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探索彗星构成和来源,对了解太阳系的演变有何作用?, 作者:文/虞子

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作者:文/虞子期

于当代人而言,我们都知道彗星是一种呈现出云雾状的绕日运动天体,它的亮度和形状会随日距变化而变化,而其构成和太阳系的形成之间有密不可分的关系。但在遥远的过去,那时的人们对彗星充满了敬畏和惊恐,认为它们是天空中无法预测的“长发恒星”,因其形状像扫帚,所以俗称扫帚星。而就本质而言,彗星其实就是岩石和尘埃汇聚在一起的宇宙雪球,随着彗星和太阳之间的距离越来越接近,其中的一些冰开始融化,并随着尘埃颗粒一起蒸发。为什么科学家们要花如此多的时间来探索这些太空岩石,探索彗星构成和来源,对了解太阳系的演变有何作用?

为什么我们关心太空岩石

在太阳系至少长达45亿年的历史中,人类的存在只是其中极小的一部分,因而,并不会有人能够看到,行星从形成到发生巨变的全过程。若要充分理解我们眼前的事物,唯一的途径就是探寻神秘而遥远的过去,而这个过去的线索只存在于地球上的生命诞生之前,甚至是地球本身形成之前。而彗星这样的小物体,就可以帮助科学家们追踪太阳系的历史和演变。无论是遥远的冰冷的彗星,还是小行星,它们中的每个太空岩石,都包含了很多事件的线索,虽然它们的内部可能并不没有巨大的火山、全球海洋或沙尘暴的存在,但这样的小世界却可以回答许多太阳系起源的重大问题,正是这些事件塑造了如今的太阳系,其中也包括我们地球上的生命。

太阳系是由尘埃粒子在其周围的圆盘中旋转而形成,虽然圆盘的大部分材料都落入了新生恒星中,但仍有些部分材料逃脱命运并粘在一起,而后形成了小行星,彗星甚至是行星。因此,来自较小物体的行星的增长,也成为了太阳系历史的一部分,而彗星就可以帮助科学家们进行调查。这些看似渺小的世界,可能就是改变游戏规则的人,它们参与了太阳系缓慢而稳定的演变过程,并影响着行星的大气和生命机会,地球便是这个故事中的一部分。这些小世界也可能负责为地球播种生命的成分。比如,研究它们有多少水,它们如何帮助在地球上种下生命的证据,彗星和其他小型物体都拥有太阳系诞生时存在的物质,要想知道它们来自于何处,就必须研究这些物体。

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关于彗星属性的一些基本事实

大约46亿年前,彗星是我们太阳系诞生后的剩余物,主要由涂有深色有机物质的冰构成,它们被称为“肮脏的雪球”。 彗星可能将水和有机化合物(生命的基石)带到早期地球,以及太阳系的其他部分,它们可能会产生关于太阳系形成的重要线索。在柯伊伯带中,甚至更远的奥尔特云,可能有数十亿颗彗星绕太阳运行。每颗彗星都有一个微小的冰冻部被称为核,一般情况下不超过几公里,而核包含冰冷的块状物,它们是冻结的气体和一些嵌入的灰尘。当一颗彗星的轨道让其靠近太阳时,它会被加热,并将灰尘和气体喷射到比大多数行星更大的巨大发光头中。此时,它的尘埃和气体会形成一条尾巴,和太阳相距数百万英里。实际上,彗星有两个尾巴,分别是一个尘埃尾巴和一个离子(气体)尾巴。

长期以来,科学家们一直希望研究彗星的各种细节。彗星拥有椭圆 、抛物线、双曲线三种轨道。其中的椭圆轨道彗星又被叫做周期彗星,而另两种轨道的彗星则被称为非周期彗星,同时,周期彗星又被分为短周期彗星和长周期彗星。一般情况下,彗星是由彗头和彗尾两大部分组成,其中的彗头又包括彗核和彗发两部分。但现实世界中的彗星,并不都具有彗核、彗发、彗尾等结构。那些彗尾体积较大的彗星,可长达上亿千米,并且,它的形状各异,有的甚至还不止一条彗尾。它们总是向着背离太阳的方向延伸,且越靠近太阳,彗尾就越长。彗星没有固定的体积,当他远离太阳时,体积很小;当其接近太阳时,彗发则会变得越来越大,且彗尾变长,整体体积变得十分巨大。除了一些周期性的彗星以外,还不断有开放式或封闭式轨道的新彗星造访内太阳系,彗星是一种很特殊的星体,它与生命的起源可能有着重要的联系。

大而遥远的彗星比以前常见

彗星核的表面是由凝结成冰的水,加上干冰、尘埃、氨和岩石混杂而成,要确定彗星的核大小,需要减去彗星中尘埃和气体的行为模型,以获得核心尺寸。科学家们发现,长周期彗星的长度达到了之前预测值的七倍左右,其轨道由木星的引力塑造,长周期彗星的平均值是“木星彗星”的两倍左右。我们现在知道了,来自奥尔特云的古代物质比我们想象的还要多,因为,彗星的数量就能说明太阳系形成时留下的物质数量。但奥尔特云太遥远,虽然目前的望远镜还无法看到它,但它却被认为是太阳系最外缘的小冰体,并呈现出球形分布。其中彗星密度很低,且发生碰撞的几率很小。彗星有一种“昏迷”状态,即一团气体和尘埃在图像中显得模糊,掩盖住了彗星核。但是科学家通过使用WISE数据,就能够“减去”整个彗星的“昏迷”,并估计这些彗星的核大小。

木星家族和长周期彗星之间存在着进化差异,经过太阳的彗星,往往比那些花太多时间远离太阳的彗星更小。长周期彗星的轨道聚集,表明了可能有更大的身体分裂形成这些群体;存在比预测更多的长周期彗星,表明了它们中可能有更多的彗星撞击了行星,并从太阳系的外部输送了冰冷的物质。彗星旅行比小行星快得多,并且其中一些个头非常大,这样的研究将有助于科学家们确定长期彗星可能造成的危害。大而遥远的彗星比以前认为的更常见,这样的结果对于评估彗星撞击太阳系行星(包括地球)的可能性非常重要。众所周知,对于生命的发展而言,水是至关重要的,因此,科学家们不仅要了解地球上的水如何进行输送,而且还要了解这个过程是否也适用于其他行星系统。

彗星和地球海洋中水的起源

因为我们的地球拥有很多的水,所以才能让我们的“蓝色星球”支持如此庞大惊人的生命阵营。而彗星就像一个雪球,由岩石、灰尘、冰和其他冷冻化学物质组成,当它们的身体靠近太阳的时候,便会发生蒸发形成我们所看到的尾巴。围绕恒星绕盘形轨道运行的碎片形成了行星,那些小碎片可以粘在一起,并随着的时间推移而逐渐变大,太阳系的区域里其余剩下的碎片仍然存,而彗星便来自这些区域,但只有当它们的轨道使其更靠近太阳时,我们才能看到它们。研究人员预测,来自早期太阳系中与我们的星球相撞的携水体,是我们地球海洋中的水的来源,这一点和如今富含冰的彗星很类似。但这些物体在形成盘中的位置是怎样的,大家目前还不得而知。

科学家们在彗星Wirtanen的冰粒中,发现这颗彗星含有“海洋般的”水,通过数据分析得出,彗星Wirtanen的水比和地球上的海洋一致,常规水与重水的比例和彗星的起源无关,却与彗星“昏迷”中冰粒释放的水量存在关联。这可能意味着,所有彗星都具有类似于地球海洋的重水和常规水的水比,并且它们本可以将大部分水输送到地球。简而言之,这些数据表明了,彗星和地球海洋中的水可能有共同的起源。这个结果强化了彗星在数十亿年前将水引入地球的关键作用。因为从冰粒中释放的水,似乎比从彗星表层冰所释放的水,拥有更好的“总水比率”指标。这是科学家们第一次将所有彗星的重水和常规水的比率,与单因素联系起来,研究人员后续还需要更多的研究,以确定这些研究结果是否也同样适用于其他彗星。

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