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彗星是如何起源的? 科學家研究太陽系的邊緣得出其是這樣誕生的


探索最新奇彗星是太陽系的一類特殊成員,它們大多長期運行在太陽系寒冷外域,內部演化程 度小,可能較多地保留其形成初期的遺蹟,從而為研究彗星起源演化以及太陽系起源提 供重要線索。然而,彗星起源研究也有觀測資料和理論兩方面的困難。長期以來,大量 觀測獲得的主要是彗發...

- 2018年7月10日02時24分
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探索最新奇

彗星是太陽系的一類特殊成員,它們大多長期運行在太陽系寒冷外域,內部演化程 度小,可能較多地保留其形成初期的遺蹟,從而為研究彗星起源演化以及太陽系起源提 供重要線索。然而,彗星起源研究也有觀測資料和理論兩方面的困難。長期以來,大量 觀測獲得的主要是彗發和彗尾的觀測資料,而實際上,雖然彗發和彗尾很龐大,但它們只 不過是從彗星很小的彗核蒸發出來的小部分物質。因此,彗星起源要研究的主要問題

是:彗核是什麼時間,在何處,從什麼物質,經歷怎樣的過程形成的?然而,過去對彗核了 解甚少,近年才由飛船探測到幾個彗核的資料,已提出多種多樣的彗星起源假說或理論。

在康德的太陽系起源星雲假說中,認為彗星是在原始星雲外圍,由最輕的物質形成 的。拉普拉斯則認為,彗星是在恆星際形成的,而後被俘獲到太陽系。

關於彗星是什麼時間形成的,有兩類不同看法:一類認為,彗星跟太陽系其他成員一 樣,是在46億年前形成的;另一類認為,彗星形成過程仍在延續著,但缺乏觀測依據。

關於彗星形成於何處,大體有三種看法:一是在恆星際形成;二是在太陽系的外緣區 形成;三是在太陽系的外行星區形成。如果僅從彗星軌道性質來看,這三種看法都是可 能的。橢圓軌道的彗星顯然必是太陽系成員,因此起源於太陽系內。拋物線和雙曲線軌 道的彗星似乎來自恆星際,因此起源於太陽系之外。但實際上問題並不這麼簡單,雖然 由觀測算出的彗星軌道是拋物線或雙曲線,但彗星的定位觀測誤差可能導致把橢圓軌道

誤算為拋物線乃至雙曲線。另外,行星的引力攝動改變彗星的軌道,尤其彗星經過巨行 星旁,受的攝動大而軌道變化也大。一些研究表明,大多數拋物線或雙曲線軌道的彗星 在仔細改正攝動後,其原來軌道仍為橢圓,說明它們還是太陽系的成員。當然,也不完全 排除某些彗星來自恆星際的可能性。

關於彗星是從什麼物質形成的,也有兩種看法:一種認為彗星是由恆星際物質形 成的;另一種認為彗星是由太陽系物質(原始星雲物質,或行星及衛星拋出的物質)形 成的。

關於彗星的形成過程,也有多種看法。有些人改進和發展了拉普拉斯的彗星起源於 恆星際的假說,認為在恆星際先形成凝聚體(彗星),然後被太陽引力俘獲到太陽系。他 們先假定這些凝聚體相對太陽的速度分布等因素,計算被俘獲到太陽系的軌道分布,再 與觀測情況對比,得到某些較符合的結果。但是,計算結果與設定因素有關,不能作為彗 星起源於恆星際的有力證據,而恆星際物質極其稀疏,沒有足夠條件形成凝聚體。還有

人認為,彗星是在星際雲里形成的,若是如此,那麼該星際雲中也可能形成恆星(太陽)和 行星,或者說彗星形成於太陽系以外的(恆星的)行星系中,這又歸結在太陽(-行星)系中 形成彗星的同樣問題。里特頓(R. A. Lyttleton)認為,在太陽運動經過恆星際過程中,恆 星際物質(或者宇宙塵)受太陽的引力作用,沿雙曲線在太陽運動的背側匯聚,發生碰撞

和結合而成為彗星;碰撞中消耗掉部分動能,最後結果是使其軌道變為拋物線和橢圓。
從理論上說,這種俘獲是可能的,但問題在於碰撞時動能轉化為熱能,使揮發物蒸發,因 而難以解釋彗星富含揮發物。格林伯格(J.M. Greenberg)提出,彗星形成於太陽前身的 密雲內,在塵粒上形成冰,而後冰-塵混合物沒有化學改變地聚集為彗星。

關於彗星由太陽系物質形成的假說可分為兩類:一類認為,由行星或衛星拋出的物 質形成彗星;另一類認為,原始太陽星雲物質在形成行星過程的殘存冰-塵星子成為 彗星。

早在1814年,拉格朗日提出,彗星由行星爆發拋出的物質形成。後來被進一步發 展,符謝斯比亞特斯基認為彗星是行星的火山爆發形成的,但受到批評,例如,假設木星 族彗星是由木星的爆發而形成的,那麼其拋出速度要60 km/s才可能進入行星際而繞太 陽公轉,而木星更不可能提供所需巨大能量拋到奧爾特雲;後來,他改為衛星爆發形成彗

星,同樣也難以解決能量問題。也有人認為,彗星可能是隕石撞擊木星的冰衛星而拋出 的冰塊形成的。的確,木星的冰衛星上有不少隕擊坑,而嚴重隕擊期是在39億年前,這 樣撞擊拋出的冰如真的形成彗星,那麼它們早已壽終正寢,故無法解釋現存的彗星。

奧爾特在1950年提出,原始彗星形成於太陽系外圍的原雲物質,並以各種軌道(隨 機分布)運行,受到路過恆星的引力攝動而改變軌道,可以運行到太陽系的內區來,似乎 彗星的軌道和物質成分有利於此假說。然而,關於彗星形成時間的問題還有不同看法, 有認為彗星和行星是同時形成的,也有認為彗星是在行星形成之前或之後由氣體凝 聚的。

卡米隆認為,原始太陽星雲的質量很大,在又自轉又收縮過程中形成半徑和質量都 很大的星雲盤,有90%物質留在幾百AU的低溫區,形成大量彗星,有些逃離太陽系,有 些進入奧爾特雲。

惠普爾(F. L. Whipple)認為,在離太陽4〇?50 AU的星雲盤低溫區,物質可凝聚成 富含冰的星子,形成一個彗星環帶,估計其總質量為0. 1M@,它們大部分聚集到天王星和 海王星上,另外一些受天王星和海王星的引力攝動進入太陽系內部,或奧爾特雲,或逃出 太陽系。

在戴文賽的太陽起源學說框架下,本書作者探討了彗星起源問題。在離太陽40 AU 以外的邊遠區,物質極為稀疏,推算表明,那裡不足以形成彗星帶;但在木星到海王星這 一區域的物質可聚集成含冰的星子,它們大多聚集於外行星,殘留的成為彗星。這些彗 星受外行星攝動而改變軌道,有的進入太陽系內部成為短周期彗星,有的進入奧爾特雲

或逃離到恆星際空間。由於冰星子形成於很大的區域,不同部位的環境和條件是不同 的,可以導致各彗星在結構和性質的差異。


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