流星雨揭示早期太阳系彗星的形成地点

一个由 45 名研究人员组成的国际流星雨研究小组发现，并非所有彗星在接近太阳时都会以同样的方式崩塌。在《伊卡洛斯》杂志上发表的一篇论文中，他们将这种差异归因于 45 亿年前彗星形成的原行星盘的环境。

“我们在夜空中看到的流星体大小与小鹅卵石相当，”该研究的主要作者、地外文明搜寻研究所和美国宇航局艾姆斯研究中心的流星天文学家彼得·詹尼斯肯斯说。“事实上，它们的大小与太阳系形成期间坍缩成彗星的鹅卵石大小相同。”

随着太阳系的形成，年轻太阳周围圆盘中的微小颗粒逐渐变大，直到变成小鹅卵石大小。

美国宇航局艾姆斯中心行星科学家、论文合著者保罗·埃斯特拉达说：“一旦鹅卵石长大到无法再随气体移动，它们就会在长大之前因相互碰撞而毁坏。相反，当这些鹅卵石云局部坍缩成千米大小甚至更大的天体时，彗星和原始小行星就形成了。”

快进 45 亿年：当彗星接近太阳时，它们会碎裂成较小的碎片，称为流星体。这些流星体会与彗星共同运行一段时间，然后当它们撞击地球大气层时会形成流星雨。

“我们假设彗星会碎裂成它们所构成的鹅卵石的大小，”詹尼斯肯斯说。“在这种情况下，年轻流星体流的尺寸分布和物理化学特性仍然包含有关此次崩塌期间原行星盘状况的信息。”

詹尼斯肯斯和他的专业和业余天文学家团队使用遍布全球的特殊低光摄像机网络来追踪流星，这是美国宇航局资助的一项名为“CAMS”或全天空流星监测摄像机(http://cams.seti.org)的项目。

外太阳系演化的三个阶段。(A)当彗星碎裂成彗星时，指向小行星(AST)、木星族彗星(JFC)和长周期彗星(LPC)的可能起源区域;(B)当海王星将彗星散射到柯伊伯带的散射盘中时;(C)当太阳离开诞生星团并且行星不稳定性形成外奥尔特云之后。图片来源：Jenniskens 等人(2024 年)伊卡洛斯

“这些相机测量了流星体的路径、它们首次亮起时的高度以及它们在地球大气层中减速的速度，”詹尼斯肯斯说。“专用相机测量了其中一些流星体的成分。”

研究小组研究了 47 场年轻的流星雨。其中大部分是两类彗星的残骸：来自海王星外柯伊伯带散射盘的木星族彗星和来自太阳系周围奥尔特云的长周期彗星。长周期彗星的轨道比木星族彗星宽得多，受太阳引力的影响也小得多。

“我们发现长周期(奥尔特云)彗星通常会碎裂成表明温和吸积条件的大小，”詹尼斯肯斯说。“它们的流星体密度较低。流星体流中含有相当稳定的 4% 的一种固体流星体，它们过去被加热，现在只在地球大气层深处变亮，通常缺乏钠元素。”

另一方面，木星族彗星通常会碎裂成更小、更致密的流星体。它们的平均固体物质含量也更高，高达 8%，并且该成分的多样性更强。

“我们得出结论，这些木星族彗星是由卵石组成的，这些卵石已经达到了碎裂在其尺寸演变中起重要作用的程度，”埃斯特拉达说。“过去受热的物质混合物含量较高的彗星距离太阳较近。”

原始小行星形成于更靠近太阳的地方，尽管仍在木星轨道之外。这些小行星产生的流星雨颗粒更小，表明它们的鹅卵石构造块经历了更剧烈的碎裂。

“虽然这两类彗星都有例外，但这意味着大多数长周期彗星是在更温和的粒子生长条件下形成的，可能位于海王星外盘 30 个天文单位的边缘附近，”埃斯特拉达说。“大多数木星族彗星形成于更靠近太阳的地方，在那里，小行星到达或穿过了碎裂屏障，而原始小行星则形成于巨行星核心形成的区域。”

这怎么可能呢?当巨行星不断成长时，海王星向外移动，将彗星和小行星从剩余的原行星盘中驱散出去。这种向外运动很可能形成了柯伊伯带的散盘和奥尔特云。这将预示长周期彗星和木星族彗星具有相同的特性，但研究小组发现并非如此。

“太阳诞生区域的恒星和分子云可能在早期扰乱了奥尔特云彗星的宽轨道，而我们今天看到的长周期彗星只有在太阳移出该区域时才会散落到这样的轨道上，”詹尼斯肯斯说。“相比之下，木星族彗星一直处于较短的轨道上，并在海王星离开途中采集其散落的所有物体。”