在9月9日发表在《地球物理研究杂志:行星》上的一组特殊研究论文中,奥西里斯-REx(奥西里斯-REx于2016年发射,是美国第一个小行星采样探测器)科学团队报告了详细的观察结果,显示小行星贝努(Bennu)定期喷射出物质。奥西里斯-REx探测器为行星科学家提供了首次近距离观察此类活动的机会,而小行星贝努的活动表面令行星科学家们无比兴奋,因为从探测器获得图像显示小行星不断逃逸出粒子。
这些出版物首次深入探讨了贝努粒子发射事件的性质,详细介绍了研究这些现象的方法,并讨论了工作中导致小行星将自身碎片释放到太空中的可能机制。
在探测器抵达贝努(Bennu)几天后,于2019年1月首次观察到从小行星表面弹出的粒子。如果不是该计划的首席天文学家和亚利桑那大学的月球与行星实验室科学家卡尔·赫根罗瑟(Carl Hergenrother)的敏锐眼光,这一事件可能已经被完全忽略了。
就像几个世纪以来的远洋探险者一样,太空探测器依靠星星来固定其在太空中的位置,并在长达数年的跨太空航行中保持航向。航天器上的专用导航摄像机拍摄了背景恒星的重复图像。通过交叉参照航天器与已编程的星图“看到”的星座,可以根据需要进行航向校正。
当某些东西引起他的注意时,赫尔格洛瑟正在仔细研究这些图像,这些图像是飞船传回地球的。图像显示小行星映衬在黑色的天空上,上面点缀着许多恒星,这些恒星数不胜数。
“我一直在看这些图像中的星型,然后想,'嗯,我不记得那颗星团了,'”赫根罗瑟说,“我只注意到它是因为有200个光点,大约应有10颗星星。除此之外,它看起来只是天空的茂密部分。”
仔细检查并应用图像处理技术,便发现了一个谜:“星团”实际上是从小行星表面喷出的微小颗粒云。航天器的后续观察揭示了典型的物体在整个框架上移动时所产生的明显条纹,使它们与背景恒星区分开,背景恒星由于距离遥远而显得静止。
“我们认为贝努的大石覆盖的表面是在小行星上发现的通配符,但是这些粒子事件确实使我们感到惊讶。” LPL教授,奥西里斯-REx首席研究员但丁·劳雷塔(Dante Lauretta)说,“去年我们一直在调查贝努的活动表面,这为我们提供了一个难得的机会,可以扩展我们对活动小行星行为的认识。”
自到达小行星以来,该小组已经观测并追踪了贝努(Bennu)上的300多个粒子喷射事件。这组作者说,一些粒子逃逸到太空中,其他粒子短暂绕小行星运行,大多数粒子在发射后落回其表面。驱逐通常发生在贝努当地的两个小时的下午和晚上时间范围内。
该航天器配备了一套精密的电子眼——即点即用相机套件或TAGCAMS。尽管TAGCAMS的主要目的是协助航天器导航,但现已投入现役,以发现小行星附近的任何颗粒。
使用由卡特琳娜巡天系统(Catalina Sky Survey)开发的软件算法,该算法专门通过检测背景小行星相对于背景恒星的运动来发现和跟踪近地小行星,奥西里斯-REx小组发现从贝努喷出的最大粒子直径约为6厘米(2英寸)。由于它们的体积小和速度低(就像在超级慢动作中喷出的小卵石一样),任务小组并不认为这些粒子对航天器构成威胁。
“太空是如此空旷,即使在小行星抛出数百个粒子的情况下,正如我们在某些事件中看到的那样,其中一个撞击太空飞船的机会非常小。” 赫根罗瑟说,“其中绝大多数的速度都不足以造成损坏。”
在2019年1月至2019年9月期间进行的一系列观测活动中,专门用于探测和跟踪从小行星喷射出的质量的过程中,共研究了668个粒子,其中绝大多数粒子的直径在0.5到1厘米(0.2-0.4英寸)之间,并以大约每秒20厘米(8英寸),与甲虫在地面上奔跑一样快(或慢)。在一个实例中,一个快速的异常值以每秒约3米(9.8英尺)的速度计时。
平均而言,作者观察到每天踢出一到两个粒子,其中许多物质落回到小行星上。此外,赫根罗瑟解释说,由于粒径小,质量损失最小。
“给你一个想法,我们在到达后的第一次活动中观察到的所有200个粒子都适合放在4英寸x 4英寸的瓷砖上。”他说,“我们甚至可以看到它们的事实证明了我们相机的功能。”
作者研究了可能导致这些现象的各种机制,包括释放的水蒸气,被称为流星体的小空间岩石的撞击以及由于热应力而破裂的岩石。发现后两种机制是最有可能的驱动力,根据太空任务之前的地面观测结果证实了有关贝努环境的预测。
当贝努每4.3小时旋转一圈时,其表面的巨石在白天加热而在夜间冷却时,则受到恒定的热循环。随着时间的流逝,岩石会破裂并破裂,最终颗粒可能会从表面抛出。下午晚些时候,当岩石变热时,观察到更高频率的粒子喷射这一事实表明,热裂纹是主要驱动力。这些事件的发生时间也与流星体撞击的时间一致,表明这些小的撞击可能是从表面抛出物质。这两个过程中的一个或两个或两个都可能导致粒子发射,并且由于小行星的微重力环境,从贝努的表面发射物体不需要花费太多的能量。
“这些粒子是贝努引力科学的出乎意料的礼物,因为它们使我们能够看到小行星的引力场中的微小变化,否则我们将不会知道这些变化,”该系列发表的一项研究的主要作者史蒂夫·切斯利说。以及南加州NASA喷气推进实验室的资深研究科学家。“轨迹表明,贝努的内部并不均匀。小行星内部有密度较高和较低的物质组成。”
小组观察到的粒子中,有一些具有亚轨道轨迹,使它们保持高空飞行了几个小时才沉降下来,而另一些则飞离了小行星,进入了自己围绕太阳的轨道。
在一个实例中,研究小组追踪到一个粒子绕小行星旋转了近一周。赫根拉瑟(Hergenrother)表示,飞船的相机甚至见证了粒子在贝努表面弹跳。
“一个粒子掉下来,撞到一块巨石上,然后回到了轨道。”赫根拉瑟说,“如果贝努有这种活动,那么所有小行星都有很大的机会存在这样现象,这确实令人兴奋。”
随着贝努继续自我展示,奥西里斯-REx团队发现这个小世界非常复杂。这些发现可以作为未来行星任务的基石,这些行星任务旨在更好地表征和理解这些小天体的行为和演化方式。