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【孤獨星球】人類探索過的最遙遠星體 Arrokoth,為何是「雙班戟」形狀?

2020/10/6 — 18:32

人類直接探索過的最遙遠星體 Arrokoth (NASA圖片)

人類直接探索過的最遙遠星體 Arrokoth (NASA圖片)

它的形狀,似兩塊扁平的「班戟」,又似被壓扁了的雪人;它是人類探測器直接探索過的最遠星體,名叫 Arrokoth,位於冥王星外約 16 億公里的太陽系邊緣。

美國太空總署 (NASA) 新視野號,去年元旦日航行到 Arrokoth 附近傳送回來的影象,發現這個人類探索過的最遙遠星體,竟然是由「班戟」狀岩石組成時,引起天文學界一時轟動。到底為何會這星體有兩塊扁平的「班戟」狀岩石組成?最新刊於《自然天文學》的研究指, Arrokoth 可能本來是球體形狀,經歷了 1 億年時間、揮發性氣體逸出,成為現在扁平的模樣;新的計算將有助人類理解太陽系邊緣天體當前狀態,與其起源地的關係。

全長約 36 公里的 Arrokoth 在冥王星外約 16 億公里的古柏帶 (Kuiper belt) 圍繞太陽運行,最初相信在 45 億年前太陽系形成以來未曾受干擾。Arroktoth 屬密接天體 (contact binary) ,相信是由兩個彼此靠近的獨立岩石低速合併而形成。雖然某些彗星亦可以有類似明顯的形狀,但一直未找到其他天體像 Arrokoth 一樣扁平,所以到底 Arrokoth 一直是這樣,還是逐步變成兩塊連起來的「班戟」,將有助學者了解行星以至太陽系如何形成。

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領導研究的馬克斯普朗克太陽系研究所天文學家 Ladislav Rezac 解釋,古柏帶普遍被視為自太陽系誕生以來時間幾乎靜止的地區,該區的天體多年來一直冰封,並保持不變;新視野號的 Arrokoth 影像顯示,其表面相當光滑,未有出現頻繁被撞擊造成的坑洞,但兩塊岩石卻又碰撞結合。 Rezac 指,關於如何在過程中產生出像 Arrokoth 一樣平坦的形狀,目前仍無任何解釋。

多個特殊原因致 Arrokoth 變「雙班戟」

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其中一個可能性是, Arrokoth 首先具有較普通的形狀,可能是球體或近球體合併而成,只是逐漸變平。較早的研究表明,在太陽系形成過程中, Arrrokoth 所在的區域可能是寒冷、充滿星塵的遙遠外星雲。低溫能使一氧化碳和甲烷等揮發物凍結在塵埃顆粒上,構成了小行星。當 Arrokoth 形成後、星雲塵埃消散時,太陽光照射會使其溫度升高,因此迅速令揮發物逸出。由於 Arrokoth 的大轉軸傾角 (obliquity) 、小的離心率 (eccentricity) 和其他一系列原因,Arrokoth 出現這種奇怪形狀,在南北半球都有對稱侵蝕。

Rezac 解釋,要使像 Arrokoth 的天體一樣極端地改變其形狀,亦與其旋轉軸定向有關。與地球的旋轉軸不同, Arrokoth 的旋轉軸幾乎平行於其軌道平面。在繞太陽的 298 年周期中, 有一半時間 Arrokoth 的一極連續面向太陽,而另一極則無被照射。這導致兩極受熱量最大,令兩極上的揮發性氣體最有效地從該兩處逸出,導致大規模質量損失,此過程很可能相對迅速地在 100 萬至 1 億年間發生。

Rezac 又指,古柏帶到底仍有多少類似 Arrokoth 的「扁雪人」天體,將取決於天體是否有類似 Arrokoth 的旋轉軸傾角與其揮發物含量。有理由相信,即使像 Arrokoth 這樣的天體也有相當數量的揮發物在其早期演化過程中逃逸。相反例如冥王星由於其體積較大和有更強的引力,至今仍保留大量一氧化碳、氮氣和甲烷氣體。

Arrokoth 正式名稱為 2014 MU69 ,新視野號團隊最初將其命名為 Ultima Thule ,該名字為古典世界和中世紀歐洲文學中一個神話北方淨土,超越任何已知世界的邊界,但後來名字被指與納粹德國有關聯,最終改名為 Arrokoth,來自一個印第安部落的文字,有人類仰望天空,渴求得到星宿和宇宙靈感的意思。

來源:
Phys.org, It took several million years for Arrokothn to acquire its bizarre, pancake-flat shape, 5 October 2020

報告:
Zhao, Y., Rezac, L., Skorov, Y. & et al. (2020). Sublimation as an effective mechanism for flattened lobes of (486958) Arrokoth. Nat Astron. doi: 10.1038/s41550-020-01218-7

文/Alan Chiu

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