柯伊伯带小天体Arrokoth形状形成机制研究获进展
10月6日，《自然-天文学》（Nature Astronomy）在线发表中国科学院紫金山天文台行星科学与深空探测实验室副研究员赵玉晖等与德国马克斯-普朗克太阳系研究所等单位的科研人员合作的研究成果，该研究利用活动性气体挥发导致太阳系小天体形状变化的理论和数值模型（MONET模型），为NASA新视野号（New Horizons）探测的柯伊伯带小天体（486958）Arrokoth（中文名：天涯海角）扁平形状的形成提供解释。
2019年1月1日，NASA的新视野号探测器在完成冥王星的探测任务后，对柯伊伯带小天体Arrokoth进行飞越探测。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，存在较多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。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具有科学意义。因此，新视野号对Arrokoth的探测为了解太阳系和太阳系天体的形成过程提供信息。
Arrokoth双瓣结构和扁平形状是新视野号的探测结果之一（图1）。双瓣结构的小天体在太阳系中较为普遍，也有多个较为成熟的模型对此结构的形成提供解释。扁平结构的天体在太阳系中则较为罕见，目前暂无相关的理论和模型给出合理的解释。作为较稳定的一类柯伊伯带小天体，Arrokoth通过高速碰撞等过程形成目前结构的可能性较低，因此，研究人员初步认为，太阳系早期的星云坍塌过程形成Arrokoth的双瓣扁平形状。
在柯伊伯带小天体形状演化研究方面，紫金山天文台研究人员与合作者此前建立气体挥发导致天体形状变化的模型（MONET模型）。结合Arrokoth较小的轨道偏心率和较大的自转轴倾斜角（自转轴与轨道面法向量的交角），MONET模型可预测太阳系初期形成的（椭）圆形的星子在该轨道和自转状态下由于活动性物质的挥发而不断扁平化的过程，在理论和数值模拟上为Arrokoth扁平结构的形成机制提供解释。研究指出，由于该扁平结构的形成是太阳辐射作用下气体挥发导致，Arrokoth的自转轴与轨道面较近，轨道偏心率较小，在一个轨道周期内极区受到的太阳辐射大于赤道区域（图2），因而损失更多的挥发性气体成分从而不断趋近扁平。计算结果表明，该形状演化过程在小天体形成且其周围的星际气体和尘埃被驱散后的100万至1亿年的时间内完成，该时间尺度受到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。研究人员对该时间尺度内物质挥发产生的力矩对Arrokoth自转状态的影响展开研究，理论分析和数值计算的结果均显示，该过程对Arrokoth的自转状态改变较小；此外还探讨了该小天体的内部结构以及重力场在演化过程中可能起到的作用。研究表明，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）形状的改变可能普遍存在，某些小天体在其后续演化过程如果到达距离太阳更近的区域（半人马天体或者木星族彗星），将可能由于更强的太阳辐射导致不同气体成分的挥发再次经历类似的形状演化过程（图3）。该研究对太阳系早期星子形成理论、太阳系小天体的形成演化等研究具有重要意义。
新视野号的副项目科学家、成像团队首席科学家、Arrokoth拓展任务规划首席科学家、美国西南研究院的John Spencer博士认为，该研究为该小天体形状的形成提供解释。《自然-天文学》的审稿人认为，该研究的模型解释了Arrokoth扁平结构的形成过程，适用于太阳系早期星子形成过程的模拟，研究工作将引起对该领域的兴趣，为相关研究增加有价值的论述。
赵玉晖为论文第一作者，与德国马克斯-普朗克太阳系研究所博士Ladislav Rezac为论文共同通讯作者，合作者包括德国布伦瑞克工业大学博士Yuri Skorov，紫金山天文台博士胡寿村，以及美国行星科学研究所博士Nalin Samarasinha、李荐扬。研究工作得到国家自然科学基金、中科院空间科学预先研究项目、中科院行星科学重点实验室、中科院比较行星学卓越创新中心和紫金山天文台小行星基金会等的资助。
图1.新视野号探测器成像设备获得的Arrokoth形状模型（Spencer et al.,2020, science）
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项目成果
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