隼鸟2号揭秘碳烤“龙宫”始末
一点说了无数次但为了给新读者指路还是要提一下的前情提要:
2014年12月3,本JAXA隼鸟2号探测器发射,2018年6月27抵达小行星“龙宫”,开始了长达一年半的伴飞探测,其间顺利完成了两次着陆采样(详见:隼鸟2号的2019年:大展身手,满载而归 ://www.kepu.net/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_2019/201912/t20191224_483813)。
两次着陆采样点TD1和TD2的位置。两次着陆采样点分别被命名为“玉手箱”(Tamateako)和“万宝槌”(Uchide-no-kozuchi),均来源于本传说故事。来源:JAXA、东大等 [1]
如今,隼鸟2号探测器带着从“龙宫”采集到的样品正在返回地球的途中,预计今年(2020年)12月底将样品送回地球。
在过去的一年里,隼鸟2号团队已经通过隼鸟2号获取的各种丰富的探测数据,揭开了一段又一段近地小行星“龙宫”的前生今世种种,其中一些最重量级的结果我们也都做过跟进解读,如:
1)近地小行星“龙宫”外形呈陀螺状,是疏松的“乱石堆”聚集而成的小行星;
2)“龙宫”的赤道隆起,是因为这颗小行星曾经转得很快,但后来自转减慢了;
3)“龙宫”上虽然有(羟基形式的)水,但远没有科学家们之前预期的那么多,可以称得上“干涸”;
4)“龙宫”最可能来自主带小行星波兰(Polana)和欧拉莉娅(Eulalia)中一颗的碎片;
5)“龙宫”表面的年轻非常年轻,可能形成于900万年前左右;
6)“龙宫”生涯坎坷,可能经历过多次俄罗斯套娃式的毁灭和重组;
……
感兴趣的读者可以在《科学》杂志|隼鸟2号的“龙宫”探险发现了些什么? (s://mp.weixin.qq/s/WH2LFTGJjTSqZElFNpmSjg)和《科学》杂志|隼鸟2号的撞击小行星实验全记录(s://mp.weixin.qq/s/y37pXQzRnzBxGKf4wdzFg)里阅读更多详情。
近,以东京大学諸田智克为首的隼鸟2号团队利用第一次着陆采样获取的科学信息,对小行星龙宫的演化史做出了进一步探秘,这一结果于2020年5月8在线发表于《科学》杂志。
<>“彩色”龙宫是什么鬼?>
文章一上来,就给了张彩色的小行星“龙宫”全球图。乍一看到这样图,很多人可能会疑窦顿生,这红红蓝蓝的都是啥?难道“龙宫”其实是彩色的?
龙宫表面的-x光谱斜率图。来源:JAXA
那我以前见过黑白“龙宫”是啥?龙宫看起来到底是啥样的?嗨,说来话长了。
作为一颗典型的一颗C型(碳质)小行星,近地小行星龙宫的表面其实是非常暗的,只有5%的阳光能被反,literally炭一样黑,而且黑得极其均匀。
事实上,肉眼看上去的龙宫差不多会是这样:
隼鸟2号ONC-T相机2015年12月4拍摄的地球和2018年6月21拍摄的龙宫在接近肉眼状态下看到的样子。来源:JAXA、东京大学等[3]
这意味着,如果我们始终以肉眼的范围作为标准的话,根本识别不出龙宫表面有啥特征。
这就有点像…如果我们用0-100米作为尺度来看待中国成年人的身高,那绝大多数人四舍五入都人人身高2米…相于100米这么大的尺度,几厘米几分米的差异太小了,很难被发现。但如果我们把尺度范围调整到1-2米这个范围就会发现,大部分中国成年人身高会集中在1.5-1.8米,而且还能看出成年男性和女性的身高是有明显差异的。然后我们甚至还能按年龄区间或者性别分个类,看到不同分类里的成年人身高有什么特征。
看小行星,也是类似的。既然“龙宫”整体都那么暗,那么我们只有对“评估”范围作出调整,才有可能看出差异来。经过“亮度调整”之后的,才是我们平常看到的“龙宫”表面的样子:不再是“漆黑一片”,而是有亮暗之分了。
龙宫两面。来源:JAXA
但仅仅这样,对有些科学研究还是不够,我们常常还需要更明确的指标,这个指标就是“光谱特征”。不同区域的反射光被光谱仪“分解”之后,会显示不同的反射率趋势,这常常体现了不同区域含有的物质成分差异。
反射率随波长递增的区域,行星科学家们通常称之为“光谱偏红”,递减的区域则称为“光谱偏蓝”。
把天体表面的物质用光谱特征进行分类。制图:haiaraemily
通过这个指标,我们可以把星球表面分成不同程度的“红色单元”和“蓝色单元”,为这些区域标上假彩色以示区分,这就成了我们开头看到的“彩色版”龙宫地图了。
<>划重点:假彩色,假彩色,假彩色。重要的事说三遍!>
<>“红色” vs “蓝色”,说明了什么?>
通常来说,我们目前认为“光谱偏蓝”的物质往往更“新鲜”,而“光谱偏红”的物质往往较“苍老”。注意,这里的“新鲜”和“苍老”,指的并不是物质本身的形成早晚,而是它们暴露出地表早晚。也就是说,越是刚刚从地下被挖掘暴露出宇宙空间的物质越“新鲜”,越是长期暴露在宇宙空间中,经历(太阳)风吹晒越久的物质越“苍老”。
尽管有一些研究认为并不是所有情况都符合这个规律,但总体来说,我们可以近似地套用这个“通式”:
制图:haiaraemily
那这个通式可以直接套用在一个全新的小行星“龙宫”上么?倒也不能这么率。得先考察一下是不是符合“龙宫”的实际情况。
经过光谱分类之后,“龙宫”的表面被分成了“红色”区域和“蓝色”区域。简单对可以看出:“红色”区域通常更暗,“蓝色”区域通常更亮。
(左)v波段 (5.5微米)龙宫局部照片和蓝色箭头所指的都是相对于周围较亮的区域,这在右图都对应这光谱偏蓝的区域(hy2_onc_20180801_183933_tvf),(右)-x波段斜率图。
来源:参考文献[2]
那“龙宫”上也是更“亮(蓝)”的地方更“暗(红)”的地方更新鲜吗?是的。
一方面,撞击坑彼此间的的覆盖关系可以给出证据:如果一个撞击坑了另一个撞击坑的形状,那么显然前者形成于后者之后。“龙宫”上直径大于10米的撞击坑可以明显分为坑内光谱“偏红”和“偏蓝”两类,“蓝坑”都形成于“红坑”之后,说明光谱偏蓝的物质更加新鲜。
(左)水星上两个撞击坑示例,来源:NASA;(右)“龙宫”上的“红坑”和“蓝坑”重叠关系。来源:参考文献[2]
另一方面,石块的边缘、隙、溅射纹周围的石块表面更亮,表明这些刚刚暴露出来、或者受磨损更剧烈的地方(也是更亮、更“蓝”的地方)更新鲜,之后随着暴露在宇宙空间中逐渐变暗(“红”)。
采样区附近局部区域。来源:参考文献[2]
然而,除了撞击坑和部分石块之外,“龙宫”的赤道和两极是整体偏“蓝”的,中纬区域整体偏“红”,这又是怎么回事呢?如果说是中纬区域更古老,那古老的区域又是怎么变“红”的?
龙宫表面的-x光谱斜率图。来源:JAXA
<>怎么“红”的?>
按照我们既有的经验和科学认知,小行星“龙宫”上的物质变“红”最可能有两个原因:1)太阳炙烤产生的热变质;2)空间风化。两者的显著差异之一是“红化”物质的深度。
“龙宫”表面被“红化”的过程示意图。改编自:参考文献[2]
那“龙宫”表面是因何“变红”的?隼鸟2号的观测结果更支持第一种可能:太阳炙烤,换句话说就是“烤老了”。主要证据有两个:
1)“龙宫”的两极物质赤道更“蓝”。赤道和两极物质偏蓝,这本身是容易理解的,因为“龙宫”如今的地形是赤道和两极地势更高,中纬区域地势低,那么原本覆盖在赤道和两极的成熟(“红色”)物质自然会不断向地势更低的中纬区域移动,让埋在地下的新鲜(“蓝色”)物质暴露出来。但如果仅仅是这样,那“龙宫”的两极赤道物质还要“偏蓝”就有点说不通了。可能的解释是除了物质移动之外,赤道还相于两极受到了更多光照所致(龙宫的自转倾角171.6°,接近于垂直黄道面的逆行自转,这意味着极区光照较少)。
2)“龙宫”上的“红色”物质层还是挺厚的。直径小于10米的新鲜撞击坑内部并不是“蓝色”而是“红色”的,表明这个大小的新鲜撞击坑还没有撞穿“红色”物质层,由此推测,龙宫表面的“红色”物质层最起码应该有米级厚度,空间风化应该没有这么大能力。
新鲜“红”坑的存在表明红色物质最起码得有米级厚度。改编自:参考文献[2]
但仅仅是太阳炙烤,还不足以让“龙宫”表面变成现在这个样子:因为隼鸟2号实际发现的“红色”物质分布更深、颗粒更小。
隼鸟2号的着陆采样是非常“暴力”的,在短短几秒钟的“亲密”接触里,隼鸟2号从采样杆中高速射出一颗钽质,溅起的表面物质弹入采样杆中被收集起来,再加上随后的发动机喷气起飞,这一系列“暴力”作让“龙宫”表面一时间漫天碎屑,也改变了“龙宫”表面的原本的物质分布。
2019年2月22,隼鸟2号第一次着陆采样过程,小图是采样杆上的监视相机CAM-H拍摄,大图是ONC-W1相机拍摄。来源:JAXA、东大等 [4]
最为明显的是一块叫做“龟石”的石块。这个石块原本相对于周围是偏暗(“红”)的,但在反应控制系(RCS)喷气之后生生被水平飞溅出5米多,而且…瞬,间,变,亮(“蓝”),了…
龟石(Turtle Rock)的亮暗变化。来源:参考文献[2]
这意味着,这块石头其实是新鲜(光谱偏蓝)的,只是表面或者空隙里附着了一层更细腻、光谱偏红的成熟物质,所以看起来才会是暗的。经过隼鸟2号这么暴力一抖,这些“红色”物质掉渣一般抖落,石块也就恢复了原本的“青春靓丽”。
着陆采样前后的光谱对也证实了这点:采样区(圆圈内)原本相于周围是偏亮偏“蓝”(新鲜)的,而经过一通暴力作之后变得更暗更“红”(成熟)了。
着陆区反射率和光谱斜率图变化。来源:参考文献[2]
如果还记得我们上期(《科学》杂志 | 隼鸟2号的撞击小行星实验全记录)说的…“打脸”来的如此之快(好了就当上期没说过吧orz)…采样之后形成的暗色物质并不是挖掘出的新鲜物质,其实只是被抖落下的古老的暗(“红”)色物质而已。
ONC-W1相机拍摄的采样前后龙宫表面的变化。来源:JAXA、东大等[4]
这些近距离观测都直指“龙宫”表面的“红色”物质在形成之后又进行过一系列破碎和混合。
龙宫表面“红色”物质的形成和重分布过程。改编自:参考文献[2]
<> 啥时候“红”的?>
“红坑”和“蓝坑”的形成时间可以“锁死”“龙宫”的变“红”时期。
“龙宫”上的“红坑”形成于850万年前,而“蓝坑”则形成于30万年前(按主小行星带撞击频率推算)/810万年前(按近地小行星撞击频率推算),显然,“龙宫”表面的“红化”必然发生在这两个时间节点之间。
“红坑”和“蓝坑”的撞击坑定年CSFD,MBA对应主小行星带撞击率模型,NEA对应近地小行星撞击率模型。来源:参考文献[2]
<>漂泊半生>
如果“蓝坑”形成时,“龙宫”已经来到了如今的近地小行星轨道,那么“龙宫”表面的“红化”过程将会在很短的时间里完成(最极端的情况可能是850万年-810万年前这短短的40万年里)。
也就是说,“龙宫”需要在很短的时间里因为突然加剧的太阳炙烤开始并完成“红化”,同一时期还需要完成从主小行星带到近地小行星轨道的迁徙。
时间紧任务重,两个条件一合计,“龙宫”最可能被太阳炙烤“红化”的时期呼之欲出,那就是在轨道迁徙过程中。“龙宫”的轨道这一阶段变得高度椭圆,近点变得离太阳非常近,结果就是“龙宫”表面在短暂地接近太阳的过程中被迅速“烤老”了。
经过层层推理,諸田及其同事们理顺了这条时间线:
“龙宫”表面和轨道演化史。改编自:参考文献[2]
就这样,从表面反射率信息,进而推测出小行星上发生过的地质变化、物质迁移,又抽丝剥茧还原出整颗小行星动荡的轨道变迁,这出推理剧着实有点烧脑。
好消息是,隼鸟2号第一次着陆采样的区域里混合着“红蓝”物质,也就是说,隼鸟2号很可能“新鲜”“成熟”两种物质都采集到了,这些“龙宫”样品正在飞回地球的途中,有望给行星科学家们进一步深入研究呢。
参考资料
nsp;[1]://www.hayausa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayausa2_Press20190709_ver8.pdf
[2]Morota, T., Sugita, S., Cho, Y., Kanamaru, M., Tatsumi, E., Sakatani, N., ... amp; Yokota, Y. (2020). Sample collection from asteroid (162173) Ryugu y Hayausa2: Implications for suce evolution. Science, 368(6491), 654-659. DOI: 10.1126/science.aaz6306
[3]JAXA | リュウグウ到着!
://www.hayausa2.jaxa.jp/topics/20180629je/index
[4]JAXA | A sunurned Ryugu: the asteroid suce has een weathered y the Sun!
://www.hayausa2.jaxa.jp/en/topics/20200508_science/
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