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木星附近有個(gè)通道 冰凍小行星在那兒變成彗星
2019-11-12 08:03:53 來(lái)源: 科技日?qǐng)?bào)
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  彗,埽竹也。故彗星有個(gè)別名——掃把星。中國(guó)民間傳說(shuō)彗星主掃除,見(jiàn)則有戰(zhàn)禍或天災(zāi)。

  后來(lái),隨著觀測(cè)手段逐漸增多、增強(qiáng),人們發(fā)現(xiàn),彗星這一天外訪(fǎng)客堪稱(chēng)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(guò)程中幸存下來(lái),并成為被撞擊天體上的生命種子。

  近日,美國(guó)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(chēng),他們通過(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)等恒星時(shí),由于溫度升高,彗核的冰物質(zhì)升華,在冰核周?chē)纬呻鼥V的彗發(fā)和一條稀薄物質(zhì)流,就像條大尾巴,故稱(chēng)彗尾。受太陽(yáng)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(yáng)距離的改變而變化。

  此次研究的對(duì)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(lèi)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(yáng)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(yáng)系的門(mén)戶(hù)。海王星以?xún)?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?qǐng)?bào)記者,這4個(gè)“大塊頭”對(duì)周?chē)√祗w皆有巨大的引力作用。相對(duì)而言,小天體質(zhì)量很小,稍有擾動(dòng),就會(huì)改變“航線(xiàn)”。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(wú)形的引力大手撥一下,改變方向,沒(méi)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?xún)?nèi),奔向太陽(yáng),“蒸發(fā)”成彗星,被我們觀測(cè)到;或是被拋出海王星之外,從此與太陽(yáng)系再無(wú)交集。

  此次研究人員所使用的太陽(yáng)系模型,包括太陽(yáng)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(lèi)地行星。隨后,再將上千個(gè)假想的半人馬小天體測(cè)試粒子“扔”進(jìn)該模型,這些測(cè)試粒子具有不同的軌道偏心率、周期、與太陽(yáng)的距離等基本參數(shù)。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬后,研究人員總結(jié)歸納了測(cè)試粒子的運(yùn)行規(guī)律。

  結(jié)果顯示,六成以上的測(cè)試粒子會(huì)經(jīng)過(guò)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(chēng)為“彗星通道”。但需要注意的是,該區(qū)域并非我們常說(shuō)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(shuō),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(zhǎng)”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?chē)赡艽嬖谥蝗哄缧?。彗星雖然是繞日運(yùn)行的天體,但由于木星是距離太陽(yáng)最近的巨行星,因此也會(huì)對(duì)彗星產(chǎn)生很大影響。后來(lái),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(chēng)為木星族彗星。

  半人馬小行星與太陽(yáng)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(yáng)的距離約為5.2個(gè)天文單位,也就是說(shuō),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(lèi)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(yáng)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(guò)是在行星附近擺動(dòng)?!敝芏Y勇表示,如此一來(lái),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(guò)去,再被太陽(yáng)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(méi)有確切證據(jù)之前,我們還可以作出很多假設(shè)?!敝芏Y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(jiǎn)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(duì)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(yáng)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(lèi)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(shuō),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(jiǎn)稱(chēng)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(yáng)太遠(yuǎn),水冰無(wú)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(lái)自海王星之外的小天體穿過(guò)海王星和木星軌道之間區(qū)域時(shí)的軌道演化過(guò)程。結(jié)果顯示,超過(guò)五分之一的測(cè)試粒子在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)入了與SW1軌道類(lèi)似的軌道。

  換句話(huà)說(shuō),盡管SW1似乎是目前已知的、少數(shù)通過(guò)“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(jiàn)。就像是人們?cè)谀骋粫r(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(lái)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(duì)上千顆測(cè)試粒子進(jìn)行了數(shù)值模擬,突破了我們真實(shí)觀測(cè)時(shí)的有限數(shù)據(jù),幫助我們了解彗星的演化過(guò)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。(實(shí)習(xí)記者 于紫月)

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【糾錯(cuò)】 責(zé)任編輯: 黃浩
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