“隼鸟2号”发现小行星“龙宫”曾经被太阳烤红过是怎么回事？
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： 2014年12月3日，日本JAXA隼鸟2号探测器发射，2018年6月27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）  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，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？和《科学》杂志 | 隼鸟2号的撞击小行星实验全记录 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2020年5月8日在线发表于《科学》杂志 [2]。  文章一上来，就给了张彩色的小行星“龙宫”全球图。乍一看到这样的图，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？ 那我以前见过黑白“龙宫”又是啥？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，“龙宫”的表面其实是非常暗的。只有不到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： 这意味着，如果我们始终以肉眼观看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米…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。 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”。  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！  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的早晚。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”： 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。  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”和“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。  另一方面，石块的边缘、裂隙、溅射纹也常常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”）。  然而，除了撞击坑和部分石块之外，“龙宫”的赤道和两极整体偏“蓝”，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？  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。  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“蓝”。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“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，而空间风化应该没有这么大能力。  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。 2019年2月22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（“蓝”），了… 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。  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（“红”）色物质渣渣而已。  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。   “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。   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”的轨道在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： 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“成熟”“新鲜”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。  出品：科普中国 @中国科普博览 制作：haibaraemily 监制：中国科学院计算机网络信息中心   “科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。 本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。   [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/