為什麼我們研究太空中的石頭

太陽系中的小天體 (比如彗星) 幫助我們追溯其歷史和演變。此視頻由NASA的EPOXI太空探測任務航天器在2010年11月4日彗星哈特利2號 (Hartley 2) 飛越期間拍攝的圖像編製而成。

Credits: NASA/JPL-Caltech/UMD

人類存在的歷史只是我們太陽系45億年歷史中的一瞬間。行星形成、發生巨大變化、再到今天這樣，沒有人能看到它們之前的樣子。為了理解在我們之前 (在地球上有生命之前和地球形成之前) 就存在的世界，科學家們需要去尋找那個神秘、遙遠的過去留下的蛛絲馬跡。

這些線索來自小行星、彗星等小天體。就像篩選司法證據的偵探一樣，科學家們仔細研究這些「外空來物」以了解我們的起源。它們講述了行星上的流星雨，講述了小行星被太陽燒成灰、被射出海王星軌道、或相互碰撞成碎片的時候。從遙遠的彗星到結束了恐龍統治的小行星，每個太空岩石都包含了史詩級事件的線索，這些事件塑造了我們今天所知的太陽系，也包括地球上的生命。

「這些小天體上可能沒有巨型火山、海洋、或沙塵暴，但它們可以回答我們對太陽系起源的重大問題。」NASA華盛頓總部行星科學部代理主任Lori Glaze說。

從1991年小行星951 (Gaspra) 飛越伽利略飛行器，NASA就一直在探索小天體。第一顆圍繞小行星運行的航天器，近地小行星會合航天器 (被稱為「會合-舒梅克號」, NEAR Shoemaker, NEAR代表Near Earth Asteroid Rendezvous) 於2000年成功降落在小行星愛神星 (Eros) 上並完成了原先未計劃的測量。深度撞擊 (Deep Impact) 任務於2005年開始探測坦普爾1號彗星 (Tempel 1) ，並促使科學家重新思考彗星在哪裡形成。最新的科研建立在這些成功的基礎上，並將繼續探索太陽系。以下從這幾個方面概述了我們研究太陽系中小天體的原因：構成行星的基石、運輸生命元素、追蹤太陽系演化史、正在演化的太陽系、對地球的危害、以及未來太空探測的「加油站」。

穀神星Ceres (一顆矮行星) 上歐卡托撞擊坑 (Occator Crater) 在假色中表現了表面成分的差異。

Credits: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

構成行星的基石

我們認為太陽系是由塵埃粒子 (即岩石、金屬和冰的微小顆粒) 在太陽形成初期周圍的圓盤中旋轉而形成的。「圓盤」中大部分物質落入了新生的恆星中，但有些部分會粘在一起，成為小行星、彗星、甚至行星。這些恆星形成的「剩餘物」中大部分到現在都存在，所以小行星和彗星可以幫助我們研究行星的形成。

Glaze說：「小行星、彗星和其他小天體中有太陽系剛誕生時的物質。如果我們想知道它們從哪兒來，我們必須研究這些物體。」

兩個古老的化石，灶神星 (Vesta )和穀神星 (Ceres)，為這個故事提供了線索。它們是火星和木星之間小行星帶中最大的小行星。NASA的曙光號 (Dawn) 最近結束了任務，它圍繞這個兩顆小行星運行並明確表明了它們異於常規的小行星。許多小行星是鬆散的碎石集合，但Vesta和Ceres的內部是分層的，其核心部分密度最大。這表明這兩顆小行星都在成為行星的路上，但它們從來沒有足夠的材料來變得像行星一樣大。

Vesta大部分是乾燥的，Ceres卻很潮濕。它可能含有多達25％的水，大部分與礦物質或冰結合，還可能存在地下水。Ceres中氨的存在也很神奇，因為氨通常需要比Ceres當前位置更低的溫度才能存在。這表明矮行星可能在木星外圍形成之後遷移到現在的位置，或者至少它包含起源於離太陽較遠的物質。Ceres的起源之謎展示了行星形成的複雜程度，同時也強調了我們太陽系的複雜歷史。

NASA靈神星(Psyche)任務航天器靠近任務目標金屬小行星Psyche的概念圖。

Credits: NASA/JPL-Caltech/Arizona State Univ./Space Systems Loral/Peter Rubin

小行星Psyche似乎是原行星 (protoplanet) 暴露在外的鐵鎳內核。像Vesta和Ceres一樣，它在我們太陽系早期形成但未能成為行星。NASA的Psyche任務將於2022年啟動，研究這顆金屬小行星。

NASA新視野號 (New Horizons) 在2019年1月1日遇到小行星486958 (即2014 MU69)的概念圖。2014 MU69位於柯伊伯帶 (Kuiper Belt)，在冥王星外16億公里處繞行太陽。

Credits: NASA/JHUAPL/SwRI

2014 MU69含冰量很高，可能代表太陽系中保留的最原始的物質。雖然行星軌道都是橢圓形的，但它和許多其他柯伊伯帶小天體的軌道近似圓形，這表明它們在45億年內沒有偏離原來的軌道。這些小天體可能代表冥王星和其他遙遠冰行星的基石。新視野號將於2019年1月1日與2014 MU69接近，這將是歷史上最遠的行星飛越。

「Ultima Thule (2014 MU69的別名，祖魯語，是「解疑」的意思) 對於我們理解太陽系及行星的起源具有極高的科學價值，」美國西南研究院 (位於科羅拉多州博爾德市) 的新視野項目負責人Alan Stern說，「它古老而原始，與我們以前見過的任何東西都不同。」

運輸生命元素

小天體也可能負責為地球播種生命的成分；研究它們水的含量就是它們幫助在地球上種下生命的證據。

「小天體影響大局；它們參與太陽系緩慢而穩定的演變，並影響行星大氣和產生生命的機會。地球也是其中的一部分，」NASA首席科學家Jim Green說。

小行星101955 (Bennu) 的這張「超高解析度」視圖是NASA的OSIRIS-REx航天器(Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer，即太陽系起源、光譜解析、資源識別、安全保障、小行星風化層探索者，縮寫OSIRIS-REx) 於2018年10月29日從大約330公里外獲得的8張圖像創建的。

Credits: NASA/Goddard/University of Arizona

Bennu是包含生命元素的小行星之一：它可能含有碳和水分子，這兩者都是我們所知生命的必需品。地球形成之後，Bennu這樣的小天體們像雨一樣降下來並將這些物質運送到我們地球上。它們上面沒有海洋，但是有礦物質中的水分子。我們認為地球上高達80％的水來自Bennu這樣的小天體。通過研究Bennu，我們可以更好地了解這些使地球綻放生命的小天體。

Bennu可能起源於火星和木星之間的主小行星帶；它被認為在8億到20億年前發生的災難性碰撞中倖存下來。科學家們認為一顆富含碳的大型小行星破碎成數千塊，而Bennu是其中一顆殘餘物。Bennu是一個「瓦礫堆」小行星，是「鬆散的岩石集合」通過重力和「凝聚力」粘在一起的。 經過20億公里的旅程，OSIRIS-REx將於2018年12月初抵達Bennu，並將在2023年通過樣品返回艙將它的的樣本帶回地球。

追蹤太陽系演化史

形成我們太陽系的大部分物質，包括地球，都「太短命」以至於無法告訴我們整個故事。它們落入太陽或被射出我們最強的望遠鏡所能觀測的範圍之外; 只有一小部分形成了行星。

太陽系的特別災難性的時期是在太陽形成之後的5千萬到5億年間。太陽系中最大的巨星，木星和土星，通過引力與小天體 (比如小行星等) 相互作用，重組了周圍物體的分布。天王星和海王星可能在太陽附近形成，但是在木星和土星四處移動的時候被「踢」到更遠的軌道。事實上，土星的引力抵消了木星向太陽的進一步運動，可能阻止了木星「吃掉」包括地球在內的一些類地行星。

露西號 (Lucy) 抵達特洛伊群小行星 (Trojan asteroids) 的概念圖像。

Credits: NASA/SwRI

Trojans可以幫助我們理解那個動蕩時期的細節。它包括兩個與木星同軌道的小行星團，其中一個在木星前，另一個在木星後。但是，正如它們顏色表示，Trojans的構成似乎不同。比其他更紅的部分可能起源於海王星的軌道，而較灰的部分可能形成於更接近太陽的軌道。主流理論是，當木星很久以前移動時，這些物體被拉到了拉格朗日點 (Lagrange points)，即木星和太陽的引力使得小行星保持在該位置且對於它們基本靜止。科學家們說，Trojans的多樣性反映了木星到現在位置的整個旅程。西南研究院的研究員Hal Levison說：「它們是木星每一次移動時的殘餘物。」 NASA的露西任務將於2021年10月啟動，首次向Trojans發射航天器，並將徹底調查六顆小行星 (每個群中有三顆小行星)。

正在演化的太陽系

日落之後，適當條件下你可能會看到黃道面 (即行星軌道的平面) 上散射的陽光，這是因為太陽光被彗星和小行星等小天體碰撞留下的塵埃所散射。科學家稱這種現象為「黃道光」，這表明我們的太陽系仍處於活躍狀態。

小天體所產生的塵埃在我們星球上發揮了重要作用。每天大約有100噸隕石物質和塵埃物質落在地球上。其中一些來自彗星，其活動對地球的演化有直接影響。當彗星靠近太陽並受熱時，彗星內的氣體會膨脹並帶走彗星上的塵埃 (包括構成生命的成分)。NASA的星塵號 (Stardust) 飛越維爾特二號彗星 (Comet 81P/Wild)，發現彗星塵埃含有生命的基石——氨基酸。

2016年9月29日當歐洲航天局 (ESA) 的羅塞塔號 (Rosetta) 在23公里的高度時，上面的OSAIS廣角相機所觀測到的丘留莫夫－格拉西緬科彗星 (Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko)。

Credits: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

我們偶爾在彗星中觀察到的氣體和塵埃爆發表明其表面活動 (例如山體滑坡)。羅塞塔號觀測到巨大的懸崖坍塌、地裂縫變大和巨石的移動。

有趣的事實：NASA的太陽和太陽風層探測器 (Solar & Heliospheric Observatory簡稱SOHO) 是觀測到最多彗星的航天器。它已經看到太陽「吃掉」成千上萬的彗星，這意味著這些小天體在它們成為太陽晚餐的途中在內太陽系「噴洒」物質。

這z張圖描繪了一顆接近內太陽系的彗星：太陽光使彗星的核 (在這個尺度上並看不到) 變暖。

Credits: NASA/JPL-Caltech

對地球的危害

小行星可能對行星 (包括我們的地球) 構成撞擊危害。

Bennu是目前已知的對地球最具潛在危險的小行星之一，儘管它與地球相撞的幾率仍然相對較小。科學家們估計在22世紀後期，Bennu在接近地球時有超過1/2700的機率撞上地球。科學家們現在可以準確地預測Bennu的路徑直到2135年，即它將接近地球的時候。

這個動畫展示了NASA的雙小行星重定向測試 (Double Asteroid Redirection Test, DART) 如何瞄準並擊中雙小行星65803 (Didymos) 中較小 (左邊) 的一個，說明動能撞擊可以潛在地重定向小行星。這是該機構行星防禦計劃的一部分。

Credits: NASA/JHUAPL

NASA的雙小行星重定向測試 (DART) 任務將試圖改變小行星的動向，以保護地球免受自然撞擊的危險。DART的目標是雙小行星Didymos (由兩個相互繞行的小行星組成)。較大的小行星直徑約800米，較小的則為150米。如果這個大小的小行星撞擊地球，可能會造成廣泛的區域性破壞。 DART會故意撞到較小的小行星上，稍微改變它的軌道速度，以此讓它錯過地球。該航天器由約翰霍普金斯大學應用物理實驗室建造，計劃於2021年春夏季發射。

Didymos和Bennu只是近19000個近地小行星中的兩個，其中已有超過8300顆與Didymos中較小的小行星大小相當。但科學家估計在近地空間中大約存在25000顆這樣大小的小行星。WISE (廣域紅外線巡天探測衛星，NEOWISE即Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer, 是WISE13年重啟後的任務) 幫助科學家們發現並理解這些小天體及其潛在的危險。

「對於大多數小行星，除了它們的軌道以及它們看起來有多亮，我們對它們的了解很少。通過NEOWISE，我們可以利用它們發出的熱量來更好地評估它們的大小，」 NASA噴氣推進實驗室 (Jet Propulsion Laboratory) NEOWISE的首席研究員Amy Mainzer說道， 「這很重要，因為小行星撞擊可能造成很大破壞，而能量的多少很大程度上取決於它們的大小。」

WISE圍繞地球軌道的概念圖。在NEOWISE任務中，它發現並記錄了小行星的特徵。

Credits: NASA/JPL-Caltech

未來太空探測的「加油站」

科學家和工程師們已經開始思考小行星如何作為航天器的加油站。此外，這些小天體也可能有助於宇航員補充其物資；例如，Bennu可能含有儲存於粘土礦物質中的水。隨著小行星形成，它們納入了數十億年前形成的重元素，這些鐵和鎳是由前幾代的恆星產生的。

小行星還含有較重的金屬，產生於超新星爆炸。一顆恆星的死亡，可能導致黑洞的產生，同時散播金、銀、鉑等金屬，以及氧、碳和我們生存所需的其他元素。超新星爆炸後的殘骸，中子星，也可以產生重金屬。因此，小行星也是消亡很久的恆星爆炸的證據。

因為宇宙演化中的重大事件，我們現在有很多小天體；從這些太空中的石頭，我們又得到了關於我們過去的大線索，也可能包括未來的資源。即使它們不是行星，探索這些小天體也很重要。

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