彗星的軌道為什麼是扁的呢？

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作者：王錚

中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室

彗星，因為它的外觀，在古代又被稱為掃把星，曾經被迷信的認為是災禍的預兆，後來又被科學家認為是地球大氣中的現象，而現在我們知道它是我們太陽系的一種天體。假如天氣與時間合適，可以看到它拖著長而明亮的尾巴懸掛在星斗間，可謂是夜空中一道靚麗的風景。

彗星形成的位置非常遙遠，離太陽最近的也是30倍日地距離以外，遠的要上萬倍日地距離（日地距離被定義叫做「天文單位」，用AU表示）。彗星的軌道基本是很扁的橢圓、拋物線和雙曲線三種，太陽不在軌道中心，而是靠近軌道一側的末端。橢圓形總是又長又扁，而拋物線和雙曲線甚至不是閉合的曲線。軌道離太陽最近的位置叫近日點，離太陽最遠的點叫遠日點。拋物線和雙曲線軌道的彗星是非周期性的，一去不復返，而橢圓形的軌道是周期性的，經過幾十年、甚至上千上萬年，它還會來到地球附近，被我們看見。

明亮的「掃把星」

那麼，為什麼彗星的軌道這麼「扁」呢？

很多朋友都知道，彗星有長長的尾巴，是因為彗星頭部的彗核由冰物質和塵埃混合而成的，冰物質中除大部分是水冰之外，還有一氧化碳冰、二氧化碳冰（乾冰）、氨冰和甲烷冰等；彗星接近太陽時，彗核的物質升華，揮發物質在太陽風作用下拖成一條稀薄物質流的尾巴，形狀好像掃把，就叫彗尾。

長長的彗尾

我們的太陽雖然碩大無比、發出強烈的光和熱，但宇宙空間太廣闊了——太陽到地球就好比隔著一個足球場，太陽是球場一端的一張1米寬的椅子，地球相當於球場另一端的一個指甲蓋。因此，太陽系的絕大地方區域是黑暗而寒冷的。

不過幸好我們地球所在的距離太陽較近的區域是光明而溫暖的。在太陽系裡有一條「凍結線」（Frost line），也叫「雪線」（snow line）或「冰線」（ice line），距離太陽大約3倍的日地距離（3 AU），大約是在「小行星帶」的內側。這個線的定義是溫度低到足以使揮發物質（如水、氨氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等）凝結成固態冰粒（也即是上文提到的彗核組成物質）。由這些物質的性質可以知道溫度大概是開氏溫度150度左右（150 K），而距離太陽大約3 AU處的太陽輻射大致能將物體加熱到開氏溫度150度。

太陽系的「凍結線」（Frost line）

故而，在「凍結線」以內，比如我們地球，水、氨和甲烷等只能以液態或氣態存在，所以不能形成天體；但這條線以外，這些成分則可以凝固成固體，從而成為天體的組成部分。在距離遠到冥王星的位置甚至更遠，如果天體質量較小、又缺乏熱量讓成分產生重分異，冰和岩石就會混在一起，俗稱「臟雪球」，就可以形成彗星的彗核。

那麼接下來我們分3種情況來看：

1.「臟雪球」在「凍結線」以內，且軌道是近似圓形

且不說彗核形成得了形成不了，這種情況冰凍的物質當然會揮發，形成「彗尾」，但是它距離太陽太近，一直都在揮發，太陽系形成了幾十億年，冰凍物質早就揮發完了，堅持不到今天。

如果一顆小天體的軌道始終在凍結線內，那麼它就只會是一顆小行星，由岩石和金屬組成，不會有揮發性物質。不排除有少數彗星因為大行星的引力被整體移入了凍結線以內，但它很快就會揮發殆盡。

2.「臟雪球」在「凍結線」以外形成，且軌道沒有那麼「扁」

當彗星飛到離太陽較近時，如果足夠近，比如軌道近日點距離太陽5 AU附近（木星Jupiter軌道範圍）以內在光照下才足夠的亮，在3 AU的「凍結線」附近其揮發物質才形成明顯的彗尾，才能被我們肉眼看見、稱之為彗星。如果「臟雪球」的軌道不「扁」，始終不進入到「凍結線」以內，這樣的「彗星」永遠沒有被加熱到揮發以產生彗尾的機會，也就不叫彗星，它就只是「臟雪球」而已，和它起源地大大小小的其他天體一樣。

彗星只有燃燒自己的生命、發出絢爛光芒的時候才叫「彗星」！

而集結了「臟雪球」的，就是彗星的起源區——柯伊伯帶（Kuiper Belt）和奧爾特雲（Oort Cloud）。柯伊伯帶距離太陽大約是日地距離的30倍，奧爾特雲距離太陽則是日地距離的5萬至10萬倍。

太陽系的柯伊伯帶（Kuiper Belt）和奧爾特雲（Oort Cloud）圖示

「臟雪球」在「凍結線」以外形成，軌道很扁。

近日點接近「凍結線」，遠日點遠離太陽，這才是我們平時所說的彗星。大部份的彗星都來在遙遠的奧爾特雲。在那裡它們雖然也繞著太陽轉，但太陽如此的遙遠，在那裡看太陽亮度比地球上看天狼星還暗一些，引力和光、熱都比較小。這裡「臟雪球」更容易受到附近恆星引力影響，也可能因為碰撞改變了速度，從而向內太陽系飛來（當然也可能飛向太陽系之外）。多數彗星在向太陽進發時是沿著雙曲線或拋物線軌道的，但彗星在來的路上受到其他星體引力影響改變軌道，就可能變成橢圓軌道，由非周期彗星變成新的周期彗星。

彗星形成示意圖，5 AU是木星Jupiter軌道範圍，

「凍結線」在更近的3 AU位置

不過，以非常扁的橢圓繞太陽運行、但又不足以到達「凍結線」從而揮發的天體，在離我們很遠的外太陽系也並不少見，如遙遠的小天體「塞德娜」（Sedna），它的近日點（76 AU）也比冥王星軌道更遠，而遠日點更是達到1000 AU；它的物質不會揮發產生「彗尾」，因此它也同樣不是彗星。