[科普中国]-隼鸟2号揭秘碳烤“龙宫”始末

一点说了无数次但为了给新读者指路还是要提一下的前情提要：

2014年12月3日，日本JAXA隼鸟2号探测器发射，2018年6月27日抵达小行星“龙宫”，开始了长达一年半的伴飞探测，其间顺利完成了两次着陆采样（详见：隼鸟2号的2019年：大展身手，满载而归 http://www.kepu.net.cn/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_2019/201912/t20191224_483813.html）。

两次着陆采样点TD1和TD2的位置。两次着陆采样点分别被命名为“玉手箱”（Tamatebako）和“万宝槌”（Uchide-no-kozuchi），均来源于日本传说故事。来源：JAXA、东大等 [1]

如今，隼鸟2号探测器带着从“龙宫”采集到的样品正在返回地球的途中，预计今年（2020年）12月底将样品送回地球。

在过去的一年里，隼鸟2号团队已经通过隼鸟2号获取的各种丰富的探测数据，揭开了一段又一段近地小行星“龙宫”的前生今世种种，其中一些最重量级的结果我们也都做过跟进解读，比如：

1）近地小行星“龙宫”外形呈陀螺状，是疏松的“乱石堆”聚集而成的小行星；

2）“龙宫”的赤道隆起，是因为这颗小行星曾经转得很快，但后来自转减慢了；

3）“龙宫”上虽然有（羟基形式的）水，但远没有科学家们之前预期的那么多，可以称得上“干涸”；

4）“龙宫”最可能来自主带小行星波兰（Polana）和欧拉莉娅（Eulalia）中一颗的碎片；

5）“龙宫”表面的年轻非常年轻，可能形成于900万年前左右；

6）“龙宫”生涯坎坷，可能经历过多次俄罗斯套娃式的毁灭和重组；

……

感兴趣的读者可以在《科学》杂志|隼鸟2号的“龙宫”探险发现了些什么？ (https://mp.weixin.qq.com/s/WH2LFTGJjTSqZElFNpmSjg)和《科学》杂志|隼鸟2号的撞击小行星实验全记录(https://mp.weixin.qq.com/s/y37pXQzRbnzBxGKf4wdzFg)里阅读更多详情。

近日，以东京大学諸田智克为首的隼鸟2号团队利用第一次着陆采样获取的科学信息，对小行星龙宫的演化史做出了进一步探秘，这一结果于2020年5月8日在线发表于《科学》杂志。

“彩色”龙宫是什么鬼？

文章一上来，就给了张彩色的小行星“龙宫”全球图。乍一看到这样图，很多人可能会疑窦顿生，这红红蓝蓝的都是啥？难道“龙宫”其实是彩色的？

龙宫表面的b-x光谱斜率图。来源：JAXA

那我以前见过黑白“龙宫”是啥？龙宫看起来到底是啥样的？嗨，说来话长了。

作为一颗典型的一颗C型（碳质）小行星，近地小行星龙宫的表面其实是非常暗的，只有5%的阳光能被反射出来，literally炭一样黑，而且黑得极其均匀。

事实上，肉眼看上去的龙宫差不多会是这样：

隼鸟2号ONC-T相机2015年12月4日拍摄的地球和2018年6月21日拍摄的龙宫在接近肉眼状态下看到的样子。来源：JAXA、东京大学等[3]

这意味着，如果我们始终以肉眼的范围作为标准的话，根本识别不出龙宫表面有啥特征。

这就有点像…如果我们用0-100米作为尺度来看待中国成年人的身高，那绝大多数人四舍五入都人人身高2米…相比于100米这么大的尺度，几厘米几分米的差异太小了，很难被发现。但如果我们把尺度范围调整到1-2米这个范围就会发现，大部分中国成年人身高会集中在1.5-1.8米，而且还能看出成年男性和女性的身高是有明显差异的。然后我们甚至还能按年龄区间或者性别分个类，看到不同分类里的成年人身高有什么特征。

看小行星，也是类似的。既然“龙宫”整体都那么暗，那么我们只有对“评估”范围作出调整，才有可能看出差异来。经过“亮度调整”之后的，才是我们平常看到的“龙宫”表面的样子：不再是“漆黑一片”，而是有亮暗之分了。

龙宫两面。来源：JAXA

但仅仅这样，对有些科学研究还是不够，我们常常还需要更明确的指标，这个指标就是“光谱特征”。不同区域的反射光被光谱仪“分解”之后，会显示不同的反射率趋势，这常常体现了不同区域含有的物质成分差异。

反射率随波长递增的区域，行星科学家们通常称之为“光谱偏红”，递减的区域则称为“光谱偏蓝”。

把天体表面的物质用光谱特征进行分类。制图：haibaraemily

通过这个指标，我们可以把星球表面分成不同程度的“红色单元”和“蓝色单元”，为这些区域标上假彩色以示区分，这就成了我们开头看到的“彩色版”龙宫地图了。

划重点：假彩色，假彩色，假彩色。重要的事说三遍！

“红色” vs “蓝色”，说明了什么？

通常来说，我们目前认为“光谱偏蓝”的物质往往更“新鲜”，而“光谱偏红”的物质往往较“苍老”。注意，这里的“新鲜”和“苍老”，指的并不是物质本身的形成早晚，而是它们暴露出地表早晚。也就是说，越是刚刚从地下被挖掘暴露出宇宙空间的物质越“新鲜”，越是长期暴露在宇宙空间中，经历（太阳）风吹日晒越久的物质越“苍老”。

尽管有一些研究认为并不是所有情况都符合这个规律，但总体来说，我们可以近似地套用这个“通式”：

制图：haibaraemily

那这个通式可以直接套用在一个全新的小行星“龙宫”上么？倒也不能这么草率。得先考察一下是不是符合“龙宫”的实际情况。

经过光谱分类之后，“龙宫”的表面被分成了“红色”区域和“蓝色”区域。简单比对可以看出：“红色”区域通常更暗，“蓝色”区域通常更亮。

（左）v波段 (5.5微米）龙宫局部照片黄色和蓝色箭头所指的都是相对于周围较亮的区域，这在右图都对应这光谱偏蓝的区域（hyb2_onc_20180801_183933_tvf），（右）b-x波段斜率图。

来源：参考文献[2]

那“龙宫”上也是更“亮（蓝）”的地方比更“暗（红）”的地方更新鲜吗？是的。

一方面，撞击坑彼此间的的覆盖关系可以给出证据：如果一个撞击坑破坏了另一个撞击坑的形状，那么显然前者形成于后者之后。“龙宫”上直径大于10米的撞击坑可以明显分为坑内光谱“偏红”和“偏蓝”两类，“蓝坑”都形成于“红坑”之后，说明光谱偏蓝的物质更加新鲜。

（左）水星上两个撞击坑示例，来源：NASA；（右）“龙宫”上的“红坑”和“蓝坑”重叠关系。来源：参考文献[2]

另一方面，石块的边缘、裂隙、溅射纹比周围的石块表面更亮，表明这些刚刚暴露出来、或者受磨损更剧烈的地方（也是更亮、更“蓝”的地方）更新鲜，之后随着暴露在宇宙空间中逐渐变暗（“红”）。

采样区附近局部区域。来源：参考文献[2]

然而，除了撞击坑和部分石块之外，“龙宫”的赤道和两极是整体偏“蓝”的，中纬区域整体偏“红”，这又是怎么回事呢？如果说是中纬区域更古老，那古老的区域又是怎么变“红”的？

龙宫表面的b-x光谱斜率图。来源：JAXA

怎么“红”的？

按照我们既有的经验和科学认知，小行星“龙宫”上的物质变“红”最可能有两个原因：1）太阳炙烤产生的热变质；2）空间风化。两者的显著差异之一是“红化”物质的深度。

“龙宫”表面被“红化”的过程示意图。改编自：参考文献[2]

那“龙宫”表面是因何“变红”的？隼鸟2号的观测结果更支持第一种可能：太阳炙烤，换句话说就是“烤老了”。主要证据有两个：

1）“龙宫”的两极物质比赤道更“蓝”。赤道和两极物质偏蓝，这本身是容易理解的，因为“龙宫”如今的地形是赤道和两极地势更高，中纬区域地势低，那么原本覆盖在赤道和两极的成熟（“红色”）物质自然会不断向地势更低的中纬区域移动，让埋在地下的新鲜（“蓝色”）物质暴露出来。但如果仅仅是这样，那“龙宫”的两极比赤道物质还要“偏蓝”就有点说不通了。可能的解释是除了物质移动之外，赤道还相比于两极受到了更多光照所致（龙宫的自转倾角171.6°，接近于垂直黄道面的逆行自转，这意味着极区光照较少）。

2）“龙宫”上的“红色”物质层还是挺厚的。直径小于10米的新鲜撞击坑内部并不是“蓝色”而是“红色”的，表明这个大小的新鲜撞击坑还没有撞穿“红色”物质层，由此推测，龙宫表面的“红色”物质层最起码应该有米级厚度，空间风化应该没有这么大能力。

新鲜“红”坑的存在表明红色物质最起码得有米级厚度。改编自：参考文献[2]

但仅仅是太阳炙烤，还不足以让“龙宫”表面变成现在这个样子：因为隼鸟2号实际发现的“红色”物质分布更深、颗粒更小。

隼鸟2号的着陆采样是非常“暴力”的，在短短几秒钟的“亲密”接触里，隼鸟2号从采样杆中高速射出一颗钽质子弹，溅起的表面物质弹入采样杆中被收集起来，再加上随后的发动机喷气起飞，这一系列“暴力”操作让“龙宫”表面一时间漫天碎屑，也改变了“龙宫”表面的原本的物质分布。

2019年2月22日，隼鸟2号第一次着陆采样过程，小图是采样杆上的监视相机CAM-H拍摄，大图是ONC-W1相机拍摄。来源：JAXA、东大等 [4]

最为明显的是一块叫做“龟石”的石块。这个石块原本相对于周围是偏暗（“红”）的，但在反应控制系统（RCS）喷气之后生生被水平飞溅出5米多，而且…瞬，间，变，亮（“蓝”），了…

龟石（Turtle Rock）的亮暗变化。来源：参考文献[2]

这意味着，这块石头其实是新鲜（光谱偏蓝）的，只是表面或者空隙里附着了一层更细腻、光谱偏红的成熟物质，所以看起来才会是暗的。经过隼鸟2号这么暴力一抖，这些“红色”物质掉渣一般抖落，石块也就恢复了原本的“青春靓丽”。

着陆采样前后的光谱对比也证实了这点：采样区（圆圈内）原本相比于周围是偏亮偏“蓝”（新鲜）的，而经过一通暴力操作之后变得更暗更“红”（成熟）了。

着陆区反射率和光谱斜率图变化。来源：参考文献[2]

如果还记得我们上期（《科学》杂志 | 隼鸟2号的撞击小行星实验全记录）说的…“打脸”来的如此之快（好了就当上期没说过吧orz）…采样之后形成的暗色物质并不是挖掘出的新鲜物质，其实只是被抖落下的古老的暗（“红”）色物质渣渣而已。

ONC-W1相机拍摄的采样前后龙宫表面的变化。来源：JAXA、东大等[4]

这些近距离观测都直指“龙宫”表面的“红色”物质在形成之后又进行过一系列破碎和混合。

龙宫表面“红色”物质的形成和重分布过程。改编自：参考文献[2]

啥时候“红”的？

“红坑”和“蓝坑”的形成时间可以“锁死”“龙宫”的变“红”时期。

“龙宫”上的“红坑”形成于850万年前，而“蓝坑”则形成于30万年前（按主小行星带撞击频率推算）/810万年前（按近地小行星撞击频率推算），显然，“龙宫”表面的“红化”必然发生在这两个时间节点之间。

“红坑”和“蓝坑”的撞击坑定年CSFD，MBA对应主小行星带撞击率模型，NEA对应近地小行星撞击率模型。来源：参考文献[2]

漂泊半生

如果“蓝坑”形成时，“龙宫”已经来到了如今的近地小行星轨道，那么“龙宫”表面的“红化”过程将会在很短的时间里完成（最极端的情况可能是850万年-810万年前这短短的40万年里）。

也就是说，“龙宫”需要在很短的时间里因为突然加剧的太阳炙烤开始并完成“红化”，同一时期还需要完成从主小行星带到近地小行星轨道的迁徙。

时间紧任务重，两个条件一合计，“龙宫”最可能被太阳炙烤“红化”的时期呼之欲出，那就是在轨道迁徙过程中。“龙宫”的轨道这一阶段变得高度椭圆，近日点变得离太阳非常近，结果就是“龙宫”表面在短暂地接近太阳的过程中被迅速“烤老”了。

经过层层推理，諸田及其同事们理顺了这条时间线：

“龙宫”表面和轨道演化史。改编自：参考文献[2]

就这样，从表面反射率信息，进而推测出小行星上发生过的地质变化、物质迁移，又抽丝剥茧还原出整颗小行星动荡的轨道变迁，这出推理剧着实有点烧脑。

好消息是，隼鸟2号第一次着陆采样的区域里混合着“红蓝”物质，也就是说，隼鸟2号很可能“新鲜”“成熟”两种物质都采集到了，这些“龙宫”样品正在飞回地球的途中，有望给行星科学家们进一步深入研究呢。

参考资料

[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 | リュウグウ到着！

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/