解開小行星上的“巨人”謎團(tuán)

小行星本努的巨石之謎：一塊散落著大石塊的方形灰色小行星

圖解：OSIRIS-REx 航天器及其所攜帶的設(shè)備PolyCam于 2018 年 12 月 2 日收集了 12 張照片，制作了這幅小行星Bennu的馬賽克圖像。該航天器距離小行星僅 15 英里（24 公里）?？茖W(xué)家們驚訝地發(fā)現(xiàn)本努的表面散布著巨石。圖片來自 NASA/亞利桑那大學(xué)。

為什么這顆近地小行星本努的表面有這么多大型石塊？在 2018 年底之前，當(dāng)美國宇航局航天器 OSIRIS-Rex將要經(jīng)過本努時(shí)，科學(xué)家們預(yù)計(jì)這顆小行星的表面將完全或部分覆蓋一層由沙子和鵝卵石組成的精細(xì)風(fēng)化層。但是事實(shí)上，OSIRIS-REx 中的 REx 代表 Regolith Explorer，它發(fā)現(xiàn)了本努的表面散布著巨石和大石頭。本月（2021 年 10 月 21 日），科學(xué)家們宣布他們現(xiàn)在可能對(duì)小行星本努的巨石之謎有了答案。

這項(xiàng)來自亞利桑那大學(xué)的新研究于 2021 年 10 月 6 日發(fā)表在同行評(píng)審的期刊《自然》上。該研究表明，多孔巖石是造成本努表面缺乏精細(xì)風(fēng)化層的原因。

小行星本努的巨石之謎：巖石，而非散沙

科學(xué)家們?cè)欢日J(rèn)為本努被精細(xì)的風(fēng)化層覆蓋，但是來自航天器的特寫圖像顯示它幾乎完全被巨型石塊覆蓋。這是怎么造成的呢？正如合著者和 OSIRIS-REx 首席研究員但丁·勞雷塔在 NASA 聲明中解釋的那樣：

“… 繪制和表征小行星表面是航天器的主要目標(biāo)。它對(duì)本努的整個(gè)表面收集了非常高分辨率的數(shù)據(jù)。在某些位置，每像素的分辨率達(dá)到了 3 毫米 [1/10 英寸]。除了科學(xué)研究之外，缺乏精細(xì)的風(fēng)化層也成為了這項(xiàng)任務(wù)本身的挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀兊暮教炱鞅緛碇荚谑占氖谴祟愶L(fēng)化層材料。”

圖解：成千上萬的石塊緊密相連而成的巖石地形。

這張?zhí)貙憟D顯示了本努的表面覆蓋著大塊巖石和巨石，幾乎沒有精細(xì)的風(fēng)化層。這張照片由 OSIRIS-REx 于 2019 年 3 月 21 日拍攝。圖片來自 NASA/戈達(dá)德/亞利桑那大學(xué)。

機(jī)器學(xué)習(xí)

亞利桑那大學(xué)和麻省理工學(xué)院的薩維里奧·坎比奧尼是這篇新論文的主要作者，他試圖利用機(jī)器學(xué)習(xí)和溫度數(shù)據(jù)來解開這個(gè)謎團(tuán)。他說：“當(dāng)本努的第一張圖像出現(xiàn)時(shí)，我們注意到一些區(qū)域的分辨率不夠高，導(dǎo)致我們無法看到是否有小巖石或細(xì)風(fēng)化層。于是我們便開始使用我們的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，使用熱輻射（紅外）數(shù)據(jù)來區(qū)分精細(xì)風(fēng)化層和巖石。只有機(jī)器學(xué)習(xí)才能有效地處理如此之大的數(shù)據(jù)集?！?/p>

熱輻射能夠幫助科學(xué)家區(qū)分了本努上的細(xì)風(fēng)化層和較大的巖石。熾熱的表面會(huì)向各個(gè)方向發(fā)出這樣的熱輻射。本努圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道與地球的處在同一個(gè)范圍之內(nèi)（因此它也被稱為近地小天體），但與地球的近日點(diǎn)相比它還要更加貼近太陽一些。這顆小行星的名字本努與一種古埃及神話中的鳥有關(guān)，它與太陽、創(chuàng)造和重生有關(guān)。就像地球一直受到太陽所給予的溫暖，本努也是如此。這些反射出來的熱輻射讓科學(xué)家們解開了巨石之謎。

之所以它對(duì)研究起到了作用是因?yàn)榧?xì)風(fēng)化層的熱輻射不同于巨石的熱輻射。 在精細(xì)風(fēng)化層中，顆粒的大小控制著熱輻射。 但是，在較大的巖石中，巖石的孔隙度控制著這種才是釋放輻射的影響因素。

對(duì)于他們的測(cè)試，研究人員基于精細(xì)風(fēng)化層和多孔巖石的不同結(jié)合方式，創(chuàng)建了一個(gè)熱輻射樣本庫。 這樣機(jī)器學(xué)習(xí)就可以在樣本之間建立“聯(lián)系點(diǎn)”。

科學(xué)家們總共對(duì)本努上的 122 個(gè)區(qū)域進(jìn)行了分析，無論白天還是晚上拍攝的。

本努帶來的意外收獲

本努的研究結(jié)果令科學(xué)家們感到驚訝。精細(xì)的風(fēng)化層并非簡(jiǎn)單地隨機(jī)分布于小行星表面。進(jìn)一步來說，風(fēng)化層的分布在少數(shù)地區(qū)增加了幾十個(gè)百分點(diǎn)，這些地方的巖石沒有孔洞。然而，風(fēng)化層在高度多孔的巖石區(qū)域（即大部分地表）分布較少。

科學(xué)家們說這意味著由本努的多孔巖石產(chǎn)生的風(fēng)化層非常少。這是由于巖石大都是被擠壓而不是被流星體撞擊得粉碎。巖石中的空隙就像一個(gè)墊子，有助于保護(hù)巖石免受沖擊的影響。從本質(zhì)上講，巖石在一定程度上可以自我保護(hù)免受撞擊。正如合著者、法國國家科學(xué)研究中心 (CNRS) 和法國蔚藍(lán)海岸天文臺(tái)拉格朗日實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家 Chrysa Avdelidou 所說：

“基本上，撞擊的很大一部分能量被用于粉碎孔隙，這限制了巖石的解體和新的細(xì)風(fēng)化層的產(chǎn)生。”

坎比奧尼和他的同事們也表明，由本努上的巖石升溫與降溫引起的開裂在多孔巖石中要比在致密巖石中進(jìn)行得更慢。這發(fā)生在小行星公轉(zhuǎn)，巖石經(jīng)歷晝夜交替的時(shí)候，并進(jìn)一步阻礙了精細(xì)風(fēng)化層的產(chǎn)生。

美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的 OSIRIS-REx 航天器項(xiàng)目科學(xué)家杰森·德沃金補(bǔ)充說道：“當(dāng) OSIRIS-REx 在2023年9月將它所收集到的本努樣本送至地球時(shí)，科學(xué)家們將能夠細(xì)致地對(duì)其進(jìn)行考察。這包括測(cè)試巖石的物理特性以驗(yàn)證這項(xiàng)研究。”

圖解：對(duì)小行星本努上的巨石的新研究由麻省理工學(xué)院和亞利桑那大學(xué)的薩維里奧·坎比奧尼領(lǐng)導(dǎo)。 圖源谷歌網(wǎng)站。

各式各樣的小行星

這些發(fā)現(xiàn)與其他小行星的發(fā)現(xiàn)相符合，并突出了不同類型小行星之間的差異。例如，龍宮（Ryugu）是一顆富含碳元素的B型碳質(zhì)小行星，就像本努一樣。它也被多孔巖石覆蓋，并且缺乏精細(xì)的風(fēng)化層。這些結(jié)果來自日本的隼鳥 2 號(hào)探測(cè)器任務(wù)。

相比之下，早在 2005 年隼鳥號(hào)訪問的石質(zhì) S 型小行星糸川（Itokawa），其表面就有豐富的精細(xì)風(fēng)化層。與此一致的是，之前的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，糸川上的巖石比本努和龍宮上的巖石有著更少的孔隙。

正如 CNRS 和拉格朗日實(shí)驗(yàn)室的合著者馬可·德爾博所說：“幾十年來，天文學(xué)家一直在爭(zhēng)論小型近地小行星可能有裸露的巖石表面這一問題。當(dāng)航天器在 2000 年代訪問 S 型小行星厄洛斯（Eros）和糸川并在其表面發(fā)現(xiàn)了精細(xì)的風(fēng)化層時(shí)，對(duì)這一問題最無可爭(zhēng)辯的證據(jù)便展現(xiàn)在我們眼前。”

將結(jié)果外推到其他小行星

這些發(fā)現(xiàn)有力地表明了碳質(zhì)小行星和 S 型小行星之間的關(guān)鍵區(qū)別。基于這一點(diǎn)，研究人員預(yù)測(cè)，在未來對(duì)其他小行星的觀測(cè)中，碳質(zhì)小行星將大概率沒有細(xì)風(fēng)化層。然而，在 S 型小行星上，細(xì)風(fēng)化層應(yīng)該很常見。碳質(zhì)小行星是太陽系中最常見的。根據(jù)坎比奧尼的說法：

“這是導(dǎo)致小行星表面多樣性的謎題中的一個(gè)重要部分。小行星被認(rèn)為是早期太陽系的遺跡，因此了解它們所經(jīng)歷的演化對(duì)于理解太陽系是如何形成和演化至關(guān)重要。既然我們知道了碳質(zhì)小行星和 S 型小行星之間的這種根本區(qū)別，今后團(tuán)隊(duì)可以根據(jù)目標(biāo)小行星的性質(zhì)更好地準(zhǔn)備樣本采集任務(wù)。

正如論文中所指出的：“我們推斷風(fēng)化層在碳質(zhì)小行星上并不常見，但這種小行星是數(shù)量最多的小行星類型。相比之下，這些地形在石質(zhì)小行星上應(yīng)該很常見，它們的巖石孔隙較少，且石質(zhì)小行星是太陽系中僅次于碳質(zhì)小行星的類型。”

圖解：2005 年日本隼鳥號(hào)宇宙飛船看到的小行星糸川。雖然它的表面確實(shí)有巖石，但它沒有較大的巨石，并且覆蓋著細(xì)沙狀的風(fēng)化層。圖源日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu) (JAXA)。

圖解：正如 NASA 的 NEAR 航天器所見，愛神星是另一顆 S 型石質(zhì)小行星，風(fēng)化層細(xì)膩，幾乎沒有巨石。圖源 NASA/JPL。

一個(gè)曾經(jīng)擁有水和有機(jī)物的原始世界

本努是太陽系形成過程中遺留下來的古代遺跡。 OSIRIS-Rex 在其表面發(fā)現(xiàn)了水合礦物的證據(jù)。這說明很可能在本努的母體上曾經(jīng)存在過水。 本努富含碳，所以它也被認(rèn)為在其表面可能含有有機(jī)化合物，也就是生命的前身。

OSIRIS-Rex 現(xiàn)在正在返回地球的路上。樣品返回艙及其珍貴的本努樣品預(yù)計(jì)將于 2023 年 9 月 24 日降落。

重要說明：令科學(xué)家驚訝的是，OSIRIS-REx 宇宙飛船發(fā)現(xiàn)小行星本努被巨石覆蓋，而不是預(yù)期的細(xì)沙狀風(fēng)化層。一項(xiàng)新的研究表明，這是因?yàn)楸九系膸r石具有多孔結(jié)構(gòu)。

BY: Paul Scott Anderson

FY: CybertronYhs

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