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彗尾

彗尾(huìwěi) 一颗彗星的明亮的尾部延伸部分,可以是彗头的扩展或者具有某种结构,因而能与彗头有所区别;彗尾主要由气体和尘埃组成。 除了离太阳很远时以外,彗星的长长的明亮稀疏的彗尾,在给人们这样的印象,即认为彗星很靠近地球,甚至就在我们的大气范围之内。1577年第谷指出当从地球上不同地点观察时,彗星并没有显出方位不同:因此他正确地得出它们必定很远的结论。彗星属于太阳系小天体。

当彗星逐渐接近太阳时,冷冻的表面开始蒸发,形成一个巨大的彗头或彗发。彗星在环绕太阳时,太阳风迫使气体和被蒸汽吹走的尘埃粒子形成两条彗尾。太阳风的平均速度是每秒300500千米,对彗星造成一强大的推斥力,因而造成了彗尾的高加速度。太阳辐射及太阳风就是促成彗尾形成的两股原动力,故此彗尾要接近太阳时才出现且太阳愈壮观,但却永远背向太阳。尘埃彗尾随着彗星轨道略呈弯曲,为黄色,它是由太阳辐射的斥力产生的;气体彗尾是笔直的,呈蓝色,它是被太阳风的荷电粒子往后推出的,可长达1亿公里或更长。当彗星远离太阳而去时,彗尾又开始缩短。彗星通过火星时,它的彗尾便开始逐渐形成。接近太阳时,彗星所产生的气体最多,彗尾也最长。

最耀眼的彗星莫过于鹿林彗星,因为它来自太阳系外围的欧特云(Oort cloud)(注),若轨道呈双曲线,这会是它唯一一次造访太阳系内部;而且相较于其它来自欧特云的彗星,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 万公里),使得不少天文专家日以继夜守着它,也捕捉到难得一见的彗尾断裂、长时间“反向”彗尾等景象。

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。“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,大小约数公里。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,形成直径约数十万公里的球形“彗发”。当彗星继续靠近太阳,就会出现长达数千万至数亿公里的“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,使得磁力线往背离太阳的方向,并且绕着彗星弯曲。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往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尾断裂的情形,正是在非常靠近太阳时发生的。

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(CO+),其它尚有 H+、C+、 N2+、 Ca+、 CH+、 CN+、CH3OH2+、OH+、 H2O+ 等,但由于蓝光偏多,以致不易察觉出别的颜色。鹿林彗星的离子尾呈绿色,经光谱分析发现,是双原子碳(C2)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。根据克卜勒行星运动定律,根据克卜勒行星运动定律,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,以致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,尘埃尾的尾巴也是往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。

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;而藉由彗尾研究彗星的结构、化学成份等,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,甚至可以反应欧特云天体的特性,因此它的造访可说意义非凡。

注:彗星的所在主要分布在两个区域,短周期彗星(约 200 年以下)是在海王星轨道之外的“古柏带” (Kuiper belt);而长周期、轨道呈双曲线或抛物线的彗星,则分布在太阳系外围,距离太阳可达 10 万天文单位的欧特云区,鹿林彗星就是其中一个。

难以预测的彗星

鹿林彗星在最接近地球,原本预估观测亮度可能达四、五等(星等数字越小表示越亮,人类肉眼可见极限约六等),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。“中央大学”天文研究所教授陈文屏表示,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到太阳附近时,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它天体干扰,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,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微改变。从 2007 年 7 月累积至 2009 年 2 月的轨迹点,推算其轨道显示它可能是周期长约 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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