彗星的轨道为什么是扁的呢?

作者: 王铮

来源: 国家空间科学中心微信公众订阅号

发布日期: 2018-03-10 10:15:38

彗星的轨道为什么是扁的呢?本文详细解释了彗星的形成位置、轨道特性以及为什么它们的轨道是扁的,主要是因为它们的起源地在太阳系的外围,轨道扁平是为了能够接近太阳从而发光发亮,形成我们熟知的彗星特征。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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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