古人眼中的掃把星 空間物理學家的寶貝
身邊的天文學
李會超
在絢爛的夜空中，有時會看到拖著長尾巴的不速之客，這就是彗星。因為有些彗星的尾部看起來好像是一把倒掛著的掃把，在我國彗星也被形象地稱為「掃把星」。它的出現在古代往往被視作不祥之兆。葡萄牙國王阿方索六世在1664年看見彗星時，因為對彗星的厭惡和恐懼，竟然掏出手槍向彗星射擊。隨著天文學的發展，人們對彗星的了解越來越深入。這種在太陽系中來往穿梭的天體，不但可能為生命的產生提供了最初的溫床，還給空間物理學家們提供了研究太陽風和太陽磁場的天然探測器。
遙遠的來客
除了一小部分軌道為拋物線或雙曲線的彗星外，大部分彗星的軌道都是橢圓形。和其他天體一樣，彗星也具有在軌道上往複運動的周期，但這個周期一般較長。我們熟知的哈雷彗星，其軌道周期在75年左右，一個人一生中鮮有機會目睹兩次哈雷彗星。軌道周期短於200年的彗星，被稱為短周期彗星。它們一般被認為來自於海王星軌道外、從約30天文單位（AU，1天文單位約為1.5×108公里）延伸到55AU的柯伊伯帶。在那裡，大量由冷凍的揮發成分，如甲烷、氨、水等物質組成的天體，被太陽的引力束縛在黃道平面上下10度的範圍內。
軌道周期長於200年的彗星，被稱作長周期慧星。在上世紀中葉，荷蘭天文學家奧爾特注意到，多數長周期彗星的軌道的遠日點位於約20000AU處。和短周期彗星的軌道大部分處在黃道面附近不同，長周期彗星造訪太陽附近時，可以來自各個方向。因此，奧爾特推論在距離太陽20000AU左右的距離上，應該有一個各向均勻分布的球形雲團，長周期彗星的發源地就在那裡。
生命的溫床
上世紀中葉，美國天文學家普惠爾提出了著名的「臟雪球」模型，認為彗星的內核是由含冰的凝聚物構成的。隨著對彗星觀測的深入，天文學家們發現「臟雪球」的描述基本正確，但彗星內核的成分遠不止冰，還有岩石和凍結的二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨等。此外，彗星內核還包含有各種各樣的有機物，包括甲醇、甲醛、乙醇、乙醛等。蛋白質和DNA是構成生命的基本物質，這些具有複雜結構的大分子物質，實際是由氨基酸、腺嘌呤、鳥嘌呤等小分子物質構成的。1999年，NASA發射了「星塵號」探測器，飛往維爾特二號彗星。科學家們分析星塵號不遠萬裡帶回的約100萬彗星及星際塵埃粒子樣本後，驚奇地發現了一種重要的氨基酸——甘氨酸，從而為生命起源的研究提供了證據。
2014年10月和2015年8月，歐空局的羅塞塔號探測器兩次在丘留莫夫－格拉西緬科彗星上發現了甘氨酸的痕迹。此外，還發現了甲胺和乙胺這兩種有機分子。甲胺和乙胺是合成甘氨酸的前身物質，因此羅塞塔號的發現也給了科學家們研究彗星上甘氨酸形成過程的機會。由於在彗星上探測到的水在同位素構成比例上與地球上的水存在明顯差異，羅塞塔號還證實地球上的水可能並不像一些科學家設想的那樣，是由彗星帶到地球上的。
如果彗星是孕育生命的溫床，那麼這些形成生命的初始物質又是怎樣來到地球上的呢？NASA戈達德天體生物學分析實驗室的科學家們通過對隕石的研究給出了可能的答案。通過分析12塊可能來自彗星的隕石，科學家們在其中發現了構成DNA的基本物質——腺嘌呤和鳥嘌呤。隕石墜落到地球後，難免受到地球上物質的污染，而科學家們發現隕石附近的土壤和冰中並沒有與隕石上探明的嘌呤物質相似的物質。聯繫其他生物學上的證據，科學家們確認隕石中的生命物質的確來自太空。
太陽風的探針
上世紀中葉，天文學家路德維希·比爾曼注意到了彗星的另一個有趣現象。他發現，當彗星在太空中穿行時，會出現兩個指向不同的尾巴。其中一個慧尾總指向背離太陽的方向。比爾曼推測，在太空中應該存在一些流動的物質，吹拂著彗星，形成了這個特別的慧尾。後來，天體物理學家尤金·帕克根據比爾曼的觀測，提出來著名的帕克太陽風模型，指出吹拂彗星尾巴的是由膨脹的太陽大氣所形成的太陽風。由等離子體組成的太陽風，在接近太陽表面的日冕中被加速和加熱後，裹挾著太陽磁場向行星際空間噴薄而去。由電離氣體組成的氣體彗尾正是在太陽風等離子體和磁場的作用下，才始終指向遠離太陽的方向。而由塵埃噴流形成的塵埃慧尾，則總會因彗星的運動而被拖拽在彗星谷軌道的後方。
隨著航天技術的發展，人們早已證實了太陽風的存在，並對日冕中的磁場結構和太陽風加熱加速過程有所了解。然而，觀測技術的限制使得科學家們難以確切地搞清緊挨太陽表面的低層日冕中的物理過程。2011年，兩顆經過太陽附近的彗星再次給了空間物理學家們新的發現。2011年6月，C/2011 N3彗星在飛掠太陽附近時沒有經受住太陽的炙烤，在太陽附近解體。美國的太陽動力學觀測台（SDO）的遙感觀測表明，彗星在被消融後，幾分鐘就被太陽大氣加熱到了50萬度以上。彗星消融後的物質，很有可能隨著太陽風被吹拂到行星際空間中。由於彗星的化學成分和太陽大氣本身有著一些差別，彗星的物質可以充當「示蹤粒子」。當這些示蹤粒子在行星際空間中被探測到後，科學家們可以結合行星際空間探測和日冕遙感觀測，對太陽風的加熱過程作更深入的研究。
與C/2011 N3相比，C/2011 W3彗星則要幸運很多。2011年12月它飛掠太陽時，距太陽表面最近僅14萬公里，但仍倖存了下來。目前，科學家可以通過磁場的塞曼效應，通過遙感觀測推斷出太陽表面的光球上的磁場分布情況。然而，對於太陽表面附近的日冕磁場，則沒有很好的探測方式，只能通過模型計算得到。C/2011 W3氣體彗尾在太陽附近的擺動，剛好給了研究者們測量日冕磁場的機會。
（作者系中科院空間科學中心博士生）
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