天文学研究揭示太阳系中存在大量 45 亿年前形成的宇宙雪人

最近的研究表明，太阳系中有大量形状类似于雪人的物体，由两个光滑连接在一起的块组成。这些天体主要位于海王星轨道之外的柯伊伯带，是在大约 45 亿年前该系统最初形成时出现的。这一发现基于计算机模拟和太空探测器的观测，有助于了解冰和岩石颗粒如何聚集形成行星和卫星。

研究最多的例子是新视野号探测器于 2019 年访问的 Arrokoth 天体，它显示出两个相连的波瓣，没有剧烈碰撞的迹象。这种模式表明，缓慢的合并在早期太阳系中很常见，保留了充当宇宙化石的原始结构。天文学家估计柯伊伯带中 10% 到 25% 的星子可能具有这种结构。

在专业期刊（例如《皇家天文学会月刊》）上发表的研究使用数学模型来模拟聚合过程。这些模拟表明，较小的颗粒以低速碰撞，形成双块而不是均匀的球体。对太空任务数据的分析证实，这些物体是年轻太阳周围原行星云的直接残余物。

• 像 Arrokoth 这样的天体长度约为 35 公里，并保持着富含水冰和甲烷的成分。
• 观测到的彗星，包括 2014 年由罗塞塔航天器探索的 67P/Churyumov-Gerasimenko，都表现出类似的形状，裂片由狭窄的“颈部”连接起来。
• 火星和木星之间主带中的小行星也显示出双重变化，尽管由于更强烈的引力相互作用而保存较少。
• 这些物体提供了原始有机化学的数据，可能与地球生命的起源有关。

双物体的初始形成

原行星盘中的粒子聚集发生在低密度环境中，其中相对速度允许平滑的结合而不是破坏性的撞击。计算模型表明，在远离太阳的区域，这一过程导致了接触双星的产生，其中两个组成部分在数百万年的时间内合并。这种动态解释了为什么柯伊伯带中的物体保持细长而不是球形的形状。

望远镜观测证实这些天体的旋转是稳定的，其轴对齐表明了逐渐的演化。研究人员利用地面雷达的数据来绘制表面地图，揭示出最小的陨石坑和波瓣之间的均匀成分。

海王星之外观察到的例子

Arrokoth 代表了这些宇宙玩偶的原型，其最大的波瓣长 21 公里，最小的波瓣长 15 公里，由一个仅几公里的连接点连接。新视野号探测器捕获的高分辨率图像显示出红色表面，这是由宇宙辐射照射的有机分子造成的。这种颜色表明长期暴露在空旷的空间中，自形成以来没有受到明显的干扰。

其他候选天体包括 2014 MU69 等天体，最初被误认为是球体，但在光谱分析后被重新分类。像哈勃这样的望远镜已经识别出数十个潜在的双星，其形状从花生到哑铃不等，具体取决于最初的合并角度。

来自内太阳系的访问彗星，例如 1997 年观测到的海尔-波普彗星，在探测图像中显示出双核。这些结构表明这种现象不仅限于柯伊伯带，还延伸到更远的奥尔特云等区域。

对行星演化的影响

这些双物体的大量存在改变了对行星吸积的理解，表明早期的构建块比以前的模型假设的更复杂。模拟表明，温和的合并保留了氨和二氧化碳等挥发性物质，这些物质对于更大世界的大气层形成至关重要。这种保存提供了有关原行星盘中化学元素分布的线索。

詹姆斯·韦伯望远镜观察到，对系外行星的比较调查揭示了年轻恒星系统中的类似模式。红外数据显示原行星盘具有双星团，这强化了该过程的普遍性。天文学家利用这些见解来预测外部区域轨道的稳定性，木星等巨型行星的扰动会影响轨道。

数学模型预测，这些物体之间的未来碰撞可能会产生新的彗星，并通过引力相互作用发送到太阳系内部。这种动态解释了观测到的数十年周期的彗星活动爆发。

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对任务返回的样本（例如来自小行星贝努的奥西里斯-雷克斯）的化学分析显示出与遥远双星的成分相似。这些相似之处表明有机物质分布广泛，可能导致宜居行星上的有生源论。

慢融合机制

在早期太阳系中，气体和尘埃盘围绕原恒星太阳旋转，粒子在外部区域以每秒不到 1 米的速度碰撞。这种缓慢的速度使得星团能够在不分裂的情况下聚集在一起，在数十万年的时间里形成双叶结构。流体动力学模拟表明，局部湍流加速了这一过程，将材料集中成致密带。

初始块之间的相互重力等因素保证了轨道对齐，防止随后的分离。对其他带（例如小行星带）中双星系统的观测证实，类似的合并发生在离太阳更近的地方，尽管由于恒星接近而速度略高。

彗星和小行星的发现

欧洲航天局罗塞塔任务研究的 67P 等彗星的核心有两个大小不等的裂片，总长度约为 4 公里。船上的仪器检测到气体排放，表明自形成以来保留了内部层，其氢同位素与柯伊伯带的起源一致。这种构图强化了宇宙玩偶是原始物质的运输者的想法。

双星小行星，例如 2022 年 DART 任务探索的 Didymos，尽管受到加速旋转的 YORP 效应的影响，但显示出由类似过程形成的双重构型。冲击数据显示密度低，这是典型的通过弱重力结合在一起的多孔骨料。

在柯伊伯带，像 Ultima Thule（更名为 Arrokoth）这样的天体为比较提供了基准。光谱分析识别出表面上的冻结甲烷，各瓣之间的变化极小，表明早期熔化。

计算机模拟的进展

随着超级计算机的使用，数值模型不断发展，在原行星盘的真实场景中模拟了数十亿个粒子。这些计算结合了空气动力阻力和静电相互作用等力，解释了为什么双合并在距离大于 30 个天文单位的情况下占主导地位。最近发布的结果调整了碰撞率，预测多达 30% 的剩余物体保持双叶形状。

观测数据的整合完善了这些模型，智利甚大望远镜等地面望远镜捕捉到了遥远双星的日食。这些测量证实了与缓慢合并起源相一致的质量和密度，没有灾难性事件的证据。

现代望远镜观测

哈勃和詹姆斯·韦伯等太空望远镜通过恒星掩星（物体在遥远恒星前面经过）来探测宇宙娃娃候选者。这些事件揭示了细长的轮廓，在过去五年中已确认检测到 50 多次。统计分析表明柯伊伯带分布均匀，大小从10公里到100公里不等。

红外仪器绘制表面温度图，显示出证实逐渐形成模型的梯度。国际合作编制目录，促进对未来任务的预测。