有多少彗星，一旦错过就不再？

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有多少彗星，一旦错过就不再？

记2023年第一颗明亮的彗星——C/2022 E3。




图1北京市天文爱好者王俊峰拍摄的C/2022 E3彗星（图片来源：新华社星空工作室）

本年度第一颗明亮的彗星刚刚过了近日点与近地点。在2023年2月2日，C/2022 E3彗星经过近地点，距离地球约0.28天文单位（约4189万千米）。你关注了吗？
早在2022年，天文学家在收集了足够观测数据计算轨道后，估算 C/2022 E3 的轨道周期约为 5万年。如果能有幸见它一次，那就是妥妥的“一眼万年”了。
自从比较适合观测C/2022 E3的1月初以来，有媒体报导称本彗星是“五万年一遇”“上次回归时人类还处于石器时代” “它最后一次穿越太阳系显然是在旧石器时代，最后一个抬头看到它的人可能是智人或尼安德特人。”“下一次回归，不知五万年后的人类是否还记得2023年”。
这种报导固然充满诗意和浪漫，但五万年后的人们真的能和它再见吗？
见或不见，取决于轨道和丰度

彗星的轨道总结而言只有三种形式。根据轨道离心率的区别，划分为椭圆轨道（离心率＜1），抛物线轨道（离心率=1），双曲线轨道（离心率＞1）。



图2 彗星的轨道三种形式：椭圆轨道，抛物线轨道，双曲线轨道。来源：欧阳自远《天体化学》。

如果彗星轨道为椭圆轨道，则周期短于200年的椭圆轨道彗星称为短周期彗星（例如恩克彗星约3.2年，67P约6.4年，哈雷彗星约76年），周期长于200年的椭圆轨道彗星称为长周期彗星（例如池谷-张彗星约366.5年，海尔-波普彗星约1560-2530年，已知最长周期彗星C/2013 P2 估计有5100万年）。轨道为抛物线与双曲线的彗星，均属于非周期彗星，又称为一次回归彗星。



图 3太阳系已知天体轨道倾角、离心率分布。椭圆轨道（离心率＜1），抛物线轨道（离心率=1），双曲线轨道（离心率＞1）。数据来源：https://ssd.jpl.nasa.gov/tools/sbdb_query.html  和http://www.icq.eps.harvard.edu/bortle.html，以及欧阳自远《天体化学》。图中投点不包括已知太阳系外天体。

已经发现的多数彗星属于非周期彗星，占已知彗星总数的约58%，早在1950年，荷兰天文学家奥尔特（Oort）发现，每年都可以观测到几个长周期彗星的轨道运转周期是以千年至万年计，且一些非周期彗星不但具有较高的轨道离心率，可以与黄道面呈任何角度，远可达5万至10万天文单位，但仍被太阳的引力束缚在太阳系附近。它们以各种可能的角度靠近太阳。根据这样的统计规律，设想有至少万亿至十万亿颗彗星呈半径约1光年的稀疏球壳状，包围着太阳系。奥尔特云总质量约和地球质量达到同一数量级，可细分为靠近黄道面较密的内奥尔特云与分散稀疏球壳状分布的外奥尔特云。



图4小行星带(Asteroid belt)、柯伊伯带离散盘(Kuiper belt and scattered disk)和奥尔特云(Oort cloud)位置关系，行星尺寸未按照比例 (来源：Stern, Nature, 2001)。

彗星轨道并非一成不变，不同彗星轨道类型之间可以相互变化。抛物线轨道、双曲线轨道的彗星经减速可以变为椭圆轨道，令非周期彗星变为周期彗星；椭圆轨道的周期彗星经历加速事件，也可变为抛物线轨道或双曲线轨道的非周期彗星。之所以不同研究机构计算出来的彗星轨道周期差别非常大，甚至轨道类型也有争议，是因为彗核质量较太阳，以及太阳系的行星、矮行星偏小，故彗星轨道容易被沿途的大质量天体所影响，具有较大的不确定性。大质量天体影响包括：被引力弹弓改变轨迹，彗核碎裂，甚至撞击其它天体而终结。例如1994年，苏梅克-列维9号彗星碎裂并撞向木星，就是轨道改变的结果；上述海尔-波普彗星的轨道周期计算约1560-2530年不等，百武彗星的轨道周期计算约31万年，但也有人认为它是非周期彗星。
那么5万年后，这颗彗星还会回来吗？
答案是：它可能会失约。
最新的轨道数据表明，C/2022 E3这颗彗星目前轨道离心率为1.00027，可能是由近似于抛物线的轨道经内太阳系大质量天体加速，转化为双曲线轨道。所以在本次经过近日点、近地点后，C/2022 E3 将返回深空。可见，如果其轨道没有其它减速变化事件，C/2022 E3就可能再也不会出现在人类视野中了。
如果你发现了一颗彗星，能给它命名吗？

1910年以前，因为大多是亮度较高的彗星才能被人观察到，所以以出现的年代加上修饰词命名。如果某一年回归的彗星亮度特别出众，则有可能称之为大彗星。例如“1680年大彗星”“1744年白昼大彗星”“1910年白昼大彗星”。
1705年，哈雷（Halley）注意到在1531年、1607年和1682年所看到的明亮彗星具有相同的时间间隔与相似的轨道行迹，因此推测为同一个彗星的多次回归，周期约76年。他推断下次回归应是1758年。1758年12月25日，彗星回归果然出现了，但遗憾的是此前哈雷去世了，未能目睹他准确预测的这一天。这颗彗星遂得名哈雷彗星，以表达对哈雷的纪念。由此，以发现者名字命名的彗星冠名规则逐渐普及。



图 4  1986年3月6日，苏联宇宙飞船拍摄“维加一号”哈雷彗星的假彩色图片。

如果你发现了一颗彗星，能给它冠上你的名字吗？根据国际天文学会20世纪以来的规则，在相距24小时内先后观测到同一颗彗星的独立观测者，均可以登记为这颗彗星的发现者。短周期彗星可以直接以发现者命名，而仅出现一次的彗星还要标注初见年份。
例如2002年2月1日19时15分，我国河南省一名工人张大庆在鲸鱼座天区目视发现了一颗彗星，在此之前的不足2小时，日本的池谷熏也发现了这颗彗星。池谷-张彗星是现代中国人目视发现并得到冠名的第一颗亮彗星，其发现也是2002年我国业余天文的重大突破。一颗彗星以人名冠名时，最多只能冠以三个发现者的名字（1994年后改为2人），一些超过三人的天文团队发现彗星，可用所借助的天文仪器命名。同一个或同一组发现者发现多颗彗星，则在其名字后加上数字，例如苏梅克-列维九号彗星（英文名：Shoemaker-Levy9）。



图 5池谷-张彗星(153P/Ikeya-Zhang)。

C/2022 E3 这颗彗星的命名格式，依据了1995年国际天文联合会参考小行星的命名法则修改制定的彗星编号命名的法则，采用以半个月为单位，按英文字母顺序排列的新彗星编号法。
以除I、Z以外的英文字母依顺序编号——若1月份前半月为A，则1月份后半月为B，依此类推至12月后半月为Y。其后再以1、2、3等数字序号编排同一个半月内所发现的彗星。此外为方便识别彗星的状况，于编号前加上标记：A／可能为小行星；P／确认回归1次以上的短周期彗星，P前面再加上周期彗星总表编号（如哈雷彗星为1P／1982 U1或简称1P亦可）；C／长周期彗星（200年周期以上，如海尔-波普彗星为C／1995 O1）；X／尚未算出轨道根数的彗星；D／不再回归或可能已消失了的彗星（如苏梅克-列维九号彗星为D／1993 F2）；S／新发现的行星之卫星。如果彗星破碎，分裂成数个以上的彗核，则在编号后加上-A、-B，以区分每个彗核。回归彗星方面，如彗星再次被观测到回归时，则在P／（或可能是D／）前加上一个由IAU小行星中心给定的序号，以避免该彗星回归时重新标记。例如哈雷彗星有以下标记：1P／1682Q1=1P／1910A2=1P／1982U1=1P/Halley=哈雷彗星。观察C/2022 E3 (ZTF)的名称，不难获取这些信息：发现时这是一颗长周期彗星，是2022年3月前半月发现的第三颗彗星，借助兹维基瞬变设施（ZTF）发现。
等待彗星，到底是在等什么？

虽然很多像C/2022 E3这样的彗星未来可能再也不会回归，但是不影响研究人员将彗星作为研究太阳系原始成分的窗口。
大多数研究者认为，彗星代表了太阳系中残留下来的最原始的挥发分。通过对彗星的研究可使我们对太阳星云中形成行星物质的性质和环境有较好的了解。行星甚至小行星都经受了不同程度的热变质和分异作用，其原始状态模糊不清。相反，彗星的情况则不同，其形成于寒冷的太阳系外围的柯伊伯带、奥尔特云，且彗核内部的演化程度很低，并长久地处于低温状态下，较完整地冻存了太阳系形成早期的原始挥发分物质组成，因此从彗星物质可能得到太阳系原始星云中的尘埃和初始凝聚物。对小行星、卫星、行星物质组合的比较研究，可以为探索行星以及太阳系的形成和演化过程，尤其是太阳系雪线以外挥发分、有机物的凝聚、运移过程提供线索（Crovisier＆Encrenaz，2002）。
自1978年8月国际彗星探测器发射成功开始，人类已至少发射11次针对彗星的探测器，其中比较有代表性的近期探测任务包括：星尘号（Stardust），首次通过气凝胶近距离（~150km）采集怀尔特二号彗星的彗发尘埃样品；深度撞击号（Deep Impact），首次通过轰击彗核表面探索彗核内外差异，以及彗核撞击坑形貌演化；罗塞塔号（Rosetta），首次试图软着陆彗核并原位获取彗星化合物——虽然这次任务的着陆器“菲莱”着陆失败了，但这仍然不失为人类探索星辰大海的重要一步。
有些彗星，一旦错过就不再。相信在未来研究彗星过程中，有更多意想不到的问题，答案期待着被你不经意间揭晓。

参考文献：

[1] 欧阳自远. 天体化学[M]. 科学出版社, 1988.
[2] 肖龙. 行星地质学[M]. 地质出版社, 2013.
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[12] Crovisier J ,Encrenaz T . Comet Science: The Study of Remnants from the Birth of the Solar System[J]. Geology Today, 2002, 18.

本文内容于2023年2月15日由“科学大院”首发。经作者及编辑一致同意，在知乎平台发布。
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作者：杨溢（中国科学院地球化学研究所）。
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