「死裡逃生」的彗星41P

最新 01-21

2017年4月1日，彗星41P/Tuttle–Giacobini–Kresák最近飛掠地球，兩者最近時只有0.142 AU（約2100萬公里）。在這一期間，科學家們觀測到了史上最劇烈的自轉速率變化：它的自轉周期在兩個月內從20個小時迅速增長為46個小時。

到底發生了什麼？2018年1月11日的《自然》雜誌介紹了這顆彗星的傳奇。

1、關於彗星41P/Tuttle–Giacobini–Kresák

彗星41P/Tuttle–Giacobini–Kresák是一顆木星族彗星，彗核半徑約0.7-1.0 km (Lamy et al., 2004)，周期5.43年，名字里的P代表周期性彗星（periodic comet）。

1858年5月3日，美國天文學家賀拉斯·帕內爾·塔特爾（Horace ParnellTuttle）首次觀測到了這顆彗星，此後，法國天文學家MichelGiacobini和斯洛伐克天文學家?uborKresák又分別於1907和1951年各自觀測到了這顆彗星——彗星41P/Tuttle–Giacobini–Kresák以這三位天文學家的姓氏而得名。

彗星41P的軌道。 Credit: JPL Small-Body Database Browser/Bob Trembley

什麼是木星族彗星？

太陽系內的彗星有兩大來源：短周期彗星（周期小於200年）主要來自位於海王星以外的柯伊伯帶離散盤（冥王星就是柯伊伯帶中的一顆矮行星），離散盤平鋪在黃道面上，其內側和柯伊伯帶有相交；長周期彗星主要來自遙遠的奧爾特雲，由盤狀內層和球狀外層兩部分組成。

木星族彗星是來自柯伊伯帶離散盤，並被木星的引力束縛住的一類彗星，這類彗星通常周期較短（20年以內）。

小行星帶(Asteroid belt)、柯伊伯帶離散盤(Kuiper belt and scattered disk)和奧爾特雲(Oort cloud)位置關係，沒有按照比例(Stern, Nature, 2003)

2、彗星之所以為彗星？

彗星本質上是一團岩石、塵埃和揮發性物質（比如水冰）的混合物，通俗來說可以理解為一個「臟雪球」，這個部分叫做「彗核」。因為彗星軌道的偏心率往往比較大（也就是軌道非常扁），所以大部分情況下彗星離太陽都非常遠，這些時候彗星就只有彗核，遠遠看起來和小行星應該差不多。

Fred Whipple博士在哈佛課堂上用一個真的臟雪球來類比彗星的彗核。 Credit: Jonathan Blair/Corbis

因此理論上來說，彗星和小行星的組成成分是有差異的，含有大量冰的彗星總體上會比同等大小的小行星密度低，但問題是對這麼小的小天體（直徑數百米到數十公里），幾乎所有的觀測都是非常粗略的，質量和體積的精確測量都很困難的，更別提密度了。所以實際觀測中，我們是很難通過密度來判斷一顆小天體到底是彗星還是小行星的。

但彗星的高揮發組成使它有一個重要特徵：一旦當彗星運行到離太陽很近的地方的時候，揮發性物質因為受熱紛紛開始揮發，就會形成一層稀薄的大氣層（彗發），並因為劇烈的排氣作用形成長長的尾巴（彗尾）。在近日點附近有明顯彗尾，是我們判斷一顆小天體是否是彗星的標準。

彗星到了近日點附近會形成長長的「尾巴」。來源：ESA

3、彗星41P的自轉周期是怎麼測的？

文章採用了三組獨立的觀測來計算彗星41P在2017年3-5月期間的自轉周期：

1）通過觀測彗發中噴出的氰氣流位置的周期性變化，用的是羅威爾天文台4.3米口徑的探索頻道望遠鏡(Discovery Channel Telescope, DCT)。1986年哈雷彗星回歸時，科學家們在它的彗發中觀測到了氰氣(A"Hearn et al., Nature, 1986) 並用來輔助測量哈雷彗星的自轉周期(Millis and Schleicher, Nature, 1986)，此後，氰氣由於其高熒光效率，成為彗星自轉周期測量的重要手段之一。

觀測結果顯示：2017年3月6-9日，彗星41P的自轉周期為19.75–20.05個小時。

J1和J2是彗星41P的兩條噴出的氰氣流，左上角的小數代表自轉軸轉過角度和360°的比值。對比0.87和0.88兩張中J1和J2的相對位置可以看到，J1和J2在差不多20個小時之後剛好轉了一圈。白色條帶是背景中的恆星。(Bodewits et al., Nature, 2018 Fig. 1)

2）3月26-27日，還是通過類似的方法，用羅威爾天文台31英寸反射望遠鏡又觀測了一次，自轉周期變為約27個小時。自轉周期變長的趨勢已初現端倪。

3）通過觀測彗星光變曲線的周期性變化，用的是斯威夫特紫外-可見光望遠鏡(UVOT)測光系統。小天體（小行星和彗星）的形狀通常是非常不規則的，所以自轉過程中被光照到的表面積會不斷變化，表面積大的面比表面積小的面更亮，通過亮度的周期性變化可以計算小天體的自轉周期（當然也可以用來計算每個面的長寬比，也就是形狀）。

觀測結果顯示：2017年5月7-10日，彗星41P的自轉周期為46-60個小時，均值為53個小時。誤差範圍有點大是因為彗星同時還在不斷遠離太陽，整體的光度在變暗，因此會造成一些偏差。

彗星41P在5月7-10日的光變曲線，可以看到大約53個小時光變曲線會重複一次。(Bodewits et al., Nature, 2018 Fig. 2)

一顆狀態穩定的小行星或者彗星，應當有比較固定的自轉周期，但自轉周期發生變化這種事也是觀測到過的，彗星41P是目前為止第8個被觀測到自轉周期發生過變化的彗星，從這個角度來說，並不特別罕見。

目前為止觀測到的自轉周期（P）發生過變化的彗星，P為正數表示變長，負數表示變短。(Bodewits et al., Nature, 2018 Table S3)

但之前自轉周期變化最劇烈的彗星103P/Hartley 2，也只是在三個月內從17個小時變為19個小時而已。

而彗星41P從2017年3月6-9日到5月7-10日的短短兩個月里，自轉周期從20個小時持續增長為46-60個小時，平均每天增加了0.40–0.67個小時！而且46個小時的自轉周期已經近乎所有觀測到的彗星周期中最長的了。

4、發生了什麼？

對於彗星和小行星這種小天體，很多外界因素可能會讓它們變得不穩定，比如其他天體的引力或者撞擊，但對彗星來說，最常見的原因還是彗星在近日點附近的排氣作用。再加上彗星41P的體積又那麼小（小於70-90%的木星族彗星）——這意味著它的運動狀態很容易受到排氣作用的影響。

科學家們首先就核對了彗星41P近三次回歸時觀測到的水分子產出率：

2001年的最大產出率是分子每秒；

2006年的最大產出率是分子每秒；

2011年的回歸沒有被觀測到；

2017年，斯威夫特望遠鏡的觀測結果顯示這次的水分子產出率和2006年相當。

這麼大的排氣量對於這麼小的彗星41P來說，相當於表面超過50%的區域都是非常活躍地在噴出氣體，而大多數彗星在近日點附近時的活躍區域只有不到3%。

很顯然，巨大的排氣量是其中一個原因。

但隨後，科學家們又核對了另一顆發生過明顯周期變化的彗星103P/Hartley 2，發現事情並沒有這麼簡單。

2010年，彗星103P/Hartley 2回歸期間，初始周期為16.5個小時，觀測到的最大水分子產出率是彗星41P這次的三倍，但彗星103P/Hartley 2比彗星41P還要小……在這麼極端的情況下，彗星103P/Hartley 2的自轉周期也只增長了2個小時而已……這這這這不對啊！

於是進一步想到的可能性是：不僅是排氣量的問題，排氣方式也不一樣。

如果彗星41P表面（離自轉軸較遠的地方）有一處非常活躍的區域在近日點附近集中猛烈地排出大量氣體，那麼可能會產生一個和自轉方向相反的凈扭矩，一口氣把彗星的自轉給拖慢了。

如果這一猜想是真的，那麼就意味著彗星41P每次回歸的時候，這塊活躍區域都會「蘇醒」，所以每回歸一次它的自傳周期都會延長——照這個速度推算，在不久的將來，這顆彗星的自轉周期可能會長達100個小時！如此緩慢的自轉，將使得彗星無法保持穩定，自轉軸可能會發生劇烈變化，自轉速率可能會再次加快，直到彗星不斷調整自身再次達到一個穩定狀態。

可是為什麼會突然出現了一個非常活躍的區域呢？

因為這顆彗星可能曾經歷過瀕死的狀態。

既然彗星41P正在越轉越慢，那麼很顯然它曾經轉得很快過——轉得越快，就意味著越容易因為離心作用而分崩離析。按照目前的變化速率向過去回溯，它在2006年之前的自轉周期只有5個小時——這已經是彗星41P瀕臨崩潰的臨界點了。

在那之前的彗星41P經歷了什麼？

可以想像，幾十年前的彗星41P很可能因為轉得太快而經歷過大範圍的崩塌：鋪天蓋地的排氣作用和滑坡，塵埃和石塊都在簌簌地剝落散逸……在這一片混亂之中，一塊充滿揮發性物質的區域幸運地暴露出了表面。

正是這塊活躍的區域拯救了這顆瀕死的彗星，它用一己之力生生把彗星41P的自轉給拖慢了……

一切又恢復了寧靜，彗星41P獲得了暫時的安全。

2017年的我們還能再次見到彗星41P的回歸，說不定就是因為這顆遙遠的彗星上幾十年前的那次僥倖呢。