追上半人馬天體 “讀取”太陽(yáng)系形成演化歷史信息

相比于常見(jiàn)的木星族彗星，由于半人馬天體長(zhǎng)期在柯伊伯帶，受到的太陽(yáng)輻射較少，所以包含的物質(zhì)更為原始，因此研究半人馬天體可以幫助我們更好地研究太陽(yáng)系的物質(zhì)分布和演化。

史建春

中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)副研究員

在木星軌道和海王星軌道之間，潛伏著數(shù)以萬(wàn)計(jì)由冰塊和巖石組成的小天體。這些小天體偶爾會(huì)受到木星引力擾動(dòng)的影響，被拋入太陽(yáng)系內(nèi)部，飛向太陽(yáng)和地球。

這類小天體被認(rèn)為是許多木星族彗星和近地彗星的來(lái)源，由于其同時(shí)具有小行星和彗星的特征，因此被命名為半人馬天體。

近日，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，美國(guó)芝加哥大學(xué)的科學(xué)家稱這些鄰近木星的半人馬天體或能為揭曉太陽(yáng)系奧秘提供重要線索。研究人員稱，通過(guò)深入分析半人馬天體，他們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系實(shí)際上是一個(gè)充滿活力的行星系統(tǒng)，并且一直處于變化狀態(tài)。

半人馬天體來(lái)自何處？它能告訴我們更多有關(guān)太陽(yáng)系的秘密嗎？

又遠(yuǎn)又小造成觀測(cè)困難

太陽(yáng)系的形成始于46億年前的一片原始星云，后經(jīng)吸積、聚合、演化，星云內(nèi)的原始物質(zhì)有的合并成了八大行星，有的仍然松散分布在太空的幾個(gè)帶狀區(qū)域。

這些帶狀區(qū)域內(nèi)的小天體是太陽(yáng)系早期演化遺留下的證據(jù)，太陽(yáng)系中的絕大部分小行星，是原始太陽(yáng)星云的星子，這些星云在太陽(yáng)形成初期就存在了。

位于海王星軌道之外的柯伊伯帶便是這樣一個(gè)區(qū)域，其中大約有10萬(wàn)個(gè)直徑超過(guò)100千米的天體，柯伊伯帶內(nèi)的天體主要由凍結(jié)的低沸點(diǎn)混合物構(gòu)成，主要成分是水、氨和甲烷。在火星與木星之間也存在一個(gè)小行星帶，這里的天體主要是由巖石和金屬構(gòu)成。

相較于這兩個(gè)小行星帶，木星和海王星之間的半人馬天體群，人類了解的還不多。

“半人馬天體是指軌道半長(zhǎng)軸和近日距都在木星軌道和海王星軌道之間的一類小天體。大部分半人馬天體起源于柯伊伯帶。近幾百萬(wàn)年，它們的軌道發(fā)生了變化，成為如今的半人馬天體?！敝袊?guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)副研究員史建春告訴科技日?qǐng)?bào)記者，目前人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了452顆半人馬天體，第一顆被發(fā)現(xiàn)的半人馬天體名為“944 Hidalgo”，于1920年由德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，目前最大的半人馬天體“10199 Chariklo”直徑約260千米，于1997年由美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。

約一個(gè)世紀(jì)的光陰，為何只有452顆半人馬天體被人類“捕獲”蹤跡？史建春解釋：“半人馬天體距離地球比較遠(yuǎn)，近日點(diǎn)在木星軌道外，也就是說(shuō)，距地球最近的時(shí)候也在木星軌道外，再加上體積一般比較小、亮度比較暗，所以比較難發(fā)現(xiàn)?！?/p>

此外，半人馬天體是柯伊伯帶天體和木星族彗星之間的過(guò)渡天體，它的軌道區(qū)域在動(dòng)力學(xué)上是不穩(wěn)定的?！鞍肴笋R天體的軌道容易受到巨行星如木星的引力擾動(dòng)，軌道發(fā)生變化?！笔方ù赫f(shuō)。

半人馬天體可提供“獨(dú)特”線索

史建春介紹，一些半人馬天體會(huì)呈現(xiàn)出類似彗星一樣的活動(dòng)性，會(huì)有彗發(fā)和彗尾。

彗星一般由彗核、彗發(fā)、彗尾3部分組成。彗核由冰物質(zhì)構(gòu)成，當(dāng)彗星接近太陽(yáng)時(shí)，彗星物質(zhì)升華，在冰核周?chē)鷷?huì)形成一團(tuán)看起來(lái)毛茸茸的彗發(fā)和一條長(zhǎng)長(zhǎng)的彗尾。

“因?yàn)榘肴笋R天體長(zhǎng)期在木星之外，所以附著在天體上的揮發(fā)性成分較多，如一氧化碳冰和二氧化碳冰，當(dāng)溫度升高易揮發(fā)氣體冰升華后，裹挾在天體表面的塵埃就會(huì)被釋放出來(lái)，經(jīng)太陽(yáng)光反射，形成了我們看到的類似彗星的彗發(fā)和彗尾?！笔方ù航榻B道。

據(jù)媒體報(bào)道，在此次研究中，美國(guó)芝加哥大學(xué)的博士后研究員、該論文的通訊作者塞利格曼說(shuō)：“這些物質(zhì)非常古老，包含著太陽(yáng)系早期從未被融化過(guò)的冰。彗星之所以有趣，不僅是因?yàn)樗鼈兒芷?，還因?yàn)樗鼈兛梢詾槿祟愄峁┮环N探測(cè)遙遠(yuǎn)太陽(yáng)系物質(zhì)化學(xué)成分的方法?！?/p>

在史建春看來(lái)，與普通彗星不同的是，半人馬天體的特質(zhì)，為我們研究太陽(yáng)系的演化，提供了“獨(dú)特”的線索。

“相比于常見(jiàn)的木星族彗星，由于半人馬天體長(zhǎng)期在柯伊伯帶，受到的太陽(yáng)輻射較少，所以包含的物質(zhì)更為原始，因此研究半人馬天體可以幫助我們更好地研究太陽(yáng)系的物質(zhì)分布和演化?！笔方ù赫f(shuō)，此外由于半人馬天體的近日距在木星軌道外，溫度較低，其活動(dòng)機(jī)制與木星族彗星不同。木星族彗星的活動(dòng)機(jī)制是水冰升華驅(qū)動(dòng)，而半人馬天體的活動(dòng)機(jī)制是由氣體冰的升華驅(qū)動(dòng)，不能用水冰的揮發(fā)驅(qū)動(dòng)來(lái)解釋。因此，通過(guò)研究半人馬天體，科學(xué)家可以比較水冰升華驅(qū)動(dòng)和氣體冰升華驅(qū)動(dòng)彗星活動(dòng)性的異同。

據(jù)媒體報(bào)道，在此次研究中，科學(xué)家研究了半人馬天體的數(shù)量，以及這些天體偶爾會(huì)成為飛往太陽(yáng)的彗星的機(jī)制。他們估計(jì)，大約一半的半人馬彗星是通過(guò)與木星和土星的軌道相互作用而被推入太陽(yáng)系內(nèi)部的；另一半由于太靠近木星，被困在木星的軌道上，然后因木星引力擾動(dòng)的影響被甩向太陽(yáng)系的中心。

后一種機(jī)制為更好地觀察這些即將成為彗星的半人馬天體，提供了一個(gè)完美的方法，正如這項(xiàng)研究所提出的，向木星發(fā)射一艘宇宙飛船，讓它在木星軌道上運(yùn)行，直到半人馬天體穿越木星的軌道。然后宇宙飛船可以在半人馬天體朝太陽(yáng)飛去、變成彗星的過(guò)程中進(jìn)行觀測(cè)。

實(shí)現(xiàn)“守株待星”并非難事

這種“守株待星”的想法并非異想天開(kāi)?！霸谀拘擒壍郎系却肴笋R天體的方法確實(shí)可行?！笔方ù赫J(rèn)為，人類目前的航天發(fā)射技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，派遣飛船抵達(dá)木星并不困難。

目前，人類已有多個(gè)航天器飛往外太陽(yáng)系；美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的“朱諾”號(hào)航天器，只花了大約5年時(shí)間就到達(dá)木星，目前正在拍攝木星的照片。

此外，即使在小天體移動(dòng)時(shí)，人類也有可能訪問(wèn)它們。例如，美國(guó)“奧西里斯-雷克斯”探測(cè)器訪問(wèn)了2億英里外的貝努小行星；日本的“隼鳥(niǎo)2號(hào)”探測(cè)器從另一顆小行星“龍宮”上帶回了一些巖石樣本。

“不過(guò)這并不是唯一的彗星觀測(cè)方案，根據(jù)具體科學(xué)目標(biāo)可制定不同的觀測(cè)方案，如對(duì)于著名的半人馬彗星29P/Schwassmann-Wachmann，也可單獨(dú)設(shè)計(jì)軌道進(jìn)行繞飛觀測(cè)。”史建春說(shuō)。

這將是一個(gè)富有想象力的畫(huà)面：彗星中的冰由不同類型的分子和氣體組成，它們?cè)诘竭_(dá)太陽(yáng)的過(guò)程中在不同的點(diǎn)開(kāi)始燃燒；航天器就飛行在彗星身邊，它“看著”彗星的形成過(guò)程，并通過(guò)測(cè)量彗尾了解彗星是由什么組成的。

塞利格曼表示，通過(guò)這種方法，科學(xué)家可以弄清楚典型的彗星冰層在什么時(shí)候開(kāi)始燃燒以及彗星的詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從地面望遠(yuǎn)鏡中弄清楚這些的希望非常小。

同時(shí)，彗星的表面也會(huì)隨著溫度的升高而發(fā)生噴發(fā)，形成隕石坑等。塞利格曼表示，了解這些現(xiàn)象，將幫助科學(xué)家更好的了解太陽(yáng)系。這對(duì)理解太陽(yáng)系中如何形成類地行星等事情很重要。

史建春對(duì)此也有同樣的看法，他認(rèn)為：“通過(guò)跟蹤、觀測(cè)一顆半人馬天體從小行星變成彗星、發(fā)育出彗發(fā)和彗尾的過(guò)程，有助于研究彗星的活動(dòng)機(jī)制和早期太陽(yáng)系中水和其他物質(zhì)的成分分布，進(jìn)而揭示太陽(yáng)系的形成和演化歷史?！?/div>