彗星是怎样形成的?

如题所述

德国哲学家康德在青年时代用了很多时间探讨自然科学问题,在1755年他31岁时写了《宇宙发展史概论》一书,提出太阳系起源的星云说,其中也谈到彗星的形成问题,他认为彗星是在原始星云的外围形成的。1796年,法国数学力学家拉普拉斯在不知道康德星云说的情况下,在他的著作《宇宙体系论》的附录中,独立地提出了太阳系起源的星云说,但书中未提出彗星形成的问题,在以后(1813~1816年)才专门论述彗星的形成,认为彗星是在恒星际形成的,后被俘获到太阳系里来。

然而,近200年来,对太阳系起源的研究,虽然积累了大量的观测资料以及在理论上作了多方面的探讨,但由于这问题太复杂,涉及的因素太多,尤其是缺乏太阳系形成时期的资料,至今对于这一问题仍是众说纷纭而没有得到解决。

彗星是太阳系的成员之一,显然彗星的起源与太阳系的起源有密切关系。但就彗星起源作为太阳系起源的一个特殊问题而言,也有其自己的观测资料和理论两方面的困难,如彗星的本体——彗核,至今仍不十分清楚。其他一些问题,了解得也不十分透澈。所以现在对彗星起源的理论是多种多样的,这里只能谈一谈一般问题,同时简略地谈一些有代表性的假说和理论。

彗星是什么时候形成的呢?很多人认为,彗星的形成过程早巳完成了,它很可能像太阳系其他成员(行星、卫星和陨石母体等)一样,是在46亿年前形成的。另一些人则认为,彗星的形成完备并没有结束,仍在继续,即有些是早形成,有些是晚形成的,和人类相似,有出生早晚。但这种说法缺乏观测依据,因为至今也没有观测到处于形成过程中的彗星(顺便说一下,处于形成过程中的恒星已观测到了)。这一观测事实对这一说法是很不利的。

彗星是在什么地方形成的?现在对这一问题讨论得较多,大体上有3种看法:在恒星际形成的;在太阳系内的边缘区域形成的;在太阳系的行星区域(小行星带以外)形成的。3种看法的第1种是在太阳系外,后2种是在太阳系内。如果从彗星的轨道看,这3种看法都有可能。具有椭圆轨道的彗星,它绕太阳周而复始地旋转,是太阳系的成员,自然要在太阳系内去寻找它们的起源。而具有抛物线和双曲线轨道的彗星,意味着它们来自遥远的恒星际空间,到太阳系内拜访一下就一去不复返了,它们的起源应在太阳系以外的恒星际空间去寻找。事实上,问题不那么简单,现在的观测结果还证明不了具有抛物线和双曲线轨道的彗星是太阳系以外的。因为现在测定彗星的轨道,一般是根据它离太阳较近的这一段的观测结果,而这一段只占它整个轨道的一小部分,且3种轨道在接近太阳这一段上的差另IJ是不大的。观测一般都有点误差,特别是对偏心率在1左右的轨道形状,就很难决定它是椭圆还是抛物线或是双曲线,另外,行星对它们的摄动经常使轨道改变。所以从观测推算出的轨道并不完全是它原来的轨道。在1957年的彗星轨道表中共有佃颗彗星,其中有283颗的轨道是抛物线,85颗是双曲线。有好几个人证明,这些抛物线和双曲线轨道的彗星,如果把行星对它们摄动考虑在内,它们原来的轨道也是椭圆的。只是离心率接近于1。现在每年发现的彗星中,多数公转周期是在百万年的数量级,偏心率在0.99999。以上说明绝大多数彗星是太阳系内的天体。

彗星由什么物质形成的呢?也有两种看法,一种认为是由非太阳系的(恒星际)物质形成的,另一种认为是由太阳系物质形成的。

认为起源于恒星际的由拉普拉斯首先提出来的,以后又有许多人加以改进和发展。观点是:彗星先在恒星际形成凝聚体,然后被太阳引力俘获到太阳系中来。他们先后考虑到恒星际凝聚体(彗星)相对太阳的速度分布、太阳的运动等因素,然后计算被俘获到太阳系内的轨道分布,再和观测到的情况对比。这在某些方面有些符合。但是近来,有人总结这类计算后得出,椭圆、抛物线和双曲线的相对数目跟计算所取的因素有关,说明计算与观测轨道分布对比不能提供彗星起源于恒星际的证据。但从彗星的物质组成来说,对这个学说确实是有利的。不过,随之又有了问题,即它们在恒星际凝聚的具体过程是什么?这个学说对此没有详细的阐述。另外,恒星际的物质极其稀疏,没有条件形成凝聚体。又有人说,彗星是在星际云中形成的。如果是,那么该星际云是否也形成恒星和行星呢?假如形成恒星和行星,就等于说彗星是太阳系外的行星系产物。假如这星际云不形成恒星和行星,那为什么又只单单形成彗星呢?虽然现在不能完全排除彗星形成于恒星际的可能性,但也很难得到公认。英国天文学家里特顿也主张彗星由恒星际物质形成的,但不是在恒星际,而是在太阳系内,即太阳系在运动中通过恒星际,恒星际物质或说是宇宙尘埃在太阳引力的作用下,使一些质点运动,它们的轨道是以太阳为焦点的双曲线。它们的轨道在太阳运动的后方交叉,发生碰撞结合,结合的团块成为彗星。碰撞中消耗掉部分动能,最后结果使轨道成为抛物线和椭圆。也有人对此理论有所发展。从理论上说这种俘获是可能的,但问题在于碰撞时动能变为热能,会使挥发物蒸发,从而难以解,释有些彗星含有丰富的挥发物形成那么大的彗尾。

认为是由太阳系物质形成的说法又分为两种观点,一种说原始太阳星云中的物质先形成行星,残余的物质后来又形成了彗星;一种说由行星或卫星抛出的物质形成了彗星。哪一种说法合理些呢?这应由彗星的物质组成来判别。观测表明,彗星含有丰富的挥发物,水冰和二氧化碳冰,这表明它们是在低温条件下形成的。这一结果对上述观点不利,对里特顿的主张也不利,反而对彗星是在恒星际形成的观点有利。这是否意味着彗星是由太阳系物质形成的说法是不对的呢?也不能;因为现在对彗星(尤其是彗核)的化学组成尚缺乏准确的资料,而原始太阳星云的化学元素的相对含量(丰度)和恒星际物质的丰度基本相同,这就使问题复杂化了。

彗星形成的过程又是怎样进行的?也有多种看法。

奥尔特和斯特龙格林的看法,是在1950年提出来的。他们认为,在太阳系里有一个原云,其半径约为15万个天文单位,从原云物质直接形成彗星,并以各种轨道形式运行着。这原云称“奥尔特云”或称“彗星云”。把原云里彗星称作“原始彗星”,这些原始彗星运动的速度和方向对太阳是任意分布的。离太阳很远处在原云中所产生的彗星;在接近太阳以前,要经历漫长的太空旅行,这期间恒星对它们是有影响的。奥尔特考虑到了这一因素,他规定奥尔特云的半径是15万个天文单位,因为离太阳最近的恒星离太阳是30万个天文单位。在这个范围内,恒星的摄动一方面不使脱离太阳系的彗星数目过多,另一方面可足以使某些彗星改变速度和方向,这样就能源源不惭地向临近太阳的区域补充。这一点和观测是符合的。他们还认为,由于彗星的物质组成和太阳系的物质组成是一致的,所以彗星的形成与太阳系的形成有直接的联系,应把彗星看成是收缩的太阳星云凝聚的自然产物。

以上从彗星的轨道和物质组成的两个方面考虑,奥尔特的说法还是能使人信服的。而形成彗星的时间问题,现在意见还不一致,有的说彗星和行星是从原云中同时凝聚成的;有的则认为彗星是在行星形成以前或以后在太阳周围很大的气体体积内凝聚成的。究竟哪一种意见正确,尚待以后进一步研究。

在卡米隆的太阳系起源学说中,认为原始太阳星云的质量很大,它在又自转又收缩中形成星云盘,盘的半径和质量都很大,但有90%的盘物质留在了海王星轨道以外几百个天文单位的低温区,而其中大部分又散失到恒星际空间去了,余下的物质形成了大量的彗星,其中有些逃出了太阳系,有的进入了奥尔特云。但是这说法也有不少人持有异议,即一个星云盘为什么大部分质量散失到恒星际空间去?

惠普尔认为,在海王星轨道以内,离太阳40~50个天文单位处,那里星云盘的温度低,物质可凝聚成含有丰富冰的星子——彗星,形成一个彗星环带,估计彗星环的质量为地球质量的十分之一。在土星以外的星云盘,可聚集成星子——小彗体,大部分小彗体聚集到天王星和海王星上,另一部分小彗体可聚成彗星,它们在天王星和海王星的引力摄动下,有的进入太阳系内部,有的进入奥尔特云或逃离太阳系。

我国已故天文学家戴文赛教授的太阳系起源学说认为在离太阳40个天文单位以外的边界区域,物质极为稀疏。虽然戴教授尚未论及彗星的起源,但笔者根据他的观点曾证明星云盘的边界区不足以形成彗体,因而不会有惠普尔所提出的在40~50天文单位处有彗星环带。但从木星到海王星这一区域的物质都可聚集成含冰的星子,土星、天王星和海王星都是这样的冰星子聚集成的。这几颗行星形成后还残留不少冰星子(冥王星就是残留的大星子演变来的),它们有的成为彗星,在受这几颗行星的摄动后,改变了轨道,有的进入了太阳系的内部区域再受木星的摄动变为短周期彗星,有的走进了奥尔特云甚至进入恒星际空间。由于彗星是在土星区(或许包括部分木星区)到海王星区的广阔范围内形成的,不同部位的环境和条件是不同的,可以导致各彗星的结构和性质的差异。

根据离太阳越远原云的密度越低这个事实,奥尔特后来把他的理论也修改了一些,认为彗星是在行星区域内形成的,然后被行星摄动排走,就成了长周期彗星。可是有不少人不同意他这个看法,因为彗星被行星排走虽然是可能的,但在数量上不可能有那么多。以后,奥尔特又提出,彗星和小行星有共同的起源,都是某颗大行星破裂后的碎块。这样,彗核显然应是石块组成的,可是这与惠普尔的“脏雪球模型”理论发生了冲突,后来奥尔特又放弃了这一看法。

1957年后,弗仑登曾把小行星起源的假说推广到彗星的起源上,认为在1000万年以前,在火星和木星之间曾有1颗大行星,质量约为地球的100倍,所含成分类似木星,以一种神密的方式破碎了,形成了小行星,同时也形成了彗星。这种说法可以解释两个观测事实。一个是第一次进入太阳系内部的周期彗星为什么周期在千万年的数量级;再一个可以解释长周期彗星逆行轨道比顺行轨道多,因为行星破碎后被抛出碎块各种方向都有,逆行轨道和顺行轨道应大致相等。由于行星是顺行的,对顺行彗星的摄动会使它加速,可能使其中的一些逃出太阳系,而对逆行彗星的摄动会使它减速,所以现在观测到的长周期彗星逆行的居多。但是这个说法的前提条件,即那颗未知的大行星是否真的有过,根本得不到证明,另外,行星破碎后产生彗星的过程又是如何,也没有详细论述,所以现在对于这种看法还是有异议的。

还有认为彗星是由行星爆发抛出的物质形成的。这是在1814年由拉格朗日首先提出的,以后又得到了一些发展。前苏联的彗星专家符谢斯亚特斯基从1960年以来一直坚持这种看法,认为彗星是行星上火山爆发所形成的。就是在前苏联也有不少人对这看法提出了批评。例如,假设木星族彗星是由木星的爆发而形成,只要它的抛出速度有每秒印千米可绕太阳旋转,但要把彗星抛进遥远的奥尔特云中去,木星没有条件给彗星这么大的能量,后来又改为是卫星的爆发,同样,能量还是得不到解决。

也有人认为可能是损石撞击木星的冰卫星抛出的冰块形成了彗星。的确,木星的冰卫星上有不少陨石坑,但是严重的撞击时期是在39亿年前,这样撞击抛出的冰如真能形成彗星,它们的寿命早应结束了,对于今天存在的彗星就无法解释。

以上对彗星起源的假说已不少了,但都不是完整的。每种假说对几种现象可解释,但对另外几种现象就解释不通,顾此失彼。由此可见,这一问题是十分困难的。

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