NEOWISE为什么有两条“尾巴”

源自Forbes宇宙爆炸专栏

专栏作者：Ethan Siegel

翻译：毛明远

校对：牧夫天文校对组

后期：库特莉亚芙卡，李子琦

封面图片1

这幅壮观的NEOWISE彗星照片很好地展现出了幽蓝的离子彗尾和灰白色的尘埃彗尾。我们可以清楚地看出尘埃彗尾呈现出扩散和弯曲的形态，而离子彗尾则没那么发散并且是较笔直的

Credit: DAMIAN PEACH / IAN SHARP

NEOWISE这颗裸眼彗星给人们带来了无比巨大的惊喜，越来越多的人们目睹了它的“芳容”！七月中旬NEOWISE逐步升高，更接近于北斗七星。裸眼下，在晴朗的条件下对准目标方向，可以看到它的模糊影像。如果使用双筒望远镜、天文望远镜或长曝光摄影，这颗彗星的形态能更好地展现出来：彗核是相对明亮的，可以达到夜空中亮度前一百名恒星的水平。主彗尾可以从彗核延展开来10°，呈现出发散且弯曲的形态。正如封面图片展示的那样，我们还可以看到淡蓝色的较窄的笔直彗尾。很多彗星都拥有这样的两条“尾巴”，让我们一探究竟。

示意图：靠近太阳的彗星往往能够展示出两条彗尾，其中一条较笔直的离子彗尾背离太阳方向。

Credit: SERGEY PROKUDIN-GORSKY; ЮКАТАН / WIKIMEDIA COMMONS2

早在还没有发明望远镜的时代，人们就发现了彗星的两条“尾巴”。较著名的文献记载可以追溯到十六世纪第谷（Tycho Brahe）对两条彗尾的描述，主彗尾弯曲呈现出反射阳光的灰白色；另一条彗尾则是较笔直的且背离太阳方向的。主彗尾通常呈现出类似于彗核的颜色，这取决于它的物质构成。但另一条彗尾则往往是蓝色的。

图为1997年著名的海尔波普大彗星，很好地展示出两条彗尾的特征。

Credit: UNIVERSAL IMAGES GROUP VIA GETTY IMAGES

十七世纪后期，我们发现了部分彗星的周期现象，它们来自遥远的太阳系外侧，沿着较大偏心率的椭圆轨道运行，周期可以是几十年、几世纪甚至几千年。当冰冻的彗星运行到靠近太阳的时候，比如运行到大约木星轨道范围内，越来越强的太阳辐射将使得彗星表面物质升华，将产生以下两个现象：

1.彗发，即彗星周围升华和释放的物质反射太阳光展现出的晕；

2.彗尾，尘埃和气体等在太阳辐射和太阳风作用下的延伸部分。

C/2014 Q2爱喜彗星展现出明亮的绿色彗发、长长的尘埃彗尾和较窄的离子彗尾

Credit: JOHN VERMETTE / WIKIMEDIA COMMONS

虽然尘埃彗尾总是弯曲的，但我们是否能够观测到这一现象要取决于我们的视角。尘埃和气体物质释放机制是多样的。彗星表面的小裂隙在热作用下释放物质；一些原本电磁力作用下束缚的物质被升华出来的气体带出来的；一些物质源于局部彗星破裂脱离的物质。上述释放或脱离的物质形成了彗星的彗尾。

彗发和离子彗尾早于尘埃彗尾形成，但越靠近太阳，尘埃彗尾越显著

Credit: LABORATORY FOR ATMOSPHERIC AND SPACE SCIENCES/ NASA

从彗星释放出的尘埃会受到以下三种作用：

1.太阳的引力作用

2.彗星的引力作用

3.太阳辐射的作用

尘埃彗尾总是呈现背离太阳的方向，但彗星运行的路径是曲线。远端的尘埃彗尾是较早释放出的，远端和近端物质的上述三种作用力随着时间、彗星位置和到太阳的距离变化而变化，因此呈现出弯曲的特征。

2006年在澳大利亚的维多利亚州拍摄的麦克诺特彗星（McNaught），白色扩散开的尘埃彗尾；相对暗淡的蓝色狭窄离子彗尾笔直地背离太阳方向Credit: SOERFM / WIKIMEDIA COMMONS

但离子彗尾就不同了。首先我们要明白离子彗尾的构成，当彗星逐渐靠近太阳，太阳的紫外光足够强时会使升华出的一氧化碳离子化。这个升华作用不仅包括水，还有二氧化碳、甲烷、氨和一氧化碳，这就是彗星升华出的5种最主要气体物质。其中一氧化碳最容易被离子化，形成CO+。我们可以寻找一些早期彗星的影像（距离太阳相对较远），我们只能看到这种蓝色的离子彗尾。如下图：

图为艾森彗星（ISON）在大约木星轨道距离时（约5倍地日距离），我们仅能看到彗发和蓝色离子彗尾，当它越来越靠近太阳，尘埃尾逐渐展现出来。后来，艾森彗星在靠近太阳时破碎了。

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

尘埃彗尾和离子彗尾除了颜色不同，一个显著的特征是尘埃彗尾扩散程度非常大。这是因为尘埃的颗粒大小区别很大，因此虽然引力加速作用相同，但太阳辐射作用的压力不同。而离子则接受到相似的辐射压力（且更多由电磁力作用主导）。

来自德国的Patrick Knaup拍摄的NEOWISE展示出本文描述的尘埃彗尾和离子彗尾，通常裸眼只能观测到尘埃彗尾，借助双筒望远镜、天文望远镜和长时曝光摄影可以看到离子彗尾。

Credit:  PATRICK KNAUP

太阳的体积很大，并不是点光源，阳光作用于彗星由尘埃、气体和离子构成的彗发，离子远离太阳呈现出较小开角的离子彗尾。并且离子彗尾并不会像尘埃彗尾那样弯曲，第谷早在400多年前就发现了这一现象。

离子彗尾形成

Credit: LIEM BAHNEMAN

太阳可不仅仅是存在于太阳系中心的半径70万公里的气体等离子球，太阳风粒子、日冕流和磁场向外作用范围广泛，包括地球也身处它们的强大作用之下。也正因为它们与彗星离子的作用，形成了背离太阳的离子彗尾。太阳风带电粒子与源自彗星的带电粒子，沿着太阳风的磁场和彗星带电粒子产生的磁场合并后的磁力线较快速地运动，带电粒子碰撞激发产生颜色，多为CO+主导的蓝色。我们通过观测和计算机模拟都证实了这一现象。

动图展示了彗发形成和离子彗尾形成

Credit: NASA/JPL-CALTECH

如今，NEOWISE如同孔雀开屏般在天空依旧展示着自己最“完美的”身姿，筒子们继续抓住7月的最后机会哦！

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即使是最普通的双层口罩，打喷嚏时也可以将飞沫喷射距离由2.5米降低到10厘米。

公共场所打喷嚏时拿掉口罩，作孽啊！

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