13.4: 彗星及相关物体的起源和命运

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 描述半人马物体的特征
• 记录奥尔特云的发现并描述其构成
• 描述 Trans-Neptunian 和 Kuiper-Belt 物体
• 解释进入太阳系内部的彗星的拟议命运

我们在接近地球时注意到的彗星（尤其是首次出现的彗星）可能是我们可以研究的最原始的天体，它们在外太阳系的深度冻结中保存了数十亿年不变。 但是，天文学家发现了许多其他绕太阳绕行星运行的物体。

半人马座和 TNO

在外太阳系中，大多数天体都含有大量的水冰，小行星和彗星之间的区别就被分解了。 天文学家最初仍然使用 “小行星” 这个名字来表示发现的绕太阳运行的新天体，其轨道将它们带到远远超出木星的轨道。 这些天体中的第一个是凯龙，它是在1977年发现的一条路径上发现的，该路径将其从土星轨道内带到最接近太阳的距离（图\(\PageIndex{1}\)）。 据估计，凯龙的直径约为200千米，比任何已知的彗星都要大得多。

人物\(\PageIndex{1}\)凯龙的轨道。 凯龙每 50 年绕太阳运行一次，最接近的是在土星轨道内，距离天王星轨道最远。

1992 年，发现了一个更遥远的名为 Pholus 的天体，其轨道将它从太阳 33 AU 带走，越过海王星的轨道。 Pholus 的表面是太阳系中所有物体中最红的，这表明表面成分很奇怪（但仍然未知）。 随着在这些遥远地区发现越来越多的天体，天文学家决定将它们命名为古典神话中的半人马座；这是因为半人马半人半是马，而这些新天体显示了小行星和彗星的某些特性。

海王星轨道之外还有一个寒冷而黑暗的境界，由简称为跨海王星物体（TNO）的物体组成。 这些 TNO 中最早被发现，也是最著名的，是矮行星冥王星。 我们在关于戒指、月亮和冥王星的章节中讨论了冥王星和新视野号航天器与之相遇。 第二个 TNO 于 1992 年被发现，现在已知超过一千个，其中大多数比冥王星小。

冥王星之后最大的行星 —— 分别命名为 Eris、Makemake 和 Haumea —— 也被归类为矮行星。 除了体积小外，矮行星与较大的行星有许多共同的特性。 冥王星有五颗卫星，已发现两颗卫星绕豪美亚运行，一颗卫星分别在埃里斯和马克梅克盘旋。

柯伊伯带和奥尔特云

TNO 是所谓的柯伊伯带的一部分，柯伊伯带是海王星以外的大片太空区域，也是许多彗星的来源。 天文学家通过两种方式研究柯伊伯带。 新的、更强大的望远镜使我们能够直接发现柯伊伯带的许多较大构件。 我们还可以测量短周期彗星的构成，这些彗星被认为起源于柯伊伯带，来自海王星的微小引力扰动可以逐渐改变其轨道，直到它们能够穿透太阳系内部。 已经发现了一千多个柯伊伯带天体，天文学家估计，在一个从太阳延伸到大约 50 AU 的圆盘中，有超过 100,000 个直径大于 100 千米的天体。

继成功飞越冥王星之后，“新视野” 号航天器探索了柯伊伯带。 该团队最终确定了带中的一名成员，即2014 MU16（后来命名为Arrokoth），航天器轨迹稍有变化就可以到达该地带。 New Horizons 于 2019 年 1 月 1 日飞越阿罗科斯，距离仅 3,500 公里，获取图像和其他数据。 目标原来是联系人二进制文件，这是一种新的和出乎意料的东西（见图）。 通过向后跟踪它们的轨道，我们可以计算出新发现的彗星的 aphelia（离太阳最远的点）的值通常接近 50,000 AU（比冥王星远一千倍以上）。 荷兰天文学家扬·奥尔特（Jan Oort）首次注意到这种远日点距离的聚类，他在1950年提出了关于这些彗星起源的想法，至今仍被接受（图\(\PageIndex{2}\)）。

图\(\PageIndex{2}\) Jan Oort（1900—1992）。 (a) 扬·奥尔特首先提出，在太阳引力影响区域的边缘可能有大量冰冻块，即潜在的彗星核。 (b) 柯伊伯带天体的第一张彩色图像，名为 Arrokoth，于 2019 年 1 月 1 日在距离 “新视野” 号航天器 13.7 万公里处拍摄。 （来源（a）：此图片版权归莱顿天文台所有；来源（b）：NASA/JHU/SWRI）

可以计算出，恒星的引力影响范围（它可以施加足够引力以保持在轨道物体的距离）大约是其与最近的其他恒星距离的三分之一。 太阳附近的恒星的间隔使太阳的影响范围略高于50,000 AU，约合1光年。 但是，在如此远的距离内，绕太阳轨道的物体可能会受到经过恒星的重力的干扰。 然后，一些受干扰的物体可以进入轨道，使它们离太阳更近（而另一些则可能永远丢失在太阳系中）。

因此，奥尔特认为，我们看到的新彗星是物体在太阳势力范围边缘附近绕太阳运行的例子，其轨道受到附近恒星的干扰，最终使它们靠近太阳，在那里我们可以看见它们。 ¹ 源自这些彗星的古代冰冷物体库现在被称为奥尔特云。

天文学家估计，奥尔特云中大约有一万亿（10 ¹²）颗彗星。 此外，我们估计，在柯伊伯带（与海王星引力相连）和奥尔特云之间的空间体积中，绕太阳运行的冰冷物体可能约为这个数量的10倍。 这些物体仍未被发现，因为它们太微弱，无法直接看见，而且它们的轨道过于稳定，不允许其中任何一个向内偏离太阳。 因此，太阳系外围的冰天体或彗星物体的总数可能约为10万亿（10 ¹³），确实是一个非常大的数字。

10 ¹³ 颗彗星代表的质量是多少？ 如果我们假设彗星的大小和质量，我们可以做出估计。 让我们假设哈雷彗星的原子核是典型的。 它的观测体积约为 600 km ³. 如果主要成分是密度约为1 g/cm ³ 的水冰，则哈雷原子核的总质量必须约为6×10 ¹⁴ 千克。 这大约是地球质量的十亿分之一（^10—10）。

如果我们的估计是合理的，并且有 10 ¹³ 颗彗星具有这样的质量，那么它们的总质量将等于大约 1000 个地球，相当于所有行星的总质量。 因此，冰冷的彗星物质可能是太阳系中最重要的组成部分，仅次于太阳本身。

示例\(\PageIndex{1}\)：奥尔特云彗星的质量

假设奥尔特云包含 10 ¹² 颗彗星，每颗彗星的平均直径为 10 千米。 让我们估计一下奥尔特云总量的质量。

解决方案

首先，我们可以假设典型的彗星的大小与哈雷彗星和博雷利彗星差不多，直径为10 km，密度适合于水冰，约为 1 g/cm ³ 或 1000 kg/m ³。 我们知道密度 = 质量/体积\(V= \frac{4}{3} \pi R^3\)、球体的体积和半径\(R= \frac{1}{2}D\)。 因此，对于每颗彗星，

\[ \begin{array} \text{mass } & = \text{ density} \times \text{ volume} \\ ~ & = \text{ density} \times \frac{4}{3} \pi \left( \frac{1}{2} D \right)^3 \end{array} \nonumber\]

假设 10 km = 10 ⁴ m，则每颗彗星的质量为

\[ \begin{array} \text{mass} & = 1000 \text{ kg/m}^3 \times \frac{4}{3} \times 3.14 \times \frac{1}{8} \times \left( 10^4 \right)^3 \text{ m}^3 \\ & \approx 10^{15} \text{ kg} \\ & = 10^{12} \text{ tons} \end{array} \nonumber\]

为了计算云的总质量，我们将一颗彗星的典型质量乘以彗星的数量：

\[ \begin{align*} \text{total mass} &= 10^{15} \text{ kg/comet} \times 10^{12} \text{ comets} \\ & =10^{27} \text{ kg} \end{align*}\]

练习\(\PageIndex{1}\)

我们在上面计算的总质量与木星的质量相比如何？ 达到太阳的质量？ （给出数字答案。）

回答

木星的质量约为1.9×10 ²⁷ 千克。 上面计算的奥尔特云的质量为 10 ²⁷ 千克。 因此，云将包含大约半个木星的质量。 太阳的质量为 2 × 10 ³⁰ 千克。 这意味着 Oort 云将是

\[ \frac{10^{27} \text{ kg}}{ \left( 2 \times 10^{30} \text{ kg} \right)} =0.0005 \times \text{ the mass of the Sun} \nonumber\]

行星系统的早期演变

来自奥尔特云的彗星可以帮助我们采样在离太阳很远的地方形成的物质，而来自柯伊伯带的短周期彗星对太阳星云盘中小行星但没有形成行星的材料进行采样。 对柯伊伯带的研究也影响了我们对行星系统早期演变的理解。

奥尔特云和柯伊伯带中的物体有不同的历史，因此它们可能具有不同的构成。 因此，天文学家对比较来自这两个源区的彗星的详细测量结果非常感兴趣。 过去研究过的大多数明亮彗星（哈雷、Hyakutake、Hale-Bopp）都是奥尔特云彗星，但P67和其他几颗计划在未来十年进行航天器测量的彗星是来自柯伊伯带的木星家族彗星（表\(13.3.1\)）。

柯伊伯带由冰和岩石 planetesimals 组成，它们是行星基石的残余物。 由于它与海王星有引力联系，它可以帮助我们了解太阳系的形成和历史。 随着巨型行星的形成，它们的重力深刻地影响了柯伊伯带天体的轨道。 对行星系统早期演变的计算机模拟表明，巨型行星与剩余的小行星之间的引力相互作用导致木星的轨道向内漂移，而土星、天王星和海王星的轨道都扩大，携带柯伊伯带。

另一个假设涉及第五颗巨型行星，随着行星轨道的移动，它被完全驱逐出太阳系。 海王星的逆行（向后轨道）卫星 Triton（几乎和冥王星一样大）可能是海王星在轨道移动期间捕获的柯伊伯带天体。 显然，柯伊伯带可能为我们的太阳系如何达到目前的行星结构提供重要线索。

狩猎彗星是一种爱好

当 Comet Shoemaker-Levy 9 的共同发现者、业余天文学家大卫·利维（图）发现他的第一颗彗星时，他已经花了 928 个小时在漆黑的夜空中搜寻，徒劳无功。 但是第一颗彗星的发现只会激起他的胃口。 从那以后，他发现了另外8个人独自工作，另有13人与他人合作。 尽管有这个令人印象深刻的记录，但他在彗星发现数量的记录簿中仅排名第三。 但是大卫希望有一天能打破纪录。

在世界各地，敬业的业余观察者花了无数个夜晚在天空中寻找新的彗星。 天文学是业余爱好者仍然可以做出有意义贡献的为数不多的科学领域之一，而发现彗星是他们在天文史上确立自己地位的最令人兴奋的方式之一。 加州业余爱好者（兼彗星猎人）唐·马赫霍尔茨（Don Machholz）一直在研究彗星的发现。他报告说，在1975年至1995年之间，发现的所有彗星中有38％是由业余爱好者发现的。 这20年为业余爱好者产生了67颗彗星，相当于每年产生了将近4颗彗星。 对于新的彗星猎人来说，这听起来可能相当令人鼓舞，直到他们得知普通的业余爱好者在寻找彗星之前平均花费在420小时左右。 显然，这不是针对不耐烦的人的活动。

如果彗星猎人认为自己找到了新的彗星，他们会怎么做？ 首先，他们必须检查天体在天空地图集中的位置，以确保它确实是一颗彗星。 由于第一次见到彗星通常发生在它离太阳还很远的时候，在它有一条重要的尾巴之前，它看起来只是一个很小的、模糊的斑块。 在大多数业余望远镜中，星云（宇宙气体和尘埃云）和星系（遥远的恒星群）也是如此。 接下来，他们必须检查自己是否没有碰到一颗已知的彗星，在这种情况下，他们只能轻拍一下背部，而不是名利和荣耀。 然后，他们必须稍后重新观察或重新成像它，看看它在天空中的运动是否适合彗星。

通常，认为自己发现了彗星的猎人会得到该国其他地方的另一位彗星猎人来证实这一点。 如果一切顺利，他们联系的地方是位于马萨诸塞州剑桥的哈佛-史密森尼天体物理学中心的中央天文电报局（www.cbat.eps.harvard.edu/）。 如果这一发现得到证实，该局将把消息发送给世界各地的天文学家和天文台。 狩猎彗星的独特好处之一是，发现者的名字与这颗新彗星相关联，这是一种很少有爱好能比拟的宇宙名声。

图\(\PageIndex{3}\) David Levy。 业余天文学家大卫·利维在发现彗星方面排名世界第三。

彗星的命运

我们今天看到的任何一颗彗星都会在接近绝对零的温度下在奥尔特云或柯伊伯带中度过几乎全部存在。 但是，一旦彗星进入太阳系内部，它以前平稳的生命史就会开始加速。 当然，它可能会在最初靠近太阳的航行中幸存下来，然后回到过去45亿年的寒冷太空中。 在另一个极端，它可能与太阳碰撞或距离太近以至于在第一次近日点通道上被摧毁（已经用监视太阳的太空望远镜观察到过几次这样的碰撞）。 但是，有时候，新彗星离太阳的距离不那么近，而是与一颗或多颗行星相互作用。

SOHO（太阳和日光层天文台）收集了大量关于靠近太阳的彗星的视频。 在这个地点，ISON彗星接近太阳，据信在经过时被摧毁。

受到行星引力影响的彗星有三种可能的命运。 它可以（1）撞击地球，立刻结束故事；（2）加速并被弹出，永远离开太阳系；或者（3）被干扰进入周期较短的轨道。 在最后一种情况下，它的命运被封印了。 每当它接近太阳时，它都会失去部分物质，并且有很大的机会与行星发生碰撞。 一旦彗星进入这种短周期轨道，其寿命就开始用数千年而不是数十亿年来衡量。

几颗彗星因分裂而灾难性地结束了生命（有时没有明显的原因）（图\(\PageIndex{4}\)）。 特别壮观的是微弱的 Shoemaker-Levy 9 彗星的命运，它在 1992 年 7 月靠近木星时碎成了大约 20 块。 Shoemaker-Levy的碎片实际上是在环绕木星的非常长的两年轨道上捕获的，是已知木星卫星数量的两倍多。 但是，这只是木星家族的暂时丰富，因为在1994年7月，所有彗星碎片都坠入木星，释放的能量相当于数百万兆吨TNT。

图\(\PageIndex{4}\) Comet Breakup of LINEAR：（a）细节少得多的地面视图；（b）哈勃太空望远镜拍摄的更详细的照片，显示了 Comet LINEAR 原子核的多个碎片。 这颗彗星于2000年7月无缘无故地解体。 （请注意，在左视图中，所有片段都将光线混合在一起，无法区分。 短的对角线白线是在图像中移动的恒星，它跟踪移动的彗星。）

当每颗彗星碎片以每秒 60 千米的速度冲入木星大气层时，它会分解并爆炸，产生一个热火球，将彗星尘埃和大气气体带到高空。 这些火球的轮廓清晰可见，从地球上看，实际撞击点刚刚超出木星地平线（图\(\PageIndex{5}\)）。 当每一次爆炸羽流落回木星时，高层大气中一个比地球大的区域被加热到白炽灯并发出明亮的光芒大约 15 分钟，我们可以用红外感应望远镜探测到这种光芒。

图\(\PageIndex{5}\)：彗星撞击木星。 (a) 白色物体的 “串” 是接近木星的 Shoemaker-Levy 9 彗星的碎片。 (b) 彗星的第一个碎片撞击木星，接触点位于本图的左下方。 右边是木星的月亮，艾奥。 上图中同样亮点是彗星碎片燃烧到最大亮度。 大约 20 分钟后拍摄的底部图像显示了撞击产生的挥之不去的耀斑。 在木星中心附近可以看到大红点。 这些红外图像是用德国-西班牙望远镜在西班牙南部的卡拉尔阿尔托拍摄的。

事件发生后，乌云碎片沉淀在木星的平流层中，产生了长寿的 “瘀伤”（每处都比地球大），即使是小型望远镜也可以很容易地看到（图\(\PageIndex{6}\)）。 全世界有数百万人通过望远镜凝视木星，或者通过电视或网络关注木星。 2009年夏季，木星上出现了另一个较小的撞击特征（此后又出现了六个），这表明1994年的事件绝非独一无二。 看到木星上的这些大规模撞击爆炸有助于我们理解如果我们被彗星或小行星撞击将给我们的星球带来的灾难。

图\(\PageIndex{6}\)：尘云撞击木星。 这些特征源于彗星Shoemaker-Levy 9与木星的撞击，哈勃太空望远镜在撞击产生暗环（紧凑的背点来自另一个碎片）105分钟后用哈勃太空望远镜看到了这一点。 漫反射外圈的内边缘与地球的大小差不多。 后来，木星上的风将这些特征融合成一个广阔的地方，这个地方在一个多月内一直可见。

对于没有达到如此戏剧性结局的彗星，测量其大气中的气体和尘埃量使我们能够估算出一个轨道上的总损失。 通常，太阳附近一颗活跃彗星的损失率高达每天一百万吨，每个轨道的损失总计约为数千万吨。 按照这种速度，一颗典型的彗星将在经过几千个轨道后消失。 从长远来看，这可能是哈雷彗星的命运。

这段历史频道视频展示了电视纪录片系列《宇宙》中的简短讨论和动画，展示了Comet Shoemaker-Levy 9与木星的碰撞。

关键概念和摘要

奥尔特在1950年提出，长周期彗星来自我们现在所说的奥尔特云，奥尔特云将太阳环绕到大约50,000澳元（接近太阳引力影响范围的极限），包含10 ¹² 到10 ¹³ 颗彗星。 彗星也来自柯伊伯带，这是海王星轨道以外的圆盘形区域，从太阳延伸到50 AU。 彗星是外太阳系形成后遗留下来的原始天体。 一旦彗星被转移到太阳系内部，它通常在失去所有挥发物之前存活不超过几千个近日点通道。 有些彗星死得惊人：例如，Shoemaker-Levy 9 在 1994 年与木星碰撞之前碎成了 20 块。

词汇表

柯伊伯腰带

海王星以外动态稳定的空间区域（如小行星带）；大多数短周期彗星的源区

港口云

太阳周围的大型球形区域，大多数 “新” 彗星都来自该区域；大约 50,000 AU 处有 aphelia 的物体库

脚注

¹ 我们现在知道，并不是我们看到的每颗彗星都起源于柯伊伯带或奥尔特云。 在2017年和2019年，天文学家发现了两颗 “星际彗星”（分别命名为1I/Oumuamua和2I/Borisov），它们的轨道表明它们来自太阳系以外！ （Oumoumua 在夏威夷语中意为侦察兵或信使。）