不久之前，美國國家航空航天局“新視野”號任務的輝煌時期似乎已成過眼雲煙，隨著2015年曆史性的冥王星相遇事件而載入史冊。然而，在去年年初，該探測器掠過了阿羅科斯，這是一塊漂浮在柯伊伯帶——海王星以外原始冰冷天體的彌散環帶——中的太空垃圾，冥王星是其中最大的成員。“新視野”號在阿羅科斯上發現的東西——最初在去年報道，現在在上週發表在《科學》雜誌上的三項研究中得到了十倍資料的加強——是太陽系中最重大的懸案的關鍵線索：行星是如何誕生的謎團。
“我從沒想過我們與阿羅科斯的相遇在重要性上會與冥王星飛掠比肩，”新視野號首席研究員和研究合著者、西南研究院的行星科學家艾倫·斯特恩說。“我沒想到會在柯伊伯帶中做出關於行星形成的驚天動地的發現，但我們確實做到了。在阿羅科斯，我們偶然發現了整個新視野號任務中可能最大的獎項。”
透過對阿羅科斯的形狀、地質、顏色和成分的仔細研究——以及精密的計算機模擬——研究人員對這個來自早期太陽系的遺蹟是如何形成的有了更清晰的認識。有了這些知識，他們也更好地理解了四十多億年前，環繞太陽執行的世界的組成部分是如何形成的。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
如何製造行星
製造行星的配方看似簡單：攪動一大片氣體和塵埃雲，使其像球形雪崩一樣向內坍塌，將其大部分物質壓縮成中心的新生恆星。接下來，退後一步，觀看雲的剩餘角動量旋轉並將剩餘物壓平成圍繞恆星旋轉的盤狀物。據認為，在數百萬年內，世界透過一種稱為分級吸積的過程在盤狀物內聚合。塵埃顆粒碰撞並粘在一起，逐漸聚整合卵石，最終形成行星。很簡單，對吧？
但行星組裝線上似乎存在一個關鍵瓶頸：從卵石跳躍到稱為星子的公里級構件。這一步是許多理論家預計分級吸積會暫時中斷的地方，因為軌道速度下碰撞的米級巨石更有可能破碎成礫石，而不是變得更大。相比之下，星子應該足夠龐大，以至於它們的內在引力會控制碰撞產生的碎片，將它們拉回原位，並允許生長一直持續到行星狀態。
“引力是一種普遍力，就像膠水一樣，一旦星子形成，就能使它們越長越大，”西南研究院的大衛·內斯沃尼說，他是新研究的合著者之一。“但這對於初始階段來說並非如此，在初始階段，你只有盤狀物中的塵埃顆粒透過分子力粘合在一起形成卵石。引力在那裡不是很重要。那麼，是什麼‘膠水’讓物質生長成 10 公里或 100 公里的物體呢？”
自上而下還是自下而上？
分級吸積的“自下而上”組裝過程的主要替代方案是“區域性雲坍塌”機制，該機制將從“自上而下”構建星子。在這種方法中，原行星盤中的卵石透過沉降到自引力雲中來繞過碰撞瓶頸，在自身重量下快速壓縮，直接坍塌成星子。這個想法起源於 20 世紀 50 年代，並在 20 世紀 70 年代透過開創性的理論工作得到完善，最初難以解釋卵石是如何首先聚集在一起的。但15 年前，更復雜的模型出現，展示了盤狀物內的氣體阻力——一種稱為流不穩定性現象——如何將卵石集中成密集的群體，就像鳥群或腳踏車隊頂風逆行一樣。
從那裡，卵石雲將坍塌，彈出星子——複數形式，因為角動量守恆會從下落的物質中旋轉出兩個或多個緻密的公里級天體。因此，如果星子透過坍塌形成，那麼它們中的大多數應該以雙星系統開始——其中一些隨後要麼緩慢合併在一起，要麼透過引力相互作用失去它們的伴星。根據內斯沃尼及其同事最近進行的最先進的數值模擬，如果它們的前身卵石雲透過流不穩定性形成，那麼這些雙星應該傾向於沿順行方向相互繞軌道執行——也就是說，與它們繞太陽執行的方向相同。（來自其他機制的雙星形成模型預測相反的情況：逆行軌道的趨勢。）值得注意的是，對來自哈勃太空望遠鏡和其他來源的資料的分析表明，柯伊伯帶最古老的雙星表現出完全相同的效應，絕大多數顯示出順行軌道。當去年首次揭示時，來自高效能超級計算機和柯伊伯帶天體望遠鏡研究的這種重疊證據被一些專家譽為流不穩定性以及星子形成的區域性雲坍塌模型的現實性的最佳證據。
“我並沒有幻想會就此達成普遍、即時的共識，”亞利桑那大學的安德魯·尤丁說，他是流不穩定性假說的共同提出者，他幫助完成了這項突破性工作。“無論如何，你都不希望每個人都蜂擁而至。這是一個漸進的過程。科學就應該是這樣運作的。”
然而，鑑於來自新視野號阿羅科斯飛掠的資料，蜂擁而至者可能很快就會人滿為患。“這兩件事非常吻合，”亞利桑那州弗拉格斯塔夫洛厄爾天文臺的威爾·格倫迪說，他是三項新的阿羅科斯研究的合著者，也是柯伊伯帶雙星分析的負責人。“順行雙星軌道方向的證據與作為形成機制的流不穩定性完全一致。而且阿羅科斯提供的所有證據都表明它是透過雲坍塌形成的——儘管它沒有告訴我們雲是如何形成的。”
雲坍塌的案例
阿羅科斯，以前被稱為 2014 MU69（或其非正式名稱天涯海角），在其正式命名之前，是一個 36 公里長的“接觸雙星”，由兩個冰冷的、扁平的、輕微隕石坑的和輕輕接觸的瓣狀物組成。這種排列使阿羅科斯看起來像一個被壓扁的雪人。它的表面非常均勻地呈紅色——可能是由於宇宙輻射持續轟擊數百萬年而形成的有機分子造成的。也許最重要的是，接觸雙星是柯伊伯帶“冷經典”天體家族的成員——這些天體位於平靜的圓形軌道上，自四十多億年前太陽系黎明時形成以來，幾乎沒有與任何其他天體相互作用過。
斯特恩說：“關於星子如何形成的爭論主要基於計算機模型——因為我們在太陽系中前往‘實地考察’的每一個小物體都受到了陽光和撞擊的嚴重加熱和侵蝕。” “然後我們去了阿羅科斯，很明顯，這個東西自存在以來一直很冷，並且位於太陽系非常稀薄的部分，那裡從未發生過強烈的碰撞環境。這是一個來自四十多億年前的時間膠囊，從總體上來說，分級吸積模型無法解釋它。”
斯特恩和他的同事說，在每一個細節上，阿羅科斯都符合雲坍塌模型的預期。它光滑的瓣狀物如此精巧地棲息在彼此之上，沒有顯示出分級吸積預測的劇烈高速撞擊的跡象——它們一定是非常平靜地碰撞的，在新生太陽系的原生盤中螺旋運動時，閉合速度低至每秒一米。瓣狀物都以相同的方式扁平化——完全好像它們都是從同一個坍塌的雲中旋轉出來的。在顏色和成分上，它們似乎到處都相同——而如果它們是由來自太陽系遙遠部分的小物體碰撞形成的，則它們應該更加多樣化。“這就像一集《犯罪現場調查》，”斯特恩說。“有太多的證據都指向一個罪魁禍首，而不是另一個。一切都與雲坍塌相符。”
這個結論本身有點令人驚訝。“我們知道我們可能會從阿羅科斯那裡瞭解一些關於星子形成的資訊，”西南研究院的約翰·斯賓塞說，他是最近三篇《科學》論文的合著者。“但我們沒想到當我們到達那裡時，它會如此顯而易見。我想我們誰也沒有想到阿羅科斯會如此原始，而且它講述的故事會如此清晰。”
當然，可能存在一個潛在的問題：阿羅科斯是迄今為止近距離觀察到的唯一此類天體，並且從一個樣本量中進行巨大的推斷本質上是冒險的。“我相信這將是我們理解星子形成的一個重大進步，但可能會有人問，‘好吧，這只是一個天體。你怎麼知道它是典型的？’”聖路易斯華盛頓大學的威廉·麥金農說，他也是這三項新研究的合著者。“好吧，我們選擇[阿羅科斯]並不是因為我們知道它會是什麼樣子。我們選擇它是因為我們可以用新視野號到達那裡。如果它最終變成一個佈滿隕石坑的太空土豆，我們現在就會講述一個不同的故事——但事實並非如此。”
隨著新視野號深入柯伊伯帶，可能會獲得更多的確定性。憑藉持久核同位素的逐漸衰變提供的儀器熱量和電力，該任務可能會持續探索到 2030 年代（前提是美國國家航空航天局繼續資助其執行）。該探測器剩餘的約 10 公斤推進劑不太可能足以進行另一次冥王星後的柯伊伯帶天體飛掠，但該團隊仍在熱切地使用地球上一些最大的地面望遠鏡尋找其他可能的探測目標。與此同時，他們正在使用新視野號更小的 21 釐米望遠鏡遠端研究遠處經過的柯伊伯帶天體。此類研究不會返回精美的影像。但它們仍然可能超越來自地球附近的任何觀測，為大約 50 或 100 個額外的天體提供形狀、自轉和表面特性的測量結果——足以形成具有統計意義的樣本，並且很可能一勞永逸地解決星子辯論。