太陽系有史以來拍攝到的最遙遠(yuǎn)天體，新研究為柯伊伯帶天體的形成提供了新線索，柯伊伯帶天體是太陽系邊緣類似小行星的天體，并有助于理解太陽系形成的早期階段。

在發(fā)表在《自然》期刊上的新研究中，解釋了“雪人”(Arrokoth)的獨特特征，雪人照片是去年由美國宇航局新視野號太空任務(wù)首次拍攝。故事始于2006年，當(dāng)時新視野號航天器被派去拍攝冥王星的第一張?zhí)貙憟D像，并研究冥王星的特征和地形。

在發(fā)射后，新視野號固定了前往冥王星的軌道，開始了長達(dá)九年的漫長旅程。為了不浪費燃料和資源，它的大部分系統(tǒng)都處于休眠模式，直到它接近目標(biāo)冥王星。也是在2006年，國際天文聯(lián)合會決定將冥王星從行星地位降級為矮行星。簡而言之，新視野號航天器被送去研究一顆行星，睡著了，醒來后發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)太陽系的九大行星之一，冥王星不再被認(rèn)為是一顆行星。

冥王星之旅

但這并沒有減損任務(wù)的重要性，新視野號提供了冥王星及其衛(wèi)星卡隆的壯觀圖像，并提供了寶貴的科學(xué)信息，這些信息目前仍在研究中，可能會研究多年。這些研究將為理解太陽系的形成，特別是柯伊伯帶的形成提供重要信息。但是，新視野號的冒險之旅還有更多內(nèi)容，雖然冥王星是太陽系最遠(yuǎn)處最大的天體，但它并不是唯一的。在海王星之外有一個叫做柯伊伯帶的區(qū)域，由數(shù)不清的類似小行星的物體組成，大小從幾英尺到數(shù)千英里不等。

這一區(qū)域的條件與它在太陽系內(nèi)的“姊妹”小行星帶不同(尤其是要冷得多)，柯伊伯帶天體通常由更多的冰物質(zhì)組成。新視野號航天器配備了足夠的資源來觀測另一個柯伊伯帶天體，如果能找到這樣的天體，又距離航天器原始軌道不太遠(yuǎn)的話。2014年6月26日，在對這類天體進(jìn)行了廣泛的觀測后，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了其中一個。在確認(rèn)之后，新視野號研究小組設(shè)計了航天器的軌跡，以便在完成繪制冥王星地圖的任務(wù)后，它將通過新發(fā)現(xiàn)的天體旁邊。

發(fā)現(xiàn)之旅

五年后（也就是2015年與冥王星相遇后的四年），新視野號經(jīng)過了該天體，2019年1月1日，當(dāng)新視野號航天器從3500英里外的柯伊伯帶小天體經(jīng)過時，人類首次近距離拍攝了它。在第一批圖像到達(dá)后，柯伊伯帶天體（被稱為2014-69）因其獨特的外觀而被戲稱為“雪人”。新視野號研究人員最初稱它為Ultima Thule(拉丁語中的“世界邊緣”)，因為它位于太陽系邊緣的偏遠(yuǎn)位置。

但這個天體最終被重新命名為Arrokoth486958，在現(xiàn)已滅絕的波瓦坦原住民語言中，意思是“天空”或“云”。新視野號收集了大量關(guān)于雪人的信息：它是一個30公里長的接觸雙星，由兩個不同大小的葉通過細(xì)頸相互連接，似乎是兩個較小的柯伊伯帶天體碰撞形成Arrokoth的產(chǎn)物。雖然已經(jīng)提出了各種模型來解釋Arrokoth的形成和其特殊性質(zhì)，但這些模型遇到了重大挑戰(zhàn)，不能很好地解釋雪人的重要特征，特別是它自身的緩慢旋轉(zhuǎn)速度和大傾角。

研究人員提出了新穎的分析計算和詳細(xì)模擬，解釋了Arrokoth的形成和特征。這項研究由博士生葉夫根尼·格里辛(Evgeni Grishin)、博士后尤里·馬拉默德(Uri Malamud)博士和他們的導(dǎo)師哈蓋·佩雷斯(Hagai Perets)教授與德國圖賓根研究小組合作領(lǐng)導(dǎo)。在柯伊伯帶中由兩個隨機(jī)天體之間的簡單高速碰撞將會粉碎它們，因為它們很可能主要是由軟冰構(gòu)成。另一方面，如果這兩個天體在圓形軌道上運行（類似于月球圍繞地球的軌道）。

剖析“雪人”

然后慢慢地向下旋轉(zhuǎn)，以便更溫和地接近對方并進(jìn)行接觸，那么Arrokoth的自轉(zhuǎn)速度將會非常高，而相對于這樣的預(yù)期，測量到的速度實際上相當(dāng)?shù)?。Arrokoth的完整自轉(zhuǎn)需要15.92小時。此外，它的傾角(相對于其繞太陽軌道的平面)非常大，達(dá)到98度，所以它幾乎是相對地躺在一邊。根據(jù)研究模型，這兩個天體圍繞彼此旋轉(zhuǎn)，但因為它們一起圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，所以它們基本上構(gòu)成了一個三星系統(tǒng)。

這類三星系統(tǒng)的動力學(xué)很復(fù)雜，被稱為三體問題。眾所周知，引力三星系統(tǒng)的動力學(xué)非常混亂，在研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)并不是以簡單有序的方式運動，而且也不是以完全混亂的方式運行。通過緩慢(長期)的演化，它從一個寬闊相對圓形的軌道，演變成一個高度偏心的橢圓形軌道，與Arrokoth繞太陽的軌道周期相比要慢得多?？梢宰C明，這樣的軌跡最終會導(dǎo)致碰撞，一方面碰撞會很慢。

但另一方面，會產(chǎn)生一個緩慢旋轉(zhuǎn)、高度傾斜的物體，這與Arrokoth的性質(zhì)一致。詳細(xì)模擬證實了這一點，并產(chǎn)生了與Arrokoth雪人外表、旋轉(zhuǎn)和傾斜非常相似的模型。還研究了這種過程的穩(wěn)定性和可能性，并發(fā)現(xiàn)它們在所有柯伊伯帶范圍內(nèi)的雙星中，有多達(dá)20%是相當(dāng)常見的，并且可能以類似的方式演化。到目前為止，還不可能解釋Arrokoth的獨特特征，這是一個違反直覺的結(jié)果。

碰撞的可能性實際上會增加，因為初始雙星的距離更大，并且初始傾斜角更接近90度。新模型既解釋了碰撞的高可能性，也解釋了今天統(tǒng)一系統(tǒng)的獨特數(shù)據(jù)，實際上還預(yù)測柯伊伯帶中會有更多物體。事實上，甚至冥王星和卡隆衛(wèi)星的系統(tǒng)，也可能是通過類似的過程形成，它們似乎在太陽系雙星和月球系統(tǒng)的演化中扮演著重要角色。

博科園｜研究/來自：?美國技術(shù)學(xué)會

參考期刊《自然》

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