紫金山天文台|紫金山天文台最新揭秘：小天体“天涯海角”为何是扁平形状的？太阳系|太阳系的

交汇点讯中文名为“天涯海角”的柯伊伯带小天体（486958）Arrokoth ，是目前人类飞船近距离探测的距地球最远的太阳系天体。近日，关于该小天体的研究取得最新进展：中国科学院紫金山天文台（紫台）行星科学与深空探测实验室赵玉晖副研究员等与德国马普太阳系研究所等单位合作，利用太阳系小天体上活动性物质挥发的模型，为“天涯海角”奇特的扁平形状（图1）的形成提供了新颖、有趣且合理的解释。
该研究成果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重要意义，于北京时间10月5日23时在线发表在《自然-天文学》 (《Nature Astronomy》)上。

图1 柯伊伯带小天体Arrokoth （图: PMO/X. Zheng/Y. Zhao；形状模型: NASA/Spencer et al., 2020;背景: Courtesy of Southwest Research Institute/Alex H. Parker）
“天涯海角”：人类飞船探测的最远的太阳系天体
2019年1月1日， NASA的新视野号探测器（New Horizons）在圆满完成了对冥王星的探测任务后，对柯伊伯带小天体Arrokoth（天涯海角）进行了飞越探测，这是目前人类飞船近距离探测的距地球最远的太阳系天体。
柯伊伯带是太阳系中位于海王星轨道以外的一个小天体带，这里存在大量的形状不一的含冰小天体，被认为是太阳系早期形成过程中遗留的原始星子，也是半人马天体和木星族彗星的来源地。对柯伊伯带天体的研究对了解太阳系起源和演化、地球上水和生命起源等问题具有关键的科学意义。
作为柯伊伯带中最稳定的一类小天体—“冷经典”（Cold Classical KBOs）族群， Arrokoth的轨道在其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。

图2 新视野号探测器成像设备获得的Arrokoth形状模型 (Spencer et al., 2020, science)
【紫金山天文台|紫金山天文台最新揭秘：小天体“天涯海角”为何是扁平形状的？】Arrokoth是一个由两部分组成的双瓣结构天体，它奇特的扁平的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 (图2) 。双瓣结构的小天体在太阳系中较为普遍，研究认为Arrokoth的两部分是在行星形成过程中相互绕转的两个星子，它们在潮汐作用下缓慢接近最终碰到一起。而扁平结构的天体在太阳系中则较为罕见，目前也没有相关的理论和模型给出合理的解释，研究人员推测是太阳系早期的星云坍塌过程形成了Arrokoth的扁平形状。
“天涯海角”扁平形状的成因
在最新的研究成果中，由紫金山天文台研究人员牵头的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、合理地解释了Arrokoth（天涯海角）扁平形状的成因。
在太阳系行星形成过程的初期，微米量级的尘埃相互粘结形成毫米/厘米大小的颗粒，这些颗粒不断聚集形成几十到百公里量级大小的球形或椭球形的星子。 Arrokoth最初就是由两个这样的星子结合形成的。由于此时星际空间中仍充斥着大量的气体和尘埃遮挡了大部分太阳辐射， Arrokoth所在的遥远的柯伊伯带区域温度依然非常低，大量甲烷、一氧化碳和氨气这类活动性极强的分子可以以固态的形式存在于星子中。随后随着太阳系中的气体和尘埃被驱散，太阳辐射变得强烈，温度逐渐升高， Arrokoth表面和内部的活动性气体开始挥发，物质逐渐流失。

图3 Arrokoth轨道周期表面平均温度分布 (Grundy et al., 2020, science)

图4 MONET模型得到的Arrokoth类似柯伊伯带小天体的扁平形状形成结果 (Zhao et al., 2020, Nature Astronomy)

图5 Arrokoth形状演化过程（图: PMO/X. Zhang）
由于Arrokoth的自转轴与轨道面非常接近且轨道接近圆形，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（图3），气体的挥发速度也大大提高。因此，相比赤道区域，极区损失了更多的物质成分，整体形状从而不断的趋近扁平（图4 ，图5）。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，这个时间尺度受到Arrokoth的原始尺寸、物质组成、主要挥发性气体的活动性、以及表面尘埃层的特性等因素的影响。分页标题
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）的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），将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，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极其重要的意义。
交汇点采访人员蔡姝雯