穿越時空的彗星觀測
- 物理專文
- 撰文者：林忠義
- 發文日期：2020-10-26
- 點閱次數：1073
2020年，一顆自1997年的海爾-波普彗星 (C/1995 (Hale-Bopp)) 以來最為明亮的彗星在盛夏的北半球造成了一股前所未有的觀測旋風，而台灣天文迷在夏至日環食的驚艷後，也迅速把目光聚焦到這顆難得肉眼可觀測的彗星身上。
這顆新彗星姑且不論它的中文名字（新智彗星或尼歐懷茲彗星），從它的英文名字C/2020 F3 (NEOWISE) 可以略知彗星一二。
第一是它發現的時間為2020年三月下旬（正確發現日期為3月27日）。這彗星命名規則是由1994年舉辦的國際天文學聯合會（International Astronomical Union，簡稱IAU）所制定的，規則如下：
一年之中，以每半個月為一單位，使用英文大寫字母表示彗星發現時序（略過自母I與Z，表一），若同一時序上若發現數顆彗星則以數字表示發現的先後順序，如F3就是三月下旬發現的第三顆彗星；
其次NEOWISE為發現者之名，這是美國太空總署 (NASA) 的廣域紅外線巡天探測衛星 (WISE) 發現的，並以目前近地天體 (NEO) 搜尋計畫任務之名命名。其實翻開彗星觀測史，不難發現許多彗星的名字皆由發現者或發現者所屬的巡天計畫命名，如台灣第一次發現的鹿林彗星 (C/2007 N3 (Lulin)) 是由發現者鹿林天文台命名或曾經被天文學家預測亮度將超過滿月亮度的艾桑彗星 (C/2012 S1 (ISON)) 是由俄國天文學家國際科學光學監測網(International Scientific Optical Network) 簡寫命名。
第三是C/2020 F3 (NEOWISE) 中的“C”，代表彗星是一顆非週期性的彗星（軌道非受恆星太陽所束縛，如雙曲線與拋物線軌道）或者是有著橢圓軌道，但周期卻長達好幾千年的彗星。如NEOWISE的周期就將近6800多年。當然也有彗星周期性繞著太陽轉，如著名的哈雷彗星 (1P/Halley)，就是編號第一個發現的周期彗星，其周期約為75-76年，由於是第一個周期彗星且彗核大小不算太小，因此也成為中西方歷史所紀載的最多的彗星之一。如西元前613年《春秋》魯文公十四年「秋七月，有星孛入於北斗。」就是紀載哈雷彗星最早的史料！
這些彗星的周期有長有短，也意味這些星際旅行者的故鄉是不同的，但絕大多數是在遙遠太陽系邊緣，如海王星外帶狀分布的柯伊柏帶（Kuiper Belt圖一）和距離太陽幾萬到數十萬天文單位球狀分布的歐特雲（Oort Cloud圖一），前者被認為是短周期彗星的來源地，後者則是長周期彗星的主要來源。然而，不論這些星際旅者來自於何方，它們都是太陽系形成時之初所遺留下來的殘留物質，而研究這「活化石」可以了解太陽系形成初期重要的化學組成信息與理解太陽系的形成機制。
圖一 歐特雲與柯伊柏帶的示意圖 https://www.spacetelescope.org/images/opo0204i/
彗星的中心也就是彗核，直徑約數百公尺到幾十公里，在早期被稱為「骯髒雪球」，主要是因為從地面上的觀測資料中發現冰物質、小石塊、塵埃的蹤跡，其中又以水占大部分（約占90%），如同雪地上滾出骯髒的雪球而命名，當然冰物質除了水之外，還有二氧化碳、一氧化碳、氨、氮、氰、甲烷等，這些有機物質對於地球生命起源有一定的作用。我們都知道地球上的生命是碳元素基礎上建立起來的，也是組成生物體的最基本元素，例如：胺基酸與磷元素等，科學家經由研究發現這些提供生命的有機化合物是存在於太空，並有可能藉著彗星與地球的碰撞1時傳送至地球。
註一：科學家從月球的隕石坑證實約42-38億年前太陽系內部曾遭受小行星和彗星猛烈的撞擊，而這時期恰與地球早期生命孕育的時間相符合，這就暗示著小行星和彗星對於地球生命起源是有一定的重要作用。
當冰凍的彗核進入太陽系內部後，表面溫度逐漸升高，彗核中冰物質的各個成分因達到昇華溫度而漸漸揮發，尤其當彗星進入太陽系的「雪線」(snow line) 之內時（約三個天文單位），彗核中占絕大部分的水冰便開始強烈揮發，其彗星特徵-彗髮 (Coma) 與彗尾-才讓人們在夜空中發現並加以研究2。
註二：現在大型望遠鏡技術日新月異與大視場巡天系統深度逐年增加，每隔幾天就能把全天星空拍上一次，新的彗星發現已不在侷限於幾個天文單位內，有許多新彗星往往在距離火星與木星軌道間 （約7~8天文單位）就被偵測到。
隨著彗星繼續朝著太陽方向運行，並且到達與太陽最短的距離（近日點），彗星上反射太陽的灰塵粒子與揮發的物質含量都迅速增加，換句話說彗星的亮度也就逐漸上升，彗尾也越來越長3。有些彗星的亮度可以明亮到肉眼可見程度進而成為天文迷聚焦的彗星，如同NEOWISE彗星。然而，並不是所有預測可能成為肉眼可見的彗星都會安然通過近日點，因為彗星在靠近太陽的過程中，彗星物質不斷揮發，其內部結構也可能發生變化。有的彗星結構可能過於鬆散，還未到近日點就瓦解碎裂成許多碎片（圖二）。有的彗星軌道離太陽過近，在近日點後也灰飛煙滅，無法成為令人期待肉眼可見的彗星（圖三）。有些彗星雖然安然在自己的橢圓軌道中運行多年，但仍有可能發生爆發現象而成數小塊（圖四）。也有些彗星在數次回歸後成為無彗星特徵的天體，就如同小行星。有的彗星的命運更多變，在旅行半路上經過木星等大行星時受到了潮汐力的影響，改變了命運！它可能改變了軌道，進入了內太陽系也可能被彈射出太陽系，甚至有可能被分解成數個小彗星（圖五）。
圖二 哈伯望遠鏡拍攝到的C/2019 Y4 (ATLAS) 彗星的彗核分裂現象。 https://www.nasa.gov/sites/default/fil ... i-h-p2028a-f-2504x736.png
圖三 艾桑彗星在2013年11月28號通過近日點後，沒能撐過太陽的重力和熱度，分解成一堆碎片了。圖為 SOHO衛星的LASCO C3日冕儀影像所拍攝彗核分裂現象。 https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Ima ... /Comet_ISON_disintegrates
圖五： 修梅克-李維9號彗星 (Shoemaker-Levy 9, SL9) 在1992年接近木星後，被木星強大的重力撕碎。兩年之後，著名的「彗木相撞」事件，就是修梅克-李維9號彗星的碎片撞擊木星，並在木星大氣留下了撞擊後的黑色傷痕。圖為哈伯望遠鏡觀測彗星撞木星時的合成照片。https://www2.jpl.nasa.gov/sl9/image247.html
因此可以想像，古時候當明亮的彗星出現於天空時，若突然消失會讓當時候的人們開始天馬行空的描繪，姑且不論彗星是否有巨大變化，當彗星拖著長長尾巴出現在古時候的夜空時，又經歷一段時間又逐漸消失離開，這在對彗星不甚了解的年代實在讓人心生恐懼。
這從中國古代對彗星的其它稱呼：孛星、星孛、妖星、異星、蓬星、長星……便不難看出。《史記》記載，秦始皇帝時期，曾出現數次彗星異象，且均有對應的史時應驗。比如「七年，彗星先出東方，見北方，五月見西方。將軍驁死……彗星復見西方十六日。夏太后死」；《史記．天官書》記載，秦始皇十五年出現四次彗星，「久者八十日，長或竟天」。後來秦始皇帝滅六國，外攘四夷，一統中原。在西方也是視為上天的一種凶兆認，為它會帶來瘟疫、戰爭、飢餓等災禍。1664年冬天，一顆彗星拖著長長的尾巴，從倫敦上空劃過，之後倫敦發生瘟疫，帶走倫敦五分之一人口。現今，我們已知道彗星也是繞著太陽運轉的一個天體，只不過相較於行星於黃道面穩定的圓形軌道，彗星的橢圓軌道是會穿梭在太陽系內外之間！
註三：彗星往往存在有兩條尾巴，一條為黃白色彌散且彎曲的塵埃尾，另一條是藍色狹長而筆直的離子尾，方向則永遠背向太陽。塵埃尾是由彗核噴發出大大小小的塵埃，這些塵埃受太陽重力與太陽光壓影響，因而彌散彎曲；離子尾的成因是揮發性的中性物質經過太陽風的光解離與游離作用，形成離子態的H2O+、CO+、CO2+、OH+等，其藍光主要由CO+造成。
許多人對彗星的印象應該是著名哈雷彗星，而哈雷彗星上一次回歸的時候是1986年，這年代似乎對現在的學生有點久遠，就連四、五十歲的人也未必有印象，然而當時的科學家卻對這顆歷史留名的彗星有個雄心壯志的野心，那就是派遣太空船對彗星做近距離觀測，於是哈雷艦隊 (Halley Armada) 就因而成行，雖然當時只有部分太空船完成近距離彗核觀測的壯舉（圖六），但也為往後彗星太空任務奠定相當程度的基礎。從2001年開始的深空一號 (Deep Space 1)、星塵號 (Stardust)、深度撞擊號 (Deep Impact) 到2010與2011年的太空船延伸任務EPOXI與NexT，再再顯示人類是多麼想了解這太陽系初期所遺留下來的產物；然而，就在科學家自以為了解彗星的時候，2014年的羅賽塔任務中的登『彗』計畫卻遭逢嚴重的挫敗，原因是登彗艇-菲萊 (Phaela)-在"堅硬”的彗核表面彈跳數次後，落到一個無法用太陽補充其能源的地方，造成菲萊只能用備用電池工作了兩三天！羅賽塔團隊並沒有因此氣餒，在這唯一兩年多的繞彗任務中仍然解答了許多人類對彗星的疑問，包含彗核表面的描繪與成分分析、彗星噴流的成因與內部彗髮中氣體與灰塵粒子的交互作用、彗星氣體成分的解析與星際間分子比較等等。
圖六：1986年歐空局的喬托號 (Giotto) 探測器近距離拍攝的哈雷彗星 https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Ima ... _approaching_Comet_Halley
做為研究彗星的科學家，不論觀測資料來自於地面或太空船，都會無比興奮與珍惜。然而，這些太空任務對於一般民眾是相當遙遠也是三分鐘熱度的新聞，原因在於無法親為！為什麼人們對於23年前的彗星仍念念不忘，原因就是亮彗星太少了！這些用來當作太空船的目標最亮也只達到肉眼可見邊緣，幾顆可比擬海爾-波普彗星的亮彗星也只出現在相對人口少的南半球，然而占全球大部分人口的北半球，雖然有經歷壯觀的日全食與流星雨大爆發等天文景象，23年來卻沒有一顆明亮的彗星來讓居住在北半球城市中的居民驚艷，而彗星NEOWISE來得巧妙，雖然只能在日出前晨光或日落後餘暉中的低空被觀測到，但這已足夠讓北半球的民眾體驗到彗星的魅力（圖七）。
參考資料
• Y. Furukawa et al., Nucleobase and amino acid formation through impacts of meteorites on the early ocean, Earth and Planetary Science Letter, 429, 1 (2015).
• K. Altwegg et al., Prebiotic chemicals—amino acid and phosphorus—in the coma of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, Science Advances, 2, 5 (2016).
• N. Thomas et al., Towards New Comet Missions, Space Science Review, 215, 47 (2019).
• 秦順天，【歷史上的瘟疫】帶走倫敦1/5人口的瘟疫 -- 倫敦大瘟疫 。檢自https://www.epochtimes.com/b5/20/5/1/n12076409.htm (2020)。
• 《春秋》。
• 高文芳、張祥光。《蔚為奇談！宇宙人的科學百科》。三民 (2019)。
• 司馬遷。《史記．秦始皇本紀》。
• 司馬遷。《史記．天官書》。
作者： 林忠義
國立中央大學天文所 博士後研究員
這顆新彗星姑且不論它的中文名字（新智彗星或尼歐懷茲彗星），從它的英文名字C/2020 F3 (NEOWISE) 可以略知彗星一二。
第一是它發現的時間為2020年三月下旬（正確發現日期為3月27日）。這彗星命名規則是由1994年舉辦的國際天文學聯合會（International Astronomical Union，簡稱IAU）所制定的，規則如下：
一年之中，以每半個月為一單位，使用英文大寫字母表示彗星發現時序（略過自母I與Z，表一），若同一時序上若發現數顆彗星則以數字表示發現的先後順序，如F3就是三月下旬發現的第三顆彗星；
表一 彗星的命名編號與所發現的月份有關
其次NEOWISE為發現者之名，這是美國太空總署 (NASA) 的廣域紅外線巡天探測衛星 (WISE) 發現的，並以目前近地天體 (NEO) 搜尋計畫任務之名命名。其實翻開彗星觀測史，不難發現許多彗星的名字皆由發現者或發現者所屬的巡天計畫命名，如台灣第一次發現的鹿林彗星 (C/2007 N3 (Lulin)) 是由發現者鹿林天文台命名或曾經被天文學家預測亮度將超過滿月亮度的艾桑彗星 (C/2012 S1 (ISON)) 是由俄國天文學家國際科學光學監測網(International Scientific Optical Network) 簡寫命名。
第三是C/2020 F3 (NEOWISE) 中的“C”，代表彗星是一顆非週期性的彗星（軌道非受恆星太陽所束縛，如雙曲線與拋物線軌道）或者是有著橢圓軌道，但周期卻長達好幾千年的彗星。如NEOWISE的周期就將近6800多年。當然也有彗星周期性繞著太陽轉，如著名的哈雷彗星 (1P/Halley)，就是編號第一個發現的周期彗星，其周期約為75-76年，由於是第一個周期彗星且彗核大小不算太小，因此也成為中西方歷史所紀載的最多的彗星之一。如西元前613年《春秋》魯文公十四年「秋七月，有星孛入於北斗。」就是紀載哈雷彗星最早的史料！
這些彗星的周期有長有短，也意味這些星際旅行者的故鄉是不同的，但絕大多數是在遙遠太陽系邊緣，如海王星外帶狀分布的柯伊柏帶（Kuiper Belt圖一）和距離太陽幾萬到數十萬天文單位球狀分布的歐特雲（Oort Cloud圖一），前者被認為是短周期彗星的來源地，後者則是長周期彗星的主要來源。然而，不論這些星際旅者來自於何方，它們都是太陽系形成時之初所遺留下來的殘留物質，而研究這「活化石」可以了解太陽系形成初期重要的化學組成信息與理解太陽系的形成機制。
圖一 歐特雲與柯伊柏帶的示意圖 https://www.spacetelescope.org/images/opo0204i/
彗星的中心也就是彗核，直徑約數百公尺到幾十公里，在早期被稱為「骯髒雪球」，主要是因為從地面上的觀測資料中發現冰物質、小石塊、塵埃的蹤跡，其中又以水占大部分（約占90%），如同雪地上滾出骯髒的雪球而命名，當然冰物質除了水之外，還有二氧化碳、一氧化碳、氨、氮、氰、甲烷等，這些有機物質對於地球生命起源有一定的作用。我們都知道地球上的生命是碳元素基礎上建立起來的，也是組成生物體的最基本元素，例如：胺基酸與磷元素等，科學家經由研究發現這些提供生命的有機化合物是存在於太空，並有可能藉著彗星與地球的碰撞1時傳送至地球。
註一：科學家從月球的隕石坑證實約42-38億年前太陽系內部曾遭受小行星和彗星猛烈的撞擊，而這時期恰與地球早期生命孕育的時間相符合，這就暗示著小行星和彗星對於地球生命起源是有一定的重要作用。
當冰凍的彗核進入太陽系內部後，表面溫度逐漸升高，彗核中冰物質的各個成分因達到昇華溫度而漸漸揮發，尤其當彗星進入太陽系的「雪線」(snow line) 之內時（約三個天文單位），彗核中占絕大部分的水冰便開始強烈揮發，其彗星特徵-彗髮 (Coma) 與彗尾-才讓人們在夜空中發現並加以研究2。
註二：現在大型望遠鏡技術日新月異與大視場巡天系統深度逐年增加，每隔幾天就能把全天星空拍上一次，新的彗星發現已不在侷限於幾個天文單位內，有許多新彗星往往在距離火星與木星軌道間 （約7~8天文單位）就被偵測到。
隨著彗星繼續朝著太陽方向運行，並且到達與太陽最短的距離（近日點），彗星上反射太陽的灰塵粒子與揮發的物質含量都迅速增加，換句話說彗星的亮度也就逐漸上升，彗尾也越來越長3。有些彗星的亮度可以明亮到肉眼可見程度進而成為天文迷聚焦的彗星，如同NEOWISE彗星。然而，並不是所有預測可能成為肉眼可見的彗星都會安然通過近日點，因為彗星在靠近太陽的過程中，彗星物質不斷揮發，其內部結構也可能發生變化。有的彗星結構可能過於鬆散，還未到近日點就瓦解碎裂成許多碎片（圖二）。有的彗星軌道離太陽過近，在近日點後也灰飛煙滅，無法成為令人期待肉眼可見的彗星（圖三）。有些彗星雖然安然在自己的橢圓軌道中運行多年，但仍有可能發生爆發現象而成數小塊（圖四）。也有些彗星在數次回歸後成為無彗星特徵的天體，就如同小行星。有的彗星的命運更多變，在旅行半路上經過木星等大行星時受到了潮汐力的影響，改變了命運！它可能改變了軌道，進入了內太陽系也可能被彈射出太陽系，甚至有可能被分解成數個小彗星（圖五）。
圖二 哈伯望遠鏡拍攝到的C/2019 Y4 (ATLAS) 彗星的彗核分裂現象。 https://www.nasa.gov/sites/default/fil ... i-h-p2028a-f-2504x736.png
圖三 艾桑彗星在2013年11月28號通過近日點後，沒能撐過太陽的重力和熱度，分解成一堆碎片了。圖為 SOHO衛星的LASCO C3日冕儀影像所拍攝彗核分裂現象。 https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Ima ... /Comet_ISON_disintegrates
圖四：彗星施瓦斯曼-瓦赫曼3號彗星 (73P/Schwassmann-Wachmann 3) 從1995年就被發現分裂成五大碎片。2006年觀測這顆彗星仍持續分裂，尤其是B核（如圖所示）就發現數十顆碎片。圖為鹿林天文台1米望遠鏡林忠義博士拍攝73P/SW 3-B彗核分裂現象。http://www.lulin.ncu.edu.tw/photogallery/73p-b-0418_0420.jpg
圖五： 修梅克-李維9號彗星 (Shoemaker-Levy 9, SL9) 在1992年接近木星後，被木星強大的重力撕碎。兩年之後，著名的「彗木相撞」事件，就是修梅克-李維9號彗星的碎片撞擊木星，並在木星大氣留下了撞擊後的黑色傷痕。圖為哈伯望遠鏡觀測彗星撞木星時的合成照片。https://www2.jpl.nasa.gov/sl9/image247.html
因此可以想像，古時候當明亮的彗星出現於天空時，若突然消失會讓當時候的人們開始天馬行空的描繪，姑且不論彗星是否有巨大變化，當彗星拖著長長尾巴出現在古時候的夜空時，又經歷一段時間又逐漸消失離開，這在對彗星不甚了解的年代實在讓人心生恐懼。
這從中國古代對彗星的其它稱呼：孛星、星孛、妖星、異星、蓬星、長星……便不難看出。《史記》記載，秦始皇帝時期，曾出現數次彗星異象，且均有對應的史時應驗。比如「七年，彗星先出東方，見北方，五月見西方。將軍驁死……彗星復見西方十六日。夏太后死」；《史記．天官書》記載，秦始皇十五年出現四次彗星，「久者八十日，長或竟天」。後來秦始皇帝滅六國，外攘四夷，一統中原。在西方也是視為上天的一種凶兆認，為它會帶來瘟疫、戰爭、飢餓等災禍。1664年冬天，一顆彗星拖著長長的尾巴，從倫敦上空劃過，之後倫敦發生瘟疫，帶走倫敦五分之一人口。現今，我們已知道彗星也是繞著太陽運轉的一個天體，只不過相較於行星於黃道面穩定的圓形軌道，彗星的橢圓軌道是會穿梭在太陽系內外之間！
註三：彗星往往存在有兩條尾巴，一條為黃白色彌散且彎曲的塵埃尾，另一條是藍色狹長而筆直的離子尾，方向則永遠背向太陽。塵埃尾是由彗核噴發出大大小小的塵埃，這些塵埃受太陽重力與太陽光壓影響，因而彌散彎曲；離子尾的成因是揮發性的中性物質經過太陽風的光解離與游離作用，形成離子態的H2O+、CO+、CO2+、OH+等，其藍光主要由CO+造成。
許多人對彗星的印象應該是著名哈雷彗星，而哈雷彗星上一次回歸的時候是1986年，這年代似乎對現在的學生有點久遠，就連四、五十歲的人也未必有印象，然而當時的科學家卻對這顆歷史留名的彗星有個雄心壯志的野心，那就是派遣太空船對彗星做近距離觀測，於是哈雷艦隊 (Halley Armada) 就因而成行，雖然當時只有部分太空船完成近距離彗核觀測的壯舉（圖六），但也為往後彗星太空任務奠定相當程度的基礎。從2001年開始的深空一號 (Deep Space 1)、星塵號 (Stardust)、深度撞擊號 (Deep Impact) 到2010與2011年的太空船延伸任務EPOXI與NexT，再再顯示人類是多麼想了解這太陽系初期所遺留下來的產物；然而，就在科學家自以為了解彗星的時候，2014年的羅賽塔任務中的登『彗』計畫卻遭逢嚴重的挫敗，原因是登彗艇-菲萊 (Phaela)-在"堅硬”的彗核表面彈跳數次後，落到一個無法用太陽補充其能源的地方，造成菲萊只能用備用電池工作了兩三天！羅賽塔團隊並沒有因此氣餒，在這唯一兩年多的繞彗任務中仍然解答了許多人類對彗星的疑問，包含彗核表面的描繪與成分分析、彗星噴流的成因與內部彗髮中氣體與灰塵粒子的交互作用、彗星氣體成分的解析與星際間分子比較等等。
圖六：1986年歐空局的喬托號 (Giotto) 探測器近距離拍攝的哈雷彗星 https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Ima ... _approaching_Comet_Halley
做為研究彗星的科學家，不論觀測資料來自於地面或太空船，都會無比興奮與珍惜。然而，這些太空任務對於一般民眾是相當遙遠也是三分鐘熱度的新聞，原因在於無法親為！為什麼人們對於23年前的彗星仍念念不忘，原因就是亮彗星太少了！這些用來當作太空船的目標最亮也只達到肉眼可見邊緣，幾顆可比擬海爾-波普彗星的亮彗星也只出現在相對人口少的南半球，然而占全球大部分人口的北半球，雖然有經歷壯觀的日全食與流星雨大爆發等天文景象，23年來卻沒有一顆明亮的彗星來讓居住在北半球城市中的居民驚艷，而彗星NEOWISE來得巧妙，雖然只能在日出前晨光或日落後餘暉中的低空被觀測到，但這已足夠讓北半球的民眾體驗到彗星的魅力（圖七）。
圖七 彗星NEOWISE在台灣的觀測。圖為台北市立天文館吳昆臻研究員於七月23日合歡山拍攝。
參考資料
• Y. Furukawa et al., Nucleobase and amino acid formation through impacts of meteorites on the early ocean, Earth and Planetary Science Letter, 429, 1 (2015).
• K. Altwegg et al., Prebiotic chemicals—amino acid and phosphorus—in the coma of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, Science Advances, 2, 5 (2016).
• N. Thomas et al., Towards New Comet Missions, Space Science Review, 215, 47 (2019).
• 秦順天，【歷史上的瘟疫】帶走倫敦1/5人口的瘟疫 -- 倫敦大瘟疫 。檢自https://www.epochtimes.com/b5/20/5/1/n12076409.htm (2020)。
• 《春秋》。
• 高文芳、張祥光。《蔚為奇談！宇宙人的科學百科》。三民 (2019)。
• 司馬遷。《史記．秦始皇本紀》。
• 司馬遷。《史記．天官書》。
作者： 林忠義
國立中央大學天文所 博士後研究員