彗星67P：本以為是個愛情傳奇，誰知道卻是場毀滅中的新生！

原標題：彗星67P：本以為是個愛情傳奇，誰知道卻是場毀滅中的新生！

宇宙中的天體都長什麼樣？不知道。反正不都是球，尤其是那些小個頭兒的天體。大多數小天體，比如小行星和彗星，都長得挺隨心隨欲的。

彗星和小行星大小和形狀舉例。圖片來源：ESA

非要總結歸類的話，也不是完全無跡可尋，最常用的標準就是長寬比啦。雖然同樣是不規則形態，有些小天體長寬比小些，像個蘋果；而有些長寬比大些，就像個芒果。更誇張的就是去年新發現的第一顆來自太陽系外的星際來客『Oumuamua，長寬比高達10:1，假想圖長這樣：

『Oumuamua形狀的假想圖。圖片來源：NASA

在這類長寬比較大的小天體里，還有一種更加奇特的形態：啞鈴型或雙葉型（bilobate），顧名思義，就是明顯可以看到兩端粗中間細。最典型的就是被羅塞塔號詳細觀測過的彗星67P/楚留莫夫（67P/Churyumov–Gerasimenko）了。除此之外，還有比如彗星1P/Halley（也就是我們說的哈雷彗星），以及19P/Borrelly等等。

彗星67P/Churyumov–Gerasimenko（67P/楚留莫夫）、1P/Halley（也就是我們說的哈雷彗星）、19P/Borrelly都是有名的啞鈴型小天體。圖片來源：NASA

侵蝕說和撞擊說

這類啞鈴型小天體是如何形成的？多年以來一直是科學家們爭議的話題。有兩種猜測。一種是侵蝕說——一整塊細長型小天體經過局部性的質量損失和風化侵蝕，最終變成了啞鈴狀；一種是撞擊說——兩個小天體各自形成，然後因為碰撞而連接起來的。

侵蝕說和撞擊說示意圖。局部性的侵蝕作用可能是由由於彗星在近日點附近的排氣作用引起的局部質量損失等原因造成的。製圖：haibaraemily

那麼彗星67P是哪一種呢？2014年8月6日，歐空局發射的羅塞塔號探測器給出了明確的答案[1]。羅塞塔號攜帶的OSIRIS相機，不僅獲取了彗星67P表面所有的區域的影像並進行了分區，而且還以高達7米/像素的解析度精細測繪了彗星67P的地層。

羅塞塔號及其攜帶的菲萊號著陸器和彗星67P。圖片來源：ESA

羅塞塔號獲取的影像中，地表的斷層形成台階一樣的台地，暴露出彗星67P內部豐富的地層結構，表明它並不是一個均質的「蘋果」，而是一個層層疊加的「洋蔥」。這些地層是彗星活躍的地質活動引起的，和地球上相似，每個時期會產生這個時期對應的地層，而在沒有發生倒轉和差異侵蝕的情況下，新產生的地層會不斷疊加在舊的地層之上。

左圖是彗星67P上Seth區域中的台地（綠色）和暴露出來的地層（紅色）。右圖是放大後的平行地層。圖片來源：ESA

顯然，侵蝕說和撞擊說產生的地層特徵應當是不同的。如果啞鈴結構是由局部侵蝕產生的，那麼靠近侵蝕部分的地層方向和重力方向就不垂直了。

侵蝕和撞擊形成的啞鈴型小天體應該會有完全不同的地層分布。製圖：haibaraemily

通過分析羅塞塔號傳回的影像數據，科學家重現了彗星67P表層向下650米深的地層結構，確認彗星67P並不是一個大洋蔥被局部侵蝕變成啞鈴形狀的，而是兩個各自獨立形成的「洋蔥頭」重組而成的[1]。

多視角的地層和重力方向關係，黃色為重力方向，虛線為地層位置，兩者幾乎處處近乎垂直。圖片來源：文獻[1]

但是新問題又來了，如果彗星67P是撞擊合併而成的，又要如何保持原本的地層和內部結構，而不被猛烈的撞擊產生的熱所融化重鑄呢？這種相遇和結合，到底是什麼引起的？科學家們對此依然充滿爭議。

怎麼撞上的？

一種觀點認為，兩顆形成於太陽系相似的環境中的原始彗核碰巧相遇了，因為相對速度不大，兩顆彗核緩緩相撞並由於引力作用最終結合在了一起形成今天的彗星67P（所以我們姑且管這叫「緣分說」吧）。但由於這一過程只可能發生在太陽系形成早期（最開始的1000萬年左右），所以如果這一假說是真的，就說明彗星67P非常古老，在太陽系早期就已經完成了合併。

緣分說。圖片來源：參考文獻[2] | 翻譯：haibaraemily

這一假說的局限性是顯而易見的：真的就有這麼巧？倆雙胞胎剛好又撞在一起了，沒有早一點，沒有晚一點，沒有快一點，也沒有慢一點？當然，用「倖存者偏差」可以部分解釋這種「巧合」——如果不是這麼巧，兩顆差不多大的彗核要麼就永遠無法相遇，要麼就迎頭猛撞然後粉身碎骨。總之我們今天能看到的，都是倖存下來的……

似乎也沒毛病……

但也有一部分科學家並不相信這種巧合，於是就有了另一種假說：災難性撞擊說。

在茫茫宇宙這麼長的時間尺度下，大大小小天體之間的猛烈撞擊是很常見的，月球上密集的隕石坑就是最好的證明，1994年舉世矚目的彗木相撞更是讓無數人直觀感受到了天體之間的撞擊。只不過，大小差異太過懸殊的情況下，自然是大天體巋然不動，小天體屍骨無存。

左：滿目瘡痍的月球高地；右：彗木相撞後在木星上留下的紅褐色斑點。圖片來源：NASA

那如果是大小差不多（量級上可比）的天體呢？如果速度還很快呢？這樣的撞擊就可能是毀滅性的，大天體也不能倖免，也會被撞得粉碎。災難性撞擊說就是基於這種撞擊事件的進一步猜想：一顆被毀滅性大撞擊完全擊碎的大天體的千百萬塊碎片中，一部分碎片又重新聚集和吸積，兩塊較大的碎片結合成了如今的彗星67P。這樣的撞擊事件在整個太陽系的各個階段都在不斷發生，並不是太陽系早期獨有的。所以如果這個假說是真的，那麼雖然彗星67P的兩個「啞鈴頭」依然保留著太陽系最古老的特徵，但如今這個合併的模樣可能其實很年輕。

災難性撞擊說。圖片來源：參考文獻[2]| 翻譯：haibaraemily

大撞擊：水能煮粥，亦能載舟

災難性大撞擊的假說也不是因為不喜歡緣分說憑空想出來的。天文學家在研究小行星的形成原因時就成功地證明過這個假說。當時人們發現，雖然太陽系裡有辣么多辣么多小行星，但明顯可以有些小行星的光譜和軌道特徵太像了——這絕對是一家子出來的啊！於是科學家們通過光譜特徵把一些小行星分了類（族）。

一個很自然的推理就是：同族的小行星們都是同一顆母天體被撞出來的碎片！2001年，法國尼斯天文台的Michel團隊首次通過計算機模擬較為全面地重現了這個過程，表明被撞擊後的碎片是可以快速完成吸積和重組的[3]。

災難性撞擊之後碎片的重組過程。圖片來源：參考文獻[3] | 翻譯：haibaraemily

這一成果還登上了2001年11月23日的Science封面。

Michel的模擬結果雖然極其精彩，但也有明顯的粗糙之處——為了簡化，所有的碎片和碎片的重組體都以球形模擬，而沒有考慮它們的實際形狀。於是2013年，Michel及同事又做出了一些改進，改進後的模擬結果表明，這種災難性大撞擊之後的重組可以形成各種形狀的小天體[3]。

Michel和同事們用改進版模型模擬出災難性撞擊之後，碎片重組出小行星「絲川」的過程。圖片來源：參考文獻[4] | 翻譯：haibaraemily

改進版模型已經可以模擬出彗星這樣不規則形狀的小天體了，但從小行星到彗星還是差了那麼一點：彗星更加特殊，不僅質地更鬆散，而且還含有大量固態形式的揮發性物質（比如水冰）。經過大撞擊後的重組，彗星的鬆散質地和揮發性組分還能保持的住么？

近日，同樣來自法國尼斯天文台的Schwartz及其同事們的最新模擬結果[5]表明：完全沒問題！

Schwartz及其同事們模擬了以下不同速度和質量比的多種災難性撞擊下母天體碎片的重吸積過程。

模擬中選取的撞擊參數，每種都已經達到了災難性撞擊的閾值，也就是每種情況下母天體都會被撞擊所粉碎。注意這裡的速度是撞擊體撞碎母天體的相對速度。彗星67P的質量大約為模擬採用的母天體質量的9%。來源：參考文獻[5]

以下是其中一種模擬情況下母天體被撞碎和碎片吸積重組的樣子。

Schwartz及同事們模擬的撞擊速度150 m/s，摩擦角29°情況下，母天體被撞碎以及碎片的重吸積過程。視頻來源：參考文獻[5]

模擬結果顯示，毀滅性大撞擊之後，母天體的碎片完全可能以低速相互碰撞（相對速度小於1 m/s）的方式重新聚集在一起，重吸積之後會產生各種大小和形態的小天體，其中完全可能形成67P這樣的啞鈴型形狀。並且，碎片重組過程中產生的熱量並不高，也不會發生劇烈的壓縮，可以允許大部分碎片依然保持原先的形態、揮發組分，和鬆散質地。

Schwartz及同事們模擬的災難性大撞擊發生9天後還在進行的緩慢撞擊和融合，這個10.7秒的視頻代表了10.7個小時內的變化來源：參考文獻[5]

啞鈴型彗星的災難性撞擊起源假說可以更好地解釋這些碎片為什麼會剛好撞在一起，也可以更好地解釋彗星表面的斷層等撞擊相關的地貌成因。同時，這樣的撞擊在太陽系歷史上的任何時候都可能發生。因此雖然彗星67P的兩個啞鈴頭部分已經保留著太陽系最原始的成分，但這種新的組成體，以及表面的一些地貌形態可能非常年輕。

如果我們把時光的指針稍稍撥回一百年，那時候的科學家們沒有幾個會相信月球上的隕石坑是隕石撞擊形成的（那時候大多數人認為是火山噴發或者地表塌陷形成的），畢竟，那些密密麻麻的隕石坑……Excuse me，撞擊怎麼可能起到這麼大的作用？！

然而，如今的我們已經知道，不僅月球、火星和太陽系中幾乎所有的固態天體上都布滿了隕石撞擊留下的痕迹（地球上也有，只是大多被後來的地質作用抹掉了），甚至連月球本身都可能是大撞擊產生的，冥衛一卡戎可能也是形成於類似的過程；地球上的水和有機物可能是小行星和彗星的撞擊帶來的；土星壯麗的環系有些可能來自衛星被撞碎的碎片……

雖然在這茫茫宇宙的漫長歷史中，有無數的天體曾經或正在撞擊中走向毀滅。

但這毀滅之中，也孕育著新生。

想像中的形成月球的大撞擊圖景。

大撞擊假說認為，約45億年前，一個火星大小的天體撞擊地球，其碎片形成了後來的月球。不過關於撞擊體的大小、撞擊發生的次數等細節問題目前依然有爭議。大撞擊假說是目前最受青睞的月球起源假說。

作者名片

排版：曉嵐

參考文獻：

1.Massironi, M., Simioni, E., Marzari, F., Cremonese, G., Giacomini, L., Pajola, M., ... & Preusker, F. (2015). Two independent and primitive envelopes of the bilobate nucleus of comet 67P. Nature, 526(7573), 402.

2.Nature News：How the rubber-duck comet got its shape

3.Michel, P., Benz, W., Tanga, P., & Richardson, D. C. (2001). Collisions and gravitational reaccumulation: Forming asteroid families and satellites. Science, 294(5547), 1696-1700.

4.Michel, P., & Richardson, D. C. (2013). Collision and gravitational reaccumulation: Possible formation mechanism of the asteroid Itokawa. Astronomy & Astrophysics, 554, L1.

5.Schwartz, S. R., Michel, P., Jutzi, M., Marchi, S., Zhang, Y., & Richardson, D. C. (2018). Catastrophic disruptions as the origin of bilobate comets. Nature Astronomy.

來源：果殼科學人

果殼

科學人

編輯：太陽騎士07

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