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木星附近有个通道 冰冻小行星在那儿变成彗星
2019-11-13 07:39:04 来源: 科技日报
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        彗,埽竹也。故彗星有个别名——扫把星。中国民间传说彗星主扫除,见则有战祸或天灾。

        后来,随着观测手段逐渐增多、增强,人们发现,彗星这一天外访客堪称生命的使者。彗星上搭载的有机分子有可能在与星球撞击的过程中幸存下来,并成为被撞击天体上的生命种子。

        近日,美国亚利桑那大学月球与行星实验室的研究人员在《天体物理学杂志快报》上发表论文称,他们通过计算模拟发现了木星附近的一个轨道参数空间,在这一参数空间里,半人马小行星可加速变身为彗星,宛如彗星的摇篮。

        该研究中的彗星“摇篮”是如何被发现的?为何这个奇特的空间有彗星孵化器的功效?

        半人马小行星上演弹球大作战

        通常,天体会保持固定的形态和轨道特征,就像地球一直是个不规则的椭圆球体,孜孜不倦地在特定轨道上围绕太阳旋转,一年又一年。

        彗星则不会如此规矩。

        彗星是由彗核、彗发、彗尾三部分组成。彗星的彗核由冰物质构成,就像个脏雪球。当远离太阳时,这个“脏雪球”是由水、氨、甲烷等冻结的冰块和许多固体尘埃粒子构成的固态球体。当彗星接近太阳等恒星时,由于温度升高,彗核的冰物质升华,在冰核周围形成朦胧的彗发和一条稀薄物质流,就像条大尾巴,故称彗尾。受太阳辐射(主要是温度)影响,彗发和彗尾的形状会随着彗星与太阳距离的改变而变化。

        此次研究的对象除了彗星,还涉及到半人马小行星。半人马小行星是指一类在木星和海王星之间绕日运行的冰冻小行星。

        海王星是人们迄今为止发现的太阳系内最外层的巨行星,它就像是个强壮的“大块头”,守护着太阳系的门户。海王星以内,还有3颗巨行星,分别是天王星、土星及木星。

        南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇告诉科技日报记者,这4个“大块头”对周围小天体皆有巨大的引力作用。相对而言,小天体质量很小,稍有扰动,就会改变“航线”。因此,半人马小行星就像是弹球机里的球一样,一落到巨行星附近,就会被无形的引力大手拨一下,改变方向,没有一个固定的轨道。它们就在这张由巨型天体织成的引力网中漂泊流浪,直到被拽进木星轨道以内,奔向太阳,“蒸发”成彗星,被我们观测到;或是被抛出海王星之外,从此与太阳系再无交集。

        此次研究人员所使用的太阳系模型,包括太阳以及上述4颗巨行星,在研究彗星进入木星轨道附近之后的阶段还包括了类地行星。随后,再将上千个假想的半人马小天体测试粒子“扔”进该模型,这些测试粒子具有不同的轨道偏心率、周期、与太阳的距离等基本参数。经过数值模拟后,研究人员总结归纳了测试粒子的运行规律。

        结果显示,六成以上的测试粒子会经过某一特定区域,迅速演变成彗星,研究人员将这一区域称为“彗星通道”。但需要注意的是,该区域并非我们常说的空间位置范围,而是指轨道参数的范围,即参数空间。也就是说,半人马小行星受引力摄动影响改变轨道,当它的轨道参数变化到某一数值区间,可能会迅速“长”出彗发和彗尾,演变成彗星。

        “同化”后更易与木星亲密交汇

        很早之前,人们就发现,木星周围可能存在着一群彗星。彗星虽然是绕日运行的天体,但由于木星是距离太阳最近的巨行星,因此也会对彗星产生很大影响。后来,人们将周期为3—10年、远日点在木星轨道附近的彗星称为木星族彗星。

        半人马小行星与太阳的距离也作为此次研究中的一个参数,其数值在5.4—7.8个天文单位(约为1.496×108千米)之间。而木星与太阳的距离约为5.2个天文单位,也就是说,这一“彗星通道”就在木星附近,半人马小行星经此“通道”演变而成的彗星,自然也被归类为木星族彗星。

        木星轨道与海王星轨道相距约25个天文单位,是地球到太阳距离的25倍。如此广阔的空间里,为何单单这一“通道”具有如此独特的魔力,让半人马小行星迅速蜕变?此次研究的作者并未给出原因。

        “有这样一种可能,小天体受行星摄动时,可能会有较大的机会被‘同化’,其运行轨道会变成与该行星相近的轨道。当然,这种轨道并不稳定,仍是在不断变化的,只不过是在行星附近摆动。”周礼勇表示,如此一来,行星与小天体发生紧密交汇的几率将大大增加,半人马小行星就很有可能在与木星紧密交汇的时候被木星一下子“拽”过去,再被太阳逐渐“烘烤”成彗星,以明亮拖尾的壮观景象出现在我们的望远镜里。

        “当然,在没有确切证据之前,我们还可以作出很多假设。”周礼勇补充道,例如这一区域或与引力平衡点有关。引力平衡点,即拉格朗日点,可以简单理解为在两个较大天体和一个质量忽略不计的小天体组成的三体系统中,由于引力作用,空间中存在引力平衡点,若小天体处于这些点,则相对于两大天体基本保持静止。

        人们发现小天体往往倾向于沿着与这些平衡点相关联的轨道运动。半人马小行星本就在太阳和四个大行星的“夹缝”中求生存,它们优先选择与各行星的平衡点关联的轨道也是可以预期的结果。

        “通道”或已孕育更多彗星

        然而,研究人员并未止步于计算结果或假想内容。

        他们将人类已知的半人马小行星的轨道参数进行了筛选,发现其中3颗正位于该“通道”中。也就是说,我们今天的天空中,有3颗半人马小行星或将成为彗星。而且,其中一颗已然十分“躁动”,可看成是一种初期的彗星活动,它的名字为29P/Schwassmann-Wachmann 1(以下简称SW1)。

        SW1是于1927年发现的半人马小行星,据估算其直径约为65千米。尽管SW1离太阳太远,水冰无法融化,但它的高活跃性和频繁的爆发一直吸引着天文学家的目光。

        那么,正处于“彗星通道”的SW1是否具有代表性?其轨道演化会不会与其他半人马小行星轨道演化一致?为了找到答案,研究人员还模拟了来自海王星之外的小天体穿过海王星和木星轨道之间区域时的轨道演化过程。结果显示,超过五分之一的测试粒子在某个时间点进入了与SW1轨道类似的轨道。

        换句话说,尽管SW1似乎是目前已知的、少数通过“彗星通道”的天体中唯一的大型半人马小行星,但它应该不是个“怪咖”,或许在半人马小行星“圈子”里,这样历经“彗星通道”演变成木星族彗星的现象很常见。就像是人们在某一时刻拍了一张公园照片,也许照片上公园里面只有零零散散几个人,但公园自建成以来的人流总量必然远远多于这个数值。

        周礼勇表示,这项研究对上千颗测试粒子进行了数值模拟,突破了我们真实观测时的有限数据,帮助我们了解彗星的演化过程。但这项研究本质上可看成一种实验现象或最新发现。究竟是什么导致了这一现象的发生,其动力学机制究竟是什么?还有待更进一步的研究探索。(实习记者 于紫月)

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【纠错】 责任编辑: 吕芮光
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