神秘的深空異客：彗星

本文選自《中國國家天文》雜誌：在文明時代來臨前，人類就已認識彗星。古人普遍地認為最明亮的彗星預示著災禍，因為它們非常罕見，而且都是不速之客，根本無法預告其何時造訪內太陽系。亞里士多德認為它們是奇特的大氣現象（燃燒的空氣）。在現代科學的萌芽期，第谷·布拉赫通過觀測1577年大彗星的視差，證明了彗星比月球更加遙遠，從而否定了亞里士多德的理論。冰凍的彗星是古老的行星形成時期的遺存，但直到上個世紀，我們才認識到這一重要事實。直到近一二十年，我們才開始以彗星為工具，來研究太陽系的起源。

弗雷德·惠普爾的「臟雪球」模型為現代彗星科學牢固地奠定了理論框架。在此圖景中，彗星實際上就是由冰和臟土混合成的堅固彗核，由於陽光的熱量，其中的物質升華（固態物質直接變為氣態），形成暫時性的近似球形的大氣，亦即彗發。陽光的輻射壓和太陽風的磁力又會將塵埃和電離的彗星氣體推出彗發，分別形成塵埃尾和氣體尾。

但是，除了這幅粗線條的圖景之外，我們對於彗星的了解其實還很有限。儘管彗發和彗尾可能非常巨大和壯觀，但彗星的大部分質量，以及科學家們對於彗星的興趣，都主要集中在非常微小、暗弱、難以探測的彗核上。彗核的直徑通常只有幾公里，但有時卻能伸展出數千萬公里長的彗尾，其長度足以與行星的間距相比。對於彗核的研究極其困難，以至於上世紀80年代才獲得了第一批可靠的望遠鏡觀測數據，大約在同一時期，歐洲空間局（ESA）的「喬托」（Giotto）行星際探測器傳回了哈雷彗星彗核的第一批近距圖像。

儘管千萬年來，人們一直在觀賞彗星，但是對於這些冰球的科學研究卻可謂一項新嘗試。時至今日，這些遙遠深空的訪客帶來的依然是種種困惑。

冰庫里的鮮魚

彗核很小，卻能夠以驚人的速率噴射物質。以哈雷彗星為例，其彗核直徑僅11公里左右，但每次過近日點時，由於升華作用，它每秒會損失50至100噸物質。以這一速率計算，如此小的天體只需數十萬年就會損耗殆盡，與太陽系的45億年歷史相比，這只是彈指一揮間。表面上，這意味著彗星是很年輕的天體，但實際上，在如今的太陽系中根本沒有彗星的產生之地。

其實，彗星是在外太陽系的低溫中形成的原始天體，此後一直被存儲在極度深寒中。短周期彗星來自柯依伯帶（那裡的溫度約-230℃），而大多數長周期彗星則來自奧爾特雲（約-260℃）。當柯依伯帶中的彗星體受到行星的引力擾動時，或奧爾特雲中的彗星體被附近路過恆星的引力或銀河系的潮汐力所擾動時，就會被逐出這兩座彗星倉庫。

人們認為彗核是行星形成時期凍結的遺物，但是對於彗星塵埃的紅外光譜觀測卻與此相悖。有清晰的證據表明，彗星中的硅酸鹽塵埃顆粒曾被加熱到近1000℃的高溫。這甚至比水星的正午溫度更熱，而噴射出這些顆粒的彗星卻從未距太陽如水星般接近。如果它們曾這般接近太陽，其中的水冰和其它易揮發成分應該早已徹底蒸發。更令人困惑的是，美國宇航局（NASA）的「星塵」號探測器在Wild 2號彗星的塵埃中發現了鈣鋁夾雜物（CAI）。這類礦物質形成於高溫環境下，以前僅在來自小行星帶的流星體中發現過。我們認為它們是原始太陽星雲內層的氣體冷卻時，首批凝結為固態的物質。

為何彗星在富含冰的同時，還可以包含曾被高溫加熱的塵埃？答案似乎是，太陽的原行星盤曾被劇烈擾動。年輕太陽附近的高溫塵埃顆粒被輸送到外層區域，在那裡，它們被混入了寒冷的冰物質，後來又被彗核吸納。

臟雪球的地質學

「臟雪球」彗核看似簡單，實際上卻複雜得出人意料。望遠鏡圖像展現了彗發中的噴流和其它結構，為這一點提供了線索。我們認為，由於升華的氣體被束縛在有限的活動區，而彗核表面的大部分都覆蓋著穩定的材質（或許是因岩石過於巨大，氣體無法從彗核上將其拋出），於是就射出了噴流。例如，在1986年哈雷彗星回歸期間，形成彗發的噴流僅來自彗核表面10%的面積。但哈雷彗星的活動性已經屬於很強的了，在其它許多彗星上，活動區僅佔1%。

此外，從地質學上看，彗核的表面也令人非常困惑。在高解析度圖像上，彗核的地貌與太陽系其它任何地方都截然不同。

最大的意外結果是，在彗核的圖像上，幾乎看不到任何氣孔或活動區的跡象。例如，通過NASA的「星塵」號拍攝的Wild 2號彗星圖像，沒有人能夠找到彗發中噴流的發源位置。NASA的「深度撞擊」探測器拍攝的「坦普爾」1號彗星圖像也是如此。在Wild 2號的彗核上，有許多陷坑，人們很容易猜想，它們是撞擊的產物，就像月球和小行星上常見的環形山。但是，與其寬度相比，它們顯得太深了，其形狀並非碗狀，其中一些還有陡峭的四壁和壁上的伸出結構。人們相信，在這些奇特的地貌特徵中，有一部分是小型拋射體轟擊高滲透性材質的結果。但更大的可能是，這些地貌根本不是撞擊坑。它們有可能是坍塌構造，是以前的近地表揮發物質通過現已停息的噴流逸出後形成的。總之，我們還不能確切地知道這些。

另一個意外發現是，空間探測器拍攝過的彗核相互間差別很大。與Wild 2號彗星相比，「坦普爾」1號上的陷坑非常稀少，由於存在許多平坦區域，它的表面顯得很特別，這些平坦區似乎是一些低粘稠性物質流動形成的。我們不知道這些物質流到底是什麼。有一種模型認為，它們是由塵埃組成的，這些塵埃被彗核散逸的氣體攪成流體、卻又無法逃脫彗星的微弱引力（「坦普爾」1號的逃逸速度非常低，只有約1米/秒，因為引力是這樣微弱，宇航員不必藉助火箭就可以逃離這顆彗星）。相比之下，Hartley 2號的彗核則呈現出一種奇怪的拼接構造，似乎意味著它是兩個不同物件連接在一起形成的。

爆炸的冰

另一個不解之謎牽涉到彗星內部的冰的物理形態。在你家冰箱的普通冰之中，水分子的排列是一種有序的六角形構造。我們稱之為結晶冰。但是在柯依伯帶和奧爾特雲的極端低溫下，冰可能是非晶態的（無定形冰、玻璃態冰），其中的水分子一團雜亂，排列方式完全沒有秩序。結晶態冰和非晶態冰之間的差別或許看似神秘而無足輕重，畢竟，冰就是冰。但實際上，它們的差別有可能是爆炸性的！當非晶態冰被加熱時，例如，在一顆飛臨太陽附近的彗星中，它會自發地轉變為結晶態，同時釋放熱量。此外，在非晶態的冰中，水分子之間的空隙和裂縫為其它氣體的原子和分子提供了絕佳的藏身之所，於是，這種冰就成了一種能夠吸附一氧化碳、二氧化碳和其它彗星中常見氣體的「海綿」。

除了釋放能量，非晶態冰的快速結晶過程還會榨出其中拘禁的氣體分子，可能導致爆炸性排氣現象。這或許可以解釋彗星的爆發，例如2007年的霍爾姆斯（Holmes）彗星，當時，它在不到1天的時間裡增亮了近一百萬倍。各種理論模型都認為這是一種失控的連鎖反應，在此過程中，一大塊冰在結晶時釋放出熱量，促使相鄰冰體結晶，直至所有的鄰近非晶態冰都被消耗完畢。其它彗星也曾有過爆發現象（例如Schwassmann-Wachmann 1號彗星，它每年都會爆發數次），但是都不曾達到霍爾姆斯彗星那次的極端程度。為何這顆在其它方面都很尋常的彗星會發生如此不尋常的大爆發？對此我們並不清楚。結晶過程或許還能夠解釋遠距離彗星的排氣現象，它們離太陽非常遙遠，所以結晶態的水冰不可能升華。

遺憾的是，我們缺少直接證據來證明彗星的冰是非晶態的。如果來自柯依伯帶的彗星含有非晶態冰，就有理由預言，所有柯依伯帶天體本身的物質都應是非晶態的。但奇怪的是，對柯依伯帶天體的所有可靠觀測又都表明，它們的冰是結晶態的。

彗核容易分裂的時刻

還有一個關於彗星的難題是，為什麼彗核會分裂？通常，分裂後會釋放出一個伴隨天體，但有時卻會破裂成一團碎片，甚至一束塵埃雨。對於大多數彗星分裂事件，我們的了解都僅是聊勝於無。

當彗星飛抵太陽或木星附近時，會受到強大的引力擠壓（潮汐力），從而導致彗核分裂，由此我們可以解釋少數事件。這方面最著名的案例是「舒梅克—列維」9號彗星的「珍珠串」，當母彗星飛入木星的洛希極限並被木星的強大潮汐力撕碎時，就形成了這串碎片。掠日彗星，例如不久前那顆壯觀的Lovejoy彗星，可能都是很久前遭受太陽的引力瓦解的產物。此類小天體目前已知的超過2000顆，其中絕大部分可能都是一顆巨大的母彗星在很久前破裂時所留下的碎片。理論模型認為，這顆彗核以前是一座碎石堆，其中的大量巨石通過引力或其它微弱作用而連接為一體。

但是，還有一些彗星卻會在遠離行星或太陽的地方分裂，在那裡，引力的作用幾乎可忽略不計。對此，一種可能的原因是自轉分裂。在彗核的向陽面，排氣作用更強烈，從而會產生凈力矩。對於小型彗核，排氣作用的力量可能顯得更加強大，將彗核推出開普勒軌道，並且只需幾個公轉周期就可以使其自轉明顯加快。我們已經在幾顆彗星上觀測到加速自轉，最顯著的是Hartley 2號。2011年在那顆彗星上，氣體升華產生的力矩以接近每天1分鐘的速率改變了其18.3小時的自轉周期。在天文學上，這是極高的改變速率，只需幾個軌道周期，就可使彗核達到分裂所需的自轉速度。在彗星分裂和消亡的過程中，自轉分裂可能就是幾種主導機制之一。

彗核內部是什麼

空間探測器的圖像還產生了一些關於彗核內部結構的問題。如果彗星都是柯依伯帶天體的碰撞碎片，我們就可以預言，它們應當有著分裂的、碎石堆式的內部結構。內部破裂將會使彗核在壓力下非常脆弱，這與它們易於分裂崩碎的特點正相吻合。

然而，其它一些彗核看起來很不相同。在「深度撞擊」探測器的圖像中，Hartley 2號彗星就像一具腰部平坦、兩端不對稱的啞鈴，暗示它實際上是相接雙星（兩顆本來獨立形成卻又相互連接起來的天體），塵埃聚集在兩個組成部分之間的頸部。而且，從Hartley 2號兩端升華的氣體也有差異，小端釋放的二氧化碳比另一端更多。成分差異表明，這兩個組成部分形成於原行星盤中的不同位置，二氧化碳較豐富的一端誕生於離太陽較遠的地方。

基於在「坦普爾」1號彗星上發現的扁平的碟形結構，Michael Belton（Belton太空探索計劃發起人）提出了一種完全不同的彗核結構模型。在他的TALPS模型里，彗核就像一摞煎餅一樣疊搭起來，每顆新加入的彗星星子在砸上這摞「煎餅」的表面時，都會變成扁平的。實際上，TALPS就是英文中「啪嗒」（splat）一詞的倒寫。然而，在缺乏對彗星內部的更好探測數據的情況下，對於林林總總的結構模型，我們實在是無從選擇。

對於彗核的研究才剛剛起步。我們已經知道，這些小天體在數十億年中儲存在太陽系裡的什麼位置。我們已經非常詳細地刻畫了幾顆案例彗星的特徵，發現彗核的物理性質是千差萬別的。但我們仍不知道其緣由。彗核的多樣性在多大程度上是原生的，又在多大程度上反映了它們在柯依伯帶或奧爾特雲到太陽的旅途中發生的變化？在接下來幾十年中，對於它們向內太陽系回歸過程的望遠鏡觀測將為這一問題帶來線索。

一個更大的難關是彗核如何構建的問題。它們究竟是柯依伯帶天體相互碰撞的碎片，還是碎石堆，或Belton的「疊煎餅」？抑或是上述這些模型的某種組合，甚至某種完全不同的東西？倘若能回答這個問題，我們就可以知道「臟雪球」是如何在原行星盤的外圍區域聚集生成的。

雷達層析攝像使我們有可能解析彗星的內部結構，在此類觀測中，長波段的無線電波可以穿過彗核，被另一側的探測元件接收。按計劃，第一個此類實驗將在Churyumov-Gerasimenko彗星上開展。如果一切順利，ESA的「羅塞塔」空間探測器的著陸器將會把一部無線電應答器送往那裡，這部應答器的無線電信號將穿透彗核，被空中的軌道器檢測到。這次觀測是一項前所未有的嘗試，它將為彗星研究開闢一條充滿誘惑的全新之路。

ISON彗星將會告訴我們什麼？

長周期的ISON彗星將與太陽擦身而過，它正在飛向距離太陽中心0.0125天文單位（僅為太陽半徑的2.7倍）的近日點。如果這顆彗核能夠僥倖逃脫與太陽密近遭遇時的毀滅結局，太陽的熾烈熱量將會導演一場壯觀的天象，只不過需要一些專門設備才能看到這精彩一幕。大部分掠日彗星都無法在通過近日點後倖存，因為它們的直徑僅有數十米。ISON彗星的彗核直徑據估計約有2至3公里，這大大提高了它的生還概率。行星科學家們將密切關注ISON彗核在日冕內層的嚴酷環境下的表現。即使這顆彗核沒有被徹底蒸發，也很可能由於太陽所施加的強大引力而分裂或瓦解。在計算彗核的內部強度時，對於碎片的細緻觀測將非常有用。

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