揭開司理星族群隱秘的容顏

黃增強

2021年8月，中國科學院紫金山天文臺課題組利用空間紅外望遠鏡的紅外觀測和熱物理模型，揭示了太陽系小行星主帶司理星族群小行星的熱物理特性，此項研究成果為科學家們“考古”太陽系歷史提供了重要線索。

在浩瀚的宇宙中，太陽系除了有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星這八大行星之外，還有許多體積和質量比行星小得多的小行星，這些小行星圍繞著太陽公轉，錯落有致，生生不息。據科學家推測，在太陽系眾多小行星中至少有五條小行星帶。第一條是位于火星和木星之間小行星最密集的區域，被稱為主帶;第二條是從主帶的小行星中走出來的希爾達群帶;第三條是在木星附近的特洛伊群帶;第四條是在木星另一則的希臘群帶;第五條就是橫跨主帶與火星軌道，甚至地球軌道的阿波羅族群帶。

小行星帶是太陽系內介于火星和木星軌道之間的小行星密集區域，98.5%的小行星都是在此處被發現。小行星帶是怎么形成的？科學家通過對小行星帶中的小行星的位置、運動規律和元素含量的研究發現，這些小天體可以分成好幾個小行星族，同一家族的小行星來自同一個母體的碎片，共享相似的軌道元素，像是半長軸、離心率、軌道傾角，還有相似的光譜。主帶中的小行星集中成幾個家族，大約有20至30個集團可以確定是小行星族，并且可能有共同的起源。小行星族中，有花神星族、司法星族、鴉女星族、曙神星族和司理星族等星族。

1853年，意大利天文學家安尼巴萊·德·加斯帕里斯在分布著眾多小行星的火星與木星之間，發現了一顆直徑為198千米，質量為5.75×10千克，公轉周期為2022.524天的小行星，這顆小行星被命名為司理星。它是被科學家發現的小行星中的第24顆，也是在主帶小行星中較大的一顆。1918年，日本天文學家平山清次在介于火星和木星軌道之間的主帶外側發現小行星司理星族（有相似軌道要素小行星）。司理星族與太陽的平均距離是3.13天文單位，是家庭成員較多的一個小行星族。司理星周圍被許多較小的小行星環繞著，因此形成了司理星族群。

司理星族群小行星位于主帶外部區域，其軌道半長徑分布在3.08AU-3.24AU，偏心率為0.09-0.22，軌道傾角小于3°。據科學家推測，司理星族群形成于25億年前的一次碰撞事件，其母體為主帶小行星24號司理星。該族群成員數目超過4700顆，大多數光譜型為C型或B型。近年來，天文學家發現，24號司理星的光譜在3.1微米處有連續吸收線，表明在其表面可能存在大量水冰。此外，司理星族群被認為是主帶彗星133P及176P的發源地。

司理星族群是了解小行星水冰演化和活動性的重要對象，通過對該族群小行星的熱物理研究，可進一步揭示這類小天體的物理特性和演化特征。因此，在21世紀初期，美國科學家在觀測司理星時分析發現，其光譜在3.1微米處存在一個凹陷，此處波長對應的正是水冰吸收紅外光的地方。同時，他們根據紅外信號還發現了碳基有機化合物的蹤跡。

中國科學院紫金山天文臺課題組季江徽等科研人員基于空間紅外望遠鏡對司理星族群小行星的觀測數據，利用先進熱物理模型計算得到小行星在紅外波段的理論輻射流量，進而擬合獲得了司理星族群中20顆小行星的熱慣量、幾何反照率、有效直徑和粗糙度等參數的最優解，并估算其表壤顆粒尺寸。研究發現，這些小行星熱慣量的平均值為39.5±26.0 Jm-2s-1/2K-1，幾何反照率平均值為0.067±0.018，表壤顆粒尺寸平均為1.616±0.494 毫米。與其他族群相比，司理星族群的幾何反照率普遍偏低，這與B型和C型小行星的幾何反照率分布基本一致。課題組進一步研究發現，不同族群小行星之間的熱慣量分布相似，較低的熱慣量則表明這些小行星表面存在非常細小的顆粒和較厚的表壤層，反映了主帶小天體經歷了長期復雜的太空風化。通過不同主帶族群之間熱物理特性的對比研究，該工作從新的視角來認知其族群分類、碰撞機制和演化過程，進而探索太陽系的“考古”歷史。

紫金山天文臺課題組的科研人員利用先進熱物理模型，揭示了小行星司理星族群的“容顏”，對科學家了解太陽系中含水冰小天體的形成與演化過程具有重要的科學意義。