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逆行小行星起源与共振

 摘    要: 首颗与木星成逆行1:1共振的小行星——2015 BZ509的发现,点燃了公众对于逆行小行星的好奇心。本文简要介绍太阳系内鲜为人知的逆行小行星及其起源问题,并对与2015 BZ509相关的逆行共振问题提供通俗易懂的讲解。
 
  关键词: 天体力学; 逆行; 共振; 小行星;
 
  Abstract: The discovery of 2015 BZ509,the first asteroid trapped in the retrograde 1 :1 resonance with Jupiter,has raised a public passion for retrograde asteroids.This paper reviews the little-known retrograde asteroids in the Solar System and their origins,and provides an easy-to-understand explanation of the retrograde resonance problem associated with 2015 BZ509.
 
  Keyword: celestial mechanics; retrograde; resonance; asteroid;
 
  浩渺宇宙,星汉灿烂。放眼于茫茫夜空,漫天繁星如同画卷般向我们展开,而行星正如淘气的孩童一般游移其中。在人类的目力之外,太阳系内还有成千上万颗不起眼的小行星隐藏在这片浩瀚的星空之中。从德国天文学家奥伯斯发现第一颗小行星——智神星算起,人类了解小行星的历史不过短短两百年。这两百年间,我们在火星与木星的轨道之间发现了数十万计的主带小行星,也在木星与太阳的拉格朗日点附近发现了七千余颗“特洛伊”小行星,更在遥远的太阳系边界找到了数千颗海王星外小天体。这些轨道多样、形状各异的小行星极大地丰富了我们对于太阳系内天体的认识,更成为人类探寻太阳系的形成、演化以及地球上生命起源的重要线索。
 
  1、 逆行小行星及其起源
 
  这些纷繁复杂的小行星,绝大多数和大行星一样,绕着以太阳为焦点的椭圆轨道向同一个方向运转,称为顺行小行星。但也有极少比例(约0.01%)的特殊小行星,沿着与其他天体完全相反的轨道运行,它们被称作太阳系中的逆行小行星。
 谈到逆行,人们脑海中最先涌现出来的可能是水星和火星的逆行。但是,需要注意的是,行星的逆行现象与逆行的小行星是两个截然不同的天文学概念。首先,行星的逆行实际上是行星与地球之间相对运动的结果:不同的行星有着各自不同的轨道周期及公转速度。当内部的行星从地球内道“超车”,或者地球以外的行星由于公转太慢被地球“超车”时,以地球为视角来观察的话,行星逆行就发生了。图1就展示了火星(外圈)相对于地球(内圈)的逆行,右侧圆弧上的点代表了火星在天球上的位置,其中A2—A4阶段为逆行,其他阶段为顺行。这样的逆行也被称为“视逆行”,并不是真正的逆行,所有大行星都是顺行的。
 逆行小行星才是真正意义上的逆行,它们的轨道倾角都大于90?,在太阳系中运行的方向与其他天体相反。值得一提的是,第一颗被发现的逆行小行星被天文学家命名为“Dioretsa”(中文译为星行小),就是单词“Asteroid”(小行星)的逆写。
 
  迄今为止,人类发现的逆行小行星不过一百余颗,它们与顺行小行星轨道特性不同点是:大多数顺行小行星轨道偏心率与倾角都很小,而大部分逆行小行星的半长轴超过木星,轨道偏心率大,倾角各异。这些不同的轨道形态,意味着逆行小行星与顺行小行星可能有着截然不同的起源。根据目前主流的学术观点,小行星起源于太阳系诞生之初的原行星盘。这些小天体在星系的演化过程中未能互相抱团形成大行星,因此成了太阳系中的“流浪儿”。太阳系的原行星盘被认为是一个扁平且转向一致的圆盘,而逆行小行星奇特各异的轨道,几乎否决了其直接形成于原行星盘的可能性。天文学家也提出过各种各样的猜想,但目前尚未有一个成熟的理论能让人完全信服。根据逆行小行星有着与彗星类似的高倾角与大偏心率轨道,有人猜测它们可能和彗星一样来源于遥远太阳系的奥尔特云。奥尔特云的天体受太阳引力的影响较弱,非常容易受到邻近恒星甚至整个银河系引力的影响而改变轨道,进入内太阳系,形成彗星以及逆行小行星。另一种解释则将逆行小行星,特别是海王星轨道以外的逆行小行星的来源归结于“第九行星”的引力影响。“第九行星”是于2016年被提出的一个用于解释部分海王星外天体轨道分布异常的假设模型[1],这颗猜想中的有着十倍地球质量的行星,被认为位于半长轴400?800天文单位,偏心率0.2?0.5的倾斜轨道上。天文学家发现,“第九行星”的加入能够在动力学上解释外太阳系高倾角以及逆行小行星的来源,正是受到了“第九行星”偏心古在效应的影响,小行星从顺行轨道翻转到了逆行轨道上。
 
  2 、逆行小行星与共振
 
  关于逆行小行星的起源问题尚未得到解决,又有一颗更加奇特的逆行小行星闯入了天文学家的视野,它就是第一颗与木星成逆行共轨共振(或称逆行1:1共振)的小行星——2015 BZ509[2]。
 
  天体力学中的共振是指两个天体之间的公转周期形成简单整数比。太阳系中存在不少顺行小行星与大行星共振,例如木星的特洛伊小行星就与木星的轨道周期相同,构成了1:1的共振;在遥远的柯伊伯带中,也存在着诸多与海王星成2:3,1:2,2:5等共振关系的小天体。最着名的莫过于曾经是行星的冥王星,虽然它的轨道与海王星的轨道相交,但是在与海王星2:3共振的相角保护机制下,冥王星得以能够长时间稳定运行而不与海王星碰撞。
 
  从天体力学的角度来看,顺行共振与逆行共振究竟有着怎么样的区别呢?我们可以用图2的简单模型来进行分析。
 
  图2分别展示了顺行2:1共振以及逆行2:1共振的情况。根据天体之间的共振关系,外部的天体每转一圈,内部的天体就会转两圈。当两天体都是顺行时,外部天体的一次公转只会与内部天体发生一次会合(会合指两个天体的距离最近);而对于逆行共振,两颗天体是相向而行,外部天体每转一圈则会与内部天体发生三次会合。这个会合次数表征共振的阶数,同时也影响共振的强度。共振阶数越高,在相同的时间内会合次数越多,共振强度及其对天体轨道的影响也越低。可以直观理解为,随着会合次数增多,会合所带来的引力摄动更容易在轨道的各个方向上被抵消。
 从上面的例子可以看出,相同比例的逆行共振比顺行共振的阶数更高,这意味着逆行共振对天体的影响较弱,更难改变天体的轨道动力学行为。对2015 BZ509来讲,尽管它的轨道与木星的轨道交错,逆行1:1共振依然能让它稳定存在至少百万年。
 
  除了2015 BZ509以外,越来越多与大行星共振的逆行小行星也被更多的研究者发现[3],这为我们研究逆行共振问题提供了更多宝贵的样本。虽然逆行小行星的起源问题还尚未解决,关于神秘的2015BZ509的来源在天文界也众说纷纭,甚至有研究者猜测它可能来源于太阳系以外的星际空间[4]。我们相信,随着天文学家对逆行小行星以及共振动力学研究的不断深入,终将会得到一个满意的解答。而在回答这些未解之谜的过程中,人类将在理解太阳系的征途上留下一个又一个坚实的脚印。
 
  参考文献
 
  [1] Batygin K,Brown ME.Generation of highly inclined transNeptunian objects by Planet Nine.The Astrophysical Journal Letters,2016,833:L3
  [2] Wiegert P,Connors M,Veillet C.A retrograde co-orbital asteroid of Jupiter.Nature,2017,543:687-689
  [3] Li M,Huang Y,Gong S.Centaurs potentially in retrograde co-orbit resonance with Saturn.Astronomy and Astrophysics,2018,617:A114
  [4] Namouni F,Morais MHM.An interstellar origin for Jupiter’s retrograde co-orbital asteroid.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society:Letters,2018,477:L117-L121
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