揭开司理星族群隐秘的容颜

黄增强

2021年8月，中国科学院紫金山天文台课题组利用空间红外望远镜的红外观测和热物理模型，揭示了太阳系小行星主带司理星族群小行星的热物理特性，此项研究成果为科学家们“考古”太阳系历史提供了重要线索。

在浩瀚的宇宙中，太阳系除了有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星这八大行星之外，还有许多体积和质量比行星小得多的小行星，这些小行星围绕着太阳公转，错落有致，生生不息。据科学家推测，在太阳系众多小行星中至少有五条小行星带。第一条是位于火星和木星之间小行星最密集的区域，被称为主带;第二条是从主带的小行星中走出来的希尔达群带;第三条是在木星附近的特洛伊群带;第四条是在木星另一则的希腊群带;第五条就是横跨主带与火星轨道，甚至地球轨道的阿波羅族群带。

小行星带是太阳系内介于火星和木星轨道之间的小行星密集区域，98.5%的小行星都是在此处被发现。小行星带是怎么形成的？科学家通过对小行星带中的小行星的位置、运动规律和元素含量的研究发现，这些小天体可以分成好几个小行星族，同一家族的小行星来自同一个母体的碎片，共享相似的轨道元素，像是半长轴、离心率、轨道倾角，还有相似的光谱。主带中的小行星集中成几个家族，大约有20至30个集团可以确定是小行星族，并且可能有共同的起源。小行星族中，有花神星族、司法星族、鸦女星族、曙神星族和司理星族等星族。

1853年，意大利天文学家安尼巴莱·德·加斯帕里斯在分布着众多小行星的火星与木星之间，发现了一颗直径为198千米，质量为5.75×10千克，公转周期为2022.524天的小行星，这颗小行星被命名为司理星。它是被科学家发现的小行星中的第24颗，也是在主带小行星中较大的一颗。1918年，日本天文学家平山清次在介于火星和木星轨道之间的主带外侧发现小行星司理星族（有相似轨道要素小行星）。司理星族与太阳的平均距离是3.13天文单位，是家庭成员较多的一个小行星族。司理星周围被许多较小的小行星环绕着，因此形成了司理星族群。

司理星族群小行星位于主带外部区域，其轨道半长径分布在3.08AU-3.24AU，偏心率为0.09-0.22，轨道倾角小于3°。据科学家推测，司理星族群形成于25亿年前的一次碰撞事件，其母体为主带小行星24号司理星。该族群成员数目超过4700颗，大多数光谱型为C型或B型。近年来，天文学家发现，24号司理星的光谱在3.1微米处有连续吸收线，表明在其表面可能存在大量水冰。此外，司理星族群被认为是主带彗星133P及176P的发源地。

司理星族群是了解小行星水冰演化和活动性的重要对象，通过对该族群小行星的热物理研究，可进一步揭示这类小天体的物理特性和演化特征。因此，在21世纪初期，美国科学家在观测司理星时分析发现，其光谱在3.1微米处存在一个凹陷，此处波长对应的正是水冰吸收红外光的地方。同时，他们根据红外信号还发现了碳基有机化合物的踪迹。

中国科学院紫金山天文台课题组季江徽等科研人员基于空间红外望远镜对司理星族群小行星的观测数据，利用先进热物理模型计算得到小行星在红外波段的理论辐射流量，进而拟合获得了司理星族群中20颗小行星的热惯量、几何反照率、有效直径和粗糙度等参数的最优解，并估算其表壤颗粒尺寸。研究发现，这些小行星热惯量的平均值为39.5±26.0 Jm-2s-1/2K-1，几何反照率平均值为0.067±0.018，表壤颗粒尺寸平均为1.616±0.494 毫米。与其他族群相比，司理星族群的几何反照率普遍偏低，这与B型和C型小行星的几何反照率分布基本一致。课题组进一步研究发现，不同族群小行星之间的热惯量分布相似，较低的热惯量则表明这些小行星表面存在非常细小的颗粒和较厚的表壤层，反映了主带小天体经历了长期复杂的太空风化。通过不同主带族群之间热物理特性的对比研究，该工作从新的视角来认知其族群分类、碰撞机制和演化过程，进而探索太阳系的“考古”历史。

紫金山天文台课题组的科研人员利用先进热物理模型，揭示了小行星司理星族群的“容颜”，对科学家了解太阳系中含水冰小天体的形成与演化过程具有重要的科学意义。