木星附近有個(gè)通道 冰凍小行星在那兒變成彗星

　　彗，埽竹也。故彗星有個(gè)別名——掃把星。中國民間傳說彗星主掃除，見則有戰(zhàn)禍或天災(zāi)。

　　后來，隨著觀測手段逐漸增多、增強(qiáng)，人們發(fā)現(xiàn)，彗星這一天外訪客堪稱生命的使者。彗星上搭載的有機(jī)分子有可能在與星球撞擊的過程中幸存下來，并成為被撞擊天體上的生命種子。

　　近日，美國亞利桑那大學(xué)月球與行星實(shí)驗(yàn)室的研究人員在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上發(fā)表論文稱，他們通過計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)了木星附近的一個(gè)軌道參數(shù)空間，在這一參數(shù)空間里，半人馬小行星可加速變身為彗星，宛如彗星的搖籃。

　　該研究中的彗星“搖籃”是如何被發(fā)現(xiàn)的?為何這個(gè)奇特的空間有彗星孵化器的功效?

　　半人馬小行星上演彈球大作戰(zhàn)

　　通常，天體會(huì)保持固定的形態(tài)和軌道特征，就像地球一直是個(gè)不規(guī)則的橢圓球體，孜孜不倦地在特定軌道上圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，一年又一年。

　　彗星則不會(huì)如此規(guī)矩。

　　彗星是由彗核、彗發(fā)、彗尾三部分組成。彗星的彗核由冰物質(zhì)構(gòu)成，就像個(gè)臟雪球。當(dāng)遠(yuǎn)離太陽時(shí)，這個(gè)“臟雪球”是由水、氨、甲烷等凍結(jié)的冰塊和許多固體塵埃粒子構(gòu)成的固態(tài)球體。當(dāng)彗星接近太陽等恒星時(shí)，由于溫度升高，彗核的冰物質(zhì)升華，在冰核周圍形成朦朧的彗發(fā)和一條稀薄物質(zhì)流，就像條大尾巴，故稱彗尾。受太陽輻射(主要是溫度)影響，彗發(fā)和彗尾的形狀會(huì)隨著彗星與太陽距離的改變而變化。

　　此次研究的對象除了彗星，還涉及到半人馬小行星。半人馬小行星是指一類在木星和海王星之間繞日運(yùn)行的冰凍小行星。

　　海王星是人們迄今為止發(fā)現(xiàn)的太陽系內(nèi)最外層的巨行星，它就像是個(gè)強(qiáng)壯的“大塊頭”，守護(hù)著太陽系的門戶。海王星以內(nèi)，還有 3 顆巨行星，分別是天王星、土星及木星。

　　南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授周禮勇告訴科技日報(bào)記者，這 4 個(gè)“大塊頭”對周圍小天體皆有巨大的引力作用。相對而言，小天體質(zhì)量很小，稍有擾動(dòng)，就會(huì)改變“航線”。因此，半人馬小行星就像是彈球機(jī)里的球一樣，一落到巨行星附近，就會(huì)被無形的引力大手撥一下，改變方向，沒有一個(gè)固定的軌道。它們就在這張由巨型天體織成的引力網(wǎng)中漂泊流浪，直到被拽進(jìn)木星軌道以內(nèi)，奔向太陽，“蒸發(fā)”成彗星，被我們觀測到;或是被拋出海王星之外，從此與太陽系再無交集。

　　此次研究人員所使用的太陽系模型，包括太陽以及上述 4 顆巨行星，在研究彗星進(jìn)入木星軌道附近之后的階段還包括了類地行星。隨后，再將上千個(gè)假想的半人馬小天體測試粒子“扔”進(jìn)該模型，這些測試粒子具有不同的軌道偏心率、周期、與太陽的距離等基本參數(shù)。經(jīng)過數(shù)值模擬后，研究人員總結(jié)歸納了測試粒子的運(yùn)行規(guī)律。

　　結(jié)果顯示，六成以上的測試粒子會(huì)經(jīng)過某一特定區(qū)域，迅速演變成彗星，研究人員將這一區(qū)域稱為“彗星通道”。但需要注意的是，該區(qū)域并非我們常說的空間位置范圍，而是指軌道參數(shù)的范圍，即參數(shù)空間。也就是說，半人馬小行星受引力攝動(dòng)影響改變軌道，當(dāng)它的軌道參數(shù)變化到某一數(shù)值區(qū)間，可能會(huì)迅速“長”出彗發(fā)和彗尾，演變成彗星。

　　“同化”后更易與木星親密交匯

　　很早之前，人們就發(fā)現(xiàn)，木星周圍可能存在著一群彗星。彗星雖然是繞日運(yùn)行的天體，但由于木星是距離太陽最近的巨行星，因此也會(huì)對彗星產(chǎn)生很大影響。后來，人們將周期為3—10 年、遠(yuǎn)日點(diǎn)在木星軌道附近的彗星稱為木星族彗星。

　　半人馬小行星與太陽的距離也作為此次研究中的一個(gè)參數(shù)，其數(shù)值在 5.4—7.8 個(gè)天文單位(約為 1.496×108 千米)之間。而木星與太陽的距離約為 5.2 個(gè)天文單位，也就是說，這一“彗星通道”就在木星附近，半人馬小行星經(jīng)此“通道”演變而成的彗星，自然也被歸類為木星族彗星。

　　木星軌道與海王星軌道相距約 25 個(gè)天文單位，是地球到太陽距離的 25 倍。如此廣闊的空間里，為何單單這一“通道”具有如此獨(dú)特的魔力，讓半人馬小行星迅速蛻變?此次研究的作者并未給出原因。

　　“有這樣一種可能，小天體受行星攝動(dòng)時(shí)，可能會(huì)有較大的機(jī)會(huì)被‘同化’，其運(yùn)行軌道會(huì)變成與該行星相近的軌道。當(dāng)然，這種軌道并不穩(wěn)定，仍是在不斷變化的，只不過是在行星附近擺動(dòng)。”周禮勇表示，如此一來，行星與小天體發(fā)生緊密交匯的幾率將大大增加，半人馬小行星就很有可能在與木星緊密交匯的時(shí)候被木星一下子“拽”過去，再被太陽逐漸“烘烤”成彗星，以明亮拖尾的壯觀景象出現(xiàn)在我們的望遠(yuǎn)鏡里。

　　“當(dāng)然，在沒有確切證據(jù)之前，我們還可以作出很多假設(shè)。”周禮勇補(bǔ)充道，例如這一區(qū)域或與引力平衡點(diǎn)有關(guān)。引力平衡點(diǎn)，即拉格朗日點(diǎn)，可以簡單理解為在兩個(gè)較大天體和一個(gè)質(zhì)量忽略不計(jì)的小天體組成的三體系統(tǒng)中，由于引力作用，空間中存在引力平衡點(diǎn)，若小天體處于這些點(diǎn)，則相對于兩大天體基本保持靜止。

　　人們發(fā)現(xiàn)小天體往往傾向于沿著與這些平衡點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的軌道運(yùn)動(dòng)。半人馬小行星本就在太陽和四個(gè)大行星的“夾縫”中求生存，它們優(yōu)先選擇與各行星的平衡點(diǎn)關(guān)聯(lián)的軌道也是可以預(yù)期的結(jié)果。

　　“通道”或已孕育更多彗星

　　然而，研究人員并未止步于計(jì)算結(jié)果或假想內(nèi)容。

　　他們將人類已知的半人馬小行星的軌道參數(shù)進(jìn)行了篩選，發(fā)現(xiàn)其中 3 顆正位于該“通道”中。也就是說，我們今天的天空中，有 3 顆半人馬小行星或?qū)⒊蔀殄缧恰６遥渲幸活w已然十分“躁動(dòng)”，可看成是一種初期的彗星活動(dòng)，它的名字為 29P/Schwassmann-Wachmann 1(以下簡稱 SW1)。

　　SW1 是于 1927 年發(fā)現(xiàn)的半人馬小行星，據(jù)估算其直徑約為 65 千米。盡管 SW1 離太陽太遠(yuǎn)，水冰無法融化，但它的高活躍性和頻繁的爆發(fā)一直吸引著天文學(xué)家的目光。

　　那么，正處于“彗星通道”的 SW1 是否具有代表性?其軌道演化會(huì)不會(huì)與其他半人馬小行星軌道演化一致?為了找到答案，研究人員還模擬了來自海王星之外的小天體穿過海王星和木星軌道之間區(qū)域時(shí)的軌道演化過程。結(jié)果顯示，超過五分之一的測試粒子在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)入了與 SW1 軌道類似的軌道。

　　換句話說，盡管 SW1 似乎是目前已知的、少數(shù)通過“彗星通道”的天體中唯一的大型半人馬小行星，但它應(yīng)該不是個(gè)“怪咖”，或許在半人馬小行星“圈子”里，這樣歷經(jīng)“彗星通道”演變成木星族彗星的現(xiàn)象很常見。就像是人們在某一時(shí)刻拍了一張公園照片，也許照片上公園里面只有零零散散幾個(gè)人，但公園自建成以來的人流總量必然遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于這個(gè)數(shù)值。

　　周禮勇表示，這項(xiàng)研究對上千顆測試粒子進(jìn)行了數(shù)值模擬，突破了我們真實(shí)觀測時(shí)的有限數(shù)據(jù)，幫助我們了解彗星的演化過程。但這項(xiàng)研究本質(zhì)上可看成一種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或最新發(fā)現(xiàn)。究竟是什么導(dǎo)致了這一現(xiàn)象的發(fā)生，其動(dòng)力學(xué)機(jī)制究竟是什么?還有待更進(jìn)一步的研究探索。
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