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身邊的天文學(xué)

在絢爛的夜空中，有時會看到拖著長尾巴的不速之客，這就是彗星。因為有些彗星的尾部看起來好像是一把倒掛著的掃把，在我國彗星也被形象地稱為“掃把星”。它的出現(xiàn)在古代往往被視作不祥之兆。葡萄牙國王阿方索六世在1664年看見彗星時，因為對彗星的厭惡和恐懼，竟然掏出手槍向彗星射擊。隨著天文學(xué)的發(fā)展，人們對彗星的了解越來越深入。這種在太陽系中來往穿梭的天體，不但可能為生命的產(chǎn)生提供了最初的溫床，還給空間物理學(xué)家們提供了研究太陽風(fēng)和太陽磁場的天然探測器。

遙遠(yuǎn)的來客

除了一小部分軌道為拋物線或雙曲線的彗星外，大部分彗星的軌道都是橢圓形。和其他天體一樣，彗星也具有在軌道上往復(fù)運動的周期，但這個周期一般較長。我們熟知的哈雷彗星，其軌道周期在75年左右，一個人一生中鮮有機(jī)會目睹兩次哈雷彗星。軌道周期短于200年的彗星，被稱為短周期彗星。它們一般被認(rèn)為來自于海王星軌道外、從約30天文單位(AU，1天文單位約為1.5×108公里)延伸到55AU的柯伊伯帶。在那里，大量由冷凍的揮發(fā)成分，如甲烷、氨、水等物質(zhì)組成的天體，被太陽的引力束縛在黃道平面上下10度的范圍內(nèi)。

軌道周期長于200年的彗星，被稱作長周期慧星。在上世紀(jì)中葉，荷蘭天文學(xué)家奧爾特注意到，多數(shù)長周期彗星的軌道的遠(yuǎn)日點位于約20000AU處。和短周期彗星的軌道大部分處在黃道面附近不同，長周期彗星造訪太陽附近時，可以來自各個方向。因此，奧爾特推論在距離太陽20000AU左右的距離上，應(yīng)該有一個各向均勻分布的球形云團(tuán)，長周期彗星的發(fā)源地就在那里。

生命的溫床

上世紀(jì)中葉，美國天文學(xué)家普惠爾提出了著名的“臟雪球”模型，認(rèn)為彗星的內(nèi)核是由含冰的凝聚物構(gòu)成的。隨著對彗星觀測的深入，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)“臟雪球”的描述基本正確，但彗星內(nèi)核的成分遠(yuǎn)不止冰，還有巖石和凍結(jié)的二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨等。此外，彗星內(nèi)核還包含有各種各樣的有機(jī)物，包括甲醇、甲醛、乙醇、乙醛等。蛋白質(zhì)和DNA是構(gòu)成生命的基本物質(zhì)，這些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大分子物質(zhì)，實際是由氨基酸、腺嘌呤、鳥嘌呤等小分子物質(zhì)構(gòu)成的。1999年，NASA發(fā)射了“星塵號”探測器，飛往維爾特二號彗星。科學(xué)家們分析星塵號不遠(yuǎn)萬里帶回的約100萬彗星及星際塵埃粒子樣本后，驚奇地發(fā)現(xiàn)了一種重要的氨基酸——甘氨酸，從而為生命起源的研究提供了證據(jù)。

2014年10月和2015年8月，歐空局的羅塞塔號探測器兩次在丘留莫夫-格拉西緬科彗星上發(fā)現(xiàn)了甘氨酸的痕跡。此外，還發(fā)現(xiàn)了甲胺和乙胺這兩種有機(jī)分子。甲胺和乙胺是合成甘氨酸的前身物質(zhì)，因此羅塞塔號的發(fā)現(xiàn)也給了科學(xué)家們研究彗星上甘氨酸形成過程的機(jī)會。由于在彗星上探測到的水在同位素構(gòu)成比例上與地球上的水存在明顯差異，羅塞塔號還證實地球上的水可能并不像一些科學(xué)家設(shè)想的那樣，是由彗星帶到地球上的。

如果彗星是孕育生命的溫床，那么這些形成生命的初始物質(zhì)又是怎樣來到地球上的呢?NASA戈達(dá)德天體生物學(xué)分析實驗室的科學(xué)家們通過對隕石的研究給出了可能的答案。通過分析12塊可能來自彗星的隕石，科學(xué)家們在其中發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成DNA的基本物質(zhì)——腺嘌呤和鳥嘌呤。隕石墜落到地球后，難免受到地球上物質(zhì)的污染，而科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)隕石附近的土壤和冰中并沒有與隕石上探明的嘌呤物質(zhì)相似的物質(zhì)。聯(lián)系其他生物學(xué)上的證據(jù)，科學(xué)家們確認(rèn)隕石中的生命物質(zhì)的確來自太空。

太陽風(fēng)的探針

上世紀(jì)中葉，天文學(xué)家路德維希·比爾曼注意到了彗星的另一個有趣現(xiàn)象。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彗星在太空中穿行時，會出現(xiàn)兩個指向不同的尾巴。其中一個慧尾總指向背離太陽的方向。比爾曼推測，在太空中應(yīng)該存在一些流動的物質(zhì)，吹拂著彗星，形成了這個特別的慧尾。后來，天體物理學(xué)家尤金·帕克根據(jù)比爾曼的觀測，提出來著名的帕克太陽風(fēng)模型，指出吹拂彗星尾巴的是由膨脹的太陽大氣所形成的太陽風(fēng)。由等離子體組成的太陽風(fēng)，在接近太陽表面的日冕中被加速和加熱后，裹挾著太陽磁場向行星際空間噴薄而去。由電離氣體組成的氣體彗尾正是在太陽風(fēng)等離子體和磁場的作用下，才始終指向遠(yuǎn)離太陽的方向。而由塵埃噴流形成的塵埃慧尾，則總會因彗星的運動而被拖拽在彗星谷軌道的后方。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人們早已證實了太陽風(fēng)的存在，并對日冕中的磁場結(jié)構(gòu)和太陽風(fēng)加熱加速過程有所了解。然而，觀測技術(shù)的限制使得科學(xué)家們難以確切地搞清緊挨太陽表面的低層日冕中的物理過程。2011年，兩顆經(jīng)過太陽附近的彗星再次給了空間物理學(xué)家們新的發(fā)現(xiàn)。2011年6月，C/2011 N3彗星在飛掠太陽附近時沒有經(jīng)受住太陽的炙烤，在太陽附近解體。美國的太陽動力學(xué)觀測臺(SDO)的遙感觀測表明，彗星在被消融后，幾分鐘就被太陽大氣加熱到了50萬度以上。彗星消融后的物質(zhì)，很有可能隨著太陽風(fēng)被吹拂到行星際空間中。由于彗星的化學(xué)成分和太陽大氣本身有著一些差別，彗星的物質(zhì)可以充當(dāng)“示蹤粒子”。當(dāng)這些示蹤粒子在行星際空間中被探測到后，科學(xué)家們可以結(jié)合行星際空間探測和日冕遙感觀測，對太陽風(fēng)的加熱過程作更深入的研究。

與C/2011 N3相比，C/2011 W3彗星則要幸運很多。2011年12月它飛掠太陽時，距太陽表面最近僅14萬公里，但仍幸存了下來。目前，科學(xué)家可以通過磁場的塞曼效應(yīng)，通過遙感觀測推斷出太陽表面的光球上的磁場分布情況。然而，對于太陽表面附近的日冕磁場，則沒有很好的探測方式，只能通過模型計算得到。C/2011 W3氣體彗尾在太陽附近的擺動，剛好給了研究者們測量日冕磁場的機(jī)會。

(作者系中科院空間科學(xué)中心博士生)