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2020 CD3（小行星临时编号）是由莱蒙山天文台的天文学家 Theodore Pruyne 和 Kacper Wierzchos 于今年 2 月 15 日发现的一颗被地球临时捕获的小行星。在媒体报道中，这颗小行星也被称为地球的”第二月亮“。据估测，2020 CD3 的尺寸（1.9~3.5m）只和一辆汽车的大小差不多。
 由双子天文台（Gemini Observatory）拍摄的彩色合成图像。中间的亮点为 2020 CD3，周围彩虹颜色的拖迹为背景恒星。 |
来源：The International Gemini Observatory |
为什么这颗小行星的轨道这么特殊，以至于 2020 CD3 的萤烛之光（绝对星等 H=+36）也敢和月亮（绝对星等 H=+0.25）争辉呢？
我们先来看看 2020 CD3 的轨道是怎么样的吧：
| 2020 CD3 的轨道模拟。白色为月球轨道，月球轨道的中心为地球。 | 来源：Twitter @tony873004 |
根据对 2020 CD3 初始轨道的预估，这颗小行星很可能在 2017-2018 年被地球引力捕获，并将会于 2020 年 4 月最终离开地球。不过，现在小行星的轨道不确定性还很大，因此只有在获得更精确的轨道数据之后，我们才能对它的历史以及未来的行程有更精确的预估。
那么，为什么 2020 CD3 能在地球附近逗留这么长时间而不离开呢？什么又是被地球临时捕获的小行星？
牛顿曾经告诉我们，万物之间均存在引力。理论上讲，地球的引力虽然是可以延伸到无限远，但是一旦离地球足够远，超出某个边界距离之后，天体的运动将由太阳而不是地球主导。这个边界在天文学上被称为地球的希尔球（Hill Sphere，或者希尔域）。具体来说，行星希尔半径的公式为：
上面的公式中， 为行星轨道半长轴；
为行星质量；
为太阳质量。如果把地球数据带入的话，我们可以算得，地球的希尔半径为：
也就是说，地球希尔球半径大概是地月距离的 3.9 倍。而 2020 CD3 （上面动图所示）就在地球的希尔球附近以内不断地徘徊。每当它在接近地球希尔球边缘的时候，来自太阳的引力和来自地球的引力就会相差无几。这时候，一旦 2020 CD3 的速度再快点，就可以轻易地打破这种引力平衡，从地球的”第二月亮“变成一颗不起眼的太阳”小行星“。同样的道理，2020 CD3 之所以能被地球引力捕获，就是在接近地球希尔球的时候速度过慢，因而在机缘巧合之下成为了一颗地球的临时捕获小行星。
【拓展知识，可选择性跳过】
实际在天体力学上，临时捕获与长期捕获可以用圆形限制性三体问题（CRTBP）中的雅克比常数进行严格定义。不同的雅克比积分定义了 CRTBP 中小天体可以达到的区域，如下图所示：
 CRTBP 系统中雅克比积分对于禁行域（灰色区域）的影响。 |
来源：Koon et al. (2008) |
一旦小行星相对于日地系的能量（或者说雅可比常数）大于某个临界值（如上图中的 ），地球的希尔域就与太阳连通了。这时候，即使小行星被地球捕获，也只会是临时捕获，因为小行星尚有足够的能量再次逃离地球的希尔域。
不过，被地球长期捕获的天体（如月球）在日地系中的能量则小于上图中的 。这时候，地球的希尔域对于月球来说是封闭（图中的 Case 1）的，因此在不考虑其他因素的影响的话，月球将无法逃脱地球的引力束缚，它轨道也是稳定的。
想了解更多关于限制性三体问题的内容，可以阅读 Probe 写的专栏文章：
Probe：限制性三体问题初探——雅可比积分zhuanlan.zhihu.com
参考文献
- Koon, W. S., Lo, M. W., Marsden, J. E. & Ross, S. D. Dynamical systems, the three-body problem and space mission design. (2008)