利用嫦娥二号数据研究(4179)Toutatis小行星表面碎石的起源

(4179) Toutatis is a potentially hazardous near-Earth asteroid, which is worthy studying for the origin and evolution of the Solar System and the security defense of the Earth. On December 13, 2012, China’s Chang’e-2 flew by Toutatis and took a series of high-resolution images. Through the analysis, we observe that there are many boulders and craters on the surface of Toutatis. In this project, analytical and numerical methods are both employed to extensively analyze the characteristics of the boulders on Toutatis based on the observations of Chang’e-2. Furthermore, we will establish reasonable dynamical models and discuss the relationship between its boulders and craters to explore the origin mechanism of these boulders. Results of our study will reveal the evolution and collision history of Toutatis. Comparison with other asteroids can also help to explan formation and evolution mechanism of near-Earth asteroids.

(4179) Toutatis是一颗对地球构成潜在威胁的近地小行星，对于研究太阳系的起源、形成演化机制及地球安全防御等具有重要的科学价值。我国嫦娥二号于2012年12月13日在飞越Toutatis拓展任务中获取了一批高精度光学图像，分析结果表明Toutatis表面分布有许多碎石结构和撞击坑。本项目将基于嫦娥二号的观测数据，详细分析Toutatis表面碎石结构的分布特征，建立合理的动力学模型并综合应用解析和数值模拟方法开展相关研究，探索该小行星表面撞击坑与碎石之间的关联，研究其表面碎石的起源机制。该研究成果可用来揭示Toutatis的形成演化和撞击历史，并且与其他近地小行星已有的研究结论进行比较分析，可为解读近地小行星的形成和演化历史提供重要信息。

本项目以嫦娥二号飞越探测目标4179 Toutatis小行星为研究对象，开展了以下三个方面的研究：.（1）在强度域假设下，我们基于描述高速撞击溅射物参数分布的标度律方法（Housen et al. 2011）获得了从Toutatis表面800米撞击坑内抛射出来的溅射物粒子的大小、抛射位置和抛射速度分布，并通过数值模拟研究了这些抛射出来的粒子回落到孔孯孵孴孡孴孩孳小行星上的比例和位置，结果表明回落粒子的总数目和总体积均明显低于嫦娥二号给出的观测结果，该方法通过动力学角度说明了Toutatis表面分布的碎石大部分都不来自于撞击坑，而有可能来源于其形成时候的“母体”。.（2）为了缓解多面体方法在计算小行星引力场时候的效率问题，我们提出应用三维切比雪夫多项式拟合方法来计算不规则形状小行星附近的引力场。我们比较了四种引力加速度拟合方式，在考虑了小行星附近引力场变化规律的基础上提出了一种较优的拟合方式和空间剖分方式，并且提出采用空间自适应八叉树剖分算法来减小小行星表面附近的引力场拟合误差。数值算例表明该方法能显著提高引力场计算效率，在精度要求不是特别苛刻的情况下可用该方法做轨道积分。.（3）结合嫦娥二号探测数据和已有的雷达形状模型获得了Toutatis新的三维形状模型。基于该模型的物理参数，假设Toutatis母体是一颗双轨旋同步双小行星，我们通过采用散体动力学数值模拟方法研究了该双小行星“母体”近距离飞越地球的过程。结果表明地球的引力摄动可能导致卫星与主星发生低速相撞，但撞击本身不会对主星的形状产生显著影响，而在选定合适的飞越距离后（大约1.4-1.5倍地球半径），地球潮汐效应可以将主星拉长，并且卫星和主星相撞并合后可以形成类似Toutatis形状的延长型接触双小行星，该机制为延长型接触双小行星的形成提供了一种合理的解释。