从鹿林彗星认识彗尾

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  2010年上半年,最耀眼的彗星莫过于鹿林彗星,因为它来自太阳系外围的奥尔特星云,若轨道呈双曲线,这会是它唯一一次造访太阳系内部。而且相较于其他来自奥尔特星云的彗星,它算是非常接近地球的一个,近地点约只有0.41天文单位(相当于6100万千米),使得不少天文专家日以继夜守着它,才能捕捉到难得一见的彗尾断裂、长时间“反向”彗尾等景象。
  
  太阳风与气体交织成的离子尾
  
  鹿林彗星最特殊之处莫过于它偏绿的彗尾,与一般常见的蓝色彗尾不同。台湾中央大学天文研究所教授陈文屏表示,彗星的主体彗核是冰块与尘埃混合而成,大小有数千米。彗星接近太阳(小于5天文单位)时,彗核内部受热后压力逐渐增大,使气体冲破表壳,连带喷出尘粒,并包覆在彗核外,形成直径数十万千米的球形彗发。当彗星继续靠近太阳,就会出现长达数千万乃至数亿千米的彗尾。彗尾分尘埃尾与离子尾两种,尘埃尾顾名思义是由尘埃组成,离子尾主要由气体组成,二者的形成原因和发光机制各不相同。
  


  一般见到的蓝色彗尾就是离子尾,它的形成原因与太阳风有关。太阳风是太阳表面喷发出来的游离氢(即质子与电子),当它靠近彗星时。太阳风挟带的太阳磁场会受彗星的带电离子干扰,使得磁力线背离太阳的方向,并且绕着彗星弯曲(见下图)。彗星的离子和太阳风都是沿着磁力线运动,最后二者就一起形成背离太阳方向延伸的离子尾。
  太阳风是间歇性的,每次喷出来的强弱也不一样,加上彗星本身运动也会影响磁场,所以离子尾就可能有忽长忽短、分叉、断裂、消失、再生等情况。此次鹿林彗星被观察到离子
  离子尾的发光机制也与太阳风有关。组成离子尾的气体分子被太阳风撞击后,会激发成由离子与电子组成的电浆状态,当电子与离子重新结合时,就会发光。不同离子放射出来的光颜色不同,一般见到的离子尾呈蓝色,是因为含有较多的一氧化碳离子鹿林彗星的离子尾呈绿色,经光谱分析发现,是双原子碳发出的荧光辐射一般彗星也有这些谱线,但是鹿林彗星似乎特别明显。不过实际机制有待进一步探讨。
  
  “反向”尘埃尾?
  
  除了绿色离子尾,天文学家也长时间观测到鹿林彗星的“反向”尘埃尾。尘埃尾是反射太阳光而呈黄色的彗尾,其形成原因与太阳辐射光压有关。辐射光压就像是光线照在尘埃上所造成的压力,由于尘埃的颗粒有大小之分,颗粒越小越容易被推向远方,最后造成尘埃呈扇形发散出去。根据开普勒行星运动定律,离太阳近的行星运动速度比远处行星快。换句话说,散在离太阳较远处的尘埃(和彗星一样绕着太阳运动)运动速度较慢,反之则快,所以尘埃尾扇形区域末端会因运动速度的快慢而弯曲。
  


  与离子尾一样,尘埃尾的尾巴也是背离太阳的方向延长,这是因为辐射光压的施力方向也是背离太阳。但此次鹿林彗星的尘埃尾却有很长一段时间指向太阳,出现“反向”彗尾。陈文屏解释,鹿林彗星的彗尾并非真的变成“反向”,而是因为鹿林彗星与地球运行轨道几乎在同一平面。从地球角度观测产生错觉造成(见图4)。
  这次鹿林彗星除了带来与往常不同的惊喜,在科学研究上也很有价值,例如观察离子尾的变化有助于了解太阳风的特性。而借助彗尾研究彗星的结构、化学成分等,则可以探知太阳系的过去。尤其是鹿林彗星的故乡离太阳相当遥远,受太阳辐射影响少,故能保留更多太阳系形成之初的样貌,甚至可以反映奥尔特星云天体的特性,因此它的造访可说意义非凡。
  
  难以预测的彗星
  
  鹿林彗星在2010年2月24日最接近地球,原本预估当天观测亮度可能达四五等(星等数字越小表示越亮,人类肉眼可见极限约6等),而且月相几乎逢朔,没有月光干扰,没想到鹿林彗星移至近地点的前后几天,台湾地区的天候不佳,致使观测结果大受影响。陈文屏表示,彗星的亮度并不容易预估,除了与彗星大小、离太阳及地球远近等条件有关,最难掌握的是当时的喷发状态。以短周期彗星为例,虽然可以粗略估算彗星每次接近太阳时会损失0.1%~1%的物质,然而不能就此断定彗星下次接近太阳附近时,亮度就会变暗,因为有可能下次喷发活跃程度较强,或离地球较近,而使得亮度不减反增。
  


  除了一般人关心的亮度,彗星轨道也不容易计算。相较于行星、卫星等天体,彗星的质量小得多,其运动方式容易受其他天体干扰,特别是当它靠近太阳时,喷发物质后带来的反作用力,使得科学家很难掌握它下一步的行进方向。陈文屏表示,目前之所以无法确定鹿林彗星的运行轨道是抛物线、双曲线或是极狭长椭圆,是因为科学家只观察到极小段的轨道,且其运行轨迹一直有些许改变。从2007年7月累积至2009年2月的轨迹点,推算其轨道可能是周期长2800多万年的极狭长椭圆,但累积至6月的数据却显示为双曲线。究竟哪个推论才正确,尚需很长时间追踪分析。
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