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天文科普：不速之客——近地小行星軌道中的“異類分子”

來源：紫金山天文臺

發(fā)布時(shí)間：2022-05-09

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版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系我們

我們知道，太陽系內(nèi)除了八大行星之外，還到處游蕩著個(gè)頭在米級到百公里級的小行星和彗星，我們統(tǒng)稱它們?yōu)樘栂敌√祗w。截止到目前，已發(fā)現(xiàn)的太陽系小天體已接近120萬顆（絕大部分沒有觀測到活動性，屬于小行星），且數(shù)量仍然在逐年增加。

目前已發(fā)現(xiàn)的內(nèi)太陽系小行星的軌道位置分布 | 圖源：作者

絕大部分的小行星位于火星和木星之間的小行星帶內(nèi)，稱為主帶小行星。一般來說，這些可愛的小行星們會在自己的繞日橢圓軌道上安全運(yùn)行，各自相安無事，但總存在一定的概率發(fā)生相互碰撞，并產(chǎn)生軌道各異的大量碎片。此外，在大行星的引力擾動以及復(fù)雜的熱物理效應(yīng)作用下，小行星的軌道可能發(fā)生遷移，甚至遷移到近地空間。天文學(xué)家把近日距小于1.3 au（au為天文單位，即日地平均距離）的小行星歸類為近地小行星。

相比于主帶小行星，近地小行星恐怕就沒那么可愛了，因?yàn)樗鼈兊能壍涝谘莼^程中會發(fā)生更為劇烈而頻繁的改變，甚至與地球軌道相交而存在撞擊地球的風(fēng)險(xiǎn)（其中直徑在140米以上且與地球最小交會距離在0.05 au以內(nèi)的稱為潛在威脅近地小行星，目前已發(fā)現(xiàn)2275顆）。因此，各國天文學(xué)家對近地小行星十分關(guān)注。

目前已發(fā)現(xiàn)的潛在威脅近地小行星軌道分布 | 圖源：作者

最近的2022年3月11日，一顆編號為2022 EB5的近地小行星在墜入地球大氣前兩個(gè)小時(shí)才被觀測到，還好這顆小行星只有1米左右大小，進(jìn)入大氣后就燒毀了，讓我們虛驚一場。

2022 EB5撞擊地球前的軌道（為更好地體現(xiàn)三維效果，畫出了小行星軌道往黃道面上的垂線）| 圖源：astorb.com

正因?yàn)榻匦⌒行菍Φ厍蚰軌蛟斐蓾撛诘陌踩{，因此對它們的軌道進(jìn)行精確測定與預(yù)報(bào)是一個(gè)重要的研究課題，不過這方面的內(nèi)容不是本文的主題，本文主要想帶領(lǐng)一些感興趣的讀者來了解一下近地小行星的軌道構(gòu)型，特別是一些比較奇怪有趣的案例。

事實(shí)上，天文學(xué)家們已經(jīng)根據(jù)近地小行星的橢圓軌道半長軸，近日距和遠(yuǎn)日距將其分為四類：阿莫爾型、阿登型、阿波羅型和阿蒂娜型。這里我們不對這些分類作展開，感興趣的讀者百度一下就能了解到它們的區(qū)別。本文主要關(guān)注一些有趣的、具有極端軌道特征或特殊軌道幾何構(gòu)型的近地小行星。

2017 UR52——三項(xiàng)記錄保持者：軌道最扁，周期最長，遠(yuǎn)日距最大

首先，讓我們祭出一顆打破了三項(xiàng)“世界記錄”的近地小行星2017 UR52，該小行星直徑大約200米，由卡特琳娜巡天計(jì)劃所屬的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)于2017年10月29日，發(fā)現(xiàn)時(shí)該小行星已接近到達(dá)近日點(diǎn)，日心速度達(dá)37公里每秒。2017 UR52的軌道周期超過5000年，是目前發(fā)現(xiàn)的軌道周期最長（意味著半長徑最大）的近地小行星；此外，該小行星的偏心率達(dá)到0.9957，是目前發(fā)現(xiàn)的軌道最扁的近地小行星；最后，綜合其最大的半長徑以及最大的偏心率，可推斷出它也是目前發(fā)現(xiàn)的遠(yuǎn)日距最大的近地小行星，達(dá)到了584 au，是海王星平均軌道半徑的19倍。事實(shí)上，2017 UR52的軌道類型與長周期彗星比較類似，不過由于在抵達(dá)近日點(diǎn)附近時(shí)未發(fā)現(xiàn)它存在活動性，因此沒有被歸類為彗星。

近地小行星2017 UR52的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

2005 HC4——兩項(xiàng)記錄保持者：近日距最小、跑得最快

2005 HC4是一顆由洛威爾天文臺發(fā)現(xiàn)于2005年4月30日的近地小行星，直徑約為250米。該小行星的偏心率也很大，達(dá)到0.961，近日距則達(dá)到0.071 au，是目前發(fā)現(xiàn)的近日距最小的近地小行星，是水星與太陽距離的0.23倍（想象一下到近日點(diǎn)時(shí)那得多熱）?？紤]到其半長徑為1.821 au，可以計(jì)算出它在近日點(diǎn)時(shí)的速度達(dá)157公里每秒，是目前已發(fā)現(xiàn)的日心軌道瞬時(shí)速度最快的近地小行星。

近地小行星2005 HC4的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

2021 PH27——軌道周期最短

與2017 UR52恰恰相反，于2021年8月13日發(fā)現(xiàn)的近地小行星2021 PH27（直徑約為1公里）則具有最短的軌道周期，其半長徑為0.462 au，偏心率為0.712，軌道周期僅為0.314年。該小行星完全位于地球軌道以內(nèi)，因此也被稱為地內(nèi)小行星。然而，從地球觀測者來看，由于該小行星與太陽的相對夾角較小，因此觀測機(jī)會比較少，一般只有在該小行星到達(dá)遠(yuǎn)日點(diǎn)附近且地球也恰好位于適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)，才能在接近黎明或黃昏的時(shí)候觀測到它。

近地小行星2021 PH27的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

“風(fēng)雨逆行者”——逆行近地小行星

我們知道，太陽系內(nèi)的大行星大部分軌道傾角接近于0°，以“順行”的方式繞日公轉(zhuǎn)，該現(xiàn)象與太陽系早期形成時(shí)大部分物質(zhì)集中在原行星盤內(nèi)有關(guān)。大部分的近地小行星也是“順行”公轉(zhuǎn)的（軌道傾角小于90°），不過仍然有小部分近地小行星在復(fù)雜的機(jī)制下出現(xiàn)大于90°的軌道傾角，稱為“逆行”近地小行星。目前已知的此類近地小行星有五顆：2014 PP69（傾角93.7°），2017 UR52（傾角108.3°），2019 EJ3（傾角139.8°），(343158) Marsyas（傾角154.4°）和2020 BZ12（傾角165.5°）。

有研究表明小行星與木星的3:1軌道共振（即木星與小行星的軌道周期之比為3:1）有可能是產(chǎn)生此類小行星的原因，也有學(xué)者認(rèn)為逆行近地小行星與高偏心率彗星的軌道演化有關(guān)。事實(shí)上，除了近地小行星之外，太陽系內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的其他類型的逆行小行星總數(shù)已達(dá)122顆，這些“逆行者”讓天體力學(xué)領(lǐng)域的研究者十分感興趣，對它們軌道的起源與遷移機(jī)制，軌道壽命，分布特征等開展了多方面的研究。

近地小行星2020 BZ12的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

“內(nèi)切”/“外切”型近地小行星

接下來我們來考慮兩種軌道幾何上有點(diǎn)特殊的近地小行星：“內(nèi)切”和“外切”型近地小行星。這里的“內(nèi)切”或“外切”是相對于地球軌道而言的，即小行星軌道遠(yuǎn)日點(diǎn)或近日點(diǎn)與地球軌道相切（遠(yuǎn)日距或近日距在0.983~1.017 au之間）。比如(325102) 2008 EY5與(100085) 1992 UY4分別屬于前者和后者一類。雖然在軌道幾何上看似很“漂亮”，但它們對地球安全是不折不扣的潛在威脅者。考慮偏心率大于0.2的情況，則目前已發(fā)現(xiàn)的“外切”型近地小行星的數(shù)量已達(dá)2319顆，而“內(nèi)切”型的數(shù)量只有66顆，前者是后者的35倍。這么懸殊的數(shù)量差距與它們的真實(shí)數(shù)量分布有關(guān)，但也可能與觀測上的“選擇效應(yīng)”有關(guān)。

近地小行星(325102) 2008 EY5的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

近地小行星1992 UY4的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

2016 HO3——地球“準(zhǔn)衛(wèi)星”

如果某顆近地小行星的軌道周期與地球非常接近，即形成1:1軌道共振，就被稱為地球共軌小行星。由于地球軌道存在一定的偏心率，因此其繞日運(yùn)動角速度并不恒定；而考慮到小行星軌道也往往存在一定的偏心率，這最終導(dǎo)致在日地旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下看來該小行星相對于地球的運(yùn)動可能出現(xiàn)循環(huán)往復(fù)的現(xiàn)象。而若該循環(huán)往復(fù)的中心位置恰好在地球附近（若中心位置位于地球軌道前后60度附近的日地三角平動點(diǎn)上，則該小行星被稱為地球“特洛伊”小行星），則從地球視角看來該小行星是“繞著”地球轉(zhuǎn)的。此類小天體被稱為地球“準(zhǔn)衛(wèi)星”型近地小行星，這是由于此現(xiàn)象主要是一種軌道幾何上的效應(yīng)，其實(shí)際地心距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球引力范圍，因此并非像月球那樣真的是在地球引力主導(dǎo)下作圍繞地球的軌道運(yùn)動。

目前地球“準(zhǔn)衛(wèi)星”小行星已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了五顆，最有名的當(dāng)屬直徑大約為40米的(469219) Kamo?oalewa（或稱為2016 HO3），該小行星是我國未來深空探測的目標(biāo)，按計(jì)劃將會在該小行星上著陸并采集研究樣品帶回地球。2016 HO3是目前已發(fā)現(xiàn)的五顆準(zhǔn)衛(wèi)星中軌道穩(wěn)定性最好的，預(yù)計(jì)在未來300年仍然能保持為“準(zhǔn)衛(wèi)星”狀態(tài)，且在未來1百萬年仍然與地球共軌。

圖近地小行星2016 HO3未來100年的軌道在日地旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的示意圖 | 圖源：astorb.com

2020 CD3——“迷你月亮”

如果某顆近地小行星以相對較低的速度闖入地月系，其有可能被地月系捕獲而成為地球的一顆天然衛(wèi)星。不過由于被捕獲后的小行星軌道能量依然比較大，一般來說會隨著時(shí)間演化最終逃離地月系引力的束縛，因此，此類小行星只能算是地球的臨時(shí)衛(wèi)星。

由卡特琳娜巡天計(jì)劃于2020年2月15日發(fā)現(xiàn)的2020 CD3即屬于此類近地小行星（據(jù)估計(jì)該小行星直徑僅約為3米）。通過對其軌道溯源計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該小行星大概是在2017年9月左右被地月系引力所捕獲的，然后在復(fù)雜的引力環(huán)境下繞著地球做軌道運(yùn)動，并在2020年5月離開地月系。該小行星發(fā)現(xiàn)后引起公眾極大的興趣，一度被稱為地球的“迷你月亮”。

2020 CD3（紫色）被地球（藍(lán)點(diǎn)）俘獲后的軌道運(yùn)動，黃色表示月球軌道。 | 圖源：wikipedia

2010 TK7與2020 XL5——地球特洛伊小行星

在地球軌道面上，與地球共軌且位于地球前后60°夾角的位置稱為日-地三角平動點(diǎn)（或稱為日-地拉格朗日L4、L5點(diǎn)）。若某顆小行星在日-地三角平動點(diǎn)附近往復(fù)運(yùn)動，這樣的小行星被稱為地球特洛伊小行星。相比于日-木三角平動點(diǎn)，日-地三角平動點(diǎn)的穩(wěn)定性較差，因此一般來說小行星難以在此停留較長時(shí)間。人們一度以為地球不存在類似木星的特洛伊小行星，直到2010年10月美國的WISE空間望遠(yuǎn)鏡在L4點(diǎn)附近首次發(fā)現(xiàn)了一顆地球特洛伊小行星——300米左右大小的2010 TK7。研究表明，2010 TK7可能是約1800年前被“俘獲”到地球L4點(diǎn)附近的，而在15000年后可能遷移到L5點(diǎn)附近，也可能“逃逸”不再成為地球特洛伊小行星。

五個(gè)日-地拉格朗日點(diǎn)示意圖，L4和L5點(diǎn)分別位于地球前、后60°角位置。 | 圖源：wikipedia

地球特洛伊小行星的搜尋并未停止，2017年美國的OSIRIS-REx和日本的Hayabusa 2小行星探測器在飛行過程中對地球的L4、L5區(qū)域進(jìn)行了搜尋，不過遺憾的是一無所獲?？上驳氖鞘旰蟮?020年12月12日，美國的泛星計(jì)劃發(fā)現(xiàn)了第二顆日-地L4小行星：2020 XL5，這顆小行星的直徑更大，達(dá)到了1.2公里。軌道計(jì)算表明該小行星大概在500年前被“俘獲”為地球特洛伊小行星，而在4000年后將離開目前的軌道。

相比于其他類型的近地小行星，這兩顆地球特洛伊小行星對地球的安全威脅要小得多，最起碼幾千年內(nèi)不用擔(dān)心它們會撞上地球。不過在科學(xué)上此類小行星受關(guān)注程度則相當(dāng)高，這是由于它們獨(dú)特的動力學(xué)特性有助于為我們提供對太陽系早期形成歷史的關(guān)鍵線索。此外，有學(xué)者還注意到，由于低傾角的地球特洛伊小行星可到達(dá)性很好，它們可以成為探索太陽系的太空基地，甚至可能作為太空資源開發(fā)的對象。