柯伊伯帶雪人形天體成因探析

2019年，美國(guó)國(guó)家航空航天局的新視野號(hào)任務(wù)飛掠了柯伊伯帶天體486958號(hào)阿羅科斯。阿羅科斯呈雪人狀——即雙瓣結(jié)構(gòu)——這種形態(tài)在太陽(yáng)系外緣十分常見(jiàn)。為何這種雪人狀結(jié)構(gòu)如此普遍？密歇根州立大學(xué)的科學(xué)家指出，答案或許出人意料地簡(jiǎn)單。圖片由美國(guó)國(guó)家航空航天局／約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室／西南研究所／國(guó)家光學(xué)天文臺(tái)提供。

為什么雪人形狀在太陽(yáng)系外圍如此常見(jiàn)？

太陽(yáng)系外側(cè)區(qū)域存在大量雪人形狀的天體。其中著名的例子是位于柯伊伯帶的阿羅科斯（Arrokoth）——柯伊伯帶是海王星軌道之外的一個(gè)區(qū)域，包含冥王星及其他冰質(zhì)小天體，例如原始星子。事實(shí)上，約十分之一的柯伊伯帶天體呈雪人形狀，天文學(xué)家稱(chēng)之為接觸雙星。研究人員在密歇根州立大學(xué)指出，這類(lèi)雪人形狀天體普遍存在的原因可能出乎意料地簡(jiǎn)單。

密歇根州立大學(xué)（MSU）的首席作者杰克遜巴恩斯利用該校網(wǎng)絡(luò)使能研究研究所的高性能計(jì)算中心進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，結(jié)果顯示引力坍縮能夠自然形成這類(lèi)雪人形狀的天體。巴恩斯的模擬表明，雙瓣?duì)钐祗w的形成并不依賴(lài)于偶然碰撞或特殊相遇。

密歇根州立大學(xué)的合著者塞思雅各布森表示：

如果我們認(rèn)為有10％的星子天體是接觸雙星，那么形成它們的過(guò)程就不可能是罕見(jiàn)的。引力坍縮很好地契合了我們所觀測(cè)到的現(xiàn)象。

我們首次近距離觀測(cè)到的接觸雙星是阿羅科斯。新視野號(hào)探測(cè)器曾飛越這個(gè)形似雪人的巖石天體。

研究人員在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上發(fā)表了他們的同行評(píng)審論文。

模擬坍塌過(guò)程

為尋找能夠解釋接觸雙星頻繁形成機(jī)制的理論，研究人員開(kāi)展了大量數(shù)值模擬。這些模擬還需確保此類(lèi)天體能夠在漫長(zhǎng)的時(shí)間尺度上維持其獨(dú)特的形態(tài)。以往的其他計(jì)算機(jī)模型往往導(dǎo)致天體最終演化為單一的、近似球狀的結(jié)構(gòu)。而巴恩斯所采用的模擬方法則可使這類(lèi)雪人狀天體長(zhǎng)期保持其典型外形。

在太陽(yáng)系早期，太陽(yáng)與行星由一片旋轉(zhuǎn)的氣體和塵埃盤(pán)形成。太陽(yáng)系外圍區(qū)域殘留著這片原始星云的物質(zhì)，它們未能聚集成更大的天體。這些柯伊伯帶天體棲息于太陽(yáng)系遼闊的邊遠(yuǎn)地帶，過(guò)著相對(duì)寧?kù)o的生活?？茖W(xué)家認(rèn)為，該區(qū)域發(fā)生的碰撞事件十分稀少。

在巴恩斯的模擬中，星子由塵埃盤(pán)形成，最初是松散的物質(zhì)聚集體。引力可導(dǎo)致這些天體向內(nèi)坍縮，進(jìn)而將其撕裂為兩部分；這兩部分隨后彼此繞行，最終再度合并為一個(gè)類(lèi)似雪人的雙葉狀天體。在物質(zhì)分布稀疏的環(huán)境中，缺乏其他天體的撞擊干擾，因此二者不會(huì)再次分離。研究人員指出：

大多數(shù)雙星系統(tǒng)甚至沒(méi)有布滿撞擊坑。

密歇根州立大學(xué)的科學(xué)家們正致力于構(gòu)建更為精確的坍縮過(guò)程模型。

觀察一個(gè)雪人形狀的物體在坍塌成兩部分后又重新連接的模擬過(guò)程。

密歇根州立大學(xué)的科學(xué)家們對(duì)引力坍縮過(guò)程進(jìn)行了建模，認(rèn)為該過(guò)程可形成外太陽(yáng)系中常見(jiàn)的雪人狀天體。

直接接觸雙星狀星子的引力坍縮形成

英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)

罕見(jiàn)的柯伊伯帶三合體天體或許只是眾多類(lèi)似天體之一

相關(guān)知識(shí)

柯伊伯帶天體是位于海王星軌道外側(cè)、距離太陽(yáng)約30至55天文單位的冰質(zhì)小天體，主要由冰、甲烷和氨等揮發(fā)性物質(zhì)構(gòu)成。它們是太陽(yáng)系形成初期殘留的原始物質(zhì)，軌道多呈低傾角、近圓形，部分與海王星存在軌道共振。著名的柯伊伯帶天體包括冥王星、鬩神星和鳥(niǎo)神星等。研究這些天體有助于理解太陽(yáng)系早期演化及行星形成機(jī)制。

BY: Kelly Kizer Whitt

FY: AI

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參考資料

1.WJ百科全書(shū)

2.天文學(xué)名詞

3.原文來(lái)自： https://earthsky.org/space/snowman-shape-common-in-the-kuiper-belt/

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