胡中為

南京大學(xué)天文學(xué)與空間科學(xué)學(xué)院，南京 210008

天象奇觀
——艾森(ISON)彗星

胡中為?

南京大學(xué)天文學(xué)與空間科學(xué)學(xué)院，南京 210008

肉眼看到彗星的機(jī)會(huì)很少，尤其是長尾巴的亮彗星更是罕見，因此彗星有重要的觀測(cè)研究意義。艾森(ISON)彗星無疑是2013年最新奇的天象之一，它是從太陽系邊緣初次到太陽系內(nèi)區(qū)被發(fā)現(xiàn)的“新”彗星，曾推測(cè)它走近地球時(shí)可能展示“世紀(jì)彗星”的壯觀豐姿，又穿越太陽外部的高溫大氣(日冕)而展現(xiàn)“飛蛾撲火”的“掠日彗星”毀滅鬧劇。從天文愛好者到專家及太空飛船做了大量觀測(cè)，留下了很多新奇而有趣的寶貴資料。其實(shí)，它的本體只是冰-塵凍結(jié)的小彗核，隨著走近太陽而蒸發(fā)的物質(zhì)形成大而亮的彗發(fā)和長長的彗尾。

艾森(ISON)彗星；彗核；彗發(fā)；彗尾；掠日彗星

彗星，俗稱掃帚星。“彗”就是掃帚的意思，顧名思義，彗星即是可以顯現(xiàn)掃帚形態(tài)尾巴的天體。彗星的偶然出現(xiàn)，且形態(tài)怪異，令人感到驚慌和恐懼，人們常把彗星與災(zāi)禍聯(lián)系起來，“掃帚星”也成為不吉利的代名詞。實(shí)際上，彗星的出現(xiàn)完全是一種自然現(xiàn)象。

彗星是在極冷的太陽系外部形成且長期運(yùn)行的小天體。雖然肉眼看到的彗星有時(shí)很龐大，但它的本體卻只是冰-塵凍結(jié)的數(shù)公里大小的“臟雪球”彗核。太陽系外部有巨大的彗星庫——“奧爾特云”那里有數(shù)萬億計(jì)的彗星，總質(zhì)量約相當(dāng)于地球質(zhì)量。其中有些彗星受過路恒星攝動(dòng)而改變軌道，進(jìn)入太陽系內(nèi)區(qū)，成為我們觀測(cè)到的彗星。

一顆彗星在繞太陽公轉(zhuǎn)中，其形態(tài)不斷地變化。當(dāng)它離太陽很遠(yuǎn)時(shí)，基本上是赤裸的彗核。隨著接近太陽，受到太陽的輻射作用增強(qiáng)，彗核表層的冰開始升華為氣體而流出，也帶出塵埃，從而形成彗星大氣——彗發(fā)。繼續(xù)向太陽靠近時(shí)，彗發(fā)增大，同時(shí)發(fā)生分子的離解和電離。離太陽更近時(shí)，更強(qiáng)的太陽輻射和太陽風(fēng)的斥力就會(huì)把塵埃和氣體推向背離太陽的方向，形成彗尾。彗星過近日點(diǎn)之后逐漸遠(yuǎn)離，其形態(tài)變化與接近時(shí)相反，即彗發(fā)和彗尾越來越小，直到消失。彗發(fā)和彗尾氣體受太陽輻射激發(fā)而發(fā)光(熒光輻射)，因此彗星很亮。彗星每次回歸中(尤其日彗距小的時(shí)期)都蒸發(fā)丟失少部分物質(zhì)(原彗星總質(zhì)量的0.1%～1%)，因此彗星的壽命有限。如果彗星分裂或撞擊其他天體則其衰亡更快。彗核內(nèi)部沒有發(fā)生地球等行星那樣劇烈的演化，較好地保留了其形成時(shí)期的狀態(tài)，從而能給行星的形成和太陽系的起源提供寶貴的“考古”信息。彗星又是重要的“天然實(shí)驗(yàn)室”，太陽輻射作用于彗星物質(zhì)的一系列特殊的物理過程和化學(xué)過程，都是現(xiàn)代科學(xué)研究的前沿問題。彗星隕落到地球可能造成嚴(yán)重災(zāi)難，但也帶來了水。

由于人們?nèi)庋劭吹介L尾巴亮彗星的機(jī)會(huì)極其罕見，彗星的出現(xiàn)自然成為新聞媒體的熱門話題。麥克諾特(McNaught)彗星(C/2006P1)是顆“掠日彗星”，它在2007年1月中旬穿越太陽的高溫大氣(日冕)卻沒有瓦解，而且在隨后接近地球時(shí)特別壯觀，成為近年來見到的最亮彗星(圖1)[1]。

圖1 麥克納特(McNaught)彗星飛越日冕(左)后，地球上看到它的壯觀形態(tài)

1 艾森彗星的發(fā)現(xiàn)和軌道

艾森(ISON)彗星無疑是2013年的最新奇天象。它是從太陽系邊緣初次到太陽系內(nèi)區(qū)的“新”彗星，曾推測(cè)它走進(jìn)地球時(shí)可能展示“世紀(jì)彗星”的壯觀豐姿，隨后穿越日冕而展現(xiàn)“飛蛾撲火”般的“掠日彗星”毀滅鬧劇。從愛好者到專家及太空飛船都有大量觀測(cè)，得到很多新奇有趣且寶貴的資料[2]。

2012年9月21日，白俄羅斯的涅夫斯基(В.Н е в с к и й)和俄羅斯的諾微切諾克(А.Н о в и ч о н о к)使用國際科學(xué)光學(xué)監(jiān)測(cè)網(wǎng)(簡(jiǎn)稱ISON)的0.4 m (口徑)反射望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了一顆新的彗星。在2011年12月28日的萊蒙山巡天(Mount Lemmon Survey)和2012年1月28日的泛星巡天計(jì)劃(Pan-STARRS)數(shù)據(jù)中找到其發(fā)現(xiàn)前的圖像。2012年9月22日，意大利Remanzacco天文臺(tái)進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)。小行星中心在9月24日公布了此發(fā)現(xiàn)。按照彗星命名規(guī)則，它被命名為C/2012 S1(ISON)。其中，“ C/”表示這是非周期彗星，后面的數(shù)字是發(fā)現(xiàn)它的年份，“S”表示發(fā)現(xiàn)的那半個(gè)月(依次用24個(gè)拉丁大寫字，不用I)即9月的下半個(gè)月，數(shù)字“1”顯示這是在這半個(gè)月發(fā)現(xiàn)第一顆彗星。在名稱之后附加的“(ISON)”指示發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)稱艾森(ISON)彗星。

從它在星空的位置變化，推算出它的軌道近似于雙曲線(圖2)，說明它來自太陽系外圍奧爾特云。由于行星的引力攝動(dòng)和彗星物質(zhì)的蒸發(fā)活動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)軌道有變化，需要根據(jù)更多的觀測(cè)才能推算出更準(zhǔn)確的軌道。2013年12月14日的新計(jì)算結(jié)果顯示它的軌道對(duì)黃道面(地球軌道面)傾角為62.4o，軌道偏心率為0.999 994 7，軌道運(yùn)行周期約40萬年。2013年11月28日艾森彗星過“近日點(diǎn)”時(shí)，離太陽中心最近距離為0.012 4 AU(天文單位)，約1 860 000 km。因?yàn)樘柊霃綖?95 500 km，因此，它到太陽表面最短距離僅約1 165 000 km，相當(dāng)于掠過太陽大氣而飛越遠(yuǎn)去。這樣的彗星稱為“掠日彗星”。

圖2 艾森彗星的軌道

2 艾森彗星的觀測(cè)

艾森彗星被發(fā)現(xiàn)時(shí)，它的視亮度僅約18.8星等。隨著它靠近太陽，其形態(tài)和亮度逐漸增強(qiáng)。雨燕(Swift)衛(wèi)星和深撞擊(Deep Impact)飛船在2013年1月和2月拍攝的首批圖像，顯示其具有延展彗尾的活動(dòng)。在2月，由1 897次觀測(cè)繪制出艾森彗星亮度隨日-彗距離變化的關(guān)系圖(圖3)。如果繼續(xù)按此關(guān)系增亮到過近日點(diǎn)，預(yù)計(jì)亮于望月，比1935年以來最亮的池谷-關(guān)彗星在1965年亮達(dá)-10星等還亮得多，故可謂之“世紀(jì)彗星”[2-3]。

圖3 艾森彗星的亮度(星等)隨時(shí)間的變化

2013年4—5月，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(HST)拍攝艾森彗星有明顯的彗發(fā)和彗尾，可辨別出朝太陽方向的塵埃噴泉(圖4)。6月13日，Spitzer太空望遠(yuǎn)鏡(SST)觀測(cè)估計(jì)它每天排出約100萬kg的二氧化碳?xì)怏w。6月5日到8月29日，它跟太陽的角距離小于30°，深撞擊飛船、哈勃和SST都沒有探測(cè)到它有明顯自轉(zhuǎn)變化。8月12日，當(dāng)它跟太陽的角距離19°和地平高度角6°時(shí)，愛好者加里(B. Gary)又發(fā)現(xiàn)了它。由于它增亮得比預(yù)料的慢，在10月初，僅用小望遠(yuǎn)鏡才看到它。10月1日，它離火星最近到0.07 AU(約1 000萬km)內(nèi)，火星勘測(cè)軌道器(MRO)在9月29日到10月2日探測(cè)到了它。美國宇航局的日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)(STEREO)包括前后兩艘飛船。10月的第二周，STEREO-A拍攝的艾森彗星像顯示淺綠色，歸因于釋放的CN和C2分子；10月下旬，拍攝的艾森彗星的光譜(圖5)上最顯著的是C2分子(藍(lán)綠)發(fā)射帶，還有CN發(fā)射帶，這是彗發(fā)常見的。

圖4 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在2013年4月10日拍攝的艾森彗星(左)，經(jīng)增強(qiáng)處理而顯示朝太陽方向的塵埃噴泉(右)

圖5 艾森彗星的光譜

2013年11月1日艾森彗星發(fā)生了一次爆發(fā)而氣體增倍，11月13日第二次爆發(fā)，氣體巨增十倍(圖6、圖7)。這些爆發(fā)是因它急速飛向太陽，彗核冰受到更強(qiáng)的太陽輻射加熱而升華，拋出大量塵埃和氣體。11月14日，有經(jīng)驗(yàn)的觀測(cè)者肉眼就可以看到它；11月15日，歐洲南方天文臺(tái)(ESO)拍攝到它有顯著的彗發(fā)和復(fù)雜的彗尾(圖8)；11月17到18日晨曦，艾森彗星經(jīng)室女座亮星角宿一附近，且亮于后者，但因望月而影響公眾肉眼觀測(cè)；11月22日 日出時(shí)，仍然可以看到艾森彗星高懸于東方天空(圖9)。

圖6 2013年11月6日攝的艾森彗星

圖72013 年11月10日攝的艾森彗星

圖8 歐洲南方天文臺(tái)(ESO)攝于2013年11月15日的艾森彗星多色合成像

圖9 2013年11月22日攝于Canary島Teide天文臺(tái)日出時(shí)的艾森彗星

2013年感恩節(jié)前日，STEREO-A拍攝并視頻發(fā)布艾森彗星在日冕物質(zhì)拋射的太陽風(fēng)流中擺尾“游”向太陽的美妙過程(圖10)。圖右側(cè)有亮的日冕特征，太陽在右邊緣外，太陽風(fēng)流往左吹，艾森彗星向右很快地游動(dòng)，視場(chǎng)背景有地球和水星。同日，SOHO飛船的日冕儀觀測(cè)它亮于-2星等，過房宿三。11月28日，它過近日點(diǎn)，以377 km/s的速度穿越日冕。一顆掠日彗星經(jīng)過日冕有三種可能的命運(yùn)：一是完全瓦解消散，如C/2010 X1(Elenin)彗星在2011年9月10日過近日點(diǎn)后完全爆碎；二是分裂為幾個(gè)，池谷-關(guān)彗星在1965年l0月20日過近日點(diǎn)后，兩星期內(nèi)分裂為三部分；三是保持較完好并大為增亮，McNaught彗星在2007年1月14日穿過日冕沒有瓦解，同月20日接近地球時(shí)特別壯觀，成為近年來見到的最亮彗星。

圖10 艾森彗星在太陽風(fēng)流中擺尾“游”向太陽(右)

艾森彗星鄰近近日點(diǎn)前，進(jìn)入SOHO日冕儀視場(chǎng)，11月27日亮度從2.5星等顯著增亮到0.5星等，最亮達(dá)到金星那樣的-3～-5星等。雖然沒有達(dá)到預(yù)計(jì)的亮度，但它還是相當(dāng)壯觀的。SOHO的日冕儀拍攝到它在過近日點(diǎn)前拖著兩條長大的塵埃彗尾，卻不見離子彗尾，過近日點(diǎn)后兩小時(shí)仍有殘余及逐漸衰弱的彗尾，并離開SOHO視場(chǎng)(圖11)。NASA推斷，艾森彗星有90%的幾率已經(jīng)完全被瓦解，但也觀測(cè)到有類彗發(fā)的特征。在11月29日，它的亮度降到5星等；11月30日末，它暗到7星等，肉眼已看不見它。之后，雖然還有太空望遠(yuǎn)鏡搜尋，也未見其蹤跡。

圖11 SOHO飛船的日冕儀所攝艾森彗星過近日點(diǎn)前后的多幅像組合(中央圓斑為日冕儀減光的人為日食)

3 艾森彗星的彗核[2,4]

彗發(fā)和彗尾的形態(tài)多變，彗發(fā)大小可達(dá)百萬公里，有的彗尾甚至長達(dá)一億公里，但所含物質(zhì)很稀疏，僅占彗星總質(zhì)量的很小部分。彗星的物質(zhì)主要聚集于主體的彗核，彗星的各種形態(tài)和現(xiàn)象取決于彗核的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，又與太陽輻射和太陽風(fēng)的作用有關(guān)。

談到彗星的大小和質(zhì)量時(shí)，一般是指彗核而言的。然而，彗核很難直接觀測(cè)到，只是近年才有飛船近距離拍攝到5個(gè)彗星的彗核(圖12)，但它們都是形狀相當(dāng)不規(guī)則的，其中最大的哈雷彗星彗核也只有15 km。雷達(dá)也可以探測(cè)得到走近地球的彗核，如編號(hào)為2的周期彗星恩克(2P/Encke)的彗核約1 km。從觀測(cè)資料也可估算出彗核的大小和質(zhì)量，大小一般為1～40 km，質(zhì)量一般為1011～1016kg，也有更大或更小的。觀測(cè)資料表明，彗核的主要成分是水冰，其次是CO2冰，還有塵埃。彗核是冰和塵埃組成的凍結(jié)的“臟雪球”(dirty snowball)或“多冰的塵球”(icy dietball)，各彗核的成分和結(jié)構(gòu)可能有差別。彗核的平均密度小于1 g/cm3，說明內(nèi)部是有空隙的，有的可能是多塊堆結(jié)的。令人不解的是，多冰彗核的表面卻是太陽系天體最暗黑的，反照率只有2%～4%，可能是因太陽輻射蒸發(fā)掉揮發(fā)物而留下類似焦油或原油的復(fù)雜有機(jī)物，甚至是宇宙線作用生成的前生命有機(jī)物。

圖12 飛船近距拍攝的5個(gè)彗核

根據(jù)雨燕衛(wèi)星在2013年1月的觀測(cè)估計(jì)，艾森彗核的直徑約 5 km，后來估計(jì)僅約2 km?；鹦强睖y(cè)軌道器(MRO)的觀測(cè)估計(jì)，其彗核直徑小于0.8 km。有趣的是，互聯(lián)網(wǎng)上有中國國家航天局的一幅艾森彗核的空間雷達(dá)圖像，顯示出類似其他彗核的不規(guī)則形狀(圖13)，但遺憾的是，未查到具體研究數(shù)據(jù)。

4 分享艾森彗星的趣聞[1,5]

天象奇觀——亮彗星令人們?cè)尞悾惨l(fā)科學(xué)文化的興趣。例如哈雷彗星，前三次回歸分別于1835、1910和1986年。恰巧，美國作家馬克?吐溫生于1835年11月，其自傳中寫有“我隨哈雷彗星而來，也期望隨它而去”，果然逝于1910年4月。受此啟發(fā)，1985年拍攝了虛幻電影《馬克?吐溫的奇遇》。無獨(dú)有偶，法國作家吉尼特(Jean Genet)恰是生于1910年，逝于1986年。

圖13 中國國家航天局的艾森彗核的空間雷達(dá)圖像(2013年9月3日)

艾森彗星在45億多年前形成并長久運(yùn)行于太陽系寒冷外部，只是近幾百萬年才改變軌道而來“近訪”太陽?？茖W(xué)家從一發(fā)現(xiàn)就對(duì)它的行蹤和保存的古老信息作了一些科學(xué)推測(cè)，寄予觀測(cè)研究的厚望。雖然因?yàn)樗倪\(yùn)行相對(duì)于地球上觀測(cè)的有利時(shí)間不長，且因月光及氣象不利等因素，能夠目睹其豐姿的機(jī)會(huì)不多，并因飛越日冕后過早消亡而令人遺憾；但現(xiàn)代技術(shù)尤其是飛船和衛(wèi)星的大力追蹤觀測(cè)，加上新聞媒體及時(shí)轉(zhuǎn)播，可以在歷史上留下寶貴的記載，讓后人分享它的精彩圖像和趣聞。

(1)艾森彗星是否死亡了？

雖然艾森彗星在離開日冕儀視場(chǎng)前已衰弱了，但彗星形態(tài)仍明顯，甚至樂觀者還期望再看到其相當(dāng)壯觀的形象。雖然STEREO-A在2013年11月30日到12月1日拍攝到其模糊彌散殘跡，但太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)(SDO)在預(yù)報(bào)它過近日點(diǎn)可能經(jīng)過的后來位置卻沒有看到其蹤跡而很失望?？磥戆缧菦]有“浴火重生”，而真是“飛蛾撲火”般地毀滅了；沒有留下較大的彗核碎塊，只有被太陽風(fēng)吹散的氣體和塵埃散布到行星際中。

(2)艾森彗星不負(fù)“新世紀(jì)彗星”之譽(yù)

雖然艾森彗星也曾亮而大，但不是近百年最大的，而是再其次的，算不上“特大彗星”或“世紀(jì)彗星”。然而，艾森彗星的觀測(cè)是很成功的，獲得了很多美妙精彩的圖像及視頻，為太陽系形成的研究提供了信息，而且讓公眾欣賞到彗星天象奇葩，對(duì)科學(xué)文化有很大影響，也可謂不負(fù)“新世紀(jì)彗星”之譽(yù)。

(3)艾森彗星不會(huì)被忘記

世界各地有300多人參與艾森彗星觀測(cè)競(jìng)賽，大量公眾通過互聯(lián)網(wǎng)或媒體關(guān)注艾森彗星的動(dòng)態(tài)變化，嘆賞其美妙多姿的形態(tài)圖像。艾森彗星會(huì)被轉(zhuǎn)載于圖書和雜志中，會(huì)在彗星及其有關(guān)研究中被述及，會(huì)激起有志者去觀測(cè)研究彗星及其有關(guān)的各種問題，包括彗核的成分和結(jié)構(gòu)、彗星與生命起源的關(guān)系、彗星與地球的關(guān)系等等。

(4)一個(gè)彗星夢(mèng)

大彗星撞擊地球會(huì)造成嚴(yán)重災(zāi)難。有觀點(diǎn)認(rèn)為，6500萬年前的生物大絕滅可能就是彗星撞擊地球造成的。另一方面，彗星隕落給地球帶來大量的水和揮發(fā)物，對(duì)地球的海洋和大氣演化起了重要作用。大量彗星塵高速闖入地球大氣，發(fā)生燒蝕而發(fā)光，形成流星雨。彗星塵的燒蝕產(chǎn)物成為水汽凝核，影響氣候和降水。

從觀測(cè)研究哈雷彗星以來，鑒于地球上水資源缺乏的問題，筆者有個(gè)越來越強(qiáng)的夢(mèng)想：現(xiàn)代航天技術(shù)可以向運(yùn)行到地球附近的彗星近旁發(fā)射飛船，用飛船的引力牽引改變彗星軌道，使彗星撞擊到地球的大沙漠地區(qū)，為那里提供水資源。作為先行試驗(yàn)，可用飛船牽引彗星撞擊月球而提供月球基地的用水。這當(dāng)然是大課題，一方面需要選擇適宜的彗星并詳細(xì)觀測(cè)研究其軌道的可能變化，另一方面需要設(shè)計(jì)執(zhí)行任務(wù)的制導(dǎo)飛船。

(2014年3月20日收稿)

[1] 胡中為, 徐偉彪. 行星科學(xué)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2008.

[2] Wikipedia. Comet ISON [EB/OL]. (2014-2-26) [ 2014-3-20]. http:// en.wikipedia.org/wiki/Comet_ISON.

[3] NACRROBERT A. Latest Updates on Comet ISON [EB/OL]. [ 2014-3-20]. http://www.skyandtelescope.com/observing/highlights/Comet-ISON-Updates-193909261.html.

[4] Wikipedia. Comet nucleus [EB/OL]. (2014-2-26)[ 2014-3-20]. http:// en.wikipedia.org/wiki/Comet_nucleus.

[5] POWELL C S. 10 Lessons from the “Comet of the Century” [EB/ OL]. (2014-2-3)[ 2014-3-20]. http://blogs.discovermagazine.com/ outthere/2014/01/05/10-lessons-comet-century.

(編輯：溫文)

Wonderful astronomical phenomena: Comet ISON

HU Zhongwei
School of Astronomy and Space Sience, Nanjing University, Nanjing 210008, China

There is few opportunity, for a naked eye to see a comet, especially a bright comet tail. It is important to research it. Undoubtedly, the comet ISON is the most novel astronomical phenomena in 2013. It comes for the first time from the edge to the inner area of the solar system, and is discovered as a“new”comet, speculated that as near the earth it may show“century comet”outline of the spectacular through outer high temperature atmosphere of the sun (solar corona) and show its destruction face as “ a fl ying moth darts into the fi re”. Many amateurs, experts as well as spacecrafts made a large number of observations, presented a lot of valuable information, novel and interesting. In fact, it’s ontology is freezing ice-dust small nucleus, with closing to the sun, the evaporation materials out of the nucleus form a big and bright coma and a long tail.

comet ISON, cometary nucleus, cometary coma, cometary tail, sun-grazing comet

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.04.006

?通信作者，E-mail：huzhwls@126.com