“龙宫”的“骨质疏松”或是太阳系早期行星的“典型症状”

来源:科技日报

太阳系形成于大约45亿年前。无数“碎片”一样绕太阳系中心轨道运行的小行星，是太阳系早期形成过程的见证者。它们中的大部分是碳含量丰富的C型小行星。

在这几十亿年间，C型小行星几乎没什么变化，如同“时间胶囊”一般将古老时期的物质保存了起来。日本“隼鸟二号”（Hayabusa2）探测器的目标“龙宫”（Ryugu）便是其中一颗。

近日，“隼鸟二号”传回的红外图像数据已发表在《自然》杂志上，显现出“龙宫”几乎完全由多孔的松散物质组成。科学家推测，以“龙宫”为代表的C型小行星，其脆弱的多孔结构可能类似于星子，星子形成于原始的太阳星云，并在无数次碰撞中累积形成行星。

然而，迄今为止，我们并未完全了解太阳系早期的形成历史，许多相关理论都是建立在模型数据基础之上，还没有得到实际观测的证实。现在，携带“龙宫”样本的“隼鸟二号”正在归来的途中，科学家希望能通过这些样本找到这个答案。

C型小行星见证太阳系“幼年”

C型小行星是一类含碳的小行星，也是太阳系中最为丰富和原始的小行星类型。它们约占已知小行星总数的75%，在太阳系小行星主带里的占比更高，并且深入主带外缘。

“由于体积较小，诞生以来的进化程度较低，C型小行星仍然保留着大多数原始小行星时期的物理条件，诸如包络外壳、孔隙度和粒度分布等。因此，它们的存在，为理解太阳系的起源和演化提供了线索。”中国科学院国家天文台研究员平劲松介绍道。

晴朗的夜空里，我们很难捕捉到C型小行星的身影。由于孔隙度高、反照率极低，它们在夜空里比其他类型的小行星更暗，需要使用小型光学天文望远镜才看得见。天文观测表明，这类小行星的光谱中除了不含氢、氦和挥发物之外，它们的化学组成和原始的太阳星云几乎一样，也有水合矿物。

整体上看，C型小行星的光谱与碳质球粒陨石非常相似。一般认为，降落在地球表面上的碳质球粒陨石很可能来源于C型小行星。并由此推断，碳质球粒陨石中也保存了形成太阳系的太阳星云的成分。

“构成太阳系的气体和尘埃物质，在之前可能参与过早期一代、二代恒星的诞生过程。”平劲松指出，数十年来科学家们在碳质球粒陨石中发现，多种元素的特殊同位素组成有变化。这种组成变化无法用太阳系内部过程进行解释。对太阳系来说，这种同位素组成的变化，可能是太阳系形成时就固有的。

一直以来，科学家希望通过探测C型小行星，来了解太阳系行星系统的诞生和早期行星演化的过程。在“隼鸟二号”探测“龙宫”之前，美国国家航空航天局曾针对另一个编号为253马蒂尔德的C型小行星

进行了探测，同样发现它的表面存在松散结构，并解释其可能是流星撞击产生的松散物质。

事实上，关于太阳系行星诞生的过程，有着各种假说。平劲松介绍，其中一种广为认同的假说认为，太阳系里诸多行星成形于“太阳星云”，太阳星云是太阳形成过程中剩下的气体和尘埃形成的圆盘状云。

太阳星云中有着大量的硅酸盐尘埃和冰等细颗粒物质。通过吸积集聚，这些颗粒形成一到十公里直径的块状物微小天体。然后它们互相碰撞，形成更大尺寸、多孔松散的碎石堆，直径约几公里到几十公里，成为第一批太阳系的行星星子或者微行星。

这些星子们是经过多次聚合的星际颗粒松散结合而成的团块，它们通过进一步相撞逐渐加大尺寸。在距太阳4个日地距离以内的内行星区域，由于过于温暖以至于易挥发的如水和甲烷分子难以聚集，那里形成的星子大部分由高熔点的物质形成。这些物质在宇宙中很稀少，导致类地行星不会长得太大。

研究认为，行星形成时代结束后，太阳系有50—100个行星胚胎。这些行星胚胎从形成开始经历了相当大的变化。它们之间的碰撞一直持续发生。没有星子之间的碰撞聚合，就无法形成巨大的行星个体。

“龙宫”藏着解题线索

“龙宫”是一个C型的近地小行星，距离太阳最近和最远距离分别是日地平均距离的0.96倍和1.42倍。“隼鸟二号”通过近红外光谱观测确认，“龙宫”大部分光谱没有特征，和CM类型的碳质球粒陨石十分接近。

CM类型的碳质球粒陨石，包含高百分比的水和有机化合物。挥发性、有机化合物和水的存在，显示它们形成时没有经历过一定程度的加热。因此，它的矿物成份大多数保持了原始的物理化学状态，记录了早期太阳星云演化的特征，以及他们母体星子的演化特征。

去年4月，“隼鸟二号”向“龙宫”发射了一枚2公斤重的铜炮弹，击中“龙宫”表层，炸开了沙砾和岩石，甚至移动了一块5米宽的巨石，形成一个外缘直径大于10米、深2—3米的人工撞击坑。

通过观察这个新陨石坑的形成，研究人员发现，“龙宫”的表面并不是很坚固，它更像是有许多空隙的沙砾堆积而成，而不是整块坚固的岩石。这项针对“龙宫”的实验，主要目的是在撞击后收集包含有小行星地表以下物质的原始样本。

红外成像带来新发现

对“龙宫”的红外成像分析，类似探矿的光谱分析。通过近红外分光光谱仪的观测，可以获得小天体矿物、岩石表面的连续光谱，进而了解其表面物质的颗粒大小、孔隙率、巨石丰度、粗糙度等情况。

“隼鸟二号”搭载的热红外成像仪绕“龙宫”一圈拍摄了全球热成像图。对红外图像的分析显示，“龙宫”表面岩体和包围它的物质有相似的温度，其热惯量较低。研究人员认为，这种低热惯量表明“龙宫”表面岩体比典型的碳质球粒陨石更具多孔性，预示其周围覆盖着直径超过10厘米的多孔沙砾物质。近距离红外探测也证实了这些多孔沙砾的存在。

同时，对“龙宫”的遥感热成像观测结果还显示了其可能的形成历史，即它是由母天体的撞击碎片形成的碎石堆，其微孔隙约为30%至50%，经历了低程度的固结。表面存在的一些致密巨砾可能起源于最内部的固结区域，也可能是外生的。

在平劲松看来，以“龙宫”为代表的C型小行星，其脆弱的多孔结构可能类似于原始星子，内部的冰可能在演化过程中升华，从而形成多孔且不牢固的结构。“龙宫”表面之所以是一种不均匀的沙壤层，也很可能是因为在运行过程中遭遇了大量的撞击，导致冰被冲击融化，从而丧失了水分。

按计划，“隼鸟二号”将于2020年底飞经地球，将其采集到的岩石样本投送到澳大利亚南部的伍默拉沙漠。对于它即将带回来的这份珍贵礼物，科学家充满期待。（记者 唐婷）