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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:

  2014123日,日本JAXA隼鸟2号探测器发射,2018627日抵达小行星龙宫,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 http://www.kepu.net.cn/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_2019/201912/t20191224_483813.html)。

  

  两次着陆采样TD1TD2的位置。两次着陆采样点分别被命名为玉手箱Tamatebako)和万宝槌Uchide-no-kozuchi),均来源于日本传说故事。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,比如:

  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? (https://mp.weixin.qq.com/s/WH2LFTGJjTSqZElFNpmSjg)和《科学》杂志|隼鸟2号的撞击小行星实验全记录(https://mp.weixin.qq.com/s/y37pXQzRbnzBxGKf4wdzFg)里阅读更多详情。

  近日,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202058日在线发表于《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。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b-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%的阳光能被反射出来,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2ONC-T相机2015124日拍摄的地球和2018621日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相比于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:haibaraemily

  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)风吹日晒越久的物质越“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:haibaraemily

  那这个通式可以直接套用在一个全新的小行星“龙宫”上么?倒也不能这么草率。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。简单比对可以看出:“红色”区域通常更暗,“蓝色”区域通常更亮。

  

  (左)v波段 (5.5微米)龙宫局部照片黄色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(hyb2_onc_20180801_183933_tvf),(右)b-x波段斜率图。

  来源:参考文献[2]

  那“龙宫”上也是更“亮(蓝)”的地方比更“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:如果一个撞击坑破坏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)龙宫上的红坑蓝坑重叠关系。来源:参考文献[2]

  另一方面,石块的边缘、裂隙、溅射纹比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b-x光谱斜率图。来源:JAXA

  怎么的?

  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龙宫的两极物质比赤道更。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,那龙宫的两极比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,赤道还相比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子弹,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,这一系列暴力操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。

  

  2019222日,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,但在反应控制系统(RCS)喷气之后生生被水平飞溅出5米多,而且瞬,间,变,亮(),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比也证实了这点:采样区(圆圈内)原本相比于周围是偏亮偏“蓝”(新鲜)的,而经过一通暴力操作之后变得更暗更“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()色物质渣渣而已。

  

  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CSFDMBA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,近日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

   [1]http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190709_ver8.pdf

  [2]Morota, T., Sugita, S., Cho, Y., Kanamaru, M., Tatsumi, E., Sakatani, N., ... & Yokota, Y. (2020). Sample collection from asteroid (162173) Ryugu by Hayabusa2: Implications for surface evolution. Science, 368(6491), 654-659. DOI: 10.1126/science.aaz6306

  [3]JAXA | リュウグウ到着!

  http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20180629je/index.html

  [4]JAXA | A sunburned Ryugu: the asteroid surface has been weathered by the Sun!

  http://www.hayabusa2.jaxa.jp/en/topics/20200508_science/

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