在近地空间与主小行星带中，双小行星系统（“双星系统”）普遍存在。当前学界公认其中多数起源于小行星（“主星”）自旋加速导致的物质脱落，经典理论认为这一机制将产生一颗在主星洛希极限附近轨道上运转的扁长形卫星。然而，来自近年深空探测任务与天文观测的数据彻底打破了这一传统认知。例如，美国航空航天局的“露西”号太空探测器在对主带小行星“丁基内什”的飞越探测中，意外发现其卫星“塞拉姆”是由两个尺寸相近的“子叶”相接构成的“接触双星”异形卫星，且轨道距洛希极限较远。这些发现表明双小行星系统构型远比经典理论预测得丰富，这一多样性的起源机制也成为了小天体动力学领域的全新谜团。

为破解这一难题，清华大学航天航空学院航天动力学团队领导的国际合作团队提出了“多次物质脱落-多代卫星演化”动力学框架，首次为双小行星系统构型多样性的起源提供了系统性解释，并重现了“塞拉姆”等奇特卫星的形成历史，该成果对于太阳系小天体起源演化研究和我国开展行星探测工程具有重要科学价值。

“多次物质脱落-多代卫星演化”动力学框架艺术效果图（图片：吕一品/戴文越）

研究团队提出，由于碎石堆小行星的寿命远长于其自转加速的时间尺度，双小行星系统在其生命周期中往往会经历多次物质脱落事件，这意味着系统中的既有卫星可能显著影响后续脱落物质的演化。与此同时，既有卫星受潮汐或热辐射力的长期影响，其在后续物质脱落发生时也可能处于不同于其起源位置的轨道上。团队利用自主研发的软件系统，开展了主星脱落物质与既有卫星间相互作用的数值模拟研究，揭示了上述“多次脱落”与“轨道迁移”的“巧妙合奏”将可能导致系统进入三种不同的演化模式。其中，当既存卫星迁移到中等距离时，系统将进入“相互作用模式”，新形成卫星与既有卫星间的相互作用可能导致卫星出现潮汐瓦解、引力散射、低速合并等复杂过程，进而孕育出丰富的最终构型。

研究团队通过将模拟结果与稳定性理论结合，建立了脱落物质与既有卫星相互作用的理论模型，对对应于各动力学模式的参数范围给出了估计，并通过精细数值模拟证实了在“相互作用模式”参数范围内通过卫星合并生成“接触双星”异形卫星的可行性。

研究团队提出，“塞拉姆”卫星的当前动力学参数恰位于“相互作用模式”范围内，因此以上结果揭示了“丁基内什”系统的动力学演化历史，即“塞拉姆”的两叶由先后两次主星物质脱落事件所形成：先形成的一叶向外迁移到距主星中等距离的轨道上，随后在主星的第二次脱落事件中第二叶形成，并与第一叶合并成为“接触双星”。此外，本研究提出的动力学框架还展现出了强大的泛化解释能力，三星系统2001 SN263及Balam的特殊构型极有可能起源于多代卫星历史，我国“天问二号”任务目标天体主带彗星311P的短时多次物质抛射事件也可能与本研究揭示的卫星潮汐瓦解现象相关。

研究团队通过对已知观测数据的统计分析进一步提出，在目前所有已观测到的小型双小行星系统中，占总数约44%的系统处于对应于多代卫星演化历史潜在参数范围内，这意味着多代卫星历史在双小行星系统的演化中普遍存在，未来的天文观测与深空任务有望发现更多具有奇特构型的双星系统或多星系统。

研究成果以“以多代卫星解释双小行星系统多样化构型”（Diverse configurations of binary asteroids explained by multi-generation satellites）为题，于5月28日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

清华大学航天航空学院2021级博士生戴文越为论文第一作者，清华大学航天航空学院教授李俊峰、助理教授程彬，北京航空航天大学教授于洋为论文共同通讯作者。国际合作单位包括日本国立天文台、蔚蓝海岸天文台、密歇根州立大学、巴黎地球物理研究所等。研究得到国家自然科学基金项目的支持。