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“龙宫”的“骨质疏松”或是太阳系早期行星的“典型症状”

2020-05-18 科技日报 唐婷
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  “隼鸟二号”在飞掠“龙宫”时,释放了三辆巡视器,获得了小行星“龙宫”的“素颜照”,照片中松散的碎石似乎是此次研究结果——“龙宫”几乎完全由多孔的松散物质组成的早期印证。图片来源:JAXA.jp

  太阳系形成于大约45亿年前。无数“碎片”一样绕太阳系中心轨道运行的小行星,是太阳系早期形成过程的见证者。它们中的大部分是碳含量丰富的C型小行星。

  在这几十亿年间,C型小行星几乎没什么变化,如同“时间胶囊”一般将古老时期的物质保存了起来。日本“隼鸟二号”(Hayabusa2)探测器的目标“龙宫”(Ryugu)便是其中一颗。

  近日,“隼鸟二号”传回的红外图像数据已发表在《自然》杂志上,显现出“龙宫”几乎完全由多孔的松散物质组成。科学家推测,以“龙宫”为代表的C型小行星,其脆弱的多孔结构可能类似于星子,星子形成于原始的太阳星云,并在无数次碰撞中累积形成行星。

  然而,迄今为止,我们并未完全了解太阳系早期的形成历史,许多相关理论都是建立在模型数据基础之上,还没有得到实际观测的证实。现在,携带“龙宫”样本的“隼鸟二号”正在归来的途中,科学家希望能通过这些样本找到这个答案。

  C型小行星见证太阳系“幼年”

  C型小行星是一类含碳的小行星,也是太阳系中最为丰富和原始的小行星类型。它们约占已知小行星总数的75%,在太阳系小行星主带里的占比更高,并且深入主带外缘。

  “由于体积较小,诞生以来的进化程度较低,C型小行星仍然保留着大多数原始小行星时期的物理条件,诸如包络外壳、孔隙度和粒度分布等。因此,它们的存在,为理解太阳系的起源和演化提供了线索。”中国科学院国家天文台研究员平劲松介绍道。

  晴朗的夜空里,我们很难捕捉到C型小行星的身影。由于孔隙度高、反照率极低,它们在夜空里比其他类型的小行星更暗,需要使用小型光学天文望远镜才看得见。天文观测表明,这类小行星的光谱中除了不含氢、氦和挥发物之外,它们的化学组成和原始的太阳星云几乎一样,也有水合矿物。

  整体上看,C型小行星的光谱与碳质球粒陨石非常相似。一般认为,降落在地球表面上的碳质球粒陨石很可能来源于C型小行星。并由此推断,碳质球粒陨石中也保存了形成太阳系的太阳星云的成分。

  “构成太阳系的气体和尘埃物质,在之前可能参与过早期一代、二代恒星的诞生过程。”平劲松指出,数十年来科学家们在碳质球粒陨石中发现,多种元素的特殊同位素组成有变化。这种组成变化无法用太阳系内部过程进行解释。对太阳系来说,这种同位素组成的变化,可能是太阳系形成时就固有的。

  一直以来,科学家希望通过探测C型小行星,来了解太阳系行星系统的诞生和早期行星演化的过程。在“隼鸟二号”探测“龙宫”之前,美国国家航空航天局曾针对另一个编号为253马蒂尔德的C型小行星

  进行了探测,同样发现它的表面存在松散结构,并解释其可能是流星撞击产生的松散物质。

  事实上,关于太阳系行星诞生的过程,有着各种假说。平劲松介绍,其中一种广为认同的假说认为,太阳系里诸多行星成形于“太阳星云”,太阳星云是太阳形成过程中剩下的气体和尘埃形成的圆盘状云。

  太阳星云中有着大量的硅酸盐尘埃和冰等细颗粒物质。通过吸积集聚,这些颗粒形成一到十公里直径的块状物微小天体。然后它们互相碰撞,形成更大尺寸、多孔松散的碎石堆,直径约几公里到几十公里,成为第一批太阳系的行星星子或者微行星。

  这些星子们是经过多次聚合的星际颗粒松散结合而成的团块,它们通过进一步相撞逐渐加大尺寸。在距太阳4个日地距离以内的内行星区域,由于过于温暖以至于易挥发的如水和甲烷分子难以聚集,那里形成的星子大部分由高熔点的物质形成。这些物质在宇宙中很稀少,导致类地行星不会长得太大。

  研究认为,行星形成时代结束后,太阳系有50—100个行星胚胎。这些行星胚胎从形成开始经历了相当大的变化。它们之间的碰撞一直持续发生。没有星子之间的碰撞聚合,就无法形成巨大的行星个体。

  “龙宫”藏着解题线索

  “龙宫”是一个C型的近地小行星,距离太阳最近和最远距离分别是日地平均距离的0.96倍和1.42倍。“隼鸟二号”通过近红外光谱观测确认,“龙宫”大部分光谱没有特征,和CM类型的碳质球粒陨石十分接近。

  CM类型的碳质球粒陨石,包含高百分比的水和有机化合物。挥发性、有机化合物和水的存在,显示它们形成时没有经历过一定程度的加热。因此,它的矿物成份大多数保持了原始的物理化学状态,记录了早期太阳星云演化的特征,以及他们母体星子的演化特征。

  去年4月,“隼鸟二号”向“龙宫”发射了一枚2公斤重的铜炮弹,击中“龙宫”表层,炸开了沙砾和岩石,甚至移动了一块5米宽的巨石,形成一个外缘直径大于10米、深2—3米的人工撞击坑。

  通过观察这个新陨石坑的形成,研究人员发现,“龙宫”的表面并不是很坚固,它更像是有许多空隙的沙砾堆积而成,而不是整块坚固的岩石。这项针对“龙宫”的实验,主要目的是在撞击后收集包含有小行星地表以下物质的原始样本。

  红外成像带来新发现

  对“龙宫”的红外成像分析,类似探矿的光谱分析。通过近红外分光光谱仪的观测,可以获得小天体矿物、岩石表面的连续光谱,进而了解其表面物质的颗粒大小、孔隙率、巨石丰度、粗糙度等情况。

  “隼鸟二号”搭载的热红外成像仪绕“龙宫”一圈拍摄了全球热成像图。对红外图像的分析显示,“龙宫”表面岩体和包围它的物质有相似的温度,其热惯量较低。研究人员认为,这种低热惯量表明“龙宫”表面岩体比典型的碳质球粒陨石更具多孔性,预示其周围覆盖着直径超过10厘米的多孔沙砾物质。近距离红外探测也证实了这些多孔沙砾的存在。

  同时,对“龙宫”的遥感热成像观测结果还显示了其可能的形成历史,即它是由母天体的撞击碎片形成的碎石堆,其微孔隙约为30%至50%,经历了低程度的固结。表面存在的一些致密巨砾可能起源于最内部的固结区域,也可能是外生的。

  在平劲松看来,以“龙宫”为代表的C型小行星,其脆弱的多孔结构可能类似于原始星子,内部的冰可能在演化过程中升华,从而形成多孔且不牢固的结构。“龙宫”表面之所以是一种不均匀的沙壤层,也很可能是因为在运行过程中遭遇了大量的撞击,导致冰被冲击融化,从而丧失了水分。

  按计划,“隼鸟二号”将于2020年底飞经地球,将其采集到的岩石样本投送到澳大利亚南部的伍默拉沙漠。对于它即将带回来的这份珍贵礼物,科学家充满期待。

打印 责任编辑:侯茜

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