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2023-08-21 01:37:58
关于彗星的冷知识（让我们来谈谈彗星）
王凯翔
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。
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）
责任编辑：王昱
校对：张艳
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