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过去3年里地球有两个月亮?刚发现 就要跑丢了(组图)

要论天然卫星的数目,我们的地球在太阳系里可排不到前排。土星和木星这些巨行星,动辄有几十颗卫星环绕。2019年,土星还新发现了20颗卫星,一举超过木星,成为太阳系已知卫星数目最多的行星。天王星和海王星也各有近二十颗卫星。


倒是在内太阳系的类地行星里,地球勉强可以充充老大。


比我们离太阳更近的水星和金星,一颗卫星都没有。外侧的火星倒是有两颗卫星,个头都只有几千米大小。而我们美丽的地球呢,也有两颗天然卫星,其中一颗是我们熟悉的月亮,个头比水星小不了多少……



嗯,地球有了一颗新月亮,不过并没有图上这么夸张…… | Youtube


等一下!你是说,地球有两颗卫星?除了月球,还有另外一颗?在哪呢,怎么看不到!


别找啦。这另外一颗呀,也是迷你卫星,大小只有两米,比肉眼能看到的最暗的星还要暗几百万倍。上个月刚被发现,不过可能它不习惯地球引力的束缚,下个月就要走了。


卡塔琳娜巡天的发现


2020年2月15日夜,一颗快速运动的小天体,突然出现在卡特琳娜巡天项目(CSS,Catalina Sky Survey )1.5米望远镜的视野,在4张照片序列中划出4条短短的轨迹。


对于专门研究近地天体的卡特琳娜巡天来说,看到这种临时飞过的小家伙不算罕见,正在观测的天文学家 Kacper Wierzchos 和 Teddy Pruyne 照例将其上报国际天文学联合会小行星中心(MPC,Minor Planet Center),标记为新发现的近地天体候选体。


小行星中心也照例通知全球参与合作的望远镜,做后续观测,以便获得其精确的运行轨道。



发现 2020 CD3 的4张30秒曝光的照片序列 | 卡特琳娜巡天,亚利桑那大学


两位天文学家在上报的时候已经意识到,这家伙移动速度太快了。4张照片序列的始末间隔约半小时,而它用这么短的时间就走过了上图8角分的视场,差不多相当于肉眼所见满月大小的1/4。而且在每幅照片30秒的曝光里,它也划出了明显的轨迹。这么快速的移动,说明它很可能运行在地球邻近的空间。


莫非是一颗路过家门口的近地小行星?


随着全球其它天文台的加入,观测数据越来越详细。一天之后,有天文学家率先在社交媒体上发文:它可能是几年前被地球引力捕获的一颗迷你月亮!并附上了22小时观测数据拟合出的轨道。随即,这一天体在网络上激起热烈的讨论。


有人猜测它可能是在高轨道运行的人造天体,比如发射其它行星探测器时半路丢下的火箭助推器,亦或是高轨卫星。但是伴随后续更多观测数据的出现,它的轨道被测定得越来越精准,与人造天体数据库里的轨道记录并不相符。


那有没有可能是未被记录在案的人造天体呢?相比于自然天体,人造天体往往会反射更多的阳光,因而轨道也会受到太阳光压的显著影响。而新发现的这个小天体,后续观测数据显示,它的轨道似乎没有受到太阳光压的明显影响。因此,这种可能性也可以被排除了。



国际天文学联合会小行星中心发表的 2020 CD3 电子通报


10天之后的2月25日,小行星中心发表电报,授予它临时编号 2020 CD3,代表2020年2月前半月发现的第79颗小行星,并将其归类为“被暂时捕获的天体”(Temporarily Captured Objects, TCOs),或者叫“临时卫星”(Temporarily Satellite)。


它是历史上第二颗归入此类的天体。


临时卫星 2020 CD3 的混沌轨道


这块体长约2米的临时工…… 不对,是临时卫星,之前不在这里,未来也不久留,只是来地球的引力场中兜几圈。小家伙这么随性的运动轨迹,地球和月球同意吗?


还真别说,这轨道就是地球月球一致同意的。



2020 CD3 的运行轨迹,从2017年开始环绕地球,到2020年4月从左下端离开。白色代表月球轨道 | Tony Dunn


根据现有的观测数据,天文学家将 2020 CD3 放入地球月球共同的引力场中,对它做了回溯性数值模拟。结果显示,大约在2017年前后,它才缓慢进入地球引力范围而被捕获,这一待就是3年。


受到地球和月球两颗大天体的引力拖拽,它几乎没有稳定的周期性轨道,而是绕出了一团非闭合的混沌轨道。这意味着它运行期间,没有哪段时间能够安安心心地完整绕地球转上一圈,倒确实像是个临时工,把地球邻近的空间逛了个遍。


如果没有月球,被地球捕获的小天体可能就像火星捕获的两颗小卫星那样,会长久地留下来。事实上,由于月球的存在,被捕获的小天体每一次靠近月球,都会被其引力踢一脚或者拉一把,一段时间过后,与月球过多的相遇,使小天体获得过多的轨道能量,最终一定会逃脱地球的吸引。


这也说明,地球曾经捕获和未来可能捕获的小天体,都只能是“临时卫星“,转不了正的。



2020 CD3 的动态运行轨迹 | Tony Dunn


通过高精度的数值模拟,可以相对准确地纵观 2020 CD3 过去和未来的轨道。


它离地球最近的时候,只有地月距离的1/5,大约比地球同步轨道远1倍的距离,最远时则跑到了4.5倍地月距离,几乎就要逃脱地球引力。


把数值模拟的时间轴转向未来,会发现它在1月中旬通过了自己的最后一次近地点,开始走上离开地球的轨道。


2月15日被发现的时候,它与地球相距大约30万千米,稍近于地月距离,视亮度20等。


2月25日正式公布临时卫星分类和编号的时候,它已经运行到2.5倍地月距离,视亮度23等,小型望远镜很难再观测到它。


到4月初,它将完全离开地球的引力控制,重新成为一颗环绕太阳运动的小行星。



2020 CD3 的视亮度随时间的变化 | Hanno Rein


这3年来,这颗迷你卫星一直相伴地球和月球左右,天文学家却没能及时找到,直到它跟地球说完再见,我们才碰巧发现了它,但已经来不及仔细研究了,不得不说有些遗憾。


仅有的两颗“临时卫星”


2020 CD3 是历史上的第二颗地球的“临时卫星”,第一颗是2006 RH120。它在2006年同样由卡特琳娜巡天项目发现,1年之后的2007年离开了地球束缚,成为环绕太阳的小行星。


随后的14年里,全球新发现了上万颗靠近地球的小天体,竟然没有一颗是被地球捕获的。好不容易现在又找到了一颗,人家都已经要离开了……



2006 RH120的动态运行轨迹 | HORIZONS System, JPL, NASA, Phoenix7777


想在未来弥补这样的遗憾,首先要弄明白,它们为何如此稀有。


原因主要有以下几点:


第一,存在时间短。正如前面讨论 2020 CD3的混沌轨道,月球带来的引力扰动,使它们围绕地球运动的持续时间,大约只有数年。


第二,捕获条件苛刻。在被地球捕获之前,它们的轨道不仅要靠近地球,而且要和地球共轨道,在这个基础上,以某些特定的速度和方向进入地球周围,才能够被捕获,否则只会从地球周围遥远的地方飞掠而过。但值得注意的是,这些曾经被捕获的小天体也倾向于重复捕获。


第三,该类巡天项目远未饱和。如果把夜空比作星辰大海,那这样的搜寻就是大海捞针。搜寻的望远镜数量不够多,或者说效率不够高。以卡特琳娜巡天项目中1.5米口径望远镜为例,它的视场为5平方度,已经算是相当大了。可与全天总面积41252.96平方度相比,这台望远镜只能覆盖万分之一之天空。这台望远镜30秒曝光的极限星等约21.5,无法看到尺度小于1米的小天体。巡天项目的不足,导致大量的候选天体错过发现窗口。


这一条也是最重要的原因。



正在建设的薇拉·鲁宾天文台 | LSST Project/NSF/AURA


近年的一些研究显示,地球暂时捕获小行星的概率可以达到0.2%~0.3%,考虑到今天估计的近地小行星数量为百万到千万颗,那么地球周围每时每刻都可能存在至少一颗长约1米的临时卫星。只不过它们太暗了,无法触及今天大多数巡天项目的灵敏度极限。


好在薇拉·鲁宾天文台(Vera C. Rubin Observatory)的大型综合巡天望远镜(Large Synoptic Survey Telescope,LSST)即将建成。在开始观测的第一个10年中,它有望发现大批地球的临时卫星。



2016年8月22日,一颗低速进入大气层的火流星被澳大利亚南部的火流星监测网记录到。依据它缓慢的速度猜测,它的前身可能是地球的临时卫星,大小约20厘米 | Shober et al.


空旷的地球轨道


2020 CD3 是卡特琳娜巡天项目发现的。这个巡天项目的科学目标,是发现和追踪近地天体,分析它们的轨道、大小和成分,研究它们的统计分布和轨道的动力学演化。如果它们的轨道和地球相交,最近距离小于20倍地月距离,且直径大约140米,则被归类为对地球的潜在威胁天体(Potentially Hazardous Objects,PHOs)。


截止目前,记录在册的近地小天体大约有两万颗,其中潜在威胁天体有9%,大约两千颗,数量不算多。通过持续的跟踪观测,对于直径百米以上的大家伙,轨道预测已足够精准,在未来的100年里几乎没有可能撞上地球。


算上全部已知的近地天体,直径大于1千米的共有约1000颗。而在火星和木星轨道之间的主小行星带里,同样大小的小行星数量有100万颗。相比之下,地球轨道周围算是相当空旷了。



夏威夷莫纳克亚北双子天文台8米望远镜拍摄的 2020 CD3,位于中心处。由于它相对背景恒星高速移动,当望远镜在跟踪 2020 CD3 观测时,原本不动的背景恒星此时划出与 2020 CD3 运动相反方向的轨迹。观测使用了红绿蓝三个通道,因此恒星轨迹为红绿蓝三色 | Gemini Observatory/NSF/AURA/G. Fedorets


只考虑2020 CD3 这种汽车大小的近地天体,目前的发现数量约有一万颗。


其中有多少能飞掠地球附近呢?


如果将范围限定在地月距离,过去1年里约有50颗飞掠。想象一下,在38万千米为半径的圆盘上停了50辆小汽车,又谁能察觉呢?


如果将范围缩小到地球本身,那么每年将只有一到两颗闯入地球大气层,随后会化作一颗火流星,在高层大气中燃烧殆尽,几乎不可能有陨石坠落地面。


地球就运行在如此空旷的太空之中。为了研究太阳系里的小行星,美国NASA发射了冥王号(OSIRIS-REx)入轨直径500米的近地小行星贝努(Bennu),进行采样返回,任务持续7年;日本则相继发射了隼鸟号(Hayabusa)和隼鸟2号(Hayabusa2),分别对近地小行星糸川(Itokawa)和龙宫(Ryugu)进行采样返回,每项任务也是6到7年。



2018年,NASA的冥王号飞抵小行星贝努(左),当时JAXA的隼鸟2号(右)正在小行星龙宫考察 | MASA Planetary Log


看着此刻刚刚离开地球的 2020 CD3 ,再回想一下 2006 RH120,科学家不禁产生出了一个新的脑洞 —— 与其设计复杂的轨道登陆遥远的小行星,为什么不就地探访送上门来的小行星呢?


一方面,诸如LSST这样的大口径高效率巡天项目即将上线,可以带来前所未有的高精度近地小天体轨道数据,或许还会发现大批量被地球捕获的临时卫星和海量低速飞掠地球的小行星。后续的长期监测,甚至能追踪它们再次被地球捕获的可能。


另一方面,在不远的未来,可以预期各国的国有航天和全球的民营航天也将继续提升火箭发射效率,做到随时等候发射。一旦这类小天体的轨道合适,即可启程开展探测任务。


未来,在地球的家门口,说不定就能进行小行星采样,甚至采矿了。


到时候,地球已知天然卫星的数目,说不定真的有希望跟那些巨行星一较高下了呢!

原文连结六度声明

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