從鹿林彗星認識彗尾
鹿林彗星於 2007年由中央大學鹿林天文台觀測發現,為第一顆台灣命名的彗星。這顆彗星相當特別,它拖著一條綠色離子尾,與一般常見的藍色離子尾相當不同。
文/楊嘉慧
審稿/中央大學天文研究所教授 陳文屏

圖中可見鹿林彗星的離子尾(朝下)與塵埃尾(朝上), 二者指向相反。塵埃尾朝著太陽方向延伸,形成「反向」彗尾。(影像來源:P. Candy,http://www.hesnet.net/candy)

 今年上半年,最耀眼的彗星莫過於鹿林彗星,因為它來自太陽系外圍的歐特雲(Oort cloud)(註),若軌道呈雙曲線,這會是它唯一一次造訪太陽系內部;而且相較於其它來自歐特雲的彗星,它算是非常接近地球的一個,近地點約只有 0.41 天文單位(相當於 6100 萬公里),使得不少天文專家日以繼夜守著它,也捕捉到難得一見的彗尾斷裂、長時間「反向」彗尾等景象。

太陽風與氣體交織成的離子尾

 鹿林彗星最特殊之處莫過於它偏綠的彗尾,與一般常見的藍色彗尾不同。中央大學天文研究所教授陳文屏 表示,彗星的主體「彗核」是冰塊與塵埃混合而成,大小約數公里。彗星接近太陽(小於 5 天文單位)時,彗核內部受熱後壓力逐漸增大,使氣體衝破表殼,連帶噴出塵粒,並包覆在彗核外,形成直徑約數十萬公里的球形「彗髮」。當彗星繼續靠近太陽, 就會出現長達數千萬至數億公里的「彗尾」。彗尾分塵埃尾與離子尾兩種,塵埃尾顧名思義是由塵埃組成,離子尾主要由氣體組成,二者的形成原因和發光機制各不 相同。

 一般見到的藍色彗尾就是離子尾,它的形成原因與太陽風有關。太陽風是太陽表面噴發出來的游離氫(即 質子與電子),當它靠近彗星時,太陽風挾帶的太陽磁場會受彗星的帶電離子干擾,使得磁力線往背離太陽的方向,並且繞著彗星彎曲(見下圖)。彗星的離子和太 陽風都是沿著磁力線運動,最後二者就一起形成往背離太陽方向延伸的離子尾。

彗星的帶電離子會影響太陽磁場,使得彗星周圍的磁力線 繞著彗星彎曲,而包覆在彗核外的氣體被太陽風撞擊後,會與太陽風一起順著磁力線方向前進,形成離子尾。(電腦繪圖:姚裕評)

 太陽風是間歇性的,每次噴出來的強弱也不一樣,加上彗星本身運動也會影響磁場,所以離子尾就可能有 忽長忽短、分叉、斷裂、消失、再生等情況。此次鹿林彗星被觀察到離子尾斷裂的情形,正是在非常靠近太陽時發生的。

紅圈內為鹿林彗星離子尾斷裂部份。(影像來 源:Ernesto Guido、Giovanni Sostero、Paul Camilleri,http://remanzacco.blogspot.com)

 離子尾的發光機制也與太陽風有關。組成離子尾的氣體分子被太陽風撞擊後,會激發成由離子與電子組成 的電漿狀態,當電子與離子重新結合時,就會發光。不同離子放射出來的光顏色不同,一般見到的離子尾呈藍色,是因為含有較多的一氧化碳離子(CO+), 其他尚有 H+、C+、 N2+、 Ca+、 CH+、 CN+、CH3OH2+、OH+、 H2O+ 等,但由於藍光偏多,以致不易察覺出別的顏色。鹿林彗星的離子尾呈綠色,經光譜分析發現,是雙原子碳(C2)發出的螢光輻射。一般 彗星也有這些譜線,但是鹿林彗星似乎特別明顯,不過實際機制有待進一步探討。

「反向」塵埃尾?

 除了綠色離子尾,天文學家也長時間觀測到鹿林彗星的「反向」塵埃尾。塵埃尾是反射太陽光而呈黃色的 彗尾,其形成原因與太陽輻射光壓有關。輻射光壓就像是光線照在塵埃上所造成的壓力,由於塵埃的顆粒有大小之分,顆粒越小越容易被推向遠方,最後造成塵埃呈 扇形發散出去。根據克卜勒行星運動定律,根據克卜勒行星運動定律,離太陽近的行星運動速度比遠處行星快。換句話說,散在離太陽較遠處的塵埃(和彗星一樣繞 著太陽運動)運動速度較慢,反之則快,以致塵埃尾扇形區域末端會因運動速度的快慢而彎曲。

 與離子尾一樣,塵埃尾的尾巴也是往背離太陽的方向延長,這是因為輻射光壓的施力方向也是背離太陽; 但此次鹿林彗星的塵埃尾卻有很長一段時間指向太陽,出現「反向」彗尾。陳文屏解釋,鹿林彗星的彗尾並非真的變成「反向」,而是因為鹿林彗星與地球運行軌道 幾乎在同一平面,從地球角度觀測產生錯覺造成(見下圖)。

「反向」彗尾是因為鹿林彗星的軌道與地球運行軌道幾乎 在同一平面,從地球觀測時會產生錯覺。實際上,塵埃尾是往背離太陽的方向延伸。

 這次鹿林彗星除了帶來與往常不同的驚喜,在科學研究上也很有價值,例如觀察離子尾的變化有助於了解 太陽風的特性;而藉由彗尾研究彗星的結構、化學成份等,則可以探知太陽系的過去,尤其是鹿林彗星的故鄉離太陽相當遙遠,受太陽輻射影響少,故能保留更多太 陽系形成之初的樣貌,甚至可以反應歐特雲天體的特性,因此它的造訪可說意義非凡。

註:彗星的所在主要分佈在兩個區域,短週期彗星(約 200 年以下)是在海王星軌道之外的「古柏帶」 (Kuiper belt);而長週期、軌道呈雙曲線或拋物線的彗星,則分佈在太陽系外圍,距離太陽可達 10 萬天文單位的歐特雲區,鹿林彗星就是其中一個。

難以預測的彗星

 鹿林彗星在今年 2 月 24 日最接近地球,原本預估當天觀測亮度可能達四、五等(星等數字越小表示越亮,人類肉眼可見極限約六等),而且月相幾乎逢朔,沒有月光干擾,沒想到鹿林彗星 移至近地點的前後幾天,台灣地區的天候不佳,致使觀測結果大受影響。中央大學天文研究所教授陳文屏表示,彗星的亮度並不容易預估,除了與彗星大小、離太陽 及地球遠近等條件有關,最難掌握的是當時的噴發狀態。以短週期彗星為例,雖然可以粗略估算彗星每次接近太陽時,會損失 0.1~1% 的物質,然而不能就此斷定彗星下次接近到太陽附近時,亮度就會變暗,因為有可能下次噴發活躍程度較強,或離地球較近,而使得亮度不減反增。

彗星靠近太陽會不停噴出物質,產 生反作用力,而改變運行軌道,以致難以精確計算彗星的軌道。(電腦繪圖:姚裕評)

 除了一般人關心的亮度,彗星軌道也不容易計算。相較於行星、衛星等天體,彗星的質量小得多,其運動 方式容易受其他天體干擾,特別是當它靠近太陽時,噴發物質後帶來的反作用力,使得科學家很難掌握它下一步的行進方向(見右上圖)。陳文屏表示,目前之所以 無法確定鹿林彗星的運行軌道是拋物線、雙曲線或是極狹長橢圓,是因為科學家只觀察到極小段的軌道,且其運行軌跡一直有些微改變。從 2007 年 7 月累積至 2009 年 2 月的軌跡點,推算其軌道顯示它可能是週期長約 2800 多萬年的極狹長橢圓,但累積至 6 月的數據卻顯示為雙曲線。究竟哪個推論才正確,尚需很長時間追蹤分析。

延 伸閱讀
..........................................................................................................

〈太陽系家族之彗星傳奇〉,《天文 館期刊》25期

《星際遊俠─彗星的故事》,David H. Levy,先覺出版

《慧星撞地球》,約翰‧路易斯著,新新聞出版

高三課本《物理》下冊

鹿林彗星照片網站

kuochun24 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(0) 人氣()