一口气发了三篇《科学》，隼鸟2号在“龙宫”发现了啥？

　　|· 本文来自“我是科学家”·|
　　小行星，是我们追溯太阳系历史的“时光胶囊”。
　　它们大多是太阳系行星形成时期的留下的碎片，很可能还保留着原始太阳系的成分和信息。
　　但是，小行星的个头太小了，自身又不发光，肉眼几乎不可能看见（除了灶神星），即使在天文望远镜里，也顶多不过是一个小亮点。想要了解小行星的秘密，人们就需要派出使者——探测器，去一看究竟了。
　　来自日本JAXA的隼鸟2号探测器，就担负了这样一个艰巨的任务：探访碳质小行星（C型小行星）——“龙宫”。
　　C型小行星是小行星中数目最多，也最为原始的一类。它们被认为是落入地球上的碳质球粒陨石的母体，其中一些可能富含水和有机物。
　　探测这样的小行星，不但可以帮助我们了解太阳系早期的历史和演化，没准也能我们寻找地球生命起源提供线索。
　　2018年6月，隼鸟2号抵达龙宫。经过了几个月的探测之后，隼鸟2号团队迎来了第一个收获的季节——就在昨天，《科学》杂志一口气刊登了三篇论文，介绍隼鸟2号团队对小行星龙宫的初步探测成果[1-3]。
从一个小亮点，到一整个世界
　　隼鸟2号在距离龙宫133万公里处，首次拍到了它的身影——此时的龙宫还依然只是一个小亮点[4]。

                               
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隼鸟2号2018年2月26日首次拍到的小行星龙宫。来源：JAXA[4]

　　然而，随着隼鸟2号一点一点飞近龙宫，隼鸟2号携带的“十八般兵器”渐渐为我们揭开龙宫的面纱。
　　首先是出场的是相机。隼鸟2号携带了3个相机：1个远望相机ONC-T和两个宽角相机ONC-W1和ONC-W2，最高可以拍摄毫米级分辨率的龙宫表面照片。

                               
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隼鸟2号的三个导航相机。来源：JAXA[5]

　　隼鸟2号的导航相机ONC的探测原理：
　　ONC相机告诉我们，这个直径约900米的小家伙形状略扁（赤道半径502米，两极半径只有438米），长得像个粽子陀螺，赤道有一圈明显的隆起，这个环绕赤道一圈的隆起后来被命名为“龙王山脊”。龙宫的自转周期约7.6小时，转轴倾角171.64°，几乎就是逆行自转（转轴倾角180°）。

                               
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龙宫的东半球和西半球。来源：JAXA

又一个疏松的“乱石堆”
　　通过测量质量和体积，可以计算出龙宫的密度只有1.19克/立方厘米（实在是有点低），这并不是因为组成龙宫的石块本身密度太低，而是因为这些石块都是“松松”地靠在一起的，彼此之间有很大空隙。
　　当年，隼鸟2号的前辈隼鸟号探测的小行星“系川”就是这样一颗典型的“乱石堆”（rubble pile）。这种由众多大大小小的石块通过自身引力聚集在一起形成的小行星，彼此之间的“粘合力”很弱，质地松散，孔隙率自然也很高。

                               
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龙宫上的坍塌和物质流动痕迹。（左）浦岛坑中的坍塌，（右）黄色箭头指示重力位从高到低的方向，与龙宫目前的物质流动方向一致。来源：参考文献[3]

　　而如果我们假设组成龙宫的颗粒物质密度和碳质球粒陨石差不多的话（其中目前已知密度最低的是Orgueil CI陨石，密度2.42±0.06 克/立方厘米[6]），那么整个龙宫的平均孔隙率将大于50%，比小行星系川孔隙率（44%）还要高。
　　也就是说，龙宫也是一颗乱石堆型小行星。

                               
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乱石堆型小行星系川和龙宫。来源：JAXA

　　另一个支持这个观点的证据是：龙宫表面有许多大石块。虽然撞击作用也会产生石块，但龙宫上的这些石块不可能是撞击溅射物，因为长于20米的石块实在太多了（最大的一块长度约160米），龙宫上最大的撞击坑（直径约290米的浦岛坑）也不可能产生这么大的石块。
　　因此，龙宫很可能是一颗直径约100公里的母天体被完全撞碎之后，碎片重新聚集形成的，而龙宫上的这些大石块也不是龙宫形成之后才产生的，更可能是组成龙宫的原始碎片。
“陀螺”是怎么形成的？
　　其实，陀螺状的近地小行星倒也谈不上罕见，天文学家们已经通过地基雷达发现过一些。毕竟，自转引起的离心作用可以让赤道区域产生一定的隆起，这也不奇怪（咱们的地球不也是“两极稍扁，赤道略鼓”么）。

                               
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自转周期短达3.9个小时的妊神星，就因为巨大的离心作用被整个“拉”扁了…快速旋转的妊神星的假想图，看得我都晕……来源：Wikimedia Commons

　　但是，相比于目前已知的其他陀螺状的小行星，龙宫的自转速度似乎太低了（7.63小时），按理说，这样的自转速度似乎并不足以引起这么明显的赤道隆起。

                               
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JAJAXA隼鸟2号探访的龙宫，NASA冥王号探访的贝努，以及欧空局曾经的小行星采样返回计划MarcoPolo-R想要造访的小行星2008 EV5的大小、形状和自转周期，相比之下龙宫实在是转得太慢了。图片来源：JAXA、NASA

　　那么，一个很自然的猜测就是：龙宫过去一定转得很快，是后来减速到现在的自转状态的。

                               
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为了证实这一点，隼鸟2号团队分析了不同自转速率下龙宫表面坡度（表面法线和重力等位面的夹角）的分布。来源：参考文献[1]

　　结果反映出，当龙宫的自转速率是现在的两倍多的时候，龙宫上会发生大规模“坍塌”，大量物质“流”向赤道区域，形成现在环绕赤道一圈的龙王山脊。
　　再然后，随着自转的减慢，如今的龙宫赤道上的物质也正重新“流”向中高纬区域。
有点“干旱”的“龙宫”
　　“龙宫”这个名字来源于日本民间故事《浦岛太郎》（うらしまたろう），故事里的浦岛太郎被海龟带往海底龙宫，在龙宫受到了公主乙姬的热情款待，回到人间的时候带回了一个宝盒——寓意采样返回的隼鸟2号也能从小行星带回珍贵的信息。这个名字的另一个意义在于，C型（碳质）小行星中有几个亚类可能含富含水，这也非常符合“海底龙宫”的意味。

                               
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ポプラ出版社(2018/3/6)童书《浦岛太郎》的封面

　　那龙宫到底是不是这样呢？隼鸟2号的另一件宝贝——近红外光谱仪（NIRS3）告诉我们好像并不是。

                               
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近红外光谱仪的内部结构。来源：JAXA[5]

　　如果某个区域含有某种物质成分，那么这个区域的反射光被光谱仪“分解”之后，就可能显示出这种成分对应的V型的特征吸收。也就是说，光谱仪可以识别许多物质的“指纹”。
　　龙宫携带的近红外光谱仪NIRS3覆盖了1.8-3.2微米的波段范围，在这个范围里，三种不同形式的水：羟基（OH）、液态水和水冰会体现出不同的吸收特征——如果龙宫含水，就应该会被检测到。

                               
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（左）羟基（OH）、水和水冰在3μm（3000 nm）附近有不同波段有不同的吸收特征示例。来源：参考文献[7]（右）龙宫的近红外波段光谱特征。来源：参考文献[2]

　　NIRS3的结果显示，龙宫只在2.72微米处探测到了很窄的V型吸收，而且遍布全球——这是羟基（OH）的吸收特征。也就是说，含羟基的矿物（水合矿物）在龙宫表面普遍存在[2]。
　　然而，龙宫上羟基的特征吸收很微弱，说明整个龙宫表面的羟基都不多——龙宫上虽然有水（羟基可以认为是结构水，但不同于液态水和水冰），但也没有多少水。
　　为什么会有这么少的水呢？可能的原因有很多。
　　一种可能性是，龙宫本身作为一颗重组的乱石堆，很可能经历过一些热变质或者冲击变质过程，类似于经历过这些的碳质球粒陨石，那么自然地，龙宫在这个过程中被加热脱水了。
　　另一种可能是，龙宫曾经的轨道近日点比现在离太阳更近，会受到更强的来自太阳的热辐射，也会因为更强的太阳风作用而导致羟基的分崩离析。
　　总之，就是龙宫可能曾经有过很多水，然后水没了。
　　另一种可能是，龙宫可能原本就没有很多水：龙宫的母体小行星上就（因为种种原因）没有很多水，所以龙宫先天缺水。隼鸟2号项目组更倾向于这种情况。
乡关何处？
　　至于龙宫原本来自哪里？它的母体小行星是什么样的？我们依然可以通过光谱特征这把“指纹钥匙”来推测，或者简单来说，寻找什么样的小天体和龙宫更像。
　　以目前龙宫的光谱形态来看，和龙宫光谱特征最相似的小行星是两颗主带小行星：波兰星（Polana）和欧拉莉娅（Eulalia），从轨道特征来看，龙宫也很可能是这两颗小行星之一的碎片。

                               
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龙宫和波兰星（Polana）、欧拉莉娅（Eulalia）的反射光谱。来源：参考文献[3]

　　事实上，这两颗小行星并不是“单打独斗”的，它们各自有一个庞大的家族——也就是说一系列轨道特征相似，可能来自同一颗小行星母体的族群——波兰星族（Polana family）和欧拉莉娅星族（Eulalia family）（欧拉莉娅星族本身也是波兰星族的一个分支）。
　　也就是说，龙宫可能并不直接来源于这两颗小行星之一的碎片，而可能是它们的二代、三代甚至n代碎片。
龙宫的坎坷一生
　　在隼鸟2号抽丝剥茧地侦查之下，龙宫历经坎坷的一生逐渐浮出水面。
　　龙宫的母体小行星或许原本是有水的，但后来因为自身内部的放射性物质衰减加热，或者因为陨石撞击加热，让很大一部分水散失了。也或许是因为母体小行星的水蚀过程才刚刚开始，还没有形成很多水。
　　总之，这颗略有点“干旱”的母体小行星被另一颗飞来的撞击体完全撞碎，这是太阳系中稀松平常的“惨剧”之一。
　　在这毁灭之中，也孕育着新生——
　　那些撞击产生的碎片，又聚集成了一个个新的小行星族群。因为碎片在这个撞击和重组过程中，除了因为撞击产生的有限的热变质之外，并没有发生很大的化学变化，所以它们几乎还保留着来自母代小行星的“指纹”。
　　龙宫或许就是这样的一颗小行星。
　　又或许，那些子代小行星族群中的一颗，又再次被一颗飞来的撞击体完全击碎，这些碎片再次重组，成为了龙宫。

                               
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龙宫可能的形成过程。来源：参考文献[3]

　　我们并不知道龙宫的一生，经历了多少次俄罗斯套娃式的毁灭和重生。龙宫的这段历史，也是建立在无数“可能”之上的推测——随着隼鸟2号的进一步探索，我们一定会得到一段更加清晰的历史，或许和现在的猜测非常不同。
　　但龙宫这样的小行星，一定经历过毁灭和新生交织的“坎坷人生”，或许也注定在某一次撞击中被完全毁灭。
　　只是刚刚好在这样一个时刻，龙宫也在，我们也在，然后我们看到了龙宫。
　　致谢：本文感谢小龙哈勃的审稿。
　　(编辑：Yuki)
参考文献：

• S. Watanabe, et al., Hayabusa2 arrives at the carbonaceous asteroid 162173 Ryugu—a spinning-top-shaped rubble pile. Science (2019). 
  
• K. Kitazato et al., The surface composition of asteroid 162173 Ryugu from Hayabusa2 near-infrared spectroscopy. Science (2019). 
  
• S. Sugita et al., The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent-body processes. Science (2019). 
  
• http://global.jaxa.jp/press/2018/03/20180301_hayabusa2.html
  
• https://www.darts.isas.jaxa.jp/planet/project/hayabusa2/
  
• P. Vernazza, et al. (2015). Interplanetary dust particles as samples of icy asteroids. The Astrophysical Journal, 806(2), 204.
  
• C. Pieters, et al. (2009). Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1. science, 326(5952), 568-572.
  

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