BYORP效应形成接触双小行星的动力学机制研究

Contact binary asteroids are a kind of asteroids that possess bifurcated shapes with obvious gaps. Ground-based radar observations show that these asteroids account for up to 14% of the near-Earth asteroid populations with diameter larger than 200 meters, such as (4179) Toutatis, (25143) Itokawa and (99942) Apophis. Currently an idea about the formation mechanism of this kind of asteroids is the BYORP effect induced orbit decay and mutual impact between the primary and secondary of a doubly synchronous binary asteroid. However, we still do not well understand the detailed information from orbit decay to formation of contact binary configuration after impact. In this project, we will use numerical method to study the detailed dynamical process from orbit decay to the moment right before impact and the characteristics of shape and rotation of the newly-formed contact binary asteroid. The whole process will be studied by using soft-sphere discrete element method from granular dynamics, so as to better understand the formation mechanism of contact binaries and the evolution process of doubly synchronous binary asteroids and provide important scientific support for future Chinese missions to asteroids.

接触双小行星是一类由两部分相接在一起构成且具有明显界限的小行星，地面雷达观测表明其在直径超过200米的近地小行星中占比达14%，例如近地小行星(4179)Toutatis、(25143)Itokawa和(99942)Apophis等都具有这种结构。目前一种解释认为该类小行星可能是BYORP效应导致双轨旋同步双小行星中的卫星轨道衰减并碰撞到主星上形成的，但对轨道衰减到碰撞并合形成接触双小行星的具体细节了解得并不清楚。本项目拟采用数值方法研究双轨旋同步双小行星在BYORP效应下卫星轨道衰减到与主星碰撞前的动力学过程以及碰撞形成的接触双小行星的形状结构与自转参数特征。本项目拟对BYORP效应形成接触双小行星的全过程采用散体动力学数值模拟中的软球离散元方法开展研究，深化对接触双小行星形成机制与双轨旋同步双小行星演化过程的了解，为我国未来小行星深空探测任务提供重要的科学支撑。

接触双小行星是一类由两部分相接在一起构成且具有明显界限的小行星，目前无论是近地小行星、主带小行星还是柯伊伯带小天体族群中均已发现具有此类形状的小天体。本项目采用软球离散元方法对双小行星在BYORP等机制下形成接触双小行星的过程进行数值模拟，以揭示此类小行星的全过程形成机制。在此项目的支持下，申请人与合作者一共发表论文7篇（含SCI论文5篇）并成功申请一项软件著作权。具体研究成果如下：（1）基于软球离散元软件，通过大规模数值模拟，研究了在BYORP效应等机制下，考虑各种尺寸比、撞击速度、撞击角度、体密度与自转周期的情况下碎石堆结构双小行星的主星与卫星的低速碰撞，分析了形成的接触双小行星的形状与撞击前的参数和小行星物理参数之间的依赖关系，发现在满足一定尺寸比的条件下撞击后主星的形状几乎不会发生改变，而且主星与卫星之间的“脖子”的粗细情况与撞击速度、角度以及主星和卫星的自转有关，且存在一个“下限”。（2）新视野号飞越探测目标Arrokoth是一颗接触双小行星，形状非常扁而且具有非常细的“脖子”。申请人参与了对该柯伊伯带小天体形成机制的模拟研究，发现该小天体的特殊形状可能与其表面的物质挥发和特殊的自转轴指向有关系。在本工作中，我们对Arrokoth前身双星的相互碰撞和并合过程开展了数值模拟研究，相应的方法与BYORP效应下双小行星的碰撞并合过程的研究类似。（3）基于软球离散元方法我们研究了考虑粘聚强度后碎石堆结构小行星的临界自转周期，并研究了该临界自转周期和一些物质参数的关系，该工作验证了前人给出的基于连续体方法给出的解析公式，临界自转周期的数值结果与连续体理论基本一致，只是后者预测临界自转周期在抗拉域应该随着摩擦角的增加而增加，这与数值结果相反，该现象目前还没有得到解释。