從鹿林彗星認識彗尾

文／楊嘉慧
審稿／中央大學天文研究所教授　陳文屏
鹿林彗星於2007年由中央大學鹿林天文台觀測發現，為第一顆台灣命名的彗星。這顆彗星相當特別，它拖著一條綠色離子尾，與一般常見的藍色離子尾相當不同。
From：科學人雜誌電子報

今年上半年，最耀眼的彗星莫過於鹿林彗星，因為它來自太陽系外圍的歐特雲（Oort cloud）（註），若軌道呈雙曲線，這會是它唯一一次造訪太陽系內部；而且相較於其它來自歐特雲的彗星，它算是非常接近地球的一個，近地點約只有 0.41 天文單位（相當於 6100 萬公里），使得不少天文專家日以繼夜守著它，也捕捉到難得一見的彗尾斷裂、長時間「反向」彗尾等景象。
註：彗星的所在主要分佈在兩個區域，短週期彗星（約 200 年以下）是在海王星軌道之外的「古柏帶」 (Kuiper belt)；而長週期、軌道呈雙曲線或拋物線的彗星，則分佈在太陽系外圍，距離太陽可達 10 萬天文單位的歐特雲區，鹿林彗星就是其中一個。
太陽風與氣體交織成的離子尾
鹿林彗星最特殊之處莫過於它偏綠的彗尾，與一般常見的藍色彗尾不同。中央大學天文研究所教授陳文屏 表示，彗星的主體「彗核」是冰塊與塵埃混合而成，大小約數公里。彗星接近太陽（小於 5 天文單位）時，彗核內部受熱後壓力逐漸增大，使氣體衝破錶殼，連帶噴出塵粒，并包覆在彗核外，形成直徑約數十萬公里的球形「彗髮」。當彗星繼續靠近太陽， 就會出現長達數千萬至數億公里的「彗尾」。彗尾分塵埃尾與離子尾兩種，塵埃尾顧名思義是由塵埃組成，離子尾主要由氣體組成，二者的形成原因和發光機制各不相同。
一般見到的藍色彗尾就是離子尾，它的形成原因與太陽風有關。太陽風是太陽表面噴發出來的游離氫（即質子與電子），當它靠近彗星時，太陽風挾帶的太陽磁場會受彗星的帶電離子干擾，使得磁力線往背離太陽的方向，並且繞著彗星彎曲（見下圖）。彗星的離子和太 陽風都是沿著磁力線運動，最後二者就一起形成往背離太陽方向延伸的離子尾。

太陽風是間歇性的，每次噴出來的強弱也不一樣，加上彗星本身運動也會影響磁場，所以離子尾就可能有忽長忽短、分叉、斷裂、消失、再生等情況。此次鹿林彗星被觀察到離子尾斷裂的情形，正是在非常靠近太陽時發生的。

離子尾的發光機制也與太陽風有關。組成離子尾的氣體分子被太陽風撞擊後，會激發成由離子與電子組成的電漿狀態，當電子與離子重新結合時，就會發光。不同離子放射出來的光顏色不同，一般見到的離子尾呈藍色，是因為含有較多的一氧化碳離子（CO⁺），其他尚有 H⁺、C⁺、 N₂⁺、 Ca⁺、 CH⁺、 CN⁺、CH₃OH₂⁺、OH⁺、 H₂O⁺ 等，但由於藍光偏多，以致不易察覺出別的顏色。鹿林彗星的離子尾呈綠色，經光譜分析發現，是雙原子碳（C₂）發出的螢光輻射。一般彗星也有這些譜線，但是鹿林彗星似乎特別明顯，不過實際機制有待進一步探討。
「反向」塵埃尾？
除了綠色離子尾，天文學家也長時間觀測到鹿林彗星的「反向」塵埃尾。塵埃尾是反射太陽光而呈黃色的 彗尾，其形成原因與太陽輻射光壓有關。輻射光壓就像是粒子打在塵埃上時所造成的壓力，由於塵埃的顆粒有大小之分，顆粒越小越容易被推向遠方，最後造成塵埃 呈扇形發散出去。根據克卜勒行星運動定律，繞著太陽運動的行星，不論遠近，其與太陽的連線在相同時間掃出的面積都一樣，也就是離太陽近的行星運動速度比遠 處行星快。換句話說，散在離太陽較遠處的塵埃（和彗星一樣繞著太陽運動）運動速度較慢，反之則快，以致塵埃尾扇形區域末端會因運動速度的快慢而彎曲。
與離子尾一樣，塵埃尾的尾巴也是往背離太陽的方向延長，這是因為輻射光壓的施力方向也是背離太陽； 但此次鹿林彗星的塵埃尾卻有很長一段時間指向太陽，出現「反向」彗尾。陳文屏解釋，鹿林彗星的彗尾並非真的變成「反向」，而是因為鹿林彗星與地球運行軌道 幾乎在同一平面，從地球角度觀測產生錯覺造成（見下圖）。

這次鹿林彗星除了帶來與往常不同的驚喜，在科學研究上也很有價值，例如觀察離子尾的變化有助於瞭解太陽風的特性；而藉由彗尾研究彗星的結構、化學成份等， 則可以探知太陽系的過去，尤其是鹿林彗星的故鄉離太陽相當遙遠，受太陽輻射影響少，故能保留更多太陽系形成之初的樣貌，甚至可以反應歐特雲天體的特性，因 此它的造訪可說意義非凡。

難以預測的彗星

鹿林彗星在今年 2 月 24 日最接近地球，原本預估當天觀測亮度可能達四、五等（星等數字越小表示越亮，人類肉眼可見極限約六等），而且月相幾乎逢朔，沒有月光干擾，沒想到鹿林彗星移至近地點的前後幾天，台灣地區的天候不佳，致使觀測結果大受影響。中央大學天文研究所教授陳文屏表示，彗星的亮度並不容易預估，除了與彗星大小、離太陽及地球遠近等條件有關，最難掌握的是當時的噴發狀態。以短週期彗星為例，雖然可以粗略估算彗星每次接近太陽時，會損失 0.1～1% 的物質，然而不能就此斷定彗星下次進到太陽中心時，亮度就會變暗，因為有可能下次噴發活躍程度較強，或離地球較近，而使得亮度不減反增。 除了一般人關心的亮度，彗星軌道也不容易計算。相較於行星、衛星等天體，彗星的質量小得多，其運動方式容易受其他天體干擾，特別是當它靠近太陽時，噴發物質後帶來的反作用力，使得科學家很難掌握它下一步的行進方向（見右上圖）。陳文屏表示，目前之所以無法確定鹿林彗星的運行軌道是拋物線、雙曲線或是極狹長橢圓，是因為科學家只觀察到極小段的軌道，且其運行軌跡一直有些微改變。從 2007 年 7 月累積至 2009 年 2 月的軌跡點，推算其軌道顯示它可能是週期長約 2800 多萬年的極狹長橢圓，但累積至 6 月的數據卻顯示為雙曲線。究竟哪個推論才正確，尚需很長時間追蹤分析。