神秘的旅行者

太平洋上的彗星：在2007年早些時候，南半球天空中最壯麗的風景非McNaught彗星莫屬。（圖片來源：Sebastian Deiries/ESO）早在步入文明時代之前，人類就已經注意到彗星的存在。明亮的彗星由於其行蹤不定、神秘莫測而令人不安，常被古人當做厄運降臨的凶兆。在古希臘哲學家亞里士多德眼中，彗星是一種奇異、罕見的氣象現象（他稱其為「燃燒的空氣」）。隨著現代科學的興起，丹麥天文學家第谷在1577年利用視差法對彗星進行測距。觀測結果顯示這顆彗星與我們之間的距離比月球還大，從而推翻了先前對彗星的錯誤認識。但直至上個世紀，我們才慢慢認識到彗星的科學價值——它是太陽系行星形成期留下的冰凍遺迹。僅僅在最近幾十年，我們才開始利用彗星去探索太陽系的起源。美國天文學家Fred Whipple提出的「臟雪球」模型代表了我們目前對彗星的認識。在此模型中，彗星被描繪為由冰和塵埃凝聚而成的固體核。在太陽的烘烤下，彗星發生升華（由固體直接轉變成氣體的過程），形成暫時的、接近球形的大氣——彗發。在太陽光的輻射壓和太陽風攜帶的磁場的共同作用下，塵埃和處於離子態的氣體離開彗星表面分別形成塵埃彗尾和氣體彗尾。

彗星的四個組成部分：彗核（左上）位於彗星頭部，是由冰和岩石積聚而成的固體（常被形象地比喻為「臟雪球」）。由於彗發包裹著它，通常我們難以直接觀測到它。彗核的典型大小從幾十米到幾十公里不等，集中了幾乎全部的彗星質量。彗發（左下）是包裹著彗核的稀薄大氣。我們在彗星頭部直接看到就是彗發。當太陽加熱彗核，氣體和塵埃以噴流的形式被釋放出，從而形成彗發。其長度通常可達幾萬公里。氣體尾（右上），也稱為離子尾，是太陽風從彗發吹出的離子態氣體。通常情況下，氣體尾呈現為筆直、暗淡的藍色氣流。與塵埃尾相比，氣體尾有著更精細的結構。它沿著背離太陽的方向筆直伸展出去，長度有時可達數百萬公里。塵埃尾（右下）是觀測彗星時看到的最壯觀的部分（黯淡的彗星沒有彗尾）。在太陽輻射壓的推動下，細小的塵埃顆粒從彗核延伸出去形成塵埃尾。但由於灰塵比氣體移動得慢，所以塵埃尾常常是彎曲的。塵埃尾的長度通常可達數千萬公里，和太陽系行星之間的距差不多。如果撇開「臟雪球」的粗略描述，我們餘下的有關彗星的知識就很有限了。儘管彗發和彗尾看上去非常壯觀，彗星絕大部分的質量和其吸引人的奧秘之處卻集中在毫不起眼、並且難以觀測的彗核上。彗核的直徑通常僅為幾公里到幾十公里不等。相比之下，從彗核伸展出去的彗尾長度卻可達數千萬公里，幾乎和太陽系內行星間的距離差不多。正因為對彗核的研究如此難以展開，直到上個世紀80年代科學家才首次得到可靠的觀測結果。也是在同一時期，歐洲空間局的喬托探測器傳回了首張哈雷彗星的彗核特寫照片。

哈雷彗星：1986年3月13日，歐洲空間局的喬托探測器掠過哈雷彗星（距它僅有596公里遠），並藉此機會拍下並傳回了彗核的首張特寫照片。從照片中可以清晰地看到這顆15公里長、8公里寬的彗核在受光面對著太陽噴出的氣體和塵埃流。（圖片來源：ESA/MPAE/LINDAU）儘管人類數千年以來一直追尋著彗星的蹤跡，但對其進行有意義的科學探索還僅僅是近些年才發生的事。這些從遙遠國度長途跋涉而來的旅行者在我們眼中依然神秘莫測。冰凍保鮮別看彗核個頭不大，它揮發的速度卻很驚人。以哈雷彗星為例，其彗核的有效直徑大約是11公里。當它位於近日點（彗星繞日軌道上距離太陽最近的點）時，由於發生升華，它在一秒鐘內就能損失掉高達50到100噸的物質。照此速度，小小的彗核在幾萬年內就會耗盡。這個時間遠遠短於太陽系的年齡（通常認為是45億年）。從原則上講，這說明彗星應該是比較年輕的天體。可實際上，如今的太陽系早已沒有適宜彗星形成的環境了。既然如此，彗星就不可能是在近期形成的，而是形成於太陽系早期。一般認為彗星是在太陽系外部的低溫環境中由原初物質形成的，並且自形成之後就一直被雪藏在那裡。短周期彗星（繞日軌道的周期小於200年）形成於柯伊柏帶中（溫度約-230度）。而絕大多數長周期彗星（軌道周期大於200年）則源於奧爾特雲（溫度約-260度）。柯伊伯帶中的行星、偶然路過的恆星，還有星系潮汐（奧爾特雲）的引力擾動驅使彗星離開其出生地，踏上飛向太陽系內部的漫長旅途。然而，對彗星塵埃在紅外波段的光譜進行分析，結果卻顯示彗星遠非冰凍遺迹這麼簡單。因為我們在其中發現了硅酸鹽。這種物質的存在清楚表明了彗星曾被加熱到近1000度——比處於正午時分的金星還要熱，儘管彗星從來不會像金星一樣距離太陽那般近。如果它真離太陽那麼近，它的冰和其它揮發性物質早就被蒸發光了。更讓人費解的是，美國宇航局星塵探測任務在Wild 2彗星的彗發塵埃中發現了鈣鋁包裹體（CAI）。這種礦物質也是在高溫下形成的，以前只在位於小行星帶的隕星上發現過。科學家通常認為它是太陽系原行星雲中的熾熱氣體冷卻時產生的第一批固體。彗星既富含冰，同時又含有在高溫下才能形成的塵埃顆粒。這怎麼可能？如果太陽系原行星盤各部分混雜得比較厲害，倒可以解釋這看上去彼此矛盾的結果。年輕的太陽附近的熾熱塵埃可以通過某些途徑被傳送到太陽系外部的低溫地區。它們在那裡冷卻、凝結成冰和塵埃的混合物，形成彗核。「臟雪球」的面貌「臟雪球」的球核看上去似乎結構簡單，實際上卻出乎意料的複雜。空間探測器拍到的照片顯示在彗發中有噴流和其它結構存在。噴流的存在是因為冰的升華只發生在彗核表面有限的幾個活躍區域，而絕大部分的彗核表面都被不活躍的物質覆蓋著（也許是岩石太大，氣體無法把它們吹離彗核）。舉例來說，當1986年哈雷彗星出現時，生成彗發的噴流只佔了彗核表面積的10%。哈雷彗星算是異常活躍的彗星了。許多彗星的噴流僅占其表面積的1%。此外，彗核表面還有許多令人迷惑不解的地貌特徵。我們從高解析度的彗核照片上可以看到這些獨一無二的特徵。最令人驚奇的是我們從彗核照片上幾乎看不到噴流活躍區的存在。 美國宇航局的星塵探測任務拍攝的Wild 2彗星的彗核照片就是個例子。我們根本無法從照片上找出噴流的位置。美國宇航局的深度撞擊探測器傳回的Tempel 1彗星圖像也是如此。Wild 2彗星的彗核表面密布著許多坑，很容易讓人把它們與月亮和小行星表面的隕石坑聯繫在一起——都是受到撞擊產生的。不過，相對於寬度而言，這些坑要深得多，而且不是碗狀的。有些坑的坑壁筆直，壁上還有懸垂的岩塊。不難想像，這些奇怪的特徵是拋射物撞擊較疏鬆的物質產生的。但更可能的情況是，坑根本不是撞擊產生的，而是在過去的噴流活動中，隨著揮發性物質的釋放，彗核表面發生塌陷造成的。只不過我們目前還無法得知坑到底是怎麼形成的。另一件令人驚訝的事是空間探測器拍攝到的彗核照片彼此差異很大。例如，和Wild 2彗星相比，Tempel 1彗星幾乎沒有坑。它的表面呈現出類似於粘稠流體流過後形成的平滑面。我們不知道這種流體是什麼。有一種說法認為從彗核內部逸出的氣體吹動塵埃，讓其流動起來形成流體。雖然Temple 1彗星的引力非常微弱 （其逃逸速度很低——只有每秒1米——宇航員無需火箭的協助，只需縱身一躍就可以跳離彗星），塵埃仍無法輕易離開彗星表面。與此相對照的是，Hartley 2彗星的彗核擁有古怪的複合結構，暗示出它是由各種物質聚合而成。

麻臉彗星（左圖）：美國宇航局的星塵探測器於2004年1月2日拍攝了這張Wild 2彗星的彗核特寫照片。彗核表面遍布深坑。通常認為這些坑不是由撞擊產生，而是由於氣體逸出導致固體表面塌陷造成的。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH）光滑的彗星（中圖）：美國宇航局的深度撞擊在2005年7月飛掠Tempel 1彗星時拍攝了此照片。除了幾個大塌陷坑之外，這顆彗星的彗核的表面異常光滑。和Wild 2彗星的彗核（左圖）形成了鮮明的對比。此彗核的最大直徑為7.6公里。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/UNIVERSITY OF MARYLAND）緊密結合兩個天體（右圖）：在美國宇航局的深度撞擊探測器被重命名為EPOXI後，它於2010年11月飛臨Hartley 2彗星。從這張特寫照片上，我們可以清楚地看出這顆彗星是由兩個部分結合而成。結合處覆蓋著厚厚的塵埃。在彗核的右端還能看見噴流（見圖片右上方）。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/UNIVERSITY OF MARYLAND）會爆炸的冰就連彗星上的冰也是個未解之謎。我們平時在冰箱里找到的冰塊是水分子規則排列形成的六方晶體（稱為結晶冰）。而在柯伊伯帶和奧爾特雲那樣的低溫環境中，水分子處於混亂無序的狀態，形成的冰是不定形的（非晶體）。晶體和非晶體結構上的差異看似深奧，其實並不重要。無論如何，冰總是冰。可實際上，這種差異卻可能帶來爆炸。當不定形冰受熱（比如說，當彗星飛行到太陽附近），它會自發轉變成結晶冰，同時釋放出能量。從不定形冰的結構上看，其水分子之間有不少凹處和縫隙，為其它氣體的原子和分子提供了現成的藏身之處。打個比方說，不定形冰就像一塊海綿，它吸附了一氧化碳、二氧化碳和彗星中常見的其它氣體。除了能量釋放，不定形冰在快速結晶的過程中還擠壓出了被束縛的分子，導致爆發性的氣體釋放。2007年Holmes彗星的噴發可能就是此過程的最佳例證。這次噴發使彗星的亮度在不到一天的時間裡提高了近一百萬倍。研究表明這種結晶過程一旦觸發就無法停止。也就是說，一塊冰在結晶過程中釋放的熱量會引發其周圍的不定形冰塊跟著發生結晶，直到周圍的所有不定形冰都轉變成結晶冰為止。其它彗星也出現過類似的噴發（例如Schwassmann-Wachmann 1彗星每年都會噴發好幾次），但在劇烈程度上都不及Holmes彗星。我們至今仍不明白這顆不起眼的彗星為什麼會產生如此反常的劇烈噴發。對於遠離太陽的彗星來說，由於條件限制，它們的結晶冰不會發生升華。不過，上述的結晶過程卻可以解釋它們為什麼仍會釋放出氣體。

2007年11月10日，本雜誌的圖像編輯Sean Walker用4英寸牛頓天體照相儀拍攝了這張Holmes彗星的照片。在2007年10月，僅僅42個小時內，這顆彗星的亮度增加了近一百萬倍（接近一顆2等星的亮度）。雖然造成這次猛烈爆發的原因至今未知。一種可能的解釋是不定形冰自發轉變為結晶冰時，伴隨的爆炸性氣體釋放造成了此現象。很遺憾，我們缺乏直接證據來證明彗星上存在著不定形冰。如果來自柯伊伯帶的彗星含有這種冰，我們就能據此推測出柯伊伯帶的天體自身也有不定形冰。可令人不解的是，所有可靠的觀測結果都顯示了柯伊伯帶的天體只含有結晶冰。分裂容易，團結難彗星的另一個不解之謎是彗核為什麼會解體。彗核通常會分裂成兩部分，但有時也會分解成一群碎片，甚至是一陣塵埃雨。我們對於大多數彗星的分解過程目前還所知甚少。有些彗星的解體是當它飛掠太陽或者木星時，受到對方的引力撕扯造成的。最著名的例子要數Shoemaker-Leavy 9彗星。當它進入到木星的洛希極限範圍內，被木星強大的潮汐力撕裂成9塊碎片，似珍珠串一般依次排開。掠日彗星（最近引人注目的Lovejoy彗星就屬此類）也許很早就已遭受過太陽的引力拉扯了。這些天體大都個頭很小，到目前為止共計有2000多個。它們是很久以前一個大彗核土崩瓦解後殘留下來的碎塊。研究表明這個大彗核本來就是許多碎塊在引力作用下聚合到一起而形成的。

彗星的解體：許多種作用力都可以導致彗星解體。左圖：1993年7月，哈勃望遠鏡拍攝了這張Shoemaker-Levy 9彗星的「珍珠串」照片。在前一年，彗星在木星的引力撕扯下發生解體，產生了這些幾公里大小的碎片。它們隨後都與木星發生撞擊，墜落到木星上。右圖：歐洲極大望遠鏡於2006年8月拍攝到這張精彩的LINEAR彗星解體照片。與S-L 9彗星解體產生的碎片相比（見左圖），LINEAR彗星解體產生的碎片要小得多。由於它發生解體時並不在太陽或行星附近，所以導致其解體的原因至今未明。（圖片來源：左圖：Hal WEAVER/T.E.SMITH/STSCI/NASA；右圖：ESO）

掠日彗星：SOHO-6彗星是SOHO衛星（歐洲航空局和美國宇航局聯合研製的、研究太陽的探測器）拍攝到的掠日彗星中比較有代表性的一個。有些彗星在與太陽「親密接觸」後仍能僥倖逃脫，而其它彗星就沒那麼好運了。它們通常會在太陽的高溫炙烤和/或強大引力作用下發生解體。SOHO-6就沒能逃脫這種悲慘的結局，最終葬身於太陽的烈焰中（見上圖）。而在2013年11月底剛與太陽「親密接觸」過的ISON彗星至今仍生死未卜。不過，也有些彗星還未飛到行星或者太陽附近就解體了（按理說，那時彗星還未受到很強的引力拉扯）。在此種情況下，可能是自轉導致了這些彗星的解體。彗核偏愛在受光面釋放出氣體，因而會產生一個轉動力矩。對小彗核來說，噴氣產生的反推力足以讓它偏離自己的飛行軌道。經過數次軌道運動後，彗星在轉矩的作用下越轉越快。這種自轉加速現象已出現在好幾個彗星身上了。其中Hartley 2彗星的自轉加速最為顯著。2011年，這顆彗星的自轉速度（自轉周期原為18.3小時）以每天加快一分鐘的速度提升。即使從天文學角度看，這種提速也算是極快的了——僅需幾次軌道運動，這顆彗星就會因為無法承受高速自轉帶來的強大離心力而發生解體。自轉可能是導致彗星解體、消亡的主要機制之一。彗星內部有什麼？空間探測器傳回的圖像也引發了我們對於彗核內部結構的思考。如果彗星本質上是柯伊伯帶天體發生碰撞產生的碎塊，那麼其內部應該呈現為不規則的、碎塊堆積狀。這種鬆散的結構會使彗核難以抵禦外力作用。這點倒是與它們易於解體的特性相符。不過，有些彗星看上去似乎很與眾不同。從深度撞擊探測器拍到的照片上看，Hartley 2彗星就像一個光滑且不對稱的啞鈴。這暗示了它可能是由兩個獨立形成的天體緊密接合而成。灰塵主要集中在兩個部分的結合處。不僅如此，Hartley 2彗星升華產生的氣體在兩端也是不一樣的。從較小的一端放出的二氧化碳明顯多於較大的一端。這種差異說明兩個部分是在原行星盤的不同位置形成的。富含二氧化碳的那部分應該是在離太陽較遠的位置形成的。Michael Belton（來自貝爾頓空間探索計劃組織）研究了Temple 1彗核那平展如盤的結構，並在此基礎上提出了一個全新的彗核結構模型（稱為TALPS模型）。在他的模型中，彗核就好比一層層堆疊起來的薄餅。每個被吸附的物質在力的作用下都緊貼在吸附物的表面，如此層層堆積，最終形成彗核（TALPS得名於「啪嗒聲」（splat）一詞的反寫）。由於沒有彗星內部的觀測數據，我們還無法確知哪個結構模型更正確。總體來說，我們對彗核的認識還處於起步階段。我們知道它們已在太陽系存在了幾十億年。我們還對其中幾個進行了細緻研究，了解到它們有著彼此迥異的物理性質。可我們不知道究竟是什麼原因造成了這些差異。哪些差異是與生俱來的，哪些是彗核在從出生地（柯伊伯帶，甚至遙遠的奧爾特雲）飛向太陽的漫漫旅途中遇到的各種干擾造成的？如果空間探測器能追隨彗星的繞日運動，並在其軌道的不同位置進行跟蹤觀測，可能會幫助我們解開這些疑問。最難解答的問題是彗核是如何產生的。它們究竟是柯伊伯帶的天體相互撞擊產生的碎塊，還是由碎塊堆積產生的聚合物，還是如Belton的薄餅模型所描述的那樣？彗星的形成有沒有可能是這幾種機制共同作用的結果，還是說它其實有著完全截然不同、並且還不為人知的形成機制？對這個問題的解答會向我們揭示出彗星在原行星盤外部區域是如何通過吸積物質形成的。也許，我們可以利用雷達成像技術來解析彗核的內部結構。因為射電波的波長很長，可以穿透整個彗核。科學家打算應用這項技術對Churyumov-Gerasimenko彗星的彗核進行成像。如果一切順利，歐洲空間局的羅塞塔探測器將向彗星表面釋放著陸器。成功登陸後，由著陸器上的雷達收發機向彗核發出射電波，再由探測器接收從核心穿出的射電信號。這場前所未有的探測試驗將會為彗星的科學探索活動開闢出一條引人入勝的全新途徑。

羅塞塔之約：2014年年中，歐洲空間局的羅塞塔探測器將與Churyumov-Gerasimenko彗星有個約會。屆時，探測器將進行登陸彗星表面的嘗試。（圖片來源：ESA/AOES MEDIALAB）
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