“龍宮”藏著解題線索 紅外成像帶來新發(fā)現(xiàn)

太陽系形成于大約45億年前。無數(shù)“碎片”一樣繞太陽系中心軌道運(yùn)行的小行星，是太陽系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型小行星幾乎沒什么變化，如同“時(shí)間膠囊”一般將古老時(shí)期的物質(zhì)保存了起來。日本“隼鳥二號(hào)”(Hayabusa2)探測器的目標(biāo)“龍宮”(Ryugu)便是其中一顆。

近日，“隼鳥二號(hào)”傳回的紅外圖像數(shù)據(jù)已發(fā)表在《自然》雜志上，顯現(xiàn)出“龍宮”幾乎完全由多孔的松散物質(zhì)組成。科學(xué)家推測，以“龍宮”為代表的C型小行星，其脆弱的多孔結(jié)構(gòu)可能類似于星子，星子形成于原始的太陽星云，并在無數(shù)次碰撞中累積形成行星。

然而，迄今為止，我們并未完全了解太陽系早期的形成歷史，許多相關(guān)理論都是建立在模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，還沒有得到實(shí)際觀測的證實(shí)?，F(xiàn)在，攜帶“龍宮”樣本的“隼鳥二號(hào)”正在歸來的途中，科學(xué)家希望能通過這些樣本找到這個(gè)答案。

C型小行星見證太陽系“幼年”

C型小行星是一類含碳的小行星，也是太陽系中最為豐富和原始的小行星類型。它們約占已知小行星總數(shù)的75%，在太陽系小行星主帶里的占比更高，并且深入主帶外緣。

“由于體積較小，誕生以來的進(jìn)化程度較低，C型小行星仍然保留著大多數(shù)原始小行星時(shí)期的物理?xiàng)l件，諸如包絡(luò)外殼、孔隙度和粒度分布等。因此，它們的存在，為理解太陽系的起源和演化提供了線索。”中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員平勁松介紹道。

晴朗的夜空里，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，它們在夜空里比其他類型的小行星更暗，需要使用小型光學(xué)天文望遠(yuǎn)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(fā)物之外，它們的化學(xué)組成和原始的太陽星云幾乎一樣，也有水合礦物。

整體上看，C型小行星的光譜與碳質(zhì)球粒隕石非常相似。一般認(rèn)為，降落在地球表面上的碳質(zhì)球粒隕石很可能來源于C型小行星。并由此推斷，碳質(zhì)球粒隕石中也保存了形成太陽系的太陽星云的成分。

“構(gòu)成太陽系的氣體和塵埃物質(zhì)，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(shù)十年來科學(xué)家們在碳質(zhì)球粒隕石中發(fā)現(xiàn)，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系內(nèi)部過程進(jìn)行解釋。對太陽系來說，這種同位素組成的變化，可能是太陽系形成時(shí)就固有的。

一直以來，科學(xué)家希望通過探測C型小行星，來了解太陽系行星系統(tǒng)的誕生和早期行星演化的過程。在“隼鳥二號(hào)”探測“龍宮”之前，美國國家航空航天局曾針對另一個(gè)編號(hào)為253馬蒂爾德的C型小行星

進(jìn)行了探測，同樣發(fā)現(xiàn)它的表面存在松散結(jié)構(gòu)，并解釋其可能是流星撞擊產(chǎn)生的松散物質(zhì)。

事實(shí)上，關(guān)于太陽系行星誕生的過程，有著各種假說。平勁松介紹，其中一種廣為認(rèn)同的假說認(rèn)為，太陽系里諸多行星成形于“太陽星云”，太陽星云是太陽形成過程中剩下的氣體和塵埃形成的圓盤狀云。

太陽星云中有著大量的硅酸鹽塵埃和冰等細(xì)顆粒物質(zhì)。通過吸積集聚，這些顆粒形成一到十公里直徑的塊狀物微小天體。然后它們互相碰撞，形成更大尺寸、多孔松散的碎石堆，直徑約幾公里到幾十公里，成為第一批太陽系的行星星子或者微行星。

這些星子們是經(jīng)過多次聚合的星際顆粒松散結(jié)合而成的團(tuán)塊，它們通過進(jìn)一步相撞逐漸加大尺寸。在距太陽4個(gè)日地距離以內(nèi)的內(nèi)行星區(qū)域，由于過于溫暖以至于易揮發(fā)的如水和甲烷分子難以聚集，那里形成的星子大部分由高熔點(diǎn)的物質(zhì)形成。這些物質(zhì)在宇宙中很稀少，導(dǎo)致類地行星不會(huì)長得太大。

研究認(rèn)為，行星形成時(shí)代結(jié)束后，太陽系有50—100個(gè)行星胚胎。這些行星胚胎從形成開始經(jīng)歷了相當(dāng)大的變化。它們之間的碰撞一直持續(xù)發(fā)生。沒有星子之間的碰撞聚合，就無法形成巨大的行星個(gè)體。

“龍宮”藏著解題線索

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

CM類型的碳質(zhì)球粒隕石，包含高百分比的水和有機(jī)化合物。揮發(fā)性、有機(jī)化合物和水的存在，顯示它們形成時(shí)沒有經(jīng)歷過一定程度的加熱。因此，它的礦物成份大多數(shù)保持了原始的物理化學(xué)狀態(tài)，記錄了早期太陽星云演化的特征，以及他們母體星子的演化特征。

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

通過觀察這個(gè)新隕石坑的形成，研究人員發(fā)現(xiàn)，“龍宮”的表面并不是很堅(jiān)固，它更像是有許多空隙的沙礫堆積而成，而不是整塊堅(jiān)固的巖石。這項(xiàng)針對“龍宮”的實(shí)驗(yàn)，主要目的是在撞擊后收集包含有小行星地表以下物質(zhì)的原始樣本。

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、巖石表面的連續(xù)光譜，進(jìn)而了解其表面物質(zhì)的顆粒大小、孔隙率、巨石豐度、粗糙度等情況。

“隼鳥二號(hào)”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”表面巖體和包圍它的物質(zhì)有相似的溫度，其熱慣量較低。研究人員認(rèn)為，這種低熱慣量表明“龍宮”表面巖體比典型的碳質(zhì)球粒隕石更具多孔性，預(yù)示其周圍覆蓋著直徑超過10厘米的多孔沙礫物質(zhì)。近距離紅外探測也證實(shí)了這些多孔沙礫的存在。

同時(shí)，對“龍宮”的遙感熱成像觀測結(jié)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(jīng)歷了低程度的固結(jié)。表面存在的一些致密巨礫可能起源于最內(nèi)部的固結(jié)區(qū)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(jié)構(gòu)可能類似于原始星子，內(nèi)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(jié)構(gòu)。“龍宮”表面之所以是一種不均勻的沙壤層，也很可能是因?yàn)樵谶\(yùn)行過程中遭遇了大量的撞擊，導(dǎo)致冰被沖擊融化，從而喪失了水分。

按計(jì)劃，“隼鳥二號(hào)”將于2020年底飛經(jīng)地球，將其采集到的巖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(xué)家充滿期待。(記者唐婷)

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