硬質與柔軟的反彈導致小行星的表面結構

實驗與計算模擬顯示，小行星表面大、小岩石的分離來源於轟擊表面的顆粒與已經存在的岩石發生的碰撞。

糸川(Itokawa)是由岩石堆積而成的小行星，是太陽系中的碎片經由自身的重力聚集而成。它具有不規則的形狀，最大長度只有540 m。2005 年， 日本「 隼(Hayabusa) 號」無人探測飛船近距離地拍攝了它的照片，並出人意料地揭示了它的兩種不同的表面類型。表面凹陷的區域主要填充了厘米以下的小石子和細碎的塵埃，而較高的區域則是大到40 m的巨型卵石。

人們對於為什麼會有這種現象爭論不休。來自新澤西羅格斯大學的Troy Shinbrot 及其同事基於理論和實驗分析提出一種解釋。他們說，糸川上大卵石與小石子的體積相似，因此小石子的數目遠超大卵石的數目，大約達到十億倍。糸川的形成與生長來源於無數小顆粒的累積，以及偶爾的大顆粒的撞擊。

如果一個小顆粒飄至糸川時撞到一塊大卵石，它通常會被彈飛：要麼飛離小行星，要麼換個地方再次碰撞。但是，如果它落到的地方都是尺寸類似的小石子，它的動量和能量則會迅速地通過多次碰撞而消散，於是就會在碰撞點附近停下來。這種差異使人們易於理解為什麼石子海會穩步地長大並填充了較低的地區，而較大的卵石則裸露於小行星表面較高的地區。

一系列的實驗驗證了這種想法。首先，研究人員將1 mm 直徑的玻璃珠子落到模擬巨石表面的陶瓷片上。玻璃球逐粒地掉落，而不是傾倒下去。這些珠子幾乎全部被彈開，陶瓷片表面仍然保持了一無所有。但是如果先在盤面放置一小堆珠子，下落的珠子則會扎進去並停留在那裡，使得這堆珠子越長越大。

碎石堆成的小行星糸川(Itokawa)具有兩種截然不同類型的表面：低地勢區域填充了小石子，高地勢區則是大塊岩石

隨後，他們準備了卵石。每一顆卵石的直徑為幾個厘米，堆成山峰和山谷的樣子。他們不斷將玻璃珠掉落到這些不規則的表面上，發現隨著時間的推移，這些珠子填充了較低的區域，而較高區域的石子仍然裸露。為了說明這並不是簡單的珠子滾落到山谷的結果，研究人員檢測了山谷填充的速度。他們發現這一結果並不與顆粒滾入山谷的速率相符，但與一個有上百年歷史的經驗公式相符合，這個公式描述的是顆粒如何積累到已有的顆粒堆中。

最後，研究人員通過計算機模擬來追蹤反彈顆粒所經歷的路徑，並控制其中的重力。這種模擬肯定了粒子從巨石上彈開並在顆粒海中停留下來。他們同樣展示了這種機制在非常低的重力條件下也可以成立。研究人員認為，對那些重力很弱、只能吸引慢速粒子的星體而言，這是其上不同大小顆粒發生分離的主要原因。但這種機制在各種重力條件下都會產生效果。更大的小行星灶神星(Vesta)和愛神(Eros)直徑分別約為500 km 和30 km。它們的表面平整，顯然由細碎的顆粒構成。這可能是源於相同的機制。那些擁有較強重力的星體會經歷更高速的撞擊，從而拋出碎石雨，也可以導致巨石移動和破碎。

北卡州立大學的Jonathan Kollmer 認為這項工作優雅簡潔，並稱讚其將顆粒材料物理學帶入天體物理的探討中。由於這個研究組的實驗清晰地展現了地球重力下尺度不同顆粒的分離過程，他們提出它可能在研究較大星體的結構形成中具有重要意義，比如火星。

王樹峰 編譯

更多內容詳見：Troy Shinbrot et al. Phys. Rev. Lett.， 2017， 118：111101。

(北京大學王樹峰編譯自David Lindley. Physics，March 17，2017)

本文選自《物理》2017年第5期