前沿速報||彗星67P：毀滅中的新生
以彗星67P/楚留莫夫（67P/Churyumov–Gerasimenko）為代表的一些彗星有著很特殊的形態：兩端粗，中間細，因此被稱為啞鈴型或者雙葉型（bilobate）結構。這類彗星是如何形成的，多年以來一直是科學家們爭議的話題。近日，法國尼斯天文台的Schwartz及其同事們的最新計算機模擬結果表明：彗星67P可能是毀滅性大撞擊之後的碎片重組而成的，與之相似的其他啞鈴型彗星甚至細長形彗星也可能產生於這樣的過程。這一成果發表於2018年3月6日的《自然·天文》雜誌：Catastrophic disruptions as the origin of bilobate comets。
彗星67P：我是一顆啞鈴，也是兩顆「洋蔥」
2014年8月6日，歐空局發射的羅塞塔號探測器攜帶菲萊號著陸器一起，歷時十年終於成功抵達彗星67P/楚留莫夫並開始了長達2年的觀測。2016年9月30日，羅塞塔號按計劃墜毀在彗星67P/楚留莫夫表面的Maat區域。
羅塞塔號、菲萊號和彗星67P。來源：Rosetta at Comet (landscape)
在這兩年的觀測期間內，羅塞塔號跟隨彗星67P一同飛向近日點，持續跟蹤了彗星隨著距離太陽距離的變化從沉寂到活躍的種種變化，第一次近距離了解了彗星67P的地形、成分、磁場等方方面面的信息，也為人類探索太陽系內的有機分子提供了新的線索。
其中一項重要的成果，就是基本確定了彗星67P兩端粗中間細的啞鈴型結構的成因：彗星67P原先並不是一個整體，而是由兩個已經成型、具有洋蔥一樣的豐富層狀結構、成分和表面特徵相似的千米級彗核，以非常小的相對速度緩慢相碰撞並融合在一起形成的。
彗星67P：前生的500萬次回眸，才換來今生的撞，在，一，起？
緣分說和大撞擊說
但問題來了，這種相遇和結合，到底是什麼引起的？科學家們對此依然充滿爭議。
一種觀點認為，兩顆形成於太陽系相似的環境中的原始彗核碰巧相遇了，因為相對速度不大，兩顆彗核緩緩相撞並由於引力作用最終結合在了一起形成今天的彗星67P（所以我們姑且管著叫「緣分說」吧）。但由於這一過程只可能發生在太陽系形成早期（最開始的1000萬年量級內），所以如果這一假說是真的，這將表明彗星67P非常古老，在太陽系早期就已經完成了合併。
這一假說的局限性是顯而易見的：真的就有這麼巧？倆雙胞胎剛好又撞在一起了，沒有早一點，沒有晚一點，沒有快一點，也沒有慢一點？當然，倖存者偏差可以部分解釋這種「巧合」，如果不是這麼巧，兩顆差不多大的彗核要麼就永遠無法相遇，要麼就迎頭猛撞然後粉身碎骨，總之我們今天能看到的，都是倖存下來的……似乎也沒毛病……
但也有一部分科學家是不相信這種巧合的，於是就有了另一種假說：災難性撞擊說。
在茫茫宇宙這麼長的時間尺度下，大大小小天體之間的猛烈撞擊是很常見的，月球上密集的隕石坑就是最好的證明，1994年舉世矚目的彗木相撞更是讓無數人直觀感受到了天體之間的撞擊。只不過，大小差異太過懸殊的情況下，自然是大天體巋然不動，小天體屍骨無存。
那如果是大小差不多（量級上可比）的天體呢？如果速度還很快呢？這樣的撞擊就可能是毀滅性的，大天體也不能倖免，也會被撞得粉碎。災難性撞擊說就是基於這種撞擊事件的進一步猜想：一顆被毀滅性大撞擊完全擊碎的大天體的千百萬塊碎片中，一部分碎片又重新聚集和吸積，兩塊較大的碎片結合成了如今的彗星67P。這樣的撞擊事件在整個太陽系的各個階段都在不斷發生，並不是太陽系早期獨有的，所以如果這個假說是真的，那麼雖然彗星67P的兩個「啞鈴頭」依然保留著太陽系最古老的特徵，但如今這個合併的模樣可能其實很年輕。
大撞擊：水能煮粥，亦能載舟？
這一假說最早在小行星形成上得到了證明。當時人們發現，雖然太陽系裡有辣么多辣么多小行星，但明顯可以有些小行星的光譜和軌道特徵太像了——這絕對是一家子出來的啊！於是科學家們通過光譜特徵把一些小行星分了類（族）。一個很自然的推理就是：同族的小行星們都是同一顆母天體被撞出來的碎片！2001年，法國尼斯天文台的Michel團隊首次通過計算機模擬較為全面地重現了這個過程，表明被撞擊後的碎片是可以快速完成吸積和重組的。
這一成果還登上了當年（2001年11月23日）的Science封面。
這一模擬結果雖然極其精彩，但也有明顯的粗糙之處：為了簡化，所有的碎片和碎片的重組體都以球形模擬，而沒有考慮它們的實際形狀。於是2013年，Michel及其同事又做出了一些改進，改進後的模擬結果表明，這種災難性大撞擊之後的重組不僅可以形成各種形狀的小天體（下面的例子是小行星絲川的形狀），而且還可以允許小天體表面有石塊存在。
不過，這個模型彗星也能用么？畢竟彗星更加特殊，不僅質地鬆散（孔隙度高），而且還含有大量固態形式的揮發性物質。這樣的大撞擊重組之下，彗星的鬆散質地和揮發性組分還能保持得住么？近日，法國尼斯天文台的Schwartz及其同事們的最新模擬結果表明：完全沒問題！
Schwartz及其同事們模擬了以下不同速度和質量比的多種災難性撞擊下母天體碎片的重吸積過程。
↓ 視頻體會一下。
https://www.zhihu.com/video/954749936546353152
撞擊速度150 m/s，摩擦角29°的情況下模擬的重吸積的過程。來源：Schwartz et al. (Nature, 2018) Video 2
模擬結果表明重吸積而成的小天體可以有多種多樣的形狀（長寬比），其中不乏67P這類非常細長的形態。
組成物質本身的摩擦角（friction angle）對最終形成的穩定形態有很大影響，摩擦角越大，最終可能吸積形成的小天體越細長。
大撞擊後的碎片重組過程中產生的熱量並不高，也不會產生劇烈的壓縮，可以允許大部分碎片依然保持原先的形態、揮發組分，和孔隙度。
↓ 碎片以低速碰撞（相對速度小於1 m/s）的方式重新聚集在一起，重吸積之後會產生各種大小和形態的小天體，其中也會形成67P這樣的啞鈴型形狀。
https://www.zhihu.com/video/958020583842205696
撞擊速度50 m/s情況下模擬的重吸積的過程。來源：Schwartz et al. (Nature, 2018) Video 4
啞鈴型彗星的災難性撞擊起源假說可以更好地解釋這些碎片為什麼會剛好碰/撞在一起，也可以更好地解釋彗星表面的斷層等撞擊相關的地貌成因。同時，這樣的撞擊在太陽系歷史上的任何時候都可能發生，因此雖然彗星67P的兩個啞鈴頭部分已經保留著太陽系最原始的成分，但這種新的組合體，以及表面的一些地貌形態可能非常年輕。
結語
如果我們把時光的指針稍稍撥回一百年，那時候的科學家們沒有幾個會相信月球上的隕石坑是隕石撞擊形成的（那時候大多數人認為是火山噴發或者地表塌陷形成的），畢竟，那些密密麻麻的隕石坑……Excuse me，撞擊怎麼可能起到這麼大的作用？！
然而，如今的我們已經知道，不僅月球、火星和太陽系中幾乎所有的固態天體上都布滿了隕石撞擊留下的痕迹（地球上也有，只是大多被後來的地質作用抹掉了），甚至連月球本身都可能是大撞擊產生的，冥衛一卡戎可能也是形成於類似的過程（前沿速報||冥王星赤道的暗紅色區域是怎麼來的？——可能和冥衛一的形成有關哦）；地球上的水和有機物可能是小行星和彗星的撞擊帶來的；土星壯麗的環系有些可能來自衛星被撞碎的碎片……
雖然在這茫茫宇宙的漫長歷史中，有無數的天體曾經或正在撞擊中走向毀滅。
但這毀滅之中，也孕育著新生。
同名微信公眾號永結無情游相期邈雲漢（haibaraemily_planets），公眾號版本會通俗得多，以介紹成果為主，不會像在知乎寫的這麼詳細，而且圖片會更清楚orz
拓展閱讀
永別了，羅塞塔號！
參考
- 題圖：Comet on 7 July 2015 – NavCam
- Nature News：How the rubber-duck comet got its shape
- Michel, P., Benz, W., Tanga, P., & Richardson, D. C. (2001). Collisions and gravitational reaccumulation: Forming asteroid families and satellites. Science, 294(5547), 1696-1700.
- Michel, P., & Richardson, D. C. (2013). Collision and gravitational reaccumulation: Possible formation mechanism of the asteroid Itokawa. Astronomy & Astrophysics, 554, L1.
- Schwartz, S. R., Michel, P., Jutzi, M., Marchi, S., Zhang, Y., & Richardson, D. C. (2018). Catastrophic disruptions as the origin of bilobate comets. Nature Astronomy.
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