行星环境与宜居性研究团队在近地小天体搜寻中取得系列成果

发布日期：2019-12-31

　　近地天体（Near-Earth Objects），由于其有一定的与地球发生碰撞的几率，一直被广泛关注。统计表明，随着尺度的减小，小天体数目激增。但是目前为止，我们对直径100米以下的小天体，发现率不足1%[1]。1908年的通古斯爆炸案，是由一个直径60至190米的陨石引起的[2,3]。据估计，当时爆炸所释放的额能量，相当于1500万吨TNT爆炸所产生的能量。而2013年的车里宾雅斯克火流星事件，在爆炸前是一个直径约17米的小天体[4]。约有1500人在这个火流星事件中受伤。可以想象，如果这两次陨石事件发生在人口稠密地区，将会造成巨大的人员伤亡和财产损失。2013年的研究表明，结合碰撞几率和碰撞能量，直径50米的小天体对地球产生的潜在损失最大[5]。那么如何有效的发现这些小天体就成了一个亟待解决的问题。

　　宇宙中的小天体，一生都在与其他的天体发生碰撞。早期的碰撞，能产生较大的碎片。这些碎片往往围绕母天体继续运动，被称为共轨物质。它们继续碰撞，产生越来越多更加细小的碎片。其中产生的纳米级尘埃，在太阳风中被电离，并且能被太阳风加速到接近太阳风的速度。在这个加速的过程中，太阳风中的行星际磁场受到影响，形成了一种被称为行星际磁场增强（IFE: Interplanetary Field Enhancement, IFE）的事件[6,7]。这种事件持续几分钟到十几个小时，典型特征为磁场强度明显增加并在事件中心处磁场方向发生突变。事件期间，太阳风的离子数密度、速度和温度没有显著变化[8,9]。这种太阳风-尘云的相互作用过程，已经定性地被多流体磁流体数值模拟重现[10]。

　　基于IFE与尘云即碰撞的关联性，我院行星环境与宜居性研究团组的研究人员提出利用行星际磁场的观测来寻找碰撞频繁区，从而推测小天体或者它们的共轨物质。相关结果多次发表在相关的国际期刊（Geophysical Research Letters、Meteoritics & Planetary Science等）上。

　　赖海容副教授及其合作者重新整理了Pioneer Venus Orbiter（PVO）(1978~1988)的磁场观测数据，再次肯定了其观测到的IFE是由小行星奥加托(Oljato)的共轨物质产生（图1，2和3）。通过比较PVO与金星快车（Venus Express, VEX）（2006~2012）的数据，他们还发现在近30年，奥加托的共轨物质大幅减少（图3），并且提出这种减少是因为金星的引力扰动改变了共轨物质的轨道，在奥加托附近形成了共轨物质空洞。

图1

图1：小行星奥加托和金星在日心赤道坐标系中的轨道图。

阴影区域为敏感区，区域内行星轨道处产生的尘云能被下游的金星轨道附近的飞船观测到。

 

 

图2

图2：（a）PVO和（b）VEX观测到的IFE在金星附近的年频率随日心赤道坐标系中的纬度变化。

     PVO的观测到IFE频率在敏感区中有显著增加。这个特点在VEX观测的时间段内消失了。

 

图3

图3：IFE日频率关于IFE和奥加托相位差的分布图。当奥加托超前时，相差为正。

       (a)比较了PVO在敏感区内外的观测。敏感区内，随着相差减小，IFE频率增加。

              (b)比较了敏感区内，VEX和PVO的观测。VEX在此处观测到的IFE频率远低于PVO时期的。

 

　　赖海容副教授及其合作者将同样的方法应用到了地球附近的行星际磁场观测中，发现小行星138175存在类似的共轨物质（图4，5和6）。同时他们发现，相比20年前的观测数据(图6)，近年来IFE在敏感区间中的频率大幅减小。

图4

图4：小行星138175和地球在日心黄道坐标系中的轨道。

 

 

图5

图5：近20年IFE在地球附近的年频率随日心赤道坐标系中的纬度变化。

 

图6

图6：IFE日频率关于IFE和小行星相位差的分布图。当小行星超前时，相差为正。

（a）比较了近几年ACE、Wind、STEREO A 和STEREO B在敏感区内外的观测。

                   （b）比较了近几年和早期IMP 8在敏感区内的观测。

 

　　赖海容副教授及其合作者不仅用IFE的观测来寻找小行星的共轨物质，还估算了IFE中尘云的质量，进而估算共轨物质的大小。质量估算的结果如图7所示:奥加托共轨物质产生的尘云质量主要在108千克而小行星138175的共轨物质质量主要在107kg。

图7

图7：(a)奥加托和（b）小行星138175的共轨物质质量分布。

 

　　至此，这种利用行星际磁场观测寻找小行星的共轨物质的观测方法，实现了从模糊定位，估算大小，到监测长时间演化这个完整的探测链。并且由于人造卫星自空间探测开始几乎遍布了太阳系，而几乎所有的人造卫星都搭载了磁强计，这种新方法有着更大的观测范围和更长的观测时间。与此同时，由于磁强计的灵敏性，小尺度磁场的扰动也能被捕捉。这些优点，很好的弥补了传统地面观测上的不足。

 

近五年相关论文

  1. Lai, H.R., and C.T. Russell(2018). Nanodust released in interplanetary collisions, Planetary and Space Science,https://doi.org/10.1016/j.pss.2017.10.003,Planetary and Space Science, 156, 2-6.
  2. Lai, H.R., C.T. Russell, H.Y. Wei, M. Connors, and G.L. Delzanno (2017). Possible potentially threatening co-orbiting material of asteroid 2000EE104 identified through interplanetary magnetic field disturbances, Meteoritics & Planetary Science, doi: 10.1111/maps.12854
  3. M. Connors, C.T. Russell, H.R. Lai(2016), The unusual asteroid 2201 Oljato: Origins and possible debris trail. Planetary and Space Science, 123, 16-24.
  4. Lai, H. R., C. T. Russell, Y. D. Jia, H. Y. Wei, and V. Angelopoulos (2015). Momentum transfer from solar wind to interplanetary field enhancements inferred from magnetic field drapingsignatures, Geophys. Res. Lett., 42, doi:10.1002/2015GL063302.
  5. Lai, H.R., C.T. Russell, H.Y. Wei and T.L. Zhang (2014). The evolution of co-orbiting material in the orbit of 2201 Oljato from 1980 to 2012 as deduced from Pioneer Venus Orbiter and Venus Express magnetic records, Meteoritics & Planetary Science, 49: 28-35.
  6. M. Connors, C.T. Russell, H.R. Lai(2014), A temporary Earth co-orbital as a source of interplanetary dust, Mon. Not. R. Astron. Soc. Lett., 433, 109-113.

 

参考文献

[1] Johnson L. 2014. Finding near Earth objects before they find us. Asteroid Grand Challenge: virtual seminar series. http://sservi.nasa.gov/wp-content/uploads/2014/02/NASANEO-Program-AGC-Seminar.pdf.

[2] Sekanina Z. 1983. The Tunguska event: No cometary signature in evidence. The Astronomical Journal 88:1382–1414.

[3] Chyba C. F., Thomas P. J., and Zahnle K. J. 1993. The 1908 Tunguska explosion: Atmospheric disruption of a stony asteroid. Nature 361:40–44.

[4] Brown P. G., Assink J. K., Astiz L., Blaauw R., Boslough M. B., Borovicka J., Brachet N., Brown D., Campbell-Brown M., Ceranna L., Cooke W., de Groot-Hedlin C., Drob D. P., Edwards W., Evers L. G., Garces M., Gill J., Hedlin M., Kingery A., Laske G., Le Pichon A., Mialle P., Moser D. E., Saffer A., Siber E., Smets P., Spalding R. E., Spurny P., Tagliaferri E., Uren D., Weryk R. J., Whitaker R., and Krzeminski Z. 2013. A 500-kiloton airburst over Chelyabinsk and an enhanced hazard from small impactors. Nature 503:238–241.

[5] Shuvalov V. V., Svettsov V. V., and Trubetskaya I. A. 2013. An estimate for the size of the area of damage on the Earth’s surface after impacts of 10-300 m asteroid. Solar System Research 47:260–267.

[6] Russell C. T., Luhmann J. G., Barnes A., Mihalov J. D., and Elphic R. C. 1983. An unusual interplanetary event: Encounter with a comet? Nature 305:612–615.

[7] Lai, H.R., H.Y. Wei, and C.T. Russell 2013. Solar wind plasma profiles during interplanetary field enhancements (IFEs): Consistent with charged-dust pickup, AIP Conf. Proc. 1539: 402-405

[8] Jones G. H., Balogh A., McComas D. J., and MacDowal R. J. 2003b. Strong interplanetary field enhancements at Ulysses—Evidence of dust trails’ interaction with the solar wind? Icarus 166:297–310.

[9] Lai, H.R., H.Y. Wei, and C.T. Russell 2013. Solar wind plasma profiles during interplanetary field enhancements (IFEs): Consistent with charged-dust pickup, AIP Conf. Proc. 1539: 402-405

[10] Jia Y. D., Ma Y. J., Russell C. T., Lai H. R., Toth G., and Gombosi T. I. 2012. Perpendicular flow deviation in a magnetized counter-streaming plasma. Icarus 218:895–905.