彗星是太陽系的一類特殊成員,它們大多長期運行在太陽系寒冷外域,內(nèi)部演化程度小,可能較多地保留其形成初期的遺跡,從而為研究彗星起源演化以及太陽系起源提供重要線索。然而,彗星起源研究也有觀測資料和理論兩方面的困難。長期以來,大量觀測獲得的主要是彗發(fā)和彗尾的觀測資料,而實際上,雖然彗發(fā)和彗尾很龐大,但它們只不過是從彗星很小的彗核蒸發(fā)出來的小部分物質(zhì)。因此,彗星起源要研究的主要問題是:彗核是什么時間,在何處,從什么物質(zhì),經(jīng)歷怎樣的過程形成的?然而,過去對彗核了解甚少,近年才由飛船探測到幾個彗核的資料,已提出多種多樣的彗星起源假說或理論。
在康德的太陽系起源星云假說中,認為彗星是在原始星云外圍,由最輕的物質(zhì)形成的。拉普拉斯則認為,彗星是在恒星際形成的,而后被俘獲到太陽系。
關(guān)于彗星是什么時間形成的,有兩類不同看法:一類認為,彗星跟太陽系其他成員一樣,是在46億年前形成的;另一類認為,彗星形成過程仍在延續(xù)著,但缺乏觀測依據(jù)。
關(guān)于彗星形成于何處,大體有三種看法:一是在恒星際形成;二是在太陽系的外緣區(qū)形成;三是在太陽系的外行星區(qū)形成。如果僅從彗星軌道性質(zhì)來看,這三種看法都是可能的。橢圓軌道的彗星顯然必是太陽系成員,因此起源于太陽系內(nèi)。拋物線和雙曲線軌道的彗星似乎來自恒星際,因此起源于太陽系之外。但實際上問題并不這么簡單,雖然由觀測算出的彗星軌道是拋物線或雙曲線,但彗星的定位觀測誤差可能導(dǎo)致把橢圓軌道誤算為拋物線乃至雙曲線。另外,行星的引力攝動改變彗星的軌道,尤其彗星經(jīng)過巨行星旁,受的攝動大而軌道變化也大。一些研究表明,大多數(shù)拋物線或雙曲線軌道的彗星在仔細改正攝動后,其原來軌道仍為橢圓,說明它們還是太陽系的成員。當(dāng)然,也不完全排除某些彗星來自恒星際的可能性。
關(guān)于彗星是從什么物質(zhì)形成的,也有兩種看法:一種認為彗星是由恒星際物質(zhì)形成的;另一種認為彗星是由太陽系物質(zhì)(原始星云物質(zhì),或行星及衛(wèi)星拋出的物質(zhì))形成的。
關(guān)于彗星的形成過程,也有多種看法。有些人改進和發(fā)展了拉普拉斯的彗星起源于恒星際的假說,認為在恒星際先形成凝聚體(彗星),然后被太陽引力俘獲到太陽系。他們先假定這些凝聚體相對太陽的速度分布等因素,計算被俘獲到太陽系的軌道分布,再與觀測情況對比,得到某些較符合的結(jié)果。但是,計算結(jié)果與設(shè)定因素有關(guān),不能作為彗星起源于恒星際的有力證據(jù),而恒星際物質(zhì)極其稀疏,沒有足夠條件形成凝聚體。還有人認為,彗星是在星際云里形成的,若是如此,那么該星際云中也可能形成恒星(太陽)和行星,或者說彗星形成于太陽系以外的(恒星的)行星系中,這又歸結(jié)在太陽(-行星)系中形成彗星的同樣問題。里特頓(R. A. Lyttleton)認為,在太陽運動經(jīng)過恒星際過程中,恒星際物質(zhì)(或者宇宙塵)受太陽的引力作用,沿雙曲線在太陽運動的背側(cè)匯聚,發(fā)生碰撞和結(jié)合而成為彗星;碰撞中消耗掉部分動能,最后結(jié)果是使其軌道變?yōu)閽佄锞€和橢圓。從理論上說,這種俘獲是可能的,但問題在于碰撞時動能轉(zhuǎn)化為熱能,使揮發(fā)物蒸發(fā),因而難以解釋彗星富含揮發(fā)物。格林伯格(J.M. Greenberg)提出,彗星形成于太陽前身的密云內(nèi),在塵粒上形成冰,而后冰-塵混合物沒有化學(xué)改變地聚集為彗星。
關(guān)于彗星由太陽系物質(zhì)形成的假說可分為兩類:一類認為,由行星或衛(wèi)星拋出的物質(zhì)形成彗星;另一類認為,原始太陽星云物質(zhì)在形成行星過程的殘存冰-塵星子成為彗星。
早在1814年,拉格朗日提出,彗星由行星爆發(fā)拋出的物質(zhì)形成。后來被進一步發(fā)展,符謝斯比亞特斯基認為彗星是行星的火山爆發(fā)形成的,但受到批評,例如,假設(shè)木星族彗星是由木星的爆發(fā)而形成的,那么其拋出速度要60 km/s才可能進入行星際而繞太陽公轉(zhuǎn),而木星更不可能提供所需巨大能量拋到奧爾特云;后來,他改為衛(wèi)星爆發(fā)形成彗星,同樣也難以解決能量問題。也有人認為,彗星可能是隕石撞擊木星的冰衛(wèi)星而拋出的冰塊形成的。的確,木星的冰衛(wèi)星上有不少隕擊坑,而嚴重隕擊期是在39億年前,這樣撞擊拋出的冰如真的形成彗星,那么它們早已壽終正寢,故無法解釋現(xiàn)存的彗星。
奧爾特在1950年提出,原始彗星形成于太陽系外圍的原云物質(zhì),并以各種軌道(隨機分布)運行,受到路過恒星的引力攝動而改變軌道,可以運行到太陽系的內(nèi)區(qū)來,似乎彗星的軌道和物質(zhì)成分有利于此假說。然而,關(guān)于彗星形成時間的問題還有不同看法,有認為彗星和行星是同時形成的,也有認為彗星是在行星形成之前或之后由氣體凝聚的。
卡米隆認為,原始太陽星云的質(zhì)量很大,在又自轉(zhuǎn)又收縮過程中形成半徑和質(zhì)量都很大的星云盤,有90%物質(zhì)留在幾百AU的低溫區(qū),形成大量彗星,有些逃離太陽系,有些進入奧爾特云。
惠普爾(F. L. Whipple)認為,在離太陽4〇?50 AU的星云盤低溫區(qū),物質(zhì)可凝聚成富含冰的星子,形成一個彗星環(huán)帶,估計其總質(zhì)量為0. 1M@,它們大部分聚集到天王星和海王星上,另外一些受天王星和海王星的引力攝動進入太陽系內(nèi)部,或奧爾特云,或逃出太陽系。
在戴文賽的太陽起源學(xué)說框架下,本書作者探討了彗星起源問題。在離太陽40 AU以外的邊遠區(qū),物質(zhì)極為稀疏,推算表明,那里不足以形成彗星帶;但在木星到海王星這一區(qū)域的物質(zhì)可聚集成含冰的星子,它們大多聚集于外行星,殘留的成為彗星。這些彗星受外行星攝動而改變軌道,有的進入太陽系內(nèi)部成為短周期彗星,有的進入奧爾特云
或逃離到恒星際空間。由于冰星子形成于很大的區(qū)域,不同部位的環(huán)境和條件是不同的,可以導(dǎo)致各彗星在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的差異。