要論天然衛星的數目，我們的地球在太陽(yáng)系里可排不到前排。
土星和木星這些巨行星，動(dòng)輒有幾十顆衛星環(huán)繞。2019年，土星還新發(fā)現了20顆衛星，一舉超過(guò)木星，成為太陽(yáng)系已知衛星數目最多的行星。天王星和海王星也各有近二十顆衛星。
倒是在內太陽(yáng)系的類(lèi)地行星里，地球勉強可以充充老大。
比我們離太陽(yáng)更近的水星和金星，一顆衛星都沒(méi)有。外側的火星倒是有兩顆衛星，個(gè)頭都只有幾千米大小。而我們美麗的地球呢，也有兩顆天然衛星，其中一顆是我們熟悉的月亮，個(gè)頭比水星小不了多少……
嗯，地球有了一顆新月亮，不過(guò)并沒(méi)有圖上這么夸張…… | Youtube
等一下！你是說(shuō)，地球有兩顆衛星？除了月球，還有另外一顆？在哪呢，怎么看不到！
別找啦。這另外一顆呀，也是迷你衛星，大小只有兩米，比肉眼能看到的最暗的星還要暗幾百萬(wàn)倍。上個(gè)月剛被發(fā)現，不過(guò)可能它不習慣地球引力的束縛，下個(gè)月就要走了。
卡塔琳娜巡天的發(fā)現
2020年2月15日夜，一顆快速運動(dòng)的小天體，突然出現在卡特琳娜巡天項目（CSS，Catalina Sky Survey ）1.5米望遠鏡的視野，在4張照片序列中劃出4條短短的軌跡。
對于專(zhuān)門(mén)研究近地天體的卡特琳娜巡天來(lái)說(shuō)，看到這種臨時(shí)飛過(guò)的小家伙不算罕見(jiàn)，正在觀(guān)測的天文學(xué)家 Kacper Wierzchos 和 Teddy Pruyne 照例將其上報國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì )小行星中心（MPC，Minor Planet Center），標記為新發(fā)現的近地天體候選體。
小行星中心也照例通知全球參與合作的望遠鏡，做后續觀(guān)測，以便獲得其精確的運行軌道。
發(fā)現 2020 CD3 的4張30秒曝光的照片序列 | 卡特琳娜巡天，亞利桑那大學(xué)
兩位天文學(xué)家在上報的時(shí)候已經(jīng)意識到，這家伙移動(dòng)速度太快了。4張照片序列的始末間隔約半小時(shí)，而它用這么短的時(shí)間就走過(guò)了上圖8角分的視場(chǎng)，差不多相當于肉眼所見(jiàn)滿(mǎn)月大小的1/4。而且在每幅照片30秒的曝光里，它也劃出了明顯的軌跡。這么快速的移動(dòng)，說(shuō)明它很可能運行在地球鄰近的空間。
莫非是一顆路過(guò)家門(mén)口的近地小行星？
隨著(zhù)全球其它天文臺的加入，觀(guān)測數據越來(lái)越詳細。一天之后，有天文學(xué)家率先在社交媒體上發(fā)文：它可能是幾年前被地球引力捕獲的一顆迷你月亮！并附上了22小時(shí)觀(guān)測數據擬合出的軌道。隨即，這一天體在網(wǎng)絡(luò )上激起熱烈的討論。
有人猜測它可能是在高軌道運行的人造天體，比如發(fā)射其它行星探測器時(shí)半路丟下的火箭助推器，亦或是高軌衛星。但是伴隨后續更多觀(guān)測數據的出現，它的軌道被測定得越來(lái)越精準，與人造天體數據庫里的軌道記錄并不相符。
那有沒(méi)有可能是未被記錄在案的人造天體呢？相比于自然天體，人造天體往往會(huì )反射更多的陽(yáng)光，因而軌道也會(huì )受到太陽(yáng)光壓的顯著(zhù)影響。而新發(fā)現的這個(gè)小天體，后續觀(guān)測數據顯示，它的軌道似乎沒(méi)有受到太陽(yáng)光壓的明顯影響。因此，這種可能性也可以被排除了。
國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì )小行星中心發(fā)表的 2020 CD3 電子通報
10天之后的2月25日，小行星中心發(fā)表電報，授予它臨時(shí)編號 2020 CD3，代表2020年2月前半月發(fā)現的第79顆小行星，并將其歸類(lèi)為“被暫時(shí)捕獲的天體”（Temporarily Captured Objects, TCOs），或者叫“臨時(shí)衛星”（Temporarily Satellite）。
它是歷史上第二顆歸入此類(lèi)的天體。
臨時(shí)衛星 2020 CD3 的混沌軌道
這塊體長(cháng)約2米的臨時(shí)工…… 不對，是臨時(shí)衛星，之前不在這里，未來(lái)也不久留，只是來(lái)地球的引力場(chǎng)中兜幾圈。小家伙這么隨性的運動(dòng)軌跡，地球和月球同意嗎？
還真別說(shuō)，這軌道就是地球月球一致同意的。
2020 CD3 的運行軌跡，從2017年開(kāi)始環(huán)繞地球，到2020年4月從左下端離開(kāi)。白色代表月球軌道 | Tony Dunn
根據現有的觀(guān)測數據，天文學(xué)家將 2020 CD3 放入地球月球共同的引力場(chǎng)中，對它做了回溯性數值模擬。結果顯示，大約在2017年前后，它才緩慢進(jìn)入地球引力范圍而被捕獲，這一待就是3年。
受到地球和月球兩顆大天體的引力拖拽，它幾乎沒(méi)有穩定的周期性軌道，而是繞出了一團非閉合的混沌軌道。這意味著(zhù)它運行期間，沒(méi)有哪段時(shí)間能夠安安心心地完整繞地球轉上一圈，倒確實(shí)像是個(gè)臨時(shí)工，把地球鄰近的空間逛了個(gè)遍。
如果沒(méi)有月球，被地球捕獲的小天體可能就像火星捕獲的兩顆小衛星那樣，會(huì )長(cháng)久地留下來(lái)。事實(shí)上，由于月球的存在，被捕獲的小天體每一次靠近月球，都會(huì )被其引力踢一腳或者拉一把，一段時(shí)間過(guò)后，與月球過(guò)多的相遇，使小天體獲得過(guò)多的軌道能量，最終一定會(huì )逃脫地球的吸引。
這也說(shuō)明，地球曾經(jīng)捕獲和未來(lái)可能捕獲的小天體，都只能是“臨時(shí)衛星“，轉不了正的。
2020 CD3 的動(dòng)態(tài)運行軌跡 | Tony Dunn
通過(guò)高精度的數值模擬，可以相對準確地縱觀(guān) 2020 CD3 過(guò)去和未來(lái)的軌道。
它離地球最近的時(shí)候，只有地月距離的1/5，大約比地球同步軌道遠1倍的距離，最遠時(shí)則跑到了4.5倍地月距離，幾乎就要逃脫地球引力。
把數值模擬的時(shí)間軸轉向未來(lái)，會(huì )發(fā)現它在1月中旬通過(guò)了自己的最后一次近地點(diǎn)，開(kāi)始走上離開(kāi)地球的軌道。
2月15日被發(fā)現的時(shí)候，它與地球相距大約30萬(wàn)千米，稍近于地月距離，視亮度20等。
2月25日正式公布臨時(shí)衛星分類(lèi)和編號的時(shí)候，它已經(jīng)運行到2.5倍地月距離，視亮度23等，小型望遠鏡很難再觀(guān)測到它。
到4月初，它將完全離開(kāi)地球的引力控制，重新成為一顆環(huán)繞太陽(yáng)運動(dòng)的小行星。
2020 CD3 的視亮度隨時(shí)間的變化 | Hanno Rein
這3年來(lái)，這顆迷你衛星一直相伴地球和月球左右，天文學(xué)家卻沒(méi)能及時(shí)找到，直到它跟地球說(shuō)完再見(jiàn)，我們才碰巧發(fā)現了它，但已經(jīng)來(lái)不及仔細研究了，不得不說(shuō)有些遺憾。
僅有的兩顆“臨時(shí)衛星”
2020 CD3 是歷史上的第二顆地球的“臨時(shí)衛星”，第一顆是2006 RH120。它在2006年同樣由卡特琳娜巡天項目發(fā)現，1年之后的2007年離開(kāi)了地球束縛，成為環(huán)繞太陽(yáng)的小行星。
隨后的14年里，全球新發(fā)現了上萬(wàn)顆靠近地球的小天體，竟然沒(méi)有一顆是被地球捕獲的。好不容易現在又找到了一顆，人家都已經(jīng)要離開(kāi)了……
2006 RH120的動(dòng)態(tài)運行軌跡 | HORIZONS System, JPL, NASA, Phoenix7777
想在未來(lái)彌補這樣的遺憾，首先要弄明白，它們?yōu)楹稳绱讼∮小?/p>
原因主要有以下幾點(diǎn)：
第一，存在時(shí)間短。正如前面討論 2020 CD3的混沌軌道，月球帶來(lái)的引力擾動(dòng)，使它們圍繞地球運動(dòng)的持續時(shí)間，大約只有數年。
第二，捕獲條件苛刻。在被地球捕獲之前，它們的軌道不僅要靠近地球，而且要和地球共軌道，在這個(gè)基礎上，以某些特定的速度和方向進(jìn)入地球周?chē)?，才能夠被捕獲，否則只會(huì )從地球周?chē)b遠的地方飛掠而過(guò)。但值得注意的是，這些曾經(jīng)被捕獲的小天體也傾向于重復捕獲。
第三，該類(lèi)巡天項目遠未飽和。如果把夜空比作星辰大海，那這樣的搜尋就是大海撈針。搜尋的望遠鏡數量不夠多，或者說(shuō)效率不夠高。以卡特琳娜巡天項目中1.5米口徑望遠鏡為例，它的視場(chǎng)為5平方度，已經(jīng)算是相當大了?？膳c全天總面積41252.96平方度相比，這臺望遠鏡只能覆蓋萬(wàn)分之一之天空。這臺望遠鏡30秒曝光的極限星等約21.5，無(wú)法看到尺度小于1米的小天體。巡天項目的不足，導致大量的候選天體錯過(guò)發(fā)現窗口。
這一條也是最重要的原因。
正在建設的薇拉·魯賓天文臺 | LSST Project/NSF/AURA
近年的一些研究顯示，地球暫時(shí)捕獲小行星的概率可以達到0.2%~0.3%，考慮到今天估計的近地小行星數量為百萬(wàn)到千萬(wàn)顆，那么地球周?chē)繒r(shí)每刻都可能存在至少一顆長(cháng)約1米的臨時(shí)衛星。只不過(guò)它們太暗了，無(wú)法觸及今天大多數巡天項目的靈敏度極限。
好在薇拉·魯賓天文臺（Vera C. Rubin Observatory）的大型綜合巡天望遠鏡（Large Synoptic Survey Telescope，LSST）即將建成。在開(kāi)始觀(guān)測的第一個(gè)10年中，它有望發(fā)現大批地球的臨時(shí)衛星。
2016年8月22日，一顆低速進(jìn)入大氣層的火流星被澳大利亞南部的火流星監測網(wǎng)記錄到。依據它緩慢的速度猜測，它的前身可能是地球的臨時(shí)衛星，大小約20厘米 | Shober et al.
空曠的地球軌道
2020 CD3 是卡特琳娜巡天項目發(fā)現的。這個(gè)巡天項目的科學(xué)目標，是發(fā)現和追蹤近地天體，分析它們的軌道、大小和成分，研究它們的統計分布和軌道的動(dòng)力學(xué)演化。如果它們的軌道和地球相交，最近距離小于20倍地月距離，且直徑大約140米，則被歸類(lèi)為對地球的潛在威脅天體（Potentially Hazardous Objects，PHOs）。
截止目前，記錄在冊的近地小天體大約有兩萬(wàn)顆，其中潛在威脅天體有9%，大約兩千顆，數量不算多。通過(guò)持續的跟蹤觀(guān)測，對于直徑百米以上的大家伙，軌道預測已足夠精準，在未來(lái)的100年里幾乎沒(méi)有可能撞上地球。
算上全部已知的近地天體，直徑大于1千米的共有約1000顆。而在火星和木星軌道之間的主小行星帶里，同樣大小的小行星數量有100萬(wàn)顆。相比之下，地球軌道周?chē)闶窍喈斂諘缌恕?/strong>
夏威夷莫納克亞北雙子天文臺8米望遠鏡拍攝的 2020 CD3，位于中心處。由于它相對背景恒星高速移動(dòng)，當望遠鏡在跟蹤 2020 CD3 觀(guān)測時(shí)，原本不動(dòng)的背景恒星此時(shí)劃出與 2020 CD3 運動(dòng)相反方向的軌跡。觀(guān)測使用了紅綠藍三個(gè)通道，因此恒星軌跡為紅綠藍三色 | Gemini Observatory/NSF/AURA/G. Fedorets
只考慮2020 CD3 這種汽車(chē)大小的近地天體，目前的發(fā)現數量約有一萬(wàn)顆。
其中有多少能飛掠地球附近呢？
如果將范圍限定在地月距離，過(guò)去1年里約有50顆飛掠。想象一下，在38萬(wàn)千米為半徑的圓盤(pán)上停了50輛小汽車(chē)，又誰(shuí)能察覺(jué)呢？
如果將范圍縮小到地球本身，那么每年將只有一到兩顆闖入地球大氣層，隨后會(huì )化作一顆火流星，在高層大氣中燃燒殆盡，幾乎不可能有隕石墜落地面。
地球就運行在如此空曠的太空之中。為了研究太陽(yáng)系里的小行星，美國NASA發(fā)射了冥王號（OSIRIS-REx）入軌直徑500米的近地小行星貝努（Bennu），進(jìn)行采樣返回，任務(wù)持續7年；日本則相繼發(fā)射了隼鳥(niǎo)號（Hayabusa）和隼鳥(niǎo)2號（Hayabusa2），分別對近地小行星糸川（Itokawa）和龍宮（Ryugu）進(jìn)行采樣返回，每項任務(wù)也是6到7年。
2018年，NASA的冥王號飛抵小行星貝努（左），當時(shí)JAXA的隼鳥(niǎo)2號（右）正在小行星龍宮考察 | MASA Planetary Log
看著(zhù)此刻剛剛離開(kāi)地球的 2020 CD3 ，再回想一下 2006 RH120，科學(xué)家不禁產(chǎn)生出了一個(gè)新的腦洞 —— 與其設計復雜的軌道登陸遙遠的小行星，為什么不就地探訪(fǎng)送上門(mén)來(lái)的小行星呢？
一方面，諸如LSST這樣的大口徑高效率巡天項目即將上線(xiàn)，可以帶來(lái)前所未有的高精度近地小天體軌道數據，或許還會(huì )發(fā)現大批量被地球捕獲的臨時(shí)衛星和海量低速飛掠地球的小行星。后續的長(cháng)期監測，甚至能追蹤它們再次被地球捕獲的可能。
另一方面，在不遠的未來(lái)，可以預期各國的國有航天和全球的民營(yíng)航天也將繼續提升火箭發(fā)射效率，做到隨時(shí)等候發(fā)射。一旦這類(lèi)小天體的軌道合適，即可啟程開(kāi)展探測任務(wù)。
未來(lái)，在地球的家門(mén)口，說(shuō)不定就能進(jìn)行小行星采樣，甚至采礦了。
到時(shí)候，地球已知天然衛星的數目，說(shuō)不定真的有希望跟那些巨行星一較高下了呢！
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