五萬年一遇的彗星重現(xiàn)，這顆彗星為何看起來是綠色的?

出品：科普中國

作者：楊溢（中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

2022 年 3 月 2 日，天文學(xué)家 Frank Masci 和 Bryce Bolin 在位于美國南加州的帕洛馬天文臺（Palomar Observatory）使用茲維基瞬變設(shè)施（ZTF），發(fā)現(xiàn)了一個(gè)他們最初認(rèn)為是小行星的天體。隨后的觀察表明，這是一顆彗核直徑1-1.6千米的彗星。當(dāng)時(shí)這顆彗星距離太陽約6.43 億千米，位于木星的軌道附近。

那時(shí)發(fā)現(xiàn)的這顆彗星，我們起名為C/2022 E3。它是目前2023年預(yù)報(bào)亮度最亮的彗星，2月1-2日是北半球最適合觀測的時(shí)間段；南半球則要等到2月3日以后才逐漸可見，而受滿月影響，2月9-15日期間才適合南半球觀察。實(shí)際上，這顆彗星，早在五萬年前就曾經(jīng)路過地球方便觀測的軌道。這次邂逅，倒像是一次浪漫的重逢。

這顆彗星好定位，就是不夠亮

我們提到過，到目前為止，這是2023年預(yù)報(bào)亮度最亮的彗星。早在2022年11月3日，觀測到C/2022 E3的亮度為10.2等，比當(dāng)時(shí)預(yù)報(bào)亮度高了近1等。

2023年1月12日，彗星經(jīng)過近日點(diǎn)，近日距1.11天文單位（天文單位簡稱AU， 是根據(jù)地球到太陽平均距離規(guī)定，為149597870700米）；2月2日過近地點(diǎn)，近地距只有0.28天文單位（約4189萬千米）。彗星經(jīng)過近日點(diǎn)后由于距離地球較近，亮度迅速上升。

隨著這顆彗星離地球越來越近，越來越亮，我們將更容易觀測到它。1月初的預(yù)報(bào)亮度為8等，到月底增亮到接近5等，是觀測拍攝的有利時(shí)機(jī)。

1月里，這顆彗星從北冕座經(jīng)過牧夫座、天龍座、小熊座運(yùn)行到鹿豹座，運(yùn)行速度很快，到1月底，由于彗星已經(jīng)移動(dòng)到北天極附近，北京時(shí)間1月28日-2月4日間彗星亮度會(huì)在5等左右，其中1月30日距離北天極只有10度，彗星位于北極星正上方，容易尋找；北京時(shí)間2月2日彗星運(yùn)行至近地點(diǎn)，2月1-2日是北半球最適合觀測的時(shí)間段；南半球則要等到2月3日以后才逐漸可見，而受滿月影響，2月9-15日期間才適合南半球觀察，其中2月11日，當(dāng)時(shí)視星等6.5的彗星會(huì)經(jīng)過視星等為0等的火星附近。

圖1 北京時(shí)間 1月28日-2月4日間彗星行跡，根據(jù)Stellarium軟件測算。

（圖片來源：作者自制）

從前面的描述來看，好像彗星越亮，就更易觀測。那么既然這顆彗星是2023年預(yù)報(bào)最亮的彗星，想必觀測起來一定很容易吧？

實(shí)則不然。上面提到了彗星及其周邊天體的視星等，而視星等是觀察所見天體亮度的標(biāo)尺，其數(shù)值每增加5，亮度減弱為原數(shù)值對應(yīng)亮度的百分之一，規(guī)定在地球上觀察到的織女星亮度為0等。

也就是說，視星等數(shù)值越大，觀察到的天體越顯黯淡。星等的概念最早由古希臘天文學(xué)家依巴谷提出，當(dāng)時(shí)人眼可觀察最暗的天體約為6等，如果用普通的雙筒望遠(yuǎn)鏡觀察，則可以觀察到9-10等星。

圖2 北京時(shí)間 1月30日，手機(jī)實(shí)拍彗星，曝光約30秒才勉強(qiáng)可見。

（圖片來源：作者自制）

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，即使擁有了望遠(yuǎn)鏡、長曝光相機(jī)等輔助工具，也必須在晴朗夜空，光污染較弱，沒有霧霾的區(qū)域才容易觀測到這顆彗星。對于黯淡的天體，要獲得優(yōu)良的拍攝效果，除了望遠(yuǎn)鏡、長曝光相機(jī)等輔助工具，還需要配備赤道儀來追蹤目標(biāo)，克服地球自轉(zhuǎn)影響。

圖3 1965年回歸的池谷-關(guān)彗星（-10等）白天也清晰可見。

（圖片來源：日本國家天文臺）

相比于上世紀(jì)的一些明亮彗星，如1997年回歸的海爾-波普彗星（-1.8等），1996年回歸的百武彗星（-0.3等），1965年回歸的池谷-關(guān)彗星（-10等，白天也清晰可見），1910年4月20日回歸的哈雷彗星（-3.3等，白天也清晰可見），C/2022 E3這顆2023年1月下旬至2月上旬達(dá)到最亮，最亮?xí)r才約5等的C/2022 E3彗星就遜色多了。

災(zāi)禍預(yù)兆？大氣燃燒？古代對彗星的誤解

我國有著悠久的觀測彗星的歷史，同時(shí)也擁有世界上最早關(guān)于彗星周期回歸的觀察記錄。

中國古代稱彗星為“孛星”“掃星”等。《春秋》（公元前613年）《晉書·天文志》記載 “所謂掃星。本類星，末類彗，小者數(shù)寸，長或竟天。見則兵起，大水。主掃除，除舊布新。有五色，各依五行本精所主。史臣案，彗體無光，傅日而為光，故夕見則東指，晨見則西指。在日南北皆隨日光而指，頓挫其芒，或長或短?！睖?zhǔn)確地描述了彗星的形態(tài)。

但是，古代人常認(rèn)為彗星出現(xiàn)會(huì)招致厄運(yùn)，直至1910年哈雷彗星回歸時(shí)仍有“彗星東南現(xiàn)，大清兩年半”的傳言。當(dāng)時(shí)正值清末，依然有很多人認(rèn)為彗星招致災(zāi)厄。這是一種迷信思想，是完全沒有根據(jù)的認(rèn)識。古代的歐洲受亞里士多德等學(xué)者觀點(diǎn)的影響，樸素地認(rèn)為彗星是高空大氣燃燒產(chǎn)生的，也是囿于觀測手段粗糙的局限認(rèn)識。

彗星的成分與結(jié)構(gòu)

彗星包括彗核，彗發(fā)，彗尾三個(gè)主要部分。

（圖片來源：Veer圖庫）

1.彗核雖小，濃縮了彗星的物質(zhì)精華。

彗核體積一般與太陽系內(nèi)的行星、矮行星比較起來，一般偏小，直徑一般為百米至十千米數(shù)量級。已知最大的彗核直徑不超過160千米。彗核一般占彗星整體質(zhì)量99%以上。

彗核可能是“隕冰”的來源之一。Whipple（1950）提出的彗核的臟雪球模型，形象生動(dòng)地反映了彗星的主要成分是多孔狀的固態(tài)水冰，二氧化碳，一氧化碳，氨，甲烷、氰化氫混合物，以及包含少量微米級到毫米級，灰塵狀的固體硅酸鹽、硫化物礦物。可見，彗核來源的隕冰很可能是有劇毒的，不能當(dāng)作一些古代迷信說法認(rèn)為的“靈丹妙藥”。

彗核的顏色并不是單一的，而是多種多樣。有些彗星因?yàn)楸砻嫠患?，呈現(xiàn)灰白色；有些彗星因?yàn)楸砻娓患假|(zhì)、碳?xì)浠?，所以呈現(xiàn)黑色；一些長周期或非周期彗星可能還包含土狀固態(tài)的甲烷、乙烷或者甲烷水合物，在陽光的照射下呈現(xiàn)紅色。

這種呈現(xiàn)紅色的土狀物質(zhì)還有自己的名字，它們被稱作索林土（tholin）?？乱敛↘uiper，1951）認(rèn)為，構(gòu)成索林土的這些成分只有在外太陽系的寒冷條件下，才能聚集形成。除了彗星，在一些冰衛(wèi)星、半人馬小行星、距太陽遠(yuǎn)于30天文單位的矮行星等天體上也可以見到，例如在冥王星、海衛(wèi)一、土衛(wèi)六上就有紅色的索林土構(gòu)成的地貌。

后來在海王星軌道以外的區(qū)域陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)主要成分包括水冰、固態(tài)甲烷、氨冰、氮冰、固態(tài)氰化物的天體，這個(gè)富集冰質(zhì)天體的區(qū)域就稱為柯伊伯帶（Kuiper Belt）。科學(xué)家們也通過分析成分的相似性和軌道的幾何關(guān)系，印證了多數(shù)彗星的老家是柯伊伯帶和奧爾特云。

2.彗發(fā)，為彗星添點(diǎn)色彩。

天文愛好者們拍攝的諸多照片中，C/2022 E3這顆彗星呈現(xiàn)鮮明的綠色。然而它的彗核本身并不是綠色的，也不會(huì)憑空發(fā)出足夠強(qiáng)的綠光。

那綠光從何而來呢？這顆“綠色彗星”彗核前端外圍的綠色光暈，就是彗發(fā)。類似地，2017年4月1日，彗星41P飛掠近地點(diǎn)，最近時(shí)只有0.142 AU，這次彗星回歸同樣可以觀察到綠色彗發(fā)。

彗發(fā)的綠色光來源于紫外光照射之下，C2分子被電離后在可見光波段的發(fā)射光譜。成因是太陽的光照、熱輻射、太陽風(fēng)的作用導(dǎo)致部分固體彗核上的混合物質(zhì)經(jīng)歷升華或蒸發(fā)，再化學(xué)分解產(chǎn)生C2分子，C2分子進(jìn)一步被電離，在紫外光的照射下被激發(fā)出藍(lán)綠色熒光，從而在彗核的運(yùn)動(dòng)方向前端周圍形成球殼狀的綠色彗發(fā)。不過這種過程主要局限于彗核運(yùn)動(dòng)方向前端周圍，在到達(dá)彗尾之前就消失了。

此外還需要補(bǔ)充一點(diǎn)，在彗核距太陽約一個(gè)天文單位的位置，彗發(fā)的直徑大約為10萬千米的數(shù)量級，此時(shí)形成彗發(fā)的氣體在彗核表面快速噴發(fā)，相對彗核運(yùn)動(dòng)速率平均約為0.5千米每秒。如果彗核遠(yuǎn)離太陽，則彗發(fā)的直徑傾向于減小，反之則增大。

3.彗尾，尺寸很大濃度很低。

彗尾是太陽光、熱、太陽風(fēng)粒子作用于彗核、彗發(fā)時(shí)，常見于彗核運(yùn)動(dòng)方向后端的稀薄氣體、塵埃、等離子體羽流，一般只有在近日點(diǎn)附近時(shí)才出現(xiàn)。與彗發(fā)類似的是，彗尾的尺寸與彗核-太陽距離也有近大遠(yuǎn)小的趨勢。

彗尾雖然物質(zhì)稀薄，但其寬數(shù)千至上萬千米，長可達(dá)數(shù)億千米，包括等離子體彗尾和塵埃彗尾。其中等離子體彗尾呈平行于背向太陽光的方向的射線分布，一般呈現(xiàn)藍(lán)色調(diào)；塵埃彗尾多呈現(xiàn)黃色、橙紅色，一般背向彗核運(yùn)動(dòng)方向，由直徑約幾微米到幾毫米的塵埃組成，其礦物成分近似于太陽系未經(jīng)變質(zhì)、分異的原始物質(zhì)——球粒隕石。

圖6 海爾-波普彗星的彗尾示意圖

（圖片來源：https://www.wikiwand.com/en/Comet飽和度、對比度有調(diào)整）

部分彗星（例如前述“海爾-波普彗星”）具有含中性鈉原子的“鈉彗尾”，一般肉眼不可見，只能用光譜儀器或探測器識別。其形成機(jī)制至今有爭議，有些學(xué)者認(rèn)為是光化學(xué)分解，有些學(xué)者認(rèn)為是彗星塵埃互相摩擦撞擊的瞬時(shí)高溫導(dǎo)致鈉鹽的蒸發(fā)。

彗尾曾引起的“末日論”騷動(dòng)

1910年哈雷彗星即將回歸時(shí)，法國科學(xué)家弗拉馬里昂與美國葉凱士天文臺的科研人員等人在先針對其彗尾的光譜學(xué)觀測，認(rèn)為彗尾包含氰氣、氰化氫、一氧化碳等劇毒氣體。

這一結(jié)論在當(dāng)時(shí)引起了騷動(dòng)，有相當(dāng)多的人認(rèn)為此次彗星回歸將給地球大氣層帶來大量劇毒氣體。一時(shí)間防毒面具、解毒藥丸成為了搶手貨，甚至有一些迷信團(tuán)體趁機(jī)推出“彗星末日論”，或者推銷“解毒巫術(shù)”、“解毒護(hù)身符”，借此機(jī)會(huì)大發(fā)其財(cái)。

然而等到哈雷彗星如約而至，先前預(yù)言的“劇毒之災(zāi)”并沒有出現(xiàn)——這是因?yàn)殄缥参镔|(zhì)極稀薄，這與上述可占彗星整體質(zhì)量99%以上的彗核不同，彗核的氰化物“濃縮就是精華”。而光譜學(xué)觀測靈敏度較高，即使彗尾含有達(dá)不到廣泛毒害地球生物的濃度的劇毒氣體，也可以被觀測到。

實(shí)際上，雖然有的彗星含有比例可觀的劇毒物質(zhì)，它們的彗核直徑一般有幾千米，構(gòu)成整個(gè)彗尾氣體、塵埃物質(zhì)的量之和約為千萬摩爾數(shù)量級，其中有毒的揮發(fā)分摩爾百分比最高約15%（主要包括氰化氫、氰氣、一氧化碳），但是因?yàn)樘盏母哒婵斩龋渲袣怏w會(huì)快速逸散，導(dǎo)致整個(gè)彗尾有毒氣體濃度平均值最高僅有約2×10-11mol/m3。

而氰化氫對人有毒的最低濃度約是10-7mol/m3數(shù)量級，這是彗尾有毒氣體濃度的近五千倍——也就是說，彗尾有毒氣體濃度僅為對人有害濃度的五千分之一甚至更低。所以，在地球上觀看彗星時(shí)，只要彗星與地球不相撞，就不必?fù)?dān)心中毒（不過真要是彗星撞上地球，擔(dān)心的可能就不是中毒的問題了）。

結(jié)語

隨著人類科學(xué)水平的進(jìn)步，關(guān)于彗星的許多謠言已經(jīng)識破，我們也漸漸揭開自然真相的面紗。再次見到這顆五萬年前與地球已經(jīng)打過照面的彗星，現(xiàn)在的我們就有條件能夠用現(xiàn)代科學(xué)的方法來認(rèn)識浪漫的星空。

編輯：郭雅欣

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