什么是“特洛伊小行星”?露西号探测器将揭开它们的神秘面纱!
行星的轨道上一定就没有其他天体了吗?之前我们说过,冥王星被踢出太阳系大行星的队伍,主要就是因为行星定义中有这么一条:已清空其轨道附近区域。而冥王星位于柯伊伯带,那里除了有大量的小行星,彗星外,还有不少个头与之相当的其他矮行星。
冥王星正是因为这一条被除了名。按照我们通常的理解,太阳系这些大行星轨道上,肯定是干干净净的了。但其实不然,就拿最具代表性的木星来说,它的轨道上其实就一直有大量的小行星存在。目前观测到的,就有上千颗。
据推测,它的总数甚至可能和整个小行星带在内的小行星数量不相上下。按理说,像木星这么大的质量,引力是非常强的,它就像一块大磁铁,所到之处的小铁屑,应该都会被吸走才对。
就算不能成为木星的一部分,至少也应该变成它的卫星,怎么会有这么多的漏网之鱼呢。既然这些小行星能够长期稳定的和木星共轨,只有一个可能,就是它们和木星的公转周期一致,这需要它们处于非常特殊的位置上。
没错,就是拉格朗日点。我们知道,三体问题是个无法精确求解的问题。除了一些极为特殊的情况,比如说拉格朗日这五个点,假如已经有两个天体在稳定绕行,就像木星围绕太阳转着。
这时候如果有第三个小质量天体加入进来,它只要位于这几个拉格朗日点上,那么它所受到的引力和力的方向会指向系统的共同质心。如果此时它在以特定的速度运动,也就是保持公转周期和木星相当,那么它所受到的引力合力就正好会充当向心力。
于是,这三个天体基本上就可以保持相对静止的稳定状态。目前,韦伯望远镜所在的就是这样一个位置。不过和韦伯望远镜所在位置不同的是,韦伯位于的是日地拉格朗日点,而这些小行星位于的是日木的拉格朗日点。
其次,韦伯所在的是拉格朗日L2点,在地球轨道外侧。而这些小行星位于L4和L五点附近,它们就在木星的轨道上,所以行星定义中“已清空其轨道附近区域”这条,天文学家对其中清除给了更详细的定义。
对于这些小行星等天体,大行星除了把它们完全吸收以外,还可以把它们变成自己的卫星,或者是让它们围绕拉格朗日点公转即可。对于最后这种围绕拉格朗日点公转且长期稳定运行的小行星,人们称其为特洛伊小行星。
如果木星这类大行星是太阳形成时留下来的边角料,那么特洛伊小行星很可能就是这些边角料的边角料。不过它们究竟是木星形成时留下的,还是被木星引力所捕获的,目前还不好说。如果能对这些小行星进行研究,或许将帮助我们更加了解太阳系的形成和演化。
2021年10月16日,NASA的“露西号”探测器成功发射。露西号任务是人类首个特洛伊小行星探测任务。在接下来的12年里,露西号将先后造访八个不同的小行星,其中还有一个是小行星的卫星。
没错,小行星也可以拥有自己的卫星。由于露西号任务属于NASA发现系列的小任务,预算非常有限,所以没法像旅行者和那些深空探测器一样采用核能供电。但是它的目的地又是木星轨道,距离太阳非常遥远,所以NASA只能想办法给它加装巨大的太阳能板。
除了能源上的考虑外,科学家对它的飞行轨道也要进行精心设计。要想达到木星轨道,中间必然需要穿过小行星带。既然来都来了,所以露西号造访的第一个目标其实是小行星带中的一颗小行星。此后它将离开小行星带,继续向外太阳系飞去。
预计2027年到达木星轨道。最后它会花一年左右的时间先后造访L4这里的四颗特洛伊小行星以及一颗卫星。但接下来的目标位于L5位置,那要怎么过去最方便呢?没错,从“操场”中间穿过去,所以露西号会先离开木星轨道,飞回内太阳系。
然后路过地球的时候,顺带再借个引力弹弓加速,等再次到达木星轨道时,刚好进入L5范围。露西号任务预计需要花费12年的时间,但由于是太阳能供电,所以只要它的健康状况够好,未来它将会长年在太阳系内这么穿梭。
除了木星有自己的特洛伊小行星外,海王星、火星、包括地球都有自己的特洛伊小行星,但是数量上有差异。像是最外面的海王星。虽然目前我们能观测到的数量的有限,但是据估算,它轨道上的特洛伊小行星的数量要比木星多得多,甚至要高一个数量级。
而在内太阳系的火星和地球轨道上的特洛伊小行星相对就少得多。比如说地球,一直到2010年,天文学家才发现第一颗地球特洛伊小行星-2010TK7。这颗小行星直径大约只有300米,目前位于拉格朗日L4点附近,距离地球至少有地月距离的50倍。
虽然特洛伊小行星相对来说运行稳定,长期和大行星共轨运行。但实际上,它们并不是和大行星相对静止,而是一直在大的轨道上沿着自己的晕轨道震荡,而且这个晕轨道也一直在变化。
有时候会变得非常大,以至于它会运动到太阳的背面,接近L3点的位置。甚至有研究认为,在很久以前,它可能还位于位于L5的位置,后来通过L3点运动到了现在的L4点位置。总之,它的运动仍然具有混沌特征。它将来会跑到哪,谁也说不准。
不过现阶段,它一直在L4和L3这两个拉格朗日点之间来回移动,一个周期大概是400年。除了2010TK7,2020年12月,天文学家发现了第二颗地球特洛伊小行星。最近发表于《自然通讯》的一篇文章,证实了这一发现。
这颗小星星位于日地拉格朗日L4点。不过数据显示,它是一个临时特洛伊小行星,它先前应该是被地球引力捕获来的,将来还会离开地球轨道,不过也没有那么快。至少在接下来的4000年里,它应该一直都和地球公轨。
地球的特洛伊小行星目前只发现了这两个。为什么地球轨道上的这么少呢?抛开地球本身质量远小于木星这种巨行星的原因外,观察角度也是其中的一个原因。从地球的视角来看,因为太阳这个远光灯的存在,L4和L5方向的小行星很难被发现。
那这次是怎么发现的呢?主要是时机的把握,也就是利用日出前和日落后那一小段时间。那还有其他办法吗?除了地面观测外,天文学家还可以通过位于太空的探测器来寻找。之前有些探测器已经到访过L4和L5区域,不过它们并没有发现新的特洛伊球小行星。
虽然没有发现,但是先前的探测对于今后的搜寻工作来说也是有帮助,至少缩小了一定的搜寻范围。
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