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            不速之客——近地小行星軌道中的“異類分子”

            時間:2022-05-09 10:44:07    來源:科普中國網    

            我們知道,太陽系內除了八大行星之外,還到處游蕩著個頭在米級到百公里級的小行星和彗星,我們統稱它們為太陽系小天體。截止到目前,已發現的太陽系小天體已接近120萬顆(絕大部分沒有觀測到活動性,屬于小行星),且數量仍然在逐年增加。

            目前已發現的內太陽系小行星的軌道位置分布 | 圖源:作者

            絕大部分的小行星位于火星和木星之間的小行星帶內,稱為主帶小行星。一般來說,這些可愛的小行星們會在自己的繞日橢圓軌道上安全運行,各自相安無事,但總存在一定的概率發生相互碰撞,并產生軌道各異的大量碎片。此外,在大行星的引力擾動以及復雜的熱物理效應作用下,小行星的軌道可能發生遷移,甚至遷移到近地空間。天文學家把近日距小于1.3 au(au為天文單位,即日地平均距離)的小行星歸類為近地小行星。

            相比于主帶小行星,近地小行星恐怕就沒那么可愛了,因為它們的軌道在演化過程中會發生更為劇烈而頻繁的改變,甚至與地球軌道相交而存在撞擊地球的風險(其中直徑在140米以上且與地球最小交會距離在0.05 au以內的稱為潛在威脅近地小行星,目前已發現2275顆)。因此,各國天文學家對近地小行星十分關注。

            目前已發現的潛在威脅近地小行星軌道分布 | 圖源:作者

            最近的2022年3月11日,一顆編號為2022 EB5的近地小行星在墜入地球大氣前兩個小時才被觀測到,還好這顆小行星只有1米左右大小,進入大氣后就燒毀了,讓我們虛驚一場。

            2022 EB5撞擊地球前的軌道(為更好地體現三維效果,畫出了小行星軌道往黃道面上的垂線)| 圖源:astorb.com

            正因為近地小行星對地球能夠造成潛在的安全威脅,因此對它們的軌道進行精確測定與預報是一個重要的研究課題,不過這方面的內容不是本文的主題,本文主要想帶領一些感興趣的讀者來了解一下近地小行星的軌道構型,特別是一些比較奇怪有趣的案例。

            事實上,天文學家們已經根據近地小行星的橢圓軌道半長軸,近日距和遠日距將其分為四類:阿莫爾型、阿登型、阿波羅型和阿蒂娜型。這里我們不對這些分類作展開,感興趣的讀者百度一下就能了解到它們的區別。本文主要關注一些有趣的、具有極端軌道特征或特殊軌道幾何構型的近地小行星。

            2017 UR52——三項記錄保持者:軌道最扁,周期最長,遠日距最大

            首先,讓我們祭出一顆打破了三項“世界記錄”的近地小行星2017 UR52,該小行星直徑大約200米,由卡特琳娜巡天計劃所屬的望遠鏡發現于2017年10月29日,發現時該小行星已接近到達近日點,日心速度達37公里每秒。2017 UR52的軌道周期超過5000年,是目前發現的軌道周期最長(意味著半長徑最大)的近地小行星;此外,該小行星的偏心率達到0.9957,是目前發現的軌道最扁的近地小行星;最后,綜合其最大的半長徑以及最大的偏心率,可推斷出它也是目前發現的遠日距最大的近地小行星,達到了584 au,是海王星平均軌道半徑的19倍。事實上,2017 UR52的軌道類型與長周期彗星比較類似,不過由于在抵達近日點附近時未發現它存在活動性,因此沒有被歸類為彗星。

            近地小行星2017 UR52的軌道示意圖 | 圖源:astorb.com

            2005 HC4——兩項記錄保持者:近日距最小、跑得最快

            2005 HC4是一顆由洛威爾天文臺發現于2005年4月30日的近地小行星,直徑約為250米。該小行星的偏心率也很大,達到0.961,近日距則達到0.071 au,是目前發現的近日距最小的近地小行星,是水星與太陽距離的0.23倍(想象一下到近日點時那得多熱)??紤]到其半長徑為1.821 au,可以計算出它在近日點時的速度達157公里每秒,是目前已發現的日心軌道瞬時速度最快的近地小行星。

            近地小行星2005 HC4的軌道示意圖 | 圖源:astorb.com

            2021 PH27——軌道周期最短

            與2017 UR52恰恰相反,于2021年8月13日發現的近地小行星2021 PH27(直徑約為1公里)則具有最短的軌道周期,其半長徑為0.462 au,偏心率為0.712,軌道周期僅為0.314年。該小行星完全位于地球軌道以內,因此也被稱為地內小行星。然而,從地球觀測者來看,由于該小行星與太陽的相對夾角較小,因此觀測機會比較少,一般只有在該小行星到達遠日點附近且地球也恰好位于適當的位置時,才能在接近黎明或黃昏的時候觀測到它。

            近地小行星2021 PH27的軌道示意圖 | 圖源:astorb.com

            “風雨逆行者”——逆行近地小行星

            我們知道,太陽系內的大行星大部分軌道傾角接近于0°,以“順行”的方式繞日公轉,該現象與太陽系早期形成時大部分物質集中在原行星盤內有關。大部分的近地小行星也是“順行”公轉的(軌道傾角小于90°),不過仍然有小部分近地小行星在復雜的機制下出現大于90°的軌道傾角,稱為“逆行”近地小行星。目前已知的此類近地小行星有五顆:2014 PP69(傾角93.7°),2017 UR52(傾角108.3°),2019 EJ3(傾角139.8°),(343158) Marsyas(傾角154.4°)和2020 BZ12(傾角165.5°)。

            有研究表明小行星與木星的3:1軌道共振(即木星與小行星的軌道周期之比為3:1)有可能是產生此類小行星的原因,也有學者認為逆行近地小行星與高偏心率彗星的軌道演化有關。事實上,除了近地小行星之外,太陽系內已發現的其他類型的逆行小行星總數已達122顆,這些“逆行者”讓天體力學領域的研究者十分感興趣,對它們軌道的起源與遷移機制,軌道壽命,分布特征等開展了多方面的研究。

            近地小行星2020 BZ12的軌道示意圖 | 圖源:astorb.com

            “內切”/“外切”型近地小行星

            接下來我們來考慮兩種軌道幾何上有點特殊的近地小行星:“內切”和“外切”型近地小行星。這里的“內切”或“外切”是相對于地球軌道而言的,即小行星軌道遠日點或近日點與地球軌道相切(遠日距或近日距在0.983~1.017 au之間)。比如(325102) 2008 EY5與(100085) 1992 UY4分別屬于前者和后者一類。雖然在軌道幾何上看似很“漂亮”,但它們對地球安全是不折不扣的潛在威脅者??紤]偏心率大于0.2的情況,則目前已發現的“外切”型近地小行星的數量已達2319顆,而“內切”型的數量只有66顆,前者是后者的35倍。這么懸殊的數量差距與它們的真實數量分布有關,但也可能與觀測上的“選擇效應”有關。

            近地小行星(325102) 2008 EY5的軌道示意圖 | 圖源:astorb.com

            近地小行星1992 UY4的軌道示意圖 | 圖源:astorb.com

            2016 HO3——地球“準衛星”

            如果某顆近地小行星的軌道周期與地球非常接近,即形成1:1軌道共振,就被稱為地球共軌小行星。由于地球軌道存在一定的偏心率,因此其繞日運動角速度并不恒定;而考慮到小行星軌道也往往存在一定的偏心率,這最終導致在日地旋轉坐標系下看來該小行星相對于地球的運動可能出現循環往復的現象。而若該循環往復的中心位置恰好在地球附近(若中心位置位于地球軌道前后60度附近的日地三角平動點上,則該小行星被稱為地球“特洛伊”小行星),則從地球視角看來該小行星是“繞著”地球轉的。此類小天體被稱為地球“準衛星”型近地小行星,這是由于此現象主要是一種軌道幾何上的效應,其實際地心距遠遠大于地球引力范圍,因此并非像月球那樣真的是在地球引力主導下作圍繞地球的軌道運動。

            目前地球“準衛星”小行星已經發現了五顆,最有名的當屬直徑大約為40米的(469219) Kamo?oalewa(或稱為2016 HO3),該小行星是我國未來深空探測的目標,按計劃將會在該小行星上著陸并采集研究樣品帶回地球。2016 HO3是目前已發現的五顆準衛星中軌道穩定性最好的,預計在未來300年仍然能保持為“準衛星”狀態,且在未來1百萬年仍然與地球共軌。

            圖 近地小行星2016 HO3未來100年的軌道在日地旋轉坐標系下的示意圖 | 圖源:astorb.com

            2020 CD3——“迷你月亮”

            如果某顆近地小行星以相對較低的速度闖入地月系,其有可能被地月系捕獲而成為地球的一顆天然衛星。不過由于被捕獲后的小行星軌道能量依然比較大,一般來說會隨著時間演化最終逃離地月系引力的束縛,因此,此類小行星只能算是地球的臨時衛星。

            由卡特琳娜巡天計劃于2020年2月15日發現的2020 CD3即屬于此類近地小行星(據估計該小行星直徑僅約為3米)。通過對其軌道溯源計算發現,該小行星大概是在2017年9月左右被地月系引力所捕獲的,然后在復雜的引力環境下繞著地球做軌道運動,并在2020年5月離開地月系。該小行星發現后引起公眾極大的興趣,一度被稱為地球的“迷你月亮”。

            2020 CD3(紫色)被地球(藍點)俘獲后的軌道運動,黃色表示月球軌道。 | 圖源:wikipedia

            2010 TK7與2020 XL5——地球特洛伊小行星

            在地球軌道面上,與地球共軌且位于地球前后60°夾角的位置稱為日-地三角平動點(或稱為日-地拉格朗日L4、L5點)。若某顆小行星在日-地三角平動點附近往復運動,這樣的小行星被稱為地球特洛伊小行星。相比于日-木三角平動點,日-地三角平動點的穩定性較差,因此一般來說小行星難以在此停留較長時間。人們一度以為地球不存在類似木星的特洛伊小行星,直到2010年10月美國的WISE空間望遠鏡在L4點附近首次發現了一顆地球特洛伊小行星——300米左右大小的2010 TK7。研究表明,2010 TK7可能是約1800年前被“俘獲”到地球L4點附近的,而在15000年后可能遷移到L5點附近,也可能“逃逸”不再成為地球特洛伊小行星。

            五個日-地拉格朗日點示意圖,L4和L5點分別位于地球前、后60°角位置。 | 圖源:wikipedia

            地球特洛伊小行星的搜尋并未停止,2017年美國的OSIRIS-REx和日本的Hayabusa 2小行星探測器在飛行過程中對地球的L4、L5區域進行了搜尋,不過遺憾的是一無所獲??上驳氖鞘旰蟮?020年12月12日,美國的泛星計劃發現了第二顆日-地L4小行星:2020 XL5,這顆小行星的直徑更大,達到了1.2公里。軌道計算表明該小行星大概在500年前被“俘獲”為地球特洛伊小行星,而在4000年后將離開目前的軌道。

            相比于其他類型的近地小行星,這兩顆地球特洛伊小行星對地球的安全威脅要小得多,最起碼幾千年內不用擔心它們會撞上地球。不過在科學上此類小行星受關注程度則相當高,這是由于它們獨特的動力學特性有助于為我們提供對太陽系早期形成歷史的關鍵線索。此外,有學者還注意到,由于低傾角的地球特洛伊小行星可到達性很好,它們可以成為探索太陽系的太空基地,甚至可能作為太空資源開發的對象。

            在日地旋轉坐標系下2010 TK7小行星的軌道 | 圖源:wikipedia

            綜上,我們注意到,近地小行星的軌道確實千奇百怪,對它們的軌道特性、軌道起源和演化的研究有助于我們更好地理解太陽系形成過程中的動力學環境,也有助于人類研究如何防御威脅地球安全的近地小行星。

            參考資料:

            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

            作者簡介

            胡壽村

            中國科學院紫金山天文臺行星科學與深空探測實驗室副研究員。研究領域:太陽系小天體動力學與形成演化。

            輪值主編:王英

            標簽: 近地小行星 特洛伊小行星 軌道周期

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