小行星Bennu和Ryugu的新发现对小行星起源和演化的新认识

来源：中科院地质地球所

小行星Bennu和Ryugu的新发现对小行星起源和演化的新认识

小行星等小天体被认为是构建地球等类地行星的建筑材料，也是太阳系演化早期的“化石”，还可能是地球生命的主要来源。以小行星和彗星为目标的小天体探测是深空探测的重要方向。日本于2003年首次开展了近地小行星25143 Itokawa（S型）采样返回任务，成功采集了上千颗微米大小的颗粒，通过对采集颗粒的精细分析，取得了重要科学成果。有鉴于第一次采样返回任务的巨大成功，日本和美国分别启动了新一轮的小行星采样返回任务Hayabusa2和OSIRIS-REx，旨在采集小行星25143 Itokawa和101955 Bennu这两个C型小行星的样品带回地球，开展生命起源、小行星演化、小行星资源等方面的科学探索。

目前，这两个探测计划均已到达目标小行星，分别对Ryugu和Bennu开展了近距离的探测，相关研究成果在Science、Nature、Nature Geoscience、Nature Communications和Nature Astronomy等国际知名期刊发表，为揭示小行星的起源和演化提供了新认识。

Ryugu呈扁圆形（图1），密度仅为1.19±0.02克/厘米3，表明其具有高孔隙度特征，与Cb型小行星相符；此外，Ryugu表面分布大量的岩石碎块，具有碎石堆结构的明显特征。根据Ryugu表面坡度在经度和纬度方向的差异，推测Ryugu早期的自转速率可能曾达到过现今的两倍，导致有些岩石向赤道运移，同时有些石块可能还被甩离Ryugu(Watanabe et al., 2019)。 

图1 导航相机拍摄Ryugu的正面（A）和反面（B）照片（Watanabe et al., 2019）　

Ryugu存在普遍性的2.7 um吸收峰，说明其表面广泛分布含羟基的矿物(Kitazato et al., 2019)。此外，Ryugu的可见-近红外光谱与经历过热变质的CI1型碳质球粒陨石和遭受一定程度撞击发生脱水反应的CM2型碳质球粒陨石比较相似，暗示Ryugu可能经历过一定程度热变质或较强烈的撞击(Kitazato et al., 2019)。综合目前对Ryugu地形地貌、物性和成分等方面的探测结果，认为Ryugu的母体曾经历过水蚀变、热变质和多次撞击，最终由撞击形成的碎块重新吸积形成了现在的Ryugu（图2），从而说明Ryugu并不是理想中最原始的星子(Sugita et al., 2019)。 

图2 Ryugu形成的示意图(Sugita et al., 2019)。最初吸积形成的Ryugu母体发生过强烈的水蚀变，由于26Al衰变和撞击加热，导致该母体发生脱水，同时导致母体破碎。撞击形成的碎块重新吸积形成小行星，可能后期还经历过较强的撞击从而形成现在的Ryugu。　　 

Bennu形态与Ryugu接近（图3），密度与Ryugu相当，也为碎石堆结构(DellaGiustina et al., 2019)，推测Bennu内部同样主要由岩石碎块和孔隙组成(Scheeres et al., 2019)，除此之外Bennu的低纬度区域还具有低高程和低坡度特征(Barnouin et al., 2019; Hergenrother et al., 2019; Scheeres et al., 2019)。Bennu撞击坑年代学统计表明Bennu表面的年龄为1-10亿年，早于Bennu成为近地小行星的时间(Walsh et al., 2019)。Bennu的表面可见大量米级大小的岩石（如图4），然而，热红外光谱、雷达和热惯量探测结果则支持Bennu表面可能覆盖了一层表土(DellaGiustina et al., 2019; Lauretta et al., 2019)。 

Bennu具有含水矿物的2.7 um吸收峰（图4c），该吸收峰明显强于Ryugu，说明Bennu上的含水矿物比Ryugu丰富(Hamilton et al., 2019)。根据可见光—热红外波段的光谱特征，Bennu与CM型碳质球粒陨石最相似(Hamilton et al., 2019)。Bennu现在的大小并不能维持液态水，说明这些水可能来自更大的母体，该母体经过多期次的演化形成了Bennu (Hamilton et al., 2019)，这与Bennu现在的表面特征、物性等观测结果相符。目前认为，Bennu的早期的自转速度比现在快很多，而且其自转速度和表面的物质会随时间不断演化 (Barnouin et al., 2019; Scheeres et al., 2019; Walsh et al., 2019)。最近还发现Bennu表面持续喷射出碎块，通量可达150克/秒，这些喷射出的碎块还会被Bennu重新捕获成为它的卫星(Hergenrother et al., 2019)，具体原因仍有待进一步观测和研究。 

图3  （a）小行星Bennu的全球数字地形模型（Barnouin et al., 2019）；（b）小行星Bennu拼接图像（图片来源：NASA）

图4 （a、b）Bennu表面不同大小的岩石（Walsh et al., 2019)；（c）Bennu与不同碳质球粒陨石的光谱。2.74 um处为Bennu吸收峰位置（Hamilton et al., 2019）

Ryugu和Bennu最新的探测结果表明，小行星虽然体型小，但仍然存在复杂的地质活动和演化历史，更精细地认识还需返回样品的实验室分析来进一步厘定，这对我国小行星探测规划具有重要参考价值。我国首次小行星采样返回探测器将于2022年发射，计划对地球准卫星2016 HO3进行采样，探测器将返回舱送回地球后，将奔赴小行星带开展主带彗星和小行星探测，实现一次探测完成多目标、多技术、多手段的目标。 

参考文献：

1.Barnouin O S, Daly M G, Palmer E E, et al. Shape of (101955) Bennu indicative of a rubble pile with internal stiffness[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 247-252.

2.DellaGiustina D N, Emery J P, Golish D R, et al. Properties of rubble-pile asteroid (101955) Bennu from OSIRIS-REx imaging and thermal analysis[J]. Nature Astronomy, 2019, 3(4): 341-351.

3.Hamilton V E, Simon A A, Christensen P R, et al. Evidence for widespread hydrated minerals on asteroid (101955) Bennu[J]. Nature Astronomy, 2019, 3(4): 332-340. 

4.Hergenrother C W, Maleszewski C K, Nolan M C, et al. The operational environment and rotational acceleration of asteroid (101955) Bennu from OSIRIS-REx observations[J]. Nature communications, 2019, 10: 1291. 

5.Kitazato K, Milliken R E, Iwata T, et al. The surface composition of asteroid 162173 Ryugu from Hayabusa2 near-infrared spectroscopy[J]. Science, 2019, 364(6437): 272-275.

6.Lauretta D S, DellaGiustina D N, Bennett C A, et al. The unexpected surface of asteroid (101955) Bennu[J]. Nature, 2019，568: 55-60. 

7.Scheeres D J, McMahon J W, French A S, et al. The dynamic geophysical environment of (101955) Bennu based on OSIRIS-REx measurements[J]. Nature Astronomy, 2019, 3(4): 352-361.

8.Sugita S, Honda R, Morota T, et al. The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent-body processes[J]. Science, 2019, 364(6437): eaaw0422.

9.Walsh K J, Jawin E R, Ballouz R L, et al. Craters, boulders and regolith of (101955) Bennu indicative of an old and dynamic surface[J]. Nature Geoscience, 2019, 12:242-246.

10.Watanabe S, Hirabayashi M, Hirata N, et al. Hayabusa2 arrives at the carbonaceous asteroid 162173 Ryugu—A spinning top–shaped rubble pile[J]. Science, 2019, 364(6437): 268-272.