为什么我们研究太空中的石头

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太阳系中的小天体 (比如彗星) 帮助我们追溯其历史和演变。此视频由NASA的EPOXI太空探测任务航天器在2010年11月4日彗星哈特利2号 (Hartley 2) 飞越期间拍摄的图像编制而成。

Credits: NASA/JPL-Caltech/UMD

人类存在的历史只是我们太阳系45亿年历史中的一瞬间。行星形成、发生巨大变化、再到今天这样，没有人能看到它们之前的样子。为了理解在我们之前 (在地球上有生命之前和地球形成之前) 就存在的世界，科学家们需要去寻找那个神秘、遥远的过去留下的蛛丝马迹。

这些线索来自小行星、彗星等小天体。就像筛选司法证据的侦探一样，科学家们仔细研究这些“外空来物”以了解我们的起源。它们讲述了行星上的流星雨，讲述了小行星被太阳烧成灰、被射出海王星轨道、或相互碰撞成碎片的时候。从遥远的彗星到结束了恐龙统治的小行星，每个太空岩石都包含了史诗级事件的线索，这些事件塑造了我们今天所知的太阳系，也包括地球上的生命。

“这些小天体上可能没有巨型火山、海洋、或沙尘暴，但它们可以回答我们对太阳系起源的重大问题。”NASA华盛顿总部行星科学部代理主任Lori Glaze说。

从1991年小行星951 (Gaspra) 飞越伽利略飞行器，NASA就一直在探索小天体。第一颗围绕小行星运行的航天器，近地小行星会合航天器 (被称为“会合-舒梅克号”, NEAR Shoemaker, NEAR代表Near Earth Asteroid Rendezvous) 于2000年成功降落在小行星爱神星 (Eros) 上并完成了原先未计划的测量。深度撞击 (Deep Impact) 任务于2005年开始探测坦普尔1号彗星 (Tempel 1) ，并促使科学家重新思考彗星在哪里形成。最新的科研建立在这些成功的基础上，并将继续探索太阳系。以下从这几个方面概述了我们研究太阳系中小天体的原因：构成行星的基石、运输生命元素、追踪太阳系演化史、正在演化的太阳系、对地球的危害、以及未来太空探测的“加油站”。

谷神星Ceres (一颗矮行星) 上欧卡托撞击坑 (Occator Crater) 在假色中表现了表面成分的差异。

Credits: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

构成行星的基石

我们认为太阳系是由尘埃粒子 (即岩石、金属和冰的微小颗粒) 在太阳形成初期周围的圆盘中旋转而形成的。“圆盘”中大部分物质落入了新生的恒星中，但有些部分会粘在一起，成为小行星、彗星、甚至行星。这些恒星形成的“剩余物”中大部分到现在都存在，所以小行星和彗星可以帮助我们研究行星的形成。

Glaze说：“小行星、彗星和其他小天体中有太阳系刚诞生时的物质。如果我们想知道它们从哪儿来，我们必须研究这些物体。”

两个古老的化石，灶神星 (Vesta )和谷神星 (Ceres)，为这个故事提供了线索。它们是火星和木星之间小行星带中最大的小行星。NASA的曙光号 (Dawn) 最近结束了任务，它围绕这个两颗小行星运行并明确表明了它们异于常规的小行星。许多小行星是松散的碎石集合，但Vesta和Ceres的内部是分层的，其核心部分密度最大。这表明这两颗小行星都在成为行星的路上，但它们从来没有足够的材料来变得像行星一样大。

Vesta大部分是干燥的，Ceres却很潮湿。它可能含有多达25％的水，大部分与矿物质或冰结合，还可能存在地下水。Ceres中氨的存在也很神奇，因为氨通常需要比Ceres当前位置更低的温度才能存在。这表明矮行星可能在木星外围形成之后迁移到现在的位置，或者至少它包含起源于离太阳较远的物质。Ceres的起源之谜展示了行星形成的复杂程度，同时也强调了我们太阳系的复杂历史。

NASA灵神星(Psyche)任务航天器靠近任务目标金属小行星Psyche的概念图。

Credits: NASA/JPL-Caltech/Arizona State Univ./Space Systems Loral/Peter Rubin

小行星Psyche似乎是原行星 (protoplanet) 暴露在外的铁镍内核。像Vesta和Ceres一样，它在我们太阳系早期形成但未能成为行星。NASA的Psyche任务将于2022年启动，研究这颗金属小行星。

NASA新视野号 (New Horizons) 在2019年1月1日遇到小行星486958 (即2014 MU69)的概念图。2014 MU69位于柯伊伯带 (Kuiper Belt)，在冥王星外16亿公里处绕行太阳。

Credits: NASA/JHUAPL/SwRI

2014 MU69含冰量很高，可能代表太阳系中保留的最原始的物质。虽然行星轨道都是椭圆形的，但它和许多其他柯伊伯带小天体的轨道近似圆形，这表明它们在45亿年内没有偏离原来的轨道。这些小天体可能代表冥王星和其他遥远冰行星的基石。新视野号将于2019年1月1日与2014 MU69接近，这将是历史上最远的行星飞越。

“Ultima Thule (2014 MU69的别名，祖鲁语，是“解疑”的意思) 对于我们理解太阳系及行星的起源具有极高的科学价值，”美国西南研究院 (位于科罗拉多州博尔德市) 的新视野项目负责人Alan Stern说，“它古老而原始，与我们以前见过的任何东西都不同。”

运输生命元素

小天体也可能负责为地球播种生命的成分；研究它们水的含量就是它们帮助在地球上种下生命的证据。

“小天体影响大局；它们参与太阳系缓慢而稳定的演变，并影响行星大气和产生生命的机会。地球也是其中的一部分，”NASA首席科学家Jim Green说。

小行星101955 (Bennu) 的这张“超高解析度”视图是NASA的OSIRIS-REx航天器(Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer，即太阳系起源、光谱解析、资源识别、安全保障、小行星风化层探索者，缩写OSIRIS-REx) 于2018年10月29日从大约330公里外获得的8张图像创建的。

Credits: NASA/Goddard/University of Arizona

Bennu是包含生命元素的小行星之一：它可能含有碳和水分子，这两者都是我们所知生命的必需品。地球形成之后，Bennu这样的小天体们像雨一样降下来并将这些物质运送到我们地球上。它们上面没有海洋，但是有矿物质中的水分子。我们认为地球上高达80％的水来自Bennu这样的小天体。通过研究Bennu，我们可以更好地了解这些使地球绽放生命的小天体。

Bennu可能起源于火星和木星之间的主小行星带；它被认为在8亿到20亿年前发生的灾难性碰撞中幸存下来。科学家们认为一颗富含碳的大型小行星破碎成数千块，而Bennu是其中一颗残余物。Bennu是一个“瓦砾堆”小行星，是“松散的岩石集合”通过重力和“凝聚力”粘在一起的。 经过20亿公里的旅程，OSIRIS-REx将于2018年12月初抵达Bennu，并将在2023年通过样品返回舱将它的的样本带回地球。

追踪太阳系演化史

形成我们太阳系的大部分物质，包括地球，都“太短命”以至于无法告诉我们整个故事。它们落入太阳或被射出我们最强的望远镜所能观测的范围之外; 只有一小部分形成了行星。

太阳系的特别灾难性的时期是在太阳形成之后的5千万到5亿年间。太阳系中最大的巨星，木星和土星，通过引力与小天体 (比如小行星等) 相互作用，重组了周围物体的分布。天王星和海王星可能在太阳附近形成，但是在木星和土星四处移动的时候被“踢”到更远的轨道。事实上，土星的引力抵消了木星向太阳的进一步运动，可能阻止了木星“吃掉”包括地球在内的一些类地行星。

露西号 (Lucy) 抵达特洛伊群小行星 (Trojan asteroids) 的概念图像。

Credits: NASA/SwRI

Trojans可以帮助我们理解那个动荡时期的细节。它包括两个与木星同轨道的小行星团，其中一个在木星前，另一个在木星后。但是，正如它们颜色表示，Trojans的构成似乎不同。比其他更红的部分可能起源于海王星的轨道，而较灰的部分可能形成于更接近太阳的轨道。主流理论是，当木星很久以前移动时，这些物体被拉到了拉格朗日点 (Lagrange points)，即木星和太阳的引力使得小行星保持在该位置且对于它们基本静止。科学家们说，Trojans的多样性反映了木星到现在位置的整个旅程。西南研究院的研究员Hal Levison说：“它们是木星每一次移动时的残余物。” NASA的露西任务将于2021年10月启动，首次向Trojans发射航天器，并将彻底调查六颗小行星 (每个群中有三颗小行星)。

正在演化的太阳系

日落之后，适当条件下你可能会看到黄道面 (即行星轨道的平面) 上散射的阳光，这是因为太阳光被彗星和小行星等小天体碰撞留下的尘埃所散射。科学家称这种现象为“黄道光”，这表明我们的太阳系仍处于活跃状态。

小天体所产生的尘埃在我们星球上发挥了重要作用。每天大约有100吨陨石物质和尘埃物质落在地球上。其中一些来自彗星，其活动对地球的演化有直接影响。当彗星靠近太阳并受热时，彗星内的气体会膨胀并带走彗星上的尘埃 (包括构成生命的成分)。NASA的星尘号 (Stardust) 飞越维尔特二号彗星 (Comet 81P/Wild)，发现彗星尘埃含有生命的基石——氨基酸。

2016年9月29日当欧洲航天局 (ESA) 的罗塞塔号 (Rosetta) 在23公里的高度时，上面的OSAIS广角相机所观测到的丘留莫夫－格拉西缅科彗星 (Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko)。

Credits: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

我们偶尔在彗星中观察到的气体和尘埃爆发表明其表面活动 (例如山体滑坡)。罗塞塔号观测到巨大的悬崖坍塌、地裂缝变大和巨石的移动。

有趣的事实：NASA的太阳和太阳风层探测器 (Solar & Heliospheric Observatory简称SOHO) 是观测到最多彗星的航天器。它已经看到太阳“吃掉”成千上万的彗星，这意味着这些小天体在它们成为太阳晚餐的途中在内太阳系“喷洒”物质。

这z张图描绘了一颗接近内太阳系的彗星：太阳光使彗星的核 (在这个尺度上并看不到) 变暖。

对地球的危害

小行星可能对行星 (包括我们的地球) 构成撞击危害。

Bennu是目前已知的对地球最具潜在危险的小行星之一，尽管它与地球相撞的几率仍然相对较小。科学家们估计在22世纪后期，Bennu在接近地球时有超过1/2700的机率撞上地球。科学家们现在可以准确地预测Bennu的路径直到2135年，即它将接近地球的时候