彗星形成理論可能並非一成不變(或冰冷)

一種新的彗星產生模型修正了其起源理論


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一年幾次,來自深空的訪客會光臨地球附近。這些不速之客通常是和平而來,它們會近距離掠過,足以被我們看到,然後繼續它們的旅程。

這些不速之客是彗星,是由冰和塵埃組成的條紋狀小球,它們從遠離太陽和行星的常駐地被剝離出來:奧爾特雲。這個理論上的雲層以荷蘭天文學家揚·奧爾特的名字命名,他在 1950 年假設了它的存在,據信它包含數十億甚至數萬億顆彗星,這些彗星離太陽的距離是地球離太陽距離的數千到數萬倍。奧爾特雲彗星偶爾會被附近恆星的經過或與銀河系其他部分的相互作用推入軌道,從而進入內太陽系。

在罕見的極端恆星遭遇期間,大量的奧爾特雲彗星被拋射出去,其中一些最終進入了掠過甚至撞擊地球的軌道。一些理論認為,這些彗星雨可以解釋地球上的一些滅絕事件,就像 6500 萬年前的小行星或彗星撞擊被廣泛認為是恐龍滅絕的幕後原因一樣。

彗星動力學的傳統觀點長期以來認為,能夠繞過木星和土星而不被這些巨大行星的引力影響丟擲的彗星,必定起源於奧爾特雲的外圍區域,那裡的太陽系外擾動可以最強烈地感受到,並且在大彗星軌道上被放大,這些軌道需要數百年才能完成。該理論認為,只有在由近距離恆星經過引起的彗星雨期間,極端的引力擾動才會將內奧爾特雲彗星帶入其中。

但是,科學雜誌今天線上發表的一篇新論文認為,能夠跨越太陽系所謂的木星-土星屏障的彗星實際上大量起源於內奧爾特雲,即使在沒有引起彗星雨的大規模擾動的情況下也是如此。更重要的是,作者表示,這種新揭示的機制意味著彗星雨可能不是過去重大滅絕事件的罪魁禍首。

根據華盛頓大學西雅圖分校的研究生 Nathan Kaib 和他的博士生導師 Thomas Quinn 進行的模擬,內奧爾特雲中相對較近的天體可以透過與巨大行星的相互作用暫時被踢到外雲的範圍。那些新近散佈的彗星,突然擁有了更長的軌道和來自星際空間的更大引力擾動,可能會發現它們的軌道發生瞭如此大的變化,以至於當它們再次穿過行星區域時,巨大的行星障礙已經被清除。“它們基本上可以跳過木星-土星屏障,”Kaib 說。

“這種機制……可能奏效”
Kaib 和 Quinn 估計,我們看到的超過一半的來自奧爾特雲的彗星是透過這條路線到達我們附近的,並且該領域至少有兩位研究人員同意該模擬似乎是可信的。“這種機制,這種動力學路徑,正如我們所稱的,可能奏效,並且可能是一個重要的貢獻,”NASA 噴氣推進實驗室(位於加利福尼亞州帕薩迪納)的高階研究科學家 Paul Weissman 說,他沒有參與 Kaib 和 Quinn 的研究。

普林斯頓高等研究院的天體物理學家 Scott Tremaine 說,這項新研究提出了一條彗星產生路線,“這種路線以前沒有被考慮過,並且在某種程度上解決了至少一個問題……即[標準]模型與觀測之間存在差異的問題,”他也沒有參與新的奧爾特雲研究。

“問題之一是[彗星形成過程的傳統觀點]效率太低;為了產生我們看到的彗星數量,你需要一個非常巨大的原行星盤,這個原行星盤似乎與我們從其他來源獲得的最佳估計不符,”Tremaine 說。“這可能有助於解決這個問題。”

對滅絕事件的影響
Kaib 和 Quinn 使用他們新發現的機制以及觀測到的彗星數量,來設定內奧爾特雲中可能存在多少物質的估計上限。考慮到內奧爾特雲彗星到達內太陽系的過程效率,“如果不產生比我們今天看到的更大的彗星通量,就很難在其中容納更多的天體,”Kaib 說。

研究人員使用該上限,製作了一個統計模型,預測在過去數億年中,彗星雨中預計有多少彗星撞擊地球。Kaib 和 Quinn 發現,始新世末期的一次疑似轟擊,大約發生在 3500 萬年前,一些人認為這導致了部分物種滅絕,可能是過去 5 億年來最大的一次。

“從統計學上講,應該每 5000 萬或 1 億年發生一次近距離恆星經過,因此這已被提議作為產生許多此類滅絕事件的可能機制,”Kaib 說。“因此,基本上我們表明,你可能能夠產生一次輕微事件,但除此之外,它們真的不是產生多次滅絕事件的可靠機制。”

將這些發現擴充套件到解開地球上的滅絕歷史可能會比新的彗星產生機制引起更多爭議。“當然,任何外推法都是冒險的,”Tremaine 說。“我認為這是一個有趣的結果,但不是本文最有趣的結果,因為……這類計算總是涉及對我們所知內容的外推。”

Weissman 指出,滅絕的含義涉及彗星雨,而不是一般的彗星,即使彗星雨的輪廓有所縮小,也不能排除它們在滅絕中的作用。“僅僅因為觀測到的‘最大’彗星雨沒有造成重大滅絕,並不意味著其他彗星雨不會造成重大滅絕,”他說,並補充說,很可能不是撞擊的次數,而是最大撞擊的程度可以消滅物種。

Weissman 說,如果來自彗星雨和來自其他時期的零星彗星撞擊足夠多,“再加上彗星的預期大小分佈,很可能會有幾次大撞擊被包括在內,而這些大撞擊每次都可能導致一次滅絕。”

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