《自然·天文学》期刊：基于表面巨石重构陀螺型小行星形成历史
据清华新闻网10月22日电：近日，清华大学航天航空学院（简称“航院”）博士生程彬、教授宝音贺西与北京航空航天大学等单位的合作者，利用自旋加速导致风化层失稳的理论模型和颗粒仿真，结合最新的小行星探测数据，为“陀螺型”小天体的形成提出了有力的解释。
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，近十年天文和航天的新发现使小行星在行星科学研究领域备受关注。
陀螺型小行星通常拥有鼓起的赤道脊，外表形似旋转的陀螺。众多的小行星具有此类独特的形态，暗示了太阳系中可能存在某种普遍机制支配陀螺地貌的形成。近年，日本的隼鸟二号（Hayabusa2）与美国的冥王号（OSIRIS-REx）分别对两颗陀螺型小天体“Ryugu”和“Bennu”进行了近距离探测，为揭开这一问题的神秘面纱提供了诸多线索。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。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。
该工作正是从这一地质特征入手，发现Yarkovsky–O'Keefe–Radzievskii–Paddack（YORP）效应可能是小天体最终演化为陀螺型的幕后推手。航院课题组使用自主知识产权的小天体颗粒动力学软件，建立了千万级颗粒精度的小天体地表模型，模拟在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。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。
研究以“基于表面巨石重构陀螺型小行星形成历史”（Reconstructing the formation history of top-shaped asteroids by the surface boulders distribution）为题，于2020年10月19日发表在《自然·天文学》（Nature Astronomy）杂志上。航院博士生程彬为第一作者，航院教授宝音贺西、北京航空航天大学副教授于洋为本文共同通讯作者，该项研究得到国家自然科学基金委等支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41550-020-01226-7
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据科技日报（胡定坤）：记者21日从清华大学航天动力学实验室获悉，日前该校与北京航空航天大学的联合研究团队在《自然·天文》期刊上发表文章《重建陀螺型小行星表面巨石的演化历史》。团队应用超级计算机天河二号集群对超大规模空间颗粒系统进行仿真研究，模拟太阳系小行星的自旋演化过程，发现了陀螺型小行星形成背后的共同演化机制。
陀螺型小行星因有鼓起的赤道脊，外表形似陀螺得名。这类小行星在太阳系中普遍存在，但其形成机制却一直悬而未决。此前美、日两国探测器近距离观测陀螺型小行星“龙宫”和“贝努”发现，其表面风化层上散布诸多巨石。这些巨石的尺寸表明其与小行星本身的形成时间相当，其中很可能暗藏小行星的地质演化甚至起源线索。
研究团队从巨石分布规律入手，发现小行星表面非均匀散热产生的自旋加速可能是其最终演化为陀螺型的幕后推手。团队使用完全自主开发的空间颗粒动力学软件，建立了千万量级颗粒精度的行星地表模型，在天河二号高性能计算集群上模拟了小行星风化层在百万年时间尺度上的流动和演化。结果表明，自旋加速引起离心力增大，使赤道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；同时，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。模拟结果与“龙宫”“贝努”的观测结果高度相符。
论文通讯作者、清华大学航天航空学院教授宝音表示，相关成果将服务于我国未来的小行星探测任务，为任务的设计论证提供方法依据和理论支撑。
