圖解太陽系小天體（5）

文/ 葉楠

特洛伊族小行星

在木星圍繞太陽公轉(zhuǎn)軌道的L4和L5拉格朗日點(diǎn)附近分布著大批小行星，被稱為木星特洛伊族小行星。這些小行星圍繞在L4和L5兩個(gè)細(xì)長彎曲的區(qū)域內(nèi)，軌道平均半長徑約為5.2天文單位。據(jù)估計(jì)直徑大于1千米的木星特洛伊族小行星數(shù)量可能有100萬顆之多，與小行星帶類似大小的小行星數(shù)量差不多。除了木星擁有自己的特洛伊族小行星之外，天王星、海王星、火星、地球和金星也都擁有自己的特洛伊族小行星。

木星特洛伊族小行星

1772年，數(shù)學(xué)家拉格朗日在研究限制性三體問題時(shí)提出，與行星共享軌道且位于行星前后約60度的小天體將被困在這兩片馬蹄形的區(qū)域內(nèi)，區(qū)域內(nèi)的兩個(gè)平衡點(diǎn)被稱為拉格朗日點(diǎn)L4和L5，其中L4位于行星公轉(zhuǎn)方向的前方，L5位于后方。1906年2月，德國天文學(xué)家沃爾夫在木星L4點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)了一顆小行星，以希臘神話特洛伊戰(zhàn)爭中的人物阿基里斯命名，這也是特洛伊族小行星名稱的由來。截至2021年，已經(jīng)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)的木星特洛伊族小行星數(shù)量超過1.1萬顆。圖為木星特洛伊族小行星與主帶小行星相對(duì)位置分布。

588號(hào)阿基里斯

德國海德堡天文臺(tái)的馬克思·沃爾夫是一位擁有諸多發(fā)現(xiàn)的天文學(xué)家，他將攝影術(shù)應(yīng)用到天文觀測之中，一生中共發(fā)現(xiàn)了248顆小行星、2顆彗星以及4顆超新星。他和美國天文學(xué)家巴納德是好友兼競爭者的關(guān)系。1910年，沃爾夫搶在巴納德前首先觀測到了回歸的哈雷彗星。1904年巴納德發(fā)現(xiàn)了一顆特洛伊族小行星，但由于當(dāng)時(shí)并沒有計(jì)算出這顆天體的軌道，直到1999年才被確認(rèn)。于是在沃爾夫發(fā)現(xiàn)的諸多小行星中，588號(hào)阿基里斯幸運(yùn)地成為了人類歷史上第一顆被確認(rèn)的特洛伊族小行星。這顆小行星直徑為130千米，在木星特洛伊族小行星大小排名中位居第4位，軌道周期為11年11個(gè)月，和木星公轉(zhuǎn)周期一致。它的發(fā)現(xiàn)也驗(yàn)證了拉格朗日的預(yù)測。圖為發(fā)現(xiàn)之初拍攝的“阿基里斯”照片。

兩個(gè)陣營中的“內(nèi)奸”

在木星L4和L5點(diǎn)的小行星雖然都被稱為特洛伊族小行星，但它們的命名也是頗為有趣的。L4點(diǎn)附近的小行星是以戰(zhàn)爭中希臘一方的英雄命名，也被稱為“希臘陣營”，與之相對(duì)L5點(diǎn)附近則是“特洛伊陣營”。不過這其中也有兩個(gè)例外，分別是“特洛伊陣營”中的“帕特洛克魯斯”和“希臘陣營”中的“赫克托”，這兩顆小行星由于命名時(shí)間早于陣營定義的時(shí)間，于是不小心深入了“敵營”之中。617號(hào)小行星帕特洛克魯斯實(shí)際上是由兩顆小行星組成的雙星系統(tǒng)，直徑分別為122千米和112千米，彼此相距680千米，每4.3天相互繞轉(zhuǎn)一周。624號(hào)小行星赫克托是木星特洛伊族小行星中最大的一顆，而且也是太陽系內(nèi)最狹長的一顆，它的長軸達(dá)403千米，但平均直徑只有201千米。估計(jì)它很可能是由兩顆小行星密接而成。圖為藝術(shù)家筆下描繪的“帕特洛克魯斯”（上）和“赫克托”（下）。

天王星特洛伊族小行星

木星是太陽系中擁有特洛伊族小行星數(shù)量最多的天體，在其他大行星附近是否也有特洛伊族小行星的存在呢？答案是肯定的。天王星雖然距離我們更加遙遠(yuǎn)，但依靠現(xiàn)代觀測技術(shù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩顆天王星的特洛伊族小行星。小行星2011 QF99圍繞天王星L4點(diǎn)運(yùn)行，但它只是被天王星俘獲的一顆小行星，它將在天王星L4點(diǎn)運(yùn)行大約7萬年（圖為它未來的運(yùn)行軌跡）。2014 YX49同樣也位于天王星L4點(diǎn)，它成為天王星的特洛伊族小行星已經(jīng)有大約6萬年時(shí)間，并且還將繼續(xù)運(yùn)行8萬年。

海王星特洛伊族小行星

相比于天王星，已經(jīng)確認(rèn)的海王星特洛伊族小行星數(shù)量要更多一些。在海王星L4點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)了24顆，L5點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)了4顆。最早發(fā)現(xiàn)的海王星特洛伊族小行星是位于海王星L4點(diǎn)附近的2001 QR322。2010年天文學(xué)家在對(duì)銀河系中心附近恒星被塵埃云遮擋的區(qū)域進(jìn)行巡天觀測時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了2008 LC18，這是海王星L5點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)的首顆特洛伊族小行星（圖為當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)時(shí)的照片）。2013年底，正飛向冥王星的新視野號(hào)探測器在途徑海王星時(shí)發(fā)現(xiàn)了2011 HM102，這是已知軌道傾角最大的海王星特洛伊族小行星。除此之外，海王星還擁有數(shù)顆高傾角特洛伊族小行星，研究表明這些小行星大都也是被海王星俘獲的，而不是在太陽系早期形成的。

火星特洛伊族小行星

如果特洛伊族小行星更多的是被大行星通過引力俘獲的，那對(duì)于火星來說似乎有些困難。因?yàn)樵诎舜笮行侵?，火星的質(zhì)量僅排在倒數(shù)第二位。不過迄今為止已知的火星特洛伊族小行星數(shù)量也達(dá)到了14顆：火星L4點(diǎn)1顆，L5點(diǎn)13顆。其中最著名的是1990年帕洛瑪天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)的5261號(hào)小行星尤里卡，是第一顆被發(fā)現(xiàn)的火星特洛伊族小行星，與其他大多數(shù)特洛伊族小行星不同的是，“尤里卡”呈紅色、反照率適中，位于火星L5點(diǎn)的中心處，這被認(rèn)為是起源于太陽系早期的標(biāo)志——從太陽系誕生之初到現(xiàn)在它一直位于這個(gè)穩(wěn)定的位置上。

地球特洛伊族小行星

2010年10月，廣域紅外巡天探測者空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了2010 TK7，這也是人類歷史上首次發(fā)現(xiàn)地球的特洛伊族小行星。2010 TK7的直徑約300米，公轉(zhuǎn)周期365.394天。由于太陽的引力作用，特洛伊族小行星一般不會(huì)一直固定在拉格朗日點(diǎn)上，而是在其附近的環(huán)形軌道上運(yùn)行。2010 TK7的軌道則不同尋常，它甚至可以運(yùn)行到接近日地L3點(diǎn)，在L4和L3點(diǎn)之間運(yùn)行的周期約為400年。2020 XL5是2020年12月泛星計(jì)劃巡天發(fā)現(xiàn)的第二顆地球特洛伊族小行星，直徑1.2千米，不過由于金星的引力擾動(dòng)將會(huì)使它慢慢脫離現(xiàn)在的軌道位置，因此它只會(huì)在地球L4點(diǎn)附近停留大約4000年。圖為這兩顆地球特洛伊小行星現(xiàn)在的軌道位置示意圖。

金星特洛伊族小行星

2013 ND15也是由泛星計(jì)劃巡天發(fā)現(xiàn)的，是迄今為止已知唯一一顆金星特洛伊族小行星。它是一顆阿登型小行星，軌道半長軸為0.7235天文單位，與金星軌道極為相近。它的偏心率高達(dá)0.6115，在環(huán)繞金星L4點(diǎn)的軌道上運(yùn)行?；诜凑章使浪愠銎渲睆綖?0～100米，雖然它的軌道也會(huì)穿越地球和水星的軌道，不過并沒有被列入具有潛在威脅的小行星列表中。2016年6月，它曾經(jīng)近距離接近地球，最近距離為0.077天文單位。圖為泛星計(jì)劃位于夏威夷的口徑1.8米望遠(yuǎn)鏡。

露西號(hào)小行星探測器

2021年10月16日，“露西號(hào)”從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，計(jì)劃于2027年抵達(dá)木星L4點(diǎn)的“希臘陣營”，對(duì)其中4顆小行星進(jìn)行探測，之后預(yù)計(jì)在2033年抵達(dá)木星L5點(diǎn)的“特洛伊陣營”，對(duì)617號(hào)小行星帕特洛克魯斯進(jìn)行探測。“露西號(hào)”的命名來自于著名的阿法南方古猿，寓意對(duì)特洛伊族小行星的研究有助于揭開行星演化的奧秘。

太陽系內(nèi)大行星特洛伊族小行的數(shù)量可能和主帶小行星數(shù)量一樣多。關(guān)于特洛伊族小行星的研究對(duì)于探索太陽系的起源、行星的形成，甚至地球上生命的誕生都有著重要的聯(lián)系。期待“露西號(hào)”在不遠(yuǎn)的未來能為人類帶來更多新的發(fā)現(xiàn)。讓我們的目光繼續(xù)指向位于海王星外側(cè)的柯伊伯帶，那里或許擁有更多數(shù)量的太陽系小天體。在大行星的引力擾動(dòng)下，偶爾還會(huì)有小天體飛離這片區(qū)域，有的游蕩在木星和海王星軌道之間，成為半人馬型小行星；有些甚至?xí)w入內(nèi)太陽系，成為一顆短周期彗星，而彗星在軌道上遺撒的物質(zhì)如果有機(jī)會(huì)落到地球上便會(huì)成為一場流星雨。