探索冥王星的新视野号，揭开柯伊伯带“太空雪人”诞生的奥秘

太阳系有史以来拍摄到的最遥远天体，新研究为柯伊伯带天体的形成提供了新线索，柯伊伯带天体是太阳系边缘类似小行星的天体，并有助于理解太阳系形成的早期阶段。在发表在《自然》期刊上的新研究中，解释了“雪人”(Arrokoth)的独特特征，雪人照片是去年由美国宇航局新视野号太空任务首次拍摄。故事始于2006年，当时新视野号航天器被派去拍摄冥王星的第一张特写图像，并研究冥王星的特征和地形。

在发射后，新视野号固定了前往冥王星的轨道，开始了长达九年的漫长旅程。为了不浪费燃料和资源，它的大部分系统都处于休眠模式，直到它接近目标冥王星。也是在2006年，国际天文联合会决定将冥王星从行星地位降级为矮行星。简而言之，新视野号航天器被送去研究一颗行星，睡着了，醒来后发现曾经太阳系的九大行星之一，冥王星不再被认为是一颗行星。

冥王星之旅

但这并没有减损任务的重要性，新视野号提供了冥王星及其卫星卡隆的壮观图像，并提供了宝贵的科学信息，这些信息目前仍在研究中，可能会研究多年。这些研究将为理解太阳系的形成，特别是柯伊伯带的形成提供重要信息。但是，新视野号的冒险之旅还有更多内容，虽然冥王星是太阳系最远处最大的天体，但它并不是唯一的。在海王星之外有一个叫做柯伊伯带的区域，由数不清的类似小行星的物体组成，大小从几英尺到数千英里不等。

这一区域的条件与它在太阳系内的“姊妹”小行星带不同(尤其是要冷得多)，柯伊伯带天体通常由更多的冰物质组成。新视野号航天器配备了足够的资源来观测另一个柯伊伯带天体，如果能找到这样的天体，又距离航天器原始轨道不太远的话。2014年6月26日，在对这类天体进行了广泛的观测后，哈勃太空望远镜发现了其中一个。在确认之后，新视野号研究小组设计了航天器的轨迹，以便在完成绘制冥王星地图的任务后，它将通过新发现的天体旁边。

发现之旅

五年后（也就是2015年与冥王星相遇后的四年），新视野号经过了该天体，2019年1月1日，当新视野号航天器从3500英里外的柯伊伯带小天体经过时，人类首次近距离拍摄了它。在第一批图像到达后，柯伊伯带天体（被称为2014-69）因其独特的外观而被戏称为“雪人”。新视野号研究人员最初称它为Ultima Thule(拉丁语中的“世界边缘”)，因为它位于太阳系边缘的偏远位置。

但这个天体最终被重新命名为Arrokoth486958，在现已灭绝的波瓦坦原住民语言中，意思是“天空”或“云”。新视野号收集了大量关于雪人的信息：它是一个30公里长的接触双星，由两个不同大小的叶通过细颈相互连接，似乎是两个较小的柯伊伯带天体碰撞形成Arrokoth的产物。虽然已经提出了各种模型来解释Arrokoth的形成和其特殊性质，但这些模型遇到了重大挑战，不能很好地解释雪人的重要特征，特别是它自身的缓慢旋转速度和大倾角。

研究人员提出了新颖的分析计算和详细模拟，解释了Arrokoth的形成和特征。这项研究由博士生叶夫根尼·格里辛(Evgeni Grishin)、博士后尤里·马拉默德(Uri Malamud)博士和他们的导师哈盖·佩雷斯(Hagai Perets)教授与德国图宾根研究小组合作领导。在柯伊伯带中由两个随机天体之间的简单高速碰撞将会粉碎它们，因为它们很可能主要是由软冰构成。另一方面，如果这两个天体在圆形轨道上运行（类似于月球围绕地球的轨道）。

剖析“雪人”

然后慢慢地向下旋转，以便更温和地接近对方并进行接触，那么Arrokoth的自转速度将会非常高，而相对于这样的预期，测量到的速度实际上相当低。Arrokoth的完整自转需要15.92小时。此外，它的倾角(相对于其绕太阳轨道的平面)非常大，达到98度，所以它几乎是相对地躺在一边。根据研究模型，这两个天体围绕彼此旋转，但因为它们一起围绕太阳旋转，所以它们基本上构成了一个三星系统。

这类三星系统的动力学很复杂，被称为三体问题。众所周知，引力三星系统的动力学非常混乱，在研究中，研究人员发现该系统并不是以简单有序的方式运动，而且也不是以完全混乱的方式运行。通过缓慢(长期)的演化，它从一个宽阔相对圆形的轨道，演变成一个高度偏心的椭圆形轨道，与Arrokoth绕太阳的轨道周期相比要慢得多。可以证明，这样的轨迹最终会导致碰撞，一方面碰撞会很慢。

但另一方面，会产生一个缓慢旋转、高度倾斜的物体，这与Arrokoth的性质一致。详细模拟证实了这一点，并产生了与Arrokoth雪人外表、旋转和倾斜非常相似的模型。还研究了这种过程的稳定性和可能性，并发现它们在所有柯伊伯带范围内的双星中，有多达20%是相当常见的，并且可能以类似的方式演化。到目前为止，还不可能解释Arrokoth的独特特征，这是一个违反直觉的结果。

碰撞的可能性实际上会增加，因为初始双星的距离更大，并且初始倾斜角更接近90度。新模型既解释了碰撞的高可能性，也解释了今天统一系统的独特数据，实际上还预测柯伊伯带中会有更多物体。事实上，甚至冥王星和卡隆卫星的系统，也可能是通过类似的过程形成，它们似乎在太阳系双星和月球系统的演化中扮演着重要角色。

博科园｜研究/来自： 美国技术学会

参考期刊《自然》

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