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小行星，是我們追溯太陽系歷史的“時(shí)光膠囊”。

它們大多是太陽系行星形成時(shí)期的留下的碎片，很可能還保留著原始太陽系的成分和信息。

但是，小行星的個(gè)頭太小了，自身又不發(fā)光，肉眼幾乎不可能看見（除了灶神星），即使在天文望遠(yuǎn)鏡里，也頂多不過是一個(gè)小亮點(diǎn)。想要了解小行星的秘密，人們就需要派出使者——探測(cè)器，去一看究竟了。

來自日本JAXA的隼鳥2號(hào)探測(cè)器，就擔(dān)負(fù)了這樣一個(gè)艱巨的任務(wù)：探訪碳質(zhì)小行星（C型小行星）——“龍宮”。

C型小行星是小行星中數(shù)目最多，也最為原始的一類。它們被認(rèn)為是落入地球上的碳質(zhì)球粒隕石的母體，其中一些可能富含水和有機(jī)物。

探測(cè)這樣的小行星，不但可以幫助我們了解太陽系早期的歷史和演化，沒準(zhǔn)也能我們尋找地球生命起源提供線索。

2018年6月，隼鳥2號(hào)抵達(dá)龍宮。經(jīng)過了幾個(gè)月的探測(cè)之后，隼鳥2號(hào)團(tuán)隊(duì)迎來了第一個(gè)收獲的季節(jié)——就在昨天，《科學(xué)》雜志一口氣刊登了三篇論文，介紹隼鳥2號(hào)團(tuán)隊(duì)對(duì)小行星龍宮的初步探測(cè)成果^[1-3]。

從一個(gè)小亮點(diǎn)，到一整個(gè)世界

隼鳥2號(hào)在距離龍宮133萬公里處，首次拍到了它的身影——此時(shí)的龍宮還依然只是一個(gè)小亮點(diǎn)^[4]。

隼鳥2號(hào)2018年2月26日首次拍到的小行星龍宮。來源：JAXA[4]

然而，隨著隼鳥2號(hào)一點(diǎn)一點(diǎn)飛近龍宮，隼鳥2號(hào)攜帶的“十八般兵器”漸漸為我們揭開龍宮的面紗。

首先是出場(chǎng)的是相機(jī)。隼鳥2號(hào)攜帶了3個(gè)相機(jī)：1個(gè)遠(yuǎn)望相機(jī)ONC-T和兩個(gè)寬角相機(jī)ONC-W1和ONC-W2，最高可以拍攝毫米級(jí)分辨率的龍宮表面照片。

隼鳥2號(hào)的三個(gè)導(dǎo)航相機(jī)。來源：JAXA[5]

隼鳥2號(hào)的導(dǎo)航相機(jī)ONC的探測(cè)原理：

ONC相機(jī)告訴我們，這個(gè)直徑約900米的小家伙形狀略扁（赤道半徑502米，兩極半徑只有438米），長得像個(gè)粽子陀螺，赤道有一圈明顯的隆起，這個(gè)環(huán)繞赤道一圈的隆起后來被命名為“龍王山脊”。龍宮的自轉(zhuǎn)周期約7.6小時(shí)，轉(zhuǎn)軸傾角171.64°，幾乎就是逆行自轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)軸傾角180°）。

龍宮的東半球和西半球。來源：JAXA

又一個(gè)疏松的“亂石堆”

通過測(cè)量質(zhì)量和體積，可以計(jì)算出龍宮的密度只有1.19克/立方厘米（實(shí)在是有點(diǎn)低），這并不是因?yàn)榻M成龍宮的石塊本身密度太低，而是因?yàn)檫@些石塊都是“松松”地靠在一起的，彼此之間有很大空隙。

當(dāng)年，隼鳥2號(hào)的前輩隼鳥號(hào)探測(cè)的小行星“系川”就是這樣一顆典型的“亂石堆”（rubble pile）。這種由眾多大大小小的石塊通過自身引力聚集在一起形成的小行星，彼此之間的“粘合力”很弱，質(zhì)地松散，孔隙率自然也很高。

龍宮上的坍塌和物質(zhì)流動(dòng)痕跡。（左）浦島坑中的坍塌，（右）黃色箭頭指示重力位從高到低的方向，與龍宮目前的物質(zhì)流動(dòng)方向一致。來源：參考文獻(xiàn)[3]

而如果我們假設(shè)組成龍宮的顆粒物質(zhì)密度和碳質(zhì)球粒隕石差不多的話（其中目前已知密度最低的是Orgueil CI隕石，密度2.42±0.06 克/立方厘米^[6]），那么整個(gè)龍宮的平均孔隙率將大于50%，比小行星系川孔隙率（44%）還要高。

也就是說，龍宮也是一顆亂石堆型小行星。

亂石堆型小行星系川和龍宮。來源：JAXA

另一個(gè)支持這個(gè)觀點(diǎn)的證據(jù)是：龍宮表面有許多大石塊。雖然撞擊作用也會(huì)產(chǎn)生石塊，但龍宮上的這些石塊不可能是撞擊濺射物，因?yàn)殚L于20米的石塊實(shí)在太多了（最大的一塊長度約160米），龍宮上最大的撞擊坑（直徑約290米的浦島坑）也不可能產(chǎn)生這么大的石塊。

因此，龍宮很可能是一顆直徑約100公里的母天體被完全撞碎之后，碎片重新聚集形成的，而龍宮上的這些大石塊也不是龍宮形成之后才產(chǎn)生的，更可能是組成龍宮的原始碎片。

“陀螺”是怎么形成的？

其實(shí)，陀螺狀的近地小行星倒也談不上罕見，天文學(xué)家們已經(jīng)通過地基雷達(dá)發(fā)現(xiàn)過一些。畢竟，自轉(zhuǎn)引起的離心作用可以讓赤道區(qū)域產(chǎn)生一定的隆起，這也不奇怪（咱們的地球不也是“兩極稍扁，赤道略鼓”么）。

自轉(zhuǎn)周期短達(dá)3.9個(gè)小時(shí)的妊神星，就因?yàn)榫薮蟮碾x心作用被整個(gè)“拉”扁了…快速旋轉(zhuǎn)的妊神星的假想圖，看得我都暈……來源：Wikimedia Commons

但是，相比于目前已知的其他陀螺狀的小行星，龍宮的自轉(zhuǎn)速度似乎太低了（7.63小時(shí)），按理說，這樣的自轉(zhuǎn)速度似乎并不足以引起這么明顯的赤道隆起。

JAJAXA隼鳥2號(hào)探訪的龍宮，NASA冥王號(hào)探訪的貝努，以及歐空局曾經(jīng)的小行星采樣返回計(jì)劃MarcoPolo-R想要造訪的小行星2008 EV5的大小、形狀和自轉(zhuǎn)周期，相比之下龍宮實(shí)在是轉(zhuǎn)得太慢了。圖片來源：JAXA、NASA

那么，一個(gè)很自然的猜測(cè)就是：龍宮過去一定轉(zhuǎn)得很快，是后來減速到現(xiàn)在的自轉(zhuǎn)狀態(tài)的。

為了證實(shí)這一點(diǎn)，隼鳥2號(hào)團(tuán)隊(duì)分析了不同自轉(zhuǎn)速率下龍宮表面坡度（表面法線和重力等位面的夾角）的分布。來源：參考文獻(xiàn)[1]

結(jié)果反映出，當(dāng)龍宮的自轉(zhuǎn)速率是現(xiàn)在的兩倍多的時(shí)候，龍宮上會(huì)發(fā)生大規(guī)?！疤?，大量物質(zhì)“流”向赤道區(qū)域，形成現(xiàn)在環(huán)繞赤道一圈的龍王山脊。

再然后，隨著自轉(zhuǎn)的減慢，如今的龍宮赤道上的物質(zhì)也正重新“流”向中高緯區(qū)域。

有點(diǎn)“干旱”的“龍宮”

“龍宮”這個(gè)名字來源于日本民間故事《浦島太郎》（うらしまたろう），故事里的浦島太郎被海龜帶往海底龍宮，在龍宮受到了公主乙姬的熱情款待，回到人間的時(shí)候帶回了一個(gè)寶盒——寓意采樣返回的隼鳥2號(hào)也能從小行星帶回珍貴的信息。這個(gè)名字的另一個(gè)意義在于，C型（碳質(zhì)）小行星中有幾個(gè)亞類可能含富含水，這也非常符合“海底龍宮”的意味。

ポプラ出版社(2018/3/6)童書《浦島太郎》的封面

那龍宮到底是不是這樣呢？隼鳥2號(hào)的另一件寶貝——近紅外光譜儀（NIRS3）告訴我們好像并不是。

近紅外光譜儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。來源：JAXA[5]

如果某個(gè)區(qū)域含有某種物質(zhì)成分，那么這個(gè)區(qū)域的反射光被光譜儀“分解”之后，就可能顯示出這種成分對(duì)應(yīng)的V型的特征吸收。也就是說，光譜儀可以識(shí)別許多物質(zhì)的“指紋”。

龍宮攜帶的近紅外光譜儀NIRS3覆蓋了1.8-3.2微米的波段范圍，在這個(gè)范圍里，三種不同形式的水：羥基（OH）、液態(tài)水和水冰會(huì)體現(xiàn)出不同的吸收特征——如果龍宮含水，就應(yīng)該會(huì)被檢測(cè)到。

（左）羥基（OH）、水和水冰在3μm（3000 nm）附近有不同波段有不同的吸收特征示例。來源：參考文獻(xiàn)[7]（右）龍宮的近紅外波段光譜特征。來源：參考文獻(xiàn)[2]

NIRS3的結(jié)果顯示，龍宮只在2.72微米處探測(cè)到了很窄的V型吸收，而且遍布全球——這是羥基（OH）的吸收特征。也就是說，含羥基的礦物（水合礦物）在龍宮表面普遍存在^[2]。

然而，龍宮上羥基的特征吸收很微弱，說明整個(gè)龍宮表面的羥基都不多——龍宮上雖然有水（羥基可以認(rèn)為是結(jié)構(gòu)水，但不同于液態(tài)水和水冰），但也沒有多少水。

為什么會(huì)有這么少的水呢？可能的原因有很多。

一種可能性是，龍宮本身作為一顆重組的亂石堆，很可能經(jīng)歷過一些熱變質(zhì)或者沖擊變質(zhì)過程，類似于經(jīng)歷過這些的碳質(zhì)球粒隕石，那么自然地，龍宮在這個(gè)過程中被加熱脫水了。

另一種可能是，龍宮曾經(jīng)的軌道近日點(diǎn)比現(xiàn)在離太陽更近，會(huì)受到更強(qiáng)的來自太陽的熱輻射，也會(huì)因?yàn)楦鼜?qiáng)的太陽風(fēng)作用而導(dǎo)致羥基的分崩離析。

總之，就是龍宮可能曾經(jīng)有過很多水，然后水沒了。

另一種可能是，龍宮可能原本就沒有很多水：龍宮的母體小行星上就（因?yàn)榉N種原因）沒有很多水，所以龍宮先天缺水。隼鳥2號(hào)項(xiàng)目組更傾向于這種情況。

鄉(xiāng)關(guān)何處？

至于龍宮原本來自哪里？它的母體小行星是什么樣的？我們依然可以通過光譜特征這把“指紋鑰匙”來推測(cè)，或者簡(jiǎn)單來說，尋找什么樣的小天體和龍宮更像。

以目前龍宮的光譜形態(tài)來看，和龍宮光譜特征最相似的小行星是兩顆主帶小行星：波蘭星（Polana）和歐拉莉婭（Eulalia），從軌道特征來看，龍宮也很可能是這兩顆小行星之一的碎片。

龍宮和波蘭星（Polana）、歐拉莉婭（Eulalia）的反射光譜。來源：參考文獻(xiàn)[3]

事實(shí)上，這兩顆小行星并不是“單打獨(dú)斗”的，它們各自有一個(gè)龐大的家族——也就是說一系列軌道特征相似，可能來自同一顆小行星母體的族群——波蘭星族（Polana family）和歐拉莉婭星族（Eulalia family）（歐拉莉婭星族本身也是波蘭星族的一個(gè)分支）。

也就是說，龍宮可能并不直接來源于這兩顆小行星之一的碎片，而可能是它們的二代、三代甚至n代碎片。

龍宮的坎坷一生

在隼鳥2號(hào)抽絲剝繭地偵查之下，龍宮歷經(jīng)坎坷的一生逐漸浮出水面。

龍宮的母體小行星或許原本是有水的，但后來因?yàn)樽陨韮?nèi)部的放射性物質(zhì)衰減加熱，或者因?yàn)殡E石撞擊加熱，讓很大一部分水散失了。也或許是因?yàn)槟阁w小行星的水蝕過程才剛剛開始，還沒有形成很多水。

總之，這顆略有點(diǎn)“干旱”的母體小行星被另一顆飛來的撞擊體完全撞碎，這是太陽系中稀松平常的“慘劇”之一。

在這毀滅之中，也孕育著新生——

那些撞擊產(chǎn)生的碎片，又聚集成了一個(gè)個(gè)新的小行星族群。因?yàn)樗槠谶@個(gè)撞擊和重組過程中，除了因?yàn)樽矒舢a(chǎn)生的有限的熱變質(zhì)之外，并沒有發(fā)生很大的化學(xué)變化，所以它們幾乎還保留著來自母代小行星的“指紋”。

龍宮或許就是這樣的一顆小行星。

又或許，那些子代小行星族群中的一顆，又再次被一顆飛來的撞擊體完全擊碎，這些碎片再次重組，成為了龍宮。

龍宮可能的形成過程。來源：參考文獻(xiàn)[3]

我們并不知道龍宮的一生，經(jīng)歷了多少次俄羅斯套娃式的毀滅和重生。龍宮的這段歷史，也是建立在無數(shù)“可能”之上的推測(cè)——隨著隼鳥2號(hào)的進(jìn)一步探索，我們一定會(huì)得到一段更加清晰的歷史，或許和現(xiàn)在的猜測(cè)非常不同。

但龍宮這樣的小行星，一定經(jīng)歷過毀滅和新生交織的“坎坷人生”，或許也注定在某一次撞擊中被完全毀滅。

只是剛剛好在這樣一個(gè)時(shí)刻，龍宮也在，我們也在，然后我們看到了龍宮。

致謝：本文感謝小龍哈勃的審稿。

(編輯：Yuki)

參考文獻(xiàn)：

1. S. Watanabe, et al., Hayabusa2 arrives at the carbonaceous asteroid 162173 Ryugu—a spinning-top-shaped rubble pile. Science (2019). 
2. K. Kitazato et al., The surface composition of asteroid 162173 Ryugu from Hayabusa2 near-infrared spectroscopy. Science (2019). 
3. S. Sugita et al., The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent-body processes. Science (2019). 
4. http://global./press/2018/03/20180301_hayabusa2.html
5. https://www.darts.isas./planet/project/hayabusa2/
6. P. Vernazza, et al. (2015). Interplanetary dust particles as samples of icy asteroids. The Astrophysical Journal, 806(2), 204.
7. C. Pieters, et al. (2009). Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1. science, 326(5952), 568-572.