柯伊伯帶數以?xún)|計的含冰小天體，被認為是太陽(yáng)系早期形成過(guò)程中遺留的原始星子，也是半人馬天體和木星族彗星的來(lái)源地。因此，研究柯伊伯帶天體對了解太陽(yáng)系起源和演化、地球上水和生命起源等問(wèn)題具有關(guān)鍵的科學(xué)意義。

　　2019年元旦，美國國家航空航天局“新視野”號探測器飛越柯伊伯帶小天體“2014 MU69”。

　　這是目前人類(lèi)探測到的最遙遠和最原始的太陽(yáng)系天體，它那扁平的雙瓣狀結構，宛如一個(gè)胖乎乎的雪人。這個(gè)“胖娃”引起了科學(xué)家的濃厚興趣。它的名字Arrokoth來(lái)源于美洲原住民波瓦坦人的語(yǔ)言，意指“天空”；同時(shí)它也有個(gè)詩(shī)意的中文名字——“天涯海角”。

　　10月5日，《自然·天文》在線(xiàn)發(fā)表了中國科學(xué)院紫金山天文臺行星科學(xué)與深空探測實(shí)驗室趙玉暉副研究員等與德國馬普太陽(yáng)系研究所等單位的合作研究成果。科研人員建立并利用太陽(yáng)系小天體活動(dòng)性物質(zhì)揮發(fā)導致其形狀演化的模型，對“天涯海角”奇特的扁平形狀進(jìn)行了分析，并得出一個(gè)全新的結論：這個(gè)圓乎乎的“胖娃”在其誕生后100萬(wàn)到1億年的時(shí)間里，大量甲烷、一氧化碳和氮氣等活動(dòng)性氣體揮發(fā)導致了其扁平狀結構的形成，而且這種“瘦身”機制可能廣泛存在于柯伊伯帶小天體形成初期的形狀演化過(guò)程中。

　　神秘的柯伊伯帶小天體

　　柯伊伯帶的命名來(lái)自一位美籍荷蘭天文學(xué)家——G.P.柯伊伯。

　　1951年，柯伊伯把愛(ài)爾蘭天文學(xué)家E.埃奇沃思提出的關(guān)于短周期彗星起源的設想發(fā)展成相應的理論，于是后人將這一預期中的環(huán)帶稱(chēng)為柯伊伯帶，或埃奇沃思—柯伊伯帶。

　　1992年，天文學(xué)家用光學(xué)望遠鏡在海王星軌道外的環(huán)日軌道上觀(guān)測到一個(gè)小行星，隨后又發(fā)現更多類(lèi)似的天體。到2006年，觀(guān)測到的總數已超過(guò)1000個(gè)，其中最大的一個(gè)直徑達1200千米，其余的直徑多為200—400千米。

　　現在，人類(lèi)已經(jīng)可以通過(guò)地面望遠鏡觀(guān)測到柯伊伯帶不計其數的小天體，或者像“新視野”號那樣，飛越柯伊伯帶，為那些神秘的小天體拍張特寫(xiě)近照。

　　趙玉暉告訴科技日報記者，柯伊伯帶在太陽(yáng)系圓盤(pán)外圍，海王星軌道以外，距太陽(yáng)30—50個(gè)天文單位（AU，1天文單位約為1.496億千米），主要由小型天體或太陽(yáng)系形成的殘余物組成。

　　它與小行星帶類(lèi)似，分布著(zhù)數億固態(tài)小天體，是木星族彗星的發(fā)源地。但與小行星帶不同的是，大多數柯伊伯帶天體主要由凍結揮發(fā)物構成，如二氧化碳和水，而非金屬物質(zhì)。

　　說(shuō)起柯伊伯帶中最著(zhù)名的天體，就是曾經(jīng)的太陽(yáng)系第九大行星——冥王星。不過(guò)后來(lái)它被排除在外，其中一個(gè)重要原因就是因為它的大小和柯伊伯帶某些小天體的大小相當。

　　關(guān)于柯伊伯帶小天體的成因，目前還是一個(gè)未解的謎，科學(xué)家傾向于認為不同族群的柯伊伯帶小天體可能形成于太陽(yáng)系的不同位置。在45億年前，在接近太陽(yáng)的區域，許多星際物質(zhì)繞著(zhù)太陽(yáng)轉動(dòng)、互相碰撞，結合在一起，形成了地球和其他類(lèi)地行星，以及氣體巨行星的固體核。而在遠離太陽(yáng)的區域，比如柯伊伯帶，溫度極低，許多宇宙塵埃、冰、氣體得以保存下來(lái)，形成了大量比行星小的天體。

　　保留太陽(yáng)系形成早期的物質(zhì)

　　柯伊伯帶數以?xún)|計的含冰小天體，被認為是太陽(yáng)系早期形成過(guò)程中遺留的原始星子，也是半人馬天體和木星族彗星的來(lái)源地。因此，研究柯伊伯帶天體對了解太陽(yáng)系起源和演化、地球上水和生命起源等問(wèn)題具有關(guān)鍵的科學(xué)意義。

　　而“天涯海角”作為柯伊伯帶中最穩定的一類(lèi)小天體——“冷經(jīng)典”族群，其軌道在演化過(guò)程中受到外界的干擾很少，屬于該區域土生土長(cháng)的小天體。對于“天涯海角”的探測可以為人類(lèi)研究太陽(yáng)系和太陽(yáng)系天體的形成和演化過(guò)程提供大量有價(jià)值的信息。

　　“我們之所以把‘天涯海角’稱(chēng)為‘冷經(jīng)典’，并不是因為它的溫度低，而是從動(dòng)力學(xué)上看，這類(lèi)天體的軌道更加穩定，可以說(shuō)是太陽(yáng)系內最穩定的一類(lèi)天體。”趙玉暉介紹說(shuō)，除了“冷經(jīng)典”族群，在柯伊伯帶內還有“熱”經(jīng)典柯伊伯帶天體、離散盤(pán)小天體、海王星共振軌道小天體等其他類(lèi)型的小天體。

　　“天涯海角”是一個(gè)令人興奮的天文發(fā)現。它距地球約66億千米，是一個(gè)由兩部分組成的雙瓣結構天體，表面直徑不超過(guò)32千米，它奇特的扁平形狀被認為是“新視野”號探測器獲得的最令人意外的探測結果。而且它的顏色偏紅，溫度極低。“這說(shuō)明它含有托林，一種如甲烷、乙烷等簡(jiǎn)單結構有機化合物在紫外線(xiàn)照射下形成的、存在于遠離恒星的寒冷天體上的物質(zhì)。現有資料表明，它的表面最高溫度約為零下218.15攝氏度。”趙玉暉說(shuō)。

　　而在柯伊伯帶內，“天涯海角”又是極為穩定的“冷經(jīng)典”族群，可以說(shuō)它自45億年前誕生后就沒(méi)有發(fā)生過(guò)太大的變化，因而“天涯海角”很可能保留著(zhù)一些太陽(yáng)系形成早期的物質(zhì)。

　　輻射差異決定小天體“體形”

　　雙瓣結構的小天體在太陽(yáng)系中較為普遍。但是扁平結構的天體則較為罕見(jiàn)，目前也沒(méi)有相關(guān)的理論和模型對于它的存在給出合理的解釋。

　　在此之前，國際天文學(xué)界并未對“天涯海角”奇特的形狀給出相應的解釋?zhuān)饲霸胁聹y，這種扁平形狀是在太陽(yáng)系早期的星云坍塌過(guò)程中形成的。

　　趙玉暉團隊自主開(kāi)發(fā)出一套活動(dòng)性物質(zhì)揮發(fā)作用下小天體形狀演化的模型，利用這個(gè)模型他們對木星族彗星67P/CG，以及其他木星族彗星開(kāi)展了相關(guān)的研究。

　　“雖然受觀(guān)測數據限制，我們的樣本比較有限，但是該模型在67P/CG彗星形貌的南北不對稱(chēng)及彗星的表面地貌演化等問(wèn)題的研究中都得到了驗證，這就說(shuō)明我們的模型是可信的。”趙玉暉說(shuō)道。

　　趙玉暉告訴記者，盡管如它的名字一樣，“天涯海角”距離我們非常遙遠，“新視野”號對它也僅僅是匆匆一瞥，但是對它的形狀的研究仍然有重要意義。

　　研究表明，在太陽(yáng)系行星形成過(guò)程的初期，微米量級的塵埃相互粘結形成毫米或厘米大小的顆粒，這些顆粒不斷聚集形成幾十到百千米大小的球形或橢球形星子。“天涯海角”可能最初就是由兩個(gè)這樣的星子結合形成的。

　　在太陽(yáng)系形成初期，星際空間中仍充斥著(zhù)大量的氣體和塵埃，遮擋了大部分太陽(yáng)輻射，遙遠的柯伊伯帶區域溫度依然非常低，大量甲烷、一氧化碳和氮氣這類(lèi)活動(dòng)性極強的分子能夠以固態(tài)的形式存在于星子中。隨著(zhù)太陽(yáng)系中的氣體和塵埃被驅散，太陽(yáng)輻射變得強烈，溫度逐漸升高，“天涯海角”表面和內部的活動(dòng)性氣體開(kāi)始揮發(fā)，物質(zhì)逐漸流失。

　　由于“天涯海角”兩極受到的太陽(yáng)輻射遠遠大于赤道區域，因而氣體的揮發(fā)速度也大大提高，整體形狀不斷的趨于扁平。

　　“這個(gè)形狀演化過(guò)程在它形成后大約100萬(wàn)至1億年的時(shí)間內完成，相比起它45億年的年齡，這個(gè)過(guò)程是非常短暫的。”趙玉暉說(shuō)。

　　據趙玉暉介紹，太陽(yáng)系形成初期，這種形狀演化機制在柯伊伯帶小天體中很可能普遍存在。但是某些小天體運行到距離太陽(yáng)更近的區域，比如半人馬天體或者木星族彗星，由于受到更強的太陽(yáng)輻射，導致活動(dòng)性相對較弱的氣體（如二氧化碳、水）揮發(fā)，再次經(jīng)歷類(lèi)似的形狀演化過(guò)程。

　　“研究表明，在太陽(yáng)系形成早期，有大量的甲烷、一氧化碳和氮氣等活動(dòng)性氣體存在。了解它們的作用機制對于研究太陽(yáng)系早期星子形成、太陽(yáng)系小天體的形成演化等具有極其重要的意義。”趙玉暉說(shuō)。

    來(lái)源：http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2020-10/12/content_454801.htm?div=-1