铮铮有声|彗星的轨道为什么是扁的呢?

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彗星,因为它的外观,在古代又被称为扫把星,曾经被迷信的认为是灾祸的预兆,后来又被科学家认为是地球大气中的现象,而现在我们知道它是我们太阳系的一种天体。假如天气与时间合适,可以看到它拖着长而明亮的尾巴悬挂在星斗间,可谓是夜空中一道靓丽的风景。

彗星形成的位置非常遥远,离太阳最近的也是30倍日地距离以外,远的要上万倍日地距离(日地距离被定义叫做“天文单位”,用AU表示)。彗星的轨道基本是很扁的椭圆、抛物线和双曲线三种,太阳不在轨道中心,而是靠近轨道一侧的末端。椭圆形总是又长又扁,而抛物线和双曲线甚至不是闭合的曲线。轨道离太阳最近的位置叫近日点,离太阳最远的点叫远日点。抛物线和双曲线轨道的彗星是非周期性的,一去不复返,而椭圆形的轨道是周期性的,经过几十年、甚至上千上万年,它还会来到地球附近,被我们看见。

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明亮的“扫把星”

那么,为什么彗星的轨道这么“扁”呢?

很多朋友都知道,彗星有长长的尾巴,是因为彗星头部的彗核由冰物质和尘埃混合而成的,冰物质中除大部分是水冰之外,还有一氧化碳冰、二氧化碳冰(干冰)、氨冰和甲烷冰等;彗星接近太阳时,彗核的物质升华,挥发物质在太阳风作用下拖成一条稀薄物质流的尾巴,形状好像扫把,就叫彗尾。

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长长的彗尾

我们的太阳虽然硕大无比、发出强烈的光和热,但宇宙空间太广阔了——太阳到地球就好比隔着一个足球场,太阳是球场一端的一张1米宽的椅子,地球相当于球场另一端的一个指甲盖。因此,太阳系的绝大地方区域是黑暗而寒冷的。

不过幸好我们地球所在的距离太阳较近的区域是光明而温暖的。在太阳系里有一条“冻结线”(Frost line),也叫“雪线”(snow line)或“冰线”(ice line),距离太阳大约3倍的日地距离(3 AU),大约是在“小行星带”的内侧。这个线的定义是温度低到足以使挥发物质(如水、氨气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等)凝结成固态冰粒(也即是上文提到的彗核组成物质)。由这些物质的性质可以知道温度大概是开氏温度150度左右(150 K),而距离太阳大约3 AU处的太阳辐射大致能将物体加热到开氏温度150度。

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太阳系的“冻结线”(Frost line)

故而,在“冻结线”以内,比如我们地球,水、氨和甲烷等只能以液态或气态存在,所以不能形成天体;但这条线以外,这些成分则可以凝固成固体,从而成为天体的组成部分。在距离远到冥王星的位置甚至更远,如果天体质量较小、又缺乏热量让成分产生重分异,冰和岩石就会混在一起,俗称“脏雪球”,就可以形成彗星的彗核。

那么接下来我们分3种情况来看:

1.“脏雪球”在“冻结线”以内,且轨道是近似圆形

且不说彗核形成得了形成不了,这种情况冰冻的物质当然会挥发,形成“彗尾”,但是它距离太阳太近,一直都在挥发,太阳系形成了几十亿年,冰冻物质早就挥发完了,坚持不到今天。

如果一颗小天体的轨道始终在冻结线内,那么它就只会是一颗小行星,由岩石和金属组成,不会有挥发性物质。不排除有少数彗星因为大行星的引力被整体移入了冻结线以内,但它很快就会挥发殆尽。

2.“脏雪球”在“冻结线”以外形成,且轨道没有那么“扁”

当彗星飞到离太阳较近时,如果足够近,比如轨道近日点距离太阳5 AU附近(木星Jupiter轨道范围)以内在光照下才足够的亮,在3 AU的“冻结线”附近其挥发物质才形成明显的彗尾,才能被我们肉眼看见、称之为彗星。如果“脏雪球”的轨道不“扁”,始终不进入到“冻结线”以内,这样的“彗星”永远没有被加热到挥发以产生彗尾的机会,也就不叫彗星,它就只是“脏雪球”而已,和它起源地大大小小的其他天体一样。

彗星只有燃烧自己的生命、发出绚烂光芒的时候才叫“彗星”!

而集结了“脏雪球”的,就是彗星的起源区——柯伊伯带(Kuiper Belt)和奥尔特云(Oort Cloud)。柯伊伯带距离太阳大约是日地距离的30倍,奥尔特云距离太阳则是日地距离的5万至10万倍。

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太阳系的柯伊伯带(Kuiper Belt)和奥尔特云(Oort Cloud)图示

3.

“脏雪球”在“冻结线”以外形成,轨道很扁。

近日点接近“冻结线”,远日点远离太阳,这才是我们平时所说的彗星。大部份的彗星都来在遥远的奥尔特云。在那里它们虽然也绕着太阳转,但太阳如此的遥远,在那里看太阳亮度比地球上看天狼星还暗一些,引力和光、热都比较小。这里“脏雪球”更容易受到附近恒星引力影响,也可能因为碰撞改变了速度,从而向内太阳系飞来(当然也可能飞向太阳系之外)。多数彗星在向太阳进发时是沿着双曲线或抛物线轨道的,但彗星在来的路上受到其他星体引力影响改变轨道,就可能变成椭圆轨道,由非周期彗星变成新的周期彗星。

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彗星形成示意图,5 AU是木星Jupiter轨道范围,

“冻结线”在更近的3 AU位置

不过,以非常扁的椭圆绕太阳运行、但又不足以到达“冻结线”从而挥发的天体,在离我们很远的外太阳系也并不少见,如遥远的小天体“塞德娜”(Sedna),它的近日点(76 AU)也比冥王星轨道更远,而远日点更是达到1000 AU;它的物质不会挥发产生“彗尾”,因此它也同样不是彗星。

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示意图:“塞德娜”的轨道近日点也比冥王星轨道更远

所以,综上来说,“脏雪球”的轨道不扁就不足以从遥远的起源地来到内太阳系的“冻结线”,不来到距离太阳这么近就不会因为太阳的热量大量挥发、发光发亮,不发光发亮、拖着长长的尾巴就不叫彗星了;因此,这是一个“先有鸡还是先有蛋”的问题……

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