關於小行星和彗星形成的理論
小行星和彗星是兩種長期以來備受天文學家關注的小型天體。它們常被稱為太陽系形成的“遺跡”，因為它們形成於太陽早期，當時行星才剛開始形成。雖然兩者都比行星小得多，但小行星和彗星在成分、位置以及接近太陽時的行為方面卻截然不同。小行星通常富含岩石或金屬，主要分佈在火星和木星之間的小行星帶；而彗星則富含冰和塵埃，通常起源於太陽系的邊緣地帶。本文將探討關於小行星和彗星形成的主要理論，從星子形成的基本過程到氣態巨行星引力的作用以及早期太陽系的動力學。
背景：太陽星雲與小天體的誕生
關於太陽繫起源，最廣為接受的理論是太陽星雲理論。大約4,6億年前，一團巨大的氣體和塵埃雲在引力作用下坍縮，形成了一個旋轉的圓盤，稱為原行星盤。在圓盤中心，物質聚集形成了太陽。向外，微小的塵埃顆粒開始碰撞，並透過靜電力相互黏附，形成更大的塵埃顆粒。這個過程不斷進行，最後形成卵石、巨石，以及被稱為星子的公里級天體。小行星和彗星本質上就是從未完全凝聚成行星的星子。
然而，塵埃如何從小型星子「躍遷」到大型星子的細節是現代天文學的關鍵問題。一個引人注目的觀點是流不穩定性，即高密度粒子集中在星盤氣流中，導致局部引力相對快速地坍縮成星子。這種機制形成了一個初始的小天體群，這些小天體隨後演化成小行星和彗星。
小行星形成理論：行星形成遺跡與木星的影響
小行星通常分佈在火星和木星之間的主小行星帶。為什麼這個區域沒有形成行星？經典理論認為，在這個區域，緻密的物質本應形成小型行星，但吸積過程受到了木星引力幹擾的阻礙。
1）「失敗行星」理論
根據這個理論，小行星帶被認為是由於以下原因而從未演化成行星的星子集合體：
木星的引力共振擾亂了小天體的軌道，增加了碰撞的速度。
高速碰撞往往會破壞物體（碎片化），而不是將它們結合在一起（吸積）。
因此，形成了由岩石和金屬碎片組成的群體，這些碎片至今仍以小行星的形式存在。
這個理論得到了以下事實的支持：小行星帶中的一些軌道共振會形成「空隙」（柯克伍德空隙），這些空隙是由於軌道不穩定而形成的相對空曠的區域。
2）碰撞演化理論（碰撞與碎裂）
我們今天觀測到的小行星與早期的星子並不相同。許多小行星是由大型撞擊事件破碎的古老天體形成的。在小行星帶中存在著“小行星族”，即軌道和成分相似的小行星群，它們被認為起源於同一個正在解體的母體。這個理論解釋了為什麼會有如此多的小型小行星，以及為什麼它們的形狀通常不規則。
碰撞也與內部差異有關。一些大型小行星顯示出加熱和分異（形成內核和地函）的跡象，這很可能是由於早期太陽系中短壽命放射性衰變造成的。當母體解體時，剩餘的碎片會表現出成分差異：有些更“岩石化”，有些則更“金屬化”。
3）行星遷移理論（尼斯模型和格蘭德·塔克）
近幾十年來，關於巨行星軌道形成和重組的理論變得越來越重要。其中兩個經常被討論的觀點是：
尼斯模型認為，巨行星在早期歷史中經歷了軌道變化。這些變化可能導緻小型天體散落，混合內外區域的物質，並將天體輸送到小行星帶。
——大遷徙：顯示木星可能曾經靠近太陽，然後又遠離太陽。這種運動可能「清空」了小行星帶，然後又用來自內側（較乾燥）和外側（富含揮發性物質）的小行星混合物「重新填充」了小行星帶。
遷移理論有助於解釋為什麼小行星帶有如此多樣化的類型：S 型小行星（岩石含量較高）在小行星帶內部占主導地位，而 C 型小行星（富含碳和揮發性物質）在小行星帶外部更為豐富。
彗星形成理論：來自太陽系寒冷區域的冰質天體
彗星與小行星的主要區別在於它們的成分：彗星富含水冰、二氧化碳冰、一氧化碳、甲烷和塵埃。彗星在接近太陽時變得活躍起來，此時冰層昇華形成彗髮和彗尾。
1）雪線以外形成理論
在原行星盤內，存在一條至關重要的邊界，稱為雪線。雪線是指距離太陽較遠的距離，在這個距離上，溫度低到足以使水和其他揮發性物質凍結。雪線之外，形成星子的物質含有豐富的冰，因而形成了富含冰的天體－彗星的前身。因此，彗星被認為是保存早期太陽系化學記錄的「冰凍化石」。
2）彗星的來源：柯伊伯帶和奧爾特雲
一般來說，彗星依其軌道周期可分為兩大類：
短週期彗星（通常小於200年）被認為起源於柯伊伯帶和海王星外的散射盤區域。柯伊伯帶天體會受到海王星的引力擾動，進入更靠近太陽的軌道。長週期彗星（數千年至數百萬年）被認為起源於奧爾特雲，這是一個環繞太陽系的、非常遙遠的、近乎球形的冰質天體聚集區。奧爾特雲中的天體可能因潮汐擾動或路過恆星而被「拋射」到內太陽系。關於奧爾特雲形成的理論通常涉及散射過程：在早期，巨行星將許多富含冰的星子拋射到非常遙遠的軌道上。其中一些星子與太陽保持鬆散的引力聯繫，最終形成了奧爾特雲。
3）碰撞和熱過程的作用 儘管彗星通常被認為是“原始的”，但它們也經歷了演化。在它們的原生區域，冰質天體之間的碰撞持續發生，形成多孔的彗星（碎石堆）或混合巨石。此外，隨著彗星反覆接近太陽，冰昇華後殘留的塵埃會在彗星表面形成深色的外殼。最終，彗星會失去揮發性物質，變得不活躍，類似小行星——這類天體有時被稱為「死彗星」。小行星和彗星之間的關係：界線並不總是清晰的 雖然兩者之間的區別通常很明確，但小行星和彗星之間的界線並非總是絕對的。存在一些天體，例如活躍小行星或主帶彗星，這些位於小行星帶中的天體表現出類似彗星的活動。這引發了幾種可能性：- 某些小行星內部殘留著冰。 - 碰撞引發的活動會破壞其下層結構。 - 其他過程，例如快速自轉，會將塵埃從表面噴射出來。這些現象支持了早期太陽係是由多種物質混合而成的觀點，並表明「岩石」和「冰」並非完全分離。結論：關於小行星和彗星形成的理論根植於太陽系從太陽星雲的形成過程：塵埃和氣體形成星子，其中一些後來演化成行星，而另一些則保持較小的天體狀態。一般認為，小行星是岩石和金屬物質的殘餘，它們的吸積過程主要受到木星引力的影響而受到干擾，並因行星碰撞和遷移而重塑。彗星形成於雪線以外的寒冷區域，富含冰和揮發性物質，隨後沉積在柯伊伯帶和奧爾特雲中，之後部分彗星進入了內太陽系。從望遠鏡觀測到太空探測任務，現代研究不斷豐富這些理論，並表明早期太陽系的動力學遠比之前想像的複雜得多，充滿了遷移和混合。如果小行星和彗星是“宇宙檔案”，那麼了解它們就意味著重新閱讀地球形成環境歷史的最初篇章。