NEOWISE為什麼有兩條“尾巴”_風聞

源自Forbes宇宙爆炸專欄

專欄作者：Ethan Siegel

翻譯：毛明遠

校對：牧夫天文校對組

後期：庫特莉亞芙卡，李子琦

封面圖片1

這幅壯觀的NEOWISE彗星照片很好地展現出了幽藍的離子彗尾和灰白色的塵埃彗尾。我們可以清楚地看出塵埃彗尾呈現出擴散和彎曲的形態，而離子彗尾則沒那麼發散並且是較筆直的

Credit: DAMIAN PEACH / IAN SHARP

NEOWISE這顆裸眼彗星給人們帶來了無比巨大的驚喜，越來越多的人們目睹了它的“芳容”！七月中旬NEOWISE逐步升高，更接近於北斗七星。裸眼下，在晴朗的條件下對準目標方向，可以看到它的模糊影像。如果使用雙筒望遠鏡、天文望遠鏡或長曝光攝影，這顆彗星的形態能更好地展現出來：彗核是相對明亮的，可以達到夜空中亮度前一百名恆星的水平。主彗尾可以從彗核延展開來10°，呈現出發散且彎曲的形態。正如封面圖片展示的那樣，我們還可以看到淡藍色的較窄的筆直彗尾。很多彗星都擁有這樣的兩條“尾巴”，讓我們一探究竟。

示意圖：靠近太陽的彗星往往能夠展示出兩條彗尾，其中一條較筆直的離子彗尾背離太陽方向。

Credit: SERGEY PROKUDIN-GORSKY; ЮКАТАН / WIKIMEDIA COMMONS2

早在還沒有發明望遠鏡的時代，人們就發現了彗星的兩條“尾巴”。較著名的文獻記載可以追溯到十六世紀第谷（Tycho Brahe）對兩條彗尾的描述，主彗尾彎曲呈現出反射陽光的灰白色；另一條彗尾則是較筆直的且背離太陽方向的。主彗尾通常呈現出類似於彗核的顏色，這取決於它的物質構成。但另一條彗尾則往往是藍色的。

圖為1997年著名的海爾波普大彗星，很好地展示出兩條彗尾的特徵。

Credit: UNIVERSAL IMAGES GROUP VIA GETTY IMAGES

十七世紀後期，我們發現了部分彗星的週期現象，它們來自遙遠的太陽系外側，沿着較大偏心率的橢圓軌道運行，週期可以是幾十年、幾世紀甚至幾千年。當冰凍的彗星運行到靠近太陽的時候，比如運行到大約木星軌道範圍內，越來越強的太陽輻射將使得彗星表面物質昇華，將產生以下兩個現象：

1.彗發，即彗星周圍昇華和釋放的物質反射太陽光展現出的暈；

2.彗尾，塵埃和氣體等在太陽輻射和太陽風作用下的延伸部分。

C/2014 Q2愛喜彗星展現出明亮的綠色彗發、長長的塵埃彗尾和較窄的離子彗尾

Credit: JOHN VERMETTE / WIKIMEDIA COMMONS

雖然塵埃彗尾總是彎曲的，但我們是否能夠觀測到這一現象要取決於我們的視角。塵埃和氣體物質釋放機制是多樣的。彗星表面的小裂隙在熱作用下釋放物質；一些原本電磁力作用下束縛的物質被昇華出來的氣體帶出來的；一些物質源於局部彗星破裂脱離的物質。上述釋放或脱離的物質形成了彗星的彗尾。

彗發和離子彗尾早於塵埃彗尾形成，但越靠近太陽，塵埃彗尾越顯著

Credit: LABORATORY FOR ATMOSPHERIC AND SPACE SCIENCES/ NASA

從彗星釋放出的塵埃會受到以下三種作用：

1.太陽的引力作用

2.彗星的引力作用

3.太陽輻射的作用

塵埃彗尾總是呈現背離太陽的方向，但彗星運行的路徑是曲線。遠端的塵埃彗尾是較早釋放出的，遠端和近端物質的上述三種作用力隨着時間、彗星位置和到太陽的距離變化而變化，因此呈現出彎曲的特徵。

2006年在澳大利亞的維多利亞州拍攝的麥克諾特彗星（McNaught），白色擴散開的塵埃彗尾；相對暗淡的藍色狹窄離子彗尾筆直地背離太陽方向Credit: SOERFM / WIKIMEDIA COMMONS

但離子彗尾就不同了。首先我們要明白離子彗尾的構成，當彗星逐漸靠近太陽，太陽的紫外光足夠強時會使昇華出的一氧化碳離子化。這個昇華作用不僅包括水，還有二氧化碳、甲烷、氨和一氧化碳，這就是彗星昇華出的5種最主要氣體物質。其中一氧化碳最容易被離子化，形成CO+。我們可以尋找一些早期彗星的影像（距離太陽相對較遠），我們只能看到這種藍色的離子彗尾。如下圖：

圖為艾森彗星（ISON）在大約木星軌道距離時（約5倍地日距離），我們僅能看到彗發和藍色離子彗尾，當它越來越靠近太陽，塵埃尾逐漸展現出來。後來，艾森彗星在靠近太陽時破碎了。

Credit: NASA, ESA, J.-Y. LI (PLANETARY SCIENCE INSTITUTE), AND THE HUBBLE COMET ISON IMAGING SCIENCE TEAM

塵埃彗尾和離子彗尾除了顏色不同，一個顯著的特徵是塵埃彗尾擴散程度非常大。這是因為塵埃的顆粒大小區別很大，因此雖然引力加速作用相同，但太陽輻射作用的壓力不同。而離子則接受到相似的輻射壓力（且更多由電磁力作用主導）。

來自德國的Patrick Knaup拍攝的NEOWISE展示出本文描述的塵埃彗尾和離子彗尾，通常裸眼只能觀測到塵埃彗尾，藉助雙筒望遠鏡、天文望遠鏡和長時曝光攝影可以看到離子彗尾。

Credit:  PATRICK KNAUP

太陽的體積很大，並不是點光源，陽光作用於彗星由塵埃、氣體和離子構成的彗發，離子遠離太陽呈現出較小開角的離子彗尾。並且離子彗尾並不會像塵埃彗尾那樣彎曲，第谷早在400多年前就發現了這一現象。

離子彗尾形成

Credit: LIEM BAHNEMAN

太陽可不僅僅是存在於太陽系中心的半徑70萬公里的氣體等離子球，太陽風粒子、日冕流和磁場向外作用範圍廣泛，包括地球也身處它們的強大作用之下。也正因為它們與彗星離子的作用，形成了背離太陽的離子彗尾。太陽風帶電粒子與源自彗星的帶電粒子，沿着太陽風的磁場和彗星帶電粒子產生的磁場合並後的磁力線較快速地運動，帶電粒子碰撞激發產生顏色，多為CO+主導的藍色。我們通過觀測和計算機模擬都證實了這一現象。

動圖展示了彗發形成和離子彗尾形成

Credit: NASA/JPL-CALTECH

如今，NEOWISE如同孔雀開屏般在天空依舊展示着自己最“完美的”身姿，筒子們繼續抓住7月的最後機會哦！

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即使是最普通的雙層口罩，打噴嚏時也可以將飛沫噴射距離由2.5米降低到10釐米。

公共場所打噴嚏時拿掉口罩，作孽啊！

Credit: S. VERMA, M. DHANAK, AND J. FRANKENFIELD, PHYSICS OF FLUIDS 32, 061708 (2020)