65803 Didymos双星系统碎片流的脱落演化
2019-10-17

Didymos于1996年4月11日被美国亚利桑那州基特峰国家天文台所发现,其双星性质在2003年11月24日的阿雷西波雷达成像中才被观测到,故将这颗小行星命名为“Didymos”,意思是“双星”其主星(小行星)直径约800米,卫星直径约150米,卫星运行轨道距离主星约1.1公里。目前Didymos双星系统作为欧美航天局进行碰撞检测和偏转评估(AIDA)的任务目标而受到广泛关注。

1 阿雷西波雷达于20031124日观测到的Didymos小行星和它的卫星

本团队利用雷达形状模型,研究了不同控制参数下Didymos主星表面的稳定性,研究发现主星表面可能具有疏松的风化层,风化层的局部小尺度崩塌可能导致轻微的表面物质重新分布或脱落;主星上局部斜坡的稳定性取决于内部性质和外部扰动;形成双星构型的主要力量可能是热疲劳引起的地表破坏、局部结构蠕变引起的地面震动等区域性事件。

研究者们进一步开发了一个软球离散模型(SSDEM)来模拟小行星表面可能发生的滑坡现象,并对小行星表面物质是否有脱落的风险进行了评估。实验主要以一小块颗粒层为样本,结合主星的引力场模型和旋转状态,研究了风化材料在主星表面上的动力学行为,确定了滑动碎石流的运动特性,同时描述了在主星表面发生局部滑坡的条件,进一步定义了主星表面的不稳定区域。实验发现采样的风化层的运动主要受地表位势差、环境接触力、科里奥利效应的影响,在小于10米的滑动距离内,碎石流的平均滑动速度和倾斜角度都是时间的线性函数

随后,研究者们讨论了脱落碎片的后续演化过程。由于区域性滑坡通常是由低能量事件引发的,所以风化层与地表分离时的相对速度会很小,一旦达到脱落条件,这些碎片将进入一个复杂的演化阶段。研究发现,碎片最终的命运可能是逃离双星系统,导致累计质量损失;或在双星系统上实现质量转移,形成子星

2 脱落粒子随时间的演化过程

最后,研究团队定义了一个包括主星、脱落粒子和太阳在内的封闭系统,考虑影响粒子脱落的四种因素:1)主星重力;(2)卫星重力;(3)太阳引力引起的潮汐力;(4)作用于粒子上的太阳辐射压力,使用大量不同尺寸的粒子作为实验对象,然后在不稳定区域随机采样来实现数值模拟。结果表明,这些粒子的动力学行为敏感地依赖于初始条件;大部分脱落粒子转移到子星上,形成较大的卫星;而几乎所有的质量增加都来自直径大于1毫米的颗粒,直径小于1毫米的颗粒对卫星的贡献可以忽略不计;逃逸的脱落体包括绝大多数1毫米以下的颗粒和一部分1毫米以上的颗粒。

基于双星系统碎石流的演化研究,为解决小卫星的生长如何依赖于双星结构、AIDA任务中航天器将要面对什么样的碎片环境等问题奠定了理论基础,同时这一研究也极大的提高了我们对小行星表面脱落过程的认识。

于洋,航空科学与工程学院,副教授,E-mail: yu.yang@buaa.edu.cn

参考文献

Yu Y., Michel P., Hirabayashi M. et al. The expansion of debris flow shed from the primary of 65803 Didymos[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2018, 484(1): 1057-1071.

相关链接

论文链接:https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/484/1/1057/5266838

AIDA链接:http://www.esa.int/Our_Activities/Operations/Space_Safety_Security/Hera/Asteroid_Impact_Deflection_Assessment_mission