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解密公转逆行的小行星
摘要：天文学家们在2015年首次发现了与木星成逆行1:1共振的小行星2015BZ509，引起了大众对于逆行小行星的的关注。文中对于“潜伏”在太阳系里的逆行小行星以及它产生的根源进行了阐述，并深入浅出的读解了2015BZ509相关的逆行共振问题。
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浩渺宇宙，星汉灿烂。放眼于茫茫夜空，漫天繁星如同画卷般向我们展开，而行星正如淘气的孩童一般游移其中。在人类的目力之外，太阳系内还有成千上万颗不起眼的小行星隐藏在这片浩瀚的星空之中。从德国天文学家奥伯斯发现第一颗小行星一智神星算起，人类了解小行星的历史不过短短两百年。这两百年间，我们在火星与木星的轨道之间发现了数十万计的主带小行星，也在木星与太阳的拉格朗日点附近发现了七千余颗“特洛伊”小行星,更在遥远的太阳系边界找到了数千颗海王星外小天体。这些轨道多样、形状各异的小行星极大地丰富了我们对于太阳系内天体的认识，更成为人类探寻太阳系的形成、演化以及地球上生命起源的重要线索。
1、逆行小行星及其起源
这些纷繁复杂的小行星，绝大多数和大行星一样，绕着以太阳为焦点的椭圆轨道向同一个方向运转，称为顺行小行星。但也有极少比例（约0.01%)的特殊小行星，沿着与其他天体完全相反的轨道运行,它们被称作太阳系中的逆行小行星。
谈到逆行，人们脑海中最先涌现出来的可能是水星和火星的逆行。但是，需要注意的是，行星的逆行现象与逆行的小行星是两个截然不同的天文学概念。首先，行星的逆行实际上是行星与地球之间相对运动的结果：不同的行星有着各自不同的轨道周期及公转速度。当内部的行星从地球内道“超车”，或者地球以外的行星由于公转太慢被地球“超车”时，以地球为视角来观察的话，行星逆行就发生了。图1就展示了火星（外圈）相对于地球（内圈）的逆行,右侧圆弧上的点代表了火星在天球上的位置，其中A2—A4阶段为逆行，其他阶段为顺行。
图1火星相对于地球的“视逆行”示意图
逆行小行星才是真正意义上的逆行，它们的轨道倾角都大于90°，在太阳系中运行的方向与其他天体相反。值得一提的是，第一颗被发现的逆行小行星被天文学家命名为“Dioretsa”（中文译为星行小)，就是单词“Asteroid”（小行星）的逆写。
迄今为止，人类发现的逆行小行星不过一百余颗,它们与顺行小行星轨道特性不同点是：大多数顺行小行星轨道偏心率与倾角都很小，而大部分逆行小行星的半长轴超过木星，轨道偏心率大，倾角各异。这些不同的轨道形态，意味着逆行小行星与顺行小行星可能有着截然不同的起源。根据目前主流的学术观点，小行星起源于太阳系诞生之初的原行星盘。这些小天体在星系的演化过程中未能互相抱团形成大行星，因此成了太阳系中的“流浪儿”。
太阳系的原行星盘被认为是一个扁平且转向一致的圆盘，而逆行小行星奇特各异的轨道，几乎否决了其直接形成于原行星盘的可能性。天文学家也提出过各种各样的猜想，但目前尚未有一个成熟的理论能让人完全信服。根据逆行小行星有着与彗星类似的高倾角与大偏心率轨道，有人猜测它们可能和彗星一样来源于遥远太阳系的奥尔特云。奥尔特云的天体受太阳引力的影响较弱，非常容易受到邻近恒星甚至整个银河系引力的影响而改变轨道，进入内太阳系，形成彗星以及逆行小行星。另一种解释则将逆行小行星，特别是海王星轨道以外的逆行小行星的来源归结于“第九行星”的引力影响。“第九行星”是于2016年被提出的一个用于解释部分海王星外天体轨道分布异常的假设模型[11，这颗猜想中的有着十倍地球质量的行星，被认为位于半长轴400〜800天文单位，偏心率0.2〜0.5的倾斜轨道上。天文学家发现，“第九行星”的加入能够在动力学上解释外太阳系高倾角以及逆行小行星的来源，正是受到了“第九行星”偏心古在效应的影响，小行星从顺行轨道翻转到了逆行轨道上。
2、逆行小行星与共振
关于逆行小行星的起源问题尚未得到解决，又有一颗更加奇特的逆行小行星闯入了天文学家的视野，它就是第一颗与木星成逆行共轨共振(或称逆行1:1共振）的小行星——2015BZ509。
天体力学中的共振是指两个天体之间的公转周期形成简单整数比。太阳系中存在不少顺行小行星与大行星共振，例如木星的特洛伊小行星就与木星的轨道周期相同，构成了1:1的共振；在遥远的柯伊伯带中，也存在着诸多与海王星成2:3,1:2,2:5等共振关系的小天体。最著名的莫过于曾经是行星的冥王星，虽然它的轨道与海王星的轨道相交，但是在与海王星2:3共振的相角保护机制下，冥王星得以能够长时间稳定运行而不与海王星碰撞。
从天体力学的角度来看，顺行共振与逆行共振究竟有着怎么样的区别呢？我们可以用图2的简单模型来进行分析。
图2分别展示了顺行2:1共振以及逆行2:1共振的情况。根据天体之间的共振关系，外部的天体每转一圈，内部的天体就会转两圈。当两天体都是顺行时，外部天体的一次公转只会与内部天体发生一次会合(会合指两个天体的距离最近而对于逆行共振,两颗天体是相向而行，外部天体每转一圈则会与内部天体发生三次会合。这个会合次数表征共振的阶数，同时也影响共振的强度。共振阶数越高，在相同的时间内会合次数越多，共振强度及其对天体轨道的影响也越低。可以直观理解为，随着会合次数增多，会合所带来的引力摄动更容易在轨道的各个方向上被抵消。
图2顺行2:1共振（左图）与逆行2:1共振（右图）的区别
从上面的例子可以看出，相同比例的逆行共振比顺行共振的阶数更高，这意味着逆行共振对天体的影响较弱，更难改变天体的轨道动力学行为。对2015BZ509来讲，尽管它的轨道与木星的轨道交错,逆行1:1共振依然能让它稳定存在至少百万年。
除了2015BZ509以外，越来越多与大行星共振的逆行小行星也被更多的研宄者发现M，这为我们研宄逆行共振问题提供了更多宝贵的样本。虽然逆行小行星的起源问题还尚未解决，关于神秘的2015BZ509的来源在天文界也众说纷纭，甚至有研究者猜测它可能来源于太阳系以外的星际空间W。我们相信，随着天文学家对逆行小行星以及共振动力学研宄的不断深入，终将会得到一个满意的解答。而在回答这些未解之谜的过程中，人类将在理解太阳系的征途上留下一个又一个坚实的脚印。
致谢衷心感谢李俊峰教授的约稿、对文章框架的建议以及对初稿的悉心修改。
黄宇坤.逆行小行星的未解之谜[J].力学与实践,2019,41(6):658-660.
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先进天基太阳天文台(AdvancedSpace-basedSolarObservatory,ASO-S)是中国首颗太阳专用观测卫星[1],硬X射线成像仪(HardX-rayImager,HXI)作为其3台载荷之一主要负责在30–200keV能段对耀斑源区进行成像、能谱和光变观测,以研究耀斑磁重联中的能量释放和高能电子加速等物理过程[2].
2020-08-27
太阳黑子是产生于太阳表面的，容易被观测的太阳活动现象，其所在的太阳区域有强磁场的聚集。对太阳黑子的观测和分析对于人类理解和研究太阳活动具有重大意义，如帮助天文学者研究耀斑的爆发与黑子群的相关性[1]。随着太阳物理学以及观测设备的发展[2,3]，人们对于太阳黑子观测产生的数据量呈爆发式增长趋势。
2020-08-27
莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)[1,2,3]是先进天基太阳天文台(ASO-S)[4,5]卫星的3个有效载荷之一,它由白光太阳望远镜(WST)、全日面成像仪(SDI)、日冕仪(SCI)和导星镜(GT)组成[2,6].SDI和WST的视场为1.2倍太阳半径,SDI的工作波段为莱曼阿尔法波段(121.6±7.5nm),WST的工作波段为紫外窄带连续谱(360±2.0nm)[2,6].
2020-08-27
太阳是太阳系的中心,也是距离我们最近的一颗恒星,它孕育了地球的万物.太阳耀斑和日冕物质抛射(CME)是太阳大气乃至整个行星际空间能量释放最为剧烈的两类爆发现象,蕴含着丰富的物理过程[1,2,3,4].太阳磁场是引起太阳活动的一个根本原因,是太阳上各种活动现象的能量来源.对于它们的研究,既能加深人们对太阳的认识和理解,又能帮助人们理解宇宙中其他恒星上发生的类似现象[5,6].
2020-08-27
19世纪50年代,Bobcock父子利用机械扫描的方法,将狭缝光谱仪测量的线源(一维)目标的磁场通过机械扫描获得日面二维磁图,该磁图具备多波长、非实时的特点(光谱型磁像仪).到了70年代发明了视频磁像仪,从而能够获得某一波长的实时二维磁图(滤光器型磁像仪)[1].我国太阳磁场的观测研究始于上世纪80年代,中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地研制的35cm太阳磁场望远镜[2]、60cm多通道望远镜[3]以及全日面太阳望远镜[4]均进行太阳磁场的观测,都属于滤光器型磁像仪.
2020-08-27
公元 4943 年，X 国科学家预测一颗来自太阳系外的未标明巨行星将在 20 年后撞击地球。这个消息一经传出，马上就如洪水猛兽般触动着每一个人的神经，如滚雪球般在极短的时间内席卷了整个地球。各个国家暂时抛弃了私怨，组成联合政府，商讨如何解决这个关系人类未来的重大问题。
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太阳系是我们的家园，也是我们探索宇宙的第一站。在认识宇宙的漫长历程中，从史前人类到 2000 多年前的古希腊先哲，再到 17 世纪的开普勒、牛顿等科学巨匠，我们对宇宙的几乎所有探索都集中在太阳系的日月行星等天体上。直到 18 世纪早期，人们才真正开始关注太阳系以外的诸如恒星等天体。
2020-07-14
美国一直在默默搞自己的核火箭计划。美国宇航局很早就认识到，如果要把探索目标定在更深远的太阳系，核推进可能是唯一可行的技术选择。即使探测范围仅仅超越火星轨道，太阳能电池板所能提供的电力就已经不够了，而采用化学推进将需要大量的推进剂或超长的行程时间，新视野号冥王星探测器就是个明显的例子。
2020-07-14
太阳轨道器运行的位置，是整个太阳系里环境最恶劣的地方之一。虽然最后确定的轨道比最初设计要离太阳远一点，但在最近的地方，太阳轨道器距离太阳也只有 4200 万公里。这个数字看上去挺大的，但只有地球到太阳距离的 1/4。想想夏日正午的阳光是什么样的？而且地球外面还有厚厚的大气层。实际上，这个距离比金星到太阳还近。
2020-07-14
地球所处的太阳系并不平静。小行星带、柯伊伯带和奥尔特云中存在大量不稳定的碎片，它们是太阳系制造行星时留下的碎屑。据推测，最终成为车里雅宾斯克陨石的流星可能形成于约3万年前小行星带中的一次强烈碰撞。柯伊伯带位于海王星轨道之外。奥尔特云是包围太阳系的一圈云状陨石圈，也是艾桑彗星的故乡。
2020-07-14
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期刊名称：天文学进展
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院上海天文台,中国天文学会,国家自然科学基金委员会数理学部(协办)
出版地方：上海
专业分类：科学
国际刊号：1000-8349
国内刊号：31-1340/P
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创刊时间：1983年
发行周期：季刊
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2020-03-23
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