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不只是災難掃把星,你不知道的彗星事

文/胡佳伶|任職於臺北市立天文科學教育館

1997年來訪的海爾波普彗星帶給大家許多驚喜。圖 / http://www.astropix.com/HTML/SHOWCASE/970401.HTM

1997 年來訪的海爾波普彗星帶給大家許多驚喜。圖 / http://www.astropix.com/HTML/SHOWCASE/970401.HTM

編按:新海誠的動畫電影《你的名字》中那顆關鍵的彗星,緊緊牽動著整部片的劇情發展。人類對於彗星的觀察與想像,很早就出現在中外古代的史書記載中,直到今天我們仍然對於這個拖著長長尾巴的星體有許多好奇。在這篇文章中,我們將從歷史、來源和結構帶你重新認識彗星。

大家常說天文愛好者有四個畢生一定得要看到的天文奇觀:日全食、流星雨、極光、大彗星,不知道您親眼目睹了幾個?

彗星的歷史

古時不論中外,彗星皆被當作不祥之物,認為它預兆著天災人禍,這從中國古代對彗星的其它稱呼:孛星、星孛、妖星、異星、蓬星、長星……便不難看出。中國對於彗星的歷史紀錄悠久而詳細,在《准南子.兵馬訓》一書中「武王伐紂……彗星出,而受成殷人以柄。」便記載著公元前十一世紀的一次彗星天象;《春秋》魯文公十四年「秋七月,有星孛入於北斗。」是有確切年代可考的最早記載,更是世界上關於哈雷彗星的最早史料(西元前 613 年);《晉書·天文志》「彗星所謂掃星,本類星,末類彗,小者數寸,長或經天。彗星本無光,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。」則是首次對彗星的性質、型態和彗尾的成因有了比較詳細且正確的描述。

古人對於彗星之戒慎,更可以從長沙馬王堆三號所出土的西漢古墓帛書看出,內有 29 幅各種彗星形態,記錄了古代所觀測到各種不同形狀的彗核與彗尾。

馬王堆帛書中的彗星臨摹圖。圖 / http://www.phys.ncku.edu.tw/~astrolab/e_book/special_topics/essays/comets/images/ma_wang_dway.jpg

馬王堆帛書中的彗星臨摹圖。圖 / 成功大學物理學系

西方對彗星本質的解釋,始於亞里斯多德的 宇宙論,他認為彗星是種大氣現象。1543 年哥白尼(Nicolas Copernicus)出版《天體運行論》提出日心說,卻也未對彗星提出新見解。直到 16 世紀末期,麥可.麥斯特林(Michael Maestlin)及第谷.布拉罕觀測 1577 年出現的大彗星時,才首次注意到彗星在天空移動的角速度要比月亮還要慢上許多,證明彗星距離比月球還來得遠,也就是說彗星並非屬於亞里斯多德主張的地球領域,而是在以太構成的天域之中。

西方歷史中,彗星與災難的連結也不遑多讓。 著名的貝葉掛毯記載著西元 1066 年,英格蘭國王哈勒德二世被告知哈雷彗星的出現,預兆黑斯廷斯戰役諾曼征服英格蘭。即使到了現代,彗星仍常被部份媒體或宗教渲染成災難和世界末日的徵兆, 1998 年海爾波普彗星接近地球,天文迷雀躍歡騰之際,卻有美國加州天堂之門教派 39 名教徒集體自殺。但其實每年前來拜訪地球的彗星有數十顆之多,只要對這太陽系天體稍有了解,應該會覺得能遇到大彗星造訪這樣難得的天象, 並非災難,而是件幸運的盛事!

出現在貝葉掛毯上的哈雷彗星。圖 / By Myrabella, Public Domain, wikimedia commons.

出現在貝葉掛毯上的哈雷彗星。圖 / By Myrabella, Public Domain, wikimedia commons.

說文解字

彗星之名,其來有自,不論中西皆然。「彗」的本意就是帚,在《說文》中便記載著:「彗,埽竹也。」在甲骨文中,字01是象形字,象徵掃帚之形。在篆文中,字02為會意字,上方的字03是指細枝茂盛的草,下方的字04則是手持的意思,其造字的本意是用一種細枝茂盛的乾草紮成的掃帚,這也就是為什麼彗星俗稱為「掃把星」或「掃帚星」了!

西方語言中的「彗星」一詞(如英語:comet;法語:comète;德語:Komet), 源自拉丁文的 cometes,這是拉丁化的希臘文 κομήτης(komētēs),意為「長髮」,而κόμη(komē)這個字的本意就是頭髮的意思。希臘哲學家亞里斯多德是第一位使用κόμη/κομήτης 這個字,來形容他看見的「長頭髮的星星」。彗星的天文學符號Image 3,也清楚地描繪了它的外觀,由小圓盤象徵彗核,和三個突起的短線段象徵彗尾。

彗星的來源與分類

彗星是太陽系形成之初所遺留下來的小天體。約 46 億年前,一團巨大的分子雲因重力坍縮,中央溫度升高達數百萬度,點燃核融合反應形成原恆星,周圍雲氣因自轉在赤道方向形成環星盤。環星盤中距太陽越近溫度越高,熔點較高的物質逐漸聚集形成了類地行星。距太陽越遠溫度越低,氣體的逃脫速度較慢,外圍行星核心周圍包覆了熔點較低的物質,核心重力吸附原始雲氣中最豐富的氫和氦,形成外圍巨大的類木行星。環星盤最外圍溫度已低至水的熔點以下,物質密度相當低,不足以形成行星,這些剩餘的岩石、冰塊組成的太陽系小天體,形成環帶狀分布,稱為古柏帶(Kuiper Belt)。在太陽系形成早期,環星盤中眾多小天體,可能因受到大行星的重力彈射,被拋向太陽系外圍,形成球狀分布的歐特雲(Oort Cloud)。

歐特雲的概念是 1950 年由荷蘭天文學家 Jan Oort 所提出,可能有 1000 億到 2 兆個冰體組成的彗星核,以球殼狀分布在距離太陽 5,000 至 100,000 天文單位處。有時當巨大的分子雲或恆星經過太陽系附近, 或是與銀河盤面的潮汐作用,會使歐特雲外圍天 體受到擾動進入太陽系內部,形成所謂的長週期彗星。這些彗星有著極為狹長的橢圓軌道,要好幾千年到好幾億年才能繞行太陽一圈,且軌道面非常凌亂,平均散落在各個方向,這一類的彗星軌道也可能是雙曲線或是拋物線,終其一生只造訪內太陽系一次。2004 年發現的「賽德娜」(Sedna), 週期長達 10,500 年,軌道非常橢圓,近日點和遠日點分別是 76 和 1,000 天文單位,極有可能是來自於歐特雲內側的天體。

週期短於 200 年的短週期彗星,軌道傾角幾乎都集中在黃道面 30 度內,它們來自於約 30-55 天文單位處,海王星外圍呈環狀分布的古柏帶,因受重力擾動進入內太陽系,預測有數十萬個大於 100 公里的冰質天體及上兆個小彗核散布此處。

古柏帶與歐特雲的相對關係(想像圖)。圖 / http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Kuiper_oort.jpg

古柏帶與歐特雲的相對關係(想像圖)。圖 /By NASA, Public Domain, wikimedia commons.

大部分的彗星都以安全的距離通過太陽附近,像是哈雷彗星與太陽的最近距離就有 8 千 9 百萬公里,但有些彗星的近日點非常接近太陽,可能近至只有數千公里,這類的彗星被稱為「掠日彗星」(sungrazing comet)。在太陽強大的潮汐力影響下,小彗星可能蒸發殆盡,大彗星也難逃粉身碎骨的命運。軌道類似的掠日彗星,可能源自於一顆大彗星母體。德國天文學家克魯茲首度注意到 1843 年、1880 年及 1882 年的掠日彗星共通點,指出這些彗星可能來自於 1066 年解體的一顆大彗星碎片,稱為「克魯茲族彗星」(Kreutz Sungrazers)。1965 年明亮的池谷.關彗星,和  2011 年掀起許多驚呼的 Lovejoy(C/2011 W3)彗星,也都是克魯茲族彗星成員。

2013 年 11 月 28 日通過近日點的C/2012 S1 ISON 彗星,與太陽表面的距離僅 110 萬公里,天文學家莫不希望它能像 Lovejoy 彗星(其近日點距離據太陽表面約 14 萬公里)一樣,能順利在通過近日點後存活,成為耀眼明亮的大彗星!自 SOHO 太陽觀測衛星(Solar and Heliospheric Observatory) 升空以後,業餘天文愛好者靠著檢查 SOHO 的影像,在電腦前就能發現掠日彗星,臺灣的蔡元生先生就曾在 2004 年及 2005 年分別發現兩顆 SOHO 彗星呢!

2011年來訪的Lovejoy彗星是顆非常明亮的掠日彗星。圖 / http://www.skyandtelescope.com/observing/home/136099108.html

2011 年來訪的 Lovejoy 彗星是顆非常明亮的掠日彗星。圖 / skyandtelescope

彗星不僅保存了 46 億年前太陽系形成的早期歷史,它所攜帶的水冰和有機物極有可能為早期的地球帶來生命的起源,因此彗星的研究是行星科學中相當重要的課題。

彗星的結構

彗星的結構(經修改加上中文)。圖 / http://spot.pcc.edu/~aodman/GS%20107%20web/outerobject/comet%20and%202%20tails.jpg

彗星的結構(經修改加上中文)。圖 / spot.pcc.edu

彗星的結構主要可以分為三部分:彗核彗髮彗尾

彗核是彗星遠離太陽時,唯一存在的部分,這個小小的冰凍核心,大小從幾百公尺到幾十公里不等,目前紀錄上最大的彗核,是約四十幾公里的海爾‧波普彗星。1950 年 Whipple 提出的「髒雪球模型」(Dirty Snowball Model),認為彗核主要是由冰雪(水、一氧化碳、二氧化碳、氨、甲烷)和灰塵(矽化物、金屬)組成,此外彗核蘊藏著許多有機物,如甲醇、氰化氫、甲醛、乙醇、乙烷等,還有許多複雜分子,如長鏈狀的碳水化合物及胺基酸存在。彗核反照率非常低,約只有 0.04 左右,可以說是太陽系內最黑暗的天體,接近太陽時彗核表面溫度升高,易揮發的物質昇華噴發產生噴流,因此不易直接觀察,目前只有數艘太空船曾近距離觀察彗核。其本身的重力並不足以使之形成球狀,因此大部分都呈現和小行星一樣的不規則形。近距離觀察彗星發現,表面是岩石及塵埃所覆蓋的薄殼,大部分的冰可能都藏在彗核內部。

太空船曾近距離觀察彗核的形狀及大小(經修改加上公制單位。圖 / http://minsex.blogspot.tw/2010/11/fab-five.html

太空船曾近距離觀察彗核的形狀及大小(經修改加上公制單位。圖 / http://minsex.blogspot.tw/2010/11/fab-five.html

當彗星接近太陽到約 5 天文單位,太陽 的熱使彗核的冰昇華為氣體,形成一團包覆在外圍的球形大氣層,稱為彗髮,彗髮會隨彗星接近太陽變得越來越大,直徑可達數十萬到數百萬公里。彗髮包含了中性分子及灰塵,彗核中的氣體母分子(CH4、 CO2、NH2、H2O)接近太陽時被釋放出 來,生命週期短暫不易觀測,這些母分子 因光解離作用產生第二代和第三代的分子 (CN、C2、C3、CH3、NH3、OH),生命週期長達數十萬到數百萬秒。圍繞在彗髮外圍,還有由氫原子雲氣所形成的龐大 包層(hydrogen envelope,halo),由於氫 原子輕、擴散速度快,其大小可達到數千萬公里,其波長為 Lyman-alpha 譜線的 1216 Å,僅太空望遠鏡的紫外波段影像可見。

太陽光的輻射壓和高速太陽風粒子, 將彗髮的物質吹向背對太陽的方向,形成 長長的彗尾,這也是彗星最迷人的部分。 彗星的彗尾有兩種,一種是塵埃尾(dust tail),一種是離子尾(ion tail),這兩種彗尾的外觀、成分和形成原因都不太一樣。

1997年海爾‧波普彗星的塵埃尾與離子尾相當明顯。圖 / http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Comet_Hale-Bopp_1995O1.jpg

1997 年海爾.波普彗星的塵埃尾與離子尾相當明顯。圖 / http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Comet_Hale-Bopp_1995O1.jpg

黃白色的塵埃尾瀰散而彎曲。富含塵埃的彗星產生各種不同大小的塵埃,塵埃受太陽重力與太陽光壓影響,由於萬有引力正比於質量(~體積,塵埃半徑的三次方),輻射光壓正比於截面積(塵埃半徑的平方),因此越大的塵埃其向內的萬有引力大幅抵銷了向外的輻射光壓,越小的塵埃所受萬有引力較小,所以受到向外的淨力反而較大(如下圖),被推向較外圍;且根據克卜勒第三運動定律,距離太陽愈遠,塵埃運動速度也越慢,因此塵埃尾常呈扇形而瀰散,當彗星接近太陽時,扇形角度甚至 可超過 90 度。塵埃尾大致上背離太陽,但隨著彗星前進, 塵埃會被留在軌道後方,因此塵埃尾會彎向軌道前進的反方向。塵埃顆粒因反射和散射太陽光呈現黃白色,另外也受太陽光加熱發出紅外線,其長度可達 106 -107 公里。

大小不同的塵埃,受到向內的萬有引力和向外的輻射光壓的大小差別,越小的塵埃所受到向外的淨力越大(a為塵埃半徑)。敘述相反?!(我覺得沒有啊,是”向外的淨力”較大,我改了內文的文字了,這樣會比較容易理解嗎?)。圖

大小不同的塵埃,受到向內的萬有引力和向外的輻射光壓的大小差別,越小的塵埃所受到向外的淨力越大(a為塵埃半徑)。圖/《臺北星空》提供

藍色的離子尾狹長而筆直,方向則永遠背向太陽。 離子尾的成因是彗髮的中性物質經過太陽風的光解離游 離作用,形成離子態的 H2O+ 、CO+ 、N2+ 、CO2+ 、OH+ , 這些離子和電子共存呈電漿狀態,因此也被稱為電漿尾(plasma tail),長度可達 107-108 公里。離子尾在可見 光主要的發光物質是波長約 4273 Å 的 CO+ ,這也是離子尾常呈藍色的原因。離子尾指向沿太陽磁力線方向背離 太陽,與軌道方向無關。太陽的劇烈活動如日冕物質噴發,在太陽風磁場拉扯下,有時會造成離子尾的分叉、 斷裂、再生等現象。

鹿林彗星的離子尾產生斷裂的現象(紅圈處)。圖 / http://www.fototime.com/%7B9C1CC635-B45B-4B04-811D-802DC4DDFFAD%7D/picture.JPG (Ernesto Guido、Giovanni Sostero、Paul Camilleri,http://remanzacco.blogspot.com)

鹿林彗星的離子尾產生斷裂的現象(紅圈處)。圖 / http://www.fototime.com/%7B9C1CC635-B45B-4B04-811D-802DC4DDFFAD%7D/picture.JPG
(Ernesto Guido、Giovanni Sostero、Paul Camilleri,http://remanzacco.blogspot.com)

有時彗星的塵埃尾看起來反而朝向太陽,稱為「逆尾」(anti-tail)。彗星較大且重的塵埃,比較不受太陽輻射光壓影響被推向背離太陽,反而留在軌道後方。若 地球通過彗星軌道平面附近,因地球視角產生的幾何投影效應,塵埃尾看起來便朝向太陽。有時候彗核表殼破裂,物質從縫隙向外噴發形成的噴流,恰巧在向著太陽 的那一面,也會形成真正的逆尾。歷史上曾出現明顯逆尾的彗星包括 1957 年的 Arend-Roland 彗星、2007 年的海爾波普彗星(C/1995 O1 Hale-Bopp)、2009 年的鹿林彗星 (C/2007 N3 Lulin),以及 2013 年的泛星彗星(C/2011 L4 PANSTARRS)。

逆尾的成因。圖 / http://spaceweather.com/swpod2009/27feb09/tosar4.jpg?PHPSESSID=vnd799uc8out792pvma1bh38e6

逆尾的成因。圖 /spaceweather.com 

逆尾的成因。圖

逆尾的成因。圖/《臺北星空》提供。

2009年的鹿林彗星有非常明顯的逆尾(左側),右側是背向太陽的離子尾。圖 / https://en.wikipedia.org/wiki/File:C2007N3Lulin2panel_brimacombe.jpg

2009 年的鹿林彗星有非常明顯的逆尾(左側),右側是背向太陽的離子尾。圖 / By Joseph Brimacombe, Cairns, Australia, CC BY 2.5, wikimedia commons.

彗星留在軌道上的塵埃,還會帶來另一場驚喜!當地球通過彗星軌道附近,軌道上的殘骸受地球重力影響,短時間內大量掉落地球大氣層,就會形成流星雨,若正逢母彗星回歸後幾年內,流星雨有可能特別壯觀。造成獅子座流星雨的母彗星是週期 33 年的 55P/Tempel-Tuttle, 1998 年的回歸就造成了之後數年的獅子座流星雨大爆發,相信大家對於 2001 年 ZHR 值達數千顆的獅子座流星雨都還印象深刻。

流星雨的成因與彗星有關。圖 / http://tamweb.tam.gov.tw/v3/tw/item_img/8/comet_meteor.jpg

流星雨的成因與彗星有關。圖 / 台北市立天文科學教育館

彗星的命名

彗星是極少數可以用發現者名字命名的天體(小行星的命名權雖然屬於發現者,但卻不能以發現者的名字命名),臺 灣第一顆發現且命名的彗星是在 2009 年來訪的 C/2007 N3 Lulin 鹿林彗星,由中央大學鹿林天文台所發現。天文愛好者若在夜空中發現可疑的模糊天體,必須確認並非其他的可能性(如亮星的鬼影、昏暗的星群等),並以第二台觀測儀器確認,將所見到的影像每隔 15 分鐘或半小時記錄下來,確認其是否有在背景星空中移動,另外可以使用CBAT(中央天文電報局, Central Bureau for Astronomical Telegrams)的彗星辨認程式(comet-identification program)確認觀測天區是否有任何已知的小行星或彗星,如果可能的話,請有經驗的彗星觀測者協助確認,便可以將詳細的觀測記錄通報 CBAT

在有系統性的命名規則之前,彗星的命名有幾種不同的原則。像是二十世紀前,大部分的彗星僅簡單地以出現的年份或加上月份為名,像是 「1680 年大彗星」(C/1680 V1,Kirch’s Comet)、 「1882 年 9 月大彗星」(C/1882 R1,great September comet of 1882)、和「1910 年白晝大彗星、1910 年 1 月大彗星」(daylight comet of 1910、Great January Come t of 1910)等等。而在哈雷計算出 1531、 1607、1682 年造訪的彗星其實是同一個天體,並成功預測它在 1759 年的回歸之後,這顆彗星就被命名為「哈雷彗星」(Halley),第二顆和第三顆被確認的週期彗星——恩克彗星(Encke)和比拉彗星 (Biela),也同樣是以計算出軌道的天文學家,而非當初的發現者命名。

至二十世紀早期,以發現者名字為彗星命名已非常普遍,直至今日皆然,彗星名稱至多可以有三位獨立發現者的名字,像是海爾波普彗星(C/1995 O1 Hale-Bopp)就是以兩位獨立發現者 Alan Hale 與 Thomas Bopp 來命名,另外以著名的彗星獵人麥克諾特(Robert H. McNaught)命名的彗星就已經超過 50 顆。近年來,許多彗星是由天文計畫或大型儀器所發現,便會以之命名,像是 PanSTARRS 彗星是由泛星計畫(Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System,Pan-STARRS)發現。

1995 年以前,除了以發現者的姓名為彗星命名之外,另外也會以發現的西元年份,加上代表當年發現順序的小寫英文字母,給予彗星暫時性名稱,像是 1969i Bennett 彗星,就是 1969 年第九顆被發現的彗星。一旦軌道確定之後,則會以通過近日點的年份和代表順序的羅馬數字給予彗星永久名稱,像是 Bennett 彗星是 1970 年第二顆通過近日點的彗星,因此它的永久命名是 1970 II。如果一 年裡被發現的彗星不只 26 顆,這時便會在英文字母後面加上阿拉伯數字繼續編號,像是在 1989 年 的彗星編號就達 1989h1 之多。

但這套命名系統存在著一些缺陷,像是歷史上 的彗星由於缺乏軌道元素而在永久命名上會有些困擾,於是 1994 年 8 月 24 日於荷蘭海牙舉行的國際天文聯合會(IAU)大會中,決議修改舊有的彗星命 名規則,並自 1995 年開始使用新的彗星命名規則。 彗星在一年中以每半個月為單位使用英文大寫字母 表示被發現的時間,略過字母 I 和 Z(詳下表):

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再加上數字表示該時段內被宣布發現的順序(這和小行星的命名規則雷同)。因此像是 C/2012 S1 ISON 彗星就是在 2012 年 9 月下半月第一顆被發現的彗星。另外還會依彗星的性質在名字加上前綴標示如下:

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如果彗星被觀測到回歸,或是經由觀測通過 遠日點確定其週期性,則會在 P/ 或 D/ 前冠上一個由國際天文聯合會小行星中心(MPC)所指定的官 方序號,例如 1P/1682 Q1 為哈雷彗星、3D/1832 S1 為比拉彗星。如果彗星分裂成好幾個碎片,則在名字後面加上 -A, -B,… 來區分每個碎核。


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本文轉載自台北市立天文館期刊《臺北星空》第 61 期,2013 年秋季號,點此看線上 pdf

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