天象奇观
——艾森(ISON)彗星

胡中为

南京大学天文学与空间科学学院，南京 210008

天象奇观
——艾森(ISON)彗星

胡中为†

南京大学天文学与空间科学学院，南京 210008

肉眼看到彗星的机会很少，尤其是长尾巴的亮彗星更是罕见，因此彗星有重要的观测研究意义。艾森(ISON)彗星无疑是2013年最新奇的天象之一，它是从太阳系边缘初次到太阳系内区被发现的“新”彗星，曾推测它走近地球时可能展示“世纪彗星”的壮观丰姿，又穿越太阳外部的高温大气(日冕)而展现“飞蛾扑火”的“掠日彗星”毁灭闹剧。从天文爱好者到专家及太空飞船做了大量观测，留下了很多新奇而有趣的宝贵资料。其实，它的本体只是冰-尘冻结的小彗核，随着走近太阳而蒸发的物质形成大而亮的彗发和长长的彗尾。

艾森(ISON)彗星；彗核；彗发；彗尾；掠日彗星

彗星，俗称扫帚星。“彗”就是扫帚的意思，顾名思义，彗星即是可以显现扫帚形态尾巴的天体。彗星的偶然出现，且形态怪异，令人感到惊慌和恐惧，人们常把彗星与灾祸联系起来，“扫帚星”也成为不吉利的代名词。实际上，彗星的出现完全是一种自然现象。

彗星是在极冷的太阳系外部形成且长期运行的小天体。虽然肉眼看到的彗星有时很庞大，但它的本体却只是冰-尘冻结的数公里大小的“脏雪球”彗核。太阳系外部有巨大的彗星库——“奥尔特云”那里有数万亿计的彗星，总质量约相当于地球质量。其中有些彗星受过路恒星摄动而改变轨道，进入太阳系内区，成为我们观测到的彗星。

一颗彗星在绕太阳公转中，其形态不断地变化。当它离太阳很远时，基本上是赤裸的彗核。随着接近太阳，受到太阳的辐射作用增强，彗核表层的冰开始升华为气体而流出，也带出尘埃，从而形成彗星大气——彗发。继续向太阳靠近时，彗发增大，同时发生分子的离解和电离。离太阳更近时，更强的太阳辐射和太阳风的斥力就会把尘埃和气体推向背离太阳的方向，形成彗尾。彗星过近日点之后逐渐远离，其形态变化与接近时相反，即彗发和彗尾越来越小，直到消失。彗发和彗尾气体受太阳辐射激发而发光(荧光辐射)，因此彗星很亮。彗星每次回归中(尤其日彗距小的时期)都蒸发丢失少部分物质(原彗星总质量的0.1%～1%)，因此彗星的寿命有限。如果彗星分裂或撞击其他天体则其衰亡更快。彗核内部没有发生地球等行星那样剧烈的演化，较好地保留了其形成时期的状态，从而能给行星的形成和太阳系的起源提供宝贵的“考古”信息。彗星又是重要的“天然实验室”，太阳辐射作用于彗星物质的一系列特殊的物理过程和化学过程，都是现代科学研究的前沿问题。彗星陨落到地球可能造成严重灾难，但也带来了水。

由于人们肉眼看到长尾巴亮彗星的机会极其罕见，彗星的出现自然成为新闻媒体的热门话题。麦克诺特(McNaught)彗星(C/2006P1)是颗“掠日彗星”，它在2007年1月中旬穿越太阳的高温大气(日冕)却没有瓦解，而且在随后接近地球时特别壮观，成为近年来见到的最亮彗星(图1)[1]。

图1 麦克纳特(McNaught)彗星飞越日冕(左)后，地球上看到它的壮观形态

1 艾森彗星的发现和轨道

艾森(ISON)彗星无疑是2013年的最新奇天象。它是从太阳系边缘初次到太阳系内区的“新”彗星，曾推测它走进地球时可能展示“世纪彗星”的壮观丰姿，随后穿越日冕而展现“飞蛾扑火”般的“掠日彗星”毁灭闹剧。从爱好者到专家及太空飞船都有大量观测，得到很多新奇有趣且宝贵的资料[2]。

2012年9月21日，白俄罗斯的涅夫斯基(В.Н е в с к и й)和俄罗斯的诺微切诺克(А.Н о в и ч о н о к)使用国际科学光学监测网(简称ISON)的0.4 m (口径)反射望远镜，发现了一颗新的彗星。在2011年12月28日的莱蒙山巡天(Mount Lemmon Survey)和2012年1月28日的泛星巡天计划(Pan-STARRS)数据中找到其发现前的图像。2012年9月22日，意大利Remanzacco天文台进行后续观测。小行星中心在9月24日公布了此发现。按照彗星命名规则，它被命名为C/2012 S1(ISON)。其中，“ C/”表示这是非周期彗星，后面的数字是发现它的年份，“S”表示发现的那半个月(依次用24个拉丁大写字，不用I)即9月的下半个月，数字“1”显示这是在这半个月发现第一颗彗星。在名称之后附加的“(ISON)”指示发现机构，简称艾森(ISON)彗星。

从它在星空的位置变化，推算出它的轨道近似于双曲线(图2)，说明它来自太阳系外围奥尔特云。由于行星的引力摄动和彗星物质的蒸发活动，它的运动轨道有变化，需要根据更多的观测才能推算出更准确的轨道。2013年12月14日的新计算结果显示它的轨道对黄道面(地球轨道面)倾角为62.4º，轨道偏心率为0.999 994 7，轨道运行周期约40万年。2013年11月28日艾森彗星过“近日点”时，离太阳中心最近距离为0.012 4 AU(天文单位)，约1 860 000 km。因为太阳半径为695 500 km，因此，它到太阳表面最短距离仅约1 165 000 km，相当于掠过太阳大气而飞越远去。这样的彗星称为“掠日彗星”。

图2 艾森彗星的轨道

2 艾森彗星的观测

艾森彗星被发现时，它的视亮度仅约18.8星等。随着它靠近太阳，其形态和亮度逐渐增强。雨燕(Swift)卫星和深撞击(Deep Impact)飞船在2013年1月和2月拍摄的首批图像，显示其具有延展彗尾的活动。在2月，由1 897次观测绘制出艾森彗星亮度随日-彗距离变化的关系图(图3)。如果继续按此关系增亮到过近日点，预计亮于望月，比1935年以来最亮的池谷-关彗星在1965年亮达-10星等还亮得多，故可谓之“世纪彗星”[2-3]。

图3 艾森彗星的亮度(星等)随时间的变化

2013年4—5月，哈勃太空望远镜(HST)拍摄艾森彗星有明显的彗发和彗尾，可辨别出朝太阳方向的尘埃喷泉(图4)。6月13日，Spitzer太空望远镜(SST)观测估计它每天排出约100万kg的二氧化碳气体。6月5日到8月29日，它跟太阳的角距离小于30°，深撞击飞船、哈勃和SST都没有探测到它有明显自转变化。8月12日，当它跟太阳的角距离19°和地平高度角6°时，爱好者加里(B. Gary)又发现了它。由于它增亮得比预料的慢，在10月初，仅用小望远镜才看到它。10月1日，它离火星最近到0.07 AU(约1 000万km)内，火星勘测轨道器(MRO)在9月29日到10月2日探测到了它。美国宇航局的日地关系观测台(STEREO)包括前后两艘飞船。10月的第二周，STEREO-A拍摄的艾森彗星像显示浅绿色，归因于释放的CN和C2分子；10月下旬，拍摄的艾森彗星的光谱(图5)上最显著的是C2分子(蓝绿)发射带，还有CN发射带，这是彗发常见的。

图4 哈勃太空望远镜在2013年4月10日拍摄的艾森彗星(左)，经增强处理而显示朝太阳方向的尘埃喷泉(右)

图5 艾森彗星的光谱

2013年11月1日艾森彗星发生了一次爆发而气体增倍，11月13日第二次爆发，气体巨增十倍(图6、图7)。这些爆发是因它急速飞向太阳，彗核冰受到更强的太阳辐射加热而升华，抛出大量尘埃和气体。11月14日，有经验的观测者肉眼就可以看到它；11月15日，欧洲南方天文台(ESO)拍摄到它有显著的彗发和复杂的彗尾(图8)；11月17到18日晨曦，艾森彗星经室女座亮星角宿一附近，且亮于后者，但因望月而影响公众肉眼观测；11月22日 日出时，仍然可以看到艾森彗星高悬于东方天空(图9)。

图6 2013年11月6日摄的艾森彗星

图72013 年11月10日摄的艾森彗星

图8 欧洲南方天文台(ESO)摄于2013年11月15日的艾森彗星多色合成像

图9 2013年11月22日摄于Canary岛Teide天文台日出时的艾森彗星

2013年感恩节前日，STEREO-A拍摄并视频发布艾森彗星在日冕物质抛射的太阳风流中摆尾“游”向太阳的美妙过程(图10)。图右侧有亮的日冕特征，太阳在右边缘外，太阳风流往左吹，艾森彗星向右很快地游动，视场背景有地球和水星。同日，SOHO飞船的日冕仪观测它亮于-2星等，过房宿三。11月28日，它过近日点，以377 km/s的速度穿越日冕。一颗掠日彗星经过日冕有三种可能的命运：一是完全瓦解消散，如C/2010 X1(Elenin)彗星在2011年9月10日过近日点后完全爆碎；二是分裂为几个，池谷-关彗星在1965年l0月20日过近日点后，两星期内分裂为三部分；三是保持较完好并大为增亮，McNaught彗星在2007年1月14日穿过日冕没有瓦解，同月20日接近地球时特别壮观，成为近年来见到的最亮彗星。

图10 艾森彗星在太阳风流中摆尾“游”向太阳(右)

艾森彗星邻近近日点前，进入SOHO日冕仪视场，11月27日亮度从2.5星等显著增亮到0.5星等，最亮达到金星那样的-3～-5星等。虽然没有达到预计的亮度，但它还是相当壮观的。SOHO的日冕仪拍摄到它在过近日点前拖着两条长大的尘埃彗尾，却不见离子彗尾，过近日点后两小时仍有残余及逐渐衰弱的彗尾，并离开SOHO视场(图11)。NASA推断，艾森彗星有90%的几率已经完全被瓦解，但也观测到有类彗发的特征。在11月29日，它的亮度降到5星等；11月30日末，它暗到7星等，肉眼已看不见它。之后，虽然还有太空望远镜搜寻，也未见其踪迹。

图11 SOHO飞船的日冕仪所摄艾森彗星过近日点前后的多幅像组合(中央圆斑为日冕仪减光的人为日食)

3 艾森彗星的彗核[2,4]

彗发和彗尾的形态多变，彗发大小可达百万公里，有的彗尾甚至长达一亿公里，但所含物质很稀疏，仅占彗星总质量的很小部分。彗星的物质主要聚集于主体的彗核，彗星的各种形态和现象取决于彗核的性质和结构，又与太阳辐射和太阳风的作用有关。

谈到彗星的大小和质量时，一般是指彗核而言的。然而，彗核很难直接观测到，只是近年才有飞船近距离拍摄到5个彗星的彗核(图12)，但它们都是形状相当不规则的，其中最大的哈雷彗星彗核也只有15 km。雷达也可以探测得到走近地球的彗核，如编号为2的周期彗星恩克(2P/Encke)的彗核约1 km。从观测资料也可估算出彗核的大小和质量，大小一般为1～40 km，质量一般为1011～1016kg，也有更大或更小的。观测资料表明，彗核的主要成分是水冰，其次是CO2冰，还有尘埃。彗核是冰和尘埃组成的冻结的“脏雪球”(dirty snowball)或“多冰的尘球”(icy dietball)，各彗核的成分和结构可能有差别。彗核的平均密度小于1 g/cm3，说明内部是有空隙的，有的可能是多块堆结的。令人不解的是，多冰彗核的表面却是太阳系天体最暗黑的，反照率只有2%～4%，可能是因太阳辐射蒸发掉挥发物而留下类似焦油或原油的复杂有机物，甚至是宇宙线作用生成的前生命有机物。

图12 飞船近距拍摄的5个彗核

根据雨燕卫星在2013年1月的观测估计，艾森彗核的直径约 5 km，后来估计仅约2 km。火星勘测轨道器(MRO)的观测估计，其彗核直径小于0.8 km。有趣的是，互联网上有中国国家航天局的一幅艾森彗核的空间雷达图像，显示出类似其他彗核的不规则形状(图13)，但遗憾的是，未查到具体研究数据。

4 分享艾森彗星的趣闻[1,5]

天象奇观——亮彗星令人们诧异，也引发科学文化的兴趣。例如哈雷彗星，前三次回归分别于1835、1910和1986年。恰巧，美国作家马克•吐温生于1835年11月，其自传中写有“我随哈雷彗星而来，也期望随它而去”，果然逝于1910年4月。受此启发，1985年拍摄了虚幻电影《马克•吐温的奇遇》。无独有偶，法国作家吉尼特(Jean Genet)恰是生于1910年，逝于1986年。

图13 中国国家航天局的艾森彗核的空间雷达图像(2013年9月3日)

艾森彗星在45亿多年前形成并长久运行于太阳系寒冷外部，只是近几百万年才改变轨道而来“近访”太阳。科学家从一发现就对它的行踪和保存的古老信息作了一些科学推测，寄予观测研究的厚望。虽然因为它的运行相对于地球上观测的有利时间不长，且因月光及气象不利等因素，能够目睹其丰姿的机会不多，并因飞越日冕后过早消亡而令人遗憾；但现代技术尤其是飞船和卫星的大力追踪观测，加上新闻媒体及时转播，可以在历史上留下宝贵的记载，让后人分享它的精彩图像和趣闻。

(1)艾森彗星是否死亡了？

虽然艾森彗星在离开日冕仪视场前已衰弱了，但彗星形态仍明显，甚至乐观者还期望再看到其相当壮观的形象。虽然STEREO-A在2013年11月30日到12月1日拍摄到其模糊弥散残迹，但太阳动力学天文台(SDO)在预报它过近日点可能经过的后来位置却没有看到其踪迹而很失望。看来艾森彗星没有“浴火重生”，而真是“飞蛾扑火”般地毁灭了；没有留下较大的彗核碎块，只有被太阳风吹散的气体和尘埃散布到行星际中。

(2)艾森彗星不负“新世纪彗星”之誉

虽然艾森彗星也曾亮而大，但不是近百年最大的，而是再其次的，算不上“特大彗星”或“世纪彗星”。然而，艾森彗星的观测是很成功的，获得了很多美妙精彩的图像及视频，为太阳系形成的研究提供了信息，而且让公众欣赏到彗星天象奇葩，对科学文化有很大影响，也可谓不负“新世纪彗星”之誉。

(3)艾森彗星不会被忘记

世界各地有300多人参与艾森彗星观测竞赛，大量公众通过互联网或媒体关注艾森彗星的动态变化，叹赏其美妙多姿的形态图像。艾森彗星会被转载于图书和杂志中，会在彗星及其有关研究中被述及，会激起有志者去观测研究彗星及其有关的各种问题，包括彗核的成分和结构、彗星与生命起源的关系、彗星与地球的关系等等。

(4)一个彗星梦

大彗星撞击地球会造成严重灾难。有观点认为，6500万年前的生物大绝灭可能就是彗星撞击地球造成的。另一方面，彗星陨落给地球带来大量的水和挥发物，对地球的海洋和大气演化起了重要作用。大量彗星尘高速闯入地球大气，发生烧蚀而发光，形成流星雨。彗星尘的烧蚀产物成为水汽凝核，影响气候和降水。

从观测研究哈雷彗星以来，鉴于地球上水资源缺乏的问题，笔者有个越来越强的梦想：现代航天技术可以向运行到地球附近的彗星近旁发射飞船，用飞船的引力牵引改变彗星轨道，使彗星撞击到地球的大沙漠地区，为那里提供水资源。作为先行试验，可用飞船牵引彗星撞击月球而提供月球基地的用水。这当然是大课题，一方面需要选择适宜的彗星并详细观测研究其轨道的可能变化，另一方面需要设计执行任务的制导飞船。

(2014年3月20日收稿)

[1] 胡中为, 徐伟彪. 行星科学[M]. 北京:科学出版社, 2008.

[2] Wikipedia. Comet ISON [EB/OL]. (2014-2-26) [ 2014-3-20]. http:// en.wikipedia.org/wiki/Comet_ISON.

[3] NACRROBERT A. Latest Updates on Comet ISON [EB/OL]. [ 2014-3-20]. http://www.skyandtelescope.com/observing/highlights/Comet-ISON-Updates-193909261.html.

[4] Wikipedia. Comet nucleus [EB/OL]. (2014-2-26)[ 2014-3-20]. http:// en.wikipedia.org/wiki/Comet_nucleus.

[5] POWELL C S. 10 Lessons from the “Comet of the Century” [EB/ OL]. (2014-2-3)[ 2014-3-20]. http://blogs.discovermagazine.com/ outthere/2014/01/05/10-lessons-comet-century.

(编辑：温文)

Wonderful astronomical phenomena: Comet ISON

HU Zhongwei
School of Astronomy and Space Sience, Nanjing University, Nanjing 210008, China

There is few opportunity, for a naked eye to see a comet, especially a bright comet tail. It is important to research it. Undoubtedly, the comet ISON is the most novel astronomical phenomena in 2013. It comes for the first time from the edge to the inner area of the solar system, and is discovered as a“new”comet, speculated that as near the earth it may show“century comet”outline of the spectacular through outer high temperature atmosphere of the sun (solar corona) and show its destruction face as “ a fl ying moth darts into the fi re”. Many amateurs, experts as well as spacecrafts made a large number of observations, presented a lot of valuable information, novel and interesting. In fact, it’s ontology is freezing ice-dust small nucleus, with closing to the sun, the evaporation materials out of the nucleus form a big and bright coma and a long tail.

comet ISON, cometary nucleus, cometary coma, cometary tail, sun-grazing comet

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.04.006

†通信作者，E-mail：huzhwls@126.com