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古人眼中的扫把星 空间物理学家的宝贝

2018-02-22 10:00 来源:科技日报

  身边的天文学

  在绚烂的夜空中,有时会看到拖着长尾巴的不速之客,这就是彗星。因为有些彗星的尾部看起来好像是一把倒挂着的扫把,在我国彗星也被形象地称为“扫把星”。它的出现在古代往往被视作不祥之兆。葡萄牙国王阿方索六世在1664年看见彗星时,因为对彗星的厌恶和恐惧,竟然掏出手枪向彗星射击。随着天文学的发展,人们对彗星的了解越来越深入。这种在太阳系中来往穿梭的天体,不但可能为生命的产生提供了最初的温床,还给空间物理学家们提供了研究太阳风和太阳磁场的天然探测器。

  遥远的来客

  除了一小部分轨道为抛物线或双曲线的彗星外,大部分彗星的轨道都是椭圆形。和其他天体一样,彗星也具有在轨道上往复运动的周期,但这个周期一般较长。我们熟知的哈雷彗星,其轨道周期在75年左右,一个人一生中鲜有机会目睹两次哈雷彗星。轨道周期短于200年的彗星,被称为短周期彗星。它们一般被认为来自于海王星轨道外、从约30天文单位(AU,1天文单位约为1.5×108公里)延伸到55AU的柯伊伯带。在那里,大量由冷冻的挥发成分,如甲烷、氨、水等物质组成的天体,被太阳的引力束缚在黄道平面上下10度的范围内。

  轨道周期长于200年的彗星,被称作长周期慧星。在上世纪中叶,荷兰天文学家奥尔特注意到,多数长周期彗星的轨道的远日点位于约20000AU处。和短周期彗星的轨道大部分处在黄道面附近不同,长周期彗星造访太阳附近时,可以来自各个方向。因此,奥尔特推论在距离太阳20000AU左右的距离上,应该有一个各向均匀分布的球形云团,长周期彗星的发源地就在那里。

  生命的温床

  上世纪中叶,美国天文学家普惠尔提出了著名的“脏雪球”模型,认为彗星的内核是由含冰的凝聚物构成的。随着对彗星观测的深入,天文学家们发现“脏雪球”的描述基本正确,但彗星内核的成分远不止冰,还有岩石和冻结的二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨等。此外,彗星内核还包含有各种各样的有机物,包括甲醇、甲醛、乙醇、乙醛等。蛋白质和DNA是构成生命的基本物质,这些具有复杂结构的大分子物质,实际是由氨基酸、腺嘌呤、鸟嘌呤等小分子物质构成的。1999年,NASA发射了“星尘号”探测器,飞往维尔特二号彗星。科学家们分析星尘号不远万里带回的约100万彗星及星际尘埃粒子样本后,惊奇地发现了一种重要的氨基酸——甘氨酸,从而为生命起源的研究提供了证据。

  2014年10月和2015年8月,欧空局的罗塞塔号探测器两次在丘留莫夫-格拉西缅科彗星上发现了甘氨酸的痕迹。此外,还发现了甲胺和乙胺这两种有机分子。甲胺和乙胺是合成甘氨酸的前身物质,因此罗塞塔号的发现也给了科学家们研究彗星上甘氨酸形成过程的机会。由于在彗星上探测到的水在同位素构成比例上与地球上的水存在明显差异,罗塞塔号还证实地球上的水可能并不像一些科学家设想的那样,是由彗星带到地球上的。

  如果彗星是孕育生命的温床,那么这些形成生命的初始物质又是怎样来到地球上的呢?NASA戈达德天体生物学分析实验室的科学家们通过对陨石的研究给出了可能的答案。通过分析12块可能来自彗星的陨石,科学家们在其中发现了构成DNA的基本物质——腺嘌呤和鸟嘌呤。陨石坠落到地球后,难免受到地球上物质的污染,而科学家们发现陨石附近的土壤和冰中并没有与陨石上探明的嘌呤物质相似的物质。联系其他生物学上的证据,科学家们确认陨石中的生命物质的确来自太空。

  太阳风的探针

  上世纪中叶,天文学家路德维希·比尔曼注意到了彗星的另一个有趣现象。他发现,当彗星在太空中穿行时,会出现两个指向不同的尾巴。其中一个慧尾总指向背离太阳的方向。比尔曼推测,在太空中应该存在一些流动的物质,吹拂着彗星,形成了这个特别的慧尾。后来,天体物理学家尤金·帕克根据比尔曼的观测,提出来著名的帕克太阳风模型,指出吹拂彗星尾巴的是由膨胀的太阳大气所形成的太阳风。由等离子体组成的太阳风,在接近太阳表面的日冕中被加速和加热后,裹挟着太阳磁场向行星际空间喷薄而去。由电离气体组成的气体彗尾正是在太阳风等离子体和磁场的作用下,才始终指向远离太阳的方向。而由尘埃喷流形成的尘埃慧尾,则总会因彗星的运动而被拖拽在彗星谷轨道的后方。

  随着航天技术的发展,人们早已证实了太阳风的存在,并对日冕中的磁场结构和太阳风加热加速过程有所了解。然而,观测技术的限制使得科学家们难以确切地搞清紧挨太阳表面的低层日冕中的物理过程。2011年,两颗经过太阳附近的彗星再次给了空间物理学家们新的发现。2011年6月,C/2011 N3彗星在飞掠太阳附近时没有经受住太阳的炙烤,在太阳附近解体。美国的太阳动力学观测台(SDO)的遥感观测表明,彗星在被消融后,几分钟就被太阳大气加热到了50万度以上。彗星消融后的物质,很有可能随着太阳风被吹拂到行星际空间中。由于彗星的化学成分和太阳大气本身有着一些差别,彗星的物质可以充当“示踪粒子”。当这些示踪粒子在行星际空间中被探测到后,科学家们可以结合行星际空间探测和日冕遥感观测,对太阳风的加热过程作更深入的研究。

  与C/2011 N3相比,C/2011 W3彗星则要幸运很多。2011年12月它飞掠太阳时,距太阳表面最近仅14万公里,但仍幸存了下来。目前,科学家可以通过磁场的塞曼效应,通过遥感观测推断出太阳表面的光球上的磁场分布情况。然而,对于太阳表面附近的日冕磁场,则没有很好的探测方式,只能通过模型计算得到。C/2011 W3气体彗尾在太阳附近的摆动,刚好给了研究者们测量日冕磁场的机会。

  (作者系中科院空间科学中心博士生)

(责任编辑:王蔚)

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