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美國國家航空航天局(NASA)格雷爾斯雨燕天文臺(Neil Gehrels Swift Observatory)首次追蹤研究了一顆星際彗星,並記錄下該彗星在即將繞到近日點時的失水情況。該彗星名為2I/鮑裡索夫(2I/Borisov),2021年末造訪了太陽系。

香港大學、美國阿拉巴馬州奧本大學的研究生邢澤西(Zexi Xing,音譯)是這項研究的負責人,邢澤西稱:“很難把鮑裡索夫完全歸為太陽系內的某種彗星,但與太陽系內的彗星相比,鮑裡索夫又不十分突出。”她還說:“我們已知的彗星中有和鮑裡索夫相似的,它們至少有一個共性。”

彗星是混雜著宇宙塵埃的氣體冰塊,人們通常稱之為“髒雪球”。據科學家估計,圍繞太陽執行的彗星有數千億顆。從速度和估算的執行軌道來看,鮑裡索夫一定來自太陽系之外。事實上,鮑裡索夫是已知唯二的系外訪客,人類發現的首顆系外訪客名為奧陌陌(Oumuamua),與鮑裡索夫的發現僅相隔兩年。

2021年8月30日,業餘天文學家傑納迪·鮑裡索夫(Gennady Borisov)發現了這顆彗星,當時距離該彗星執行至軌道近日點仍有四個月,為多個天基和地基觀測站留出了後續觀測的時間。10月,科學家們利用新墨西哥州太陽黑子鎮的阿帕奇天文臺(Apache Point Observatory)首次發現了該彗星上存在水的痕跡。接下來的幾個月中,美國宇航局哈勃太空望遠鏡捕捉到了鮑裡索夫以時速10萬英里(16.1萬公里)飛馳的畫面。

彗星接近太陽時,其表面原本凍結的物質——如二氧化碳——升溫並開始轉化為氣體。當彗星與太陽相距不到2.3億英里(3.7億公里)時,其表面的水氣化。邢澤西和同事證實了鮑裡索夫上存在水,並用紫外線測量了水含量的波動。

在陽光的作用下,水分子分裂,產物之中包括羥基(氫氧基)——由一個氧原子和一個氫原子組成的分子,雨燕天文臺使用紫外/光學望遠鏡(UVOT)來檢測該類羥基所發出的紫外光。2021年9月至2022年2月間,邢澤西的團隊利用雨燕天文臺對鮑裡索夫進行了六次觀察。他們發現,在2019年11月1日至12月1日期間,鮑裡索夫產生的羥基量——即水量——增加了50%,此時鮑裡索夫與太陽擦肩而過剛好只過了一週。

在高峰期,鮑裡索夫每秒會失去8加侖(30升)水,水量足以在大約10秒內裝滿一個浴缸;而在其太陽系之旅中,有將近6100萬加侖(2.3億升)水從中釋放——足以填滿92個奧運規模的遊池。隨著與太陽相距越來越遠,鮑裡索夫的失水速度迅速放緩,變化比任何其他已知的彗星都要明顯。邢澤西稱,導致該現象的因素很多,包括表面侵蝕、旋轉變化,乃至彗星發生碎裂。事實上,根據哈勃和其他天文臺的資料,鮑裡索夫的多個主塊都在三月底與主體斷開了。

雨燕任務對鮑裡索夫水量的評估也有利於研究小組計算鮑裡索夫的最小體積——直徑不到半英里(0.74公里)。該小組估計,鮑裡索夫在到達近日點時,表面至少有55%的區域處於活躍狀態,不斷散出物質——活躍面積相當於紐約中央公園的一半大小,同等情況下至少十倍於大多數觀測到的太陽系彗星。鮑裡索夫與太陽系彗星的區別還體現在其他方面,例如,天文學家利用哈勃和智利的射電望遠鏡阿塔卡馬大型毫米[/亞毫米]波陣(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)發現鮑裡索夫在近日點產生的一氧化碳量十分之高,區別於其他彗星。

不過,鮑裡索夫與太陽系彗星也有一些共同特徵。接近太陽時,鮑裡索夫的產水量有所增加,這與太陽系彗星的情況類似。邢澤西及其團隊還發現,鮑裡索夫的產物中還包括其他型別的化學分子,從種類和產量方面來看都與本土彗星的情況相似。以羥基和氰基(由碳和氮組成的化合物)為例:鮑裡索夫產生了少量雙原子碳(一種由兩個碳原子組成的分子)和脒基(一種基於氨的分子),大約25%到30%的太陽系彗星也都會產出這些物質。

但是,綜合整體特徵而言,鮑裡索夫無法歸入任何一個已知的彗星家族。目前,科學家們仍在思考如何利用鮑裡索夫的獨特性來研究其他行星系統中彗星。

該小組的研究結果發表於2021年4月27日刊的《天體物理學快報》上,網上即可查閱。

雨燕天文臺的建設初衷是研究伽馬射線爆發,伽馬射線爆發是宇宙中最明亮的爆炸現象。但在過去十年中,博德維茨利利用雨燕天文臺瞭解了更多關於來自太陽系外的彗星。地球大氣層吸收了大多數照向地球的紫外光,因此科學家必須從太空中尋找羥基的特徵。雨燕天文臺的觀測策略靈活,反應時間短,因此可以用來有效觀測那些有意思的新目標。對鮑裡索夫的前五次觀測由12小時內拍攝的光學望遠鏡(UVOT)快照組成;上一次對它的觀測結果由一系列影象組成,拍攝歷時24小時。

在美國馬里蘭州格林貝爾特的戈達德航天中心(Goddard Space Flight Center),雨燕任務首席研究員布拉德利·岑科(S. Bradley Cenko)說:“團隊最初並沒有想到雨燕任務會對我們理解行星科學做出如此巨大的貢獻。”“但這是一個很好的例子,證明人們能夠想出具有創造性、兼具足夠實力的方法,以此推進未知又叫人興奮的科學事業。”

戈達德航天中心與美國大學城的賓夕法尼亞州立大學、新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室以及弗吉尼亞州杜勒斯的諾斯羅普·格魯曼創新系統公司合作管理雨燕天文臺。合作伙伴還包括英國萊斯特大學和穆拉德空間科學實驗室,以及義大利布雷拉天文臺和義大利航天局。

FY:Bévis

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