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寻找另一个月球

来源:光明网2020-06-23 16:49

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  古时候的人们就对夜空中的月亮进行观测并基于月相变化发明了沿用至今的“阴历”历时系统。由于古时的人们认知有限,一些与月球有关的不能解释的现象成为了中外一些神话故事的源泉,而夜空中的一轮明月千百年来又是多少墨客骚人籍以抒怀的对象。从古至今人们已经习惯了一个月球的存在,然而事实上太阳系的一些行星有不止一颗自然卫星,如果一个人可以从这些行星表面去看,则他会发现夜空中的月亮不止一颗。自从发现木星存在多个卫星之后,人们就在地月空间内不断尝试去寻找除月球之外的其他自然卫星,虽然目前为止尚未寻找到可永久停留在地月空间的另一个月球,但确实寻找到一些可暂时在地月空间内停留的天体。我们统称这些暂时被地球引力所俘获的天体为地球的“小月亮”。

寻找另一个月球

  图1. 地月系统示意图,月球相对地球和太阳的不同相位决定了肉眼所见的月亮形状(图片来源:https://solarsystem.nasa.gov/news/1257/the-next-full-moon-is-the-strawberry-moon/)

  早在1961年,波兰天文学家Kordylewski就声称在地月系统的三角拉格朗日点发现了物质聚集现象[1]。因为忽略来自太阳的引力摄动,这些点附近的运动是稳定的,如果地球有其他卫星存在,这些点附近的区域应是最可能发现它们的地方。然而实际的情况是,由于太阳引力影响,这些点附近的运动表现出非常复杂的动力学特性且并不总是稳定。之后的学者持续进行了观测,有的观测证实了Kordylewski的发现,有的则未能证实。最近匈牙利的一些天文学家采用偏振观测的方式证实了这些点附近的物质聚集现象[2],然而这些结构随时间不断变化,难以被后续观测证实。目前最有可能的解释是这些点附近确实会暂时性地存在一些物质聚集现象,并且这些结构随时间在不断变化。它们的起源和演化目前还是一个谜,我国部分科研机构正提议发射探测器去这些点附近进行地月空间环境探测。如果任务可行,期待可以揭开这些点附近的神秘面纱。

寻找另一个月球

  图2. 假想的Kordylewski云所处的区域,图中蓝色曲线为月球轨道,坐标系随月球一起转动,灰色区域为Kordylewski云可能所处的区域,L4/L5为两个三角拉格朗日点

寻找另一个月球

  图3. 艺术家对Kordylewski 云的想象图,它们处在与地月连线约60度张角的位置(图片来源:https://www.gaia.com/article/astronomers-confirm-earth-has-two-previously-undiscovered-moons)

  除三角拉格朗日点可能存在的Kordylewski云之外,在地球的轨道附近游荡着数量众多的自然小天体(称为近地天体),虽然概率很低,但它们有可能被地球的引力暂时俘获而成为地球的卫星。目前已被人们实际观测到的案例有两个。一个案例是小行星2006 RH120,它于2006年9月被Catalina巡天计划所发现,在围绕地球运行了大约11个月之后该小行星离开了地球引力范围重新进入行星际空间。另一个案例是小行星2020 CD3,它于2020年2月被Catalina巡天计划所发现,但实际上该小行星可能早于2017年左右即已进入了地球的引力范围,但直到今年2月份才被发现,该小行星目前已离开地球引力范围重新进入了行星际空间,它在地月空间附近的轨道图像如下面的动画所示。这两颗被发现的小行星尺寸都很小,这也是导致它们难以被发现的原因。这种类型的小天体我们称之为暂时俘获天体。虽然目前仅发现两颗,但根据估计在任意时刻地球附近都应该存在至少1颗尺寸在1米左右的这样的天体[4]。目前在建的LSST望远镜的大视场巡天能力将有助于这些暂时俘获天体的发现。

  在地面和空间观测设备日益强大的今天,伴随着人类在地月空间内日益频繁的航天活动,地月空间内除月球外较大尺寸的自然天体如果存在的话不太可能“躲过”人类的监测,因此最可能的情形是行星际空间内的较小尺寸的物体在经过地球附近时被暂时俘获而成为地球暂时的“小月亮”。如前所述,这种俘获概率不大,但确实存在。绝大多数情况下,这种俘获是暂时的,小天体最终会离开地月系统(譬如2020 CD3)。由于停留的时间较短且它们尺寸又较小,所以难以被发现。需要说明的是,若存在其他一些力学因素或人为地施加制动力,则这种俘获可能是永久的。

  就目前的观测现状而言,人类尚未在地月空间内发现可长时间停留的“小月亮”,但就现在人类的技术储备而言,或许可以人为地生成一颗这样的“小月亮”。NASA的小行星重定向任务(ARM)其原定计划是将2~4米的小行星样本取样至地月空间内然后制动成为一颗人造月球,让其运行在地月空间内的一条特殊的大幅值逆行轨道DRO之上[5]。虽然现在该任务已因美国政府的更迭而终止,不过人造小月球的技术已切实可期。

  参考文献

  [1] Kordylewski K., Photographische Untersuchungen des Librationspunklets L5 im System Erde-Mond, Acta Astronomica, 1961, 11, 165-169

  [2] Slíz-Balogh J., Barta A., Horváth G., Celestial mechanics and polarization optics of the Kordylewski dust cloud in the Earth-Moon Lagrange point L5 – Part II. Imaging polarimetric observation: new evidence for the existence of Kordylewski dust cloud, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2019, 482, 762-770

  [3] https://cneos.jpl.nasa.gov/news/news205.html

  [4] Jedicke R., Bolin B.T., Bottke W.F., et al, Earth’s minimoons: opportunities for science and tech-nology, Frontiers in Astronomy and Space Sciences, 2018, 5, 13

  [5] Brophy J.R., Culick F., Friedman L., et al., Asteroid retrieval feasibility study, Keck Institute for Space Studies Report, April 2012

  作者简介:侯锡云,理学博士,南京大学教授、博士生导师。主要研究方向为航天器轨道力学与太阳系小天体动力学。

[ 责编:赵宇豪 ]
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