彗星67P：俏身段、怪脾气和水密码

“七年，彗星先出东方，见北方，五月见西方……彗星复见西方……”这是《史记》中关于公元前240年（秦始皇七年）哈雷彗星的最早观测记录之一。此后人类对这类拖着“尾巴”的神秘小天体保持持续关注，但在上千年的历史中都被当作预示灾难降临的“扫帚星”。

神秘的彗星

今天，我们已经知道，太阳系中的彗星是围绕太阳运行的一类小天体，因彗核内部的演化程度很小，封存了太阳系的原始信息和遗迹，而被称为研究太阳系演化的“时间胶囊”或者“太阳系活化石”。

彗星中富含多种气体、挥发成分与有机物，其中水和有机物的探测不仅有助于研究地球水的来源和水在太阳系中的分布，还有助于揭示地球生命的起源。

我们还知道，其他恒星系统中也会有所谓系外彗星。前不久，人类甚至还探测到了首颗闯入太阳系的星际彗星。人们对彗星的认识正随着观测技术和分析手段的提高而逐渐深入。

高精度的彗星飞越探测数据极大地丰富了人类对彗星的认识。自1985年欧空局（ESA）和美国国家航空航天局（NASA）合作完成首次哈雷彗星（1P/Halley）飞越探测以来，人类已成功对7颗彗星进行了飞越探测，获得了其中5颗彗星的彗核结构，它们大小不一、形态各异。但是由于地面观测和飞越探测各自的局限性，前期科学家对于观测数据的处理，尤其是对彗星的彗发中不同气体成分（例如水、二氧化碳等）的分布及生产率的计算，大都是建立在球形彗核及均匀的表面活动性的假设之上的。

不同空间任务中飞越探测的彗核形状 | 图源: NASA/JPL-Caltech/UMD

67P：外表和内涵

2014年8月到2016年9月，欧空局的罗塞塔（Rosetta）飞船对木星族彗星67P/Churyumov-Gerasimenko（楚留莫夫-格拉希门克彗星）进行了近距离多方位探测，向人类展现了一个形状怪异、地形复杂、有着高耸的峭壁和各种气体喷流，甚至还显示出有机物存在痕迹的奇妙的太阳系小天体。

67P表面的悬崖高度可达800米，崖底布满巨石；有些裂缝的宽度可达几米，长度可达一千米；凹坑的坑壁陡峭，底部较平坦，直径从十几米到几十米不等；部分凹坑内有尘埃喷流，这说明凹坑的形成与地下喷流有关；沙丘地形、岩石后的沙粒堆积和岩石周围被风吹开沙粒形成的凹坑等特征显示，在彗星表面可能存在微风。

罗塞塔上搭载的质谱仪（ROSINA）在67P彗发中探测到几十种分子，其中包括第一次在彗星上探测到的氧气和构成地球生命的重要有机物甘氨酸。此外，还探测到67P上的水中氘和氢的同位素丰度比D/H比地球上海洋中的值要高，这与之前基于103P/Hartley 2得出地球上的水来自彗星的猜测不相符。

ROSINA在67P彗发中探测到的气体-彗星动物园 | 图源：ESA

太阳系天体D/H同位素丰度比值 | 图源：Science (Altwegg et al., 2015)

俏身段：彗核结构

科学家们对这个由两部分组成的凹凸有致的“小黄鸭”彗核结构产生了浓厚的兴趣。他们从不同的角度开展相关研究，提出了多个可能的形成机制：

〇 从彗核两个部分的地表结构差异来看，两个独立的星子可能是在太阳系形成初期即缓慢碰撞在一起形成了双核结构；

〇 从动力学角度来看，气体挥发等彗核活动产生的力矩加速了原始单一彗核的自转，从而导致“颈部”的形成；

〇 从撞击理论的层面分析，彗核母体受到毁灭性或半毁灭性撞击后产生的碎片有可能再次聚集形成67P彗核；

〇 近期的研究则指出，彗核表面和内部的剪切应力也可能导致“颈部”受到侵蚀而形成的观测到的结构。

剪切应力的动力学侵蚀形成67P彗核形状的机制 | 图源：Nature Geoscience (Matonti et al., 2019)

怪脾气：彗核活动

虽然67P奇特“身段”的塑造过程目前没有确定的结论，但是罗塞塔的探测数据显示，是67P不规则的彗核结构和复杂的表面地形导致了彗发中气体和尘埃活动的不均匀性。

对67P的早期观测（彗星距太阳中心超过约5.6亿千米）揭示了太阳辐射对水分子挥发活动的驱动作用。多个仪器的探测结果都指出位于“颈部”的Hapi（哈比，埃及尼罗河之神）地区的挥发活动相对强烈。随着探测距离的接近，高精度的探测数据显示出彗核表面地貌的南北差异，近日点前后受到较强光照，从而活动性剧烈的南半球相比北半球受到更多侵蚀。科学家们也通过分析和模拟彗核表面局部区域周日太阳辐射强度的变化，指出复杂的地形地貌和由此导致的光照变化是形成喷流结构的决定性因素。

彗星上的喷流 | 图源：Nature Astronomy (Shi et al., 2018)

彗星上的喷流 | 图源: ESA/Rosetta/MPS

水密码：建模破译

由太阳辐射驱动的气体挥发等彗核活动在彗核表面的分布显然是不均匀的，这与彗核的形状、指向及局部地貌都密切相关，不规则形状导致的彗核表面的阴影区域和自受热效应也不能忽视。科学家认识到传统的球对称彗发模型已经不能满足精确解读罗塞塔获取的高精度数据的需求，建立考虑上述种种因素的三维模型成为更好的理解彗核复杂的活动机制的最佳选择。

近年来，随着计算机能力的不断提高，包括密度、温度和压强等参数的三维气体场模型得到进一步的发展，科学家们基于直接蒙特卡洛模拟（DSMC）和流体动力学模拟等方法建立的三维彗发模型在解读罗塞塔搭载的多个仪器观测数据的工作中得到应用。在研究中将气体挥发和尘埃运动相结合，对气体场和尘埃场进行三维模拟，探索彗星活动的机制。

DSMC(左)和流体动力学模拟(右)建立的三维彗发模型密度分布的截面 | 图源: Astronomy and Astrophysics (Bieler et al., 2015)

为了精确解读罗塞塔上搭载的毫米和亚毫米波探测器（MIRO）探测数据蕴含的丰富信息，中国科学院紫金山天文台和德国马普太阳系研究所组成的中德合作团队在近期的工作中建立了首个三维辐射转移模型（研究辐射通过既有吸收又有发射的介质时变化情况的理论模型分析方法），并用于MIRO早期观测中的水分子空间分布的研究。

研究人员在传统的球对称彗发结构的基础上，考虑了67P彗核复杂的形状、彗核表面光照的分布及阴影和自受热效应等因素，建立了水分子空间分布的三维结构，并利用基于LIME代码建立的三维辐射转移程序对MIRO早期水分子观测数据进行了更高精度的拟合，从而对这一阶段水分子的生产率、空间分布特性及彗核表面活动性有了更精确的认识。

研究发现位于“颈部”的Hapi区域活动性较为强烈，水分子生产率相比彗核表面其他区域高出大约一个量级。这个结论与多个仪器的观测结果相一致。科学家首次提出的“高大上”的三维辐射转移模型在后续对MIRO大量数据进行精确分析的过程中发挥重要作用，对于研究彗发中多个气体成分在67P经过近日点前后的分布特性和活动性具有重要科学价值。

该三维辐射转移模型无疑是目前精确解译彗发中复杂分子谱线的最好方法，也可应用于对地面高精度彗星观测数据的解读，最终更精确地确定不同族群彗星彗发中各种气体分子的丰度，为探索其起源和演化过程提供线索。

67P复杂的形状及光照导致的表面温度(左)和水分子生产率(右)的分布| 图源：MNRAS (Zhao et al., 2019)/紫金山天文台

星空浩瀚无比，探索永无止境。罗塞塔任务的成功使人类对彗星的认识进入了新的阶段。科学家们在不断探索对探测数据进行更精确的解读，以获取更多有价值的信息，进而对这类由冰和尘埃组成的不规则小天体的复杂的活动机制有更为深入的理解。与此同时，我国对主带彗星及欧空局对长周期彗星的探测计划也在紧锣密鼓的进行。我们坚信人类对彗星孜孜不倦地探索，终将帮助我们解开太阳系的起源及演化、地球海洋水的来源和生命的起源等谜团。

中国科学院紫金山天文台长期从事彗星科学研究，迄今已发现6颗彗星（62P/Tsuchinshan、60P/Tsuchinshan、142P/Ge-Wang、C/1977 V1、P/2007 S1和C/2017 E2），在哈雷彗星回归、彗木相撞事件与海尔—波普彗星等天文观测与物理特性等方面的研究具有重要的国际影响。这些研究工作为我国小天体深空探测任务如主带彗星探测提供关键科学支撑。

作者简介

赵玉晖：中国科学院紫金山天文台行星科学与深空探测实验室副研究员，研究领域：太阳系小天体动力学和形成机制研究，彗星物理特性、活动机制和长期演化研究等。

撰文：赵玉晖

审核：季江徽

编辑：王科超、高娜

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