2019年1月1日，在圆满完成了对冥王星的探测任务之后，NASA的新视野号（New Horizon）探测器近距离飞越了一颗柯伊伯带小天体——“天空”阿罗科斯（Arrokoth），这不仅创造了人类探测到最远和最原始的天体的纪录，也为我们了解太阳系和太阳系天体的形成过程提供了大量有价值的信息。

有意思的是，当新视野号从3500千米的距离完成了与阿罗科斯的近距离交汇，并将首批拍摄的图像从距离太阳43.4 天文单位（au）的地方传回地球时，呈现在人们脸前的竟然是一个萌萌哒雪人状天体！阿罗科斯是一个由两个十余公里大小的天体组成的密近双星结构，但与此前通过掩星观测获得的初步信息所预期的哑铃形状有所不同，照片中阿罗科斯两个尺度不同的较圆的部分通过相对细小的颈部相连接，像极了我们在冬日大雪天里堆的雪人。一时间，这个身处太阳系遥远边疆的“雪人”，以它圆嘟嘟的身姿和可爱的形象成为世人关注的明星。

新视野号早期拍摄到的阿罗科斯的图像展示了一个外形酷似雪人的双瓣结构小天体 | 图源：NASA/JHU-APL/SWRI

不过，随着后期观测数据陆续传回地球，科学家得以从不同的视角观察“雪人”，发现阿罗科斯不再是一个拥有圆嘟嘟的脑袋和身体的“雪人”了。从侧面看，“雪人”的肚皮变得干瘪瘪的，脑袋也成了凹凸不平的飞盘。新的数据显示，这个小天体的形状实际上更为复杂，看起来更像是由两个不同尺寸的飞盘拼接成的扁平结构。两个部分的尺寸分别为20.6×19.9×9.4 km和 15.4×13.8×9.8 km，两部分的体积比大约为1.9, 其中较大的一头展示出更扁的结构。

柯伊伯带小天体阿罗科斯。 | 图源：PMO/X. Zheng/Y. Zhao；形状模型: NASA/Spencer et al., 2020; 背景: Courtesy of Southwest Research Institute/Alex H. Parker

一般的行星形成理论普遍认为原始星子为球形或者椭球形，扁平结构在太阳系目前发现的天体中非常罕见。阿罗科斯这一奇怪的形状可谓是新视野号飞越任务中收获的最大惊喜，引起了研究行星形成的科学家们的广泛关注。是什么原因让原以为是圆滚滚的“雪人”变得消瘦了呢？要解答这个疑问，必须从雪人自身的因素说起：

来自幽冥

阿罗科斯是一个冰质天体，来自位于海王星轨道外遥远而寒冷的柯伊伯带，被认为是太阳系早期形成过程中遗留的原始星子。与飞越任务前哈勃空间望远镜的观测结果相一致，新视野号获得的观测数据显示， 阿罗科斯两部分的的表面都呈现出比冥王星表面更红的颜色，这与观测到的其他“冷经典”柯伊伯带小天体的表面特性相一致。这样的颜色是由于阿罗科斯表面存在大量的共聚物分子——托林。托林不是简单的纯净物，是由最初的甲烷、乙烷等简单结构有机化合物在紫外线照射下形成的，和甲烷、乙烷一样广泛存在于远离恒星的寒冷星体上。

此外，新视野号还在阿罗科斯表面探测到了丰富的甲醇冰和其他的有机分子，以及水冰可能存在的痕迹。大量的甲醇和稀少的水冰标志着在太阳系早期形成过程中，这片遥远的太阳系原始星盘的外部区域由于被气体和尘埃笼罩而温度极低。CO、甲烷等气体在低温环境下得以凝结在尘埃颗粒上，为甲醇的产生以及水冰的分解提供了条件。

左：阿罗科斯表面呈现出较深的红色；右：阿罗科斯表面呈现出复杂的地貌特征 | 图源：Stern et al., science, 2019

基于阿罗科斯的表面展现出的物质成分、光谱特征以及地貌结构等特性，科学家认为它的表面可以追溯到40多亿年前太阳系形成初期行星吸积的时期，因此，这个遥远且原始的小天体可以为我们了解太阳系早期形成的过程提供重要的信息。

不一样的烤串儿模式

阿罗科斯的轨道半长轴为44.6个天文单位，轨道偏心率0.046，是一个近圆形的轨道，轨道周期297.67年。它的轨道倾角仅有2.45度，与黄道面十分接近。这样的轨道构型表明阿罗科斯属于柯伊伯带小天体中的“冷经典”（Cold Classical KBOs）族群，也就是自太阳系形成以来的演化历史中受到动力学干扰最少的一类柯伊伯带小天体。

阿罗科斯绕最大的惯量主轴自转，该轴与两个部分各自的最大惯量主轴指向非常接近。阿罗科斯自转周期是15.92小时，自转轴与轨道面法向的夹角约为99度，与轨道面非常接近。这种情况与太阳系的一颗大行星——天王星非常相似，天王星的自转轴与轨道面法向的夹角约为98度，看上去就像是躺在轨道上滚动的。在一个297.67年的公转周期内，当自转轴指向太阳时，其南极（或是北极）会受到长期的、稳定的、来自太阳的烧烤；而当其赤道朝向太阳时，则变成头和屁股上下翻腾的烧烤模式，周期为15.92小时。显然这样做出来的烤串儿不仅能吸引顾客的眼球，还能收获吃货们的拳头。

阿罗科斯的扁平形状和自转轴 | 图源：Stern et al., science, 2019

目前的研究认为，阿罗科斯目前的自转状态在其形成初期已经形成，天体撞击、YORP效应和气体挥发等都未在其演化历史中显著地改变它的空间的指向和自转角速度。

都是太阳惹的祸

以上两个因素：冰质组分和特殊的自转，正是“雪人”塑身的关键。

近日，紫金山天文台研究人员与合作者建立的气体挥发导致天体形状变化的模型（MONET模型）对于阿罗科斯的扁平形状给出了合理的理论解释。模拟结果表明阿罗科斯的扁平结构是在长期太阳辐射作用下气体的挥发导致的。

原来，阿罗科斯接收到的太阳辐射强度尽管只有地球附近的2000分之一左右，但是太阳辐射仍然会影响其原始冰质物质的挥发。由于阿罗科斯的自转轴与轨道面较近，轨道偏心率较小，在一个轨道周期内，两极地区（“雪人”的正面和背面）的太阳辐射远大于赤道区域（“雪人”的侧面），因此也损失了更多的挥发性气体成分从而不断的趋近扁平。该形状演化过程在阿罗科斯形成后100万-1亿年的时间内便已完成。

原来这一切都是晒太阳惹的祸！

结语

该研究结果表明，活动性气体的挥发在太阳系形成初期对柯伊伯带小天体（以及太阳系其他区域存在活动性气体的小天体）的形状的改变可能是普遍存在的，某些小天体在其后续演化过程如果到达了距离太阳更近的区域（半人马天体或者木星族彗星），将可能由于不同气体成分的挥发再次经历类似的形状演化过程。该工作近期发表在《自然-天文学》，该模型对太阳系早期星子形成理论、太阳系小天体的形成演化等研究具有重要的意义。

作者简介

赵玉晖：中国科学院紫金山天文台行星科学与深空探测实验室副研究员，研究领域：太阳系小天体动力学和形成机制研究，彗星物理特性、活动机制和长期演化研究等。

主编：毛瑞青

轮值主编：李国亮

编辑：王科超、高娜