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来源: 南方日报网络版     时间: 2019-02-21 13:36:19
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  它形如煎饼连着核桃 却藏着太阳系诞生的真相

  雪人、花生,还是煎饼连着核桃?近日,一个外貌怪异的小行星引发围观。

  该小天体名为2014MU69,直径不足40千米,位于太阳系边缘的柯伊伯带。公众给它取了外号“Ultima Thule”,译为“天涯海角”,意思是超越已知世界。

  北京时间2019年元旦,美国国家航空航天局(NASA)的“新视野”号(New Horizons)探测器成功飞掠“天涯海角”,并拍摄下它的“靓照”。虽然数据回传工作还在进行中,但2月9日公布的初步资料显示,“天涯海角”比最初想象的要平坦,看起来更像一张煎饼连着一个凹陷的核桃。

  为什么“天涯海角”不是常见的球形?它与众不同的外貌如何形成?

  古怪小天体给科学家出难题

  太阳系中为大众所熟悉的大天体都是呈球状的。“因为质量大到可以保持自身的流体静力学平衡,所以能形成球状。”美国行星科学研究所博士后邹小端接受科技日报记者采访时表示,“而迄今近距离探测过的小天体,没有一颗是球形的,它们顶多接近球形,比如最近NASA正在探测的小行星贝努和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)正在探测的小行星龙宫。”邹小端说,小行星大多形状不规则,其中不少是双体连接的结构,典型的例子是嫦娥二号飞越的战神小行星。

  那么,为何小行星大多形状不规则呢?这要从小行星的形成过程说起。“通常,自然天体由更小的颗粒逐渐积累‘长大’而成,或者由更大的母体分裂而成。如此多的物质聚成一体时,还要考虑自身引力引起的坍缩、自转引起的变形等。”南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇告诉科技日报记者。

  “不管是由小而大成型还是由大而小碎裂后形成,像‘天涯海角’这种大小在数十公里量级的天体,在形成过程中不大可能经历整体熔融状态,而只是松散地聚集在一起,因而大概会形成不规则但又不是过分偏离对称的形状。”周礼勇解释道。

  形状不规则也罢,叫人挠头的是,“天涯海角”的两个部分还很扁。“如同前两年发现的星际小天体奥陌陌,它的长宽比大致为8∶1。由于其形状难以理解,以致于有科学家更愿意认为那是一个外星人的飞行器。”周礼勇谈道。

  美国西南研究院的天文学家亚历克斯?帕克表示,土星的卫星也有类似“天涯海角”的形状,但这种岩石是在土星环的特殊环境中形成,而2014MU69却是在深空中形成。

  “天涯海角”为何形状怪异,成了科学家们面临的一道难题。

  邹小端告诉记者,并非因为“天涯海角”是双体结构就特别难理解。“根据现在的观测,在小天体中,双体并行互相绕转,缓慢接近、连接成一体,甚至自带小卫星或小行星环,都是有可能的。”

  “实际上,每个天体的形状都有其复杂的形成和演化历史,天文学家们基于有限的观测数据去推测星体的形成和演化,自然是难题。”邹小端说。

  暗藏太阳系形成的“时间胶囊”

  “天涯海角”所在的区域柯伊伯带大约存在于距离太阳30天文单位(AU,约为1.5亿公里)至55AU的范围,位于太阳系的边缘,被称为太阳系的第三区。

  这片区域包含数十亿颗环绕太阳运行的寒冷天体,几乎是冰冻的世界。一般认为,公

  转周期为200年以内的短周期彗星都来自柯伊伯带,“天涯海角”绕太阳一周大约需要298年。

  柯伊伯带中有不少矮行星,除了冥王星,还有妊神星和鸟神星。“其中,直径超过100千米的天体估计超过10万个。”邹小端说。

  在星体密布的柯伊伯带,与“天涯海角”外貌相似的天体是否常见?

  对此,周礼勇表示,对于柯伊伯带中天体的形状,我们所知甚少。因为距离太遥远,目前能观测到的柯伊伯带天体尺寸都比较大。而直径上百公里甚至更大的天体,在自身引力作用下,往往是接近球形的。

  邹小端则认为,目前尚不知道2014MU69的形状是否具有普遍性,因为它是第一个被如此近距离拍摄的柯伊伯带小行星。“在只有一个样本的情况下,对其他形状的推测都是不可靠的。”

  不过,有一点或许明确,“天涯海角”这类古老的小天体如同冰冻的“时间胶囊”,有助于人类一窥46亿年前太阳系初生时的模样。

  “太阳在一团星云的中心诞生,星云绝大部分的质量都塌缩后,只剩下一小部分形成了绕转在中央恒星周围的原行星盘,尘埃和气体在行星盘里聚集,成为‘小砖块’,这些小块进一步聚集形成行星。”邹小端解释说,经过复杂的引力作用,行星盘里的行星经历了迁移、碰撞、互相破坏或聚集,其中一些小天体分散在距离太阳很远的寒冷的轨道上。“它们的相互作用没那么剧烈,也没有受到太多来自大行星的引力作用,受到的太阳辐射和影响都比较小,所以它们表面的冰没有被蒸发掉,也没有聚集到足够产生地质活动的质量。因而,科学家们认为它们更接近太阳系形成早期时候的状态。”

  向更多柯伊伯带天体出发

  像“天涯海角”这样的化石级天体在太阳系中有十亿颗以上。

  周礼勇告诉记者,几十亿年前诞生的天体,大多因为受行星引力散射作用而慢慢消失。另一些天体由于恰好处在比较稳定、安全的位置,就有可能成为存续至今的幸运儿。

  “实际上,整个柯伊伯带天体都被认为诞生在太阳系形成后较短的一段时间内,基本与太阳系年龄相当,所以我们一般认为柯伊伯带所有天体的年龄基本与太阳系年龄相当。”周礼勇说,所以详细了解柯伊伯带天体的特征,就可以推断太阳系的形成和动力学演化。

  近几年,在柯伊伯带的外围,天文学家发现不少轨道半径非常大且其轨道近日点距离也很大的天体,人们称之为“Detached Kuiper belt objects”。它目前尚无官方正式翻译,周礼勇称之为“游离的柯伊伯带天体”。“根据这些天体的轨道特征,有科学家推测太阳系外围更遥远的地方存在一个大约10倍于地球质量的‘第九大行星’,即planet X。”

  周礼勇表示,目前观测到的柯伊伯带天体只有2000颗左右,对这些天体的物理、化学性质也所知甚少,还有大量问题悬而未决。

  而探测柯伊伯带内的天体,是“新视野”号接下来的首要任务。“新视野”号探测器2006年1月19日发射升空,2015年7月14日近距离飞掠冥王星后,继续向太空深处进发,如今已在太空遨游4700多天。

  “目前它正将观测到的‘天涯海角’新数据传回地球,整个过程将持续约2年时间。此后,它将选择更多的柯伊伯带天体进行探测。”周礼勇告诉记者。

  不过,“新视野”号轨道机动能力很有限,它携带的核电池的功率为245.7瓦特,并以每年3.5瓦特的速率下降。

  周礼勇估计,大概在2030年之后,“新视野”号功率将下降到失去将观测数据发回地球的能力,最后将永远飞离太阳系而进入更遥远的宇宙空间。


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