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解开小行星上的“巨人”谜团
小行星本努的巨石之谜：一块散落着大石块的方形灰色小行星
图解：OSIRIS-REx 航天器及其所携带的设备PolyCam于 2018 年 12 月 2 日收集了 12 张照片，制作了这幅小行星Bennu的马赛克图像。该航天器距离小行星仅 15 英里（24 公里）。科学家们惊讶地发现本努的表面散布着巨石。图片来自 NASA/亚利桑那大学。
为什么这颗近地小行星本努的表面有这么多大型石块？在 2018 年底之前，当美国宇航局航天器 OSIRIS-Rex将要经过本努时，科学家们预计这颗小行星的表面将完全或部分覆盖一层由沙子和鹅卵石组成的精细风化层。但是事实上，OSIRIS-REx 中的 REx 代表 Regolith Explorer，它发现了本努的表面散布着巨石和大石头。本月（2021 年 10 月 21 日），科学家们宣布他们现在可能对小行星本努的巨石之谜有了答案。
这项来自亚利桑那大学的新研究于 2021 年 10 月 6 日发表在同行评审的期刊《自然》上。该研究表明，多孔岩石是造成本努表面缺乏精细风化层的原因。
小行星本努的巨石之谜：岩石，而非散沙
科学家们曾一度认为本努被精细的风化层覆盖，但是来自航天器的特写图像显示它几乎完全被巨型石块覆盖。这是怎么造成的呢？正如合著者和 OSIRIS-REx 首席研究员但丁·劳雷塔在 NASA 声明中解释的那样：
“… 绘制和表征小行星表面是航天器的主要目标。它对本努的整个表面收集了非常高分辨率的数据。在某些位置，每像素的分辨率达到了 3 毫米 [1/10 英寸]。除了科学研究之外，缺乏精细的风化层也成为了这项任务本身的挑战，因为我们的航天器本来旨在收集的是此类风化层材料。”
图解：成千上万的石块紧密相连而成的岩石地形。
这张特写图显示了本努的表面覆盖着大块岩石和巨石，几乎没有精细的风化层。这张照片由 OSIRIS-REx 于 2019 年 3 月 21 日拍摄。图片来自 NASA/戈达德/亚利桑那大学。
机器学习
亚利桑那大学和麻省理工学院的萨维里奥·坎比奥尼是这篇新论文的主要作者，他试图利用机器学习和温度数据来解开这个谜团。他说：“当本努的第一张图像出现时，我们注意到一些区域的分辨率不够高，导致我们无法看到是否有小岩石或细风化层。于是我们便开始使用我们的机器学习方法，使用热辐射（红外）数据来区分精细风化层和岩石。只有机器学习才能有效地处理如此之大的数据集。”
热辐射能够帮助科学家区分了本努上的细风化层和较大的岩石。炽热的表面会向各个方向发出这样的热辐射。本努围绕太阳公转的轨道与地球的处在同一个范围之内（因此它也被称为近地小天体），但与地球的近日点相比它还要更加贴近太阳一些。这颗小行星的名字本努与一种古埃及神话中的鸟有关，它与太阳、创造和重生有关。就像地球一直受到太阳所给予的温暖，本努也是如此。这些反射出来的热辐射让科学家们解开了巨石之谜。
之所以它对研究起到了作用是因为细风化层的热辐射不同于巨石的热辐射。 在精细风化层中，颗粒的大小控制着热辐射。 但是，在较大的岩石中，岩石的孔隙度控制着这种才是释放辐射的影响因素。
对于他们的测试，研究人员基于精细风化层和多孔岩石的不同结合方式，创建了一个热辐射样本库。 这样机器学习就可以在样本之间建立“联系点”。
科学家们总共对本努上的 122 个区域进行了分析，无论白天还是晚上拍摄的。
本努带来的意外收获
本努的研究结果令科学家们感到惊讶。精细的风化层并非简单地随机分布于小行星表面。进一步来说，风化层的分布在少数地区增加了几十个百分点，这些地方的岩石没有孔洞。然而，风化层在高度多孔的岩石区域（即大部分地表）分布较少。
科学家们说这意味着由本努的多孔岩石产生的风化层非常少。这是由于岩石大都是被挤压而不是被流星体撞击得粉碎。岩石中的空隙就像一个垫子，有助于保护岩石免受冲击的影响。从本质上讲，岩石在一定程度上可以自我保护免受撞击。正如合著者、法国国家科学研究中心 (CNRS) 和法国蔚蓝海岸天文台拉格朗日实验室的科学家 Chrysa Avdelidou 所说：
“基本上，撞击的很大一部分能量被用于粉碎孔隙，这限制了岩石的解体和新的细风化层的产生。”
坎比奥尼和他的同事们也表明，由本努上的岩石升温与降温引起的开裂在多孔岩石中要比在致密岩石中进行得更慢。这发生在小行星公转，岩石经历昼夜交替的时候，并进一步阻碍了精细风化层的产生。
美国宇航局戈达德太空飞行中心的 OSIRIS-REx 航天器项目科学家杰森·德沃金补充说道：“当 OSIRIS-REx 在2023年9月将它所收集到的本努样本送至地球时，科学家们将能够细致地对其进行考察。这包括测试岩石的物理特性以验证这项研究。”
图解：对小行星本努上的巨石的新研究由麻省理工学院和亚利桑那大学的萨维里奥·坎比奥尼领导。 图源谷歌网站。
各式各样的小行星
这些发现与其他小行星的发现相符合，并突出了不同类型小行星之间的差异。例如，龙宫（Ryugu）是一颗富含碳元素的B型碳质小行星，就像本努一样。它也被多孔岩石覆盖，并且缺乏精细的风化层。这些结果来自日本的隼鸟 2 号探测器任务。
相比之下，早在 2005 年隼鸟号访问的石质 S 型小行星糸川（Itokawa），其表面就有丰富的精细风化层。与此一致的是，之前的一项研究发现，糸川上的岩石比本努和龙宫上的岩石有着更少的孔隙。
正如 CNRS 和拉格朗日实验室的合著者马可·德尔博所说：“几十年来，天文学家一直在争论小型近地小行星可能有裸露的岩石表面这一问题。当航天器在 2000 年代访问 S 型小行星厄洛斯（Eros）和糸川并在其表面发现了精细的风化层时，对这一问题最无可争辩的证据便展现在我们眼前。”
将结果外推到其他小行星
这些发现有力地表明了碳质小行星和 S 型小行星之间的关键区别。基于这一点，研究人员预测，在未来对其他小行星的观测中，碳质小行星将大概率没有细风化层。然而，在 S 型小行星上，细风化层应该很常见。碳质小行星是太阳系中最常见的。根据坎比奥尼的说法：
“这是导致小行星表面多样性的谜题中的一个重要部分。小行星被认为是早期太阳系的遗迹，因此了解它们所经历的演化对于理解太阳系是如何形成和演化至关重要。既然我们知道了碳质小行星和 S 型小行星之间的这种根本区别，今后团队可以根据目标小行星的性质更好地准备样本采集任务。
正如论文中所指出的：“我们推断风化层在碳质小行星上并不常见，但这种小行星是数量最多的小行星类型。相比之下，这些地形在石质小行星上应该很常见，它们的岩石孔隙较少，且石质小行星是太阳系中仅次于碳质小行星的类型。”
图解：2005 年日本隼鸟号宇宙飞船看到的小行星糸川。虽然它的表面确实有岩石，但它没有较大的巨石，并且覆盖着细沙状的风化层。图源日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA)。
图解：正如 NASA 的 NEAR 航天器所见，爱神星是另一颗 S 型石质小行星，风化层细腻，几乎没有巨石。图源 NASA/JPL。
一个曾经拥有水和有机物的原始世界
本努是太阳系形成过程中遗留下来的古代遗迹。 OSIRIS-Rex 在其表面发现了水合矿物的证据。这说明很可能在本努的母体上曾经存在过水。 本努富含碳，所以它也被认为在其表面可能含有有机化合物，也就是生命的前身。
OSIRIS-Rex 现在正在返回地球的路上。样品返回舱及其珍贵的本努样品预计将于 2023 年 9 月 24 日降落。
重要说明：令科学家惊讶的是，OSIRIS-REx 宇宙飞船发现小行星本努被巨石覆盖，而不是预期的细沙状风化层。一项新的研究表明，这是因为本努上的岩石具有多孔结构。
