科研動態(tài)｜空間中心科研人員關于近地小行星2016HO3的表面特性研究取得進展

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摘要：近地小行星2016HO3是我國天問二號任務的第一個探測與采樣目標，本研究通過進一步分析B. Sharkey et al. 使用大雙筒望遠鏡獲取的近地小行星2016HO3的光譜數據，對于2016HO3表面的物質成分和太空風化特性進行了探究。光譜相似度分析反映了其成分和太空風化特性的綜合特征，作為后續(xù)分析的基礎。對光譜1μm吸收峰的分析顯示，2016HO3可能具有比較高的橄欖石含量。本研究提出了一個適用于歸一化光譜的光學成熟度模型，該模型表明，2016HO3可能具有比較低的太空風化程度。

由于觀測條件的限制，目前人們對近地小行星2016HO3的表面物質組成和太空風化特性仍缺乏充分認識。唯一已公開發(fā)表的光譜數據來自Sharkey et al. (2021)使用LBT望遠鏡的觀測結果。該光譜顯示出兩個明顯的特征：一是存在明顯的1μm吸收峰；二是光譜斜率非常高，光譜曲線比大多數S-型小行星都更陡。該光譜數據由兩部分拼接而成：光譜儀測得的可見-近紅外（VNIR）光譜，覆蓋波段至約1.25μm；其他波段則只有z、J、H、K四個寬譜段的測光數據。

然而，該光譜在2μm附近數據點非常稀疏（1.25μm之后僅有兩個數據點），未能完整覆蓋1μm吸收峰的右側長波部分。同時，受觀測條件限制，目前僅能獲得歸一化反射率光譜，因此那些依賴全波段或絕對反射率光譜的傳統(tǒng)分析方法在應用于2016HO3時存在較大局限。為此，本研究從光譜相似度分析入手，結合對1μm吸收峰中心波長的分析，并結合本研究提出的適用于歸一化光譜的光學成熟度模型，對2016HO3可能的表面成分和太空風化特性展開探討。

Bus-DeMeo小行星光譜分類法是一種廣泛使用的小行星光譜分類方法。本研究首先將2016HO3的光譜與該分類體系中具有明顯1μm吸收峰類型的平均光譜進行了對比。分析分別在完整波段光譜和僅VNIR波段光譜、以及在去除連續(xù)統(tǒng)和保留連續(xù)統(tǒng)等四種情況下進行（圖1）。結果顯示，2016HO3的光譜同時具有S-型和A-型小行星的特征。S-型小行星主要由橄欖石和輝石組成，A-型小行星則更為富含橄欖石，因此2016HO3可能是一顆橄欖石含量較高的S-型小行星，其表面太空風化引起的光譜變化趨勢可能與橄欖石較為相似。

圖1 光譜相似度分析。(a) 全波段光譜，保留連續(xù)統(tǒng)；(b) 全波段光譜，去除連續(xù)統(tǒng)；(c) VNIR光譜，保留連續(xù)統(tǒng)；(d) VNIR光譜，去除連續(xù)統(tǒng)。

對2016HO3光譜1μm吸收峰中心波長的分析，進一步支持了其可能具有較高橄欖石含量的推測。本研究對2016HO3的VNIR光譜去連續(xù)統(tǒng)后，利用多項式函數對吸收峰部分進行了擬合以確定1μm吸收峰的中心波長（BC1），其吸收中心位于1.00μm。同時，本研究還發(fā)現，若僅使用1.25μm之前的光譜來提取BC1，結果會系統(tǒng)性地偏向更短的波長（圖2）。這是因為1.25μm之前的光譜不能完全覆蓋1μm吸收峰的右半部分，從而影響光譜連續(xù)統(tǒng)計算。具體而言，1μm吸收峰右半部分的缺失會使連續(xù)統(tǒng)相對于全波段連續(xù)統(tǒng)偏低，且長波端偏低程度更大，進而導致去連續(xù)統(tǒng)光譜右半部分反射率偏高，最終使吸收中心向短波偏移。因此，2016HO3 實際上的BC1應大于或等于1.00μm，符合橄欖石含量較高的光譜特征。

圖2 光譜1 μm吸收峰中心波長的分析，分別對于 (a) 2016HO3；(b) 激光輻照過的橄欖石；(c) 橄欖石-斜方輝石（OPX）混合物。(b)和(c)表示僅使用1.25 μm之前的光譜提取的BC1，會比使用全波長光譜提取的BC1更偏向短波。

本研究還提出了一種適用于歸一化光譜的太空風化程度評估模型。該模型基于現有的光學成熟度（OMAT）指標發(fā)展而來。通過將具有不同風化成熟度的月球樣品數據投射到以R750/R550（750nm與550nm反射率比值）為橫坐標、R950/R750為縱坐標的散點圖中，本研究發(fā)現從左下角到右上角，用于表征風化成熟度的Is/FeO值呈逐漸上升趨勢（圖3）。對于歸一化光譜，其歸一化因子在分子和分母中同時出現并相互抵消，因此該模型規(guī)律同樣適用于歸一化反射率光譜和絕對反射率光譜。此外，由于歸一化光譜在很大程度上消除了觀測條件引起的亮度差異，該模型有潛力適用于更多光譜觀測數據。

圖3 反映太空風化特性的散點圖。藍色點表示月球樣品，數據源自C. Pieters et al. 2006 & M. Bhatt et al. 2012。從左下到右上，藍色逐漸變深，表示Is/FeO值升高。

進一步分析顯示，圖3中月球樣品數據點與坐標原點的直線距離，與其對應的Is/FeO值具有較好的相關性。我們將該距離定義為NOMAT（Normalized Optical Maturity，歸一化光學成熟度）。通過擬合兩者關系得到經驗公式（圖4），進而推算出2016HO3的Is/FeO值為25.97 ± 19.62。在月球樣品成熟度框架下（Is/FeO值0-30為不成熟，30-60為亞成熟，60-100為成熟），這對應不成熟至亞成熟的范圍。

圖4 擬合Is/FeO與NOMAT之間的指數經驗關系

綜合以上推測—即2016HO3可能富含橄欖石且表面風化程度較低，可以解釋其獨特的光譜形態(tài)。模擬實驗研究表明，太空風化對橄欖石光譜斜率的增加效率遠高于輝石。因此，2016HO3的低太空風化程度保留了其比較明顯的1μm吸收峰，而高橄欖石含量使其在較低風化程度下仍表現出高光譜斜率。

本研究論證了2016HO3可能具有較高的橄欖石含量，并且具有較低的空間風化程度。研究結果為后續(xù)支撐天問二號科學數據解譯提供了重要的參考作用。提出的歸一化成熟度模型填補了難以衡量歸一化光譜空間風化程度的空白，具有較為廣泛的科學和應用價值。

上述研究成果發(fā)表在國際期刊The Astrophysical Journal Letters上，論文第一作者為中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱“空間中心”）太陽活動與空間天氣重點實驗室博士研究生劉民歌，通訊作者為空間中心楊亞洲和劉洋研究員，合作者包括中山大學的李薦揚教授、博士后張慶、山東大學張江老師、空間中心鄒永廖研究員。該研究得到了國家自然科學基金、北京市科技新星計劃、空間中心"攀登計劃"等項目的支持。

論文信息：

Liu M, Yang Y, Liu Y, et al. Composition and Space-weathering Characteristics of the Tianwen-2 Mission’s First Target: Near-Earth Asteroid (469219) Kamo‘oalewa [J]. The Astrophysical Journal Letters, 2026, 997(2): L49.https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae3826

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