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被隼鸟二号砸出17米大坑的“龙宫”表面只有900万岁



熟悉前情的老读者们应该知道,日本JAXA的隼鸟2号探测器对近地小行星龙宫共成功展开过两次着陆采样(详见:电光火石,短兵相接!隼鸟2号第一次龙宫采样全记录 和 3亿公里外,60厘米精度!隼鸟2号第二次龙宫采样全记录 )。两次着陆采样点分别被命名为“玉手箱”(Tamatebako)和“万宝槌”(Uchide-no-kozuchi),均来源于日本传说故事。

两次次着陆采样点TD1和TD2的位置。   来源:JAXA、东大等 [1]

两次次着陆采样点TD1和TD2的位置。   来源:JAXA、东大等 [1]

其中为了第二次能采集到龙宫地下埋藏的、未受过空间风化侵蚀的”新鲜“原始物质,隼鸟2号更是暴力值拉满,直接向龙宫表面投下一枚“炸弹”来撞出这些地下物质。这枚“炸弹”,也就是撞击器(Small Carry-on Impactor,简称SCI)重达14公斤,其中有9.5公斤都是炸药。(详见:先是冲我打了一枪,然后又要开炮,人类也太凶残了吧!)

爆破大作战的成功,最直接的作用是让隼鸟2号之后的第二次采样得以顺利展开。不过采集的新鲜样本能揭开什么关于小行星和太阳系早期的古老谜题,还要等隼鸟2号把返回舱送回地球,行星科学家们再对这些样本进行全方位的分析之后才能知道,四舍五入怎么着也得1-2年后吧。

而在这之前,其实这次“爆破”本身已经给我们带来太多太多丰富的科学信息了——这是一次珍贵的人工撞击实验,也是人类第一次在小行星上进行如此可控、可测的撞击试验。

2020年4月3日,《科学》杂志正式在线发表了以神户大学荒川政彦教授为首的行星科学家团队对这次人工撞击试验的首批分析成果 [3],可以说是信息量满满。(其实3月19日就已经online了,不过那时候还没正式排版)

来源:《科学》杂志

来源:《科学》杂志<

Part.1

为什么要在小行星上做撞击试验?

或许你会想,撞击实验有什么好做的?不是时不时就有小天体撞击地球月球么?

不一样的。

我们能全面而完整地观察到的常常只有撞击事件留下的产物——撞击坑。但在大多数情况下,我们更关心的其实是撞击坑的来源:一颗多大、多重、什么材质、什么入射角度的肇事小天体才能砸出我们最终看到的这样的坑,撞击之后会发生什么,我们希望能准确建立起起因-结果之间的联系。

少数幸运的情况下,我们能预先观测或者事后追溯到肇事小天体的一点模糊的信息,通常是轨道,个头大一点的还能估算大致尺寸,但我们依然缺失太多重要的信息,例如小天体的质量、密度、材质强度、撞击入射角度……

当然,我们在实验室里也可以做模拟撞击试验,可以用“高速枪”打出不同速度和材质的“撞击物”,模拟不同的表面材质和重力环境(假装是不同的星球)。但许多实际情况是实验室里模拟不了的,更有很多实际情况是我们压根就不了解,所以也就不知道怎么才能模拟的。

NASA阿蒙森空间中心的撞击模拟实验室(Ames Vertical Gun Range,简称AVGR)就是著名的撞击模拟实验室之一。在这样的实验室里,我们可以用不同尺寸和材质小球来模拟撞击物,撞击速度、角度,被撞表面的重力、材质也可以模拟。   来源:NASA

  NASA阿蒙森空间中心的撞击模拟实验室(Ames Vertical Gun Range,简称AVGR)就是著名的撞击模拟实验室之一。在这样的实验室里,我们可以用不同尺寸和材质小球来模拟撞击物,撞击速度、角度,被撞表面的重力、材质也可以模拟。   来源:NASA

早在2005年,NASA的彗星探测器深度撞击号(Deep Impact)就曾经成功释放撞击器撞击了彗星坦普尔1号的彗核,并同时通过飞掠器对撞击过程进行了跟踪拍摄。

深度撞击号撞击彗星坦普尔1号的过程。   来源:维基百科

深度撞击号撞击彗星坦普尔1号的过程。   来源:维基百科

撞击器成功在彗星坦普尔1号的彗核表面撞出一个直径约150米的撞击坑,帮助我们了解了很多关于彗核表面的性质。

撞击前(左)和后(右)的彗星坦普尔1号的彗核表面,新撞出一个直径约150米的撞击坑。   来源:NASA

  撞击前(左)和后(右)的彗星坦普尔1号的彗核表面,新撞出一个直径约150米的撞击坑。   来源:NASA

但在小行星上,人类之前还没有进行过这样的人工撞击试验,直到隼鸟2号。

Part.2

如何在远在3亿公里外的小行星上精确开展人工撞击试验?

被扔下的撞击器(SCI)在距离龙宫表面约250-300米高度处引爆炸药,把底端厚约5毫米、重2公斤的纯铜质薄板“压缩”为一枚直径13厘米,厚5毫米的空心球“炮弹”,再使之高速撞向龙宫表面。这意味着撞击物的质量、体积、材质强度、平均密度我们是可以准确控制和掌握的。

之所以选择在半空中引爆,以纯铜炮弹撞击,是为了不让炸药污染采样区。   来源:JAXA [4, 5]

之所以选择在半空中引爆,以纯铜炮弹撞击,是为了不让炸药污染采样区。   来源:JAXA [4, 5]

在铜板加速过程中变形成的“炮弹”,会迅速被加速到2.06公里/秒。也就是说,撞击速度我们是可以精确控制和掌握的。

但实际撞上小行星龙宫的角度就很难准确预估了,还是直接观测到撞击的实际情况更靠谱,这就需要一个不起眼的小家伙,DCAM3相机出马了。

DCAM3的位置和结构。   来源:JAXA [6, 7]

DCAM3的位置和结构。   来源:JAXA [6, 7]

投下撞击器后,肇事鸟隼鸟2号本鸟机为了不被炸出的溅射物撞伤,丢完“炸弹”拔腿就跑,只扔下了DCAM3相机来拍摄这场爆破大戏。

隼鸟2号投下撞击器之后的躲避计划。   改编自:JAXA [6]

隼鸟2号投下撞击器之后的躲避计划。   改编自:JAXA [6]

被扔出的DCAM3相机在距离撞击点约1公里处连续拍摄了2个多小时,成功记录下了长达8分多钟的撞击过程,当然,也记录下了撞击的角度:撞击器是从南向北以相对于龙宫当地表面60°的角度撞上小行星龙宫的。

隼鸟2号投下撞击器之后的躲避计划。   改编自:JAXA [6]

隼鸟2号投下撞击器之后的躲避计划。   改编自:JAXA [6]

至此,科学家们已经完全掌握了撞击物的参数,剩下的就看这个撞击器到底在龙宫表面砸出了个啥了。

不过DCAM3相机是一次性的,用完即废(飞走),想要知道撞出了啥样,还得靠隼鸟2号自己飞回来拍。

大约三周后,“避险”结束的隼鸟2号飞回龙宫上空,用ONC-T相机在距离龙宫表面约1.7公里高度处对预定撞击区拍摄了一系列分辨率高达18厘米/像素的影像(详细过程我们之前也写过:隼鸟2号:被扔了“炸弹”的“龙宫”怎么样了?)。

前后对比,显然撞击器成功完成使命,撞出了一个直径10多米的撞击坑。实际撞击点位于龙宫赤道北部(北纬7.9°,东经301.3°),距离预定撞击点偏离了约20米。

那这次撞击发现了什么?可以简单总结为三点:不对称、不一致、不古老

不对称

撞击没能形成一个完整的圆形的撞击坑,只形成了一个半圆坑。这可能是因为原本这里的大石块阻挡了另一半撞击坑的形成。

撞击前vs撞击后,撞击方向从南向北,两块标记的石块分别被取名为移动石块Mobile Block(简称MB)和稳定石块Stable Blokc(简称SB)(名字是认真的,论文里真的是这么写的)。

撞击前vs撞击后,撞击方向从南向北,两块标记的石块分别被取名为移动石块Mobile Block(简称MB)和稳定石块Stable Blokc(简称SB)(名字是认真的,论文里真的是这么写的)。

证据是撞击发生之后很多此处原本的石块都发生了移动,例如约5米大小的石块MB直接被撞开,向外移动了约3米,但附近另一块差不多大小的SB石块却几乎没有发生移动。这很可能是因为SB石块其实远不止我们看到的这么一小块,而是一块埋在地下的更大的石块露出的“石山一角”,而这一整个更大的石块阻碍了另外一半撞击坑的形成,结果就只在没有大石块阻挡的半边形成了一个半圆坑。

不仅是撞击坑的形状,撞击过程中挖掘和向四周溅射出的物质(我们称为溅射帘)也是不对称的,DCAM3相机记录下了溅射帘从产生到落下的完整过程。

撞击器(SCI)从南向北飞来,北向先开始产生溅射帘;随着撞击坑的扩大,溅射帘愈发清晰;直到撞击后大约250秒时,撞击坑停止增长,溅射帘开始变得透明,最终消失。但整个过程中都能看到,北向的溅射帘始终发育得更为清晰完整,而南向只在中后期才可以看到微弱的溅射物飞出。

    DCAM3相机记录下的撞击之后几个关键时点溅射帘发育状况。

DCAM3相机记录下的撞击之后几个关键时点溅射帘发育状况。

溅射帘飞溅,最终会落回龙宫表面,这些铺在撞击坑周围的溅射物也是不对称的。ONC-T相机v波段(0.55微米)的反射差异图证实,撞击坑周围的溅射物几乎全部位于北半部分。

    A、DCAM3相机记录下的撞击后192秒时几条显著的辐射纹,B、辐射纹最终落下的区域,C、ONC-T相机v波段(0.55微米)的反射差异图显示撞击坑北半部分的反射因子显著低于南半部分,这表明北半部分的溅射物显著厚于南半部分,当然,也体现了挖掘出的次表层物质比原本的表面物质反射率更低。

A、DCAM3相机记录下的撞击后192秒时几条显著的辐射纹,B、辐射纹最终落下的区域,C、ONC-T相机v波段(0.55微米)的反射差异图显示撞击坑北半部分的反射因子显著低于南半部分,这表明北半部分的溅射物显著厚于南半部分,当然,也体现了挖掘出的次表层物质比原本的表面物质反射率更低。

倾斜撞击(通常入射角需要小于30°)可能会产生类似的溅射帘和溅射物不对称分布,但DCAM3相机观测到的撞击角度排除了这种可能性。过去的撞击实验告诉我们,相对于地面60°的撞击入射角产生的撞击效果和垂直入射没有明显区别:撞击坑是圆的、撞击溅射帘中后期和溅射毯也是近乎均匀分布在撞击坑周围的。

那么剩下的最可能的情况依然是:大石块的存在阻碍了南向溅射物的飞溅,自然也导致了南半部分溅射物的缺失。

不一致

在对隼鸟2号第一批科学成果的介绍里(详见:《科学》杂志:隼鸟2号的“龙宫”探险发现了些什么?)我们提到过,龙宫是一颗由松散的石块构成的碎石堆型小行星(rubble pile)。龙宫的地下结构,也和大型岩质行星上的有着诸多不同之处。

以月球为例,月球最表面是一层质地细腻的风化层(颗粒大小通常不足1厘米),也叫月壤层。这是表面基岩经过长期撞击和风化的产物,相当于大石块慢慢被撞击越砸越碎,也就是说,从上(外)到下(内),颗粒越来越大。

    月球浅表的垂直分布,最上面那层细腻的表层就是风化层。

月球浅表的垂直分布,最上面那层细腻的表层就是风化层。

但龙宫上并不是这样。

早在2018年底,巡视器MINERVA-II1和着陆器MASCOT登上龙宫表面,就已经发现龙宫表面全是大大小小的石块,小至几厘米,大至数米数十米,居然几乎看不到质地细腻的风化层,这完全不同于人们之前所想的,也不同于人们在其他小行星上看到的 [9]。这些石块不仅为龙宫的形成留下了谜题,也为后来隼鸟2号的着陆采样带来了很多困扰。

月表颗粒比龙宫表面小很多▼

(左)阿波罗11号巴兹·奥尔德林的月面脚印。来源:NASA;(右)隼鸟2号在距离龙宫表面42米处拍摄。来源:JAXA、东大等 [10] 注意两张图比例尺不同。

(左)阿波罗11号巴兹·奥尔德林的月面脚印。来源:NASA;(右)隼鸟2号在距离龙宫表面42米处拍摄。来源:JAXA、东大等 [10] 注意两张图比例尺不同。

然而,本次人工撞击发现:人造撞击坑的坑壁平整,坑内物质比原本的表面物质还要细腻。

    撞击前vs撞击后。

撞击前vs撞击后。

坑内的石块大小也降至坑外平均水平的三分之一。

坑内和坑外的石块大小-频率分布对比。可以看到对于相同大小的石块,坑外(蓝色)比坑内(绿色)的频率(也就是密度)高出2倍。

坑内和坑外的石块大小-频率分布对比。可以看到对于相同大小的石块,坑外(蓝色)比坑内(绿色)的频率(也就是密度)高出2倍。

作者团队认为:是挖掘出的次表层物质掩埋了原本位于坑壁的那些大石块。也就是说,挖掘出的龙宫次表层物质比表面的颗粒还要小。

但是呢,颗粒更小并不意味着强度更低。

证据是这个新形成的人造撞击坑并不是这个大小的撞击坑里最常见的碗状,而是坑内还有一个直径约3米,深约0.6米的中央坑(center pit)。

    人造撞击坑内部的中央坑(右图的pit)。

人造撞击坑内部的中央坑(右图的pit)。

这并不是孤例,在撞击点附近,科学家们还找到了一个天然撞击坑内也呈现出了疑似中央坑的结构。

    龙宫上一个天然撞击坑中可能的中央坑和整体地形剖面。

龙宫上一个天然撞击坑中可能的中央坑和整体地形剖面。

在月球上,这样的中央坑撞击坑通常意味着较松软的表层风化层之下还有一层更为致密坚固的基岩层,测量这类撞击坑的形态参数是我们估算月表风化层厚度的重要方法。

某些大小的撞击刚好可以打穿松软的风化层,撞入下层坚硬紧实的基岩,这时就可能形成“坑中坑”的形态,在月球上,能形成这样形态的撞击坑通常直径在数百米以下。

某些大小的撞击刚好可以打穿松软的风化层,撞入下层坚硬紧实的基岩,这时就可能形成“坑中坑”的形态,在月球上,能形成这样形态的撞击坑通常直径在数百米以下。

因此,龙宫上中央坑型撞击坑的存在很可能意味着龙宫的次表层相比于表层更为紧致聚合、强度也更高。据此估算,龙宫的次表层聚合强度可能在140-670帕之间(后面会提到,龙宫表层的有效聚合强度据推算只有不到1.3帕)。

小行星龙宫可能的浅层地下结构。

小行星龙宫可能的浅层地下结构。

还有一些重要的差异其实这篇论文里并没有提到,但在2019年的日本地球科学联合大会JpGU的口头报告中,隼鸟2号项目的科学家们透露过一些。例如,为什么龙宫上被撞出的浅表层物质比表层物质更深更暗?这完全不符合我们对月球、水星、火星等固态天体的认知啊,新鲜撞击坑的辐射纹告诉我们,星球表面的物质通常会因为空间风化而会变得越来越深暗,而刚从地下挖出来的新鲜物质则会更浅更亮才对啊。

地下新鲜物质:更亮vs更暗。

地下新鲜物质:更亮vs更暗。

可能是还攒着给下一篇论文用的吧。

最后,我们最最关心的肯定还是:同样的撞击物撞上小行星龙宫和撞上地球这样的岩质大天体,形成的撞击坑大小一样么?绝对不一样。

不过,行星科学家们通过观测数据确认了这种差异和天体表面的材质强度差异关系不大,主要是两者表面重力的差异决定的。

通过对龙宫地形的精确测量表明,这个质量2公斤,直径13厘米,平均密度1740千克/立方米的铜质空心球,以2.06千米/秒的速度、相对地面60°的角度撞上龙宫表面,最终形成的撞击坑以隆起的坑缘计直径17.6±0.7米,以原本的地表计直径14.5±0.8米。

    人造撞击坑一带的地形起伏和直径测量。

人造撞击坑一带的地形起伏和直径测量。

然而由于龙宫的表面重力加速度只有地球的约10万分之一,同样的撞击在龙宫上形成的撞击坑会有地球上的约7倍那么大。

不古老

对隼鸟2号第一批科学成果的介绍里(详见:《科学》杂志:隼鸟2号的“龙宫”探险发现了些什么?),我们提到过,通过统计龙宫表面撞击坑数目和大小,可以帮助我们了解龙宫表面的年龄。因为撞击坑越密集,就表示表面越古老。注意这里说的“年龄”,只是龙宫形成现在的表面的年龄,而不是组成龙宫的石块形成的年龄——后者显然要更古老,那会是属于这些石块的母体小行星的历史了。

隼鸟2号在龙宫表面识别了50多个圆形洼陷结构,其中有30多个都有比较典型的撞击坑形态,可以基本认为是撞击坑,而剩下的暂时很难判断。

龙宫上识别出的地貌特征,其中红圈是比较确定的撞击坑。不过,撞击坑似乎聚集在赤道区域只是因为地图投影带来的错觉。

龙宫上识别出的地貌特征,其中红圈是比较确定的撞击坑。不过,撞击坑似乎聚集在赤道区域只是因为地图投影带来的错觉。

然而,只有撞击坑统计还不够,龙宫表面物质的聚合强度也能影响我们对年龄的判断:按现在的直径100-200米的撞击坑密度来推算,如果表面物质完全没有聚合强度的话,龙宫表面的年龄应该在900万年左右;如果表面物质有干燥的土壤那种程度的微弱聚合性的话,龙宫表面的年龄应该在1.6亿年左右。(但无论是哪种情况,都比隔壁贝努表面年轻多了。)

    龙宫表面的撞击坑密度与年龄的关系。

龙宫表面的撞击坑密度与年龄的关系。

而这次的人造撞击实验则明确告诉我们,龙宫表面物质的有效聚合强度只有不到1.3帕,接近于沙子的效果(但颗粒大小不同),也就是说聚合强度非常微弱。

    没有强度的表面vs有强度的表面。对相同条件(质量、速度、角度)的撞击物,撞上强度和粘性越强的表面,产生的溅射物越少,溅射范围也越小。

没有强度的表面vs有强度的表面。对相同条件(质量、速度、角度)的撞击物,撞上强度和粘性越强的表面,产生的溅射物越少,溅射范围也越小。

这一结果支持第一种年龄推测,也就是说:龙宫表面的年龄非常年轻,在900万年左右。