贝努喷砂砾的原因，冥王号可能找到了！

一点简单的前情提要（详见：冥王号：辛辛苦苦飞过来，小行星突然变“彗星”了？）：

2016年9月8日，NASA发射了一颗全称叫Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer的探测器，意思是太阳系起源、光谱解析、资源识别、安全保障和小行星风化层探索者…缩写OSIRIS-REx…

这个缩写和埃及神话中的冥王俄西里斯有关，所以我们叫它“冥王号”好了（这么丧心病狂的名字是怎么来的看这里：今天，NASA的OSIRIS-REx“悄悄”地开始工作了）。

（左）埃及神话中的俄西里斯（Osiris）（图中最左边那个），来源：维基；（右）冥王号探测器示意图，来源：NASA

2018年12月31日，冥王号进入它的探测目标——一颗名叫“贝努”（Bennu）的近地小行星的轨道，开始在距离贝努质心1.6-2.1公里的高度上进行环绕探测。

小行星贝努。来源：NASA

然而，入轨才刚一周的2019年1月6日（也是贝努飞掠近日点的4天前），冥王号就惊讶地发现…咦？贝努好像在往外喷射尘埃颗粒哎？？？[1]

2019年1月6日，冥王号NavCam1相机拍摄的两张不同曝光时间（1.4毫秒和5秒）的照片合成图。来源：NASA/Goddard/University of Arizona/Lockheed Martin [2]

也就是说，贝努并不是一颗“普普通通的小行星，它是一颗罕见的“活跃小行星”——轨道特征和小行星一样，但又会偶尔或长期表现出喷射粒子、产生尾迹之类和彗星相似的活跃特征。（详见：冥王号：辛辛苦苦飞过来，小行星突然变“彗星”了？）

到底是发生了什么才让原本看起来老老实实的小行星“不安分”了起来呢？为了解开这个谜团，冥王号项目组进行了一系列考查和论证，这一成果于2019年12月6日在线发表于《科学》杂志 [3]。

\ 频繁喷发？

第一次发现贝努有这样的喷射粒子行为是在2019年1月6日，这很大程度上是因为这次喷发事件规模非常大，太容易被发现了。但通过查验更早时候拍摄的贝努照片，冥王号项目组发现：之前似乎就有过小规模的粒子活动。

实际上，冥王号记录下的最早的贝努周围粒子迹象可以追溯到2018年12月10日——NavCam1相机拍摄到了一颗亚轨道飞行的的砾石，直径约有8厘米。 

A和B那样的抛物轨迹就是“亚轨道”，飞一段还会落回贝努表面。改编自：维基

为了不错过接下来可能的喷发事件，冥王号分别从1月11日和28日开始两次增加了对贝努的拍照频率。经过一番详尽的跟踪考察和统计，冥王号从进入贝努轨道到2019年2月中旬的约50天里，共计有39天都在贝努周围观测到有粒子活动。不过其中有近十次都是小规模的粒子喷发（喷射粒子数不足20颗），还有二十多天只观测到了单个粒子游荡的痕迹，这些颗粒物似乎并不对应于具体哪次喷发事件，更接近于背景粒子。

后两次大规模粒子喷射事件（紫色）之后，均有观测到背景粒子（蓝色）增多。第一次大规模喷发后没有明显迹象更可能是由于当时的拍照频率还不够高。改编自：参考文献 [3]

规模最大的三次喷发分别发生在2019年1月6日、1月19日和2月11日，喷射的粒子数均超过60颗，第一次甚至达到200颗左右。

冥王号拍摄到的小行星贝努上三次规模最大的喷发事件，拍摄距离分别距离贝努质心1.66公里、1.99公里和1.64公里。其中2月11日那次是长曝光拍摄，且经过了一定的图像处理来显示出粒子，所以位于右下角的小行星贝努几乎看不到细节。来源：参考文献 [3]

这三次喷发，是冥王号团队的重点分析研究对象。

 三次大喷发，从哪里来？

通过分析冥王号拍摄照片中粒子的轨迹，可以回溯这三次大喷发的粒子速度和可能的喷发点。值得注意的是，因为后两次大喷发时有更充足的观测数据（更高的拍摄频率），科学家们可以有更精准的回溯结果。

黄色是粒子运动轨迹，青色十字是可能的粒子喷发点。来源：参考文献 [3]

• 喷发的粒子大小不一：小的近1厘米，大的可达约10厘米（当然，也可能有更小的粒子，但更小的冥王号相机就看不到了）；

• 粒子快慢跨度很大：从0.06米/秒到3.3米/秒都有；

• 似乎啥经纬度都可能发生喷发…
  

甚至这些粒子的喷发点有什么特殊之处么？好像也没有。无论是地形地貌还是反照率，这三处喷发点一带似乎都和贝努其他地方没什么区别。

三次大喷发可能的喷发点（十字处），十字周围的区域是三倍误差范围不确定区域。黄色十字处是后两次大喷发最可能的喷发点。来源：参考文献[3]

如果实在要这三次大喷发中找到什么共同之处的话——似乎唯一类似是都发生在贝努当地时间的下午晚些时候。

不过，单个背景粒子的喷发时间也不遵循这个唯一的规律——不管白天晚上，啥时候都有。

 喷出的粒子，去往何方？

另一个天文学家们非常关心的问题是：不管是大型喷发、小型喷发、还是孤立的背景粒子游动——这些离开贝努表面的粒子最终的归宿是哪里？

显然，贝努是一颗很小的小行星，质量只有约7800万吨，平均直径不足500米，也就相当于…4.5个土星五号摞起来那么高吧

贝努vs土星五号。素材来源：NASA，制图：haibaraemily

质量越小，自然引力就越小，这也就意味着：

贝努上喷出的颗粒物，速度稍快一些的可以轻轻松松摆脱贝努的引力，进入太空。

那速度不够快的粒子们会怎么样呢？还有两种命运：

一种是短暂地环绕贝努飞行了数周，然后屈服于引力这双“看不见的手”，最终重新落回贝努表面；

另一种是压根没能实现环球旅行，只是以亚轨道飞行了一小段，就很快落回了贝努表面。

离开贝努表面的粒子之三种命运：很快回来、过一段时间再回来和永远不回来。改编自：Science [4]

冥王号项目组选取了这近50天里观测到的215条粒子轨迹进行分析，把这些“腿脚没那么快”的粒子又进一步细分为六类（Particle 1-6），其中：

• 1-4类粒子在环绕贝努飞行了4-17周之后落回贝努表面。

• 5和6类粒子沿亚轨道飞了一段就落回贝努表面。

1-6类没能最终成功飞离贝努的粒子轨迹。来源：参考文献[3]

 好端端的，到底为啥就开始喷砂砾了？

如果说探测器的工作是不远千万里前往现场搜证的话，那么借助搜证的结果，抽丝剥茧展开推理和论证的天文学家们，就是宇宙意义上的侦探。

通常来说，彗星和活跃小行星的喷发有很多可能的原因和机制，而侦探们要做的，是寻找和探讨所有的可能，排除其中的不可能。

对于三次大喷发，天文学家们探索了6种可能的原因。让我们一一看去。

一个星球自转越快，星球上的物体受到的离心作用就越强。快到一定程度，这个星球就会变得不稳定，星球上的尘埃和石块就可能脱离引力束缚，簌簌地剥落散逸。

很多自转较快、个头较小的活跃小行星或者彗星因为“聚合”方式比较松散，就有可能经历过一定程度的自转瓦解，例如咱们曾经介绍过的“死里逃生”的彗星41P。

主带彗星331P/Gibbs（原名P/2012 F5）曾明确被观测到过由于自转太快而“掉渣”的现象 [5]。

2014年8月26日，Keck II望远镜观测到直径数公里、自转周期3.24小时的主带彗星331P/Gibbs（绿色箭头）的尾迹里有四块掉出的碎片（白色箭头）。来源：参考文献 [5]

但这不符合在贝努上观测到的情况。

因为自转甩出碎片和尘埃这种事儿，肯定会优先发生在受到离心作用最大的赤道区域，而且只可能沿着自转方向甩出去，

而不是像贝努现在这样，从低纬到高纬随机喷发，而且顺行逆行，啥轨道啥角度都有喷发。

太阳风长驱直入打在没有大气的星球表面产生的电场，会让尘埃粒子因为静电力的作用而离开星球表面，漂浮游动起来。

这是探测者号系列任务（Surveyor）在月球上发现的地平线光（lunar horizon glow）可能的原因。

月尘跳动的舞步。来源：NASA

但在贝努这么大的小行星上，静电作用顶多只能扬起毫米级的砂粒，而且速度不太可能超过1米/秒——也就是说，静电作用不太可能产生在贝努周围发现的这么大，这么快的粒子运动。

冥王号团队也提出了一种可能的解释：小型喷发事件是大型喷发事件的副产物。

观测到的三次大喷发均发生于贝努当地时间下午，其中一部分喷出的粒子经过亚轨道飞行之后会撞上贝努夜晚那一面，这些粒子经过多次反弹和相互撞击，完全可能引起一系列小型喷发事件。

通过1月19日的大喷发事件数据模拟的各种速度和方向的粒子轨迹，注意在向阳面喷出的粒子经过亚轨道后通常会再次撞在贝努的背阳面。来源：参考文献 [3]

 然后呢？

2019年底，冥王号项目组从四个备选采样点中选定了接下来的采样点——位于最北端的Nightingale [7]。

Nightingale位于北半球一个一个直径140米的撞击坑中。来源：NASA

位于次北端的Osprey作为备选采样点。

四个备选着陆点的位置。来源：NASA

冥王号计划2020年夏季完成贝努采样，2023年9月把样品带回地球。或许届时从这些带回的样品中，我们还能找到贝努喷发粒子的新线索。

说不定，有些被喷出的砂砾就刚好被采集回来了呢。

 参考