近期，中國科學(xué)院紫金山天文臺季江徽課題組基于空間和地基多波段紅外觀測數(shù)據(jù)及熱物理模型，揭示了主帶冰質(zhì)天體的表壤物理特性，對探索主帶天體的形成與演化過程具有重要的科學(xué)意義。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在The Astrophysical Journal上。

太陽系中大多數(shù)小行星分布在位于火星和木星之間的小行星帶（又稱為主帶），或蘊含了地球生命和水體起源的重要線索。此外，土星和海王星之間還分布著一定數(shù)量的半人馬天體，而在海王星軌道以外則存在著大量的柯伊伯帶天體。它們的組分中含有大量的水冰和固態(tài)甲烷等物質(zhì)。

小行星Interamnia是主帶中的第五大天體，質(zhì)量約占整個主帶小行星質(zhì)量總和的1.2%。天文學(xué)家通過直接成像法獲得Interamnia的直徑超過340千米（圖1），光譜型為B-type，其軌道半長徑3.056 au，偏心率0.155，傾角17.311°。有研究表明Interamnia平均密度約為1.98 g/cm3，與谷神星和健神星接近。這兩顆天體都含有大量水冰。然而，目前未觀測到該小行星有類似彗星的氣體或塵埃尾，表明它的表面可能存在一定厚度的塵埃層，能有效阻止地表以下的水冰快速揮發(fā)。然而，Interamnia光譜在0.38μm、0.44μm處的吸收線表明存在微弱的活動性。以下幾個科學(xué)問題有待解答，即該小行星的水冰含量、影響水冰揮發(fā)的關(guān)鍵物理參數(shù)。鑒于Interamnia重要的科學(xué)價值，可作為我國太陽系邊際探測任務(wù)的候選目標(biāo)之一。

研究利用地基Subaru紅外望遠(yuǎn)鏡開展了熱紅外觀測，同時融合國際空間紅外衛(wèi)星WISE/NEOWISE、IRAS、AKARI的數(shù)據(jù)分析了Interamnia的表壤物理特性。觀測數(shù)據(jù)的波長覆蓋了3.4μm~100μm，分析過程采用了小行星真實表壤熱物理模型。與傳統(tǒng)熱模型中采用熱慣量作為自由參數(shù)不同，該模型使用小行星的表壤顆粒尺寸作為自由參數(shù)，減少了溫度對自由參數(shù)的影響。

基于該熱物理模型，研究計算了Interamnia的理論輻射流量，擬合了上述紅外望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)，獲得了其表壤粒尺寸、反照率、直徑與粗糙度。此外，科研人員新改進(jìn)了WISE/NEOWISE紅外數(shù)據(jù)處理方法，對于含較多太陽反射光的W1和W2波段由觀測星等轉(zhuǎn)換為輻射流量時，對反射光部分和熱輻射部分，分別采用了不同類別的色指數(shù)修正，提高了觀測數(shù)據(jù)的可靠性。研究發(fā)現(xiàn)Interamnia的表壤粒尺寸較小，平均為190 μm（圖2），表明該天體表面存在細(xì)密的表壤，反照率為0.0472，同時，計算得到其有效直徑339 km，與前人利用直接成像法獲得的直徑相符合。研究人員進(jìn)而根據(jù)表壤粒尺寸大小，估算了其表面溫度及熱慣量的季節(jié)性變化（圖3），即在一個公轉(zhuǎn)周期內(nèi)，隨著溫度變化，Interamnia表面不同區(qū)域的熱慣量變化范圍為9~92 Jm-2s-1/2K-1。此外，基于該天體平均密度大小，研究估算了水冰的體積分?jǐn)?shù)為9%~66%（圖4）。該工作探討了主帶冰質(zhì)天體的表壤物理特性，深化了對含水冰小天體的認(rèn)知，為后續(xù)對太陽系小天體物理特性研究提供了幫助，并為我國未來的太陽系邊際探測任務(wù)提供了科學(xué)支撐。

20世紀(jì)70年代以來，先驅(qū)者10號、先驅(qū)者11號、旅行者1號、旅行者2號與新視野號相繼開展了外太陽系探測，拓展了人類對外太陽系的認(rèn)知。我國太陽系邊際探測任務(wù)擬開展對日球?qū)觿恿W(xué)結(jié)構(gòu)特性、近鄰空間環(huán)境以及外太陽系天體的研究，計劃發(fā)射探測器于2049年到達(dá)距離太陽100 au的位置。在飛往外太陽系旅途中，它可對主帶天體、冰巨星及其衛(wèi)星系統(tǒng)、半人馬天體、柯伊伯帶、矮行星等不同類型原始天體開展全面探測，揭示行星形成與太陽系演化歷史。

研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、國家自然科學(xué)基金等的支持。澳門科技大學(xué)、智利迭戈·波塔萊斯大學(xué)等的科研人員參與研究。

論文鏈接

圖1.VLT/SPHERE對Interamnia的直接成像觀測（Hanus et al.2020）

圖2.Interamnia不同粒徑尺寸的熱慣量隨溫度的變化情況

圖3.Interamnia在一個公轉(zhuǎn)周期內(nèi)季節(jié)性表面溫度變化

圖4.不同顆粒密度和孔隙率的水冰體積分?jǐn)?shù)估算