我国学者在柯伊伯带小天体形状形成机制研究方面取得进展
日期 2020-10-21  来源:数理科学部  作者:刘强 赵玉晖

      在国家自然科学基金项目(批准号:11761131008、11673072、11873098、11633009)等资助下,中国科学院紫金山天文台赵玉晖博士、胡寿村博士与德国马普太阳系研究所等单位的科学家合作,利用太阳系小天体上活动性物质挥发导致其形状演化的模型(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。相关成果以“物质挥发是形成Arrokoth扁平形状的机制(Sublimation as an effective mechanism for flattened lobes of (486958) Arrokoth)”为题,于2020年10月5日发表在《自然-天文学》(Nature Astronomy)上,论文链接:https://www.nature.com/articles/s41550-020-01218-7。

  Arrokoth是目前人类飞船近距离探测的最遥远和最原始的太阳系天体。作为柯伊伯带中最稳定的一类小天体—“冷经典”(Cold Classical KBOs)族群,它的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Arrokoth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。

  Arrokoth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,该结构在太阳系天体中较为罕见,目前也没有相关的理论和模型给出合理的解释,此前的研究提出Arrokoth的扁平结构可能是在原始星云塌缩的过程中形成的。

  该国际合作团队利用柯伊伯带小天体上活动性物质挥发的模型,自然、合理的解释了Arrokoth扁平形状的成因。由于Arrokoth的自转轴与轨道面非常接近且轨道近似圆形,在一个轨道周期内两个极区受到的太阳辐射远远大于赤道区域,因而具有更高的温度。气体的挥发速度随着温度升高而加快,极区从而损失了更多的物质成分,整体形状不断的趋近扁平。研究表明,这个形状演化过程在小天体形成后大约100万至1亿年的时间内完成。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、美国西南研究所的约翰·斯宾塞(John Spencer)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。

  该研究结果表明,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)形状的改变很可能是普遍存在的。某些小天体在其后续演化过程到达了距离太阳更近的区域(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此前活动性相对较弱的气体(如二氧化碳、水)产生挥发,将再次经历类似的形状演化过程。该理论对太阳系早期星子形成、太阳系小天体的形成演化等研究具有非常重要的意义。

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图. MONET模型得到的与Arrokoth类似的柯伊伯带小天体的扁平形状形成结果 (Zhao et al., 2020, Nature Astronomy)