天問二號追星記：探究地球“小跟班”的身世之謎
經過一年多的飛行，天問二號探測器將於2026年7月初抵達距離目標小行星（469219）Kamo`oalewa（臨時編號2016 HO3）20 km處。此次任務是我國首次實施的小行星採樣返回任務，將爲後續的深空探測任務提供重要的技術驗證。
圖1：天問二號任務概況[1]
2016 HO3，一個地球的特殊鄰居
天問二號的首站是小行星2016 HO3，正式命名爲Kamo`oalewa，源自夏威夷語，意爲“振盪的天星” 。這一名稱恰如其分地刻畫了它獨特的軌道特徵。它繞太陽運行一週約需365.79天，與地球幾乎同步。由於它與地球保持着一種特殊的軌道關係，在漫長時間尺度上，它會不斷在地球前方和後方之間變化。從地球上看，這顆小行星彷彿一直陪伴在我們身邊，因此被稱爲“地球準衛星”。目前已經確認了8顆地球準衛星，而2016 HO3是其中軌道最穩定的一顆。此外有研究表明地球附近存在的類2016 HO3天體的預期數量可能爲1.23±0.13個[2]。
僅憑這一個特點，就足以令科學家興奮；但2016 HO3的獨特之處遠非如此。
一顆高速翻滾的太空岩石
2016 HO3 的體積並不大，最新來自詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）觀測結果表明，其直徑僅爲約20米。觀測還進一步顯示，它可能屬於S型或E型小行星（岩石質天體）[3]，幾何反照率約爲0.59，具有較高的光反射能力。
更令人驚訝的是它的旋轉速度：研究表明，2016 HO3大約只需要28分鐘就能完成一次自轉。這意味着，如果站在它的表面觀察，太陽的升起與落下會以極快節奏交替發生，晝夜循環遠比地球短得多。
然而，小行星的旋轉並不總像地球這樣穩定。許多小行星由於受到早期碰撞、引力擾動等影響，並不會沿着一根固定的軸旋轉，而可能處於一種更加複雜的運動狀態——非主軸自轉（Non-principal axis rotation）。
簡單來說，普通自轉就像一枚被穩穩拋出的陀螺，始終沿着一根看不見的固定軸平穩旋轉，方向清晰而穩定。而非主軸自轉的小行星，則更像一枚被隨意擲出的、略帶失衡的陀螺——它不僅在高速自轉，還會歪着身子搖晃旋轉。這種搖晃並不是停下來的顫動，而像一隻高速旋轉的陀螺在桌面上畫圈點頭，它的旋轉軸不斷在空間中緩慢掃過一個錐形軌跡，這種額外的運動被稱爲進動。 因此，一個處於非主軸自轉狀態的小行星，就像一枚邊轉邊晃的太空陀螺：一方面保持自身的快速自轉，另一方面它的轉軸方向又在不斷漂移和擺動，兩種運動疊加在一起，使它的姿態變化顯得複雜而不規則。
這種現象在小行星中並不少見。例如近地小行星Toutatis的自轉週期約爲 5.38 天，而其進動週期約爲 7.40 天[4]；近地小行星 Apophis（阿波菲斯）也表現出類似的複雜旋轉狀態，其自轉週期約爲 263 小時，進動週期約爲 27.38 小時[5]。近年來，露西探測器觀測的小行星Donaldjohanson也被發現具有類似特徵（圖2）。
這些例子說明，小行星的自轉狀態往往比想象中更復雜。以2016 HO3爲例，其快速自轉和可能的非主軸自轉，就像一塊在太空中不斷翻滾擺動的石頭：有時穩定轉動，有時又會輕微偏軸晃動。在這種狀態下，它的表面更像一隻被不斷翻動的“烤盤”，不同區域交替暴露在陽光下，導致加熱與冷卻都不均勻。因此，在採樣方案時，需要充分考慮這種持續變化的翻轉環境。
由於高速旋轉產生的離心作用，表面的細小碎石和塵埃可能更容易被重新分佈，甚至部分逃逸到太空。因此，科學家推測，2016 HO3的赤道區域可能更容易暴露較大尺度岩石，而較細顆粒可能更傾向於聚集在低緯度或極區附近。這些特徵也將成爲天問二號採樣任務需要重點關注的問題。
圖2：小行星Donaldjohanson的非主軸自轉丨圖源：NASA
圖3：小行星2016 HO3的可能形狀[6]
研究人員利用地基光變曲線獲取了2016 HO3三維形狀模型（圖3），發現其形狀並非規則球體，而更接近一塊細長扁平的非對稱結構[6]。通過先進熱物理模型，研究人員詳細分析了2016 HO3的表面溫度分佈，揭示了該小行星在不同熱慣量條件下的溫度變化規律（圖4），表明其表面存在顯著的晝夜溫差與空間不均勻加熱特徵。藉助近地小行星熱模型生成了系列模擬熱輻射數據[7]，模擬了詹姆斯·韋布空間望遠鏡在紅外波段的典型觀測情景，並將這些數據作爲仿真觀測輸入先進熱物理模型進行擬合分析。通過比較不同自轉軸取向下的理論熱輻射通量與模擬觀測值，刻畫其在不同自轉狀態下的熱物理參數。
圖4：不同平均熱慣量下2016 HO3的表面溫度分佈特徵
2016 HO3來自月球還是小行星帶？
儘管它長期陪伴地球，但 2016 HO3 的起源仍然充滿謎團。目前科學界主要存在兩種假說：
第一種說法是：它可能是來自月球的撞擊拋射物。
科學家發現，這顆小行星的光譜特徵與月球樣本相似[8]。清華大學團隊提出一種可能的情景：數百萬年前，一顆公里級的小行星撞擊月球，並在其背面形成了一個直徑約22公里的撞擊坑，撞擊過程中產生的碎片被拋射到太空中並最終成爲今天的2016 HO3。澳門科技大學研究團隊則認爲該小行星獨特的光譜特性無法通過常規小行星的物質混合解釋。通過更細緻的光譜對比與撞擊動力學模擬提出第谷撞擊坑更可能是符合觀測與動力學約束的起源位置。
但這一解釋還不能令我們信服，目前還未在可能的月球隕石坑區域觀測到與2016 HO3類似光譜特徵，此外大部分的月球撞擊碎片在拋射後不久會重新回到月球表面，因此這一假說仍存在諸多不確定性。
另一種觀點認爲，2016 HO3可能來自遙遠的主小行星帶。
主小行星帶是太陽系中位於火星和木星軌道之間的一個小行星密集區域，許多如今活躍在地球附近的近地小行星，最初正是從這裏踏上漫長的星際旅途的。2016 HO3曾被猜測可能也是其中之一。通過對LL普通球粒隕石粉末進行激光輻照實驗，研究人員發現激光輻照後的LL普通球粒隕石粉末可以呈現與 2016 HO3 類似的偏紅的光譜[9]，而Flora小行星族（花神族）因其作爲LL普通球粒隕石的主要起源地（圖5），一度被認爲是2016 HO3最可能的來源地，但這一假說長期缺乏動力學上的證據。
圖5：2016 HO3、月球 Giordano Bruno 隕石坑、Flora 族小行星及小行星Itokawa的反射光譜對比[9]。
來自主小行星帶的證據
目前，這一關鍵問題取得了突破。中國科學院紫金山天文臺研究團隊發表了關於2016 HO3小行星起源的最新研究成果。該研究通過系統的軌道動力學數值模擬，對該小行星的小行星帶起源提供了證據：結果表明，在動力學演化模型下，主小行星帶可以作爲2016 HO3的潛在來源之一。
研究人員選取了主小行星帶中三個最有可能的候選源區：內主帶的ν6長期共振區（太陽系裏一個強大的隱形“彈射器”）、木星3:1平運動共振區及Flora族（圖6）。基於這些區域的實際觀測數據構建了大量模擬小天體（即測試粒子），並通過數值計算追蹤其長達1億年的軌道演化。
結果顯示，三個候選源區中均有部分粒子能夠在長期演化後進入類似2016 HO3的軌道狀態。其中，來自ν6共振區和Flora族的測試粒子分別有3.31%和2.54%能夠演化至類2016 HO3軌道，而來自木星3:1共振區的比例爲0.39%。這一結果表明，小行星從主小行星帶遷移至近地空間並最終成爲地球準衛星，在動力學上是完全可能的。
圖6：地球準衛星2016 HO3在主小行星帶中可能的起源地示意圖[10]
研究揭示了該類天體典型的動力學遷移路徑：來自ν6共振區的粒子在和土星的共振作用下偏心率增大、軌道越來越扁，不斷靠近地球，最後在地球的引力作用下，成爲準衛星；來自Flora族的粒子則在雅科夫斯基效應（Yarkovsky effect，即小行星吸收太陽光後通過熱輻射產生微小推動力，導致軌道偏移的現象）作用下軌道不斷變小，並緩慢漂移至ν6共振區，並經歷類似的軌道演化過程；而位於木星3:1共振區的粒子，則可能在共振作用及與地球的密近交會影響下進入與2016 HO3相似的軌道狀態。研究揭示了主小行星帶向近地空間輸送類似2016 HO3天體的動力學機制，爲理解地球準衛星的起源與演化提供了新的視角，也爲天問二號任務的科學研究提供了關鍵理論支撐。
天問二號的目標不僅是對小行星2016 HO3進行近距離探測，更重要的是實現樣品採集並返回地球。當樣品返回後，科學家將能夠在實驗室中開展精細分析，包括礦物組成、化學元素及同位素特徵測定，從而獲得遠超遙感觀測的高精度解譯。這些信息將幫助科學家進一步瞭解2016 HO3的物質組成、形成歷史及軌道演化過程。同時，對近地小行星羣體特徵和動力學演化規律的系統認識，也將爲未來小天體探測與行星防禦研究提供重要參考。
從最初的飛越探測，到後來複雜的附着採樣，人類探索小天體的能力正在實現跨越。天問二號正是中國邁向這一深空探測新高度的關鍵一步，也是我國建設航天強國進程中的重要里程碑。
也許，當這些來自太陽系深處的“時間膠囊”在數年後被開啓時，我們便能窺見更清晰的圖景，並逐漸回答那個宏大的問題：我們的太陽系，究竟如何誕生。
參考文獻：
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2. Fenucci M, Novaković B, Granvik M, Zhang P (2026) Origin of asteroid (469219) Kamo‘oalewa: The main asteroid belt or the Giordano Bruno crater on the Moon? A&A 706:.https://doi.org/10.1051/0004-6361/202558680
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5. Pravec, P. et al (2014) The tumbling spin state of (99942) Apophis. Icarus 233, 48–60. doi:10.1016/j.icarus.2014.01.026
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7. Ying J, Ji J, Jiang H, et al (2025) Rotational Characteristics and Surface Thermal Environment of Asteroid (469219) Kamo’oalewa: Target of the Tianwen-2 Mission. Chinese Journal of Space Science 45:736–748. https://doi.org/10.11728/cjss2025.03.2025-yg04
8. Sharkey BNL, Reddy V, Malhotra R, et al (2021) Lunar-like silicate material forms the Earth quasi-satellite (469219) 2016 HO3 Kamoʻoalewa. Communications Earth & Environment 2:231. https://doi.org/10.1038/s43247-021-00303-7
9. Zhang P, Zhang G, Wei Z, et al (2026) Tianwen-2 mission target asteroid (469219) Kamoʻoalewa probably develops an Itokawa-compositional but more space-weathered surface. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-026-73284-w
10. Wang Y, Hu S, Ji J, Ying J (2026) Dynamical Origin of (469219) Kamo‘oalewa of Tianwen-2 Mission from the Main Belt: ν6 Secular Resonance, Flora Family or 3:1 Resonance with Jupiter. Research in Astronomy and Astrophysics 26:041001. https://doi.org/10.1088/1674-4527/ae3b2d
11. Ren J, Wu B, Liu W, et al (2026) Thin regolith layer anticipated on the surface of the Tianwen-2 target asteroid (469219) Kamo‘oalewa. A&A 708:.https://doi.org/10.1051/0004-6361/202558588
作者簡介：季江徽，中國科學院紫金山天文臺研究員。研究方向：太陽系小天體動力學、系外行星系統形成與動力演化、深空探測軌道和技術等。
來源：中國科學院紫金山天文臺
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