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Take Home Message
• 雙小行星為兩顆小行星圍繞共同質心旋轉的系統，目前的發現數量已超出預期，推測由小行星自旋過快、旋轉裂解而成。
• 雙小行星壽命僅有幾百萬年，最終兩顆小行星會相互碰撞並重塑為小行星，或逐漸分離形成軌道接近的小行星對。
• 理解小行星的形成後，天文學家更能探究它複雜的演化過程，將有助於預測小行星軌道改變，幫助防範小行星撞擊。

 
去（2022）年10月11日，在眾多觀測數據與計算下，美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）宣布雙小行星定向試驗（Double Asteroid Redirection Test, DART）成功藉由撞擊，將雙小行星系統迪迪莫斯（Didymos）與迪莫弗斯（Dimorphos）的互繞週期縮短了 32 分鐘，代表人類已跨出防衛小行星撞擊地球的第一步。筆者第一次看到此計畫時，除了感嘆人類的科技居然已經能夠開始準備防範小行星的撞擊，也產生另一項疑問：什麼是雙小行星？
 

伽利略號的意外發現

 
雙小行星，意指兩顆小行星（或說小行星與它的衛星）圍繞它們共同質心旋轉的系統。但小行星本身直徑較小、亮度較暗，觀測難度高，更何況是緊鄰身旁的衛星?因此相較於1801 年發現的第一顆小行星，第一顆小行星衛星被發現的時間晚了許多，甚至並不是由望遠鏡觀測發現。
 
1993年，NASA的木星探測器伽利略號（Galileo）在前往木星途中、飛掠小行星243號艾女星（Ida）時，無意間發現第一顆小行星衛星（圖一）。在此之前，科學家認為小行星有可能由於天體碰撞等原因自然形成衛星，但數量可能極少。往後30年的觀測中，卻有愈來愈多的雙小行星與多小行星系統被發現，至今為止整個太陽系已找到超過400組雙小行星，遠超過最初的預期。天文學家發現這類天體有許多共同點:多數雙小行星的主星自轉週期較一般小行星短，直徑小於20公里。而且近地小行星的雙小行星數量非常多，估計約有10～15％的近地小行星為雙小行星。這些神秘之處引起了天文學家的關注，而近年來的研究正一步步地揭開這些謎團。

 圖一｜小行星 243 號艾女星與它的衛星「艾衛」(Dactyl)。(NASA/JPL)

陽光下的旋舞者

 
追本溯源是了解萬物的起點。在了解雙小行星前，科學家試圖先找出雙小行星的形成原因。最初他們以為雙小行星就如同地球與月球般，是由小行星經歷碰撞事件後產生的碎片，並藉由自身重力的吸引下形成雙小行星。因為在電腦模擬的協助下，天文學家驗證了此一機制確實可行。然而隨著被發現的雙小行星數量持續增加，此假說開始出現了問題。太陽系形成至今，碰撞事件預計產生的雙小行星數量比實際觀測到的少，於是在持續的研究下，天文學家提出了另一項產生雙小行星的假說:多數的雙小行星由小行星自旋過快而「旋轉裂解」形成。
 
但為什麼小行星會發生旋轉裂解的現象？這是因為多數小行星並非一顆實心的大石頭，而是由大小不一的碎石組成「瓦礫堆」（rubble pile）。因此當小行星的自轉加速，離心力逐漸增加，直到超過臨界自轉週期（spin limit），此時的離心力高於重力，小行星便會裂解。臨界自轉週期依據小行星的密度而有所不同，但多數小行星的臨界自轉週期約為 2～2.6 小時。自轉週期低於 2.6 小時的小行星數量較少，就是因它們自旋過快而旋轉裂解（圖二）。

圖二｜小行星自轉週期對應數量散布圖 

不過，為什麼小行星的自旋會加速？原因在於小行星面向太陽時會受到輻射加熱，而在背向太陽冷卻釋放能量的過程中，光子會給予小行星微小的作用力，緩緩改變天體運行方向，此現象稱為亞爾科夫斯基效應（Yarkovsky effect）。此效應會使小行星的軌道預測產生偏差，為了預防小行星撞擊事件，天文學家近年來也不斷觀測與研究此效應。不過後來發現，除了改變小行星的軌道之外，此效應也會改變小行星的自轉狀態。由於小行星的形狀多為不規則，當光子給予天體作用力時，若小行星兩側產生的作用力方向不平行，便會對小行星產生額外的力矩，進而改變小行星的自轉狀態，此現象稱為YORP效應（Yarkovsky–O'Keefe–Radzievskii–Paddack effect），藉此加速小行星的自轉角速度……【更多內容請閱讀科學月刊第644期】