新智慧星 Comet NEOWISE。攝影 / 申然
2020年，一顆絢麗的大彗星——新智彗星（C/2020 F3 (NEOWISE)）划過北半球夏季的星空，拖著壯觀的彗尾，成為了二十一世紀以來北半球最具觀賞性的彗星，也成為當時全球天文觀測者關注的焦點。要知道上一次如此壯觀的彗星景象，還要追溯到1997年海爾波普彗星的回歸。
2020年7月24日於中國科學院紫金山天文臺盱眙觀測站拍攝的新智彗星。攝影 / 徐智堅、陳向陽
自古以來，仰望星空的人類對彗星這一特殊的天文現象表示了高度關注，最早的彗星觀測可以追溯到2600多年前。公元前200年人們就開始對於彗星進行形象的描述。十七世紀左右，西方開始利用地面望遠鏡對彗星開展觀測，而二十世紀80年代以來，人類已經先後發射了多個空間探測任務對彗星進行近距離的探測。
/ 厄運的象徵
世界上關於彗星最古老的記載在古代中國。《淮南子·兵略訓》中記錄了公元前1057年的一次彗星，很可能就是著名的哈雷彗星。目前，世界公認最早的關於哈雷彗星的記錄，是公元前240年《史記·秦始皇本紀》裡所記載的：「彗星光出東方，見北方，五月見西方……彗星復見西方十六日」（下圖）。此外，馬王堆漢朝墓中出土了一幅畫記錄了29種彗星。我國彗星記載的精度和完備性直到十五世紀才逐漸被西方國家所超越。
公元前240年《史記》中對哈雷彗星的記載
「鯨魚死而彗星出」在古代中國，彗星被認為是災難來臨的象徵，被稱為「掃把星」。在西方，彗星也被認為是上帝憤怒的標誌，它不僅象徵著地震、饑荒、瘟疫和洪水等災害的來臨，也可能預示著戰爭、帝王的駕崩和王朝的顛覆。西方也有著豐富的彗星觀測記載，其中描繪諾曼徵服前後相關事件的貝葉壁毯是關於哈雷彗星最著名的歷史記載之一。這幅以亞麻布為底的絨尼刺繡連環畫，其中一部分表現了1066年哈雷彗星回歸時英國的哈羅德二世國王不安的場面，彗星的出現似乎預示了他即將在哈斯廷斯戰役中被徵服者威廉擊敗，從而失去君主的寶座。
貝葉壁毯描述了哈雷彗星在1066年的回歸。
義大利畫家喬託將1301年哈雷彗星回歸的情景描繪到了《三王朝拜圖》中。這個作品描繪了耶穌基督降生之時，來自東方的三位賢者追隨星的軌跡前來朝拜的景象。畫中的彗星有了神聖的寓意，在古代對於彗星的記錄中十分罕見。歐空局在上世紀80年代發射的哈雷彗星探測器也由此被命名為喬託號。
義大利畫家喬託把對哈雷彗星的觀測記錄到其作品《三王朝拜圖》中。
/ 科學的認知
古希臘的科學家亞里斯多德早在公元前360年就提出彗星的出現是一種自然現象—地球釋放的物質上升到了高層大氣層並被地球運行所在球面的運動所點燃。像風、潮汐和地震等恐怖的自然現象的背後都有著同樣的氣象學成因。
1800多年以後，丹麥天文學家第谷在他的著作中分析了1577年大彗星的外觀及它到地球的距離，並斷定這顆彗星已進入了遙遠的行星所環繞的太空，它不是地球大氣層的一種現象，而是一顆地外天體。
又過了100多年，愛德蒙·哈雷在1705年通過牛頓的萬有引力理論成功預測了哈雷彗星在1758的回歸，這是對牛頓運動定律的完美證明。人類認識到彗星來自遙遠的地方，是像地球和其他行星那樣軌道繞太陽轉的一類天體。
19世紀50年代，美國天文學家惠普爾提出,彗星的彗核是主要由水冰構成的「雪球」，它還夾雜著許多其他塵埃和氣體，直徑有幾公裡大小。當這個髒雪球來到離太陽近的地方，溫度升高導致水冰升華和塵埃運動，形成幾百幾千公裡的彗發和千萬公裡的彗尾，就是我們觀測到的彗星。
天文學家惠普爾博士和他提出的「髒雪球」模型。
/ 太陽系的時間膠囊
如今，通過大量的天文觀測、理論和實驗室分析以及數值計算，人們認識到彗星是從遙遠的柯伊伯帶和奧爾特雲來的一類具有揮發性成分的小天體。它們形成並長期演化在遙遠的外太陽系，軌道受到擾動後發生改變，來到了距離太陽較近的地方。
作為太陽系形成初期遺留的原始星子，彗星經歷了較少的太陽輻射的侵蝕，完好的保留著太陽系早期的物質和信息，儲存了豐富的如CO、CH4等原始的易揮發性氣體，是太陽系的時間膠囊，具有重要的科學研究價值。可以為我們探索太陽系早期起源和演化的歷史提供寶貴的信息。
岷山之巔的NEOWISE新智彗星。 攝影 / 楊友利
/ 近距離探測
一般而言，在靠近太陽的時候，彗星有兩條明顯的彗尾，一條是被氣體升華帶離彗核的塵埃顆粒在太陽輻射等作用下形成的塵埃尾，還有一條是彗發中的帶電離子在太陽風的作用下形成的離子尾，離子尾永遠沿太陽光入射的方向延伸。對彗星的地面觀測往往只能看到彗星的彗發和彗尾，而被氣體和塵埃包裹著的彗核，我們能獲取的信息十分有限。
為了更深入和準確地了解彗星尤其是彗核的特性，從上世紀80年代以來，人類一共發射了11個探測器探測了8顆彗星，並獲得了6顆彗星的彗核形狀。1986年，哈雷彗星上次回歸，歐空局、日本和蘇聯派出了多個探測器對它進行了探測。其中歐空局的喬託號探測器在距離彗星600km的地方，捕捉到了哈雷彗星的彗核形狀和彗髮結構的圖像，這是人類第一次觀測到彗星的固體部分—彗核。
歐空局喬託號探測器捕捉到的哈雷彗星圖像 / ESA
足足等待十五年後，NASA的Deep Space任務在2001年對彗星19P/Borrelly進行了飛越探測，清晰的捕捉到了其酷似保齡球的奇特彗核形狀以及彗核表面不同的地貌結構。2004年，NASA的星塵號探測器對彗星81P/Wild 2進行了探測，對它彗發中的塵埃等粒子進行了採集送回地球。NASA的深度撞擊探測器在2005年和2010年先後對彗星9P/Tempel 1和103P/Harley2進行了飛越探測，它先是釋放了撞擊器對Tempel 1的彗核進行了撞擊並記錄了撞擊過程，又對Harley 2的彗核結構和彗發中水、二氧化碳及塵埃的分布進行了觀測。
在對彗星的多次近距離探測後，科學家發現，比起髒雪球，彗星的彗核有更加複雜的物質成分：它更可能是一個以塵埃等礦物質為主，夾雜著一些揮發性冰（如水冰）的物體。
2004年，具有裡程碑意義的彗星探測任務—歐空局的羅塞塔任務正式起航，去往木星族彗星67P/C-G。這是人類歷史上唯一對彗星進行伴飛探測的任務。2014年，羅塞塔探測器在經歷了10年的星際飛行之後，到達了彗星67P，並陪伴這顆彗星經歷了軌道的近日點，對它進行了為期兩年的探測，不僅對這顆彗星奇特的形狀和豐富的地貌進行了細緻的探測，也在彗星的彗發中探測到了幾十種分子成分，其中包括首次在彗星上探測到氧氣和組成地球生命的重要有機成分甘氨酸。
歐空局羅塞塔探測器搭載的質譜儀（ROSINA）在彗星67P/C-G彗發中探測到的分子成分 / ESA
空間的近距離的探測幫助我們回答了關於彗星的很多謎題，同時也發現了更多未知的問題，需要我們在後續的任務中尋找答案。目前，歐空局探測長周期彗星的彗星攔截者任務已經立項，我國小行星和主帶彗星探測任務也在積極準備中，希望未來這些任務的探測結果可以幫助我們對太陽系的形成，地球上水的來源和生命的起源這些重要的科學問題有更進一步的認知。
報告人簡介 /
趙玉暉，中國科學院紫金山天文臺研究員，碩士生導師。本科畢業於南京大學天文系，博士畢業於南京大學天文與空間科學學院，主要研究領域為太陽系小天體、彗星科學和深空探測軌道力學，參與了我國探月三期、載人登月和火星探測任務的論證工作，以及嫦娥二號飛越Toutatis小行星任務的實施，在小天體形成與演化及彗星科學等研究領域取得了一系列重要的研究成果，在Nature Astronomy, MNRAS, ApJL等期刊發表論文40餘篇，主持國家基金委多個項目。
[本文整理自《天芳夜潭》系列講座演講內容，主講人均為空間科學領域傑出女性科學家。該講座由國際空間科學研究所-北京(ISSI-BJ)主辦，歡迎各位關注。]
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撰稿 / 趙玉暉
版權 / ©國際空間科學研究所-北京（ISSI-BJ）
編輯 / 恩麗娟 懷塵
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