人类发现的第二颗星际彗星:系外、系内彗星有什么区别?


美国国家航空航天局(NASA)格雷尔斯雨燕天文台(Neil Gehrels Swift Observatory)首次追踪研究了一颗星际彗星,并记录下该彗星在即将绕到近日点时的失水情况。该彗星名为2I/鲍里索夫(2I/Borisov),2021年末造访了太阳系


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香港大学、美国阿拉巴马州奥本大学的研究生邢泽西(Zexi Xing,音译)是这项研究的负责人,邢泽西称:“很难把鲍里索夫完全归为太阳系内的某种彗星,但与太阳系内的彗星相比,鲍里索夫又不十分突出。”她还说:“我们已知的彗星中有和鲍里索夫相似的,它们至少有一个共性。”


彗星是混杂着宇宙尘埃的气体冰块,人们通常称之为“脏雪球”。据科学家估计,围绕太阳运行的彗星有数千亿颗。从速度和估算的运行轨道来看,鲍里索夫一定来自太阳系之外。事实上,鲍里索夫是已知唯二的系外访客,人类发现的首颗系外访客名为奥陌陌(Oumuamua),与鲍里索夫的发现仅相隔两年。


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2021年8月30日,业余天文学家杰纳迪·鲍里索夫(Gennady Borisov)发现了这颗彗星,当时距离该彗星运行至轨道近日点仍有四个月,为多个天基和地基观测站留出了后续观测的时间。10月,科学家们利用新墨西哥州太阳黑子镇的阿帕奇天文台(Apache Point Observatory)首次发现了该彗星上存在水的痕迹。接下来的几个月中,美国宇航局哈勃太空望远镜捕捉到了鲍里索夫以时速10万英里(16.1万公里)飞驰的画面。


彗星接近太阳时,其表面原本冻结的物质——如二氧化碳——升温并开始转化为气体。当彗星与太阳相距不到2.3亿英里(3.7亿公里)时,其表面的水气化。邢泽西和同事证实了鲍里索夫上存在水,并用紫外线测量了水含量的波动。


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在阳光的作用下,水分子分裂,产物之中包括羟基(氢氧基)——由一个氧原子和一个氢原子组成的分子,雨燕天文台使用紫外/光学望远镜(UVOT)来检测该类羟基所发出的紫外光。2021年9月至2022年2月间,邢泽西的团队利用雨燕天文台对鲍里索夫进行了六次观察。他们发现,在2019年11月1日至12月1日期间,鲍里索夫产生的羟基量——即水量——增加了50%,此时鲍里索夫与太阳擦肩而过刚好只过了一周。


在高峰期,鲍里索夫每秒会失去8加仑(30升)水,水量足以在大约10秒内装满一个浴缸;而在其太阳系之旅中,有将近6100万加仑(2.3亿升)水从中释放——足以填满92个奥运规模的游池。随着与太阳相距越来越远,鲍里索夫的失水速度迅速放缓,变化比任何其他已知的彗星都要明显。邢泽西称,导致该现象的因素很多,包括表面侵蚀、旋转变化,乃至彗星发生碎裂。事实上,根据哈勃和其他天文台的数据,鲍里索夫的多个主块都在三月底与主体断开了。

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“我们很高兴雨燕天文台能够迅速做出反应,并利用紫外线捕捉到水份的变化率,”奥本大学的物理学副教授丹尼斯·博德维茨(Dennis Bodewits)如是说。“观测彗星时,我们以水量为基,用与水份含量的比率来描述其他探测到的分子量。水份含量为其他观察提供了非常重要的背景。”


雨燕任务对鲍里索夫水量的评估也有利于研究小组计算鲍里索夫的最小体积——直径不到半英里(0.74公里)。该小组估计,鲍里索夫在到达近日点时,表面至少有55%的区域处于活跃状态,不断散出物质——活跃面积相当于纽约中央公园的一半大小,同等情况下至少十倍于大多数观测到的太阳系彗星。鲍里索夫与太阳系彗星的区别还体现在其他方面,例如,天文学家利用哈勃和智利的射电望远镜阿塔卡马大型毫米[/亚毫米]波阵(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)发现鲍里索夫在近日点产生的一氧化碳量十分之高,区别于其他彗星。


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不过,鲍里索夫与太阳系彗星也有一些共同特征。接近太阳时,鲍里索夫的产水量有所增加,这与太阳系彗星的情况类似。邢泽西及其团队还发现,鲍里索夫的产物中还包括其他类型的化学分子,从种类和产量方面来看都与本土彗星的情况相似。以羟基和氰基(由碳和氮组成的化合物)为例:鲍里索夫产生了少量双原子碳(一种由两个碳原子组成的分子)和脒基(一种基于氨的分子),大约25%到30%的太阳系彗星也都会产出这些物质。


但是,综合整体特征而言,鲍里索夫无法归入任何一个已知的彗星家族。目前,科学家们仍在思考如何利用鲍里索夫的独特性来研究其他行星系统中彗星。

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该小组的研究结果发表于2021年4月27日刊的《天体物理学快报》上,网上即可查阅。


雨燕天文台的建设初衷是研究伽马射线爆发,伽马射线爆发是宇宙中最明亮的爆炸现象。但在过去十年中,博德维茨利利用雨燕天文台了解了更多关于来自太阳系外的彗星。地球大气层吸收了大多数照向地球的紫外光,因此科学家必须从太空中寻找羟基的特征。雨燕天文台的观测策略灵活,反应时间短,因此可以用来有效观测那些有意思的新目标。对鲍里索夫的前五次观测由12小时内拍摄的光学望远镜(UVOT)快照组成;上一次对它的观测结果由一系列图像组成,拍摄历时24小时。

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在美国马里兰州格林贝尔特的戈达德航天中心(Goddard Space Flight Center),雨燕任务首席研究员布拉德利·岑科(S. Bradley Cenko)说:“团队最初并没有想到雨燕任务会对我们理解行星科学做出如此巨大的贡献。”“但这是一个很好的例子,证明人们能够想出具有创造性、兼具足够实力的方法,以此推进未知又叫人兴奋的科学事业。”


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戈达德航天中心与美国大学城的宾夕法尼亚州立大学、新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室以及弗吉尼亚州杜勒斯的诺斯罗普·格鲁曼创新系统公司合作管理雨燕天文台。合作伙伴还包括英国莱斯特大学和穆拉德空间科学实验室,以及意大利布雷拉天文台和意大利航天局。


作者:Jeannette Kazmierczak

FY:Bévis

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