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隼鳥2號著陸采樣的“龍宮”表面只有900萬歲

2020-04-15 10:35:44  來源:科普中國

熟悉前情的老讀者們應該知道,日本JAXA的隼鳥2號探測器對近地小行星龍宮共成功展開過兩次著陸采樣(詳見:電光火石,短兵相接!隼鳥2號第一次龍宮采樣全記錄和3億公里外,60厘米精度!隼鳥2號第二次龍宮采樣全記錄)。兩次著陸采樣點分別被命名為“玉手箱”(Tamatebako)和“萬寶槌”(Uchide-no-kozuchi),均來源于日本傳說故事。

其中為了第二次能采集到龍宮地下埋藏的、未受過空間風化侵蝕的”新鮮“原始物質,隼鳥2號更是暴力值拉滿,直接向龍宮表面投下一枚“炸彈”來撞出這些地下物質。這枚“炸彈”,也就是撞擊器(Small Carry-on Impactor,簡稱SCI)重達14公斤,其中有9.5公斤都是炸藥。(詳見:先是沖我打了一槍,然后又要開炮,人類也太兇殘了吧!)

爆破大作戰的成功,最直接的作用是讓隼鳥2號之后的第二次采樣得以順利展開。不過采集的新鮮樣本能揭開什么關于小行星和太陽系早期的古老謎題,還要等隼鳥2號把返回艙送回地球,行星科學家們再對這些樣本進行全方位的分析之后才能知道,四舍五入怎么著也得1-2年后吧。

而在這之前,其實這次“爆破”本身已經給我們帶來太多太多豐富的科學信息了——這是一次珍貴的人工撞擊實驗,也是人類第一次在小行星上進行如此可控、可測的撞擊試驗。

2020年4月3日,《科學》雜志正式在線發表了以神戶大學荒川政彥教授為首的行星科學家團隊對這次人工撞擊試驗的首批分析成果 [3],可以說是信息量滿滿。(其實3月19日就已經online了,不過那時候還沒正式排版)

來源:《科學》雜志

來源:《科學》雜志<

Part.1

為什么要在小行星上做撞擊試驗?

或許你會想,撞擊實驗有什么好做的?不是時不時就有小天體撞擊地球月球么?

不一樣的。

我們能全面而完整地觀察到的常常只有撞擊事件留下的產物——撞擊坑。但在大多數情況下,我們更關心的其實是撞擊坑的來源:一顆多大、多重、什么材質、什么入射角度的肇事小天體才能砸出我們最終看到的這樣的坑,撞擊之后會發生什么,我們希望能準確建立起起因-結果之間的聯系。

少數幸運的情況下,我們能預先觀測或者事后追溯到肇事小天體的一點模糊的信息,通常是軌道,個頭大一點的還能估算大致尺寸,但我們依然缺失太多重要的信息,例如小天體的質量、密度、材質強度、撞擊入射角度……

當然,我們在實驗室里也可以做模擬撞擊試驗,可以用“高速槍”打出不同速度和材質的“撞擊物”,模擬不同的表面材質和重力環境(假裝是不同的星球)。但許多實際情況是實驗室里模擬不了的,更有很多實際情況是我們壓根就不了解,所以也就不知道怎么才能模擬的。

NASA阿蒙森空間中心的撞擊模擬實驗室(Ames Vertical Gun Range,簡稱AVGR)就是著名的撞擊模擬實驗室之一。在這樣的實驗室里,我們可以用不同尺寸和材質小球來模擬撞擊物,撞擊速度、角度,被撞表面的重力、材質也可以模擬。   來源:NASA

NASA阿蒙森空間中心的撞擊模擬實驗室(Ames Vertical Gun Range,簡稱AVGR)就是著名的撞擊模擬實驗室之一。在這樣的實驗室里,我們可以用不同尺寸和材質小球來模擬撞擊物,撞擊速度、角度,被撞表面的重力、材質也可以模擬。   來源:NASA

早在2005年,NASA的彗星探測器深度撞擊號(Deep Impact)就曾經成功釋放撞擊器撞擊了彗星坦普爾1號的彗核,并同時通過飛掠器對撞擊過程進行了跟蹤拍攝。

深度撞擊號撞擊彗星坦普爾1號的過程。   來源:維基百科

深度撞擊號撞擊彗星坦普爾1號的過程。   來源:維基百科

撞擊器成功在彗星坦普爾1號的彗核表面撞出一個直徑約150米的撞擊坑,幫助我們了解了很多關于彗核表面的性質。

撞擊前(左)和后(右)的彗星坦普爾1號的彗核表面,新撞出一個直徑約150米的撞擊坑。   來源:NASA

撞擊前(左)和后(右)的彗星坦普爾1號的彗核表面,新撞出一個直徑約150米的撞擊坑。   來源:NASA

但在小行星上,人類之前還沒有進行過這樣的人工撞擊試驗,直到隼鳥2號。

Part.2

如何在遠在3億公里外的小行星上精確開展人工撞擊試驗?

被扔下的撞擊器(SCI)在距離龍宮表面約250-300米高度處引爆炸藥,把底端厚約5毫米、重2公斤的純銅質薄板“壓縮”為一枚直徑13厘米,厚5毫米的空心球“炮彈”,再使之高速撞向龍宮表面。這意味著撞擊物的質量、體積、材質強度、平均密度我們是可以準確控制和掌握的。

之所以選擇在半空中引爆,以純銅炮彈撞擊,是為了不讓炸藥污染采樣區。

在銅板加速過程中變形成的“炮彈”,會迅速被加速到2.06公里/秒。也就是說,撞擊速度我們是可以精確控制和掌握的。

但實際撞上小行星龍宮的角度就很難準確預估了,還是直接觀測到撞擊的實際情況更靠譜,這就需要一個不起眼的小家伙,DCAM3相機出馬了。

DCAM3的位置和結構。

投下撞擊器后,肇事鳥隼鳥2號本鳥機為了不被炸出的濺射物撞傷,丟完“炸彈”拔腿就跑,只扔下了DCAM3相機來拍攝這場爆破大戲。

隼鳥2號投下撞擊器之后的躲避計劃。

被扔出的DCAM3相機在距離撞擊點約1公里處連續拍攝了2個多小時,成功記錄下了長達8分多鐘的撞擊過程,當然,也記錄下了撞擊的角度:撞擊器是從南向北以相對于龍宮當地表面60°的角度撞上小行星龍宮的。

隼鳥2號投下撞擊器之后的躲避計劃。

至此,科學家們已經完全掌握了撞擊物的參數,剩下的就看這個撞擊器到底在龍宮表面砸出了個啥了。

不過DCAM3相機是一次性的,用完即廢(飛走),想要知道撞出了啥樣,還得靠隼鳥2號自己飛回來拍。

大約三周后,“避險”結束的隼鳥2號飛回龍宮上空,用ONC-T相機在距離龍宮表面約1.7公里高度處對預定撞擊區拍攝了一系列分辨率高達18厘米/像素的影像(詳細過程我們之前也寫過:隼鳥2號:被扔了“炸彈”的“龍宮”怎么樣了?)。

前后對比,顯然撞擊器成功完成使命,撞出了一個直徑10多米的撞擊坑。實際撞擊點位于龍宮赤道北部(北緯7.9°,東經301.3°),距離預定撞擊點偏離了約20米。

那這次撞擊發現了什么?可以簡單總結為三點:不對稱、不一致、不古老。

不對稱

撞擊沒能形成一個完整的圓形的撞擊坑,只形成了一個半圓坑。這可能是因為原本這里的大石塊阻擋了另一半撞擊坑的形成。

撞擊前vs撞擊后,撞擊方向從南向北,兩塊標記的石塊分別被取名為移動石塊Mobile Block(簡稱MB)和穩定石塊Stable Blokc(簡稱SB)(名字是認真的,論文里真的是這么寫的)。

撞擊前vs撞擊后,撞擊方向從南向北,兩塊標記的石塊分別被取名為移動石塊Mobile Block(簡稱MB)和穩定石塊Stable Blokc(簡稱SB)(名字是認真的,論文里真的是這么寫的)。

證據是撞擊發生之后很多此處原本的石塊都發生了移動,例如約5米大小的石塊MB直接被撞開,向外移動了約3米,但附近另一塊差不多大小的SB石塊卻幾乎沒有發生移動。這很可能是因為SB石塊其實遠不止我們看到的這么一小塊,而是一塊埋在地下的更大的石塊露出的“石山一角”,而這一整個更大的石塊阻礙了另外一半撞擊坑的形成,結果就只在沒有大石塊阻擋的半邊形成了一個半圓坑。

不僅是撞擊坑的形狀,撞擊過程中挖掘和向四周濺射出的物質(我們稱為濺射簾)也是不對稱的,DCAM3相機記錄下了濺射簾從產生到落下的完整過程。

撞擊器(SCI)從南向北飛來,北向先開始產生濺射簾;隨著撞擊坑的擴大,濺射簾愈發清晰;直到撞擊后大約250秒時,撞擊坑停止增長,濺射簾開始變得透明,最終消失。但整個過程中都能看到,北向的濺射簾始終發育得更為清晰完整,而南向只在中后期才可以看到微弱的濺射物飛出。

 DCAM3相機記錄下的撞擊之后幾個關鍵時點濺射簾發育狀況。

DCAM3相機記錄下的撞擊之后幾個關鍵時點濺射簾發育狀況。

濺射簾飛濺,最終會落回龍宮表面,這些鋪在撞擊坑周圍的濺射物也是不對稱的。ONC-T相機v波段(0.55微米)的反射差異圖證實,撞擊坑周圍的濺射物幾乎全部位于北半部分。

 A、DCAM3相機記錄下的撞擊后192秒時幾條顯著的輻射紋,B、輻射紋最終落下的區域,C、ONC-T相機v波段(0.55微米)的反射差異圖顯示撞擊坑北半部分的反射因子顯著低于南半部分,這表明北半部分的濺射物顯著厚于南半部分,當然,也體現了挖掘出的次表層物質比原本的表面物質反射率更低。

A、DCAM3相機記錄下的撞擊后192秒時幾條顯著的輻射紋,B、輻射紋最終落下的區域,C、ONC-T相機v波段(0.55微米)的反射差異圖顯示撞擊坑北半部分的反射因子顯著低于南半部分,這表明北半部分的濺射物顯著厚于南半部分,當然,也體現了挖掘出的次表層物質比原本的表面物質反射率更低。

傾斜撞擊(通常入射角需要小于30°)可能會產生類似的濺射簾和濺射物不對稱分布,但DCAM3相機觀測到的撞擊角度排除了這種可能性。過去的撞擊實驗告訴我們,相對于地面60°的撞擊入射角產生的撞擊效果和垂直入射沒有明顯區別:撞擊坑是圓的、撞擊濺射簾中后期和濺射毯也是近乎均勻分布在撞擊坑周圍的。

那么剩下的最可能的情況依然是:大石塊的存在阻礙了南向濺射物的飛濺,自然也導致了南半部分濺射物的缺失。

不一致

在對隼鳥2號第一批科學成果的介紹里(詳見:《科學》雜志:隼鳥2號的“龍宮”探險發現了些什么?)我們提到過,龍宮是一顆由松散的石塊構成的碎石堆型小行星(rubble pile)。龍宮的地下結構,也和大型巖質行星上的有著諸多不同之處。

以月球為例,月球最表面是一層質地細膩的風化層(顆粒大小通常不足1厘米),也叫月壤層。這是表面基巖經過長期撞擊和風化的產物,相當于大石塊慢慢被撞擊越砸越碎,也就是說,從上(外)到下(內),顆粒越來越大。

 月球淺表的垂直分布,最上面那層細膩的表層就是風化層。

月球淺表的垂直分布,最上面那層細膩的表層就是風化層。

但龍宮上并不是這樣。

早在2018年底,巡視器MINERVA-II1和著陸器MASCOT登上龍宮表面,就已經發現龍宮表面全是大大小小的石塊,小至幾厘米,大至數米數十米,居然幾乎看不到質地細膩的風化層,這完全不同于人們之前所想的,也不同于人們在其他小行星上看到的 [9]。這些石塊不僅為龍宮的形成留下了謎題,也為后來隼鳥2號的著陸采樣帶來了很多困擾。

月表顆粒比龍宮表面小很多▼

(左)阿波羅11號巴茲·奧爾德林的月面腳印。來源:NASA;(右)隼鳥2號在距離龍宮表面42米處拍攝。來源:JAXA、東大等 [10] 注意兩張圖比例尺不同。

(左)阿波羅11號巴茲·奧爾德林的月面腳印。來源:NASA;(右)隼鳥2號在距離龍宮表面42米處拍攝。來源:JAXA、東大等 [10] 注意兩張圖比例尺不同。

然而,本次人工撞擊發現:人造撞擊坑的坑壁平整,坑內物質比原本的表面物質還要細膩。

 撞擊前vs撞擊后。

撞擊前vs撞擊后。

坑內的石塊大小也降至坑外平均水平的三分之一。

坑內和坑外的石塊大小-頻率分布對比??梢钥吹綄τ谙嗤笮〉氖瘔K,坑外(藍色)比坑內(綠色)的頻率(也就是密度)高出2倍。

坑內和坑外的石塊大小-頻率分布對比??梢钥吹綄τ谙嗤笮〉氖瘔K,坑外(藍色)比坑內(綠色)的頻率(也就是密度)高出2倍。

作者團隊認為:是挖掘出的次表層物質掩埋了原本位于坑壁的那些大石塊。也就是說,挖掘出的龍宮次表層物質比表面的顆粒還要小。

但是呢,顆粒更小并不意味著強度更低。

證據是這個新形成的人造撞擊坑并不是這個大小的撞擊坑里最常見的碗狀,而是坑內還有一個直徑約3米,深約0.6米的中央坑(center pit)。

 人造撞擊坑內部的中央坑(右圖的pit)。

人造撞擊坑內部的中央坑(右圖的pit)。

這并不是孤例,在撞擊點附近,科學家們還找到了一個天然撞擊坑內也呈現出了疑似中央坑的結構。

 龍宮上一個天然撞擊坑中可能的中央坑和整體地形剖面。

龍宮上一個天然撞擊坑中可能的中央坑和整體地形剖面。

在月球上,這樣的中央坑撞擊坑通常意味著較松軟的表層風化層之下還有一層更為致密堅固的基巖層,測量這類撞擊坑的形態參數是我們估算月表風化層厚度的重要方法。

某些大小的撞擊剛好可以打穿松軟的風化層,撞入下層堅硬緊實的基巖,這時就可能形成“坑中坑”的形態,在月球上,能形成這樣形態的撞擊坑通常直徑在數百米以下。

某些大小的撞擊剛好可以打穿松軟的風化層,撞入下層堅硬緊實的基巖,這時就可能形成“坑中坑”的形態,在月球上,能形成這樣形態的撞擊坑通常直徑在數百米以下。

因此,龍宮上中央坑型撞擊坑的存在很可能意味著龍宮的次表層相比于表層更為緊致聚合、強度也更高。據此估算,龍宮的次表層聚合強度可能在140-670帕之間(后面會提到,龍宮表層的有效聚合強度據推算只有不到1.3帕)。

小行星龍宮可能的淺層地下結構。

小行星龍宮可能的淺層地下結構。

還有一些重要的差異其實這篇論文里并沒有提到,但在2019年的日本地球科學聯合大會JpGU的口頭報告中,隼鳥2號項目的科學家們透露過一些。例如,為什么龍宮上被撞出的淺表層物質比表層物質更深更暗?這完全不符合我們對月球、水星、火星等固態天體的認知啊,新鮮撞擊坑的輻射紋告訴我們,星球表面的物質通常會因為空間風化而會變得越來越深暗,而剛從地下挖出來的新鮮物質則會更淺更亮才對啊。

地下新鮮物質:更亮vs更暗。

地下新鮮物質:更亮vs更暗。

可能是還攢著給下一篇論文用的吧。

最后,我們最最關心的肯定還是:同樣的撞擊物撞上小行星龍宮和撞上地球這樣的巖質大天體,形成的撞擊坑大小一樣么?絕對不一樣。

不過,行星科學家們通過觀測數據確認了這種差異和天體表面的材質強度差異關系不大,主要是兩者表面重力的差異決定的。

通過對龍宮地形的精確測量表明,這個質量2公斤,直徑13厘米,平均密度1740千克/立方米的銅質空心球,以2.06千米/秒的速度、相對地面60°的角度撞上龍宮表面,最終形成的撞擊坑以隆起的坑緣計直徑17.6±0.7米,以原本的地表計直徑14.5±0.8米。

 人造撞擊坑一帶的地形起伏和直徑測量。

人造撞擊坑一帶的地形起伏和直徑測量。

然而由于龍宮的表面重力加速度只有地球的約10萬分之一,同樣的撞擊在龍宮上形成的撞擊坑會有地球上的約7倍那么大。

不古老

對隼鳥2號第一批科學成果的介紹里(詳見:《科學》雜志:隼鳥2號的“龍宮”探險發現了些什么?),我們提到過,通過統計龍宮表面撞擊坑數目和大小,可以幫助我們了解龍宮表面的年齡。因為撞擊坑越密集,就表示表面越古老。注意這里說的“年齡”,只是龍宮形成現在的表面的年齡,而不是組成龍宮的石塊形成的年齡——后者顯然要更古老,那會是屬于這些石塊的母體小行星的歷史了。

隼鳥2號在龍宮表面識別了50多個圓形洼陷結構,其中有30多個都有比較典型的撞擊坑形態,可以基本認為是撞擊坑,而剩下的暫時很難判斷。

龍宮上識別出的地貌特征,其中紅圈是比較確定的撞擊坑。不過,撞擊坑似乎聚集在赤道區域只是因為地圖投影帶來的錯覺。

龍宮上識別出的地貌特征,其中紅圈是比較確定的撞擊坑。不過,撞擊坑似乎聚集在赤道區域只是因為地圖投影帶來的錯覺。

然而,只有撞擊坑統計還不夠,龍宮表面物質的聚合強度也能影響我們對年齡的判斷:按現在的直徑100-200米的撞擊坑密度來推算,如果表面物質完全沒有聚合強度的話,龍宮表面的年齡應該在900萬年左右;如果表面物質有干燥的土壤那種程度的微弱聚合性的話,龍宮表面的年齡應該在1.6億年左右。(但無論是哪種情況,都比隔壁貝努表面年輕多了。)

 龍宮表面的撞擊坑密度與年齡的關系。

龍宮表面的撞擊坑密度與年齡的關系。

而這次的人造撞擊實驗則明確告訴我們,龍宮表面物質的有效聚合強度只有不到1.3帕,接近于沙子的效果(但顆粒大小不同),也就是說聚合強度非常微弱。

 沒有強度的表面vs有強度的表面。對相同條件(質量、速度、角度)的撞擊物,撞上強度和粘性越強的表面,產生的濺射物越少,濺射范圍也越小。

沒有強度的表面vs有強度的表面。對相同條件(質量、速度、角度)的撞擊物,撞上強度和粘性越強的表面,產生的濺射物越少,濺射范圍也越小。

這一結果支持第一種年齡推測,也就是說:龍宮表面的年齡非常年輕,在900萬年左右。

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