海王星最小的卫星有多小?在上面跑马拉松还得掉个头

气态巨行星海王星的最小卫星海马在其轨道上的艺术构想图。图片来源:NASA, ESA, and J. Olmsted (STScI)

马拉松比赛全程约 42 公里,而海王星最小的卫星“海马”尺寸仅 34 公里,还不到一场马拉松跑过的距离。一项新研究对“海马”的尺寸进行了新的评估,并揭示了它那混乱的过去,这对研究卫星的形成带来了新的启示。

来源丨科研圈(ID:keyanquan)

这颗模糊而寒冷的小行星再也不叫“海卫十四”了。天文学家给它取了一个名字——“海马”(Hippocamp)。它是最晚被发现的海王星卫星,之前也被称为 S/2004 N1。他们还在一项新的研究报告中指出了这颗卫星的大小,并揭露了它的一些有意思的过去。

2013 年,由马克·肖华特(Mark Showalter)带领的团队宣布了 S/2004 N1 的存在。该团队来自搜索地外文明计划研究所(Search for Extraterrestrial Intelligence,SETI)。团队的科学家通过分析美国宇航局(NASA)哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope)在 2004 年到 2009 年期间拍摄的照片,发现了这颗卫星。

这是海王星卫星——海马最早的照片,由 NASA 的哈勃空间望远镜在 2004 年拍摄。红色小方框内显示的是卫星海马,右上方是它的放大版本。图片来源:Mark R. Showalter, SETI Institute

当时,该团队发现 S/2004 N1 的位置距离其母行星大约 105250 千米(km),在轨道上绕行一周的时间大约为 23 小时。相比海王星的这个卫星,地球自己的卫星十分巨大,直径为 3475km,运行轨道距离地面平均 384600km。

S/2004 N1 也被研究人员认为是海王星已知的 14 颗卫星中最小的一个,人们原本估计它的直径不超过 19km。

这是发现微小海王星卫星海马的图片。可以在红色框内看到海马;右上方是它的放大版本。图片来源:Mark R. Showalter, SETI Institute

最近,肖华特团队结合了 2016 年哈勃的新观测结果,更新了对卫星的评估。相关研究于今年 2 月 20 日发表在《自然》Nature期刊上。肖华特和团队采用了他们在几年前设计的一个巧妙技术,这项技术使他们能够最先发现卫星。该团队的科学家“转换”了哈勃望远镜对海王星系统拍摄下的 8 张连续 5 分钟曝光图片,重新排列像素,这样即使卫星作轨道运动,他们也能够将海马的图片相互“堆叠”在一起。本质上,研究人员是把卫星的 8 次单独曝光转化成为一次长达 40 分钟的曝光

“我们差点就跟它擦肩而过,”肖华特谈及“海马”时说。“哈勃的一次单独曝光观察到的海马太微弱了。”

海王星的七个内卫星按照实际相对大小显示,右侧蓝色为海王星的身影。图片来源:Mark R. Showalter, SETI Institute

这项技术非常强大,它的广泛应用“有助于探测到其他巨行星周围的小卫星,甚至是绕着遥远恒星运行的行星”,弗吉尼亚大学的天文学家安妮·沃比瑟(Anne Verbiscer)在同一期的《自然》期刊“新闻与观点(News and Views)”栏目中写道。她不是肖华特团队的研究人员。

这项新的分析描述了一个比之前想象的稍微大一点的“海马”,直径约 34km,研究人员指出,它和一颗名叫“天涯海角(Ultima Thule)的小行星尺寸大致相同。“海角天涯”是 NASA 的“新视野”号(New Horizons)航天器在元旦那天飞越的一个奇特而遥远的天体。

1989 年,“旅行者 2 号”(Voyager 2)航天器在对海王星的探测飞掠期间发现了海王星的 6 颗卫星,而“海马”的轨道区域与这 6 颗卫星大致相同。六颗卫星中最大、最靠外的卫星是直径 420km 的“普罗透斯”(Proteus),而海马恰好位于距离其内侧 12000km 处。

像地球自己的卫星一样,长久以来,普罗透斯和海马都在沿着螺旋轨迹缓慢远离它的母行星——尽管它们的速度要慢得多。大约在四十亿年前,普罗透斯可能就在海马旁边,因此它那时有可能就吞掉了这颗较小卫星,肖华特说。

图中显示了海王星内卫星的位置和直径(范围从20 到 260 英里)。图片来源:NASA, ESA, and J. Olmsted (STScI)

 

因此,肖华特和同事怀疑海马形成的时间比普罗透斯晚。事实上,他们相信较小的卫星可能之前是它相邻的较大卫星的一部分海马可能是普罗透斯在很久之前被彗星撞击后爆炸飞入太空的碎片合并而成,研究人员在最新的论文中写道。

事实上,海马的形成可能追溯到使普罗透斯形成巨大的法罗斯陨石坑(Pharos Crater)的那次撞击。海马的总体积大约是法罗斯碰撞期间喷出碎片的 2%。不难想象,少量的碎片会合并形成一颗卫星,肖华特说。

在 80 年代和 90 年代期间,天文学家开始假定巨行星的卫星经历过很多次的彗星碰撞,从而使得许多卫星解体。对海马起源的推断证实了这一早期太阳系的观点,肖华特补充道:“这是第一个由碰撞产生卫星的极佳例子。”

多年来,肖华特在许多天然卫星的发现中起到了关键的作用,其中包括 20 世纪 90 年代初发现的土星的 “馄饨卫星”——潘(Pan)

馄饨形状的潘,由“卡西尼”号(Cassini)探测器拍摄。图片来源:NASA/JPL/Space Science Institute

肖华特和他的团队还使用转换—堆叠技术(transformation-stacking technique)寻找海王星的另一卫星“娜伊婀德”(Naiad),该卫星自从“旅行者 2 号”在 1989 年发现后就再没被看到过。科研人员还对发现海王星其他卫星的可能性设置了一些界限:沃比瑟指出,他们的分析显示普鲁透斯轨道内侧没有直径超过 24km 的卫星,其外侧也没有直径超过 20km 的卫星。

 

撰文 Mike Wall

编译 宋坤

审校 阿金

编辑 戚译引

本文转载自公众号“科研圈”(ID:keyanquan)

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