五万年一遇的彗星重现，这颗彗星为何看起来是绿色的?

出品：科普中国

作者：杨溢（中国科学院地球化学研究所）

监制：中国科普博览

2022 年 3 月 2 日，天文学家 Frank Masci 和 Bryce Bolin 在位于美国南加州的帕洛马天文台（Palomar Observatory）使用兹维基瞬变设施（ZTF），发现了一个他们最初认为是小行星的天体。随后的观察表明，这是一颗彗核直径1-1.6千米的彗星。当时这颗彗星距离太阳约6.43 亿千米，位于木星的轨道附近。

那时发现的这颗彗星，我们起名为C/2022 E3。它是目前2023年预报亮度最亮的彗星，2月1-2日是北半球最适合观测的时间段；南半球则要等到2月3日以后才逐渐可见，而受满月影响，2月9-15日期间才适合南半球观察。实际上，这颗彗星，早在五万年前就曾经路过地球方便观测的轨道。这次邂逅，倒像是一次浪漫的重逢。

这颗彗星好定位，就是不够亮

我们提到过，到目前为止，这是2023年预报亮度最亮的彗星。早在2022年11月3日，观测到C/2022 E3的亮度为10.2等，比当时预报亮度高了近1等。

2023年1月12日，彗星经过近日点，近日距1.11天文单位（天文单位简称AU， 是根据地球到太阳平均距离规定，为149597870700米）；2月2日过近地点，近地距只有0.28天文单位（约4189万千米）。彗星经过近日点后由于距离地球较近，亮度迅速上升。

随着这颗彗星离地球越来越近，越来越亮，我们将更容易观测到它。1月初的预报亮度为8等，到月底增亮到接近5等，是观测拍摄的有利时机。

1月里，这颗彗星从北冕座经过牧夫座、天龙座、小熊座运行到鹿豹座，运行速度很快，到1月底，由于彗星已经移动到北天极附近，北京时间1月28日-2月4日间彗星亮度会在5等左右，其中1月30日距离北天极只有10度，彗星位于北极星正上方，容易寻找；北京时间2月2日彗星运行至近地点，2月1-2日是北半球最适合观测的时间段；南半球则要等到2月3日以后才逐渐可见，而受满月影响，2月9-15日期间才适合南半球观察，其中2月11日，当时视星等6.5的彗星会经过视星等为0等的火星附近。

图1 北京时间 1月28日-2月4日间彗星行迹，根据Stellarium软件测算。

（图片来源：作者自制）

从前面的描述来看，好像彗星越亮，就更易观测。那么既然这颗彗星是2023年预报最亮的彗星，想必观测起来一定很容易吧？

实则不然。上面提到了彗星及其周边天体的视星等，而视星等是观察所见天体亮度的标尺，其数值每增加5，亮度减弱为原数值对应亮度的百分之一，规定在地球上观察到的织女星亮度为0等。

也就是说，视星等数值越大，观察到的天体越显黯淡。星等的概念最早由古希腊天文学家依巴谷提出，当时人眼可观察最暗的天体约为6等，如果用普通的双筒望远镜观察，则可以观察到9-10等星。

图2 北京时间 1月30日，手机实拍彗星，曝光约30秒才勉强可见。

（图片来源：作者自制）

实践发现，即使拥有了望远镜、长曝光相机等辅助工具，也必须在晴朗夜空，光污染较弱，没有雾霾的区域才容易观测到这颗彗星。对于黯淡的天体，要获得优良的拍摄效果，除了望远镜、长曝光相机等辅助工具，还需要配备赤道仪来追踪目标，克服地球自转影响。

图3 1965年回归的池谷-关彗星（-10等）白天也清晰可见。

（图片来源：日本国家天文台）

相比于上世纪的一些明亮彗星，如1997年回归的海尔-波普彗星（-1.8等），1996年回归的百武彗星（-0.3等），1965年回归的池谷-关彗星（-10等，白天也清晰可见），1910年4月20日回归的哈雷彗星（-3.3等，白天也清晰可见），C/2022 E3这颗2023年1月下旬至2月上旬达到最亮，最亮时才约5等的C/2022 E3彗星就逊色多了。

灾祸预兆？大气燃烧？古代对彗星的误解

我国有着悠久的观测彗星的历史，同时也拥有世界上最早关于彗星周期回归的观察记录。

中国古代称彗星为“孛星”“扫星”等。《春秋》（公元前613年）《晋书·天文志》记载 “所谓扫星。本类星，末类彗，小者数寸，长或竟天。见则兵起，大水。主扫除，除旧布新。有五色，各依五行本精所主。史臣案，彗体无光，傅日而为光，故夕见则东指，晨见则西指。在日南北皆随日光而指，顿挫其芒，或长或短。”准确地描述了彗星的形态。

但是，古代人常认为彗星出现会招致厄运，直至1910年哈雷彗星回归时仍有“彗星东南现，大清两年半”的传言。当时正值清末，依然有很多人认为彗星招致灾厄。这是一种迷信思想，是完全没有根据的认识。古代的欧洲受亚里士多德等学者观点的影响，朴素地认为彗星是高空大气燃烧产生的，也是囿于观测手段粗糙的局限认识。

彗星的成分与结构

彗星包括彗核，彗发，彗尾三个主要部分。

（图片来源：Veer图库）

1.彗核虽小，浓缩了彗星的物质精华。

彗核体积一般与太阳系内的行星、矮行星比较起来，一般偏小，直径一般为百米至十千米数量级。已知最大的彗核直径不超过160千米。彗核一般占彗星整体质量99%以上。

彗核可能是“陨冰”的来源之一。Whipple（1950）提出的彗核的脏雪球模型，形象生动地反映了彗星的主要成分是多孔状的固态水冰，二氧化碳，一氧化碳，氨，甲烷、氰化氢混合物，以及包含少量微米级到毫米级，灰尘状的固体硅酸盐、硫化物矿物。可见，彗核来源的陨冰很可能是有剧毒的，不能当作一些古代迷信说法认为的“灵丹妙药”。

彗核的颜色并不是单一的，而是多种多样。有些彗星因为表面水冰富集，呈现灰白色；有些彗星因为表面富集碳质、碳氢化物，所以呈现黑色；一些长周期或非周期彗星可能还包含土状固态的甲烷、乙烷或者甲烷水合物，在阳光的照射下呈现红色。

这种呈现红色的土状物质还有自己的名字，它们被称作索林土（tholin）。柯伊伯（Kuiper，1951）认为，构成索林土的这些成分只有在外太阳系的寒冷条件下，才能聚集形成。除了彗星，在一些冰卫星、半人马小行星、距太阳远于30天文单位的矮行星等天体上也可以见到，例如在冥王星、海卫一、土卫六上就有红色的索林土构成的地貌。

后来在海王星轨道以外的区域陆续发现了数千个主要成分包括水冰、固态甲烷、氨冰、氮冰、固态氰化物的天体，这个富集冰质天体的区域就称为柯伊伯带（Kuiper Belt）。科学家们也通过分析成分的相似性和轨道的几何关系，印证了多数彗星的老家是柯伊伯带和奥尔特云。

2.彗发，为彗星添点色彩。

天文爱好者们拍摄的诸多照片中，C/2022 E3这颗彗星呈现鲜明的绿色。然而它的彗核本身并不是绿色的，也不会凭空发出足够强的绿光。

那绿光从何而来呢？这颗“绿色彗星”彗核前端外围的绿色光晕，就是彗发。类似地，2017年4月1日，彗星41P飞掠近地点，最近时只有0.142 AU，这次彗星回归同样可以观察到绿色彗发。

彗发的绿色光来源于紫外光照射之下，C2分子被电离后在可见光波段的发射光谱。成因是太阳的光照、热辐射、太阳风的作用导致部分固体彗核上的混合物质经历升华或蒸发，再化学分解产生C2分子，C2分子进一步被电离，在紫外光的照射下被激发出蓝绿色荧光，从而在彗核的运动方向前端周围形成球壳状的绿色彗发。不过这种过程主要局限于彗核运动方向前端周围，在到达彗尾之前就消失了。

此外还需要补充一点，在彗核距太阳约一个天文单位的位置，彗发的直径大约为10万千米的数量级，此时形成彗发的气体在彗核表面快速喷发，相对彗核运动速率平均约为0.5千米每秒。如果彗核远离太阳，则彗发的直径倾向于减小，反之则增大。

3.彗尾，尺寸很大浓度很低。

彗尾是太阳光、热、太阳风粒子作用于彗核、彗发时，常见于彗核运动方向后端的稀薄气体、尘埃、等离子体羽流，一般只有在近日点附近时才出现。与彗发类似的是，彗尾的尺寸与彗核-太阳距离也有近大远小的趋势。

彗尾虽然物质稀薄，但其宽数千至上万千米，长可达数亿千米，包括等离子体彗尾和尘埃彗尾。其中等离子体彗尾呈平行于背向太阳光的方向的射线分布，一般呈现蓝色调；尘埃彗尾多呈现黄色、橙红色，一般背向彗核运动方向，由直径约几微米到几毫米的尘埃组成，其矿物成分近似于太阳系未经变质、分异的原始物质——球粒陨石。

图6 海尔-波普彗星的彗尾示意图

（图片来源：https://www.wikiwand.com/en/Comet饱和度、对比度有调整）

部分彗星（例如前述“海尔-波普彗星”）具有含中性钠原子的“钠彗尾”，一般肉眼不可见，只能用光谱仪器或探测器识别。其形成机制至今有争议，有些学者认为是光化学分解，有些学者认为是彗星尘埃互相摩擦撞击的瞬时高温导致钠盐的蒸发。

彗尾曾引起的“末日论”骚动

1910年哈雷彗星即将回归时，法国科学家弗拉马里昂与美国叶凯士天文台的科研人员等人在先针对其彗尾的光谱学观测，认为彗尾包含氰气、氰化氢、一氧化碳等剧毒气体。

这一结论在当时引起了骚动，有相当多的人认为此次彗星回归将给地球大气层带来大量剧毒气体。一时间防毒面具、解毒药丸成为了抢手货，甚至有一些迷信团体趁机推出“彗星末日论”，或者推销“解毒巫术”、“解毒护身符”，借此机会大发其财。

然而等到哈雷彗星如约而至，先前预言的“剧毒之灾”并没有出现——这是因为彗尾物质极稀薄，这与上述可占彗星整体质量99%以上的彗核不同，彗核的氰化物“浓缩就是精华”。而光谱学观测灵敏度较高，即使彗尾含有达不到广泛毒害地球生物的浓度的剧毒气体，也可以被观测到。

实际上，虽然有的彗星含有比例可观的剧毒物质，它们的彗核直径一般有几千米，构成整个彗尾气体、尘埃物质的量之和约为千万摩尔数量级，其中有毒的挥发分摩尔百分比最高约15%（主要包括氰化氢、氰气、一氧化碳），但是因为太空的高真空度，其中气体会快速逸散，导致整个彗尾有毒气体浓度平均值最高仅有约2×10-11mol/m3。

而氰化氢对人有毒的最低浓度约是10-7mol/m3数量级，这是彗尾有毒气体浓度的近五千倍——也就是说，彗尾有毒气体浓度仅为对人有害浓度的五千分之一甚至更低。所以，在地球上观看彗星时，只要彗星与地球不相撞，就不必担心中毒（不过真要是彗星撞上地球，担心的可能就不是中毒的问题了）。

结语

随着人类科学水平的进步，关于彗星的许多谣言已经识破，我们也渐渐揭开自然真相的面纱。再次见到这颗五万年前与地球已经打过照面的彗星，现在的我们就有条件能够用现代科学的方法来认识浪漫的星空。

编辑：郭雅欣

参考文献：

[1] 欧阳自远. 天体化学[M]. 科学出版社, 1988.

[2] 肖龙. 行星地质学[M]. 地质出版社, 2013.

[3] 格拉斯, B.P. 行星地质学导论[M]. 地质出版社, 1986.

[4] Sivaraman V . Peculiarities in the ionic tail of Comet Ikeya-Seki (1965 f)[J]. Earth,Moon,and Planets, 1982.

[5] Neil, Russo D , and, et al. Water production and release in Comet 153P/Ikeya–Zhang (C/2002 C1): accurate rotational temperature retrievals from hot-band lines near 2.9-μm[J]. Icarus, 2004.

[6] Gunnarsson M . Icy grains as a source of CO in comet 29P/Schwassmann-Wachmann1[J]. Astronomy & Astrophysics, 2003, 398(1):353-361.

[7]Rettig T W , Tegler S C , Pasto D J , et al. Comet outbursts and polymers of HCN[J]. The Astrophysical Journal, 1992, 398(1):293-298.

[8]Hubble. Shoemaker-Levy 9[J]. European Space Agency, 1994.

[9]Luu J X , Jewitt D C . The Kuiper Belt[J]. Scientific American, 1996, 274(5):46-52.

[10] Whipple F L . A comet model. I. The acceleration of Comet Encke[J]. Astrophysical Journal, 1950, 111:375-394.

[11] Stern, S.A., Weissman, P.R., 2001. Rapid collisional evolution of comets during the formation of the Oort cloud. Nature 409, 589.

[12] Crovisier J , Encrenaz T . Comet Science: The Study of Remnants from the Birth of the Solar System[J]. Geology Today, 2002, 18.