综述：系外彗星的起源与储库

《SPACE SCIENCE REVIEWS》：The Origins & Reservoirs of Exocomets

本综述系统探讨了系外彗星的起源储库，从恒星形成环境、原行星盘化学物理条件，到星子形成机制（如流不稳定性SI），并与太阳系小天体种群进行类比。文章指出，系外彗星活动与碎片盘、行星动力学密切相关，其组成受原行星盘雪线位置和宿主恒星质量影响，为理解系外行星系统形成演化提供了关键线索。

　　

引言

小天体在其行星系统中通常以离散的动力学群组——储库的形式存在。它们是气体盘消散后围绕恒星运行的微小世界的群体。由于每一颗系外彗星都源自星子盘中的某处，理解一个系统的储库对于认识这些仅在消亡的系外彗星短暂闪耀中被观测到的天体的潜在起源、组成和热历史至关重要。

恒星形成及其环境

恒星诞生于致密分子云（或称稠密核）的引力坍缩中。围绕原恒星的原恒星盘是行星形成的场所。年轻恒星根据其演化和周围物质可分为0级、I级、II级和III级。II级恒星周围的盘（即年轻金牛座T Tauri星）是行星形成的主要场所，ALMA高分辨率观测显示其普遍具有环隙等子结构。与II级盘相比，围绕0/I级原恒星的原恒星盘仍在剧烈演化中，质量更大，可能对行星形成起更关键作用。大多数恒星诞生于星团中，而非孤立环境。星团环境通过近距离恒星飞越和强辐射两种方式影响原行星盘，可能导致盘被截断甚至摧毁，从而减少可用于星子形成的盘物质。

原行星盘的初始化学组成与物理条件

星子（以及后来的行星）被认为形成于原行星盘中，那里的尘埃粒子数密度很高。盘中的尘埃生长受到碰撞黏附等过程的影响。盘的成分显著受热条件控制。材料被恒星辐射加热，温度分布取决于恒星光度以及与恒星的距离。在热的内部盘区，水和有机分子热蒸发为气相。某种分子以固态存在的外部边界称为其"雪线"，雪线的位置取决于每种分子的升华难易程度。例如，一氧化碳（CO）的升华温度（约20 K）低于水（约150 K），导致CO雪线位置（约20-30 au）远于水雪线（约1-2 au）。近期ALMA观测和模型表明，气体和冰的组成并非简单地由分子雪线控制，观测到盘内外都存在CO气体耗竭，这可通过紫外辐射和/或宇宙线破坏气相CO以及随后在尘埃颗粒上的冻结和表面反应来解释。

对宿主恒星质量的依赖性

系外彗星的存在既需要源种群（盘或类奥尔特云），也需要系统中的一个或多个大质量天体（行星或恒星）将彗核驱动到小近日点轨道。这些种群的形成取决于恒星和行星形成的条件，而这些条件又取决于主（原）恒星的质量。观测表明，系外彗星至今主要在A型星附近被探测到。围绕不同质量恒星的行星形成普遍性表明，系外彗星不应专有或主要围绕A型星形成。碎片盘可能是系外彗星的主要来源，而碎片盘在年轻恒星和较早光谱型的恒星周围更常被探测到。

星子形成的早期阶段

通常认为，原行星盘中的尘埃从初始尺寸（0.1-1 μm）生长到星子尺寸（1-1000 km）。微米级尘粒的相互碰撞由布朗运动主导。较大的团块（>10-100 μm）由于压力支撑的气体盘存在亚开普勒运动，会相对于气体发生系统性的径向漂移。气体湍流也显著影响尘埃团块的演化。尘埃生长的一个关键问题是实验发现的"弹跳屏障"：硅酸盐尘埃团块碰撞时会发生弹跳或碎裂，而非黏附增长，这阻碍了进一步生长。然而，对于冰颗粒，弹跳屏障可能不存在。团块生长在一定程度上取决于在盘中的位置以及盘的尘埃冰比例参数。达到弹跳屏障后，可能通过团块的速度分布克服碎片化、质量转移等障碍，使得一些尘埃团块最终能生长到星子尺寸。

星子形成的后期阶段

星子最有可能通过毫米-分米尺寸的鹅卵石（pebble）云引力坍缩形成，这些鹅卵石在盘中局部聚集，达到超过希尔密度，使得自重力能够克服开普勒剪切。这一过程最初由Safronov以及Goldreich和Ward提出，但后来因担心沉降到盘中间面的尘埃会触发开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI）导致湍流扩散而被搁置。随后注意力转向寻找允许鹅卵石充分聚集的条件。许多盘过程会产生能够捕获颗粒的大尺度结构，例如缓慢旋转、长寿命的涡旋和压力颠簸。流不稳定性（SI）的产生是由于鹅卵石对气体的反作用：鹅卵石以开普勒速度轨道运行，而气体盘的方位角速度受径向压力梯度影响。嵌入气体中的固体由于缺乏压力支撑以平衡亚开普勒气体运动引起的减小的离心力而向径向向内漂移。这种漂移导致固体颗粒局部聚集。SI能够将局部尘埃气体比放大一个数量级。触发SI需要足够高的局部尘埃气体比（约等于1），这可以通过垂直沉降达到，但需要超太阳金属度（约2-3倍太阳）来克服湍流扩散并触发引力坍缩。

从原行星盘到碎片盘

观察整个原行星盘，尘埃生长、鹅卵石和星子形成的效率不同，并且可能不是盘中所有地方同时发生。一旦原行星盘消散，我们就剩下一个未形成行星的残余固态物质盘，即碎片盘。附近恒星的一个巨大潜在系外彗星储库是它们的冷碎片盘，这些盘位于系统外部，在20%附近的AFGK型恒星周围被探测到。这些尘埃盘是太阳系经典柯伊伯带的更亮类似物。碎片盘中的物质随时间消耗，因为天体通过相互碰撞相互磨碎。由此产生的尘埃在足够小的时候通过辐射力从系统中移除。观测显示碎片盘的尘埃质量随年龄增长而下降，这意味着较老的碎片盘中可成为彗星的物质较少。

太阳系的观测证据

太阳系中小天体群体的轨道分布是研究最广泛的特性。海王星外天体（TNO）的轨道分布尤其能够诊断太阳系晚期盘的演化。对TNO、巨行星的不规则卫星和特洛伊群体动力学的详细表征揭示，彗星、TNO、不规则卫星和特洛伊群共享一个共同的起源，即遥远的原始盘。这些遥远天体的表面性质研究为原始星子盘组成及其对日心距离的依赖性提供了线索。多波段测光研究提供了强有力的证据，表明小型TNO、半人马座、木星特洛伊可能还有海王星特洛伊的表面颜色是双峰的。活动天体（彗星和活跃半人马座）的研究提供了更多成分信息，因为其挥发物外流使我们能够探测其地下受改变较少的物质成分。罗塞塔任务对67P/Churyumov-Gerasimenko彗星挥发物的详细 inventory 是里程碑式的发现，其较高的D/H比值引发了对其形成位置的讨论。

奥尔特云

在太阳系中，奥尔特云是长周期彗星的来源。奥尔特云的形成时机尚不完全清楚：它可能与太阳系同时形成，也可能部分后来从太阳诞生星团中的其他恒星捕获。太阳系诞生于星团环境的迹象很多。在此期间，太阳会暴露在比银河系场中更近的恒星飞越。星团环境会同时影响潜在存在的系外奥尔特云。一次近距离恒星飞越不会完全摧毁奥尔特云，但会显著减少其星子含量，并释放强烈的向内系外彗星流。因此，系外奥尔特云的存在在理论上是可能的，但目前缺乏观测证据。

开放性问题

关于系外彗星储库的许多问题仍有待解答，例如： natal 前恒星环境对后续出现的星盘系统有何作用？宿主星是双星时对星子形成的重要性如何？如何建立从盘成分到储库中演化星子的自洽模型？我们如何理解太阳与其他恒星周围星子形成的潜在差异？系统的哪个小天体储库是其系外彗星的主要来源？是否需要行星来产生高偏心彗星？奥尔特云中非本地天体（从其他恒星捕获）的比例有多大？它们是否在成分上可区分？碎片盘（系外彗星的可能储库）的质量有多大？什么设定了碎片盘的形成位置？观测到的碎片盘形状多样性是由于不同的形成条件，还是行星的作用？它们如何与系外彗星产生联系起来？将碎片盘类比为经典柯伊伯带可以推进到什么程度？

结论

适合作为系外彗星来源的小天体储库是任何年轻恒星处星子形成过程的一个可能结果。虽然目前系外彗星常在A型星周围被探测到，但行星形成发生在各种质量恒星周围。盘中的尘埃颗粒和尘埃气体比可以有很大差异。虽然星子形成路径仍存在一系列不确定性，但富尘埃盘气体中的湍流和振荡允许引力坍缩并使星子得以生长。这些星子在一个典型盘中大量形成。给定系统的形成历史会受到其恒星环境的影响。热条件和由此产生的盘内雪线将强烈影响在该位置形成的星子的组成。恒星质量影响这些雪线的距离，但复杂的附加过程会影响盘随时间演化时可用气体和冰的组成。行星的存在将设定系统的动力学架构。未并入行星的残余固态物质在早期阶段以碎片盘形式可见，在接下来的数百万年里，碰撞磨削慢慢将小体群消耗成尘埃。因此，在几乎任何主序星处，都会存在小天体储库。它们为系外彗星的出现提供了复杂的可能性混合。局部行星结构将允许特定范围的稳定储库，其中瞬变种群在它们之间馈送，并将物质交换到活动的系外彗星中。太阳系小天体群体的详细知识说明了一个相对简单行星质量分配的单系统中可能存在的丰富小天体储库。