出品：科普中國(guó)

作者：楊溢（中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所）

2022 年 3 月 2 日，天文學(xué)家 Frank Masci 和 Bryce Bolin 在位于美國(guó)南加州的帕洛馬天文臺(tái)（Palomar Observatory）使用茲維基瞬變?cè)O(shè)施（ZTF），發(fā)現(xiàn)了一個(gè)他們最初認(rèn)為是小行星的天體。隨后的觀察表明，這是一顆彗核直徑1-1.6千米的彗星。當(dāng)時(shí)這顆彗星距離太陽(yáng)約6.43 億千米，位于木星的軌道附近。

(資料圖片僅供參考)

那時(shí)發(fā)現(xiàn)的這顆彗星，我們起名為C/2022 E3。它是目前2023年預(yù)報(bào)亮度最亮的彗星，2月1-2日是北半球最適合觀測(cè)的時(shí)間段；南半球則要等到2月3日以后才逐漸可見(jiàn)，而受滿月影響，2月9-15日期間才適合南半球觀察。實(shí)際上，這顆彗星，早在五萬(wàn)年前就曾經(jīng)路過(guò)地球方便觀測(cè)的軌道。這次邂逅，倒像是一次浪漫的重逢。

這顆彗星好定位，就是不夠亮

我們提到過(guò)，到目前為止，這是2023年預(yù)報(bào)亮度最亮的彗星。早在2022年11月3日，觀測(cè)到C/2022 E3的亮度為10.2等，比當(dāng)時(shí)預(yù)報(bào)亮度高了近1等。

2023年1月12日，彗星經(jīng)過(guò)近日點(diǎn)，近日距1.11天文單位（天文單位簡(jiǎn)稱(chēng)AU， 是根據(jù)地球到太陽(yáng)平均距離規(guī)定，為149597870700米）；2月2日過(guò)近地點(diǎn)，近地距只有0.28天文單位（約4189萬(wàn)千米）。彗星經(jīng)過(guò)近日點(diǎn)后由于距離地球較近，亮度迅速上升。

隨著這顆彗星離地球越來(lái)越近，越來(lái)越亮，我們將更容易觀測(cè)到它。1月初的預(yù)報(bào)亮度為8等，到月底增亮到接近5等，是觀測(cè)拍攝的有利時(shí)機(jī)。

1月里，這顆彗星從北冕座經(jīng)過(guò)牧夫座、天龍座、小熊座運(yùn)行到鹿豹座，運(yùn)行速度很快，到1月底，由于彗星已經(jīng)移動(dòng)到北天極附近，北京時(shí)間1月28日-2月4日間彗星亮度會(huì)在5等左右，其中1月30日距離北天極只有10度，彗星位于北極星正上方，容易尋找；北京時(shí)間2月2日彗星運(yùn)行至近地點(diǎn)，2月1-2日是北半球最適合觀測(cè)的時(shí)間段；南半球則要等到2月3日以后才逐漸可見(jiàn)，而受滿月影響，2月9-15日期間才適合南半球觀察，其中2月11日，當(dāng)時(shí)視星等6.5的彗星會(huì)經(jīng)過(guò)視星等為0等的火星附近。

圖1 北京時(shí)間 1月28日-2月4日間彗星行跡，根據(jù)Stellarium軟件測(cè)算。

（圖片來(lái)源：作者自制）

從前面的描述來(lái)看，好像彗星越亮，就更易觀測(cè)。那么既然這顆彗星是2023年預(yù)報(bào)最亮的彗星，想必觀測(cè)起來(lái)一定很容易吧？

實(shí)則不然。上面提到了彗星及其周邊天體的視星等，而視星等是觀察所見(jiàn)天體亮度的標(biāo)尺，其數(shù)值每增加5，亮度減弱為原數(shù)值對(duì)應(yīng)亮度的百分之一，規(guī)定在地球上觀察到的織女星亮度為0等。

也就是說(shuō)，視星等數(shù)值越大，觀察到的天體越顯黯淡。星等的概念最早由古希臘天文學(xué)家依巴谷提出，當(dāng)時(shí)人眼可觀察最暗的天體約為6等，如果用普通的雙筒望遠(yuǎn)鏡觀察，則可以觀察到9-10等星。

圖2 北京時(shí)間 1月30日，手機(jī)實(shí)拍彗星，曝光約30秒才勉強(qiáng)可見(jiàn)。

（圖片來(lái)源：作者自制）

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，即使擁有了望遠(yuǎn)鏡、長(zhǎng)曝光相機(jī)等輔助工具，也必須在晴朗夜空，光污染較弱，沒(méi)有霧霾的區(qū)域才容易觀測(cè)到這顆彗星。對(duì)于黯淡的天體，要獲得優(yōu)良的拍攝效果，除了望遠(yuǎn)鏡、長(zhǎng)曝光相機(jī)等輔助工具，還需要配備赤道儀來(lái)追蹤目標(biāo)，克服地球自轉(zhuǎn)影響。

圖3 1965年回歸的池谷-關(guān)彗星（-10等）白天也清晰可見(jiàn)。

（圖片來(lái)源：日本國(guó)家天文臺(tái)）

相比于上世紀(jì)的一些明亮彗星，如1997年回歸的海爾-波普彗星（-1.8等），1996年回歸的百武彗星（-0.3等），1965年回歸的池谷-關(guān)彗星（-10等，白天也清晰可見(jiàn)），1910年4月20日回歸的哈雷彗星（-3.3等，白天也清晰可見(jiàn)），C/2022 E3這顆2023年1月下旬至2月上旬達(dá)到最亮，最亮?xí)r才約5等的C/2022 E3彗星就遜色多了。

災(zāi)禍預(yù)兆？大氣燃燒？古代對(duì)彗星的誤解

我國(guó)有著悠久的觀測(cè)彗星的歷史，同時(shí)也擁有世界上最早關(guān)于彗星周期回歸的觀察記錄。

中國(guó)古代稱(chēng)彗星為“孛星”“掃星”等?！洞呵铩罚ü?13年）《晉書(shū)·天文志》記載 “所謂掃星。本類(lèi)星，末類(lèi)彗，小者數(shù)寸，長(zhǎng)或竟天。見(jiàn)則兵起，大水。主掃除，除舊布新。有五色，各依五行本精所主。史臣案，彗體無(wú)光，傅日而為光，故夕見(jiàn)則東指，晨見(jiàn)則西指。在日南北皆隨日光而指，頓挫其芒，或長(zhǎng)或短?！睖?zhǔn)確地描述了彗星的形態(tài)。

但是，古代人常認(rèn)為彗星出現(xiàn)會(huì)招致厄運(yùn)，直至1910年哈雷彗星回歸時(shí)仍有“彗星東南現(xiàn)，大清兩年半”的傳言。當(dāng)時(shí)正值清末，依然有很多人認(rèn)為彗星招致災(zāi)厄。這是一種迷信思想，是完全沒(méi)有根據(jù)的認(rèn)識(shí)。古代的歐洲受亞里士多德等學(xué)者觀點(diǎn)的影響，樸素地認(rèn)為彗星是高空大氣燃燒產(chǎn)生的，也是囿于觀測(cè)手段粗糙的局限認(rèn)識(shí)。

彗星的成分與結(jié)構(gòu)

彗星包括彗核，彗發(fā)，彗尾三個(gè)主要部分。

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

1.彗核雖小，濃縮了彗星的物質(zhì)精華。

彗核體積一般與太陽(yáng)系內(nèi)的行星、矮行星比較起來(lái)，一般偏小，直徑一般為百米至十千米數(shù)量級(jí)。已知最大的彗核直徑不超過(guò)160千米。彗核一般占彗星整體質(zhì)量99%以上。

彗核可能是“隕冰”的來(lái)源之一。Whipple（1950）提出的彗核的臟雪球模型，形象生動(dòng)地反映了彗星的主要成分是多孔狀的固態(tài)水冰，二氧化碳，一氧化碳，氨，甲烷、氰化氫混合物，以及包含少量微米級(jí)到毫米級(jí)，灰塵狀的固體硅酸鹽、硫化物礦物?？梢?jiàn)，彗核來(lái)源的隕冰很可能是有劇毒的，不能當(dāng)作一些古代迷信說(shuō)法認(rèn)為的“靈丹妙藥”。

彗核的顏色并不是單一的，而是多種多樣。有些彗星因?yàn)楸砻嫠患尸F(xiàn)灰白色；有些彗星因?yàn)楸砻娓患假|(zhì)、碳?xì)浠?，所以呈現(xiàn)黑色；一些長(zhǎng)周期或非周期彗星可能還包含土狀固態(tài)的甲烷、乙烷或者甲烷水合物，在陽(yáng)光的照射下呈現(xiàn)紅色。

這種呈現(xiàn)紅色的土狀物質(zhì)還有自己的名字，它們被稱(chēng)作索林土（tholin）?？乱敛↘uiper，1951）認(rèn)為，構(gòu)成索林土的這些成分只有在外太陽(yáng)系的寒冷條件下，才能聚集形成。除了彗星，在一些冰衛(wèi)星、半人馬小行星、距太陽(yáng)遠(yuǎn)于30天文單位的矮行星等天體上也可以見(jiàn)到，例如在冥王星、海衛(wèi)一、土衛(wèi)六上就有紅色的索林土構(gòu)成的地貌。

后來(lái)在海王星軌道以外的區(qū)域陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)主要成分包括水冰、固態(tài)甲烷、氨冰、氮冰、固態(tài)氰化物的天體，這個(gè)富集冰質(zhì)天體的區(qū)域就稱(chēng)為柯伊伯帶（Kuiper Belt）。科學(xué)家們也通過(guò)分析成分的相似性和軌道的幾何關(guān)系，印證了多數(shù)彗星的老家是柯伊伯帶和奧爾特云。

2.彗發(fā)，為彗星添點(diǎn)色彩。

天文愛(ài)好者們拍攝的諸多照片中，C/2022 E3這顆彗星呈現(xiàn)鮮明的綠色。然而它的彗核本身并不是綠色的，也不會(huì)憑空發(fā)出足夠強(qiáng)的綠光。

那綠光從何而來(lái)呢？這顆“綠色彗星”彗核前端外圍的綠色光暈，就是彗發(fā)。類(lèi)似地，2017年4月1日，彗星41P飛掠近地點(diǎn)，最近時(shí)只有0.142 AU，這次彗星回歸同樣可以觀察到綠色彗發(fā)。

彗發(fā)的綠色光來(lái)源于紫外光照射之下，C2分子被電離后在可見(jiàn)光波段的發(fā)射光譜。成因是太陽(yáng)的光照、熱輻射、太陽(yáng)風(fēng)的作用導(dǎo)致部分固體彗核上的混合物質(zhì)經(jīng)歷升華或蒸發(fā)，再化學(xué)分解產(chǎn)生C2分子，C2分子進(jìn)一步被電離，在紫外光的照射下被激發(fā)出藍(lán)綠色熒光，從而在彗核的運(yùn)動(dòng)方向前端周?chē)纬汕驓畹木G色彗發(fā)。不過(guò)這種過(guò)程主要局限于彗核運(yùn)動(dòng)方向前端周?chē)诘竭_(dá)彗尾之前就消失了。

此外還需要補(bǔ)充一點(diǎn)，在彗核距太陽(yáng)約一個(gè)天文單位的位置，彗發(fā)的直徑大約為10萬(wàn)千米的數(shù)量級(jí)，此時(shí)形成彗發(fā)的氣體在彗核表面快速?lài)姲l(fā)，相對(duì)彗核運(yùn)動(dòng)速率平均約為0.5千米每秒。如果彗核遠(yuǎn)離太陽(yáng)，則彗發(fā)的直徑傾向于減小，反之則增大。

3.彗尾，尺寸很大濃度很低。

彗尾是太陽(yáng)光、熱、太陽(yáng)風(fēng)粒子作用于彗核、彗發(fā)時(shí)，常見(jiàn)于彗核運(yùn)動(dòng)方向后端的稀薄氣體、塵埃、等離子體羽流，一般只有在近日點(diǎn)附近時(shí)才出現(xiàn)。與彗發(fā)類(lèi)似的是，彗尾的尺寸與彗核-太陽(yáng)距離也有近大遠(yuǎn)小的趨勢(shì)。

彗尾雖然物質(zhì)稀薄，但其寬數(shù)千至上萬(wàn)千米，長(zhǎng)可達(dá)數(shù)億千米，包括等離子體彗尾和塵埃彗尾。其中等離子體彗尾呈平行于背向太陽(yáng)光的方向的射線分布，一般呈現(xiàn)藍(lán)色調(diào)；塵埃彗尾多呈現(xiàn)黃色、橙紅色，一般背向彗核運(yùn)動(dòng)方向，由直徑約幾微米到幾毫米的塵埃組成，其礦物成分近似于太陽(yáng)系未經(jīng)變質(zhì)、分異的原始物質(zhì)——球粒隕石。

圖6 海爾-波普彗星的彗尾示意圖

（圖片來(lái)源：https://www.wikiwand.com/en/Comet飽和度、對(duì)比度有調(diào)整）

部分彗星（例如前述“海爾-波普彗星”）具有含中性鈉原子的“鈉彗尾”，一般肉眼不可見(jiàn)，只能用光譜儀器或探測(cè)器識(shí)別。其形成機(jī)制至今有爭(zhēng)議，有些學(xué)者認(rèn)為是光化學(xué)分解，有些學(xué)者認(rèn)為是彗星塵?；ハ嗄Σ磷矒舻乃矔r(shí)高溫導(dǎo)致鈉鹽的蒸發(fā)。

彗尾曾引起的“末日論”騷動(dòng)

1910年哈雷彗星即將回歸時(shí)，法國(guó)科學(xué)家弗拉馬里昂與美國(guó)葉凱士天文臺(tái)的科研人員等人在先針對(duì)其彗尾的光譜學(xué)觀測(cè)，認(rèn)為彗尾包含氰氣、氰化氫、一氧化碳等劇毒氣體。

這一結(jié)論在當(dāng)時(shí)引起了騷動(dòng)，有相當(dāng)多的人認(rèn)為此次彗星回歸將給地球大氣層帶來(lái)大量劇毒氣體。一時(shí)間防毒面具、解毒藥丸成為了搶手貨，甚至有一些迷信團(tuán)體趁機(jī)推出“彗星末日論”，或者推銷(xiāo)“解毒巫術(shù)”、“解毒護(hù)身符”，借此機(jī)會(huì)大發(fā)其財(cái)。

然而等到哈雷彗星如約而至，先前預(yù)言的“劇毒之災(zāi)”并沒(méi)有出現(xiàn)——這是因?yàn)殄缥参镔|(zhì)極稀薄，這與上述可占彗星整體質(zhì)量99%以上的彗核不同，彗核的氰化物“濃縮就是精華”。而光譜學(xué)觀測(cè)靈敏度較高，即使彗尾含有達(dá)不到廣泛毒害地球生物的濃度的劇毒氣體，也可以被觀測(cè)到。

實(shí)際上，雖然有的彗星含有比例可觀的劇毒物質(zhì)，它們的彗核直徑一般有幾千米，構(gòu)成整個(gè)彗尾氣體、塵埃物質(zhì)的量之和約為千萬(wàn)摩爾數(shù)量級(jí)，其中有毒的揮發(fā)分摩爾百分比最高約15%（主要包括氰化氫、氰氣、一氧化碳），但是因?yàn)樘盏母哒婵斩?，其中氣體會(huì)快速逸散，導(dǎo)致整個(gè)彗尾有毒氣體濃度平均值最高僅有約2×10-11mol/m3。

而氰化氫對(duì)人有毒的最低濃度約是10-7mol/m3數(shù)量級(jí)，這是彗尾有毒氣體濃度的近五千倍——也就是說(shuō)，彗尾有毒氣體濃度僅為對(duì)人有害濃度的五千分之一甚至更低。所以，在地球上觀看彗星時(shí)，只要彗星與地球不相撞，就不必?fù)?dān)心中毒（不過(guò)真要是彗星撞上地球，擔(dān)心的可能就不是中毒的問(wèn)題了）。

結(jié)語(yǔ)

隨著人類(lèi)科學(xué)水平的進(jìn)步，關(guān)于彗星的許多謠言已經(jīng)識(shí)破，我們也漸漸揭開(kāi)自然真相的面紗。再次見(jiàn)到這顆五萬(wàn)年前與地球已經(jīng)打過(guò)照面的彗星，現(xiàn)在的我們就有條件能夠用現(xiàn)代科學(xué)的方法來(lái)認(rèn)識(shí)浪漫的星空。

參考文獻(xiàn)：

[1] 歐陽(yáng)自遠(yuǎn). 天體化學(xué)[M]. 科學(xué)出版社, 1988.

[2] 肖龍. 行星地質(zhì)學(xué)[M]. 地質(zhì)出版社, 2013.

[3] 格拉斯, B.P. 行星地質(zhì)學(xué)導(dǎo)論[M]. 地質(zhì)出版社, 1986.

[4] Sivaraman V . Peculiarities in the ionic tail of Comet Ikeya-Seki (1965 f)[J]. Earth,Moon,and Planets, 1982.

[5] Neil, Russo D , and, et al. Water production and release in Comet 153P/Ikeya–Zhang (C/2002 C1): accurate rotational temperature retrievals from hot-band lines near 2.9-μm[J]. Icarus, 2004.

[6] Gunnarsson M . Icy grains as a source of CO in comet 29P/Schwassmann-Wachmann1[J]. Astronomy & Astrophysics, 2003, 398(1):353-361.

[7]Rettig T W , Tegler S C , Pasto D J , et al. Comet outbursts and polymers of HCN[J]. The Astrophysical Journal, 1992, 398(1):293-298.

[8]Hubble. Shoemaker-Levy 9[J]. European Space Agency, 1994.

[9]Luu J X , Jewitt D C . The Kuiper Belt[J]. Scientific American, 1996, 274(5):46-52.

[10] Whipple F L . A comet model. I. The acceleration of Comet Encke[J]. Astrophysical Journal, 1950, 111:375-394.

[11] Stern, S.A., Weissman, P.R., 2001. Rapid collisional evolution of comets during the formation of the Oort cloud. Nature 409, 589.

[12] Crovisier J , Encrenaz T . Comet Science: The Study of Remnants from the Birth of the Solar System[J]. Geology Today, 2002, 18.

標(biāo)簽： 天文單位 哈雷彗星