首颗载有人类探测器的彗星飞临地球:下一次要等200年

2021年11月12日,一颗带着人类探测器的彗星将飞掠地球,最近时距离约为6300万千米(或0.418 AU,AU:天文单位,1AU约为1.5亿千米)。这是一颗周期彗星,大名叫丘留莫夫-格拉西缅科,小名叫67P,探测器叫“菲莱”(Philae,看清楚,不是“韭菜”!),是2004年欧洲空间局(ESA)发射的彗星探测计划“罗塞塔”(Rosetta)号携带的着陆器。

2021年11月12日,一颗带着人类探测器的彗星将飞掠地球,最近时距离约为6300万千米(或0.418 AU,AU:天文单位,1AU约为1.5亿千米)。

首颗载有人类探测器的彗星飞临地球:下一次要等200年

  2021年10月3日拍摄的彗星67P | 图源:Rolando Ligustri

  这是一颗周期彗星,大名叫丘留莫夫-格拉西缅科,小名叫67P,探测器叫“菲莱”(Philae,看清楚,不是“韭菜”!),是2004年欧洲空间局(ESA)发射的彗星探测计划“罗塞塔”(Rosetta)号携带的着陆器。

  2014年11月12日,整整七年前,“菲莱”成功着陆67P彗星表面,成为有史以来第一个在彗星上着陆的航天器。伴随67P环绕飞行两年后,2016年9月30日 “罗塞塔”号长眠于冰冷的彗星表面,结束了它历时12年半的科学探测任务。

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  此次与地球的“亲密接触”将是67P在本世纪和下个世纪内距离地球最为接近的一次,下一次与地球的近距离要等到193年后,也就是2214年。

  Part.1  67P彗星的前世今生

  67P/ Churyumov-Gerasimenko于1969年由苏联天文学家丘留莫夫和格拉西缅科首次发现,并以他们的名字命名。67P的远日距为5.68 AU,公转周期为6.45年,轨道倾角为7.04度,自转周期为12.4小时,质量约为10¹³ kg, 平均密度为0.4 g/cm³ , 是一颗典型的木星族彗星。

  木星族彗星是指轨道周期小于20年,远日距在木星轨道附近,轨道倾角不超过30度的彗星。木星族彗星通常认为起源于海王星轨道之外的柯伊伯带,而柯依伯带内的天体受到太阳系外部行星的引力扰动后偶尔会被抛射到太阳系内部,成为木星族彗星。

  在太阳和木星引力的影响下,67P的近日点会不断发生变化,在1840年之前,67P的近日距为4 AU,1840年时变为3AU;1959年2月,与木星的一次近距离交会使67P的近日点向内移动到1.29 AU;最近一次过近日点发生在2021年11月3日,近日距为1.21AU;而下一次近日点发生较大的变化时间是2220年11月,届时67P将从距木星0.12AU处飞掠,进而其近日距将变为0.8 AU。

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  67P在2021年11月12日距离地球最近时的轨道位置 | 图源:Greg Smye-Rumsby

  Part.2  “罗塞塔”号的主要科学发现

  表面特征 

  “罗塞塔”号拍摄的彗星图像显示67P的彗核有两个明显的瓣状结构,平均直径为4.2千米,最长和最宽尺寸约为4.3千米 × 4.1千米。

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  彗星 67P 表面粗糙,有崖壁、巨石、裂痕、凹坑、 沙丘和隆起等地形。从菲莱着陆前下降时所拍摄的图像来看,彗星表面被毫米至米尺寸的表壤和碎石覆盖,初步估计彗星表面有10~20 厘米厚的表壤。

首颗载有人类探测器的彗星飞临地球:下一次要等200年

  化学成分 

  “罗塞塔”的科学探测表明彗星67P是由非常松散的水冰、尘埃和岩石构成的组合体,释放出来的气体的主要成分是氨、甲烷、硫化氢、氰化氢和甲醛,因此其气味闻起来像是臭鸡蛋、马尿、酒精和苦杏仁的混合味道。

  氘的含量是太阳系形成与早期演化的重要探针。67P与地球的水蒸气成分有很大不同,氘和氢比率是地球海洋的三倍,至少表明地球上的水不太可能来自67P之类的彗星。

  67P周围的气体中发现了大量的自由分子氧(O₂),这也是首次在彗星彗发中检测到O₂。关于它们的来源,一种观点认为是在彗星最开始形成时期就被包含在内的,另一种观点认为是在彗星表面由水分子与硅酸盐和其他含氧物质碰撞时产生的。

  “菲莱”还在67P上检测到了16种有机化合物,其中乙酰胺、丙酮、异氰酸甲酯和丙醛等4种是首次在彗星上发现的。

  活动性 

  作为一颗木星族彗星,67P的活动性主要是由水冰的升华驱动。理论上,对于一颗活动区域分布均匀的彗星,在向近日点运行的过程中,水冰的生成率逐渐增加。不过,“罗塞塔”号发现67P彗核表面的活动区域是不均匀的,水产率在过近日点前的几个月内出现急剧增长。主要原因可能是67P过近日点时正值彗核南半球的夏天,导致热量深入到彗核内部,活动区域随之扩展。

  “罗塞塔”号还发现67P彗发内部存在喷流等近核结构,这些喷流与彗核表面特定区域相关,不仅存在正阳面喷流甚至还存在背阳面喷流,但由于67P彗核形状极不规则, 目前仍无法了解喷流的来源。

首颗载有人类探测器的彗星飞临地球:下一次要等200年

  形成机制 

  67P具有明显的双瓣结构,天文学家认为,大约45亿年前,在太阳系形成的早期阶段,像这样的双瓣彗星是在冰质碎片的缓慢碰撞中形成的,是两个小天体低速碰撞的结果,被称为接触双星。

  Part.3  肉眼能否看到彗星67P?

  虽然67P目前距离地球较近,且正处于亮度最高时期,其亮度约为10等(星等值越小,天体就越亮),但这个亮度肉眼仍不可见,因为肉眼最多可看到亮度为6等的天体。目前彗星位于双子座与巨蟹座之间,夜晚11点左右会在东偏北方向升到地平线以上,在次日凌晨4点半左右到达天顶附近。未来几个月内我国的观测条件较好,借助于业余爱好者的小型望远镜很容易观测到这颗彗星。

  当我们凝望这颗彗星,想着那里长眠着的“罗塞塔”和“菲莱”,会是一种怎样的心境呢?

  作者简介:

  史建春,中国科学院紫金山天文台副研究员。研究领域:彗星的物理属性和活动性研究。

  参考文献:

  [1]  “67P/Churyumov-Gerasimenko, a Jupiter family comet with a high D/H ratio”,Altwegg, K。;Balsiger, H。;Bar-Nun, A。,; et al。, 2015, Science, Volume 347, Issue 6220, article id。 1261952

  [2] “Abundant molecular oxygen in the coma of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko”,Bieler, A。;Altwegg, K。;Balsiger, H。; et al。, 2015, Nature, Volume 526, Issue 7575, pp。 678-681

  [3]“Two independent and primitive envelopes of the bilobate nucleus of comet 67P”, Massironi, Matteo;Simioni, Emanuele;Marzari, Francesco; et al。, 2015, Nature, Volume 526, Issue 7573, pp。 402-405

  [4] “Near-perihelion activity of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko。 A first attempt of non-static analysis”, Skorov, Yu;Keller, H。 U。;Mottola, S。;Hartogh, P。, 2020,MNRAS, Volume 494, Issue 3, pp.3310-3316

 [5] “Coma morphology of comet 67P controlled by insolation over irregular nucleus”,Shi, X。; Hu, X。; Mottola, S。, et al。 2018, NatAs, 2, 562

  [6] “Constraining spatial pattern of early activity of comet 67P/C-G with 3D modelling of the MIRO observations”, Zhao,Y。;Rezac, L。;Hartogh, P。;Ji, J。;Marschall, R。;Keller, H。 U。,2020, MNRAS, Volume 494, Issue 2, pp.2374-2384

  [7] “The morphological diversity of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko”, Thomas, N。 and 58 colleagues, 2015,Science, Volume 347, Issue 6220, doi:10.1126/science.aaa0440

  [8] “罗塞塔历时十载成功登陆彗星”, 季江徽、田蕾, 2015, 科学通报, 第60卷,第2期:164-169

  来源:中科院紫金山天文台

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