计算机模拟揭示了望远镜无法看到的东西:地球轨道正在收集小行星和彗星的碎片。
太阳周围有一个尘埃环,我们就在其中。这个尘埃环有几十万英里厚,从内边缘到外边缘大约有3000万英里宽。地球镶嵌在内边缘。但尘埃非常稀薄——平均而言,每立方英里尘埃环中的颗粒不到一个——以至于在布满星辰的夜空中几乎不可能看到。事实上,这个尘埃环直到最近才被发现——是在佛罗里达大学和约翰逊航天中心进行的计算机模拟中。
天文学家们早就知道,内太阳系普遍存在尘埃。一些尘埃被经过的彗星散播,一些则来自火星和木星之间的小行星带,那里数十亿颗小岩石不断碰撞并粉碎。当阳光照射到这些直径只有千分之一英寸的颗粒上时,会减慢它们的运行速度。这会导致它们的绕日轨道每年缩小约4000英里。在一年中的某些时候,日落后不久或日出前不久,可以看到反射在星际尘埃颗粒上的阳光发出的微弱光芒;这种光芒被称为黄道光。
1989年,约翰逊航天中心的Al Jackson和Herb Zook首次计算出,地球的引力应该会捕获一些坠落的尘埃颗粒,形成一个绕太阳的环。但Jackson和Zook的计算机模拟只追踪了不到一百个粒子的行为——这不足以让所有天文学家相信这个环是真的。现在,佛罗里达大学的Stanley Dermott、Bo Gustafson和他们的同事们使用超级计算机模拟了数千颗单个尘埃颗粒的轨迹。他们的模拟不仅证明了该环的存在,而且还证明了它具有奇特的结构。当地球在环的内边缘巡航时,它会在尘埃中开辟出一个小型的、移动的壁龛,在行星前方留下一个空隙,并在其尾部聚集尘埃。
尘埃环的原因是一种称为共振的现象:只要尘埃颗粒的轨道周期与地球的轨道周期之比为整数,尘埃颗粒就会被困住。如果比率是5比6,那么一个尘埃颗粒绕太阳运行五圈,地球就运行六圈。在每第五圈运行时,它会经过地球,并被行星的引力加速。这提供了足够的推动力来抵消阳光对颗粒的阻力。颗粒不会坠入太阳,而是保持相对稳定的轨道。
由于尘埃环中的颗粒在从后面接近地球时获得最大的助推力——在这种情况下,地球沿着它们已经前进的方向拉动它们——它们往往会聚集在行星的尾部。相反,地球会向任何正对着它的颗粒施加反作用力,从而在其对颗粒施加的阻力上再加上阳光施加的阻力。没有任何尘埃可以在那里停留而不会向太阳坠落,因此结果是在地球前方出现一个空隙。
碰巧的是,有证据表明,这个空隙,因此这个环本身,实际上存在于现实世界中,而不仅仅是在计算机中。在上世纪80年代,一颗名为红外天文卫星的空间探测器发现,黄道光在地球轨道尾随的方向上比在前方方向上亮1%到2%。这个发现如此令人费解,以至于有些人不相信。Gustafson说,一些科学家认为这是一个校准问题。但这里我们第一次有了一个科学的解释。解释很简单:地球尾部有更多的黄道光,因为那里的尘埃更多。
除了解决了关于黄道光的谜团,佛罗里达团队的工作还有另一个有趣的推论。Dermott说,地球尾部的一些尘埃颗粒应该会偶尔被拉入大气层。这些尘埃颗粒可能以极低的速度撞击地球,从而在不燃烧的情况下落到地球表面。Dermott认为,在地球早期,一场温和的富碳小行星尘埃雨,可能在生命的起源中起到了作用。他说,这将是在地球冷却后将生命形成物质带到地表的一种方式。一种已经被讨论过的方式是彗星,但这给了我们另一种机制。














