長“尾巴”的小行星

2023年4月，中國首次火星探測(cè)任務(wù)工程總設(shè)計(jì)師張榮橋表示，天問二號(hào)已經(jīng)基本完成初樣研制階段的工作，計(jì)劃于2025年5月前后實(shí)施發(fā)射。天問二號(hào)除了要完成探測(cè)近地小行星2016 HO3并實(shí)現(xiàn)對(duì)該小行星的采樣返回任務(wù)之外，還會(huì)前往探測(cè)一顆主帶的活動(dòng)小行星311P/PANSTARRS。這顆小行星雖然軌道位于小行星帶，但是卻表現(xiàn)出彗星的特征，這究竟是怎么回事呢？

01 活動(dòng)小行星的獨(dú)特探索

在傳統(tǒng)觀念中，位于雪線以內(nèi)的小行星與彗星有著明顯區(qū)別。一直以來，人們認(rèn)為小行星是“沉寂的”天體，與彗星不同，后者因水冰揮發(fā)形成的彗發(fā)與彗尾而備受矚目。然而，隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的進(jìn)步，我們對(duì)小行星有了全新的認(rèn)識(shí)。2002年，Hsieh等人[1]意外地發(fā)現(xiàn)了小行星7968 Elst-Pizzaro表現(xiàn)出類似彗星的彗尾現(xiàn)象。這引發(fā)了人們對(duì)小行星活動(dòng)性的深入思考與探索。

圖1：1996年8月7日, Eric W. Elst觀測(cè)到小行星1979 OW7（133P）彗星一般的“尾巴” 丨 ESO

初時(shí)，人們猜測(cè)這可能是一顆誤入主帶的彗星。然而，經(jīng)過后續(xù)定期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)該小行星每次接近太陽近點(diǎn)時(shí)都表現(xiàn)出活動(dòng)性，這不可能是偶然事件。于是，人們不得不重新審視小行星與彗星的定義和聯(lián)系。隨著越來越多這類有活動(dòng)性的小行星的發(fā)現(xiàn)，Hsieh等人將這些具有類似彗星活動(dòng)性卻具有小行星軌道的小天體稱為**“活動(dòng)小行星”（Active Asteroids）**。根據(jù)軌道位置的分布還分為主帶的活動(dòng)小行星（位于主小行星帶區(qū)域）和近地的活動(dòng)小行星（位于近地軌道區(qū)域）。

圖2：主帶內(nèi)活動(dòng)小行星（紅點(diǎn)）與一般小行星（黃點(diǎn)）和彗星（藍(lán)點(diǎn)）軌道分布比較圖[2]

圖3：小行星有“尾巴”的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)圖像。 [3]

02 活動(dòng)小行星的起源

活動(dòng)小行星的起源有兩種主要猜想。一種認(rèn)為它們可能是早期太陽系捕獲的彗星，另一種則認(rèn)為它們可能來自主帶附近的小行星。

Levison等人的數(shù)值模擬表明，在Nice模型的支持下，許多原始的海外（海王星以外）天體在早期太陽系動(dòng)力學(xué)演化階段可以散射到內(nèi)太陽系，并被捕獲至距離太陽2.68 AU 左右的軌道內(nèi)。Hsieh、Jewitt和Fernández的觀測(cè)研究表明，活動(dòng)小行星的光譜顏色特征與來自柯伊伯帶的彗星不一致，從而基本排除了活動(dòng)小行星來自柯伊伯帶或奧爾特云的可能性。

另一種猜想則是，活動(dòng)小行星可能源自于真正的小行星，是通過大的母體小行星的分裂產(chǎn)生的，這種觀點(diǎn)與活動(dòng)小行星的光學(xué)和軌道特征相吻合。Levison等研究表明，彗星的動(dòng)力學(xué)壽命大約為45萬年，而許多活動(dòng)小行星在超過1億年的時(shí)間尺度上都保持動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定，這說明活動(dòng)小行星很可能起源于主帶區(qū)域，和小行星的起源類似。

圖4：小行星起源示意圖，較大的母體小行星經(jīng)過撞擊或者旋轉(zhuǎn)裂解成為小行星族群，在雅科夫斯基效應(yīng)、共振等的作用影響下演化至當(dāng)前位置。[4]

03 活動(dòng)小行星的機(jī)制與特點(diǎn)

活動(dòng)小行星的活動(dòng)性機(jī)制多種多樣，包括水冰升華、撞擊噴發(fā)、旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定、靜電力、熱分裂、熱脫水、沖擊脫水和輻射壓力等。其中，冰的升華、撞擊噴發(fā)和旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定是最為常見的機(jī)制。

3.1水冰升華活動(dòng)機(jī)制

活動(dòng)機(jī)制為水冰升華的活動(dòng)小行星的意義比較重大，這意味著在雪線以內(nèi)也有水冰的存在，因此它們還有一個(gè)官方名稱，主帶彗星。

盡管目前我們只在原始天體的表面下較深處發(fā)現(xiàn)了水冰存在，然而這些原始天體可能會(huì)因碰撞或旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定而破碎成各種大小的碎片（后來可能演化成小行星），從而暴露其內(nèi)部的水冰。當(dāng)這些水冰受到太陽輻射影響而升華時(shí)，產(chǎn)生的塵埃粒子受引力作用會(huì)重新降落到天體表面，形成一層塵埃幔層。這個(gè)過程會(huì)一直持續(xù)，直至塵埃幔層足夠厚，阻止水冰的熱輻射，從而使活動(dòng)停止。水冰通常被埋藏在幾米或幾十米的深度，直到有較大物體撞擊表面，將這些水冰挖掘出來。當(dāng)主帶彗星接近太陽近點(diǎn)時(shí)，暴露在外的水冰會(huì)受到太陽的熱輻射而升華，形成彗發(fā)和彗尾，從而產(chǎn)生我們目前觀測(cè)到的活動(dòng)現(xiàn)象。主帶彗星的活動(dòng)性會(huì)隨著暴露的水冰耗盡或被新的塵埃層覆蓋而終止，直至下一次撞擊再次挖掘出水冰。換句話說，一顆主帶彗星可能會(huì)被多次激活，直至水冰耗盡、離開小行星帶進(jìn)入不穩(wěn)定軌道，或與其他小行星、行星碰撞。

圖5：最早發(fā)現(xiàn)的三顆主帶彗星 [5]

圖6：水冰升華活動(dòng)機(jī)制的活動(dòng)小行星（簡稱為主帶彗星）的演化示意圖[6]

3.2 旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定活動(dòng)機(jī)制

對(duì)于因旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定而產(chǎn)生活動(dòng)的小行星，通常是由于其他天體的引力、碰撞、揮發(fā)物升華以及電磁輻射等物理過程施加了力矩，使得小行星的自轉(zhuǎn)速率加快，最終發(fā)生自轉(zhuǎn)裂變。

在小行星帶中，由于小行星的質(zhì)量較小，從而引力力矩相對(duì)較小，因此小行星之間的碰撞則可能導(dǎo)致角動(dòng)量的隨機(jī)增大。含水冰的小天體在水冰升華時(shí)產(chǎn)生氣體，這也能有效地改變自轉(zhuǎn)狀態(tài)。

然而，對(duì)于不含冰的小天體，輻射力矩更有可能是其自轉(zhuǎn)速率加快的主要原因。由于小行星吸收太陽能并以熱能的形式輻射至太空，這個(gè)過程產(chǎn)生的熱能光子會(huì)在非均勻和非等溫的小行星表面產(chǎn)生微小的推動(dòng)力，這就是所謂的Yarkovsky效應(yīng)。這個(gè)效應(yīng)對(duì)小行星的動(dòng)力學(xué)演化產(chǎn)生了重要影響。若這個(gè)推力不通過小行星的質(zhì)心，它將改變小行星的自轉(zhuǎn)狀態(tài)并導(dǎo)致進(jìn)動(dòng)，這就是YORP效應(yīng)。

大多數(shù)小行星都會(huì)受到Y(jié)arkovsky和YORP效應(yīng)的影響，但復(fù)雜之處在于，YORP效應(yīng)不僅改變小行星的自轉(zhuǎn)狀態(tài)，還會(huì)影響其形狀，例如在旋轉(zhuǎn)過程中表面物質(zhì)的滑動(dòng)；形狀的變化進(jìn)而會(huì)反過來影響YORP力矩的方向和大小。正是由于力矩、自轉(zhuǎn)、小行星內(nèi)部物質(zhì)性質(zhì)、形狀和質(zhì)量損耗之間的復(fù)雜相互作用，我們尚未擁有完善的小行星旋轉(zhuǎn)裂變機(jī)制的模型，但一些近似模型也在嘗試研究力矩對(duì)小行星自轉(zhuǎn)、形狀、質(zhì)量損耗、結(jié)構(gòu)分解以及雙星系統(tǒng)形成的影響。

圖7：2013年7月10日所拍攝旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定活動(dòng)小行星311P/PANSTARRS的活動(dòng)圖像，活動(dòng)時(shí)共六條彗尾[7]

3.3 碰撞活動(dòng)機(jī)制

碰撞噴發(fā)是另一種活動(dòng)小行星產(chǎn)生活動(dòng)性的機(jī)制。在碰撞發(fā)生后，小行星的表面光譜性質(zhì)可能會(huì)發(fā)生變化。通過觀測(cè)限制的物理模型以及光譜信息，我們能夠進(jìn)一步了解撞擊天體表面的物質(zhì)性質(zhì)。此外，通過對(duì)撞擊頻率的統(tǒng)計(jì)，我們還可以更深入地估算不可觀測(cè)的米級(jí)或幾十米級(jí)天體的數(shù)量。

圖8：撞擊碎裂的活動(dòng)小行星(596) Scheila的觀測(cè)圖像[8]

04 旋轉(zhuǎn)裂變活動(dòng)小行星311P

2013年8月27日，小行星311P/PANSTARRS首次由PanSTARRS巡天望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。311P位于小行星內(nèi)主帶，軌道半長徑a=2.189 AU，有中等偏心率e=0.115和較小的傾角i=5.0°，其軌道參數(shù)與古老的Flora族群(～ 109 yr)的小行星相似，可能是其中的成員之一。Flora族群是一個(gè)具有一萬多個(gè)小行星成員的大族群, 通過小行星光譜檢測(cè)到大多數(shù)族群成員都是S型小行星。另一方面，通過Jewitt等人對(duì)311P色指數(shù)的測(cè)量也表明311P更有可能是一個(gè)S型小行星。

在2013年9月至2014年2月期間，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)311P進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)其分散噴射碎片，每次形成不同的彗尾，粒子半徑范圍從10微米到至少80毫米，噴射速度小于1m/s，這一觀測(cè)結(jié)果與撞擊和水冰升華活動(dòng)性等原因相矛盾。Jewitt等人假設(shè)這些彗尾可能是由快速旋轉(zhuǎn)的彗核分裂產(chǎn)生，可能是因?yàn)閅ORP效應(yīng)導(dǎo)致的。

綜上可知，311P的軌道位于小行星內(nèi)主帶，與小行星的軌道一致，因此它是具有類似彗星活動(dòng)性且具有小行星軌道的活動(dòng)小行星。

圖9：311P的7個(gè)觀測(cè)時(shí)期的圖像處理，其中G-I彗尾是在2013年7月10日之后所識(shí)別得到[9]

05 未來探索

活動(dòng)小行星引發(fā)了我們對(duì)于太陽系中小天體多樣性的新認(rèn)識(shí)。311P/PANSTARRS的研究為我們揭示了活動(dòng)小行星的一些特性，但仍有許多待解之謎。值得期待的是，“天問二號(hào)”計(jì)劃將于2025年左右進(jìn)行發(fā)射，這項(xiàng)任務(wù)將借助長征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，分別探測(cè)共軌近地小行星2016 HO3以及主帶的活動(dòng)小行星311P/PANSTARRS。通過這次探測(cè)，我們將更加深入地了解活動(dòng)小行星的塵埃環(huán)境、熱物理屬性等物理特性，為更深入研究活動(dòng)小行星提供數(shù)據(jù)支持，進(jìn)一步豐富我們對(duì)活動(dòng)小行星的了解。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hsieh H H. The Astronomical Journal, 2004, 127(5): 2997-3017.

[2]Jewitt D., 2015, Asteroids IV. pp 221–241.

[3]Jewitt D., 2012, AJ. 143, 3.

[4]Novakovic B, EPSC-DPS Joint Meeting 2019: volume 2019.

[5]Hsieh H., Science, 2006, 312(5773): 561-563.

[6]Hsieh H., The Astronomical Journal, 2018, 155(2): 96.

作者：辛瑛琦（中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)博士研究生）