美国宇航局研究发现木星特洛伊木马之旅可以揭示太阳系的混乱起源

    木星是一个行星恶霸，用它巨大的引力把其他天体甩到一边。但是，在木星之前和之后，有两个小行星群与木星保持着一定的距离，就像蜷缩着的孩子一样，在木星和太阳的引力作用下，它们被固定在一个稳定的地方。长期以来，天文学家一直对这些被称为“特洛伊”的岩石感到困惑，它们看起来与主要小行星带中的物体非常不同，而且位于最奇怪的地方，在木星前后3.74亿公里处。

    现在，美国宇航局将于10月16日从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射一项名为“露西”(Lucy)的耗资9.81亿美元的机器人任务，探索6个这样的特洛伊木马。在为期12年的旅程中，以著名的人类祖先化石命名的“露西”将测试特洛伊人本身是否是早期太阳系的化石，这些化石是在引力动荡时期从寒冷的海王星以外的遥远地方向内拖来的。特洛伊的表面、形状和组成的细节不仅可以充实这个古代剧变是如何发生的，而且还可以充实这个剧变是何时发生的。在科罗拉多州博尔德市的西南研究所(SwRI)，露西的首席调查员(PI)哈尔·利维森(Hal Levison)把他们的承诺比作一宗神秘谋杀案的线索。“有时墙上的血迹比尸体上的血迹更能说明问题。(小行星)真的是墙壁上的飞溅物。”

    几十年前，研究人员将这两颗行星的形成描绘成一个温和的过程，木星和特洛伊从太阳周围的气体和尘埃盘合并到它们目前的位置附近。但望远镜已经显示，特洛伊木马的颜色并不均匀，如果它们是由相同的当地原料形成的，这是可以预期的。而且，它们的轨道并没有像旧模型预测的那样完美地位于行星盘的平面上，而是略有倾斜。

    2005年，莱维森和其他人利用计算机模拟新生行星如何相互拉拽，提出特洛伊是早期太阳系动荡的遗产。按照现在的想法，原行星盘的气体最初抑制了气体巨行星的引力作用，使它们保持在比今天更接近彼此的稳定轨道上。一旦气体消散，混乱就爆发了，木星向内而其他巨行星向外。冥王星和其他遥远的冰体被抛到更远的地方，被称为柯伊伯带，在海王星之外的一个区域。但该模型还预测，其中一些冰质天体可能是向内分散的，被木星捕获为特洛伊。

    “露西”团队成员、加州理工学院的天文学家迈克·布朗(Mike Brown)说，尽管不稳定性的观点可以解释很多东西，但它还没有经过真正的观测验证。“木马就是那些具体测试的地方，”布朗说。如果它们的组成与柯伊伯带天体相同，“如果没有动力不稳定性，太阳系就不可能形成。”

    为了近距离观察，“露西”将旅行6年，在2027年到达特洛伊的主要群体之前，进行两次飞越地球以提高速度。两个圆形太阳能电池板将为航天器提供动力，每个电池板宽7米，以收集木星轨道上的微弱光线——这比其他任何太阳能电池板都要离太阳更远。

    “露西”的第一个目标即使对特洛伊人来说也是一个奇怪的目标:64公里宽的欧里贝茨和它的小卫星，从远处看，它们类似于在主小行星带中发现的黑暗、富含碳的小行星。在一年内，它将经过波吕梅莱、亮科斯和奥鲁斯，这些天体看起来与柯伊伯带的天体相似。接下来，“露西”将掠过地球，获得第三次重力协助，然后飞回尾随其后的特洛伊星球。2033年，它将调查普特洛克勒斯和墨诺提乌斯，这两颗直径100公里的相互环绕的小行星。双星在小行星带很奇怪，但在更远的柯伊伯带很常见，SwRI的Cathy Olkin说，他是这次任务的副首席研究员。“这一对会是从柯伊伯带捕获的吗?””她问道。

    第一个任务将是确定特洛伊星球上是否含有只能在太阳系外寒冷的薄暮中形成的物质，比如缺乏晶体结构的玻璃状水冰。布朗还想了解特洛伊木马的红色，这是在柯伊伯带许多物体上看到的色调的柔和版本。布朗对这种红色来源的最佳猜测是硫化氢，当受到宇宙射线或其他来源的照射时，硫化氢会变红，但如果太靠近太阳，也会蒸发掉。布朗说，一些柯伊伯带的物体在细长的轨道上，使它们更接近太阳，“看起来很像特洛伊”。

    另一项任务是计算特洛伊表面陨石坑的数量和大小，并将它们与冥王星的卫星卡戎(Charon)和阿罗科斯(Arrokoth)上看到的陨石坑进行比较，这两颗卫星是“新视野号”在2015年和2019年访问过的柯伊伯带天体。类似的分布表明它们是在同一个地方形成的，微小的差异可以揭示特洛伊木马是何时从遥远的家园被撕裂的，利维森说。科学家曾认为这种不稳定性在其形成后约7亿年撼动了太阳系，但现在有些人认为它可能发生在1亿年之后，甚至更早(《科学》，2020年1月24日，第350页)。

    特洛伊可能还提供了关于更早的时间的线索，当行星由原始气体和尘埃合并。Arrokoth的叶状形状符合一个模型，即星子是在气体盘中的卵石云坍缩成城市大小的块状时形成的;这些结构可能会与其他结构合并成越来越大的结构。马里兰大学帕克分校(University of Maryland, College Park)的行星科学家杰西卡·桑夏恩(Jessica Sunshine)说，如果特洛伊木马也是类似的团块，那就说明云坍缩是收集星子的标准方式。木马的相对距离——仅为柯伊伯带离太阳的六分之一——将使它们成为进一步探索的成熟目标，包括将于今年晚些时候发射的美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜。

    利维森希望能有惊喜。他说道:“如果我们只是看到我们所期待的内容，那便会非常无聊。Sunshine补充道，Lucy的耐力和目标数量足以让它有足够的时间跟进任何意外事件。“我们不仅有机会提出新的问题，甚至可能找到答案。”

　　原文链接：
https://www.science.org/content/article/tour-jupiter-s-trojans-could-reveal-solar-system-s-chaotic-origin
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