追上半人馬天體 “讀取”太陽系形成演化歷史信息

相比于常見的木星族彗星，由于半人馬天體長期在柯伊伯帶，受到的太陽輻射較少，所以包含的物質更為原始，因此研究半人馬天體可以幫助我們更好地研究太陽系的物質分布和演化。

史建春

中國科學院紫金山天文臺副研究員

在木星軌道和海王星軌道之間，潛伏著數以萬計由冰塊和巖石組成的小天體。這些小天體偶爾會受到木星引力擾動的影響，被拋入太陽系內部，飛向太陽和地球。

這類小天體被認為是許多木星族彗星和近地彗星的來源，由于其同時具有小行星和彗星的特征，因此被命名為半人馬天體。

近日，據國外媒體報道，美國芝加哥大學的科學家稱這些鄰近木星的半人馬天體或能為揭曉太陽系奧秘提供重要線索。研究人員稱，通過深入分析半人馬天體，他們發現太陽系實際上是一個充滿活力的行星系統，并且一直處于變化狀態。

半人馬天體來自何處？它能告訴我們更多有關太陽系的秘密嗎？

又遠又小造成觀測困難

太陽系的形成始于46億年前的一片原始星云，后經吸積、聚合、演化，星云內的原始物質有的合并成了八大行星，有的仍然松散分布在太空的幾個帶狀區域。

這些帶狀區域內的小天體是太陽系早期演化遺留下的證據，太陽系中的絕大部分小行星，是原始太陽星云的星子，這些星云在太陽形成初期就存在了。

位于海王星軌道之外的柯伊伯帶便是這樣一個區域，其中大約有10萬個直徑超過100千米的天體，柯伊伯帶內的天體主要由凍結的低沸點混合物構成，主要成分是水、氨和甲烷。在火星與木星之間也存在一個小行星帶，這里的天體主要是由巖石和金屬構成。

相較于這兩個小行星帶，木星和海王星之間的半人馬天體群，人類了解的還不多。

“半人馬天體是指軌道半長軸和近日距都在木星軌道和海王星軌道之間的一類小天體。大部分半人馬天體起源于柯伊伯帶。近幾百萬年，它們的軌道發生了變化，成為如今的半人馬天體。”中國科學院紫金山天文臺副研究員史建春告訴科技日報記者，目前人類已經發現了452顆半人馬天體，第一顆被發現的半人馬天體名為“944 Hidalgo”，于1920年由德國科學家發現，目前最大的半人馬天體“10199 Chariklo”直徑約260千米，于1997年由美國科學家發現。

約一個世紀的光陰，為何只有452顆半人馬天體被人類“捕獲”蹤跡？史建春解釋：“半人馬天體距離地球比較遠，近日點在木星軌道外，也就是說，距地球最近的時候也在木星軌道外，再加上體積一般比較小、亮度比較暗，所以比較難發現。”

此外，半人馬天體是柯伊伯帶天體和木星族彗星之間的過渡天體，它的軌道區域在動力學上是不穩定的。“半人馬天體的軌道容易受到巨行星如木星的引力擾動，軌道發生變化。”史建春說。

半人馬天體可提供“獨特”線索

史建春介紹，一些半人馬天體會呈現出類似彗星一樣的活動性，會有彗發和彗尾。

彗星一般由彗核、彗發、彗尾3部分組成。彗核由冰物質構成，當彗星接近太陽時，彗星物質升華，在冰核周圍會形成一團看起來毛茸茸的彗發和一條長長的彗尾。

“因為半人馬天體長期在木星之外，所以附著在天體上的揮發性成分較多，如一氧化碳冰和二氧化碳冰，當溫度升高易揮發氣體冰升華后，裹挾在天體表面的塵埃就會被釋放出來，經太陽光反射，形成了我們看到的類似彗星的彗發和彗尾。”史建春介紹道。

據媒體報道，在此次研究中，美國芝加哥大學的博士后研究員、該論文的通訊作者塞利格曼說：“這些物質非常古老，包含著太陽系早期從未被融化過的冰。彗星之所以有趣，不僅是因為它們很漂亮，還因為它們可以為人類提供一種探測遙遠太陽系物質化學成分的方法。”

在史建春看來，與普通彗星不同的是，半人馬天體的特質，為我們研究太陽系的演化，提供了“獨特”的線索。

“相比于常見的木星族彗星，由于半人馬天體長期在柯伊伯帶，受到的太陽輻射較少，所以包含的物質更為原始，因此研究半人馬天體可以幫助我們更好地研究太陽系的物質分布和演化。”史建春說，此外由于半人馬天體的近日距在木星軌道外，溫度較低，其活動機制與木星族彗星不同。木星族彗星的活動機制是水冰升華驅動，而半人馬天體的活動機制是由氣體冰的升華驅動，不能用水冰的揮發驅動來解釋。因此，通過研究半人馬天體，科學家可以比較水冰升華驅動和氣體冰升華驅動彗星活動性的異同。

據媒體報道，在此次研究中，科學家研究了半人馬天體的數量，以及這些天體偶爾會成為飛往太陽的彗星的機制。他們估計，大約一半的半人馬彗星是通過與木星和土星的軌道相互作用而被推入太陽系內部的；另一半由于太靠近木星，被困在木星的軌道上，然后因木星引力擾動的影響被甩向太陽系的中心。

后一種機制為更好地觀察這些即將成為彗星的半人馬天體，提供了一個完美的方法，正如這項研究所提出的，向木星發射一艘宇宙飛船，讓它在木星軌道上運行，直到半人馬天體穿越木星的軌道。然后宇宙飛船可以在半人馬天體朝太陽飛去、變成彗星的過程中進行觀測。

實現“守株待星”并非難事

這種“守株待星”的想法并非異想天開。“在木星軌道上等待半人馬天體的方法確實可行。”史建春認為，人類目前的航天發射技術已經相當成熟，派遣飛船抵達木星并不困難。

目前，人類已有多個航天器飛往外太陽系；美國國家航空航天局(NASA)的“朱諾”號航天器，只花了大約5年時間就到達木星，目前正在拍攝木星的照片。

此外，即使在小天體移動時，人類也有可能訪問它們。例如，美國“奧西里斯-雷克斯”探測器訪問了2億英里外的貝努小行星；日本的“隼鳥2號”探測器從另一顆小行星“龍宮”上帶回了一些巖石樣本。

“不過這并不是唯一的彗星觀測方案，根據具體科學目標可制定不同的觀測方案，如對于著名的半人馬彗星29P/Schwassmann-Wachmann，也可單獨設計軌道進行繞飛觀測。”史建春說。

這將是一個富有想象力的畫面：彗星中的冰由不同類型的分子和氣體組成，它們在到達太陽的過程中在不同的點開始燃燒；航天器就飛行在彗星身邊，它“看著”彗星的形成過程，并通過測量彗尾了解彗星是由什么組成的。

塞利格曼表示，通過這種方法，科學家可以弄清楚典型的彗星冰層在什么時候開始燃燒以及彗星的詳細內部結構，從地面望遠鏡中弄清楚這些的希望非常小。

同時，彗星的表面也會隨著溫度的升高而發生噴發，形成隕石坑等。塞利格曼表示，了解這些現象，將幫助科學家更好的了解太陽系。這對理解太陽系中如何形成類地行星等事情很重要。

史建春對此也有同樣的看法，他認為：“通過跟蹤、觀測一顆半人馬天體從小行星變成彗星、發育出彗發和彗尾的過程，有助于研究彗星的活動機制和早期太陽系中水和其他物質的成分分布，進而揭示太陽系的形成和演化歷史。”