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我們(men) 知道，太陽係內(nei) 除了八大行星之外，還到處遊蕩著個(ge) 頭在米級到百公裏級的小行星和彗星，我們(men) 統稱它們(men) 為(wei) 太陽係小天體(ti) 。截止到目前，已發現的太陽係小天體(ti) 已接近120萬(wan) 顆（絕大部分沒有觀測到活動性，屬於(yu) 小行星），且數量仍然在逐年增加。

目前已發現的內(nei) 太陽係小行星的軌道位置分布 | 圖源：作者

絕大部分的小行星位於(yu) 火星和木星之間的小行星帶內(nei) ，稱為(wei) 主帶小行星。一般來說，這些可愛的小行星們(men) 會(hui) 在自己的繞日橢圓軌道上安全運行，各自相安無事，但總存在一定的概率發生相互碰撞，並產(chan) 生軌道各異的大量碎片。此外，在大行星的引力擾動以及複雜的熱物理效應作用下，小行星的軌道可能發生遷移，甚至遷移到近地空間。天文學家把近日距小於(yu) 1.3 au（au為(wei) 天文單位，即日地平均距離）的小行星歸類為(wei) 近地小行星。

相比於(yu) 主帶小行星，近地小行星恐怕就沒那麽(me) 可愛了，因為(wei) 它們(men) 的軌道在演化過程中會(hui) 發生更為(wei) 劇烈而頻繁的改變，甚至與(yu) 地球軌道相交而存在撞擊地球的風險（其中直徑在140米以上且與(yu) 地球最小交會(hui) 距離在0.05 au以內(nei) 的稱為(wei) 潛在威脅近地小行星，目前已發現2275顆）。因此，各國天文學家對近地小行星十分關(guan) 注。

目前已發現的潛在威脅近地小行星軌道分布 | 圖源：作者

最近的2022年3月11日，一顆編號為(wei) 2022 EB5的近地小行星在墜入地球大氣前兩(liang) 個(ge) 小時才被觀測到，還好這顆小行星隻有1米左右大小，進入大氣後就燒毀了，讓我們(men) 虛驚一場。

2022 EB5撞擊地球前的軌道（為(wei) 更好地體(ti) 現三維效果，畫出了小行星軌道往黃道麵上的垂線）| 圖源：astorb.com

正因為(wei) 近地小行星對地球能夠造成潛在的安全威脅，因此對它們(men) 的軌道進行精確測定與(yu) 預報是一個(ge) 重要的研究課題，不過這方麵的內(nei) 容不是本文的主題，本文主要想帶領一些感興(xing) 趣的讀者來了解一下近地小行星的軌道構型，特別是一些比較奇怪有趣的案例。

事實上，天文學家們(men) 已經根據近地小行星的橢圓軌道半長軸，近日距和遠日距將其分為(wei) 四類：阿莫爾型、阿登型、阿波羅型和阿蒂娜型。這裏我們(men) 不對這些分類作展開，感興(xing) 趣的讀者百度一下就能了解到它們(men) 的區別。本文主要關(guan) 注一些有趣的、具有極端軌道特征或特殊軌道幾何構型的近地小行星。

2017 UR52——三項記錄保持者：軌道最扁，周期最長，遠日距最大

首先，讓我們(men) 祭出一顆打破了三項“世界記錄”的近地小行星2017 UR52，該小行星直徑大約200米，由卡特琳娜巡天計劃所屬的望遠鏡發現於(yu) 2017年10月29日，發現時該小行星已接近到達近日點，日心速度達37公裏每秒。2017 UR52的軌道周期超過5000年，是目前發現的軌道周期最長（意味著半長徑最大）的近地小行星；此外，該小行星的偏心率達到0.9957，是目前發現的軌道最扁的近地小行星；最後，綜合其最大的半長徑以及最大的偏心率，可推斷出它也是目前發現的遠日距最大的近地小行星，達到了584 au，是海王星平均軌道半徑的19倍。事實上，2017 UR52的軌道類型與(yu) 長周期彗星比較類似，不過由於(yu) 在抵達近日點附近時未發現它存在活動性，因此沒有被歸類為(wei) 彗星。

近地小行星2017 UR52的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

2005 HC4——兩(liang) 項記錄保持者：近日距最小、跑得最快

2005 HC4是一顆由洛威爾天文台發現於(yu) 2005年4月30日的近地小行星，直徑約為(wei) 250米。該小行星的偏心率也很大，達到0.961，近日距則達到0.071 au，是目前發現的近日距最小的近地小行星，是水星與(yu) 太陽距離的0.23倍（想象一下到近日點時那得多熱）。考慮到其半長徑為(wei) 1.821 au，可以計算出它在近日點時的速度達157公裏每秒，是目前已發現的日心軌道瞬時速度最快的近地小行星。

近地小行星2005 HC4的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

2021 PH27——軌道周期最短

與(yu) 2017 UR52恰恰相反，於(yu) 2021年8月13日發現的近地小行星2021 PH27（直徑約為(wei) 1公裏）則具有最短的軌道周期，其半長徑為(wei) 0.462 au，偏心率為(wei) 0.712，軌道周期僅(jin) 為(wei) 0.314年。該小行星完全位於(yu) 地球軌道以內(nei) ，因此也被稱為(wei) 地內(nei) 小行星。然而，從(cong) 地球觀測者來看，由於(yu) 該小行星與(yu) 太陽的相對夾角較小，因此觀測機會(hui) 比較少，一般隻有在該小行星到達遠日點附近且地球也恰好位於(yu) 適當的位置時，才能在接近黎明或黃昏的時候觀測到它。

近地小行星2021 PH27的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

“風雨逆行者”——逆行近地小行星

我們(men) 知道，太陽係內(nei) 的大行星大部分軌道傾(qing) 角接近於(yu) 0°，以“順行”的方式繞日公轉，該現象與(yu) 太陽係早期形成時大部分物質集中在原行星盤內(nei) 有關(guan) 。大部分的近地小行星也是“順行”公轉的（軌道傾(qing) 角小於(yu) 90°），不過仍然有小部分近地小行星在複雜的機製下出現大於(yu) 90°的軌道傾(qing) 角，稱為(wei) “逆行”近地小行星。目前已知的此類近地小行星有五顆：2014 PP69（傾(qing) 角93.7°），2017 UR52（傾(qing) 角108.3°），2019 EJ3（傾(qing) 角139.8°），(343158) Marsyas（傾(qing) 角154.4°）和2020 BZ12（傾(qing) 角165.5°）。

有研究表明小行星與(yu) 木星的3:1軌道共振（即木星與(yu) 小行星的軌道周期之比為(wei) 3:1）有可能是產(chan) 生此類小行星的原因，也有學者認為(wei) 逆行近地小行星與(yu) 高偏心率彗星的軌道演化有關(guan) 。事實上，除了近地小行星之外，太陽係內(nei) 已發現的其他類型的逆行小行星總數已達122顆，這些“逆行者”讓天體(ti) 力學領域的研究者十分感興(xing) 趣，對它們(men) 軌道的起源與(yu) 遷移機製，軌道壽命，分布特征等開展了多方麵的研究。

近地小行星2020 BZ12的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

“內(nei) 切”/“外切”型近地小行星

接下來我們(men) 來考慮兩(liang) 種軌道幾何上有點特殊的近地小行星：“內(nei) 切”和“外切”型近地小行星。這裏的“內(nei) 切”或“外切”是相對於(yu) 地球軌道而言的，即小行星軌道遠日點或近日點與(yu) 地球軌道相切（遠日距或近日距在0.983~1.017 au之間）。比如(325102) 2008 EY5與(yu) (100085) 1992 UY4分別屬於(yu) 前者和後者一類。雖然在軌道幾何上看似很“漂亮”，但它們(men) 對地球安全是不折不扣的潛在威脅者。考慮偏心率大於(yu) 0.2的情況，則目前已發現的“外切”型近地小行星的數量已達2319顆，而“內(nei) 切”型的數量隻有66顆，前者是後者的35倍。這麽(me) 懸殊的數量差距與(yu) 它們(men) 的真實數量分布有關(guan) ，但也可能與(yu) 觀測上的“選擇效應”有關(guan) 。

近地小行星(325102) 2008 EY5的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

近地小行星1992 UY4的軌道示意圖 | 圖源：astorb.com

2016 HO3——地球“準衛星”

如果某顆近地小行星的軌道周期與(yu) 地球非常接近，即形成1:1軌道共振，就被稱為(wei) 地球共軌小行星。由於(yu) 地球軌道存在一定的偏心率，因此其繞日運動角速度並不恒定；而考慮到小行星軌道也往往存在一定的偏心率，這最終導致在日地旋轉坐標係下看來該小行星相對於(yu) 地球的運動可能出現循環往複的現象。而若該循環往複的中心位置恰好在地球附近（若中心位置位於(yu) 地球軌道前後60度附近的日地三角平動點上，則該小行星被稱為(wei) 地球“特洛伊”小行星），則從(cong) 地球視角看來該小行星是“繞著”地球轉的。此類小天體(ti) 被稱為(wei) 地球“準衛星”型近地小行星，這是由於(yu) 此現象主要是一種軌道幾何上的效應，其實際地心距遠遠大於(yu) 地球引力範圍，因此並非像月球那樣真的是在地球引力主導下作圍繞地球的軌道運動。

目前地球“準衛星”小行星已經發現了五顆，最有名的當屬直徑大約為(wei) 40米的(469219) Kamoʻoalewa（或稱為(wei) 2016 HO3），該小行星是我國未來深空探測的目標，按計劃將會(hui) 在該小行星上著陸並采集研究樣品帶回地球。2016 HO3是目前已發現的五顆準衛星中軌道穩定性最好的，預計在未來300年仍然能保持為(wei) “準衛星”狀態，且在未來1百萬(wan) 年仍然與(yu) 地球共軌。

圖 近地小行星2016 HO3未來100年的軌道在日地旋轉坐標係下的示意圖 | 圖源：astorb.com

2020 CD3——“迷你月亮”

如果某顆近地小行星以相對較低的速度闖入地月係，其有可能被地月係捕獲而成為(wei) 地球的一顆天然衛星。不過由於(yu) 被捕獲後的小行星軌道能量依然比較大，一般來說會(hui) 隨著時間演化最終逃離地月係引力的束縛，因此，此類小行星隻能算是地球的臨(lin) 時衛星。

由卡特琳娜巡天計劃於(yu) 2020年2月15日發現的2020 CD3即屬於(yu) 此類近地小行星（據估計該小行星直徑僅(jin) 約為(wei) 3米）。通過對其軌道溯源計算發現，該小行星大概是在2017年9月左右被地月係引力所捕獲的，然後在複雜的引力環境下繞著地球做軌道運動，並在2020年5月離開地月係。該小行星發現後引起公眾(zhong) 極大的興(xing) 趣，一度被稱為(wei) 地球的“迷你月亮”。

2020 CD3（紫色）被地球（藍點）俘獲後的軌道運動，黃色表示月球軌道。 | 圖源：wikipedia

2010 TK7與(yu) 2020 XL5——地球特洛伊小行星

在地球軌道麵上，與(yu) 地球共軌且位於(yu) 地球前後60°夾角的位置稱為(wei) 日-地三角平動點（或稱為(wei) 日-地拉格朗日L4、L5點）。若某顆小行星在日-地三角平動點附近往複運動，這樣的小行星被稱為(wei) 地球特洛伊小行星。相比於(yu) 日-木三角平動點，日-地三角平動點的穩定性較差，因此一般來說小行星難以在此停留較長時間。人們(men) 一度以為(wei) 地球不存在類似木星的特洛伊小行星，直到2010年10月美國的WISE空間望遠鏡在L4點附近首次發現了一顆地球特洛伊小行星——300米左右大小的2010 TK7。研究表明，2010 TK7可能是約1800年前被“俘獲”到地球L4點附近的，而在15000年後可能遷移到L5點附近，也可能“逃逸”不再成為(wei) 地球特洛伊小行星。

五個(ge) 日-地拉格朗日點示意圖，L4和L5點分別位於(yu) 地球前、後60°角位置。 | 圖源：wikipedia

地球特洛伊小行星的搜尋並未停止，2017年美國的OSIRIS-REx和日本的Hayabusa 2小行星探測器在飛行過程中對地球的L4、L5區域進行了搜尋，不過遺憾的是一無所獲。可喜的是十年後的2020年12月12日，美國的泛星計劃發現了第二顆日-地L4小行星：2020 XL5，這顆小行星的直徑更大，達到了1.2公裏。軌道計算表明該小行星大概在500年前被“俘獲”為(wei) 地球特洛伊小行星，而在4000年後將離開目前的軌道。

相比於(yu) 其他類型的近地小行星，這兩(liang) 顆地球特洛伊小行星對地球的安全威脅要小得多，最起碼幾千年內(nei) 不用擔心它們(men) 會(hui) 撞上地球。不過在科學上此類小行星受關(guan) 注程度則相當高，這是由於(yu) 它們(men) 獨特的動力學特性有助於(yu) 為(wei) 我們(men) 提供對太陽係早期形成曆史的關(guan) 鍵線索。此外，有學者還注意到，由於(yu) 低傾(qing) 角的地球特洛伊小行星可到達性很好，它們(men) 可以成為(wei) 探索太陽係的太空基地，甚至可能作為(wei) 太空資源開發的對象。

在日地旋轉坐標係下2010 TK7小行星的軌道 | 圖源：wikipedia

綜上，我們(men) 注意到，近地小行星的軌道確實千奇百怪，對它們(men) 的軌道特性、軌道起源和演化的研究有助於(yu) 我們(men) 更好地理解太陽係形成過程中的動力學環境，也有助於(yu) 人類研究如何防禦威脅地球安全的近地小行星。

參考資料：

1. https://www.minorplanetcenter.net/

2. https://academic.oup.com/mnras/article/462/4/ 3441/2589984

3. https://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/ 31429/1/95-1108.pdf

4. https://academic.oup.com/mnras/article/446/2/ 1867/2893013

5. https://central.bac-lac.gc.ca/.item?id=TC-BVAU-37251&op=pdf&app=Library&oclc_number=1033018583

6. https://astronomical.fandom.com/wiki/2020_CD3

7. https://www.astorb.com

作者簡介

胡壽村

中國科學院紫金山天文台行星科學與(yu) 深空探測實驗室副研究員。研究領域:太陽係小天體(ti) 動力學與(yu) 形成演化。

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