彗星尾巴在太陽風中飄動

在華盛頓的海軍研究實驗室，工程師和科學家們聚集在操作室內的一個屏幕前美國國家航空和宇宙航行局(NASA)的立體宇宙飛船提供的第一批數據，讓他們迫不及待地想要一探究竟。那是2007年1月，幾個月前發射的兩顆立體衛星——太陽和地球關係天文台的簡稱——第一次打開了儀器的眼睛。首先:STEREO-B。屏幕閃爍著，但他們預期的不是巨大的星際空間，而是一種珍珠般的白色、羽毛般的污跡——就像天使的翅膀——充滿了畫面。NRL天體物理學家Karl Battams在恐慌的幾分鐘里擔心望遠鏡出了問題。然後，他意識到這個明亮的物體不是一個缺陷，而是一個幽靈，這是麥克諾特彗星的第一張衛星圖像。那天晚些時候，STEREO-A會返回類似的觀察結果。

C/2006 P1彗星——也被稱為麥克諾特彗星，以天文學家羅伯特·麥克諾特的名字命名，他於2006年8月發現了這顆彗星——是過去50年來地球上可見的最明亮的彗星之一。2007年1月，這顆彗星橫越南半球的天空，明亮得肉眼甚至在白天都能看到。麥克諾特屬於一組罕見的彗星，被稱為「偉大的彗星」，以其非凡的亮度著稱。然而，麥克諾特與其他彗星的區別更大的是它高度結構化的尾巴，它由許多不同的塵埃帶組成，稱為條紋，或條紋，在彗星後面延伸超過1億英里，比地球和太陽之間的距離還要長。一個月後，即2007年2月，歐洲航天局(ESA)和美國國家航空航天局(NASA)的飛船尤利西斯號(Ulysses)遭遇了彗星的長尾。

科學家不知道尾巴是如何以這種方式分裂的。它喚起了人們對另一顆歷史悠久的彗星的回憶:1744年的大彗星，據說它在地平線上戲劇性地呈六尾扇形展開，天文學家當時無法解釋這一現象。通過解開麥克諾特的尾巴之謎，科學家們希望能對彗星的性質有新的了解——並將兩種宇宙奧秘結合在一起。

當然，研究1744年和2007年彗星的一個關鍵區別是，我們從太空來研究彗星的能力。除了「立體聲」的意外發現外，歐洲航天局/美國國家航空航天局(NASA)的SOHO衛星——太陽和日光層天文台——在麥克諾特飛越太陽時定期進行觀測。研究人員希望這些圖片能包含他們的答案。

幾年後的今天，奧利弗·普萊斯(Oliver Price)——英國倫敦大學學院(University College London)穆拉德空間科學實驗室(Mullard Space science Laboratory)的行星科學博士研究生——已經開發出一種新的圖像處理技術，可以通過豐富的數據進行挖掘。普賴斯的發現——在最近發表的一篇伊卡洛斯論文中進行了總結——提供了關於條紋形成的首次觀測，以及關於太陽對彗星塵埃影響的意外發現。

彗星是46億年前太陽系形成時留下的宇宙碎片，由凍結的氣體、岩石和塵埃組成，因此它們可能包含了太陽系早期歷史的重要線索。這些線索就像時間膠囊一樣被解開了，每次彗星的橢圓軌道接近太陽的時候。強烈的熱量使凍結的氣體蒸發並釋放其中的塵埃，這些塵埃在彗星後面流動，形成了兩個截然不同的尾巴:一個是由太陽風攜帶的離子尾巴——來自太陽的帶電粒子的持續流動——和一個塵埃尾巴。

了解塵埃在尾部的行為——它是如何破碎和聚集在一起的——可以讓科學家們了解數十億年前形成塵埃的小行星、衛星甚至行星的類似過程。作為近代史上最大、結構最複雜的彗星之一，麥克諾特是這類研究特別好的對象。它的亮度和高粉塵產量使它更容易解決細結構在其塵埃尾的演變。

普賴斯開始研究一些科學家無法解釋的問題。他說:「我的上司和我注意到這些條紋的圖像中出現了一些奇怪的現象，破壞了原本乾淨的線條。」「我開始調查是什麼造成了這種奇怪的效果。」

裂谷似乎位於日球電流片，這是帶電太陽風的磁化方向或極性改變方向的邊界。這讓科學家們感到困惑，因為雖然他們早就知道彗星的離子尾巴受到太陽風的影響，但他們以前從未見過太陽風衝擊塵埃尾巴。

科學家們認為，麥克諾特尾巴上的灰塵——大約相當於香煙煙霧的大小——太重了，無法讓太陽風四處推動。另一方面，離子尾巴上微小的帶電離子和電子很容易沿著太陽風航行。但是很難確切地說出麥克諾特的塵埃發生了什麼，以及在哪裡，因為彗星以大約每秒60英里的速度在立體聲和蘇豪區快速進出。

「我們用這顆彗星獲得了非常好的數據集，但它們來自不同航天器上的不同攝像機，都在不同的地方，」普萊斯說。「我一直在尋找一種方法，把所有的東西都整合到一起，以便對尾巴上發生的事情有一個完整的了解。」

他的解決方案是一種新穎的圖像處理技術,編譯所有的數據從不同的宇宙飛船使用模擬的尾巴,在每個微小的塵埃的位置映射由太陽條件和物理特性和它的大小和年齡,或者一直以來多長時間會飛的頭,或昏迷,彗星。最終的結果就是普賴斯所稱的時間圖，它可以從任何給定時刻拍攝的所有圖像中分層信息，使他能夠跟蹤塵埃的運動。

時間圖意味著價格可以隨著時間的推移觀察條紋的形成。他的視頻長達兩周，是第一個追蹤這些結構的形成和演化的視頻，展示了塵埃碎片是如何從彗星的頭部滑落，並坍縮成長長的條紋的。

但研究人員最興奮的發現是，普萊斯的地圖更容易解釋最初吸引他們注意數據的奇怪效應。事實上，當前的板塊是塵埃尾斷裂的罪魁禍首，粉碎了每個條紋的平滑、清晰的線條。在整整兩天的時間裡，彗星花了整整一天的時間穿過當前的板塊，每當塵埃遇到那裡不斷變化的磁場條件時，它就會被撞得偏離位置，就好像穿越了某個宇宙的減速帶。

倫敦大學學院的行星科學家Geraint Jones說:「這就像是條紋狀的羽毛在穿過當前的冰蓋時被弄皺了。」「如果你想像一隻翅膀上有很多羽毛，當翅膀穿過床單時，羽毛較輕的一端就會彎曲變形。」對我們來說，這是強有力的證據證明塵埃是帶電的，太陽風正在影響塵埃的運動。

科學家們早就知道太陽風會影響帶電的塵埃;像伽利略·卡西尼號和尤利西斯這樣的任務，觀察它在木星和土星附近的太空中移動帶電的塵埃。但讓他們驚訝的是，觀測到太陽風會影響到像麥克諾特尾巴上的那些更大的塵埃顆粒——大約是木星和土星周圍噴射出的塵埃顆粒的100倍——因為它們比太陽風要重得多。

通過這項研究，科學家們對長期存在的謎題有了新的見解。這項工作揭示了過去紋狀彗尾的性質，並為將來研究其他彗星提供了重要的視角。但它也引發了新的疑問:太陽在太陽系的形成和早期歷史中扮演了什麼角色?

「現在我們看到太陽風改變了麥克諾特尾巴上塵埃顆粒的位置，我們可以問:在太陽系的早期歷史中，太陽風是否也在古代塵埃的形成中起了作用?」瓊斯說。

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