作者:金凤 来源:科技日报 发布时间:2021/10/29 20:35:22
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追随“半人马天体”,看它如何变彗星

 

在太阳系木星轨道和海王星轨道之间,潜伏着数以万计的由冰块和岩石组成的小天体。这些小天体,偶尔会受到木星引力扰动的影响抛入太阳系内部,飞向太阳和地球。它们被认为是许多木星族彗星和近地彗星的来源。

这类小天体由于同时具有小行星和彗星的特征,因此被学界以古希腊神话中一种半人半马的混合生物,即希腊神话中的半人马神即奥林匹克之父仙托(Centaur)之名命名。

近日,据国外媒体报道,美国芝加哥大学科学家称邻近木星的“半人马天体”可能为我们揭晓太阳系秘密提供重要线索。研究人员称,通过深入分析半人马天体,发现太阳系实际上是一个非常动态、充满活力的行星系统,并且它一直处于变化状态。

这项研究还提供了一个新颖的方法:可以派遣一艘抵达木星的宇宙飞船,在木星轨道上停留,直到某颗半人马天体向木星轨道靠近,就可以实时观察它如何变成一颗彗星。

半人马天体,这个天体中的神秘“物种“,来自何处,为何如何神秘,它能告诉我们更多有关天体乃至太阳的“身份密码”吗?

人类已发现452个半人马天体,部分可变彗星

太阳系的形成始于46亿年前一片原始星云,后经吸积、聚合、演化,有的合并成八大行星,有的仍然松散分散在太空的几个区域。

小行星带是太阳系早期演化遗留下的证据,太阳系中的绝大部分小行星,是原始的太阳星云的星子,这些星云在太阳形成初期就存在了。

位于海王星轨道之外的柯伊伯带,大约有直径超过100千米的天体10万个,柯伊伯带的天体主要是冻结的低沸点混合物,主要成分是水、氨和甲烷。在火星与木星之间也存在一个小行星带,这里的天体主要是由岩石和金属构成。

相较于这两个小行星带,木星和海王星之间的天体群”半人马天体“还犹抱琵琶半遮面,目前人类对它的了解不多。

“半人马天体是指轨道半长轴和近日距都在木星轨道和海王星轨道之间的小天体。大部分半人马型天体起源于柯依伯带,近几百万年,它们的轨道发生变化,成为半人马天体。”中国科学院紫金山天文台副研究员史建春告诉科技日报记者,目前国际范围已经发现了452个半人马天体,第一颗被发现的半人马天体是“944 Hidalgo”,1920年由德国科学家发现。最大的半人马天体“10199 Chariklo”直径约260千米,1997年由美国科学家发现。

约一个世纪的光阴,为何只有452颗半人马天体被人类“捕获”踪迹?史建春解释,“半人马天体距离地球比较远,近日点在木星轨道外,也就是说,距离地球最近的时候也在木星轨道外,再加上体积一般比较小、亮度比较暗,所以比较难发现。”

此外,半人马天体是柯依伯带天体和木星族彗星之间的过渡天体, 它的轨道区域在动力学上不稳定的。“半人马天体的轨道容易受到巨行星如木星的引力扰动,轨道发生变化。”史建春说。

研究半人马天体有助于研究太阳系早期形成演化史

彗星分为彗核、彗发、彗尾三部分。彗核由冰物质构成,当彗星接近太阳时,彗星物质升华,在冰核周围形成一团看起来毛茸茸的彗发和一条长长的彗尾。

史建春介绍,一些半人马天体会呈现出类似彗星一样的活动性,会有彗发和彗尾。“因为半人马天体长期在木星之外,所以附着在天体上的挥发性成分较多,例如一氧化碳冰和二氧化碳冰,当温度升高易挥发气体冰升华后,裹挟在天体表面的尘埃就会释放出来,经太阳光反射,形成我们看到的类似彗星的彗发和彗尾。”

外媒报道,在这篇研究论文中,芝加哥大学的博士后研究员、该论文的通讯作者塞利格曼说:“这些物体非常古老,包含着太阳系早期从未被融化过的冰。”“彗星之所以有趣,不仅是因为它们很漂亮;它们为我们提供了一种探测遥远太阳系物质化学成分的方法。”

在史建春看来,与普通彗星不同的是,半人马天体的特质,为我们研究太阳系的演化,提供了独特线索。

“相比于常见的木星族彗星,由于半人马天体长期在柯依伯带,受到的太阳辐射较少,所以包含的物质更为原始,因此研究半人马天体可以帮助我们更好的研究太阳系的物质分布和演化。”史建春说,此外,由于半人马天体的近日距在木星轨道外,温度较低,其活动机制与木星族彗星不同。木星族彗星的活动机制是水冰升华驱动,而半人马天体的活动机制是由气体冰的升华驱动,不能用水冰的挥发驱动来解释。因此,研究半人马天体可以比较水冰升华驱动和气体冰升华驱动彗星活动性的异同。

根据外媒报道,在这项研究中,科学家们研究了半人马天体的数量,以及这些物体偶尔会成为飞往太阳的彗星的机制。他们估计,大约一半的半人马彗星是通过与木星和土星的轨道相互作用而被推入太阳系内部的。另一半由于太靠近木星,被困在木星的轨道上,被甩向太阳系的中心。

后一种机制为更好地观察这些即将成为彗星的半人马天体,提供了一个完美的方法:科学家们说,太空机构可以向木星发射一艘宇宙飞船,让它在木星轨道上运行,直到半人马天体穿越木星的轨道。然后宇宙飞船可以在半人马天体朝太阳飞去的时候,在它变成彗星的过程中进行测量。

“守株待星”或有助观测半人马天体变彗星

这并非异想天开,“在木星等待半人马天体的方法可行。”史建春认为,人类目前的航天发射技术已经相当成熟,抵达木星并不困难。

例如,已经有航天器经常前往外太阳系;美国宇航局的“朱诺”号航天器,只花了大约五年时间就到达木星,目前正在拍摄木星的照片。

此外,即使在天体移动时也有可能访问它们。例如,OSIRIS-REx访问了2亿英里外的一颗小行星,日本的“隼鸟2号”宇宙飞船从另一颗小行星带回了一些岩石。

“不过这并不是唯一的轨道设计方案,根据具体科学目标可制定不同的轨道设计方案,如对于比较著名的半人马彗星29P/Schwassmann–Wachmann,也可单独设计轨道进行绕飞观测。”史建春说。

这将是一个富有想像力的画面:彗星中的冰由不同种类的分子和气体组成的,它们在到达太阳的过程中在不同的点开始燃烧。通过测量彗尾,航天器可以了解彗星是由什么组成的。

塞利格曼说:“你可以弄清楚典型的彗星冰层在哪里开始燃烧,以及彗星的详细内部结构是什么,而从地面望远镜中弄清楚这些的希望非常小。”

同时,彗星的表面随着它的加热而喷发,形成陨石坑等。塞利格曼认为:“绘制所有这些将帮助你了解太阳系的动态,这对理解太阳系中如何形成类地行星等事情很重要。”

史建春对此英雄所见略同,他认为,“通过跟踪观测一颗半人马天体从小行星变成彗星、发育出彗发和彗尾的过程,有助于研究彗星的活动机制和太阳系早期中水和其它物质成分分布,进而揭示太阳系的形成和演化历史。”

“我们有彗星的记录可以追溯到几千年前;如果能近距离观察这一过程,该多酷啊!”塞利格曼畅想。

 
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