彗星軌道和行星的一樣嗎?

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（圖注）根據2017年10月19日及其後的觀測資料計算的星際小行星A / 2017 U1的標稱軌跡。注意到行星的不同軌道(快速和圓形)，柯伊伯帶天體（橢圓和大致共面）以及這顆星際小行星。圖片版權：Tony873004 of Wikimedia Commons

當你研究行星在我們太陽系中的軌道時，正確的答案是幾百年前給出的：首先由克卜勒運動定律描述，然後由牛頓萬有引力定律導出。但是彗星都是來自太陽系及以外遙遠的地方，都不會以相同的幾乎是圓形的橢圓形移動，這是為什麼呢?

為什麼彗星在拋物線軌道上繞太陽運行，而不像在橢圓軌道上運行的行星？從奧爾特雲到太陽，彗星從哪裡獲得能量到如此長的距離？此外星際彗星/小行星如何從其母星[系統]中出來，並訪問其他行星呢？

（圖片說明見下面圖注）

（圖注）太陽系行星與小行星帶中的小行星幾乎在同一個平面上運行，形成橢圓形，接近圓形的軌道。海王星之外就越來越不似圓。圖片版權：Space Telescope Science Institute, Graphics Dept.

在我們的太陽系中有四顆內在的巖態行星，一顆超越它的小行星帶，一個擁有許多衛星和環的氣體巨星，然後是柯伊伯帶。在柯伊伯帶之外，有一個巨大分散的圓盤，它被一個球狀的奧爾特雲所取代，延伸了一個巨大的距離：也許一到兩光年遠，幾乎到是下一顆恆星的一半。

（圖片說明見下面圖注）

（圖注）我們太陽系的對數視圖，一直延伸到最近的恆星，顯示了小行星帶柯伊伯帶和奧爾特雲的延伸。圖片版權：NASA

為了在一定距離內保持穩定的軌道，根據重力定律，每個物體都需要以特定的速度運動。在基礎物理方面，需要平衡系統的勢能(以重力勢能的形式)和運動的能量(動能)。當在太陽的引力勢較深的時候，當更接近太陽的時候——能量更少，需要更快的移動以獲得穩定的軌道。

（圖片說明見下面圖注）

（圖注）我們太陽系的八顆行星和太陽，尺寸不是按照軌道距離來衡量的。水星是最難看到的裸眼行星。圖片版權：Wikimedia Commons user WP

看看行星在軌道上的平均速度：

水星：48公裡/秒金星：35公裡/秒地球：30公裡/秒火星：24公裡/秒木星：13公裡/秒土星：9.7 km / 秒天王星：6.8公裡/秒海王星：5.4公裡/秒

由於太陽系形成的環境，充滿了小碎片，然後合併在一起，相互作用，並導致許多天體被拋出，今天剩下的是非常接近圓形。

（圖注）太陽系內行星的軌道並不完全是圓形的，但它們非常接近圓，水星和火星的距離最大。此外行星離太陽越近，它的速度就一定越快。圖片版權：NASA / JPL

但也有一些引力的相互作用，如果一顆小行星或柯伊伯帶天體靠近木星或海王星這樣的大質量物體，它就會產生引力作用。這將使它的速度變化很大，在幾乎任何方向上都能達到幾公裡。對於一顆小行星來說，可以使它的軌道從粗略的圓形變成高度橢圓的；彗星的軌跡，可能起源於小行星帶，這是一個很好的例子。

（圖片說明見下面圖注）

（圖注）恩克（Encke）彗星的軌跡，每3.3年形成一個完整的軌道，是非常短的周期，但在一個沿著彗星軌道軌跡的偏心橢圓中展開。恩克是繼哈雷彗星之後發現的第二顆周期性彗星。圖片版權：Gehrz, R. D., Reach, W. T., Woodward, C. E., and Kelley, M. S., 2006

另一方面，當在很遠的地方，比如在柯伊伯帶或奧爾特雲，可能只移動速度為4公裡/秒(對於內柯伊伯帶)，下降到幾百米/秒(對於奧爾特雲)。與海王星這樣的主要行星之間的引力相互作用可以使你的軌道在兩個方向上改變。如果海王星從那裡偷取能量，它將拉入太陽系內部，形成一個長周期的橢圓，類似於彗星雨絲-塔特爾彗星，它創造了英仙座流星雨。這是一個幾乎沒有引力的橢圓，但這是一個橢圓。

（圖片說明見下面圖注）

（圖注）斯威夫特-塔特爾彗星的軌道路徑與任何行星軌道相比，都是高度橢圓的。我們推測很久以前，與海王星或另一個巨大物體的引力相互作用改變了它的軌道，與現在看到的相匹配。圖片版權：Howard of Teaching Stars

但是如果海王星，或者其他天體(我們仍然不知道太陽系外的大部分物質)賦予了額外的動能，它可以改變其軌道，從一個被束縛的橢圓軌道，到一個不受約束的，雙曲的軌道。（拋物線是一個在橢圓和雙曲的邊界上的非束縛軌道）2013年的太陽ISON彗星，它在靠近太陽的時候解體了，它在雙曲線軌道上。一般來說，來自太陽系外的彗星只會在邊界之間的幾公裡以內。

（圖片說明見下面圖注）

（圖注）當彗星ISON進入太陽系內部時，它形成了一組幾乎直接指向太陽的尾巴。它在不到200萬公裡的距離上飛過太陽，然後從它的近距離處解體。圖片版權：Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona

對於大多數人來說，關於彗星的最奇怪的事實是不需要大量的能量進入太陽系內部！如果有一個相對於太陽靜止的質量，即使是在一個光年之外，如果我們等待足夠長的時間，它就會直接進入太陽。在我們的太陽系中，對於軌道運行的遙遠的質量來說，一個很小的變化到它的速度可以使它接近這個軌道。雖然這些來自附近物體的引力點發生在或多或少的隨機方向，但我們只看到物體開始快速移動，接近太陽，形成尾巴，變得明亮到可以看到。這就是彗星的來源。

（圖片說明見下面圖注）

（圖注）柯伊伯帶是太陽系中已知天體數量最多的地方，但奧爾特雲，更暗淡，更遙遠，不僅包含更多，更有可能被像另一顆恆星那樣的經過質量擾動。所有的柯伊伯帶和奧爾特雲物體相對於太陽的速度都非常小。圖片版權：NASA and William Crochot

絕大多數要麼幾乎沒有引力約束，要麼幾乎沒有引力，這就是為什麼A /2017 U1是如此巨大的發現！與我們所見過的其他彗星或小行星不同，它是極其不受引力束縛的。當我們太陽系外的物體移動時，一旦離太陽太遠，只有幾公裡/秒的頂部，這一個移動速度超過20千米/秒。它一定來自太陽系外，因為即使是海王星也沒有足夠的質量和速度來傳遞這樣的速度！

（圖片說明見下面圖注）

（圖注）A / 2017 U1最有可能是星際起源。從上面看，9月9日最靠近太陽，以每秒27千米（每秒44千米）的速度行駛時，這顆彗星從從地球和太陽離開太陽系。圖片版權：NASA / JPL-Caltech

是什麼讓彗星，小行星，或者我們太陽系以外的物體進入軌道的秘密呢？它只是引力，以及它歷史上的引力作用。在我們的太陽系中，特別是在45億年之後，所有物體都在橢圓軌道上運行。但引力的相互作用可以改變這一點，要麼改變橢圓的形狀，要麼把它變成一個不受束縛的雙曲線。在這兩種情況下，我們只會看到它在靠近太陽的地方被引力彈弓左右所彈射，這是我們所知道的所有彗星的唯一途徑。

（圖片說明見下面圖注）

（圖注）彗尾的尾巴並不是完全沿著軌道軌跡，而是沿著遠離太陽的直線或曲線路徑，這取決於它是離子還是塵粒被吹掉。無論如何，當彗星離太陽太近的時候，彗星只能看到有尾巴。圖片版權：Wikimedia Commons user Roger Dymock

彗星和小行星從我們的太陽系中被彈射出來，穿越星際空間，在那裡它們有朝一日會在其他恆星附近通過。由於恆星以大約10 - 30千米/秒的相對速度穿過星系，這就是這些星際空間巖石可能移動的速度，解釋了為什麼我們發現的星際小行星移動如此之快。它只是初始軌道、引力相互作用的組合，以及我們太陽系通過星系的運動，這就解釋了這一切。當從小行星帶、柯伊伯帶或奧爾特雲的物體中偷取能量時，會創建一個更緊密地與太陽緊密結合的橢圓，反之彈出太陽系。

（圖片說明見下面圖注）

（圖注）雖然我們現在相信我們知道太陽和太陽系是如何形成的，但這個早期的觀點只是一個例證。當談到今天看到的，剩下的只有倖存者。圖片版權：Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute (JHUAPL/SwRI)

隨著時間的推移，太陽系不斷地減少：小行星帶、柯伊伯帶和奧爾特雲的物體也比以往任何時候都少，都變得越來越稀疏，知道有多少天體在這？這是一個不可能完成的任務。在太陽系裡，人類所能遇到接觸到的都是「倖存者」。

知識：科學無國界，博科園-科學科普作者：Ethan Siegel（天體物理學家）內容：「博科園」判定符合今主流科學來自：Forbes science編譯：光量子審校：博科園解答：本文知識疑問可於評論區留言傳播：博科園