美國宇航局研究發(fā)現(xiàn)木星特洛伊木馬之旅可以揭示太陽系的混亂起源

    木星是一個(gè)行星惡霸，用它巨大的引力把其他天體甩到一邊。但是，在木星之前和之后，有兩個(gè)小行星群與木星保持著一定的距離，就像蜷縮著的孩子一樣，在木星和太陽的引力作用下，它們被固定在一個(gè)穩(wěn)定的地方。長期以來，天文學(xué)家一直對這些被稱為“特洛伊”的巖石感到困惑，它們看起來與主要小行星帶中的物體非常不同，而且位于最奇怪的地方，在木星前后3.74億公里處。

    現(xiàn)在，美國宇航局將于10月16日從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射一項(xiàng)名為“露西”(Lucy)的耗資9.81億美元的機(jī)器人任務(wù)，探索6個(gè)這樣的特洛伊木馬。在為期12年的旅程中，以著名的人類祖先化石命名的“露西”將測試特洛伊人本身是否是早期太陽系的化石，這些化石是在引力動(dòng)蕩時(shí)期從寒冷的海王星以外的遙遠(yuǎn)地方向內(nèi)拖來的。特洛伊的表面、形狀和組成的細(xì)節(jié)不僅可以充實(shí)這個(gè)古代劇變是如何發(fā)生的，而且還可以充實(shí)這個(gè)劇變是何時(shí)發(fā)生的。在科羅拉多州博爾德市的西南研究所(SwRI)，露西的首席調(diào)查員(PI)哈爾·利維森(Hal Levison)把他們的承諾比作一宗神秘謀殺案的線索。“有時(shí)墻上的血跡比尸體上的血跡更能說明問題。(小行星)真的是墻壁上的飛濺物。”

    幾十年前，研究人員將這兩顆行星的形成描繪成一個(gè)溫和的過程，木星和特洛伊從太陽周圍的氣體和塵埃盤合并到它們目前的位置附近。但望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)顯示，特洛伊木馬的顏色并不均勻，如果它們是由相同的當(dāng)?shù)卦闲纬傻模@是可以預(yù)期的。而且，它們的軌道并沒有像舊模型預(yù)測的那樣完美地位于行星盤的平面上，而是略有傾斜。

    2005年，萊維森和其他人利用計(jì)算機(jī)模擬新生行星如何相互拉拽，提出特洛伊是早期太陽系動(dòng)蕩的遺產(chǎn)。按照現(xiàn)在的想法，原行星盤的氣體最初抑制了氣體巨行星的引力作用，使它們保持在比今天更接近彼此的穩(wěn)定軌道上。一旦氣體消散，混亂就爆發(fā)了，木星向內(nèi)而其他巨行星向外。冥王星和其他遙遠(yuǎn)的冰體被拋到更遠(yuǎn)的地方，被稱為柯伊伯帶，在海王星之外的一個(gè)區(qū)域。但該模型還預(yù)測，其中一些冰質(zhì)天體可能是向內(nèi)分散的，被木星捕獲為特洛伊。

    “露西”團(tuán)隊(duì)成員、加州理工學(xué)院的天文學(xué)家邁克·布朗(Mike Brown)說，盡管不穩(wěn)定性的觀點(diǎn)可以解釋很多東西，但它還沒有經(jīng)過真正的觀測驗(yàn)證。“木馬就是那些具體測試的地方，”布朗說。如果它們的組成與柯伊伯帶天體相同，“如果沒有動(dòng)力不穩(wěn)定性，太陽系就不可能形成。”

    為了近距離觀察，“露西”將旅行6年，在2027年到達(dá)特洛伊的主要群體之前，進(jìn)行兩次飛越地球以提高速度。兩個(gè)圓形太陽能電池板將為航天器提供動(dòng)力，每個(gè)電池板寬7米，以收集木星軌道上的微弱光線——這比其他任何太陽能電池板都要離太陽更遠(yuǎn)。

    “露西”的第一個(gè)目標(biāo)即使對特洛伊人來說也是一個(gè)奇怪的目標(biāo):64公里寬的歐里貝茨和它的小衛(wèi)星，從遠(yuǎn)處看，它們類似于在主小行星帶中發(fā)現(xiàn)的黑暗、富含碳的小行星。在一年內(nèi)，它將經(jīng)過波呂梅萊、亮科斯和奧魯斯，這些天體看起來與柯伊伯帶的天體相似。接下來，“露西”將掠過地球，獲得第三次重力協(xié)助，然后飛回尾隨其后的特洛伊星球。2033年，它將調(diào)查普特洛克勒斯和墨諾提烏斯，這兩顆直徑100公里的相互環(huán)繞的小行星。雙星在小行星帶很奇怪，但在更遠(yuǎn)的柯伊伯帶很常見，SwRI的Cathy Olkin說，他是這次任務(wù)的副首席研究員。“這一對會是從柯伊伯帶捕獲的嗎?””她問道。

    第一個(gè)任務(wù)將是確定特洛伊星球上是否含有只能在太陽系外寒冷的薄暮中形成的物質(zhì)，比如缺乏晶體結(jié)構(gòu)的玻璃狀水冰。布朗還想了解特洛伊木馬的紅色，這是在柯伊伯帶許多物體上看到的色調(diào)的柔和版本。布朗對這種紅色來源的最佳猜測是硫化氫，當(dāng)受到宇宙射線或其他來源的照射時(shí)，硫化氫會變紅，但如果太靠近太陽，也會蒸發(fā)掉。布朗說，一些柯伊伯帶的物體在細(xì)長的軌道上，使它們更接近太陽，“看起來很像特洛伊”。

    另一項(xiàng)任務(wù)是計(jì)算特洛伊表面隕石坑的數(shù)量和大小，并將它們與冥王星的衛(wèi)星卡戎(Charon)和阿羅科斯(Arrokoth)上看到的隕石坑進(jìn)行比較，這兩顆衛(wèi)星是“新視野號”在2015年和2019年訪問過的柯伊伯帶天體。類似的分布表明它們是在同一個(gè)地方形成的，微小的差異可以揭示特洛伊木馬是何時(shí)從遙遠(yuǎn)的家園被撕裂的，利維森說。科學(xué)家曾認(rèn)為這種不穩(wěn)定性在其形成后約7億年撼動(dòng)了太陽系，但現(xiàn)在有些人認(rèn)為它可能發(fā)生在1億年之后，甚至更早(《科學(xué)》，2020年1月24日，第350頁)。

    特洛伊可能還提供了關(guān)于更早的時(shí)間的線索，當(dāng)行星由原始?xì)怏w和塵埃合并。Arrokoth的葉狀形狀符合一個(gè)模型，即星子是在氣體盤中的卵石云坍縮成城市大小的塊狀時(shí)形成的;這些結(jié)構(gòu)可能會與其他結(jié)構(gòu)合并成越來越大的結(jié)構(gòu)。馬里蘭大學(xué)帕克分校(University of Maryland, College Park)的行星科學(xué)家杰西卡·桑夏恩(Jessica Sunshine)說，如果特洛伊木馬也是類似的團(tuán)塊，那就說明云坍縮是收集星子的標(biāo)準(zhǔn)方式。木馬的相對距離——僅為柯伊伯帶離太陽的六分之一——將使它們成為進(jìn)一步探索的成熟目標(biāo)，包括將于今年晚些時(shí)候發(fā)射的美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡。

    利維森希望能有驚喜。他說道:“如果我們只是看到我們所期待的內(nèi)容，那便會非常無聊。Sunshine補(bǔ)充道，Lucy的耐力和目標(biāo)數(shù)量足以讓它有足夠的時(shí)間跟進(jìn)任何意外事件。“我們不僅有機(jī)會提出新的問題，甚至可能找到答案。”

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https://www.science.org/content/article/tour-jupiter-s-trojans-could-reveal-solar-system-s-chaotic-origin
注：此研究成果摘自《Science》，文章內(nèi)容不代表本網(wǎng)站觀點(diǎn)和立場，僅供參考。