天文科普:隼鳥2號揭秘碳烤 “龍宮” 始末
發(fā)布時間:2020-06-06
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一點說了無數(shù)次但為了給新讀者指路還是要提一下的前情提要

2014年12月3日,日本JAXA隼鳥2號探測器發(fā)射,2018年6月27日抵達(dá)小行星“龍宮”,開始了長達(dá)一年半的伴飛探測,其間順利完成了兩次著陸采樣。

兩次著陸采樣點TD1和TD2的位置。兩次著陸采樣點分別被命名為“玉手箱”(Tamatebako)和“萬寶槌”(Uchide-no-kozuchi),均來源于日本傳說故事。

來源:JAXA、東大等 [1]

如今,隼鳥2號探測器帶著從“龍宮”采集到的樣品正在返回地球的途中,預(yù)計今年(2020年)12月底將樣品送回地球。

在過去的一年里,隼鳥2號團(tuán)隊已經(jīng)通過隼鳥2號獲取的各種豐富的探測數(shù)據(jù),揭開了一段又一段近地小行星“龍宮”的前生今世種種,其中一些最重量級的結(jié)果我們也都做過跟進(jìn)解讀,比如:

?1)近地小行星“龍宮”外形呈陀螺狀,是疏松的“亂石堆”聚集而成的小行星;2)“龍宮”的赤道隆起,是因為這顆小行星曾經(jīng)轉(zhuǎn)得很快,但后來自轉(zhuǎn)減慢了;3)“龍宮”上雖然有(羥基形式的)水,但遠(yuǎn)沒有科學(xué)家們之前預(yù)期的那么多,可以稱得上“干涸”;4)“龍宮”最可能來自主帶小行星波蘭(Polana)和歐拉莉婭(Eulalia)中一顆的碎片;5)“龍宮”表面的年輕非常年輕,可能形成于900萬年前左右;6)“龍宮”生涯坎坷,可能經(jīng)歷過多次俄羅斯套娃式的毀滅和重組;……

感興趣的讀者可以在《科學(xué)》雜志|隼鳥2號的“龍宮”探險發(fā)現(xiàn)了些什么?和《科學(xué)》雜志|隼鳥2號的撞擊小行星實驗全記錄里閱讀更多詳情。

近日,以東京大學(xué)諸田智克為首的隼鳥2號團(tuán)隊利用第一次著陸采樣獲取的科學(xué)信息,對小行星龍宮的演化史做出了進(jìn)一步探秘,這一結(jié)果于2020年5月8日在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。?

Part. 1

“彩色”龍宮是什么鬼?文章一上來,就給了張彩色的小行星“龍宮”全球圖。乍一看到這樣圖,很多人可能會疑竇頓生,這紅紅藍(lán)藍(lán)的都是啥?難道“龍宮”其實是彩色的??龍宮表面的b-x光譜斜率圖。來源:JAXA

那我以前見過黑白“龍宮”是啥?龍宮看起來到底是啥樣的?害,說來話長了。

作為一顆典型的一顆C型(碳質(zhì))小行星,近地小行星龍宮的表面其實是非常暗的,只有5%的陽光能被反射出來,literally炭一樣黑,而且黑得極其均勻

事實上,肉眼看上去的龍宮差不多會是這樣:?隼鳥2號ONC-T相機(jī)2015年12月4日拍攝的地球和2018年6月21日拍攝的龍宮在接近肉眼狀態(tài)下看到的樣子。來源:JAXA、東京大學(xué)等[3]?這意味著,如果我們始終以肉眼的范圍作為標(biāo)準(zhǔn)的話,根本識別不出龍宮表面有啥特征。

這就有點像…如果我們用0-100米作為尺度來看待中國成年人的身高,那絕大多數(shù)人四舍五入都人人身高2米…相比于100米這么大的尺度,幾厘米幾分米的差異太小了,很難被發(fā)現(xiàn)。但如果我們把尺度范圍調(diào)整到1-2米這個范圍就會發(fā)現(xiàn),大部分中國成年人身高會集中在1.5-1.8米,而且還能看出成年男性和女性的身高是有明顯差異的。然后我們甚至還能按年齡區(qū)間或者性別分個類,看到不同分類里的成年人身高有什么特征。

看小行星,也是類似的。既然“龍宮”整體都那么暗,那么我們只有對“評估”范圍作出調(diào)整,才有可能看出差異來。經(jīng)過“亮度調(diào)整”之后的,才是我們平??吹降摹褒垖m”表面的樣子:不再是“漆黑一片”,而是有亮暗之分了。?龍宮兩面。來源:JAXA

但僅僅這樣,對有些科學(xué)研究還是不夠,我們常常還需要更明確的指標(biāo),這個指標(biāo)就是“光譜特征”。不同區(qū)域的反射光被光譜儀“分解”之后,會顯示不同的反射率趨勢,這常常體現(xiàn)了不同區(qū)域含有的物質(zhì)成分差異。

反射率隨波長遞增的區(qū)域,行星科學(xué)家們通常稱之為“光譜偏紅”,遞減的區(qū)域則稱為“光譜偏藍(lán)”。?把天體表面的物質(zhì)用光譜特征進(jìn)行分類。制圖:haibaraemily?通過這個指標(biāo),我們可以把星球表面分成不同程度的“紅色單元”和“藍(lán)色單元”,為這些區(qū)域標(biāo)上假彩色以示區(qū)分,這就成了我們開頭看到的“彩色版”龍宮地圖了。

劃重點:假彩色,假彩色,假彩色。重要的事說三遍!?

Part. 2

“紅色” vs “藍(lán)色”,說明了什么?

通常來說,我們目前認(rèn)為“光譜偏藍(lán)”的物質(zhì)往往更“新鮮”,而“光譜偏紅”的物質(zhì)往往較“蒼老”。注意,這里的“新鮮”和“蒼老”,指的并不是物質(zhì)本身的形成早晚,而是它們暴露出地表早晚。也就是說,越是剛剛從地下被挖掘暴露出宇宙空間的物質(zhì)越“新鮮”,越是長期暴露在宇宙空間中,經(jīng)歷(太陽)風(fēng)吹日曬越久的物質(zhì)越“蒼老”。

盡管有一些研究認(rèn)為并不是所有情況都符合這個規(guī)律,但總體來說,我們可以近似地套用這個“通式”:?制圖:haibaraemily?那這個通式可以直接套用在一個全新的小行星“龍宮”上么?倒也不能這么草率。得先考察一下是不是符合“龍宮”的實際情況。

經(jīng)過光譜分類之后,“龍宮”的表面被分成了“紅色”區(qū)域和“藍(lán)色”區(qū)域。簡單比對可以看出:“紅色”區(qū)域通常更暗,“藍(lán)色”區(qū)域通常更亮。?(左)v波段 (5.5微米)龍宮局部照片黃色和藍(lán)色箭頭所指的都是相對于周圍較亮的區(qū)域,這在右圖都對應(yīng)這光譜偏藍(lán)的區(qū)域(hyb2_onc_20180801_183933_tvf),(右)b-x波段斜率圖。來源:參考文獻(xiàn)[2]

那“龍宮”上也是更“亮(藍(lán))”的地方比更“暗(紅)”的地方更新鮮嗎?是的。

一方面,撞擊坑彼此間的的覆蓋關(guān)系可以給出證據(jù):如果一個撞擊坑破壞了另一個撞擊坑的形狀,那么顯然前者形成于后者之后。“龍宮”上直徑大于10米的撞擊坑可以明顯分為坑內(nèi)光譜“偏紅”和“偏藍(lán)”兩類,“藍(lán)坑”都形成于“紅坑”之后,說明光譜偏藍(lán)的物質(zhì)更加新鮮。?(左)水星上兩個撞擊坑示例,來源:NASA;(右)“龍宮”上的“紅坑”和“藍(lán)坑”重疊關(guān)系。來源:參考文獻(xiàn)[2]?另一方面,石塊的邊緣、裂隙、濺射紋比周圍的石塊表面更亮,表明這些剛剛暴露出來、或者受磨損更劇烈的地方(也是更亮、更“藍(lán)”的地方)更新鮮,之后隨著暴露在宇宙空間中逐漸變暗(“紅”)。?采樣區(qū)附近局部區(qū)域。來源:參考文獻(xiàn)[2]?然而,除了撞擊坑和部分石塊之外,“龍宮”的赤道和兩極是整體偏“藍(lán)”的,中緯區(qū)域整體偏“紅”,這又是怎么回事呢?如果說是中緯區(qū)域更古老,那古老的區(qū)域又是怎么變“紅”的??龍宮表面的b-x光譜斜率圖。來源:JAXA?

Part. 3

?怎么“紅”的?按照我們既有的經(jīng)驗和科學(xué)認(rèn)知,小行星“龍宮”上的物質(zhì)變“紅”最可能有兩個原因:1)太陽炙烤產(chǎn)生的熱變質(zhì);2)空間風(fēng)化。兩者的顯著差異之一是“紅化”物質(zhì)的深度。?“龍宮”表面被“紅化”的過程示意圖。改編自:參考文獻(xiàn)[2]?那“龍宮”表面是因何“變紅”的?隼鳥2號的觀測結(jié)果更支持第一種可能:太陽炙烤,換句話說就是“烤老了”。主要證據(jù)有兩個:

1)“龍宮”的兩極物質(zhì)比赤道更“藍(lán)”。赤道和兩極物質(zhì)偏藍(lán),這本身是容易理解的,因為“龍宮”如今的地形是赤道和兩極地勢更高,中緯區(qū)域地勢低,那么原本覆蓋在赤道和兩極的成熟(“紅色”)物質(zhì)自然會不斷向地勢更低的中緯區(qū)域移動,讓埋在地下的新鮮(“藍(lán)色”)物質(zhì)暴露出來。但如果僅僅是這樣,那“龍宮”的兩極比赤道物質(zhì)還要“偏藍(lán)”就有點說不通了??赡艿慕忉屖浅宋镔|(zhì)移動之外,赤道還相比于兩極受到了更多光照所致(龍宮的自轉(zhuǎn)傾角171.6°,接近于垂直黃道面的逆行自轉(zhuǎn),這意味著極區(qū)光照較少)。

2)“龍宮”上的“紅色”物質(zhì)層還是挺厚的。直徑小于10米的新鮮撞擊坑內(nèi)部并不是“藍(lán)色”而是“紅色”的,表明這個大小的新鮮撞擊坑還沒有撞穿“紅色”物質(zhì)層,由此推測,龍宮表面的“紅色”物質(zhì)層最起碼應(yīng)該有米級厚度,空間風(fēng)化應(yīng)該沒有這么大能力。

?新鮮“紅”坑的存在表明紅色物質(zhì)最起碼得有米級厚度。改編自:參考文獻(xiàn)[2]?但僅僅是太陽炙烤,還不足以讓“龍宮”表面變成現(xiàn)在這個樣子:因為隼鳥2號實際發(fā)現(xiàn)的“紅色”物質(zhì)分布更深、顆粒更小。

隼鳥2號的著陸采樣是非常“暴力”的,在短短幾秒鐘的“親密”接觸里,隼鳥2號從采樣桿中高速射出一顆鉭質(zhì)子彈,濺起的表面物質(zhì)彈入采樣桿中被收集起來,再加上隨后的發(fā)動機(jī)噴氣起飛,這一系列“暴力”操作讓“龍宮”表面一時間漫天碎屑,也改變了“龍宮”表面的原本的物質(zhì)分布。2019年2月22日,隼鳥2號第一次著陸采樣過程,小圖是采樣桿上的監(jiān)視相機(jī)CAM-H拍攝,大圖是ONC-W1相機(jī)拍攝。來源:JAXA、東大等 [4]

?最為明顯的是一塊叫做“龜石”的石塊。這個石塊原本相對于周圍是偏暗(“紅”)的,但在反應(yīng)控制系統(tǒng)(RCS)噴氣之后生生被水平飛濺出5米多,而且…瞬,間,變,亮(“藍(lán)”),了…?龜石(Turtle Rock)的亮暗變化。來源:參考文獻(xiàn)[2]?這意味著,這塊石頭其實是新鮮(光譜偏藍(lán))的,只是表面或者空隙里附著了一層更細(xì)膩、光譜偏紅的成熟物質(zhì),所以看起來才會是暗的。經(jīng)過隼鳥2號這么暴力一抖,這些“紅色”物質(zhì)掉渣一般抖落,石塊也就恢復(fù)了原本的“青春靚麗”。

著陸采樣前后的光譜對比也證實了這點:采樣區(qū)(圓圈內(nèi))原本相比于周圍是偏亮偏“藍(lán)”(新鮮)的,而經(jīng)過一通暴力操作之后變得更暗更“紅”(成熟)了。?著陸區(qū)反射率和光譜斜率圖變化。來源:參考文獻(xiàn)[2]?如果還記得我們上期(《科學(xué)》雜志?| 隼鳥2號的撞擊小行星實驗全記錄)說的…“打臉”來的如此之快(好了就當(dāng)上期沒說過吧orz)…采樣之后形成的暗色物質(zhì)并不是挖掘出的新鮮物質(zhì),其實只是被抖落下的古老的暗(“紅”)色物質(zhì)渣渣而已。?ONC-W1相機(jī)拍攝的采樣前后龍宮表面的變化。來源:JAXA、東大等[4]?這些近距離觀測都直指“龍宮”表面的“紅色”物質(zhì)在形成之后又進(jìn)行過一系列破碎和混合。?龍宮表面“紅色”物質(zhì)的形成和重分布過程。改編自:參考文獻(xiàn)[2]?

Part. 4

?啥時候“紅”的??“紅坑”和“藍(lán)坑”的形成時間可以“鎖死”“龍宮”的變“紅”時期。?“龍宮”上的“紅坑”形成于850萬年前,而“藍(lán)坑”則形成于30萬年前(按主小行星帶撞擊頻率推算)/810萬年前(按近地小行星撞擊頻率推算),顯然,“龍宮”表面的“紅化”必然發(fā)生在這兩個時間節(jié)點之間。

?

“紅坑”和“藍(lán)坑”的撞擊坑定年CSFD,MBA對應(yīng)主小行星帶撞擊率模型,NEA對應(yīng)近地小行星撞擊率模型。來源:參考文獻(xiàn)[2]?

Part. 5

漂泊半生如果“藍(lán)坑”形成時,“龍宮”已經(jīng)來到了如今的近地小行星軌道,那么“龍宮”表面的“紅化”過程將會在很短的時間里完成(最極端的情況可能是850萬年-810萬年前這短短的40萬年里)。

也就是說,“龍宮”需要在很短的時間里因為突然加劇的太陽炙烤開始并完成“紅化”,同一時期還需要完成從主小行星帶到近地小行星軌道的遷徙。

時間緊任務(wù)重,兩個條件一合計,“龍宮”最可能被太陽炙烤“紅化”的時期呼之欲出,那就是在軌道遷徙過程中?!褒垖m”的軌道這一階段變得高度橢圓,近日點變得離太陽非常近,結(jié)果就是“龍宮”表面在短暫地接近太陽的過程中被迅速“烤老”了。

經(jīng)過層層推理,諸田及其同事們理順了這條時間線:?“龍宮”表面和軌道演化史。改編自:參考文獻(xiàn)[2]?就這樣,從表面反射率信息,進(jìn)而推測出小行星上發(fā)生過的地質(zhì)變化、物質(zhì)遷移,又抽絲剝繭還原出整顆小行星動蕩的軌道變遷,這出推理劇著實有點燒腦。好消息是,隼鳥2號第一次著陸采樣的區(qū)域里混合著“紅藍(lán)”物質(zhì),也就是說,隼鳥2號很可能“新鮮”“成熟”兩種物質(zhì)都采集到了,這些“龍宮”樣品正在飛回地球的途中,有望給行星科學(xué)家們進(jìn)一步深入研究呢。?

參考資料:[1]http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190709_ver8.pdf[2]Morota, T., Sugita, S., Cho, Y., Kanamaru, M., Tatsumi, E., Sakatani, N., ... & Yokota, Y. (2020). Sample collection from asteroid (162173) Ryugu by Hayabusa2: Implications for surface evolution. Science, 368(6491), 654-659. DOI: 10.1126/science.aaz6306[3]JAXA | リュウグウ到著!http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20180629je/index.html[4]JAXA | A sunburned Ryugu: the asteroid surface has been weathered by the Sun!http://www.hayabusa2.jaxa.jp/en/topics/20200508_science/

出品:科普中國制作:haibaraemily監(jiān)制:中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

(本文中標(biāo)明來源的圖片已獲得授權(quán))

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