神秘的深空异客：彗星

骑UFO看外星人

本文选自《中国国家天文》杂志：在文明时代来临前，人类就已认识彗星。古人普遍地认为最明亮的彗星预示着灾祸，因为它们非常罕见，而且都是不速之客，根本无法预告其何时造访内太阳系。亚里士多德认为它们是奇特的大气现象（燃烧的空气）。在现代科学的萌芽期，第谷·布拉赫通过观测1577年大彗星的视差，证明了彗星比月球更加遥远，从而否定了亚里士多德的理论。冰冻的彗星是古老的行星形成时期的遗存，但直到上个世纪，我们才认识到这一重要事实。直到近一二十年，我们才开始以彗星为工具，来研究太阳系的起源。

弗雷德·惠普尔的“脏雪球”模型为现代彗星科学牢固地奠定了理论框架。在此图景中，彗星实际上就是由冰和脏土混合成的坚固彗核，由于阳光的热量，其中的物质升华（固态物质直接变为气态），形成暂时性的近似球形的大气，亦即彗发。阳光的辐射压和太阳风的磁力又会将尘埃和电离的彗星气体推出彗发，分别形成尘埃尾和气体尾。

但是，除了这幅粗线条的图景之外，我们对于彗星的了解其实还很有限。尽管彗发和彗尾可能非常巨大和壮观，但彗星的大部分质量，以及科学家们对于彗星的兴趣，都主要集中在非常微小、暗弱、难以探测的彗核上。彗核的直径通常只有几公里，但有时却能伸展出数千万公里长的彗尾，其长度足以与行星的间距相比。对于彗核的研究极其困难，以至于上世纪80年代才获得了第一批可靠的望远镜观测数据，大约在同一时期，欧洲空间局（ESA）的“乔托”（Giotto）行星际探测器传回了哈雷彗星彗核的第一批近距图像。

尽管千万年来，人们一直在观赏彗星，但是对于这些冰球的科学研究却可谓一项新尝试。时至今日，这些遥远深空的访客带来的依然是种种困惑。

冰库里的鲜鱼

彗核很小，却能够以惊人的速率喷射物质。以哈雷彗星为例，其彗核直径仅11公里左右，但每次过近日点时，由于升华作用，它每秒会损失50至100吨物质。以这一速率计算，如此小的天体只需数十万年就会损耗殆尽，与太阳系的45亿年历史相比，这只是弹指一挥间。表面上，这意味着彗星是很年轻的天体，但实际上，在如今的太阳系中根本没有彗星的产生之地。

其实，彗星是在外太阳系的低温中形成的原始天体，此后一直被存储在极度深寒中。短周期彗星来自柯依伯带（那里的温度约-230℃），而大多数长周期彗星则来自奥尔特云（约-260℃）。当柯依伯带中的彗星体受到行星的引力扰动时，或奥尔特云中的彗星体被附近路过恒星的引力或银河系的潮汐力所扰动时，就会被逐出这两座彗星仓库。

人们认为彗核是行星形成时期冻结的遗物，但是对于彗星尘埃的红外光谱观测却与此相悖。有清晰的证据表明，彗星中的硅酸盐尘埃颗粒曾被加热到近1000℃的高温。这甚至比水星的正午温度更热，而喷射出这些颗粒的彗星却从未距太阳如水星般接近。如果它们曾这般接近太阳，其中的水冰和其它易挥发成分应该早已彻底蒸发。更令人困惑的是，美国宇航局（NASA）的“星尘”号探测器在Wild 2号彗星的尘埃中发现了钙铝夹杂物（CAI）。这类矿物质形成于高温环境下，以前仅在来自小行星带的流星体中发现过。我们认为它们是原始太阳星云内层的气体冷却时，首批凝结为固态的物质。

为何彗星在富含冰的同时，还可以包含曾被高温加热的尘埃？答案似乎是，太阳的原行星盘曾被剧烈扰动。年轻太阳附近的高温尘埃颗粒被输送到外层区域，在那里，它们被混入了寒冷的冰物质，后来又被彗核吸纳。

脏雪球的地质学

“脏雪球”彗核看似简单，实际上却复杂得出人意料。望远镜图像展现了彗发中的喷流和其它结构，为这一点提供了线索。我们认为，由于升华的气体被束缚在有限的活动区，而彗核表面的大部分都覆盖着稳定的材质（或许是因岩石过于巨大，气体无法从彗核上将其抛出），于是就射出了喷流。例如，在1986年哈雷彗星回归期间，形成彗发的喷流仅来自彗核表面10%的面积。但哈雷彗星的活动性已经属于很强的了，在其它许多彗星上，活动区仅占1%。

此外，从地质学上看，彗核的表面也令人非常困惑。在高分辨率图像上，彗核的地貌与太阳系其它任何地方都截然不同。

最大的意外结果是，在彗核的图像上，几乎看不到任何气孔或活动区的迹象。例如，通过NASA的“星尘”号拍摄的Wild 2号彗星图像，没有人能够找到彗发中喷流的发源位置。NASA的“深度撞击”探测器拍摄的“坦普尔”1号彗星图像也是如此。在Wild 2号的彗核上，有许多陷坑，人们很容易猜想，它们是撞击的产物，就像月球和小行星上常见的环形山。但是，与其宽度相比，它们显得太深了，其形状并非碗状，其中一些还有陡峭的四壁和壁上的伸出结构。人们相信，在这些奇特的地貌特征中，有一部分是小型抛射体轰击高渗透性材质的结果。但更大的可能是，这些地貌根本不是撞击坑。它们有可能是坍塌构造，是以前的近地表挥发物质通过现已停息的喷流逸出后形成的。总之，我们还不能确切地知道这些。

另一个意外发现是，空间探测器拍摄过的彗核相互间差别很大。与Wild 2号彗星相比，“坦普尔”1号上的陷坑非常稀少，由于存在许多平坦区域，它的表面显得很特别，这些平坦区似乎是一些低粘稠性物质流动形成的。我们不知道这些物质流到底是什么。有一种模型认为，它们是由尘埃组成的，这些尘埃被彗核散逸的气体搅成流体、却又无法逃脱彗星的微弱引力（“坦普尔”1号的逃逸速度非常低，只有约1米/秒，因为引力是这样微弱，宇航员不必借助火箭就可以逃离这颗彗星）。相比之下，Hartley 2号的彗核则呈现出一种奇怪的拼接构造，似乎意味着它是两个不同物件连接在一起形成的。

爆炸的冰

另一个不解之谜牵涉到彗星内部的冰的物理形态。在你家冰箱的普通冰之中，水分子的排列是一种有序的六角形构造。我们称之为结晶冰。但是在柯依伯带和奥尔特云的极端低温下，冰可能是非晶态的（无定形冰、玻璃态冰），其中的水分子一团杂乱，排列方式完全没有秩序。结晶态冰和非晶态冰之间的差别或许看似神秘而无足轻重，毕竟，冰就是冰。但实际上，它们的差别有可能是爆炸性的！当非晶态冰被加热时，例如，在一颗飞临太阳附近的彗星中，它会自发地转变为结晶态，同时释放热量。此外，在非晶态的冰中，水分子之间的空隙和裂缝为其它气体的原子和分子提供了绝佳的藏身之所，于是，这种冰就成了一种能够吸附一氧化碳、二氧化碳和其它彗星中常见气体的“海绵”。

除了释放能量，非晶态冰的快速结晶过程还会榨出其中拘禁的气体分子，可能导致爆炸性排气现象。这或许可以解释彗星的爆发，例如2007年的霍尔姆斯（Holmes）彗星，当时，它在不到1天的时间里增亮了近一百万倍。各种理论模型都认为这是一种失控的连锁反应，在此过程中，一大块冰在结晶时释放出热量，促使相邻冰体结晶，直至所有的邻近非晶态冰都被消耗完毕。其它彗星也曾有过爆发现象（例如Schwassmann-Wachmann 1号彗星，它每年都会爆发数次），但是都不曾达到霍尔姆斯彗星那次的极端程度。为何这颗在其它方面都很寻常的彗星会发生如此不寻常的大爆发？对此我们并不清楚。结晶过程或许还能够解释远距离彗星的排气现象，它们离太阳非常遥远，所以结晶态的水冰不可能升华。

遗憾的是，我们缺少直接证据来证明彗星的冰是非晶态的。如果来自柯依伯带的彗星含有非晶态冰，就有理由预言，所有柯依伯带天体本身的物质都应是非晶态的。但奇怪的是，对柯依伯带天体的所有可靠观测又都表明，它们的冰是结晶态的。

彗核容易分裂的时刻

还有一个关于彗星的难题是，为什么彗核会分裂？通常，分裂后会释放出一个伴随天体，但有时却会破裂成一团碎片，甚至一束尘埃雨。对于大多数彗星分裂事件，我们的了解都仅是聊胜于无。

当彗星飞抵太阳或木星附近时，会受到强大的引力挤压（潮汐力），从而导致彗核分裂，由此我们可以解释少数事件。这方面最著名的案例是“舒梅克—列维”9号彗星的“珍珠串”，当母彗星飞入木星的洛希极限并被木星的强大潮汐力撕碎时，就形成了这串碎片。掠日彗星，例如不久前那颗壮观的Lovejoy彗星，可能都是很久前遭受太阳的引力瓦解的产物。此类小天体目前已知的超过2000颗，其中绝大部分可能都是一颗巨大的母彗星在很久前破裂时所留下的碎片。理论模型认为，这颗彗核以前是一座碎石堆，其中的大量巨石通过引力或其它微弱作用而连接为一体。

但是，还有一些彗星却会在远离行星或太阳的地方分裂，在那里，引力的作用几乎可忽略不计。对此，一种可能的原因是自转分裂。在彗核的向阳面，排气作用更强烈，从而会产生净力矩。对于小型彗核，排气作用的力量可能显得更加强大，将彗核推出开普勒轨道，并且只需几个公转周期就可以使其自转明显加快。我们已经在几颗彗星上观测到加速自转，最显著的是Hartley 2号。2011年在那颗彗星上，气体升华产生的力矩以接近每天1分钟的速率改变了其18.3小时的自转周期。在天文学上，这是极高的改变速率，只需几个轨道周期，就可使彗核达到分裂所需的自转速度。在彗星分裂和消亡的过程中，自转分裂可能就是几种主导机制之一。

彗核内部是什么

空间探测器的图像还产生了一些关于彗核内部结构的问题。如果彗星都是柯依伯带天体的碰撞碎片，我们就可以预言，它们应当有着分裂的、碎石堆式的内部结构。内部破裂将会使彗核在压力下非常脆弱，这与它们易于分裂崩碎的特点正相吻合。

然而，其它一些彗核看起来很不相同。在“深度撞击”探测器的图像中，Hartley 2号彗星就像一具腰部平坦、两端不对称的哑铃，暗示它实际上是相接双星（两颗本来独立形成却又相互连接起来的天体），尘埃聚集在两个组成部分之间的颈部。而且，从Hartley 2号两端升华的气体也有差异，小端释放的二氧化碳比另一端更多。成分差异表明，这两个组成部分形成于原行星盘中的不同位置，二氧化碳较丰富的一端诞生于离太阳较远的地方。

基于在“坦普尔”1号彗星上发现的扁平的碟形结构，Michael Belton（Belton太空探索计划发起人）提出了一种完全不同的彗核结构模型。在他的TALPS模型里，彗核就像一摞煎饼一样叠搭起来，每颗新加入的彗星星子在砸上这摞“煎饼”的表面时，都会变成扁平的。实际上，TALPS就是英文中“啪嗒”（splat）一词的倒写。然而，在缺乏对彗星内部的更好探测数据的情况下，对于林林总总的结构模型，我们实在是无从选择。

对于彗核的研究才刚刚起步。我们已经知道，这些小天体在数十亿年中储存在太阳系里的什么位置。我们已经非常详细地刻画了几颗案例彗星的特征，发现彗核的物理性质是千差万别的。但我们仍不知道其缘由。彗核的多样性在多大程度上是原生的，又在多大程度上反映了它们在柯依伯带或奥尔特云到太阳的旅途中发生的变化？在接下来几十年中，对于它们向内太阳系回归过程的望远镜观测将为这一问题带来线索。

一个更大的难关是彗核如何构建的问题。它们究竟是柯依伯带天体相互碰撞的碎片，还是碎石堆，或Belton的“叠煎饼”？抑或是上述这些模型的某种组合，甚至某种完全不同的东西？倘若能回答这个问题，我们就可以知道“脏雪球”是如何在原行星盘的外围区域聚集生成的。

雷达层析摄像使我们有可能解析彗星的内部结构，在此类观测中，长波段的无线电波可以穿过彗核，被另一侧的探测元件接收。按计划，第一个此类实验将在Churyumov-Gerasimenko彗星上开展。如果一切顺利，ESA的“罗塞塔”空间探测器的着陆器将会把一部无线电应答器送往那里，这部应答器的无线电信号将穿透彗核，被空中的轨道器检测到。这次观测是一项前所未有的尝试，它将为彗星研究开辟一条充满诱惑的全新之路。

ISON彗星将会告诉我们什么？

长周期的ISON彗星将与太阳擦身而过，它正在飞向距离太阳中心0.0125天文单位（仅为太阳半径的2.7倍）的近日点。如果这颗彗核能够侥幸逃脱与太阳密近遭遇时的毁灭结局，太阳的炽烈热量将会导演一场壮观的天象，只不过需要一些专门设备才能看到这精彩一幕。大部分掠日彗星都无法在通过近日点后幸存，因为它们的直径仅有数十米。ISON彗星的彗核直径据估计约有2至3公里，这大大提高了它的生还概率。行星科学家们将密切关注ISON彗核在日冕内层的严酷环境下的表现。即使这颗彗核没有被彻底蒸发，也很可能由于太阳所施加的强大引力而分裂或瓦解。在计算彗核的内部强度时，对于碎片的细致观测将非常有用。