日本东京工业大学理学院地球行星科学系博士三年级的荒川创太与该校地球生命研究所的特别研究员兵头龙树、副教授玄田英典通过共同研究发现，“海王星外天体”（指太阳系中所在位置或运行轨道超出海王星轨道的天体）中直径在1,000km以上的天体的卫星很可能是在太阳系形成初期两个熔融天体的碰撞形成的。
另外，研究结果还显示，构成卫星系统的天体如果在卫星形成初期发生熔融，则观测到的自转和公转周期以及离心率可以通过潮汐引起的轨道进化来解释。这些结果表明，太阳系外围也在非常早的时期就形成了大型天体。这一发现对明确太阳系的行星形成机制来说至关重要。相关研究论文已发表在6月25日发行的英国国际学术期刊《自然-天文学》（Nature Astronomy）上。
研究背景
了解太阳系小天体的形成时期和形成机制对于解开地球及其他行星的诞生之谜至关重要。近年来发现，在海王星外天体中，直径超过1,000km的天体全都拥有大型卫星（图1）。
图1：目前发现的直径在1,000km以上的海王星外天体及其卫星（供图：NASA/APL/SwRI/ESA/STScI）。据估算，这些卫星的质量约为其中心天体的1/10到1/1000。
通过以往的研究人们已经知道，这些天体的卫星的质量达到其中心天体的1/10到1/1000（月球的质量为地球的1/80），卫星的离心率还不到0.1，几乎是圆形轨道。但一直不太清楚这些卫星究竟是如何形成的。关于目前发现的海王星外最大的天体冥王星及其最大的卫星冥卫一，主流观点认为其与地球卫星——月球一样，是通过天体的大碰撞形成的。因此，研究小组认为，通过调查天体大碰撞是否还能形成冥王星和冥卫一这一卫星系统以外的天体，就能综合了解海王星外的卫星的形成。
研究成果
研究小组首先通过数值模拟调查了天体大碰撞是否会形成多种卫星（图2）。通过对不同的碰撞速度、碰撞角度、碰撞前两个天体的分化状态和组成，以及质量比等进行参数模拟发现，发生碰撞速度低至与逃逸速度约为同等水平、且碰撞角度约为45度以上的擦碰时会形成卫星。另外，这个结果还表明，卫星的形成与天体是否分化及其组成、质量等条件无关。另一方面，观测发现，根据碰撞速度和碰撞角度的不同，所形成的卫星的质量也不一样，这就可以解释为什么实际观测到的中心天体与其卫星的质量比各不相同（1/10到1/1000）。
图2：（上）通过天体大碰撞形成卫星的数值模拟结果示例。碰撞速度约为1km/秒，碰撞角度为75度。（下）卫星形成之后由潮汐引起的轨道进化的概念图。
此外，研究小组围绕发生天体大碰撞后形成的卫星，计算了潮汐引起的轨道进化，并调查了在什么情况下可以解释现在的卫星与中心天体的自转和公转周期及离心率（图2、图3）。此次在研究中导入了潮汐的大小会随着天体的熔融状态而变化的条件，并考虑了碰撞后经过一定的时间，熔融的天体会冷却并凝固这一过程。计算结果显示，如果构成卫星系统的两个天体在形成卫星后立即凝固，则离心率会增加，无法解释观测结果。但如果卫星系统的天体仅在卫星形成后数万年至数百万年期间为熔融状态，就可以同时解释自转和公转周期及离心率。
图3：潮汐引起的轨道进化的计算结果。初期条件采用了模拟大碰撞的计算结果。通过45亿年的轨道进化，构成卫星系统的2个天体在形成卫星后始终凝固（左）以及在形成卫星后1,000年间为熔融状态（中央）时，离心率增大，无法解释观测结果。而卫星天体在形成卫星后100万年间为熔融状态时（右），离心率减小，可以解释观测结果。
对天体大碰撞和潮汐引起的加热量进行估算发现，直径为1,000km的海王星外天体如果在卫星形成后为熔融状态，那么它在发生天体大碰撞以前应该就是熔融状态。另外，这种尺寸的天体要呈熔融态，必须在太阳系最初的数百万年内形成。另外，本次研究得出的假设——天体大碰撞发生在太阳系初期数百万年左右，与通过此次的数值模拟获得的结果——形成卫星的天体大碰撞的碰撞速度较小是一致的。由此可以推断，海王星外普遍存在离心率较小的卫星表明，比海王星更远的太空也在太阳系初期形成了直径为1,000km的天体，而且这些巨大天体在熔融状态下碰撞形成了卫星。
（日文新闻发布全文）
文：JST客观日本编辑部翻译整理
