彗星軌道為什麼偏心率這麼大？

01-11

彗星軌道為什麼和行星軌道會差別這麼大。

因為偏心率小的就成不了彗星了。

大行星是在塵埃盤裡產生的，所以行星盤的摩擦會讓它們的軌道變成近似正圓。而小天體現在已經沒有塵埃盤了，小行星帶、柯伊伯帶或奧爾特雲里有無數的小天體，它們有些會發生碰撞。奧爾特雲由於遠離太陽，所以可能受到臨近恆星的干擾。而四顆氣體大行星都有數千萬公里甚至上億公里的巨大希爾球（因為距離太陽遠且質量大，基本介於是太陽到水星與太陽到地球的距離之間），經過小天體很容易被大行星的引力彈弓影響。以上諸多原因都會導致軌道不穩定。這是因為小天體質量小，與大天體作用時軌道速度（包括方向）改變較大。

正圓軌道是非常完美的，任何的速度（包括方向）改變都會增加軌道偏心率。

羅塞塔號的軌道，可以看見經過地球和火星的引力彈弓，羅塞塔號的速度加快，軌道偏心率變大了。

這樣就會胡亂形成一堆不同的小天體軌道，有的偏心率大有的偏心率小，有的離太陽近有的離太陽遠。剩下的就完全是倖存者偏差了。

太陽系裡有一條【凍結線（Frost line）】，在大約3個天文單位的位置，小行星帶內側。

此處太陽輻射可以把物體加熱到150開爾文左右。這條線內水、氨和甲烷只能以液態或氣態存在，所以不能形成天體；這條線以外則可以凝固成固體，從而成為天體的組成部分。除了以氫為主要結構的類木行星之外，其他天體都可以明顯看出這種差別，尤其是固體星球。

內太陽系的天體結構一般如此：

水星：巨大的鐵質內核，基性的硅酸鹽地幔和冷卻的固體地殼。

而凍結線以外的星球則是這樣的結構：

這是穀神星。中心是巨大的硅酸鹽岩石核心，中間是水冰組成的地幔，外層是宇宙塵埃覆蓋的地殼。

如果再遠一點，到了冥王星的位置，連氮氣都被凍成了固體，冥王星的地殼就是固態氮。

它們都是冰和岩石組成的，只不過因為重力分異產生了圈層結構，如果缺乏熱量讓它們產生重力分異，冰和岩石就會混在一起，形成【臟雪球】結構。比如木衛四就是如此：

這種結構有點類似於內太陽系的球粒隕石，只不過填充物是冰和揮發性物質。

這些星球的表面根本不是岩石，而是地球上的冰。如果它們到了內太陽系，整個外層都會融化或升華。即使是穀神星、土衛二、海衛一這樣軌道接近正圓的星球，都會存在揮發氣體的情況（前者是因為靠近凍結線，後兩者是因為潮汐力加熱）。

（這是土衛二上的冰火山）

對比一下進入內太陽系的彗星。

這是羅塞塔號拍攝的彗星，有些類似吧。

剩下的事情應該很好理解了吧，一個彗星要想放出氣體，它就必須在太陽系的凍結線以外產生。但是如果沒有潮汐力等外部熱源，那麼它只有進入到內太陽系才能揮發出氣體形成彗尾。所以只有那些軌道穿越凍結線，近日點在凍結線內，遠日點在凍結線外 的小天體，才會是彗星。要做到這一點，軌道偏心率必須大，因為偏心率小的話與太陽的距離就不會有太大變化。它們一般是在凍結線外形成後，因為碰撞導致速度降低，從而墜入了內太陽系。

（上圖為哈雷彗星和四顆外行星的軌道模擬，點擊可播放，距離與速度都按比例）

複習高中物理了！還記得開普勒定律嗎？物體在近日點運動速度快，在遠日點運動速度慢。這就是說，偏心率越大，那麼物體在遠離太陽的那半圈停留得時間佔比更大。偏心率小的彗星兩邊的時間則差不多。

彗星是要噴發物質的，噴完就沒了（熄火彗星Extinct comet）。由此我們很容易得出結論——那些偏心率更大的彗星，噴出物質的時間更短，能存活更長的時間。其實確實有來自木星軌道附近的、被木星彈進內太陽系的彗星，不過它們偏心率太小很快就噴完了。只有像哈雷彗星這樣來自柯伊伯帶的彗星才能絕大多數時間都不噴射物質。

還是羅塞塔號的目標，67P彗星。這顆彗星的彗尾就相對小得多了，因為最遠只到木星，最近只到火星軌道。我們也可以從軌道上看出，這顆彗星是被木星引力影響而減速後墜入內太陽系的。

當偏心率變大，近日點也會相對變低，在近日點也會受到更多的太陽輻射，更容易放出更多氣體，從而讓人看到。這一點哈雷彗星就做得很好，它的近日點比金星還低。

如果一顆小天體的軌道遠日點也在凍結線內，那麼它就會是一顆小行星，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凝固線以內，不過這種彗星毋庸置疑會很快噴完耗盡。

（小行星軌道。小行星帶與三種近地小行星）

相反，如果一顆小天體的近日點都在凍結線以外。那麼它就是一顆臟雪球，但永遠沒有被加熱到揮發以產生彗尾的機會。這種小天體從內到外我們依次稱之為：半人馬小行星（Centaur，位於木星與海王星軌道之間）、柯伊伯帶小天體與奧爾特雲。

（半人馬小行星，實際上都是沒有機會進入內太陽系的彗星。它們會慢慢被四顆大行星驅逐出去）

（柯伊伯帶的幾個主要小天體）

（奧爾特雲，它的特點是球狀的，遠離黃道面。所以奧爾特雲來的彗星可以來自任何方向，海爾波普彗星就是典型例子。奧爾特雲有1光年的半徑，這使得這裡的彗星容易受到其他恆星的引力干擾而改變軌道）

順便說一句，外太陽系的小天體的偏心率通常也都比較大。比如這張圖裡那個紅色的軌道是塞德娜，它最近的時候也比冥王星離太陽遠。

偏心率小的，軌道類似圓周。如果離太陽距離近，冰沒多久就全揮發了，就看不到慧尾了，即壽命短。如果離太陽遠，冰永遠都揮發不了，在深空，成為不了彗星。太陽都四十七億年了，偏心率小距離近的彗星早就沒了。距離遠的要成為慧星，偏心率必須大啊。

這個就像問圓形為什麼是圓的一樣。