清華新聞網(wǎng)10月22日電 近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院（簡(jiǎn)稱(chēng)“航院”）博士生程彬、教授寶音賀西與北京航空航天大學(xué)等單位的合作者，利用自旋加速導(dǎo)致風(fēng)化層失穩(wěn)的理論模型和顆粒仿真，結(jié)合最新的小行星探測(cè)數(shù)據(jù)，為“陀螺型”小天體的形成提出了有力的解釋。
小天體是從太陽(yáng)系形成之初就存在的“剩余材料”，記錄了太陽(yáng)系早期的狀態(tài)信息，可以為探尋行星的演化乃至生命的起源提供重要線(xiàn)索。小天體形貌的演化過(guò)程存在豐富的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，近十年天文和航天的新發(fā)現(xiàn)使小行星在行星科學(xué)研究領(lǐng)域備受關(guān)注。
太陽(yáng)系內(nèi)已知的陀螺型小行星
陀螺型小行星通常擁有鼓起的赤道脊，外表形似旋轉(zhuǎn)的陀螺。眾多的小行星具有此類(lèi)獨(dú)特的形態(tài)，暗示了太陽(yáng)系中可能存在某種普遍機(jī)制支配陀螺地貌的形成。近年，日本的隼鳥(niǎo)二號(hào)（Hayabusa2）與美國(guó)的冥王號(hào)（OSIRIS-REx）分別對(duì)兩顆陀螺型小天體“Ryugu”和“Bennu”進(jìn)行了近距離探測(cè)，為揭開(kāi)這一問(wèn)題的神秘面紗提供了諸多線(xiàn)索。探測(cè)數(shù)據(jù)表明，這些小行星表面覆蓋一層松散的碎屑，其上散布諸多尺寸超幾十米的巨石，呈現(xiàn)出典型的“碎石堆”地貌。分析發(fā)現(xiàn)，它們除了獨(dú)特的陀螺形貌外，表面散落的巨石似乎也有著普遍的規(guī)律：極地存在上百米尺寸的穩(wěn)定巨石；中緯度的巨石均有一定程度傾斜，并陷入風(fēng)化層若干米；而赤道區(qū)域的巨石豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于其他區(qū)域。由于這些巨石的尺寸決定了其與小天體本身的形成時(shí)間相當(dāng)，在太陽(yáng)系的漫長(zhǎng)演化中其與小天體共同演化，因此這些巨石構(gòu)成的地質(zhì)遺跡必定記錄了小天體的地質(zhì)演化乃至起源線(xiàn)索。
小行星在YORP效應(yīng)下的演化過(guò)程
該工作正是從這一地質(zhì)特征入手，發(fā)現(xiàn)Yarkovsky–O'Keefe–Radzievskii–Paddack（YORP）效應(yīng)可能是小天體最終演化為陀螺型的幕后推手。航院課題組使用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的小天體顆粒動(dòng)力學(xué)軟件，建立了千萬(wàn)級(jí)顆粒精度的小天體地表模型，模擬在YORP效應(yīng)作用下小天體在億萬(wàn)年尺度上緩慢加速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程。結(jié)果表明，自旋加速所引起的離心力增大使得中緯度附近的顆粒層逐漸不穩(wěn)定，最終滑移并沉積于赤道區(qū)域，形成鼓起的赤道脊；而在表面重塑過(guò)程中，地表巨石也隨之蠕變移動(dòng)，位于高緯度的巨石維持穩(wěn)定，中緯度的巨石陷入下方的“流沙“中，赤道區(qū)域的巨石則被來(lái)自中緯度的沉積物完全掩埋。風(fēng)化層-巨石耦合演化機(jī)制解釋了陀螺型小天體的主要地質(zhì)特征，顯示了YORP效應(yīng)在小天體地貌演變中的重要作用。
研究以“基于表面巨石重構(gòu)陀螺型小行星形成歷史”（Reconstructing the formation history of top-shaped asteroids by the surface boulders distribution）為題，于2020年10月19日發(fā)表在《自然·天文學(xué)》（Nature Astronomy）雜志上。航院博士生程彬?yàn)榈谝蛔髡?，航?span style="text-align: justify; text-indent: 28px;">教授寶音賀西、北京航空航天大學(xué)副教授于洋為本文共同通訊作者，該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委等支持。
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https://www.nature.com/articles/s41550-020-01226-7
供稿：航天航空學(xué)院
編輯：李華山
審核：程曦
