非主轴自转小行星的自转特性与形成演化机制研究

This project is going to set up a dynamic model of non-principal-axis (NPA) rotational asteroid based on light curves data。 For the Chinese deep space exploration mission, spin state of some specific tumblers and orbit evolution of some tumbling NEO (Near Earth Object) will be studied. We will also do some research on distribution characteristics of rotational parameters, physical parameters and orbit elements statically to understand the generality and specialty during the formation and evolution process of NPA rotation state. Effects induced by different formation mechanism on formation and evolution of NPA asteroids will be studied theoretically and numerically in the meantime in order to explore the early evolutional history of our solar system. This research is an international popular problem in planetary science and our works will help to better understand the rotational dynamics of NPA spin state and the physics, formation and evolution of NPA rotators. Our result will provide scientific theoretical basis for our country’s asteroid exploration mission, and will significantly improve our observation and computation abilities, promote international cooperation and enhance our international academic influence on asteroid science and rotational dynamics and make our scientific research level international frontier.

本项目拟利用光变曲线观测数据，建立小行星非主轴自转动力学模型；针对我国深空探测任务，研究具体非主轴自转小行星的自转性质和自转动力学，分析特定近地非主轴自转小行星轨道长期演化特性；从统计角度研究该类小行星自转参数、物理参数和轨道根数的分布特性，探索其在动力学演化过程中的共性与特性；并从理论分析和数值模拟的角度，研究多种形成机制作用下小行星非主轴自转状态的激发过程，从而揭示太阳系天体早期的形成演化机制。本项目的研究内容是行星科学领域的国际热点问题。项目的开展有助于对非主轴自转小行星的自转动力学、物理性质及形成演化机制等科学问题进行更深入的探索，提高数值模拟计算的能力，补充和完善太阳系行星科学理论体系，为中国未来小行星深空探测任务的直接需求提供科学基础。本项目的研究成果将提高我国对太阳系小行星的观测能力，提升行星科学理论研究的国际影响力，力争使中国小行星自转动力学的科学研究列于国际前沿。

本项目将天文观测数据和数值模拟方法相结合，开展太阳系小天体的自转动力学研究，揭示小天体非主轴自转状态的产生和演化机制，探索太阳系小天体的形成演化历史。在本项目的支持下，项目负责人和课题组成员建立了用于形状不规则小天体形成演化及自转动力学研究的数值模拟程序，并利用该程序开展了如下研究工作：1）利用我国嫦娥二号探测器飞越探测小行星拓展任务获得的数据，对近地小行星(4179) Toutatis的自转轴指向进行了确定，并结合国外Arecibo望远镜等获得的数据，对该小行星的非主轴自转状态进行了计算和模拟，揭示了地球近距离飞越对该小天体自转轴指向和自转速率的影响；2）利用我国嫦娥二号探测器飞越探测小行星拓展任务获得的数据，开展了缓慢碰撞导致(4179) Toutatis 形状形成机制的研究，提出了密近双小行星星系统的两个互相绕转的小行星在地球潮汐作用下缓慢靠近形成4179 Toutatis的可能性，探讨了碰撞过程对自转状态形成和演化的影响；3）基于NASA 新视野号探测器获得的观测图像，开展了物质挥发导致柯伊伯带小天体Arrokoth形状形成机制的研究，提出挥发性冰如CO和CH4等活动性气体在太阳辐射作用下的挥发是形成Arrokoth扁平形状的机制，并探讨了物质挥发过程对于小天体自转轴指向和自转速率的影响，以及激发非主轴自转的可能性；4）开展了轨旋同步双小行星系统中小行星的自转动力学研究，探讨了；5）针对NASA 的OSIRIS-REx探测器的目标天体近地小行星(101955) Bennu的赤道隆起的形状开展研究，提出碰撞产生的全球震动是导致Bennu形状形成的机制；5）利用丽江天文台观测数据开展了近地小行星(99942) Apophis自转特性的研究等。这些研究工作对于我们研究太阳系小天体的起源和动力学演化提供了重要的科学基础，为人类进行近地天体防御的积累了重要的研究经验。在本项目资助下，课题组成员共发表相关文章22篇，其中多篇文章发表在国际天文学顶级期刊，包括Nature Astronomy, MNRAS, A&A,等，发表会议文章9篇。