我們知道，太陽系內(nèi)除了八大行星之外，還到處游蕩著個(gè)頭在米級(jí)到百公里級(jí)的小行星和彗星，我們統(tǒng)稱它們?yōu)樘栂敌√祗w。截止到目前，已發(fā)現(xiàn)的太陽系小天體已接近120萬顆（絕大部分沒有觀測(cè)到活動(dòng)性，屬于小行星），且數(shù)量仍然在逐年增加。

目前已發(fā)現(xiàn)的內(nèi)太陽系小行星的軌道位置分布 | 圖源：作者

絕大部分的小行星位于火星和木星之間的小行星帶內(nèi)，稱為主帶小行星。一般來說，這些可愛的小行星們會(huì)在自己的繞日橢圓軌道上安全運(yùn)行，各自相安無事，但總存在一定的概率發(fā)生相互碰撞，并產(chǎn)生軌道各異的大量碎片。此外，在大行星的引力擾動(dòng)以及復(fù)雜的熱物理效應(yīng)作用下，小行星的軌道可能發(fā)生遷移，甚至遷移到近地空間。天文學(xué)家把近日距小于1.3 au（au為天文單位，即日地平均距離）的小行星歸類為近地小行星。

相比于主帶小行星，近地小行星恐怕就沒那么可愛了，因?yàn)樗鼈兊能壍涝谘莼^程中會(huì)發(fā)生更為劇烈而頻繁的改變，甚至與地球軌道相交而存在撞擊地球的風(fēng)險(xiǎn)（其中直徑在140米以上且與地球最小交會(huì)距離在0.05 au以內(nèi)的稱為潛在威脅近地小行星，目前已發(fā)現(xiàn)2275顆）。因此，各國天文學(xué)家對(duì)近地小行星十分關(guān)注。

目前已發(fā)現(xiàn)的潛在威脅近地小行星軌道分布 | 圖源：作者

最近的2022年3月11日，一顆編號(hào)為2022 EB5的近地小行星在墜入地球大氣前兩個(gè)小時(shí)才被觀測(cè)到，還好這顆小行星只有1米左右大小，進(jìn)入大氣后就燒毀了，讓我們虛驚一場(chǎng)。

2022 EB5撞擊地球前的軌道（為更好地體現(xiàn)三維效果，畫出了小行星軌道往黃道面上的垂線）| 圖源：astorb.com

正因?yàn)榻匦⌒行菍?duì)地球能夠造成潛在的安全威脅，因此對(duì)它們的軌道進(jìn)行精確測(cè)定與預(yù)報(bào)是一個(gè)重要的研究課題，不過這方面的內(nèi)容不是本文的主題，本文主要想帶領(lǐng)一些感興趣的讀者來了解一下近地小行星的軌道構(gòu)型，特別是一些比較奇怪有趣的案例。

事實(shí)上，天文學(xué)家們已經(jīng)根據(jù)近地小行星的橢圓軌道半長軸，近日距和遠(yuǎn)日距將其分為四類：阿莫爾型、阿登型、阿波羅型和阿蒂娜型。這里我們不對(duì)這些分類作展開，感興趣的讀者百度一下就能了解到它們的區(qū)別。本文主要關(guān)注一些有趣的、具有極端軌道特征或特殊軌道幾何構(gòu)型的近地小行星。

2017 UR52——三項(xiàng)記錄保持者：軌道最扁，周期最長，遠(yuǎn)日距最大

首先，讓我們祭出一顆打破了三項(xiàng)“世界記錄”的近地小行星2017 UR52，該小行星直徑大約200米，由卡特琳娜巡天計(jì)劃所屬的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)于2017年10月29日，發(fā)現(xiàn)時(shí)該小行星已接近到達(dá)近日點(diǎn)，日心速度達(dá)37公里每秒。2017 UR52的軌道周期超過5000年，是目前發(fā)現(xiàn)的軌道周期最長（意味著半長徑最大）的近地小行星；此外，該小行星的偏心率達(dá)到0.9957，是目前發(fā)現(xiàn)的軌道最扁的近地小行星；最后，綜合其最大的半長徑以及最大的偏心率，可推斷出它也是目前發(fā)現(xiàn)的遠(yuǎn)日距最大的近地小行星，達(dá)到了584 au，是海王星平均軌道半徑的19倍。事實(shí)上，2017 UR52的軌道類型與長周期彗星比較類似，不過由于在抵達(dá)近日點(diǎn)附近時(shí)未發(fā)現(xiàn)它存在活動(dòng)性，因此沒有被歸類為彗星。

近地小行星2017 UR52的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

2005 HC4——兩項(xiàng)記錄保持者：近日距最小、跑得最快

2005 HC4是一顆由洛威爾天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)于2005年4月30日的近地小行星，直徑約為250米。該小行星的偏心率也很大，達(dá)到0.961，近日距則達(dá)到0.071 au，是目前發(fā)現(xiàn)的近日距最小的近地小行星，是水星與太陽距離的0.23倍（想象一下到近日點(diǎn)時(shí)那得多熱）?？紤]到其半長徑為1.821 au，可以計(jì)算出它在近日點(diǎn)時(shí)的速度達(dá)157公里每秒，是目前已發(fā)現(xiàn)的日心軌道瞬時(shí)速度最快的近地小行星。

近地小行星2005 HC4的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

2021 PH27——軌道周期最短

與2017 UR52恰恰相反，于2021年8月13日發(fā)現(xiàn)的近地小行星2021 PH27（直徑約為1公里）則具有最短的軌道周期，其半長徑為0.462 au，偏心率為0.712，軌道周期僅為0.314年。該小行星完全位于地球軌道以內(nèi)，因此也被稱為地內(nèi)小行星。然而，從地球觀測(cè)者來看，由于該小行星與太陽的相對(duì)夾角較小，因此觀測(cè)機(jī)會(huì)比較少，一般只有在該小行星到達(dá)遠(yuǎn)日點(diǎn)附近且地球也恰好位于適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)，才能在接近黎明或黃昏的時(shí)候觀測(cè)到它。

近地小行星2021 PH27的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

“風(fēng)雨逆行者”——逆行近地小行星

我們知道，太陽系內(nèi)的大行星大部分軌道傾角接近于0°，以“順行”的方式繞日公轉(zhuǎn)，該現(xiàn)象與太陽系早期形成時(shí)大部分物質(zhì)集中在原行星盤內(nèi)有關(guān)。大部分的近地小行星也是“順行”公轉(zhuǎn)的（軌道傾角小于90°），不過仍然有小部分近地小行星在復(fù)雜的機(jī)制下出現(xiàn)大于90°的軌道傾角，稱為“逆行”近地小行星。目前已知的此類近地小行星有五顆：2014 PP69（傾角93.7°），2017 UR52（傾角108.3°），2019 EJ3（傾角139.8°），(343158) Marsyas（傾角154.4°）和2020 BZ12（傾角165.5°）。

有研究表明小行星與木星的3:1軌道共振（即木星與小行星的軌道周期之比為3:1）有可能是產(chǎn)生此類小行星的原因，也有學(xué)者認(rèn)為逆行近地小行星與高偏心率彗星的軌道演化有關(guān)。事實(shí)上，除了近地小行星之外，太陽系內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的其他類型的逆行小行星總數(shù)已達(dá)122顆，這些“逆行者”讓天體力學(xué)領(lǐng)域的研究者十分感興趣，對(duì)它們軌道的起源與遷移機(jī)制，軌道壽命，分布特征等開展了多方面的研究。

近地小行星2020 BZ12的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

“內(nèi)切”/“外切”型近地小行星

接下來我們來考慮兩種軌道幾何上有點(diǎn)特殊的近地小行星：“內(nèi)切”和“外切”型近地小行星。這里的“內(nèi)切”或“外切”是相對(duì)于地球軌道而言的，即小行星軌道遠(yuǎn)日點(diǎn)或近日點(diǎn)與地球軌道相切（遠(yuǎn)日距或近日距在0.983~1.017 au之間）。比如(325102) 2008 EY5與(100085) 1992 UY4分別屬于前者和后者一類。雖然在軌道幾何上看似很“漂亮”，但它們對(duì)地球安全是不折不扣的潛在威脅者?？紤]偏心率大于0.2的情況，則目前已發(fā)現(xiàn)的“外切”型近地小行星的數(shù)量已達(dá)2319顆，而“內(nèi)切”型的數(shù)量只有66顆，前者是后者的35倍。這么懸殊的數(shù)量差距與它們的真實(shí)數(shù)量分布有關(guān)，但也可能與觀測(cè)上的“選擇效應(yīng)”有關(guān)。

近地小行星(325102) 2008 EY5的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

近地小行星1992 UY4的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

2016 HO3——地球“準(zhǔn)衛(wèi)星”

如果某顆近地小行星的軌道周期與地球非常接近，即形成1:1軌道共振，就被稱為地球共軌小行星。由于地球軌道存在一定的偏心率，因此其繞日運(yùn)動(dòng)角速度并不恒定；而考慮到小行星軌道也往往存在一定的偏心率，這最終導(dǎo)致在日地旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下看來該小行星相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)可能出現(xiàn)循環(huán)往復(fù)的現(xiàn)象。而若該循環(huán)往復(fù)的中心位置恰好在地球附近（若中心位置位于地球軌道前后60度附近的日地三角平動(dòng)點(diǎn)上，則該小行星被稱為地球“特洛伊”小行星），則從地球視角看來該小行星是“繞著”地球轉(zhuǎn)的。此類小天體被稱為地球“準(zhǔn)衛(wèi)星”型近地小行星，這是由于此現(xiàn)象主要是一種軌道幾何上的效應(yīng)，其實(shí)際地心距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球引力范圍，因此并非像月球那樣真的是在地球引力主導(dǎo)下作圍繞地球的軌道運(yùn)動(dòng)。

目前地球“準(zhǔn)衛(wèi)星”小行星已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了五顆，最有名的當(dāng)屬直徑大約為40米的(469219) Kamo?oalewa（或稱為2016 HO3），該小行星是我國未來深空探測(cè)的目標(biāo)，按計(jì)劃將會(huì)在該小行星上著陸并采集研究樣品帶回地球。2016 HO3是目前已發(fā)現(xiàn)的五顆準(zhǔn)衛(wèi)星中軌道穩(wěn)定性最好的，預(yù)計(jì)在未來300年仍然能保持為“準(zhǔn)衛(wèi)星”狀態(tài)，且在未來1百萬年仍然與地球共軌。

圖 近地小行星2016 HO3未來100年的軌道在日地旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的示意圖 | 圖源：astorb.com

2020 CD3——“迷你月亮”

如果某顆近地小行星以相對(duì)較低的速度闖入地月系，其有可能被地月系捕獲而成為地球的一顆天然衛(wèi)星。不過由于被捕獲后的小行星軌道能量依然比較大，一般來說會(huì)隨著時(shí)間演化最終逃離地月系引力的束縛，因此，此類小行星只能算是地球的臨時(shí)衛(wèi)星。

由卡特琳娜巡天計(jì)劃于2020年2月15日發(fā)現(xiàn)的2020 CD3即屬于此類近地小行星（據(jù)估計(jì)該小行星直徑僅約為3米）。通過對(duì)其軌道溯源計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該小行星大概是在2017年9月左右被地月系引力所捕獲的，然后在復(fù)雜的引力環(huán)境下繞著地球做軌道運(yùn)動(dòng)，并在2020年5月離開地月系。該小行星發(fā)現(xiàn)后引起公眾極大的興趣，一度被稱為地球的“迷你月亮”。

2020 CD3（紫色）被地球（藍(lán)點(diǎn)）俘獲后的軌道運(yùn)動(dòng)，黃色表示月球軌道。 | 圖源：wikipedia

2010 TK7與2020 XL5——地球特洛伊小行星

在地球軌道面上，與地球共軌且位于地球前后60°夾角的位置稱為日-地三角平動(dòng)點(diǎn)（或稱為日-地拉格朗日L4、L5點(diǎn)）。若某顆小行星在日-地三角平動(dòng)點(diǎn)附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣的小行星被稱為地球特洛伊小行星。相比于日-木三角平動(dòng)點(diǎn)，日-地三角平動(dòng)點(diǎn)的穩(wěn)定性較差，因此一般來說小行星難以在此停留較長時(shí)間。人們一度以為地球不存在類似木星的特洛伊小行星，直到2010年10月美國的WISE空間望遠(yuǎn)鏡在L4點(diǎn)附近首次發(fā)現(xiàn)了一顆地球特洛伊小行星——300米左右大小的2010 TK7。研究表明，2010 TK7可能是約1800年前被“俘獲”到地球L4點(diǎn)附近的，而在15000年后可能遷移到L5點(diǎn)附近，也可能“逃逸”不再成為地球特洛伊小行星。

五個(gè)日-地拉格朗日點(diǎn)示意圖，L4和L5點(diǎn)分別位于地球前、后60°角位置。 | 圖源：wikipedia

地球特洛伊小行星的搜尋并未停止，2017年美國的OSIRIS-REx和日本的Hayabusa 2小行星探測(cè)器在飛行過程中對(duì)地球的L4、L5區(qū)域進(jìn)行了搜尋，不過遺憾的是一無所獲。可喜的是十年后的2020年12月12日，美國的泛星計(jì)劃發(fā)現(xiàn)了第二顆日-地L4小行星：2020 XL5，這顆小行星的直徑更大，達(dá)到了1.2公里。軌道計(jì)算表明該小行星大概在500年前被“俘獲”為地球特洛伊小行星，而在4000年后將離開目前的軌道。

相比于其他類型的近地小行星，這兩顆地球特洛伊小行星對(duì)地球的安全威脅要小得多，最起碼幾千年內(nèi)不用擔(dān)心它們會(huì)撞上地球。不過在科學(xué)上此類小行星受關(guān)注程度則相當(dāng)高，這是由于它們獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性有助于為我們提供對(duì)太陽系早期形成歷史的關(guān)鍵線索。此外，有學(xué)者還注意到，由于低傾角的地球特洛伊小行星可到達(dá)性很好，它們可以成為探索太陽系的太空基地，甚至可能作為太空資源開發(fā)的對(duì)象。

在日地旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下2010 TK7小行星的軌道 | 圖源：wikipedia

綜上，我們注意到，近地小行星的軌道確實(shí)千奇百怪，對(duì)它們的軌道特性、軌道起源和演化的研究有助于我們更好地理解太陽系形成過程中的動(dòng)力學(xué)環(huán)境，也有助于人類研究如何防御威脅地球安全的近地小行星。

參考資料：

1. https://www.minorplanetcenter.net/

2. https://academic.oup.com/mnras/article/462/4/ 3441/2589984

3. http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/ 31429/1/95-1108.pdf

4. https://academic.oup.com/mnras/article/446/2/ 1867/2893013

5. https://central.bac-lac.gc.ca/.item?id=TC-BVAU-37251&op=pdf&app=Library&oclc_number=1033018583

6. https://astronomical.fandom.com/wiki/2020_CD3

7. http://www.astorb.com

作者簡(jiǎn)介

胡壽村

中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)行星科學(xué)與深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室副研究員。研究領(lǐng)域:太陽系小天體動(dòng)力學(xué)與形成演化。

輪值主編：王英

標(biāo)簽： 近地小行星 特洛伊小行星 軌道周期