彗星可能都来自同一个地方

从尤利乌斯·凯撒的灵魂升天到黑死病的爆发，人类发现彗星划过天空的轨迹蕴含着无数的意义。

然而，直到最近，天文学家才发现了这一奇怪的事实。与行星、小行星和其他在天空中飞行的岩石块不同，彗星主要由冰和少量尘埃组成。这些各种各样的冰——冻结的一氧化碳和甲烷分子以及水和其他化合物——代表了太阳系早期的罕见记录，当时一个由化学物质和尘埃组成的光滑圆盘围绕太阳旋转。从那时起，行星几乎扫除了形成它们的所有原始物质的痕迹，如今它只存在于偶尔从冥王星以外轨道飞来的数英里宽的雪球中。

德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家安妮塔·科克伦说：“它们一生中的大部分时间都处于深度冷冻状态。当我们研究彗星时，我们基本上是在观察太阳系形成时的遗迹。”

现在，研究人员正试图将我们所知道的有关彗星和早期太阳系的一切变成一个连贯的起源故事。作为初步测试，一个小组对几颗彗星进行了观察，并根据他们对最终成为太阳系的所谓“原行星盘”中存在哪些化学物质的预测进行了检查。研究人员在对大约十几颗目前围绕太阳运行的彗星进行多样化选择的过程中发现了一个意想不到的趋势，这些彗星的轨道从不到十年到数千年不等。

“所有这些彗星实际上可能都形成在相同的径向范围内，”弗吉尼亚大学天文学家 Christian Eistrup 说道，他领导了这项研究，并将其作为其博士论文的一部分。“围绕太阳系圆盘的环。”

要揭示这些天体可能的共同起源，需要将数十年的彗星观测与太阳系形成的新理论相结合。在观测方面，艾斯特鲁普仔细研究，手动汇编了一份目录，记录了在哪些彗星上发现了哪些化学冰。在理论方面，他和他的同事们充分利用了新兴的天体化学领域——太空化学——所能提供的最佳信息。强大的近红外和红外望远镜，如 ALMA 和斯皮策太空望远镜，已经帮助绘制了其他恒星周围行星盘中特定分子的形成过程。而旨在模拟太空条件的地面实验室正在填补解释粒子聚集成冰和尘埃，最终形成鹅卵石和行星的过程的空白。

例如，其中一种理论认为太阳系是从原子而非分子种子中发展而来的。艾斯特鲁普解释说，最初的粒子可能来自恒星间飘荡的原生冰分子，但他分享的彗星模式只有在假设它们起源于原子时才成立：原子是年轻太阳早期爆炸时炸开的星际冰碎片。

通过运行计算机模拟，艾斯特鲁普测试了原行星盘中甲烷、二氧化碳和其他分子的假定分布如何导致在他的彗星束中看到的化学物质的数量。他发现一个条件范围与观察到的丰度最匹配：他的所有 14 颗彗星可能都形成于 21 到 28 开尔文（零下 422 到零下 409 华氏度）的温度之间——映射到随着太阳系冷却而从太阳向外移动的相对较窄的太空带。从那时起，未来的气态巨行星如木星将把其中大多数彗星全部踢出太阳系，并让剩下的彗星拥有它们今天所拥有的长而环形的轨道。研究结果将发表在《天文学与天体物理学》杂志上。

其他研究人员对此很感兴趣，但不愿宣布彗星形成论已得到破解。“我不能告诉你（他的结果）是否正确，”未参与这项研究的科克伦说，“但观察彗星并了解我们认为它们形成的地方是正确的概念。”

她希望看到艾斯特鲁普扩大他的样本范围，涵盖更广泛的彗星，例如轨道更长的彗星和正在解体的彗星。她特别强调，最近发现的一颗“怪异”彗星可能会破坏他的模型。艾斯特鲁普认为他的模型将经受住新的异常值，但除此之外，他同意批评。“那里有数十亿颗彗星，”他说。“其中十四颗并不是一个很大的样本量。”

不知道每颗彗星的确切组成是另一个弱点。艾斯特鲁普说，彗星已知的化合物越多，模拟就能越精确地确定其形成过程。这可以让我们更好地理解哈雷彗星和欧洲航天器罗塞塔号所在的 67P 等研究得很好的物体，但对于不太出名的冰球，答案却比较牵强。

为了真正支持计算机模拟，彗星研究者们梦想着收集样本并将其带回地球，就像日本隼鸟号任务收集小行星尘埃一样。然后研究人员可以根据他们的测量结果检查彗星的确切成分。不过目前，研究人员必须接受模型构建者和天文学家之间进行的渐进式猜测和检查过程。“他们会逐渐发现哪些方法有效，哪些方法无效，”科克伦说，“与此同时，我们这些观察者会发现挑战他们观点的彗星。”