彗星67P：大黄鸭养成记
以下文章来源于果壳科学人 ，作者haibaraemily
宇宙中的天体长什么样？不知道。反正不都是球，尤其是那些小个头儿的天体。大多数小天体，比如小行星和彗星，都长得挺随心随欲的。
彗星和小行星大小和形状举例。来源：ESA
非要总结归类的话，也不是完全无迹可寻，最常用的标准就是长宽比啦。虽然同样是不规则形态，有些小天体长宽比小些，像个苹果；而有些长宽比大些，就像个芒果。更夸张的就是去年新发现的第一颗来自太阳系外的星际来客‘Oumuamua，长宽比高达10:1，假想图长这样：
‘Oumuamua形状的假想图。来源：NASA
在这类长宽比较大的小天体里，还有一种更加奇特的形态：哑铃型或双叶型（bilobate），顾名思义，就是明显可以看到两端粗中间细。比如彗星1P/Halley（也就是我们说的哈雷彗星）、19P/Borrelly，更典型的是被罗塞塔号详细观测过的彗星67P/楚留莫夫（67P/Churyumov–Gerasimenko）。
彗星67P/楚留莫夫、1P/Halley、19P/Borrelly都是有名的哑铃型小天体。来源：NASA
彗星67P的两个哑铃头不仅个头大，而且一大一小，横着看像哑铃，竖起来看简直是只大黄鸭……嗯，半个澳门那么大的大黄鸭……
彗星67P。来源：ESA
侵蚀说和撞击说
这类哑铃型小天体是如何形成的？多年以来一直是科学家们争议的话题。有两种猜测：一种是侵蚀说——一整块细长型小天体经过局部性的质量损失和风化侵蚀，最终变成了哑铃状；一种是撞击说——两个小天体各自形成，然后因为碰撞而连接起来的。
侵蚀说和撞击说示意图。局部性的侵蚀作用可能是由于彗星在近日点附近的排气作用引起的局部质量损失等原因造成的。制图：haibaraemily
那么彗星67P是哪一种呢？2014年8月6日，欧空局发射的罗塞塔号探测器给出了明确的答案[1]。罗塞塔号携带的OSIRIS相机，不仅获取了彗星67P表面所有的区域的影像并进行了分区，而且还以高达7米/像素的分辨率精细测绘了彗星67P的层状结构（layaers）。
罗塞塔号及其携带的菲莱号着陆器和彗星67P。来源：ESA
罗塞塔号获取的影像中，地表的断层形成台阶一样的台地，暴露出彗星67P地下浅层丰富的层状结构，表明它并不是一个均质的“苹果”，而是一个层层叠加的“洋葱”。
左图是彗星67P上Seth区域中的台地（绿色）和暴露出来的地层（红色）。右图是放大后的平行地层。来源：ESA
这些层状结构是如何形成的？目前尚有争议。不过需要注意的是：彗星上这些地层（层状结构）并不完全对应于地球上的地层，因为这些层状结构并不是沉积而成的。目前的研究认为彗星上这些层状结构可能是彗星在吸积过程中形成的，或者是在近日点活跃期挥发份升华形成的（这两种都是从内到外的形成顺序），也可能是彗星在每次近日点-远日点反复运动的过程中周期性受热导致内部“裂开”形成的（也就是从外到内的形成顺序）。总之，这些层状结构并不意味着成分或者密度的差异。
显然，侵蚀说和撞击说产生的地层特征应当是不同的。如果哑铃结构是由局部侵蚀产生的，那么靠近侵蚀部分的地层方向和重力方向就不垂直了。
侵蚀和撞击形成的哑铃型小天体应该会有完全不同的地层分布。制图：haibaraemily
通过分析罗塞塔号传回的影像数据，科学家重现了彗星67P表层向下650米深的地层结构，确认彗星67P并不是一个大洋葱被局部侵蚀变成哑铃形状的，而是两个各自独立形成的“洋葱头”重组而成的[1]。
多视角的地层和重力方向关系，黄色为重力方向，虚线为地层位置，两者几乎处处近乎垂直。来源：文献[1]
但是新问题又来了，如果彗星67P是撞击合并而成的，又要如何保持原本的地层和内部结构，而不被猛烈的撞击产生的热所融化重铸呢？这种相遇和结合，到底是什么引起的？科学家们对此依然充满争议。
怎么撞上的？
一种观点认为，两颗形成于太阳系相似的环境中的原始彗核碰巧相遇了，因为相对速度不大，两颗彗核缓缓相撞并由于引力作用最终结合在了一起形成今天的彗星67P（所以我们姑且管这叫“缘分说”吧）。但由于这一过程只可能发生在太阳系形成早期（最开始的1000万年左右），所以如果这一假说是真的，就说明彗星67P非常古老，在太阳系早期就已经完成了合并。
缘分说。来源：参考文献[2] | 翻译：haibaraemily
这一假说的局限性是显而易见的：真的就有这么巧？俩双胞胎刚好又撞在一起了，没有早一点，没有晚一点，没有快一点，也没有慢一点？当然，用“幸存者偏差”可以部分解释这种“巧合”——如果不是这么巧，两颗差不多大的彗核要么就永远无法相遇，要么就迎头猛撞然后粉身碎骨。总之我们今天能看到的，都是幸存下来的……
似乎也没毛病……
但也有一部分科学家并不相信这种巧合，于是就有了另一种假说：灾难性撞击说。
在茫茫宇宙这么长的时间尺度下，大大小小天体之间的猛烈撞击是很常见的，月球上密集的陨石坑就是最好的证明，1994年举世瞩目的彗木相撞更是让无数人直观感受到了天体之间的撞击。只不过，大小差异太过悬殊的情况下，自然是大天体岿然不动，小天体尸骨无存。
左：满目疮痍的月球高地；右：彗木相撞后在木星上留下的红褐色斑点。来源：NASA
那如果是大小差不多（量级上可比）的天体呢？如果速度还很快呢？这样的撞击就可能是毁灭性的，大天体也不能幸免，也会被撞得粉碎。灾难性撞击说就是基于这种撞击事件的进一步猜想：一颗被毁灭性大撞击完全击碎的大天体的千百万块碎片中，一部分碎片又重新聚集和吸积，两块较大的碎片结合成了如今的彗星67P。这样的撞击事件在整个太阳系的各个阶段都在不断发生，并不是太阳系早期独有的。所以如果这个假说是真的，那么虽然彗星67P的两个“哑铃头”依然保留着太阳系最古老的特征，但如今这个合并的模样可能其实很年轻。
灾难性撞击说。来源：参考文献[2]| 翻译：haibaraemily
大撞击：水能煮粥，亦能载舟？
灾难性大撞击的假说也不是因为不喜欢缘分说凭空想出来的。天文学家在研究小行星的形成原因时就成功地证明过这个假说。当时人们发现，虽然太阳系里有辣么多辣么多小行星，但明显可以有些小行星的光谱和轨道特征太像了——这绝对是一家子出来的啊！于是科学家们通过光谱特征把一些小行星分了类（族）。
一个很自然的推理就是：同族的小行星们都是同一颗母天体被撞出来的碎片！2001年，法国尼斯天文台的Michel团队首次通过计算机模拟较为全面地重现了这个过程，表明被撞击后的碎片是可以快速完成吸积和重组的[3]。
灾难性撞击之后碎片的重组过程。来源：参考文献[3] | 翻译：haibaraemily
这一结果还登上了2001年11月23日的Science封面。
Michel的模拟结果虽然极其精彩，但也有明显的粗糙之处——为了简化，所有的碎片和碎片的重组体都以球形模拟，而没有考虑它们的实际形状。于是2013年，Michel及同事又做出了一些改进，改进后的模拟结果表明，这种灾难性大撞击之后的重组可以形成各种形状的小天体[3]。
Michel和同事们用改进版模型模拟出灾难性撞击之后碎片重组出小行星“丝川”的过程。来源：参考文献[4] | 翻译：haibaraemily
改进版模型已经可以模拟出彗星这样不规则形状的小天体了，但从小行星到彗星还是差了那么一点：彗星更加特殊，不仅质地更松散，而且还含有大量固态形式的挥发性物质（比如水冰）。经过大撞击后的重组，彗星的松散质地和挥发性组分还能保持的住么？
近日，同样来自法国尼斯天文台的Schwartz及其同事们的最新模拟结果[5]表明：完全没问题！
他们模拟了以下不同速度和质量比的多种灾难性撞击下母天体碎片的重吸积过程。
模拟中选取的撞击参数，每种都已经达到了灾难性撞击的阈值，也就是每种情况下母天体都会被撞击所粉碎。注意这里的速度是撞击体撞碎母天体的相对速度。彗星67P的质量大约为模拟采用的母天体质量的9%。来源：参考文献[5]
以下是其中一种模拟情况下母天体被撞碎和碎片吸积重组的样子。
Schwartz及同事们模拟的撞击速度150 m/s，摩擦角29°情况下，母天体被撞碎以及碎片的重吸积过程。来源：参考文献[5]
模拟结果显示，毁灭性大撞击之后，母天体的碎片完全可能以低速相互碰撞（相对速度小于1 m/s）的方式重新聚集在一起，重吸积之后会产生各种大小和形态的小天体，其中完全可能形成67P这样的哑铃型形状。并且，碎片重组过程中产生的热量并不高，也不会发生剧烈的压缩，可以允许大部分碎片依然保持原先的形态、挥发组分，和松散质地。
Schwartz及同事们模拟的灾难性大撞击发生9天后还在进行的缓慢碰撞和融合，这个10.7秒的视频代表了10.7个小时内的变化来源：参考文献[5]
哑铃型彗星的灾难性撞击起源假说可以更好地解释这些碎片为什么会刚好碰撞在一起，也可以更好地解释彗星表面的断层等撞击相关的地貌成因。同时，这样的撞击在太阳系历史上的任何时候都可能发生。因此虽然彗星67P的两个哑铃头部分已经保留着太阳系最原始的成分，但这种新的组成体，以及表面的一些地貌形态可能非常年轻。
结语
如果我们把时光的指针稍稍拨回一百年，那时候的科学家们没有几个会相信月球上的陨石坑是陨石撞击形成的（那时候大多数人认为是火山喷发或者地表塌陷形成的），毕竟，那些密密麻麻的陨石坑……Excuse me，撞击怎么可能起到这么大的作用？！
然而，如今的我们已经知道，不仅月球、火星和太阳系中几乎所有的固态天体上都布满了陨石撞击留下的痕迹（地球上也有，只是大多被后来的地质作用抹掉了），甚至连月球本身都可能是大撞击产生的，冥卫一卡戎可能也是形成于类似的过程；地球上的水和有机物可能是小行星和彗星的撞击带来的；土星壮丽的环系有些可能来自卫星被撞碎的碎片……
虽然在这茫茫宇宙的漫长历史中，有无数的天体曾经或正在撞击中走向毁灭。
但这毁灭之中，也孕育着新生。
想象中的形成月球的大撞击图景。大撞击假说认为，约45亿年前，一个火星大小的天体撞击地球，其碎片形成了后来的月球。不过关于撞击体的大小、撞击发生的次数等细节问题目前依然有争议。大撞击假说是目前最受青睐的月球起源假说。来源：NASA
关于作者：灰原哀博士（haibaraemily），从事行星科学研究。
声明
本文授权首发于「果壳科学人」（scientific_guokr），最详细版以及今后的实时更新版发布于知乎
参考文献
1.Massironi, M., Simioni, E., Marzari, F., Cremonese, G., Giacomini, L., Pajola, M., ... & Preusker, F. (2015). Two independent and primitive envelopes of the bilobate nucleus of comet 67P. Nature, 526(7573), 402.
2.Nature News：How the rubber-duck comet got its shape
3.Michel, P., Benz, W., Tanga, P., & Richardson, D. C. (2001). Collisions and gravitational reaccumulation: Forming asteroid families and satellites. Science, 294(5547), 1696-1700.
4.Michel, P., & Richardson, D. C. (2013). Collision and gravitational reaccumulation: Possible formation mechanis m of the asteroid Itokawa. Astronomy & Astrophysics, 554, L1.
5.Schwartz, S. R., Michel, P., Jutzi, M., Marchi, S., Zhang, Y., & Richardson, D. C. (2018). Catastrophic disruptions as the origin of bilobate comets. Nature Astronomy.
