芜湖，彗星的高速入口

本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），节选自中国国家天文2022年第12期，作者：凯特·沃尔克（Kat Volk），编译：李海宁，题图来自：视觉中国

当谈到彗星时，我们常常把它们称为来自外太阳系（或更远）的访客，但并不是所有的彗星都来自同一个地方，有些来自太阳系最遥远的区域，即被太阳松散束缚着的球状碎片云——奥尔特云。然而，许多其他彗星起源于相对较近的柯伊伯带，这是海王星轨道之外的一群小而冰冷的天体，它们越来越频繁地重复造访太阳系内部，其轨道周期从几年到大约200年不等。

在我们知道柯伊伯带之前，一组短周期彗星给天文学家出了道难题。由于木星在控制其轨道演化方面的主导作用，这些彗星被称为木族彗星（JFC），并具有独特的性质，它们绕太阳一周的时间通常不到20年，大部分时间都位于木星轨道之内。然而，一个关键特征是它们轨道的方向。虽然长周期彗星基本上从各个方向穿过太阳系内部，但绝大部分木族彗星都沿着与行星面倾角30°以内的轨道围绕太阳运行，而且它们的运行方向也与大行星相同。是什么让彗星以这种方式进入内太阳系？这些天体最初是从哪里来的呢？

我们现在知道了这些问题的答案。柯伊伯带的原始天体慢慢地进入木星和海王星之间的过渡区域，然后，在天文上极短的时间内，一些天体会向内运行，从而成为木族彗星。这些天体从遥远的原始冰冻天体转变为壮观的活跃彗星，让我们得以感受冰冷世界的惊鸿一瞥。

彗星等候区

20世纪70年代初，天文学家们还在热烈地争论，木族彗星是否是从奥尔特云捕获的，或者来自另一个当时无法观测到的来源区域（那个时候，我们所知的柯伊伯带唯一的成员是冥王星）。1977年，查尔斯·科瓦尔（CharlesKowal）发现了存在新的外太阳系星族的先兆：喀戎2060。这个小小世界的直径约200千米，其轨道近日点位于土星附近，远日点位于天王星附近。早期的计算表明，来自巨行星的引力影响会相对迅速地改变它的轨道，将它送到其他位置。进一步的研究证实，在巨行星区域的大多数小天体轨道只稳定了大约100万年，比太阳系的年龄短得多。

在发现喀戎大约15年后，观测者们发现了福鲁斯5145，它的轨道从土星延伸到海王星。不久之后，又发现了几个天体。这些所谓的半人马型小行星都是类似喀戎的小天体，位于巨行星区域内的不稳定轨道上。对于福鲁斯的早期观测表明，相比主小行星带内的天体，它的表面非常红，而随后获取的反射光谱（一种对于亮度作为波长函数的更细致的测量）也证明了它独特的红色，并且看不到小行星光谱中常见的特征。其他半人马型小行星看起来也不像一般的小行星。

很明显，半人马只是巨型行星区域的临时居民，它们的表面成分与小行星带的不匹配。那么，它们是从哪里来的呢?

20世纪80年代和90年代初，研究人员重新考虑了海王星轨道之外的彗星带的想法，并利用扩展的计算能力和改进的数值计算工具来展示这样一个族群如何为木族彗星提供来源。1992年，也就是在其他观测者发现福鲁斯的同一年，大卫·朱伊特（David Jewitt）和刘丽杏（JaneLuu）发现了第一个完全位于海王星轨道外的柯伊伯带天体（KBO）。这一发现，以及接下来三年里其他关于柯伊伯带天体的十几项发现，最终为假想的彗星储备库提供了直接证据。

对新发现的半人马型小行星和柯伊伯带天体的后续观测，在这两个族群中发现了更多具有独特的红色表面的例子。这些光谱信息提供了将柯伊伯带天体和半人马型小行星关联起来的重要组分信息，证实了模拟轨道。越来越清楚的是，喀戎和福鲁斯代表了与柯伊伯带密切相关的新天体族群。

基于这些早期的柯伊伯带天体和半人马型小行星的发现，研究人员终于能够证明天体从观测到的柯伊伯带、经过巨行星区域的半人马型小行星族群，成为木族彗星的路径。在过去的30年里，我们关于柯伊伯带细致的轨道分布和形成的认知得到了极大的扩展，但这种与木族彗星基本的动力学联系仍然成立。

尽管一些柯伊伯带天体一直生活在海王星之外，但当巨行星形成时，许多位于今天的柯伊伯带的天体是被置于它们的轨道上，随后迁移到现在的位置的。各种引力效应可以改变柯伊伯带天体的轨道，在长时间尺度上，与海王星轨道排列的混乱组合，以及所有巨大行星的引力，可以显著地倾斜或拉长柯伊伯带天体的轨道，让它越来越接近海王星。柯伊伯带中质量最大的天体产生的小一些的引力，甚至可能会改变邻近天体的轨道。所有这些因素经过数百万年甚至数十亿年的努力，可以将柯伊伯带天体慢慢地送入穿越海王星的轨道。

与海王星的近距离相遇会使这些天体发生散射，将其中一些送到外太阳系更遥远的地方，而另外一些则送到半人马地区较小的轨道上。许多半人马型小行星在被抛回柯伊伯带之前，只会与我们太阳系外部的冰巨星海王星和天王星发生相互作用。但大约一半的小行星将继续向内行进，成为穿越土星的半人马型小行星。

每当半人马型小行星遇到一颗巨行星，它的轨道要么变小，要么变大。确切的结果取决于半人马型小行星接近行星的距离以及靠近的方向。只有大约三分之一的半人马型小行星能够穿越整个巨行星区域，并越过木星成为内太阳系的木族彗星。一般来说，一个天体穿过巨行星区或被踢回柯伊伯带需要几百万年的时间。

彗星的形成 经过多年的观察和计算，天文学家推断类似“天空”的柯伊伯带原始天体（左）变成了木星家族彗星67P/ 丘留莫夫-格拉西缅科彗星（右）。问题是，处于过渡期的天体是什么样子的？

标记领地

考虑到半人马型小行星代表了将外太阳系柯伊伯带族群和内太阳系木族彗星族群连接起来的一种中间状态，对于半人马型小行星并没有统一的定义也就不足为奇了。通常使用的定义是，认为半人马型小行星一生中的部分或全部时间都在巨行星区域，它们离太阳最近的地方位于木星轨道之外，但在海王星轨道内部。大多数定义还要求它们到太阳的平均距离在巨行星区域，最严格的要求是该天体的轨道完全位于海王星的轨道之内。

根据所采用的定义，目前观测到的半人马型小行星的数量范围大约在250到350之间。在这个列表上的是在喀戎之前被发现的天体，包括29P/施瓦斯曼-瓦赫曼1号彗星，它是在1927年被发现的，由于其爆发的活动性而被归类为彗星。直到观测到更远的半人马型小行星和柯伊伯带天体，我们才得以更清楚地认识到半人马型小行星是一个独特的族群。

半人马型小行星成为柯伊伯带中接近原始冰状天体与内太阳系活跃的、高度进化的彗星之间关键的链接。正如它们的名字一样，半人马型小行星是混合生物：一部分属于活跃的彗星，一部分来自冻结的星子。它们为我们提供了一个机会，观察天体在被扔进外太阳系的冷藏库后所经历的第一次重大融化。半人马型小行星的部分彗星属性在喀戎发现后的十年内逐渐明朗，随着时间的推移，其亮度的巨大变化表明，它正在从表面释放冰物质，后续观测证实了彗发的存在。我们现在有了更多的半人马型小行星活动性的例子，从相对安静的气体释放到极其明亮的爆发事件，释放出大量的尘埃和气体。在已观测到的半人马型小行星中，有大约10%已经看到类似彗星的行为——这可能是一个下限，因为不是所有的半人马型小行星都能被活动性的搜寻观测看到！

水冰的升华在很大程度上驱动了内太阳系彗星的活动性，但对于木星以外的天体来说，太阳离它们太远，无法加热它们所包含的水冰。其他在较低温度下升华的冰，如二氧化碳和一氧化碳，则肯定是半人马型小行星活动性的原因——尽管仅靠这些冰并不能很好地解释观测到的某些活动性。天文学家正在积极地使用地基和空间观测以及模拟和实验室研究，尝试了解是什么原因驱动了半人马型小行星中彗星的活动性。

路口。许多柯伊伯带天体如“天空”（上），像喀戎（中）等半人马型小行星一样，沿着相对于行星轨道的倾斜度最小的轨道运动。但是奥尔特云彗星，比如C/2020 F3（下），经常以大角度的高度拉长的椭圆轨道快速通过。

另一个惊人的发现是，至少在一颗半人马型小行星的周围存在光环。2014年，现在就职于巴黎天文台的菲利普·布拉加-里巴斯（Felipe Braga-Ribas）及其合作者宣称在女凯龙星10199附近发现了一个环状系统。天文学家通常根据一个天体反射的太阳光的多少来估算它的大小和形状，然而，这种测算是存在不确定性的，因为它们依赖于对地表反射率的假设，而反射率会因组成和其他因素而变化。

另一方面，布拉加-里巴斯（Braga-Ribas）的团队等待女凯龙星（Chariklo）从背景恒星和地球之间经过，短暂地遮挡了从该恒星发出的光，这就是所谓的掩星。如果我们知道这个小天体的轨道位置和速度，就可以通过计量它挡住恒星的时间来测定它的物理大小。如果我们从多个位置测量这个“影子”，甚至可以测量它的形状（就像柯伊伯带天体“天空”（Arrokoth）造访新视野号飞船之前那样）。对于女凯龙星，掩星表明由其光环系统产生的主天体阴影的两侧呈现等距的变暗，这是第一次在非巨行星的太阳系天体周围发现这样的现象。

有一些证据表明，喀戎也拥有一个环系统。至于这些环是如何形成的，以及它们的年龄几何，研究人员仍在争论中。环的形成更有可能发生在太阳系历史的早期吗？这就意味着这些环经历了从柯伊伯带进入半人马型小行星地区的旅途并留存了下来（例如，我们已经在另一颗名为妊神星Haumea的柯伊伯带矮行星周围观测到了一个环）。还是说，也许由于活动性，在天体变成半人马型小行星之后才形成的环？

彗星走过的路。随着时间的推移，半人马型小行星可以从外太阳系迁移到木星附近，当它们朝向太阳行进时，会接收更强烈的阳光（这里显示为较浅的阴影）。它们的轨道逐渐变圆（y轴）。箭头指示的是阿特拉斯（P / 2019 LD2）在过去的几千年里可能经过的路线，白色圆点标记的是半人马型小行星喀戎和施瓦斯曼-瓦赫曼1号彗星当前所处的轨道，后者正是沿着位于所谓“通道”（紫色三角形）的轨道绕转，因而正在通往成为一颗木族彗星的路上。白色等高线表示太阳在特定轨道上的热量与木族彗星所接收热量的相对比例。

作者简介：凯特·沃尔克（Kat Volk）是亚利桑那大学月球和行星实验室的行星科学家。她研究太阳系小天体的动力学和演化。

译者简介：李海宁，中国科学院国家天文台星云研究员，主要从事银河系考古研究。

本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），节选自中国国家天文2022年第12期，作者：凯特·沃尔克（Kat Volk），编译：李海宁