物理專文

穿越時空的彗星觀測

林忠義 2020年10月26日 2674
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2020年,一顆自1997年的海爾-波普彗星 ( C/1995 (Hale-Bopp )) 以來最為明亮的彗星在盛夏的北半球造成了一股前所未有的觀測旋風,而台灣天文迷在夏至日環食的驚艷後,也迅速把目光聚焦到這顆難得肉眼可觀測的彗星身上。 這顆新彗星姑且不論它的中文名字(新智彗星或尼歐懷茲彗星),從它的英文名字C/2020 F3 (NEOWISE) 可以略知彗星一二。 第一是它發現的時間為2020年三月下旬(正確發現日期為3月27日)。這彗星命名規則是由1994年舉辦的國際天文學聯合會(International Astronomical Union,簡稱IAU)所制定的,規則如下: 這些彗星的周期有長有短,也意味這些星際旅行者的故鄉是不同的,但絕大多數是在遙遠太陽系邊緣,如海王星外帶狀分布的柯伊柏帶(Kuiper Belt圖一)和距離太陽幾萬到數十萬天文單位球狀分布的 (Oort Cloud圖一),前者被認為是短周期彗星的來源地,後者則是長周期彗星的主要來源。然而,不論這些星際旅者來自於何方,它們都是太陽系形成時之初所遺留下來的殘留物質,而研究這「活化石」可以了解太陽系形成初期重要的化學組成信息與理解太陽系的形成機制。 。有些彗星的亮度可以明亮到肉眼可見程度進而成為天文迷聚焦的彗星,如同NEOWISE彗星。然而,並不是所有預測可能成為肉眼可見的彗星都會安然通過近日點,因為彗星在靠近太陽的過程中,彗星物質不斷揮發,其內部結構也可能發生變化。有的彗星結構可能過於鬆散,還未到近日點就瓦解碎裂成許多碎片(圖二)。有的彗星軌道離太陽過近,在近日點後也灰飛煙滅,無法成為令人期待肉眼可見的彗星(圖三)。有些彗星雖然安然在自己的橢圓軌道中運行多年,但仍有可能發生爆發現象而成數小塊(圖四)。也有些彗星在數次回歸後成為無彗星特徵的天體,就如同小行星。有的彗星的命運更多變,在旅行半路上經過木星等大行星時受到了潮汐力的影響,改變了命運!它可能改變了軌道,進入了內太陽系也可能被彈射出太陽系,甚至有可能被分解成數個小彗星(圖五)。 圖四:彗星施瓦斯曼-瓦赫曼3號彗星 (73P/Schwassmann-Wachmann 3) 從1995年就被發現分裂成五大碎片。2006年觀測這顆彗星仍持續分裂,尤其是B核(如圖所示)就發現數十顆碎片。圖為鹿林天文台1米望遠鏡林忠義博士拍攝73P/SW 3-B彗核分裂現象。 http://www.lulin.ncu.edu.tw/photogallery/73p-b-0418_0420.jpg 圖五: 修梅克-李維9號彗星 (Shoemaker-Levy 9, SL9) 在1992年接近木星後,被木星強大的重力撕碎。兩年之後,著名的「彗木相撞」事件,就是修梅克-李維9號彗星的碎片撞擊木星,並在木星大氣留下了撞擊後的黑色傷痕。圖為哈伯望遠鏡觀測彗星撞木星時的合成照片。 https://www2.jpl.nasa.gov/sl9/image247.html 因此可以想像,古時候當明亮的彗星出現於天空時,若突然消失會讓當時候的人們開始天馬行空的描繪,姑且不論彗星是否有巨大變化,當彗星拖著長長尾巴出現在古時候的夜空時,又經歷一段時間又逐漸消失離開,這在對彗星不甚了解的年代實在讓人心生恐懼。 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。《史記》記載,秦始皇帝時期,曾出現數次彗星異象,且均有對應的史時應驗。比如「七年,彗星先出東方,見北方,五月見西方。將軍驁死……彗星復見西方十六日。夏太后死」;《史記.天官書》記載,秦始皇十五年出現四次彗星,「久者八十日,長或竟天」。後來秦始皇帝滅六國,外攘四夷,一統中原。在西方也是視為上天的一種凶兆認,為它會帶來瘟疫、戰爭、飢餓等災禍。1664年冬天,一顆彗星拖著長長的尾巴,從倫敦上空劃過,之後倫敦發生瘟疫,帶走倫敦五分之一人口。現今,我們已知道彗星也是繞著太陽運轉的一個天體,只不過相較於行星於黃道面穩定的圓形軌道,彗星的橢圓軌道是會穿梭在太陽系內外之間! 許多人對彗星的印象應該是著名哈雷彗星,而哈雷彗星上一次回歸的時候是1986年,這年代似乎對現在的學生有點久遠,就連四、五十歲的人也未必有印象,然而當時的科學家卻對這顆歷史留名的彗星有個雄心壯志的野心,那就是派遣太空船對彗星做近距離觀測,於是哈雷艦隊 (Halley Armada) 就因而成行,雖然當時只有部分太空船完成近距離彗核觀測的壯舉(圖六),但也為往後彗星太空任務奠定相當程度的基礎。從2001年開始的深空一號 (Deep Space 1)、星塵號 (Stardust)、深度撞擊號 (Deep Impact) 到2010與2011年的太空船延伸任務EPOXI與NexT,再再顯示人類是多麼想了解這太陽系初期所遺留下來的產物;然而,就在科學家自以為了解彗星的時候,2014年的羅賽塔任務中的登『彗』計畫卻遭逢嚴重的挫敗,原因是登彗艇-菲萊 (Phaela)-在"堅硬”的彗核表面彈跳數次後,落到一個無法用太陽補充其能源的地方,造成菲萊只能用備用電池工作了兩三天!羅賽塔團隊並沒有因此氣餒,在這唯一兩年多的繞彗任務中仍然解答了許多人類對彗星的疑問,包含彗核表面的描繪與成分分析、彗星噴流的成因與內部彗髮中氣體與灰塵粒子的交互作用、彗星氣體成分的解析與星際間分子比較等等。