彗星和小行星有什麼區別?這似乎是一個簡單的問題。彗星是大多數人所熟知的一類天體，它們有著毛茸茸的頭部，通常還拖著一條或多條長長的、寬寬的尾巴——天文學家把這些特徵統稱為「活動性」。即使是那些從未親眼見過彗星的人，也可能在雜誌上的彗星照片中看到過這些特徵，比如你現在正在讀的這本雜誌，或者在大眾媒體和末日電影的描述中看到過。
1950年，弗雷德·惠普爾(Fred Whipple)將彗星描述為「髒雪球」，指的是構成彗星的冰和非冰物質的混合物——這在很大程度上仍然符合今天天文學家對彗星的看法。這種觀點自然而直觀地解釋了彗星的「活動」外觀，當彗星從寒冷的外太陽系出現並接近太陽時，彗核(「頭部」)中的冰被加熱並轉化為氣體。這種從冰到氣體的直接轉變被稱為昇華，可以產生間歇泉般的流出物，將塵埃從核上拖走，形成不同類型的彗尾。
相比之下，小行星在很大程度上顯然不同於彗星。小行星大多是岩石或金屬質地，主要存在於火星和木星軌道之間的主帶中，天文學家長期以來認為，小行星的軌道離太陽太近，不可能攜帶昇華燃料爆發所需的冰。因此，它們應該是惰性的——永遠沒有生命的岩石或不活躍的碎石堆。
但事實證明，太陽系並非如此非黑即白。我們現在意識到小行星也可以具有像彗星一樣的特徵，反之亦然。我們認為的兩種天體實際上屬於一個龐大家族的一部分，它們的性質並不總是能簡單地歸入傳統的小行星或者彗星的範疇。
即將分離 |小行星高爾特（Gault）6478正在通過自轉將自己撕成碎片。
/主帶中的彗星
關於小行星是惰性天體，彗星是活躍天體的經典觀點，是建立這樣的假設之上：活動性需要冰，而小行星沒有冰。這一假設源自於其他長期以來被廣泛認可的觀點，比如彗星起源於海王星軌道之外寒冷的外太陽系——這解釋了它們的冰質成分和細長的軌道——而小行星形成於我們今天看到它們的地方——位於今天的主帶(main belt)距離上。由於太陽系形成過程中，這個區域太熱了，以至於無法使得大量的冰粒子存活下來，並被捲入不斷增長的星子中。
總的來說，多年來，這個基本圖像為我們理解太陽系的性質提供了一個合理的基礎研究框架。然而，隨著近年來望遠鏡技術、大視場巡天、計算能力和理論工作的不斷進步，向我們揭示了不符合這些規則的例外情況，迫使我們重新審視所採用的假設，並更好地理解它們的侷限性。
例如，我們現在知道，太陽系小天體上可見的類似彗星的活動性可能是由複雜機制中的一種或多種所產生的，而不僅僅是昇華。我們還了解到，主帶小行星可能不像以前認為的那樣是無冰的，這一方面要歸功於對可能存在的表面冰和排氣的探測，另一方面還得益於理論研究表明，靠近表面的冰存在的時間可能比以前認為的更長。即使是基於天體軌道的起源假設也不得不隨著時間的推移而改變，因為現在的模擬表明，在類小行星軌跡上運行的天體可以演變成類似彗星的天體，反之亦然。
一個特別有趣的類別是活躍的小行星。這些天體有類似小行星的軌道，但顯示出類似彗星的塵埃雲和彗尾。現代天文關於活躍小行星的研究始於1996年，當時埃里克·埃爾斯特（Eric Elst）和圭多·皮薩羅（Guido Pizarro）發現了神秘的週期性彗星133P/埃爾斯特-皮薩羅（133P/Elst-Pizarro）。
雖然最初被稱為小行星，但在新照片中，這個天體看起來像一顆長著長長塵埃尾巴的彗星。這通常表明它含有近地表冰。然而，它完全在主小行星帶內運行。那裡的溫度應當非常高，冰是無法存活數十億年的——而我們認為這顆主帶小行星正是在那裡度過了數十億年的時間。
研究人員考慮了昇華的其他解釋，但沒有一個真正符合觀測結果。例如，另一顆小行星的撞擊可能會產生足夠的物質來形成塵埃尾。如果這是真的，那麼我們應當看到在撞擊的瞬間，塵埃會在一次短暫的爆發中噴射出來。但是計算機模擬表明，這些塵埃的噴射至少持續了兩個月。這一結果很難得到解釋，但在其他彗星中由昇華驅動的活動性是很常見的。
2002年的觀測進一步支持了昇華驅動的彗尾，這表明該天體再次活躍起來。在這兩種情況下，爆發都發生在埃斯特-皮薩羅彗星的近日點附近。
對近日點附近重複活動性的觀測證實了昇華起源的觀點，因為這正是我們在「正常」彗星上看到的：每當它們接近太陽時，它們就會變得活躍，當它們遠離太陽時，活動性就會停止。
自2002年以來，觀測者在小行星帶發現了更多的天體，它們似乎顯示出昇華驅動的活動性。我們現在稱這些天體為主帶彗星。就像埃斯特-皮薩羅彗星的情況一樣，這些新彗星的塵埃釋放事件通常會持續幾周到幾個月。在許多情況下，輻射會在近日點附近反覆出現。這兩者都是昇華的跡象。到目前為止，研究人員已經確定了15顆主帶彗星，我們預計這個數字在未來還會繼續增長。目前已知的主帶彗星可能只是冰山一角。
小行星活動性的驅動因素
/瓦解的小行星
到2010年，主帶彗星作為一種新型彗星的地位得到了進一步確立。但是奇怪的事情發生了。在那一年的1月和12月，天文學家分別發現了另外兩個與之前發現的主帶彗星不同的活躍的主帶天體——新發現的354P/LINEAR（注:354為彗星命名的數字，P代表是週期性的，LINEAR是發現這顆天體的設備名稱）和已知的主帶小行星596舍拉星（596 Scheila）。
除了與其他彗星相比在視覺上看起來不同之外，這兩個天體的塵埃尾是由短爆發而並非長爆發所產生的。這些短暫的噴發表明，這些天體的塵埃尾可能不是由昇華產生的，而是通過與其他小行星撞擊時噴出的碎片形成的。
隨後在2013年，事情又發生了新的轉折，天文學家發現了一顆活躍的主帶小行星，造成其活動性的原因似乎既不是由於昇華也不是撞擊事件。這顆天體現在被稱為311P/PanSTARRS，它顯示出至少6條不同的塵埃尾，每一條都對應著一次單獨的物質拋射事件。研究人員最終確定，這顆小行星的自轉是罪魁禍首：它的自轉速度如此之快，以至於重力和內部結構力無法抵消試圖撕裂它的離心力，從而導致物質從表面飛向太空。
基於理論研究和小行星中快速旋轉天體的稀缺性，天文學家此前曾預測，自轉不穩定可能導致質量損失——甚至是整個小行星的毀滅。(它們的稀缺性意味著這些天體在結構上不穩定，可能會系統性地自我毀滅，因此留給我們尋找到它們的機會很少。)然而，在發現311P/PanSTARRS之前，我們從未實實在在的觀測到此類事件的發生。
重要的是，無論是撞擊還是自轉破壞，小行星都不需要擁有冰，就能夠展現出類似彗星活動性的塵埃釋放。因此，經歷這些事件的天體被稱為瓦解的小行星，以將它們與主帶彗星區分開來。從那以後，科學家們就把活躍小行星作為一個總稱來涵蓋這兩個類別。
破裂 |有些小行星會由於自轉而解體。從2013年底開始，哈勃空間望遠鏡在幾個月的時間裡捕捉到了P/2013 R3的分裂。這顆小行星的碎片在太陽光的壓力下呈現出塵埃尾。
/是什麼激活了小行星？
然而，仍然存在其他機制有助於產生活動性。在許多情況下，多個過程可能協同工作。埃爾斯特-皮薩羅彗星是可能相互作用的一個很好的例子。雖然觀測表明昇華是埃斯特-皮薩羅彗星活動性背後的驅動力，但碰撞可能是觸發因素，它鑿開了惰性表面，使地下冰暴露在陽光下。埃爾斯特-皮薩羅彗星的自轉速度也很快，這可能有助於塵埃顆粒的流出，因為單靠排氣可能無法產生足夠的速度發射塵埃顆粒，從而擺脫天體的引力。
同時，還存在一些活躍的小行星，其活動機制尚不清楚。近地小行星3200法厄松（3200Phaethon）是眾所周知的雙子座流星雨的來源。流星雨通常是由擦肩而過的彗星引起的，當我們的星球經過它們時，彗星留下的塵埃粒子流在地球大氣層中燃燒。
然而，法厄松有一個類似小行星的軌道，在被發現後的幾十年裡，它看起來完全不活躍——直到天文學家最終在2009年和2012年發現了一個微弱的、類似彗星的尾部。法厄松在水星軌道內運行，非常接近太陽。它所經歷的高溫應該會破壞任何曾經存在於那裡的冰，從而排除昇華驅動的活動性。然而，法厄松在近日點附近的活動性表明，重複出現的太陽加熱週期一定仍在某種程度上參與其中。
目前的一種假設是，當極端高溫化學分解其表面的礦物質時，就會激發法厄松的活動性。這種轉變可能會導致表面破裂，就像地球上被太陽晒乾的泥灘一樣，釋放出鬆散的塵埃顆粒，然後被法厄鬆快速自轉產生的離心力吹走。有趣的是， 近地小行星101955貝努（101955 Bennu）也在積極地噴射塵埃顆粒。來訪的奧西里斯王號（OSIRIS-REX）探測器在2019年發現了爆發事件，儘管在探測器偶遇爆發事件之前，在地面進行的大量觀測並沒有發現任何活動性的跡象。
另一種類似於熱分解的日晒機制，稱為熱壓裂，可能有助於解釋貝努的活動性；然而，關於可能的機制或它們可能發生的頻率，研究人員尚未得出任何明確的結論。可能存在許多這樣的「隱形」活躍小行星，從地球上觀測時看起來不活躍，但近距離觀測時卻很活躍。
六條塵埃尾 |哈勃望遠鏡的另一張照片捕捉到了活躍的小行星311P/PanSTARRS 拋出的六條塵埃尾。與P/2013 R3不同的是，這個天體（目前）沒有完全解體；它只是在拋射物質。
作者簡介 /
謝宏立（Henry Hrieh），行星科學研究所的資深科學家，他通過觀測和理論模型中研究活躍的小行星。
譯者簡介 /
李海寧，中國科學院國家天文臺研究員，主要從事銀河系考古研究。曾翻譯包括《天文學百科》在內的多部科普書籍。