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我院教师在《Nature Astronomy》发表最新研究成果
发布时间:2020-10-23   浏览次数:

北京时间10月20日,我校mg娱乐网站网址于洋副教授作为通讯作者在《Nature Astronomy》发表了最新研究成果(清华大学博士生程彬为第一作者),文章标题为《Reconstructing the formation history of top-shaped asteroids by the surface boulders distribution》(中译:根据表面巨石分布重构陀螺型小行星的形成历史),揭示了太阳系一类陀螺型小行星表面演化的动力学机制。(文章链接:https://www.nature.com/articles/s41550-020-01226-7

小天体是从太阳系形成之初就存在的“剩余材料”,记录了太阳系早期的状态信息,可以为探寻行星的演化乃至生命的起源提供重要线索。小天体形貌的演化过程存在丰富的动力学现象,近十年天文观测、深空任务的新发现,使得“陀螺型”的小行星在行星科学的研究领域备受关注。这类小行星通常拥有鼓起的赤道脊,外表形似旋转的陀螺。如此众多的小行星都具有这样独特的形态(图1),暗示了太阳系中可能存在某一普遍机制促进了陀螺地貌的形成。过去三年时间里,日本的隼鸟二号(Hayabusa2)与美国的冥王号(OSIRIS-REx)分别对其中两颗陀螺型小天体“龙宫”和“贝努”进行了前所未有的近距离探测,为我们提供了诸多线索来揭开这一问题的神秘面纱。探测数据表明,这些小行星表面覆盖一层松散的碎屑,其上散布诸多尺寸超几十米的巨石,呈现出典型的“碎石堆“地貌。进一步的分析发现,它们除了独特的陀螺形貌外,表面散落的巨石似乎也有着普遍的规律:极地存在上百米尺寸的稳定巨石;中纬度的巨石均有一定程度倾斜,并陷入风化层若干米;而赤道区域的巨石丰度远远少于其他区域。由于这些巨石的尺寸决定了其与小天体本身的形成时间相当,在太阳系的漫长演化中其与小天体共同演化,因此这些巨石构成的地质遗迹必定记录了小天体的地质演化乃至起源线索。

图1太阳系内已知的陀螺型小行星

本文从这一地质特征入手,发现Yarkovsky–O'Keefe–Radzievskii–Paddack(YORP)效应可能是诸多小天体最终演化为陀螺型的幕后推手。课题组使用自主知识产权的小天体颗粒动力学软件DEMBody,建立了数百万颗粒精度的小天体地表模型,模拟了在YORP效应作用下,小天体在亿万年尺度上缓慢加速旋转的过程。结果表明,自旋加速所引起的离心力增大使得中纬度附近的颗粒层逐渐不稳定,最终滑移并沉积于赤道区域,形成鼓起的赤道脊;而在这一表面重塑过程中,地表巨石也随之蠕变移动,位于高纬度的巨石维持稳定,中纬度的巨石陷入下方的“流沙“中,赤道区域的巨石则被来自中纬度的沉积物完全掩埋。这一风化层-巨石耦合演化机制解释了陀螺型小天体的主要地质特征,显示了YORP效应在小天体地貌演变中的重要作用(图2)。

图2小行星在YORP效应下的演化过程

本文作者团队为mg娱乐网站网址于洋副教授组建的联合研究团队,成员包含来自清华大学、美国马里兰大学、法国蓝色海岸天文台的知名学者,团队近年来在天文学顶级期刊The Astronomical Journal,Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,Icarus发表了一系列研究成果(见参考文献)。2019年12月在mg娱乐网站网址111引智基地支持下,团队成员Patrick Michel教授曾应于洋副教授邀请来北航访问讲学,并开展本项目方向的合作研究。

这项工作得到国家自然科学基金青年项目、面上项目的大力支持。

参考文献:

[1]. Yu Y., Richardson D. C., Michel P., Schwartz S. R., Ballouz R. Numerical predictions of surface effects during the 2029 close approach of asteroid 99942 Apophis. Icarus. 2014, 242: 82-96.

[2]. Yu Y., Baoyin H., Jiang Y. Construct the natural families of periodic orbits near irregular bodies. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2015, 453(3): 3269-3277.

[3]. Yu Y., Michel P., Schwartz S. R., Naidu S. P., Benner L. A. M. Ejecta cloud from the AIDA space project kinetic impact on the secondary of a binary asteroid: I. mechanical environment and dynamical model. Icarus, 2017, 282: 313-325.

[4]. Yu Y., Michel P. Ejecta cloud from the AIDA space project kinetic impact on the secondary of a binary asteroid: II. Fates and evolutionary dependencies. Icarus, 2018, 312, 128.

[5]. Yu Y., Michel P., Hirabayashi M., et al. The Dynamical Complexity of Surface Mass Shedding from a Top-shaped Asteroid near the Critical Spin Limit. The Astronomical Journal, 2018, 156, 59.

[6]. Y. Yu, P. Michel, M. Hirabayashi, D.C. Richardson. The expansion of debris flow shed from the primary of 65803 Didymos.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2019, 484,1057.

审核:林贵平

编辑:徐亚妮


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