Science：“新视野号”探测柯伊伯带的“雪人”

来源：中科院地质地球所

柯伊伯带小行星被认为是原地形成的星子，在后期巨行星轨道迁移事件中未受到严重扰动，因此它们记录了星云形成星子的详细过程，是揭示太阳系起源和早期演化这一基本科学问题的“钥匙”(Nesvorný, 2018)。

2006年发射的 “新视野号”（New Horizons）于2019年1月飞至柯伊伯带，对编号为486958的小行星（Ultima Thule, 2014 MU69）开展了近距离探测，首次获得了柯伊伯带小行星高清的地形地貌(Spencer et al., 2020)、矿物成分(Grundy et al., 2020)、内部结构(Spencer et al., 2020)等信息，为认识太阳系早期演化提供了重要线索(McKinnon et al., 2020)，相关结果于2020年2月29号发表在Science上。486958号小行星已正式命名为Arrokoth，意为“天空”。该小行星形似雪人，本文以“雪人”形象称呼它。

“雪人”小行星有着以下地质和地球物理特征(Spencer et al., 2020)：它是一个双小行星（Binary asteroid），由大（身体）小（头部）两个小行星粘连在一起（图1A），自转周期为15.92±0.02小时。其中身体尺寸为20.6×19.2×9.4 km，头部尺寸为15.4×13.8×9.8 km，密度约500

kg/m3，与67P彗星相当。全球0.6微米归一化反射率为0.23，身体和头部均有反射率偏高的区域（图1B），被认为是内部物质活动所致。综合地形地貌和光谱数据，可以划分为若干单元，包括撞击坑、洞、亮区、暗区、未熔融区等（图1C）。统计年代学分析结果表明，撞击坑保存年龄为约40亿年（图2B），基本保留了太阳系形成以来的演化历史。

图1 “雪人”小行星的形貌和地质图（Spencer et al.，2020)。（A）地形地貌特征；（B）0.6微米归一化的反射率；（C）地貌分类图

图2 （A）“雪人”小行星上撞击坑和洞的分布。(B)撞击坑年代学统计，受限于空间分辨率，其中粉红色曲线代表撞击坑的数据，可信度较高，指示撞击坑年龄为～40亿年；其它颜色曲线的结果可能混有非撞击坑的信号（Spencer et al.，2020）

“雪人”小行星的矿物组成和温度特征如下(Grundy et al., 2020)：可见光波段的三波段合成假彩色图片显示，它具有比较均一的光谱特性（图3B），说明它表面的主要组成矿物分布比较均匀。可见光波段具有明显的变红趋势，即随波长增加，反射率升高，升高幅度为27%/100nm（图3C）；统计分析结果表明，它的头部和身体的光谱特征几乎没有差异。近红外波段的反射光谱数据质量并不理想，通过扩大分析区域（图4B），Grundy et al.(2020)给出了“雪人”一些区域的近红外光谱（图4C）。累计平均的光谱曲线（图4C）显示，它在1.5-1.6、2.0-2.1、2.27和2.34微米波段存在一些吸收峰，指示存在甲醇、水冰和氨水，其中甲醇在2.27和2.34微米波段的吸收峰较强，可信度较高。

微波热辐射探测数据表明“雪人”的平均亮温为29±5K，结合密度、轨道、公转周期等其他物理参数后，估算其春季的表面温度为40-55K，冬季可能为10-20K。这些新发现表明“雪人”是外太阳系星云直接凝聚的星子，而非内太阳系形成后迁移到外太阳系所致。夏冬两季的温度变化会导致一些组成气体挥发份丢失，可能是导致它表面成分差异的主要原因。

图3 （A）“雪人”小行星的形貌图，空间分辨率83 m/pixel；（B）“雪人”小行星可见光波段的假彩色图，数据来自：400-450 nm、540-700 nm和780-975 nm的反射率，空间分辨率340 m/pixel;(C)彩色坡度图，基于不同波段反射率的线性拟合（Grundy et al., 2020）

图4 “雪人”小行星近红外光谱（Grundy et al., 2020）。（A）“雪人”小行星的形貌图，空间分辨率138 m/pixel；（B）“雪人”小行星的近红外光谱图像，空间分辨率1.9 km/pixel；（C）B图标记区域的反射光谱与Hapke模型对比，2.25-2.35微米波段可见甲醇的吸收峰，紫色箭头指示微弱的甲醇、水冰和氨水的吸收峰

根据新发现的“雪人”小行星的地形地貌、物理性质和化学成分等（Spencer et al., 2020; Grundy et al., 2020），McKinnon et al.(2020)对比分析现有双小行星的形成机制，并通过数值模拟计算，结果表明只有在撞击速度~2.9 m/s条件下，两个小行星才会形成“雪人”的形态特征（图5），他们认为“雪人”的形成机制在星子生长阶段可能具有普遍性。

图5 “雪人”小行星形成的数值模拟（McKinnon et al., 2020）。（A）撞击速度10 m/s,撞击角度45°；（B）撞击速度5 m/s,撞击角度45°；（C）撞击速度2.9 m/s,撞击角度80°

我国深空探测起步较晚，月球、火星、小行星和木星将是未来我国深空探测的主要对象。相比火星等行星系统，小行星是太阳星云直接凝聚形成的星子，是构建行星的初始材料，因此小行星探测是揭示太阳星云过程、行星系统形成和生命起源等重大科学问题的突破口。国际上已经对Itokawa、Yugu、Benu、Vesta、Ceres、67P等小行星和彗星开展一些开拓性的探测，然而小行星在矿物组成、化学成分、形成条件、物理性质、空间分布等存在显著的差异，还有更多的科学问题等待探索。

主要参考文献

Grundy W M, Bird M K, Britt D T, et al. Color, composition, and thermal environment of Kuiper Belt object (486958) Arrokoth[J]. Science, 2020, 367(6481): eaay3705.

.McKinnon W B, Richardson D C, Marohnic J C, et al. The solar nebula origin of (486958) Arrokoth, a primordial contact binary in the Kuiper Belt[J]. Science, 2020, 367(6481): eaay6620.

Nesvorný D. Dynamical evolution of the early solar system[J]. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 2018, 56: 137-174.

Spencer J R, Stern S A, Moore J M, et al. The geology and geophysics of Kuiper Belt object (486958) Arrokoth[J]. Science, 2020, 367(6481).

（撰稿：胡森/地星室）