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比土豆还丑的彗星?它咋就长得这么自我放弃了!?

时间:2018-09-19 22:28来源:未知 作者:admin 点击:
原标题:比土豆还丑的彗星?它咋就长得这么自我放弃了!? 宇宙中的天体都长什么样?不知道。反正不都是球,尤其是那些小个头儿的天体。大多数小天体,比如小行星和彗星,都长得挺随心所欲的。 非要总结归类的话,也不是完全无迹可寻,最常用的标准就是长宽比

原标题:比土豆还丑的彗星?它咋就长得这么自我放弃了!?

宇宙中的天体都长什么样?不知道。反正不都是球,尤其是那些小个头儿的天体。大多数小天体,比如小行星和彗星,都长得挺随心所欲的。

非要总结归类的话,也不是完全无迹可寻,最常用的标准就是长宽比啦。有些小天体长宽比小些,像个苹果;而有些长宽比大些,像个芒果。更夸张的就是去年新发现的第一颗来自太阳系外的星际来客‘Oumuamua,长宽比高达10:1,假想图长这样:

‘Oumuamua形状的假想图。图片来源:NASA

在这类长宽比较大的小天体里,还有一种更加奇特的形态:哑铃型或双叶型(bilobate),顾名思义,就是明显可以看到两端粗中间细。

最典型的就是被罗塞塔号详细观测过的彗星67P/楚留莫夫(67P/Churyumov–Gerasimenko)了。除此之外,还有比如彗星1P/Halley(也就是我们说的哈雷彗星),以及19P/Borrelly等等。

彗星67P/Churyumov–Gerasimenko(67P/楚留莫夫)、1P/Halley(也就是我们说的哈雷彗星)、19P/Borrelly都是有名的哑铃型小天体。图片来源:NASA

这类哑铃型小天体是如何形成的?这多年以来一直是科学家们争议的话题。

太难不看版


有一个哑铃状的彗星,你猜它是怎么形成的?这里有3个假说:

A、一颗圆溜溜的彗星,被摧残成了哑铃。

B、两颗彗星慢悠悠地巧遇,结合成了“哑铃。

C、某些条件下,两个天体撞在了一起,香港理大研发出骨骼支架 可自行填补骨头缺损部位,而且大的还撞碎了!有些碎片重新相遇,结合在了一起。

现在,C被电脑模拟证实了。

侵蚀说和撞击说

有两种猜测。一种是侵蚀说——一整块细长型小天体经过局部性的质量损失和风化侵蚀,最终变成了哑铃状;一种是撞击说——两个小天体各自形成,然后因为碰撞而连接起来的。

侵蚀说和撞击说示意图。局部性的侵蚀作用可能是由由于彗星在近日点附近的排气作用引起的局部质量损失等原因造成的。制图:haibaraemily

那么彗星67P是哪一种呢?2014年8月6日,欧空局发射的罗塞塔号探测器给出了明确的答案[1]。罗塞塔号携带的OSIRIS相机,www.277.cc,不仅获取了彗星67P表面所有的区域的影像并进行了分区,而且还以高达7米/像素的分辨率精细测绘了彗星67P的地层。

罗塞塔号及其携带的菲莱号着陆器和彗星67P。图片来源:ESA

在影像中,地表的断层形成台阶一样的台地,暴露出彗星67P内部丰富的地层结构,表明它并不是一个均质的“苹果”,而是一个层层叠加的“洋葱”。

这些地层是彗星活跃的地质活动引起的。与地球相似,特定地层对应特定时期,在没有发生倒转和差异侵蚀的情况下,新产生的地层会不断叠加在旧的地层之上。

左图是彗星67P上Seth区域中的台地(绿色)和暴露出来的地层(红色)。右图是放大后的平行地层。图片来源:ESA

显然,侵蚀说和撞击说产生的地层特征应当是不同的。如果哑铃结构是由局部侵蚀产生的,那么靠近侵蚀部分的地层方向和重力方向就不垂直了。

侵蚀和撞击形成的哑铃型小天体应该会有完全不同的地层分布。制图:haibaraemily

通过分析罗塞塔号传回的影像数据,科学家重现了彗星67P表层向下650米深的地层结构,确认彗星67P并不是一个大洋葱被局部侵蚀变成哑铃形状的,而是两个各自独立形成的“洋葱头”重组而成的[1]。

多视角的地层和重力方向关系,黄色为重力方向,虚线为地层位置,两者几乎处处近乎垂直。图片来源:文献[1]

但是新问题又来了:如果彗星67P是撞击合并而成的,又要如何保持原本的地层和内部结构,而不被猛烈的撞击产生的热所融化重铸呢?

怎么撞上的?

一种观点认为,两颗形成于太阳系相似的环境中的原始彗核碰巧相遇了,因为相对速度不大,两颗彗核缓缓相撞,并由于引力作用最终结合在了一起,形成今天的彗星67P(所以我们姑且管这叫“缘分说”吧)。但由于这一过程只可能发生在太阳系形成早期(最开始的1000万年左右),所以如果这一假说是真的,就说明彗星67P非常古老,在太阳系早期就已经完成了合并。

缘分说。图片来源:参考文献[2] | 翻译:haibaraemily

这一假说的局限性是显而易见的:真的就有这么巧?当然,用“幸存者偏差”可以部分解释这种“巧合”:我们今天能看到的,都是幸存下来的……

但也有一部分科学家并不相信这种巧合,于是就有了另一种假说:灾难性撞击说。

在茫茫宇宙这么长的时间尺度下,大大小小天体之间的猛烈撞击是很常见的,月球上密集的陨石坑就是最好的证明。只不过,大小差异太过悬殊的情况下,自然是大天体岿然不动,小天体尸骨无存。

左:满目疮痍的月球高地;右:彗木相撞后在木星上留下的红褐色斑点。图片来源:NASA

那如果是大小差不多(量级上可比)的天体呢?如果速度还很快呢?这样的撞击就可能是毁灭性的,大天体也不能幸免,也会被撞得粉碎。

灾难性撞击说就是基于这种撞击事件的进一步猜想:一颗被毁灭性大撞击完全击碎的大天体的千百万块碎片中,一部分碎片又重新聚集和吸积,两块较大的碎片结合成了如今的彗星67P。

这样的撞击事件在整个太阳系的各个阶段都在不断发生,并不是太阳系早期独有的。所以如果这个假说是真的,那么虽然彗星67P的两个“哑铃头”依然保留着太阳系最古老的特征,但如今这个合并的模样可能其实很年轻。

灾难性撞击说。图片来源:参考文献[2]| 翻译:haibaraemily

大撞击,我模拟给你看!

灾难性大撞击的假说也不是因为不喜欢缘分说凭空想出来的。天文学家在研究小行星的形成原因时就成功地证明过这个假说。当时人们发现,虽然太阳系里有辣么多辣么多小行星,但明显可以有些小行星的光谱和轨道特征太像了——这绝对是一家子出来的啊!


一个很自然的推理就是:同族的小行星们都是同一颗母天体被撞出来的碎片!法国尼斯天文台的Michel团队的模拟曾表明,撞击后的碎片可以快速完成吸积和重组,形成各种形状的小天体。

Michel和同事们用改进版模型模拟出灾难性撞击之后,碎片重组出小行星“丝川”的过程。图片来源:参考文献[4] | 翻译:haibaraemily

然而,彗星太特殊了:不仅质地更松散,而且还含有大量固态形式的挥发性物质(比如水冰)。经过大撞击后的重组,彗星的松散质地和挥发性组分还能保持得住么?

近日,同样来自法国尼斯天文台的Schwartz及其同事们的最新模拟结果[5]表明:完全没问题!

Schwartz及其同事们模拟了以下不同速度和质量比的多种灾难性撞击下母天体碎片的重吸积过程。以下是其中一种模拟情况下母天体被撞碎和碎片吸积重组的样子。

模拟撞击速度150 m/s,摩擦角29°时,母天体被撞碎以及碎片的重吸积过程。

模拟结果显示,毁灭性大撞击之后,母天体的碎片完全可能以低速相互碰撞(相对速度小于1 m/s)的方式重新聚集在一起。重吸积之后会产生各种大小和形态的小天体,其中完全可能形成67P这样的哑铃型形状。

Schwartz及同事们模拟的灾难性大撞击发生9天后还在进行的缓慢撞击和融合,原视频10.7秒的时长代表了10.7个小时内的变化。

哑铃型彗星的灾难性撞击起源假说可以更好地解释这些碎片为什么会刚好撞在一起,也可以更好地解释彗星表面的断层等撞击相关的地貌成因。同时,这样的撞击在太阳系历史上的任何时候都可能发生。因此,虽然彗星67P的两个哑铃头部分已经保留着太阳系最原始的成分,但这种新的组成体,以及表面的一些地貌形态可能非常年轻。

有无数的天体曾经或正在撞击中走向毁灭。但这毁灭之中,也孕育着新生。

想象中的形成月球的大撞击图景。

(编辑:明天luna)

参考文献:

Massironi, M., Simioni, E., Marzari, F., Cremonese, G., Giacomini, L., Pajola, M., ... & Preusker, F. (2015). Two independent and primitive envelopes of the bilobate nucleus of comet 67P. Nature, 526(7573), 402.

Nature News:How the rubber-duck comet got its shape

Michel, P., Benz, W., Tanga, P., & Richardson, D. C. (2001). Collisions and gravitational reaccumulation: Forming asteroid families and satellites. Science, 294(5547), 1696-1700.

Michel, P., & Richardson, D. C. (2013). Collision and gravitational reaccumulation: Possible formation mechanism of the asteroid Itokawa. Astronomy & Astrophysics, 554, L1.

Schwartz, S. R., Michel, P., Jutzi, M., Marchi, S., Zhang, Y., & Richardson, D. C. (2018). Catastrophic disruptions as the origin of bilobate comets. Nature Astronomy.

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