不速之客——近地小行星轨道中的“异类分子”

我们知道，太阳系内除了八大行星之外，还到处游荡着个头在米级到百公里级的小行星和彗星，我们统称它们为太阳系小天体。截止到目前，已发现的太阳系小天体已接近120万颗（绝大部分没有观测到活动性，属于小行星），且数量仍然在逐年增加。

目前已发现的内太阳系小行星的轨道位置分布 | 图源：作者

绝大部分的小行星位于火星和木星之间的小行星带内，称为主带小行星。一般来说，这些可爱的小行星们会在自己的绕日椭圆轨道上安全运行，各自相安无事，但总存在一定的概率发生相互碰撞，并产生轨道各异的大量碎片。此外，在大行星的引力扰动以及复杂的热物理效应作用下，小行星的轨道可能发生迁移，甚至迁移到近地空间。天文学家把近日距小于1.3 au（au为天文单位，即日地平均距离）的小行星归类为近地小行星。

相比于主带小行星，近地小行星恐怕就没那么可爱了，因为它们的轨道在演化过程中会发生更为剧烈而频繁的改变，甚至与地球轨道相交而存在撞击地球的风险（其中直径在140米以上且与地球最小交会距离在0.05 au以内的称为潜在威胁近地小行星，目前已发现2275颗）。因此，各国天文学家对近地小行星十分关注。

目前已发现的潜在威胁近地小行星轨道分布 | 图源：作者

最近的2022年3月11日，一颗编号为2022 EB5的近地小行星在坠入地球大气前两个小时才被观测到，还好这颗小行星只有1米左右大小，进入大气后就烧毁了，让我们虚惊一场。

2022 EB5撞击地球前的轨道（为更好地体现三维效果，画出了小行星轨道往黄道面上的垂线）| 图源：astorb.com

正因为近地小行星对地球能够造成潜在的安全威胁，因此对它们的轨道进行精确测定与预报是一个重要的研究课题，不过这方面的内容不是本文的主题，本文主要想带领一些感兴趣的读者来了解一下近地小行星的轨道构型，特别是一些比较奇怪有趣的案例。

事实上，天文学家们已经根据近地小行星的椭圆轨道半长轴，近日距和远日距将其分为四类：阿莫尔型、阿登型、阿波罗型和阿蒂娜型。这里我们不对这些分类作展开，感兴趣的读者百度一下就能了解到它们的区别。本文主要关注一些有趣的、具有极端轨道特征或特殊轨道几何构型的近地小行星。

2017 UR52——三项记录保持者：轨道最扁，周期最长，远日距最大

首先，让我们祭出一颗打破了三项“世界记录”的近地小行星2017 UR52，该小行星直径大约200米，由卡特琳娜巡天计划所属的望远镜发现于2017年10月29日，发现时该小行星已接近到达近日点，日心速度达37公里每秒。2017 UR52的轨道周期超过5000年，是目前发现的轨道周期最长（意味着半长径最大）的近地小行星；此外，该小行星的偏心率达到0.9957，是目前发现的轨道最扁的近地小行星；最后，综合其最大的半长径以及最大的偏心率，可推断出它也是目前发现的远日距最大的近地小行星，达到了584 au，是海王星平均轨道半径的19倍。事实上，2017 UR52的轨道类型与长周期彗星比较类似，不过由于在抵达近日点附近时未发现它存在活动性，因此没有被归类为彗星。

近地小行星2017 UR52的轨道示意图 | 图源：astorb.com

2005 HC4——两项记录保持者：近日距最小、跑得最快

2005 HC4是一颗由洛威尔天文台发现于2005年4月30日的近地小行星，直径约为250米。该小行星的偏心率也很大，达到0.961，近日距则达到0.071 au，是目前发现的近日距最小的近地小行星，是水星与太阳距离的0.23倍（想象一下到近日点时那得多热）。考虑到其半长径为1.821 au，可以计算出它在近日点时的速度达157公里每秒，是目前已发现的日心轨道瞬时速度最快的近地小行星。

近地小行星2005 HC4的轨道示意图 | 图源：astorb.com

2021 PH27——轨道周期最短

与2017 UR52恰恰相反，于2021年8月13日发现的近地小行星2021 PH27（直径约为1公里）则具有最短的轨道周期，其半长径为0.462 au，偏心率为0.712，轨道周期仅为0.314年。该小行星完全位于地球轨道以内，因此也被称为地内小行星。然而，从地球观测者来看，由于该小行星与太阳的相对夹角较小，因此观测机会比较少，一般只有在该小行星到达远日点附近且地球也恰好位于适当的位置时，才能在接近黎明或黄昏的时候观测到它。

近地小行星2021 PH27的轨道示意图 | 图源：astorb.com

“风雨逆行者”——逆行近地小行星

我们知道，太阳系内的大行星大部分轨道倾角接近于0°，以“顺行”的方式绕日公转，该现象与太阳系早期形成时大部分物质集中在原行星盘内有关。大部分的近地小行星也是“顺行”公转的（轨道倾角小于90°），不过仍然有小部分近地小行星在复杂的机制下出现大于90°的轨道倾角，称为“逆行”近地小行星。目前已知的此类近地小行星有五颗：2014 PP69（倾角93.7°），2017 UR52（倾角108.3°），2019 EJ3（倾角139.8°），(343158) Marsyas（倾角154.4°）和2020 BZ12（倾角165.5°）。

有研究表明小行星与木星的3:1轨道共振（即木星与小行星的轨道周期之比为3:1）有可能是产生此类小行星的原因，也有学者认为逆行近地小行星与高偏心率彗星的轨道演化有关。事实上，除了近地小行星之外，太阳系内已发现的其他类型的逆行小行星总数已达122颗，这些“逆行者”让天体力学领域的研究者十分感兴趣，对它们轨道的起源与迁移机制，轨道寿命，分布特征等开展了多方面的研究。

近地小行星2020 BZ12的轨道示意图 | 图源：astorb.com

“内切”/“外切”型近地小行星

接下来我们来考虑两种轨道几何上有点特殊的近地小行星：“内切”和“外切”型近地小行星。这里的“内切”或“外切”是相对于地球轨道而言的，即小行星轨道远日点或近日点与地球轨道相切（远日距或近日距在0.983~1.017 au之间）。比如(325102) 2008 EY5与(100085) 1992 UY4分别属于前者和后者一类。虽然在轨道几何上看似很“漂亮”，但它们对地球安全是不折不扣的潜在威胁者。考虑偏心率大于0.2的情况，则目前已发现的“外切”型近地小行星的数量已达2319颗，而“内切”型的数量只有66颗，前者是后者的35倍。这么悬殊的数量差距与它们的真实数量分布有关，但也可能与观测上的“选择效应”有关。

近地小行星(325102) 2008 EY5的轨道示意图 | 图源：astorb.com

近地小行星1992 UY4的轨道示意图 | 图源：astorb.com

2016 HO3——地球“准卫星”

如果某颗近地小行星的轨道周期与地球非常接近，即形成1:1轨道共振，就被称为地球共轨小行星。由于地球轨道存在一定的偏心率，因此其绕日运动角速度并不恒定；而考虑到小行星轨道也往往存在一定的偏心率，这最终导致在日地旋转坐标系下看来该小行星相对于地球的运动可能出现循环往复的现象。而若该循环往复的中心位置恰好在地球附近（若中心位置位于地球轨道前后60度附近的日地三角平动点上，则该小行星被称为地球“特洛伊”小行星），则从地球视角看来该小行星是“绕着”地球转的。此类小天体被称为地球“准卫星”型近地小行星，这是由于此现象主要是一种轨道几何上的效应，其实际地心距远远大于地球引力范围，因此并非像月球那样真的是在地球引力主导下作围绕地球的轨道运动。

目前地球“准卫星”小行星已经发现了五颗，最有名的当属直径大约为40米的(469219) Kamoʻoalewa（或称为2016 HO3），该小行星是我国未来深空探测的目标，按计划将会在该小行星上着陆并采集研究样品带回地球。2016 HO3是目前已发现的五颗准卫星中轨道稳定性最好的，预计在未来300年仍然能保持为“准卫星”状态，且在未来1百万年仍然与地球共轨。

图 近地小行星2016 HO3未来100年的轨道在日地旋转坐标系下的示意图 | 图源：astorb.com

2020 CD3——“迷你月亮”

如果某颗近地小行星以相对较低的速度闯入地月系，其有可能被地月系捕获而成为地球的一颗天然卫星。不过由于被捕获后的小行星轨道能量依然比较大，一般来说会随着时间演化最终逃离地月系引力的束缚，因此，此类小行星只能算是地球的临时卫星。

由卡特琳娜巡天计划于2020年2月15日发现的2020 CD3即属于此类近地小行星（据估计该小行星直径仅约为3米）。通过对其轨道溯源计算发现，该小行星大概是在2017年9月左右被地月系引力所捕获的，然后在复杂的引力环境下绕着地球做轨道运动，并在2020年5月离开地月系。该小行星发现后引起公众极大的兴趣，一度被称为地球的“迷你月亮”。

2020 CD3（紫色）被地球（蓝点）俘获后的轨道运动，黄色表示月球轨道。 | 图源：wikipedia

2010 TK7与2020 XL5——地球特洛伊小行星

在地球轨道面上，与地球共轨且位于地球前后60°夹角的位置称为日-地三角平动点（或称为日-地拉格朗日L4、L5点）。若某颗小行星在日-地三角平动点附近往复运动，这样的小行星被称为地球特洛伊小行星。相比于日-木三角平动点，日-地三角平动点的稳定性较差，因此一般来说小行星难以在此停留较长时间。人们一度以为地球不存在类似木星的特洛伊小行星，直到2010年10月美国的WISE空间望远镜在L4点附近首次发现了一颗地球特洛伊小行星——300米左右大小的2010 TK7。研究表明，2010 TK7可能是约1800年前被“俘获”到地球L4点附近的，而在15000年后可能迁移到L5点附近，也可能“逃逸”不再成为地球特洛伊小行星。

五个日-地拉格朗日点示意图，L4和L5点分别位于地球前、后60°角位置。 | 图源：wikipedia

地球特洛伊小行星的搜寻并未停止，2017年美国的OSIRIS-REx和日本的Hayabusa 2小行星探测器在飞行过程中对地球的L4、L5区域进行了搜寻，不过遗憾的是一无所获。可喜的是十年后的2020年12月12日，美国的泛星计划发现了第二颗日-地L4小行星：2020 XL5，这颗小行星的直径更大，达到了1.2公里。轨道计算表明该小行星大概在500年前被“俘获”为地球特洛伊小行星，而在4000年后将离开目前的轨道。

相比于其他类型的近地小行星，这两颗地球特洛伊小行星对地球的安全威胁要小得多，最起码几千年内不用担心它们会撞上地球。不过在科学上此类小行星受关注程度则相当高，这是由于它们独特的动力学特性有助于为我们提供对太阳系早期形成历史的关键线索。此外，有学者还注意到，由于低倾角的地球特洛伊小行星可到达性很好，它们可以成为探索太阳系的太空基地，甚至可能作为太空资源开发的对象。

在日地旋转坐标系下2010 TK7小行星的轨道 | 图源：wikipedia

综上，我们注意到，近地小行星的轨道确实千奇百怪，对它们的轨道特性、轨道起源和演化的研究有助于我们更好地理解太阳系形成过程中的动力学环境，也有助于人类研究如何防御威胁地球安全的近地小行星。

参考资料：

1. https://www.minorplanetcenter.net/

2. https://academic.oup.com/mnras/article/462/4/ 3441/2589984

3. http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/ 31429/1/95-1108.pdf

4. https://academic.oup.com/mnras/article/446/2/ 1867/2893013

5. https://central.bac-lac.gc.ca/.item?id=TC-BVAU-37251&op=pdf&app=Library&oclc_number=1033018583

6. https://astronomical.fandom.com/wiki/2020_CD3

7. http://www.astorb.com

作者简介

胡寿村

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。研究领域:太阳系小天体动力学与形成演化。

轮值主编：王英

编辑：王科超