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这一夜,让我们来谈谈彗星

时间:2020-09-24 21:49  来源:沅江教育信息网 复制分享 我要评论

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原标题:这一夜,让我们来谈谈彗星

七月盛夏,刚刚经历金环日食的震撼体验,整个北半球的天文爱好者的目光又迅速聚焦到C/2020 F3 新智彗星(NEOWISE)身上。

作为北半球自1997年的海尔-波普彗星以来最为明亮的彗星,新智彗星着实火了一把。从繁华热闹的北京市区,到大西北苍茫的戈壁沙漠,从阿尔卑斯山谷小镇的灯火之上,再到加拿大北部的绚烂极光中,都出现了它惊艳的身影。

进入8月,随着新智彗星逐渐远离地球,它也慢慢淡出了夜幕的舞台,下一次想要在地球上再看到它,可要等到6700多年之后了!

大彗星的造访,既给人们带来新奇有趣的画面和回忆,也留下了不少疑问,借此机会,让我想讲讲有关彗星的故事。

巨石阵上的NEOWISE彗星;Declan Deval,APOD每日一图 图

作为太阳系里的自由旅行者,彗星们的故乡远在太阳系寒冷寂静的遥远边缘。绝大多数的彗星目前被认为来自于冥王星轨道附近的“柯伊伯带” (Kuiper belt)和距离太阳数万天文单位(接近一光年)的“奥尔特云” (Oort cloud)。

在奥尔特云这片包围着太阳系的球状地带,有数以万亿计的彗星存在,它们都是太阳系形成时的残留物,保留下了太阳系形成初期重要的化学组成信息。

这些彗星中的少部分,偶尔因为太阳附近“路过”的恒星影响,或周围行星的引力摄动,或彗星相互之间的碰撞作用,离开了它们原来平淡无奇、波澜不惊的轨道,进入了一场前往内太阳系的冒险旅程。

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柯伊伯带和奥尔特云的位置示意图 NASA 图

彗星本体,也就是彗核,主要是由松散的冰物质、小石块、尘埃等组成,冰物质中除大部分是水冰之外,还有干冰(固态二氧化碳)、固态一氧化碳、氨、甲烷等。它们也因此被称为是一颗颗“脏雪球”。

在这场旅程的绝大多数时间里,由于到太阳的距离还是很远,接收到的太阳辐射热量有限,星际空间的寒冷环境不足以使彗星表面物质挥发分解,彗星将长时间处于一种稳定的、不活跃的状态当中。事实上,此时的彗星和小行星没有什么明显的区别,它们并不拖着尾巴。

当彗星进入到太阳系的 “雪线”(snow line)之内时(大约为三倍的日地距离),太阳辐射强到足以加热彗星使其表面冰物质挥发的程度,彗星才开始进入活跃状态,挥发出来的物质在彗核周围形成彗发(Coma),并拖出一条彗尾来。往往到这时,它们才开始被地球上的人们在夜空中发现并加以研究。

随着彗星继续向太阳的方向旅行,它受到的太阳辐射愈发强烈,反射的太阳光强度和挥发的物质含量都迅速增加,这使得彗星亮度逐渐上升,彗尾也越来越长。

有少部分彗星可以明亮到被肉眼直接看到的程度,例如这次的新智彗星。经过轨道的近日点后,彗星将逐渐远离太阳和地球,在夜空中也随之暗淡下去。如果是走椭圆形轨道的彗星,它将在许多年后再一次回归。如果是走抛物线轨道的彗星,那么这次内太阳系的旅行它拥有的是单次往返票,回到太阳系的边缘就不再回归,我们只与它相遇一次。

因此可以想象,当彗星拖着长长的尾巴静静地现身于千年前的地球夜空,经历一段时间又逐渐消失离开时,会引起人们怎样的思考与关注。

古人常常将彗星的出现与一些重要事件的发生联系起来,将彗星视为神之降临或是灾难的象征,“扫把星”的名声就此远扬。当然我们现在已经知道,彗星自有其客观运行规律。

相较于行星稳定近圆形的轨道,彗星以其扁扁的轨道穿梭于太阳系外围和内层之间,看似潇洒,但自由往往是要付出代价的。在靠近太阳的过程中,彗星物质不断挥发,结构也发生变化。

有的彗星可能过于脆弱,还没飞到太阳附近就因喷发过于猛烈,支撑不住而瓦解碎裂成许多碎片。有的彗星轨道离太阳过近,称为“掠日彗星”,在近日点附近犹如飞蛾扑火一般灰飞烟灭,一去不返,再无踪迹。有的彗星虽然结实强壮,也免不了在自己的椭圆轨道上每次接近太阳时都损耗掉一部分物质,长此以往,或许有一天它会陷入沉寂或彻底消失。有的彗星的命运更多变,在旅行半路上经过木星等大行星时受到了引力摄动的影响,改变了轨道,进入了一场新的未知探索。

1994年,甚至出现了彗木相撞的著名天文事件,这是人类第一次直接观测到太阳系内的其他天体相撞事件。所以这也是为什么前面提到,彗星进入内太阳系的旅程是一次冒险的原因了。

哈勃望远镜拍摄到的C/2019 Y4 (ATLAS)彗星的彗核分裂现象。 NASA/ESA Hubble 图

1994年著名的“彗木相撞”事件,苏梅克-列维9号彗星的碎片撞击木星,在木星表面留下了撞击后的黑色伤痕。 NASA、STScI 图

彗星之美,很大程度上因为它形态多样的彗尾。仔细观察就会注意到,彗星往往存在有两条尾巴,其中一条是黄白色的“尘埃尾”,另一条是蓝绿色的“离子尾”。

离子尾是由太阳风作用下,向外推出的离子化气体组成,如一氧化碳、二氧化碳、氰基和其他电离的分子。因为是太阳风吹出的,离子尾永远都笔直的指着背朝太阳的方向。

尘埃尾由微尘组成,在太阳光子的辐射压力下推斥微尘而形成, 又常常因为彗星的运动被甩在后面,呈现出弯曲的形状。尘埃尾明亮而变化多端,往往是一颗彗星最明显的特征。有的时候,或许还能见到因为视角原因而指向太阳的“反常彗尾”。彗尾的长度很长,有时可以超过一个天文单位(约1.5亿公里),而密度其实非常低。

1986年回归时的哈雷彗星 NASA 图

彗星是美丽的,但并不容易看见。每年都会发现不少新彗星,但绝大多数只能在望远镜中才能被观测和拍摄到。

许多人对彗星的了解或许仅限于出现在教科书上的哈雷彗星,而哈雷彗星上一次回归的年代是在1986年,如今还记得的人不多。1980年代信息不发达,照相技术相对落后,普罗大众很难有机会一览当年哈雷彗星的风采。如今的信息化时代,技术已不再成为阻碍,但为什么大部分人还是没有亲眼看见过彗星呢?因为亮彗星太少了。

在城市中用肉眼可见的明亮大彗星大约要10年才出现一次。对于生活在北半球的我们来说,从1997年海尔-波普彗星,到今年的新智彗星,整整23年,我们经历了许多次壮观的日全食、两次金星凌日,经历了狮子座流星雨大爆发,都没有等到这样一颗明亮的彗星。另外,即使彗星本身的亮度已经比较明亮,它的观测也受到很多因素的影响。

彗星的活跃程度取决于彗星到太阳的距离,离太阳越近,彗星也就越明亮。但离太阳越近,也就意味着彗星往往容易淹没在太阳的光辉中,只能在日出前晨光或者日落后余晖中的低空被观测到。

彗星离地平线很近,容易受到城市光污染,空气质量,云层雾气等影响,更别说南方总是连绵不断的阴雨天了。每当有彗星来临时,最好通过天文网站和天文app等,密切关注彗星在天空中的位置变化和升落时间,规划观测地点和方向。

有条件时,还是要去晴天概率高、暗夜条件好、低空大气透明度更好的地区,比如中国西北部的沙漠戈壁或者高原地带,相信肯定能够收获肉眼见彗星的震撼体验。

清晨在杭州市区上空现身的C/2020 F3 (NEOWISE)新智彗星 王凯翔 图

清晨在杭州市区上空现身的C/2020 F3 (NEOWISE)新智彗星 王凯翔 图

在内蒙古阿拉善沙漠拍摄到的NEOWISE新智彗星,在远离城市的暗夜条件里,彗星极其壮观,两条彗尾清晰可见 朱剑栋 图

彗星的名字是怎么来的呢?通常以最先独立发现它的最多三位观测者的名字命名,这也是为数不多的适合爱好者大展身手并直接获得冠名的领域。

彗星的编号规则,以C/2020 F3为例,C代表周期超过两百年或者非周期彗星,后面的年份、字母和数字则表明了发现的年月和顺序。例如C/2020 F3代表的就是2020年3月下旬发现的第三颗彗星。P则代表回归周期短于两百年的短周期彗星。大名鼎鼎的哈雷彗星的编号就是1P。

现如今,随着天文望远镜技术的发展,越来越多的大视场巡天项目上线,每隔几天就能把全天拍上一遍,加以图像比对算法的发展,大部分暗弱彗星都无处遁形了,留给爱好者的空间也日渐狭窄。

例如这次的C/2020 F3 (NEOWISE)新智彗星的名字就以发现它的NASA广域红外巡天卫星的任务“NEOWISE”来命名。倘若真的有好运气独立发现了一颗彗星并获得命名,那无疑是非常幸运和酷炫的一件事情了!

有时候,大家还会有这样的疑问:彗星跟流星到底有什么区别呢?它们都是有尾巴的,看照片都傻傻分不清了。

其实,彗星和流星从表现上来说是完全不一样的两类天体。流星是闯入地球大气层的尘埃,在天空中飞快的一闪而过。彗星则是在太阳系内穿梭的“脏雪球”,直径有几百米到数公里,在天空中,彗星也随地球自转,和其他日月星辰一样东升西落。

尽管表现不同,但彗星和流星是有相当密切的关系的。流星雨的发生正是来自于彗星。彗星表面挥发出许多的物质,其中相对较大的尘埃颗粒散布在它的整个运行轨道上,称为流星体。

如果彗星的轨道和地球轨道正好相交,每当地球闯入彗星留下的这些流星体分布区时,就会有许多流星体进入地球大气层,产生美丽而转瞬即逝的流星现象,称为流星雨。一般来说,流星雨的母体都是彗星,例如每年8月准时发生的英仙座流星雨,其彗星母体是斯威夫特-塔特尔(109P/Swift-Tuttle)彗星。

除了作为夜空中一道靓丽风景线,彗星在科学研究上也是颇具意义。正因为它们是太阳系形成之初遗留下的残留物质,是太阳系的“活化石”,保留下了重要的信息,通过研究彗星中的物质组成,就可以推测太阳系形成时的元素组成,从而更好地理解太阳系的形成机制。

彗核富含水冰,近年来,科学家们也在彗尾中观测到了一些有机分子。有理论推测,地球上最初的水和有机物就来自彗星。彗星或许能让我们理解地球上的生命起源。因此,近年来有不少的探测器前往彗星,研究彗星的结构、成分组成,收集彗星物质等。期待这些探测器能为我们带来更多的发现。

“罗塞塔”号探测器拍摄的67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星(67P/Churyumov–Gerasimenko)图像,可见彗核上物质喷发的喷流 ESA/Rosetta/NAVCAM 图

1986年“乔托号”探测器近距离拍摄的哈雷彗星 ESA 图

哈雷彗星每75到76年回归一次,下一次回归将在2061年7月,到那时,我们肯定能在城市中看到它。事实上,哈雷彗星现在仍在奔向轨道远日点的路上,过了2024年之后,它才会向太阳飞来。76年,几乎已是人的一生,只有少数非常幸运的人才能目睹哈雷彗星两次。

彗星成百上千年的轨道周期,放在宇宙的尺度中来看,只是短暂一瞬,而对于人类来说,则是无法触及的遥远未来。告别了NEOWISE新智彗星之后,希望我们能够有多一些的机会去欣赏宇宙的壮丽景象。

(作者王凯翔,系北京大学天体物理专业在读博士生,主要研究方向为室女座星系团内的致密恒星系统。同时也是户外运动爱好者,现为北京大学滑雪队双板队长,完成过多场马拉松及百公里极限耐力赛。联系我们/投稿邮箱:sjdl_2020@163.com)

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