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天外訪客–來去匆忙的鹿林彗星

古人視彗星為惡兆,現在我們知道,能夠幸運看到某顆彗星,其實是「緣分」。鹿林彗星的軌道是雙曲線,表示它一去不復返,只來一次,能夠觀測到它,運氣真的很好。
 
 
彗星是什麼

彗星是形成太陽與行星後剩下的小型天體。大約46億年前,太空中一團濃密雲氣因本身萬有引力而收縮,中央形成太陽,旋轉的雲氣因離心力而形成盤狀結構。當中的塵埃彼此凝聚增大,逐漸成為行星,它的周圍則形成衛星。剩下的小型天體充斥在太空中,和太陽距離較近的,以岩石、金屬氧化物為主,稱為小行星;靠外部與太陽距離遠的,以冰體成分居多,稱為彗星。

在太陽系剛誕生的時候,彗星受到巨型行星(尤其是木星)的擾動,容易被拋射出去,但有些仍受到太陽微弱的引力束縛,分布在太陽系的上下四方,這個彗星存在的空間,稱為「歐特雲」(Oort cloud)。歐特雲並不是雲,而是假想的圍繞在太陽系之外,一個龐大、可能近似球形的空間。一般推測歐特雲的大小可能達到光年的尺度。

前幾年發現的「賽德娜」(Sedna)彗星,直徑超過 1 千公里,距離太陽遙遠且軌道狹長,軌道近日點遠超過海王星的引力影響範圍,因此並非受到擾動而被拋出去,它可能就是屬於歐特雲天體。

行星和衛星源於同一團旋轉而致扁平的雲氣,因此它們大多數以同一個方向(從北向南看是逆時鐘方向)公轉和自轉,連太陽的自轉也是如此。太陽系8顆行星的軌道幾乎分布在同個平面上,都很接近地球繞太陽的「黃道面」。太陽以引力拉住周圍的行星、衛星、小行星和彗星,一起在銀河系中運行,有時候在經過其他恆星或巨型分子雲時,外圍小型天體被擾動,有些便進入太陽系內圍,成為我們看到的彗星。這些來自遙遠歐特雲的天體,由四方進入內太陽系,軌道面凌亂且周期長。

太陽系中具代表性的天體表列
▲太陽系中具代表性的天體表列


在海王星軌道以外,目前已經發現了兩千多個小型天體,像鬩神星(Eris)就因為體積大於冥王星,造成冥王星從行星的分類中除名,而成為「矮行星」一族。矮行星和行星一樣,也繞著太陽公轉,同時質量夠大,足以因為本身重力拉縮成為近乎圓球體,但是並沒有清除周圍的其他小天體。

太陽系現在已知有 5 顆矮行星,除了鬩神星,還有冥王星(Pluto)、妊神星(Haumea)、鳥神星(Makemake),以及原來屬於小行星的穀神星(Ceres),它們的大小都在 1 千公里左右。比起來,地球的大小約為 1 萬公里,木星約為 10 萬公里,太陽則約為百萬公里,各相差了一個數量級。目前把除了太陽以外的太陽系天體,分成行星、矮行星、衛星、小行星、彗星等,但無論以大小或軌道來定義都有模糊的界線,因此難免捉襟見肘。

冰塊與塵埃混合成的「彗核」大小約 1 ~ 10 公里,形狀多不規則。當彗核接近太陽時,因受到輻射加熱而昇華,彗核之外包覆了氣體和塵埃,稱為「彗髮」,直徑可達數十萬~數百萬公里。彗髮的氣體被太陽噴發出的物質(太陽風)游離,並且被推向背離太陽的方向,形成藍色離子尾,顏色主要來自一氧化碳離子(CO+),長度可達千萬~一億公里。
彗星的構造
▲彗星的構造
 
彗髮中的塵埃則受到太陽輻射推壓,大小不等的顆粒因受輻射壓力強度不同,抵銷了部分太陽引力,而以不同軌道速度繞行太陽,瀰散成扇形分布。這些塵埃反射陽光,形成灰黃色的塵埃尾。由於造成離子尾和塵埃尾的力量來自太陽,因此彗尾指向總是背向太陽。

大型彗尾綿延天際,變化多端,因此中國古代稱彗星為「掃帚星」,是彗星最震懾,也最吸引人之處。彗星的英文 comet 源於希臘文 kom,意即「頭髮」之意,亞里斯多德便以「有頭髮的星星」來形容彗星。彗星的天文符號也是以尾巴做為象徵。彗星常突然出現在夜空中,然後外觀變化多端,尤其彗尾的形狀、指向更是如此,因此無論中外,在古代都視彗星是不祥之物。

彗星和太陽、行星、衛星同時誕生,但早年被送出了家園,在冰冷的太空遊走,只有極少數得以進入太陽系內圍。古人認為彗星「來無影、去無蹤」,視它為惡兆。現在我們知道,能夠幸運看到某顆彗星,其實是「緣分」。太陽系成員經過過去幾十億年的滄海桑田,各自隨著歲月演化,只有少小離家的彗星純樸依舊,仍然保有當初形成太陽系的原始物質,極具科學研究價值。

有關鹿林彗星

鹿林彗星於 2007 年 7 月 11 日由廣州中山大學學生葉泉志發現,他長期和鹿林天文台合作,進行小行星研究。葉泉志檢視鹿林天文台觀測助理林啟生利用口徑 40 公分望遠鏡所拍攝的影像,目的在尋找未知小行星。在那晚的影像中,他指認出兩顆相異於一般小行星運動的黯淡天體,後來經證實,一顆是新發現的近地小行星,另一顆就是鹿林彗星(Comet Lulin),開啟使用臺灣望遠鏡發現彗星的先河,也是兩岸合作的具體成果。

鹿林彗星被發現時距離地球約 9 億公里,亮度約 19 等。發現之初以為是小行星,但一周後出現彗星現象,才知道它是彗星。國際彗星組織按其為非周期彗星,是 2007 年 7 月上半個月發現的第3顆新彗星,把它編號為 C/2007 N3,並以發現的天文台為其命名為「鹿林」(Lulin)。

鹿林彗星在 2008 年逐漸受到天文界注意,因為預期它會於次年 2、3 月最接近地球,屆時會達到用肉眼就可以看到的亮度。果然在 2009 年 1 到 3 月,掀起全球觀賞熱潮。

跑到太陽附近(也就是地球附近)的彗星數量上平均每個月有數顆,但是明亮到不用透過望遠鏡,也不需用相機長時間曝光,以肉眼就能看到的彗星,數量上就少得多,一年大概只有 1 顆左右。2009 年適逢聯合國教科文組織通過的「全球天文年」,鹿林彗星因緣際會,在2009 年受到矚目。而鹿林天文台因在兩年前發現這顆小天體,讓「鹿林」成為全球知曉的名詞,實在是件幸運的事!

觀看鹿林彗星

鹿林彗星於 2009 年 1 月 10 日最接近太陽,之後彗尾逐漸明顯。雖然離子尾指向太陽的反方向,但塵埃尾出現逆尾(antitail)現象,也就是塵埃尾「看起來」似乎指向太陽。鹿林彗星的另項特色在於它外觀鮮綠的顏色,一般相信主要來自氰基 (CN)2(cyanogen)與碳分子(C2)氣體受到陽光照射後激發出來的。
從鹿林天文台拍攝的鹿林彗星影像,可以看出彗星鮮綠的顏色。這張照片是鹿林彗星共同發現者林啟生於鹿林天文台拍攝的。
▲從鹿林天文台拍攝的鹿林彗星影像,可以看出彗星鮮綠的顏色。這張照片是鹿林彗星共同發現者林啟生於鹿林天文台拍攝的。
 
鹿林彗星吸引了國際天文愛好者的注意。例如在 2 月 4 日,一組義大利天文學家遙控位於美國新墨西哥州的望遠鏡,拍攝到由於太陽風沿著磁場撞擊到彗星,而造成離子尾斷裂、成串的變化,反映了當地星際磁場的複雜結構。世界上很多天文台,包括一些太空望遠鏡(例如美國 Swift 高能衛星與日本 AKARI 紅外衛星),也針對鹿林彗星觀測研究。

鹿林彗星接著於 2009 年 2 月 24 日最接近地球,距離地球 0.411 AU(AU 是「天文單位」,是地球和太陽的平均距離,約為 1 億 5 千萬公里),也就是差不多 6 千萬公里,亮度達 5 等。那幾天,彗星和明亮的土星看起來很接近,提供了饒富趣味的景觀,加上當時接近新月,非常適合觀測。

根據刻卜勒行星運動第二定律(角動量守恆律),天體的軌道速度和離太陽的距離有關,當距離近時,萬有引力強,繞行速度快;而當距離遠時,繞行速度變慢。因此,當彗星行至近日點附近時,軌道速度最快,與地球的相對運動達每秒 50 公里,也就是從臺北到中壢只要 1 秒鐘!從地球看去,彗星的運行速度達到每天 5 度,使用雙筒望遠鏡就可以看出彗星相對於恆星的運動。

拍攝彗星與一般天文攝影有不同的挑戰。拍攝遙遠天體時,如果把相機對著天空長期曝光,由於地球自轉的關係,天體影像會成線條狀,而不是光點。為了保持星點形狀,拍攝者需要把相機架在赤道儀上,藉由精準的馬達帶動,以相反於地球自轉的方向轉動,這樣便可以使恆星在長期曝光後仍維持光點的外觀。

但是對於移動明顯的天體(例如小行星、彗星、人造衛星等)會有另外的困難,因為它們和遙遠恆星相比,運動快得多。這好比拍攝跑步者,若相機跟著跑者移動,跑者可以拍得清楚,但是背景就模糊了;若相機不動,背景會清楚,但是跑者就不清楚了。

一般攝影時,使用高速快門,把運動「凍結」住,才可以讓兩者都清楚。然而天文攝影常在光線不足的情形下進行,無法使用短曝光。在拍攝彗星時,就面臨追蹤恆星或彗星的兩難情形。很多攝影者便使用短時間曝光,讓恆星拉線不明顯,而彗星外觀也不至於變形,然後使用影像處理軟體來疊加影像。

2 月的第1個星期,鹿林彗星位於室女座方向,亮度已達約六等。換句話說,在背景黑暗的環境,肉眼已經可以看到。當時它每天往西行走約 2 度,到了第2個星期,速度加快到每天 3 度。2 月 16 日離室女座主星角宿一約 3 度,到了 2 月 23、24 日達到最亮五星等,同時離土星只有 2 度。

到了 25 日,彗星在「衝」的位置,也就是和太陽正好反向,這時彗星的速度達到每天 5 度,使用雙筒望遠鏡就可以看到它的運動。之後彗星逐漸離開地球與太陽,2 月 27、28 日離獅子座主星軒轅十四只有約 1 度,此後彗尾指向東方,和之前相反。

從 2 月到 3 月間,臺灣北部的天氣普遍不佳,幸好中、南部有很多機會可以觀賞。各地天文館、博物館、社團協會、學校等紛紛舉辦觀測活動,或趁這機會推廣天文教育,即使天氣不好,也以網路連線送回其他地區觀測到的即時影像。世界各地同好自然也拍攝了精彩照片放在網上,同享夜空盛宴。

熱潮過後

彗星的尾巴變化多端,事實上就是藉著觀測到有東西從太陽「吹」出來造成彗尾,讓科學家在 1950 年代初便推測「太陽風」的存在。而到 1962 年才經由水手二號(Mariner 2)太空船首先證實,太陽風就是來自太陽而充斥於行星際空間的高熱電漿。

既然彗星的尾巴朝向太陽的反方向,為什麼鹿林彗星會有明顯而持續存在的逆尾呢?首先,當彗核接近太陽時,內部受熱產生噴流,偶爾便可能出現指向太陽的「尾巴狀」結構。但大多時候,逆尾並非真的指向太陽,而只是因為投影的關係,因為塵埃彗尾雖背向太陽,但有些向後彎曲,因此從地球看去,就可能看到似乎向著太陽的尾巴。

彗星的軌道
▲彗星的軌道

 
一般彗星的軌道面與黃道面傾斜,因此只有在彗星行經黃道面時,才看到逆尾的現象。但是因為鹿林彗星的軌道非常接近黃道面,因此很長一段時間都能看到逆尾。尤其塵埃尾原來在空間裡就是比較扁平的結構,從地球看去,塵埃尾便維持尖銳的外觀。

到底鹿林彗星有什麼樣的軌道呢?要知道天體的軌道,必須觀察它在不同時間的位置(座標),然後試圖找出最佳的數學解,這好比在圖上找出能夠通過某三個點的橢圓。對於行星或小行星帶中的小行星,甚至繞著地球的人造衛星,這不是太困難的事。但若是狹長的橢圓,在太陽(焦點)附近,也就是地球附近,我們觀測的只是極小一段軌跡,要外插推測精確的軌道就比較不容易了。

根據觀察到的鹿林彗星的軌跡,從 2007 年 7 月發現彗星,到 2009 年 2 月初,一共一千七百多筆座標資料點,可以算出它的離心率是 e = 0.999986,這表示鹿林彗星的軌道是非常狹長的橢圓(拋物線的離心率正好是 1,雙曲線則大於 1)。軌道的傾角是 178.374 度,也就是它的軌道非常貼近黃道面,相差不到兩度,但是它繞行的方向與行星相反(逆行)。

橢圓的極座標公式是

r = a(1 − e2)/(1 + ecosθ),

其中 r 和 θ 分別是極座標的距離和角度,e 是橢圓離心率,a 則是橢圓軌道的半長軸。鹿林彗星的近日點和太陽的距離是 q = 1.212267 AU。

由於軌道半長軸 a 和近日距離 q 的關係是 q = (1 − e)a,因此可以算出 a = 86590.5 AU。然而隨著更多觀測,軌道參數也隨之修正,目前最新的數據顯示鹿林彗星的軌道傾角仍然維持 178.374 度,離心率則修正為 e = 1.000046。換句話說,鹿林彗星的軌道是雙曲線,近日點距離則是 q = 1.212240 AU。雙曲線軌道表示鹿林彗星一去不復返,它只來一次,能夠觀測到它,真的運氣很好。
彗星各有不同的軌道(圖片來源:http://deepimpact.umd.edu/gallery/jpg/D1381_001d.jpg)
▲彗星各有不同的軌道(圖片來源:http://deepimpact.umd.edu/gallery/jpg/D1381_001d.jpg)
 
無論是雙曲線或極為狹長的橢圓,都表示鹿林彗星來自歐特雲。歐特雲天體一般遙不可及,像鹿林彗星這樣闖入太陽系內圍的彗星,則提供難得的機會,讓我們就近研究它們的性質。這段期間,國內學者利用光學影像研究鹿林彗星噴發氣體的機制,或利用電波望遠鏡檢視它的成分,或探究彗髮和彗尾中塵埃的分布。國外還有很多的課題,預計在未來一、兩年內展現研究成果,屆時對於這顆來自天外、令人驚喜的訪客,必定有更深入的認識。
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