来，形成了大量比行星小的天体。
保留太阳系形成早期的物质
柯伊伯带数以亿计的含冰小天体，被认为是太阳系早期形成过程中遗留的原始星子，也是半人马天体和木星族彗星的来源地。因此，研究柯伊伯带天体对了解太阳系起源和演化、地球上水和生命起源等问题具有关键的科学意义。
而“天涯海角”作为柯伊伯带中最稳定的一类小天体——“冷经典”族群，其轨道在演化过程中受到外界的干扰很少，属于该区域土生土长的小天体。对于“天涯海角”的探测可以为人类研究太阳系和太阳系天体的形成和演化过程提供大量有价值的信息。
“我们之所以把‘天涯海角’称为‘冷经典’，并不是因为它的温度低，而是从动力学上看，这类天体的轨道更加稳定，可以说是太阳系内最稳定的一类天体。”赵玉晖介绍说，除了“冷经典”族群，在柯伊伯带内还有“热”经典柯伊伯带天体、离散盘小天体、海王星共振轨道小天体等其他类型的小天体。
“天涯海角”是一个令人兴奋的天文发现。它距地球约66亿千米，是一个由两部分组成的双瓣结构天体，表面直径不超过32千米，它奇特的扁平形状被认为是“新视野”号探测器获得的最令人意外的探测结果。而且它的颜色偏红，温度极低。“这说明它含有托林，一种如甲烷、乙烷等简单结构有机化合物在紫外线照射下形成的、存在于远离恒星的寒冷天体上的物质。现有资料表明，它的表面最高温度约为零下218.15摄氏度。”赵玉晖说。
而在柯伊伯带内，“天涯海角”又是极为稳定的“冷经典”族群，可以说它自45亿年前诞生后就没有发生过太大的变化，因而“天涯海角”很可能保留着一些太阳系形成早期的物质。
辐射差异决定小天体“体形”
双瓣结构的小天体在太阳系中较为普遍。但是扁平结构的天体则较为罕见，目前也没有相关的理论和模型对于它的存在给出合理的解释。
在此之前，国际天文学界并未对“天涯海角”奇特的形状给出相应的解释，此前曾有猜测，这种扁平形状是在太阳系早期的星云坍塌过程中形成的。
赵玉晖团队自主开发出一套活动性物质挥发作用下小天体形状演化的模型，利用这个模型他们对木星族彗星67P/CG，以及其他木星族彗星开展了相关的研究。
“虽然受观测数据限制，我们的样本比较有限，但是该模型在67P/CG彗星形貌的南北不对称及彗星的表面地貌演化等问题的研究中都得到了验证，这就说明我们的模型是可信的。”赵玉晖说道。
赵玉晖告诉记者，尽管如它的名字一样，“天涯海角”距离我们非常遥远，“新视野”号对它也仅仅是匆匆一瞥，但是对它的形状的研究仍然有重要意义。
研究表明，在太阳系行星形成过程的初期，微米量级的尘埃相互粘结形成毫米或厘米大小的颗粒，这些颗粒不断聚集形成几十到百千米大小的球形或椭球形星子。“天涯海角”可能最初就是由两个这样的星子结合形成的。
在太阳系形成初期，星际空间中仍充斥着大量的气体和尘埃，遮挡了大部分太阳辐射，遥远的柯伊伯带区域温度依然非常低，大量甲烷、一氧化碳和氮气这类活动性极强的分子能够以固态的形式存在于星子中。随着太阳系中的气体和尘埃被驱散，太阳辐射变得强烈，温度逐渐升高，“天涯海角”表面和内部的活动性气体开始挥发，物质逐渐流失。
由于“天涯海角”两极受到的太阳辐射远远大于赤道区域，因而气体的挥发速度也大大提高，整体形状不断的趋于扁平。
“这个形状演化过程在它形成后大约100万至1亿年的时间内完成，相比起它45亿年的年龄，这个过程是非常短暂的。”赵玉晖说。
据赵玉晖介绍，太阳系形成初期，这种形状演化机制在柯伊伯带小天体中很可能普遍存在。但是某些小天体运行到距离太阳更近的区域，比如半人马天体或者木星族彗星，由于受到更强的太阳辐射，导致活动性相对较弱的气体（如二氧化碳、水）挥发，再次经历类似的形状演化过程。
“研究表明，在太阳系形成早期，有大量的甲烷、一氧化碳和氮气等活动性气体存在。了解它们的作用机制对于研究太阳系早期星子形成、太阳系小天体的形成演化等具有极其重要的意义。”赵玉晖说。
相关报道：紫金山天文台等在柯伊伯带小天体Arrokoth形状形成机制的研究中取得重要进展
据中国科学院紫金山天文台：10月6日，《自然-天文学》(《Nature Astronomy》)在线发表了中国科学院紫金山天文台（紫台）行星科学与深空探测实验室赵玉晖副研究员等与德国马普太阳系研究所等单位的合作研究成果，该工作利用活动性气体挥发导致太阳系小天体形状变化的理论和数值模型（MONET模型），为NASA的新视野号（New Horizons）探测的柯伊伯带小天体（486958）Arrokoth（中文名：天涯海角）奇特的扁平形状的形成提供了新颖、有趣且合理的解释。
2019年1月1日，NASA的新视野号探测器在圆满完成了对冥王星的探测任务后，成功对柯伊伯带小天体Arrokoth进行了飞越探测，这也是目前人类飞船近距离探测的距地球最远的太阳系天体。柯伊伯带是太阳系中位于海王星轨道以外的一个小天体带，这里存在大量的形状不一的含冰小天体，被认为是太阳系早期形成过程中遗留的原始星子，也是半人马天体和木星族彗星的来源地。柯伊伯带天体的研究对了解太阳系起源和演化、地球上水和生命起源等具有关键的科学意义。因此，新视野号对Arrokoth的探测，不仅创造了人类探测到最远和最原始的天体的纪录，也为我们了解太阳系和太阳系天体的形成过程提供了大量有价值的信息。
Arrokoth由两部分组成的双瓣结构和较为奇特的扁平的形状是新视野号获得的重要探测结果之一(图1)。双瓣结构的小天体在太阳系中较为普遍，也有多个较为成熟的模型对这种结构的形成提供解释。相反地，扁平结构的天体在太阳系中则较为罕见，目前也没有相关的理论和模型给出合理的解释。作为最稳定的一类柯伊伯带小天体，Arrokoth是通过高速碰撞等过程而形成了目前结构的可能性较低，因此研究人员初步认为是太阳系早期的星云坍塌过程形成了今天看到的Arrokoth的双瓣扁平形状。
在柯伊伯带小天体形状演化研究方面，紫台研究人员与合作者此前建立了气体挥发导致天体形状变化的模型（MONET模型）。结合Arrokoth较小的轨道偏心率和较大的自转轴倾斜角（自转轴与轨道面法向量的交角），MONET模型可以准确的预测出在太阳系初期形成的（椭）圆形的星子在这样的轨道和自转状态下由于活动性物质的挥发而不断扁平化的过程，在理论和数值模拟方面为Arrokoth的扁平结构的形成机制提供了合理的解释。研究认为该扁平结构的形成由于是太阳辐射作用下气体挥发导致的，而由于Arrokoth的自转轴与轨道面较近，轨道偏心率较小，在一个轨道周期内极区受到的太阳辐射远大于赤道区域（图2），因此也损失了更多的挥发性气体成分从而不断的趋近扁平。计算结果表明，该形状演化过程在小天体形成且其周围的星际气体和尘埃被驱散后的100万至1亿年的时间内完成，该时间尺度受到Arrokoth的原始尺寸、物质组成、主要挥发性气体的活动性、以及表面尘埃层的特性等因素的影响。同时，研究人员自洽地对该时间尺度内物质挥发产生的力矩对Arrokoth自转状态的影响开展了研究，理论分析和数值计算的结果都表明该过程对Arrokoth的自转状态改变很小；此外还探讨了该小天体的内部结构以及重力场在该演化过程中可能起到的作用。研究结果表明，活动性气体的挥发在太阳系形成初期对柯伊伯带小天体（以及太阳系其他区域存在活动性气体的小天体）的形状的改变可能是普遍存在的，某些小天体在其后续演化过程如果到达了距离太阳更近的区域（半人马天体或者木星族彗星），将可能由于更强的太阳辐射导致不同气体成分的挥发再次经历类似的形状演化过程（图3）。该研究结果对太阳系早期星子形成理论、太阳系小天体的形成演化等研究具有极其重要的意义。
新视野号的副项目科学家、成像团队首席科学家、Arrokoth拓展任务规划首席科学家、美国西南研究所的JohnSpencer博士认为这项研究为该小天体形状的形成提供了一个新颖、有趣和理论上可信的解释。《自然-天文学》的审稿人认为这项研究新颖的模型自然合理地解释了Arrokoth扁平结构的形成过程，适用于太阳系早期星子形成过程的模拟，该工作将引起对该领域的兴趣，为该领域的研究增加有价值的论述。
紫台赵玉晖副研究员是该研究的第一作者，与德国马普太阳系研究所LadislavRezac博士为共同通讯作者，合作者包括德国布伦瑞克工业大学Yuri Skorov博士、紫台胡寿村博士和美国行星科学研究所NalinSamarasinha博士、李荐扬博士。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院空间科学预先研究项目、中国科学院行星科学重点实验室、中国科学院比较行星学卓越创新中心和紫金山天文台小行星基金会等资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41550-020-01218-7
