Question

海王星附近的彩色小行星揭示了太阳系的难题

Answer 1

美国国家航空航天局(NASA)的露西航天器的插图，该任务于2021年发射，目的是研究木星的特洛伊小行星群，它是从太阳系诞生以来，由许多小而原始的天体组成的时间胶囊。

这些天体通常被认为起源于另一组被称为柯伊伯带的小行星， 科伊伯带 在海王星之外形成了一个环。但是杰维特发现，行星附近的小行星有着明显不同的颜色。更奇怪的是，海王星的小行星离太阳如此之远，以至于它们的表面自诞生以来就几乎保持着原始状态，几乎没有被我们最近的恒星的温暖射线所改变。然而，它们看起来非常类似于木星附近的一群被太阳烤过的小行星。这些令人费解的观测结果让科学家们对太阳系起源和演化的最佳理论产生了质疑。

小行星是45亿多年前我们的恒星系统形成的遗迹。它们代表的是没有被卷进行星的物质，它们散布在今天的太阳系附近。在小行星带中，数百万小行星在火星和木星之间绕太阳运行，但特洛伊小行星群的小行星与木星和海王星占据相同的轨道，它们在宿主行星前方或后方60度处形成双星团。火星上也有一些特洛伊小行星群。

天文学家长期以来一直在争论这些所谓的木星和海王星特洛伊小行星群的起源。它们是来自形成行星的气体和尘埃的圆盘吗？从一开始就伴随着它们各自的行星宿主吗？或者它们在更远的地方形成，也许在遥远的柯伊伯带，只是后来落入太阳被木星和海王星引力俘获？

杰维特认为，木星和海王星附近形成特洛伊小行星群是太阳系从它的出生圆盘聚结而成的，在这个时代，与行星相比，小行星会更加丰富，它们的移动速度会更低，从而促进了它们的捕获。杰维特类比说：“如果你扔给我一个球，我可以接住它，如果你朝我开枪，我就抓不住了。”

但是，对太阳系最初几亿年 历史 的大量独立模拟描绘了一幅截然不同的图景。这些模拟表明，巨行星木星、土星、天王星和海王星的轨道发生了剧烈的变化，每一颗行星都向太阳移动了数百万公里，或者向柯伊伯带移动了数百万公里。根据大多数理论，这一“行星迁移”引起的引力骚动应该清除了已经把在它们的宿主世界附近形成的任何特洛伊小行星群。因此，许多天文学家怀疑特洛伊小行星群一定是来自 科伊伯带 的移民，在这一星际风暴时期，他们被抛到了现在的位置。

为了揭开特洛伊小行星群的起源之谜，杰维特进行了他所说的“最愚蠢的测试”，他将特洛伊小行星群的颜色与柯伊伯带小行星的颜色进行了比较。如果颜色相匹配，那么人们可以得出结论，这两个种群很可能来自同一个地方，即来自柯伊伯带。

大量的木星特洛伊小行星群的颜色已经为人所知，所以杰维特在夏威夷用其中一台10米长的凯克望远镜来研究海王星特洛伊小行星群。这样一个巨大的望远镜是收集来自这些天体的光所 必需 的，这些天体的距离比距离木星的6倍，比满月要暗大约10万亿倍。杰维特测量了六个海王星特洛伊小行星的光学颜色，并将他的数据与其他七个特洛伊小行星的测量结果相结合。

他发现，木星和海王星特洛伊小行星的颜色实际上是相同的。这种相似性表明，每个行星的特洛伊小行星要么是从一个共同的来源捕获的，要么是暴露在相同的表面修饰过程中。北亚利桑那大学的天文学家查德·特鲁希略（Chad Trujillo）测量了杰维特研究中使用的四个海王星特洛伊小行星的颜色：“这真的令人费解，海王星和木星的这两个特洛伊小行星群怎么会有相似的表面呢？它们真的相距很远，温度也有很大的不同。”

令杰维特惊讶的是，数据还显示，这两组特洛伊小行星群的红色比科伊伯带的小行星要少得多，这对这两个种群起源于遥远地区的理论提出了挑战。杰维特推断，每个行星的特洛伊小行星群实际上都是来自科伊伯带的，但是在它们的 历史 中的某一时刻经历了表面的变化，这些变化给它们注入了几乎相同的颜色。

然而，由于木星和海王星与太阳的距离大不相同，这一解决办法也并非没有缺陷，杰维特指出。海王星比木星要远得多，因此要冷得多。那里的平均温度大约为摄氏零下214度，太低了，无法驱动任何由热量引起的表面重塑。与此形成对比的是，木星附近相对温为零下168摄氏度，足以释放地球特洛伊小行星冰层中的气体。会有一个巨大的气体爆发，这推动了物质从表面的喷射，这个表面可能会改变小行星的颜色。难题在于海王星特洛伊小行星群看起来和它们的原始种群不一样，但是没有明显的过程可以改变它们的表面。杰维特在10月份的美国天文学会行星科学部的年会上介绍了这些结果。

确定一个可以重现海王星特洛伊小行星群的进程，将为这个谜团提供一个潜在的解决方案。一种可能涉及到碰撞，也许小行星碰撞在一起改变了它们的颜色，因为撞击将物质重新分布在它们的表面上。但这项建议也有其问题：预计影响的速度太小，无法产生任何可观察到的特征。

西南研究所的行星天文学家亚历克斯·帕克(Alex Parker)说：“这些发现非常耐人寻味。”但是，测量了杰维特调查中使用的三个海王星特洛伊人的颜色，帕克说，海王星特洛伊小行星群的奥秘可能更深。今年早些时候，一项提交出版的研究发现了一种表面非常红的海王星特洛伊小行星，这暗示着“这个故事肯定比杰维特提出的要复杂得多。可能海王星特洛伊小行星并不都有一个共同的起源。

研究人员同意，对大量海王星特洛伊小行星的额外观测显然是必要的。仔细观察木星特洛伊小行星也是明智的。NASA的星际任务“露西”(Lucy)将于2021年10月发射，以实现这一目标。杰维特和其他天文学家也急切地等待着大型综合巡天望远镜(LSST)的首次观测。LSST是在智利的一架8.4米长的望远镜，将于本世纪20年代初开始每周两次对整个夜空进行观测。