彗星的塵?；顒又饕蓳]發(fā)冰的升華驅(qū)動，太陽輻射加熱導致水冰等的升華，釋放出的氣體將塵埃顆粒帶離彗核，形成彗發(fā)和彗尾。歐空局的羅塞塔(Rosetta) 空間任務(wù)在2014至2016年間對彗星67P/Churyumov-Gerasimenko (67P) 進行了長達兩年多的伴飛探測。其上搭載的OSIRIS科學相機系統(tǒng)獲得的觀測數(shù)據(jù)構(gòu)成了迄今為止最完善的彗核活動圖像數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)顯示，除常規(guī)的水冰周日循環(huán)產(chǎn)生的穩(wěn)定彗發(fā)和近日點前后的爆發(fā)式塵埃噴發(fā)外，67P上還存在大量新形態(tài)的活動現(xiàn)象，其中就包括分米級以上巨石(boulder)的活動，利用傳統(tǒng)彗星活動模型難以對此類活動的機制進行直接解釋。

上海天文臺太陽系小天體探測與研究團組針對彗星的巨石活動展開了系統(tǒng)研究，并在分米級石塊的集群拋射現(xiàn)象及三十米級巨石的表面遷移現(xiàn)象的研究中取得進展。通過將圖像數(shù)據(jù)與高分辨率地形模型、熱物理模型相結(jié)合，研究團隊探討了這些活動現(xiàn)象背后的復雜機制，為進一步了解彗星的演化和彗核物理特性提供了新視角。

進展一：分米級石塊的集群拋射現(xiàn)象研究

在67P逐漸遠離太陽的階段，OSIRIS相機捕捉到了彗核鄰近區(qū)域內(nèi)分米級石塊的集群拋射現(xiàn)象。進一步的數(shù)據(jù)挖掘顯示，該類活動以彗星自轉(zhuǎn)為周期反復發(fā)生，因此很可能與水冰升華具有相關(guān)性。然而，該現(xiàn)象在67P距離太陽3個天文單位(au)以上時依然存在，而水冰在該距離上的活動通常已較為微弱。為研究此類活動的可能機制，團隊首先分析了不同觀測角度下石塊的二維軌跡，發(fā)現(xiàn)它們可追溯到彗核表面的同一源區(qū)。該區(qū)域為67P的高活躍性區(qū)域之一，且表面散落大量分米到米級的巨石 (圖1)。

圖1. 彗星67P石塊集群拋射與來源區(qū) a) OSIRIS數(shù)據(jù)顯示的某一次石塊集群拋射現(xiàn)象，圖中成簇的短亮線段即為分米級至米級石塊的軌跡。紅色線為仿真得到的某一石塊的可能運動路徑，黃色線為太陽方向。前景是該觀測時刻67P彗核的仿真圖像，彗核上的彩色渲染為石塊可能的發(fā)射位置，交匯區(qū)域 (紅色)為最有可能的共同來源區(qū)。b) 石塊源區(qū)的高分辨率圖像，黃色和紅色線分別對應(yīng)(a)中太陽方向和石塊軌跡的投影。c) 和d) 更高分辨率的源區(qū)圖像 ，顯示該區(qū)域分布著大量分米到米級的石塊。

研究團隊進一步仿真了一個分米級橢球形石塊在該區(qū)域真實環(huán)境中的周日熱物理過程，發(fā)現(xiàn)在觀測時間段內(nèi)，該區(qū)域的表面石塊接受的光照存在不對稱性。石塊面向太陽一側(cè)的光照積累比另一側(cè)高出幾倍，導致單側(cè)溫度迅速升高、水汽壓力增加，并可能最終觸發(fā)其拋射(圖2)。
圖2. 仿真結(jié)果顯示，分米級橢球形石塊的周日水冰升華產(chǎn)生的氣體拖曳力在彗星當?shù)貢r間上午8點左右足以克服重力，且該時間與根據(jù)觀測推算的石塊拋射時間分布 (柱狀圖) 基本一致。不同深度的藍色對應(yīng)假設(shè)不同水冰含量的模型結(jié)果。右下角為該仿真場景的三維圖像，色彩代表水汽壓力。

然而，仿真結(jié)果也顯示，僅依賴水冰升華的氣體壓力并不足以支撐分米級以上石塊獲得所觀測的初速度，因此，觸發(fā)巨石拋射的很可能是包括干冰升華在內(nèi)的多種揮發(fā)冰活動的共同作用，值得進一步研究。

進展二：三十米級巨石的遷移機制研究

67P彗星過近日點時，米級甚至幾十米大小的巨石在彗星表面發(fā)生遷移，帶來顯著的局部地質(zhì)變化。其中最著名的事件是Khonsu地區(qū)一直徑30米的巨石向北遷移了約140米。OSIRIS于2015年5月和2016年2月分別獲得的兩張圖像的對比揭示了該事件(圖3)。然而，由于期間缺乏該區(qū)域足夠高分辨率的圖像數(shù)據(jù)，對這一事件成因的研究主要停留在定性階段。

圖3. 67P Khonsu地區(qū)直徑30米的巨石在近日點前后的長距離遷移。左：OSIRIS 于2015年5月獲得的觀測，紅色箭頭指示的是移動前的巨石；右：OSIRIS于2016年2月獲得的觀測，顯示了同一區(qū)域在幾乎相同的觀測幾何下的影像?？梢钥吹骄奘严虮卑l(fā)生了約140米的遷移，紅色空心叉號顯示巨石的本來位置。

研究團隊在詳細梳理了覆蓋Khonsu區(qū)域的所有圖像數(shù)據(jù)后，成功發(fā)現(xiàn)這一事件發(fā)生于2015年10月13日，且遷移在14個小時內(nèi)完成，這說明巨石遷移為突發(fā)活動，而非漸進式演變?；诟鼫蚀_的觸發(fā)時間，團隊進一步分析了巨石及其周邊區(qū)域的熱力學歷史。發(fā)現(xiàn)巨石南北兩側(cè)的熱量積累在彗星軌道周期的時間尺度上存在不對稱性，可能導致?lián)]發(fā)冰的不平衡噴發(fā)，并產(chǎn)生向北面斜坡下方的凈推力(圖4)。據(jù)此，本工作在過往研究所提出的爆發(fā)活動推動巨石、地質(zhì)變化擾動巨石和彗核震動觸發(fā)巨石等假說之外，提出了巨石活動的新機制，即石塊內(nèi)部的不對稱熱力學活動產(chǎn)生的揮發(fā)冰爆發(fā)導致了“火箭效應(yīng)”，并觸發(fā)了其長距離移動。同時，研究團隊還獲得了與巨石遷移相關(guān)的區(qū)域活動和變化的詳細時間線，發(fā)現(xiàn)了事件發(fā)生時和發(fā)生后巨石附近存在頻繁的塵埃夜間噴發(fā)活動，這可能與巨石移位導致的富冰表面暴露有關(guān)。

圖4. 巨石南北兩側(cè)的不對稱熱力學歷史。a) 巨石及其周邊在遷移前五個月內(nèi)累積接受的輻射熱量的分布；b) 同一時間段內(nèi)持續(xù)光照時間的分布(以自轉(zhuǎn)圈數(shù)為單位)；c) & d) 位于巨石南北兩側(cè)的代表點(對應(yīng)a中的Facet S和Facet N）下不同深度的溫度隨67P軌道位置的變化，灰色垂直線對應(yīng)遷移事件發(fā)生時刻。

論文信息

進展一：2024年發(fā)表于天文學期刊ApJL，第一作者和通訊作者為中國科學院上海天文臺研究員史弦。

Shi, X.,? Hu, H., Agarwal, J.,? Güttler, C.,? Rose, M.,? Keller, H.U.,? Fulle, F., Deller, J., and? Sierks, H., 2024, Diurnal Ejection of Boulder Clusters on Comet 67P Lasting beyond 3 au, The Astrophysical Journal Letters, 961(1):L16, doi: 10.3847/2041-8213/ad18d9。

進展二：2025年發(fā)表于天文學期刊ApJ，第一作者和通訊作者分別為中國科學院上海天文臺在讀研究生唐相和研究員史弦 。

Tang,?X., Shi X., and? El-Maarry, M. R. 2025, Boulder Migration in the Khonsu Region of Comet 67P/Churyumov–Gerasimenko, The Astrophysical Journal, 979(1):91, doi: 10.3847/1538-4357/ad9825

科學聯(lián)系人：史弦，shi@shao.ac.cn