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地球的众多迷你卫星

在人类眼中,只有一个月亮。仔细观察,你会发现我们有一个庞大、不断变化的卫星家族。

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地球的新迷你卫星,编目为 2020 CD3,在双子座天文台的这张图像中显示为一个点。跟踪该物体移动时,周围的恒星变成了彩色的条纹。图片来源:Gemini/OIR/AURA/G. Fedorets

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如果你今晚的天空晴朗,抬头看看,你会看到月亮——一颗孤独的月亮,它亿万年来一直照亮着地球的天空,以钟表般的精确度绕着我们的星球运转。然而,如果用Catalina Sky Survey的视野抬头看,你会看到完全不同的景象。

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我们周围的空间与其说是钟表式的,不如说是像潮汐的涨落,因为小行星在不断变化的轨道上在太阳系的我们所在的区域漫游。它们对阳光的压力和微妙的引力扰动做出反应:有时会靠近地球,偶尔会撞击,偶尔会被我们星球的引力捕获。

当发生第三种情况时,地球就会迎来一颗暂时的“新月”,一个我们称之为“月亮”的大月亮的小伴侣。三年前就是这样,当时地球获得了一颗新的迷你卫星,即目前已知的 2020 CD3。

Teddy Pruyne 和 Kacper Wierzchos 在 Catalina Sky Survey 于 2 月 15 日拍摄的迷你卫星 2020 CD3 的发现图像。(图片来源:Pruyne/Wierzchos/CSS)

Pruyne/Wierzchos/CSS

2020 CD3 于 2 月 15 日被 Catalina Sky Survey 的两位天文学家 Kacper Wierzchos 和 Teddy Pruyne 发现。当时它距离地球约 300,000 公里,比普通月亮稍近,但由于它非常小,非常微弱——估计直径为 2 到 3 米,大约是一头牛的大小。(不过,它是在月亮下方跳跃的。)

我们应该如何称呼这个小伴侣呢?就我而言,我进行了一次Twitter 投票,获胜者明确是“Luna 2: Electric Boogaloo”。为了简单起见,我这里将它称为 Luna 2。当然,这比 2020 CD3 更清晰、更令人难忘。

Luna 2 可能是人造物体,一块误入歧途的太空垃圾迟迟才返回家园。这种情况以前也发生过;例如,2017 年发现的一颗流浪卫星原来是中国探月任务的火箭助推器。到目前为止,Luna 2 的运动最符合一个致密物体,这使得它很可能真的是一颗被捕获的岩石小行星。

如果是这样,Luna 2 有助于解决一个已有数百年历史的问题,即地球是否比只有一个月亮拥有更多的天然卫星。其他有卫星的行星都有不止一个。就连小小的火星也有两个,木星有 79 个!为什么地球只有一个?

像迷你卫星 2020 CD3 这样被松散捕获的物体,遵循一些看起来很疯狂的轨道,这里是从以地球为中心的参考系看到的。(图片来源:Tony Dunn,使用 JPL Horizons 软件)

Tony Dunn,使用 JPL Horizons 软件

1846 年,法国天文学家 Frederic Petit 声称他有观测证据表明,第二个卫星正绕地球表面上方 11 公里处运行。现在听起来很疯狂——由于强烈的空气阻力,这样的轨道会立即衰减——而且当时听起来也很疯狂。尽管如此,Petit 的报告当时获得了足够的媒体关注,以至于儒勒·凡尔纳将这个想法融入了他的小说《从地球到月球》中。

1898 年,德国天文学家 Georg Waltemath 报告了另一处对绕地球运行的迷你卫星的模糊目击,之后几十年里又出现了更多可疑的报道。即使是发现冥王星的顽强观测者 Clyde Tombaugh,在 20 世纪 50 年代也花了四年时间徒劳地搜寻一颗未被发现的月亮。

多年来,还有关于尘埃云(有时被称为“尘埃云卫星”)的报道,它们与月亮的轨道相同,但领先和落后月亮 60 度运行,位于称为拉格朗日点的稳定区域。匈牙利一个研究团队的最新报道 pretty good case that the dust clouds really exist,尽管即使它们是真实的,它们也非常稀薄,几乎不符合卫星的定义。

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真正的突破发生在 2006 年,来自一个熟悉的来源:Catalina Sky Survey。使用该调查的 0.7 米施密特相机,Eric Christensen 发现了一个名为 2006 RH120 的绕地球运行的物体。它很小,尺寸与 Luna 2 相似,起初似乎是 NASA 阿波罗计划的一件旧设备。进一步的检查表明 2006 RH120 可能具有自然起源,两年后它被正式命名为近地小行星。

漫长的搜寻结束了:地球有了第二个卫星。

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或者更确切地说,地球暂时有了第二个卫星。像 2006 RH120 这样的捕获物体被地球引力微弱地束缚,很容易被破坏。2007 年 6 月,与月球的一次引力相互作用使迷你卫星摆脱了地球轨道,将其送回了更正常的小行星般的绕太阳轨道。地球在被 Luna 2 捕获(可能在 2017 年左右)之前,又回到了只有一个卫星的状态,持续了十年。

与 2006 RH120 一样,Luna 2 被认为是“暂时捕获的物体”,即一个瞬时的卫星。目前尚无法准确预测它何时会离开,但它弯曲的轨道(比月球远四倍多)与地球的束缚非常微弱,最终逃逸是不可避免的。

这种捕获和释放的模式肯定一直在发生,因为小行星的潮涨潮落不断地冲过地球。即将在明年年初投入使用的 Vera C. Rubin Observatory,正是为了寻找那种昏暗、快速移动的物体而设计的。根据赫尔辛基大学 Grigori Fedorets 领导的最新研究,该天文台应该能够每年发现至少一个新迷你卫星,如果更深入地搜索,甚至可能每年发现六个。

如果 Fedorets 的说法是正确的,Luna 2 将很快失去一些神秘色彩,但天文学家将开始更多地了解这个神秘的迷你卫星种群:它们有多少,来自哪里,去往哪里。最后一点尤其重要,因为并非所有迷你卫星都默默地消失。两次近期火球流星——一次在 2014 年发生在欧洲,一次在 2016 年发生在澳大利亚——的轨迹表明它们曾绕地球运行。它们没有飘走,而是直接撞向了我们。幸好这些迷你卫星非常迷你。

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一个飞往迷你卫星 2006 RH120 的示例飞行路径,使用最少的燃料(惯性参考系,左;旋转参考系,右)。类似的飞行计划可以派探测器或人员前往其他迷你卫星。(图片来源:Brelsford 等人)

Brelsford 等人

未来某一天,迷你卫星也可能对太空探索有用。它们将是人类探索的迷人目的地:一种无需前往比月球更远的地方就能访问小行星的方式。它们也将是快速、低成本机器人空间探测器的诱人目标。它们也是进行小行星采矿早期实验的合理地点,因为与前往小行星带的任务相比,在这里进行测试和回收的效率会更高(且使用的推进剂更少)。

考虑到这些想法,由夏威夷大学的 Steven Brelsford 领导的一个团队最近进行了一项研究,研究了如何与地球的迷你卫星会合。在有人向那里发送航天器之前,更不用说采矿任务或宇航员队伍了,Luna 2 可能早已消失,但仍有许多潜在的目标。既然我们知道如何寻找,很明显地球有足够多的卫星。

如需更多科学新闻和观点,请在Twitter上关注我:@coreyspowell

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