目前已知年度最亮的周期彗星12P/Pons-Brooks
时隔71年再度回归，最近已进入最佳观测期！
本次回归周期内，12P彗星于4月21日过近日点，到达距离太阳最近的位置，在金牛座达到最高亮度，是难得一见的精彩天象。由于它与太阳的角距只有22°，这意味着太阳下山后，这颗彗星很快也会落入地平线。在大多数情况下，该彗星在天空中的位置偏低，但由于其亮度较大，在观测条件极好的情况下是肉眼可见的。
图1：在阿里使用单反拍摄的12P/Pons-Brooks图片丨陈韬 摄
12P/Pons-Brooks，其名字源于两位观测者：法国天文学家Jean-Louis Pons和美国天文学家William Brooks。早在1385年中国和1457年意大利就已经有关于12P/Pons-Brooks彗星的记载，这个时间差正好与其回归周期71年相当。1812年7月，Pons发现了这颗彗星，天文学家根据Pons的观测计算得到这颗彗星的轨道，并得到这颗彗星的轨道周期在65-75年。随后Brooks于1883年9月12P回归时又发现了它，并在这次回归中观测到四次爆发。
2024年12P再度回归，幸运的是我们能够有机会在4月21日它通过近日点时看到最亮的12P，此时彗星距离太阳仅0.781 AU，其亮度可达4.0等左右。虽然12P最接近地球的时间为2024年6月2日，但在近日点后，它将从北半球的夜空中消失并且比近日点时期暗许多，因此对我们来说最佳观测时间正是未来几周内。如果错过这次机会，就要等到2095年才能再次观测到12P彗星的回归。所以不要错过这次难得的观测机会哇，与这个「天外来客」来一场精彩邂逅！
图2：美国天文学家Herbert Couper Wilson于1884年1月21日和22日的12P/Pons-Brooks彗星草图 丨图源：https://adsabs.harvard.edu/
01
彗星的轨道特性
彗星的轨道与行星或小行星的轨道大不相同，它是极扁的椭圆，能够定期回归，称为周期彗星。周期彗星分为短周期彗星和长周期彗星。短周期彗星绕太阳公转周期短于200年，如12P/Pons-Brooks。长周期彗星绕太阳公转周期超过200年，如紫金山-阿特拉斯彗星C/2023 A3(Tsuchinshan-ATLAS)，它的公转周期约为6.2万年。C/2023 A3是紫金山天文台发现的第八颗彗星，也是第六颗以「紫金山「命名的彗星。该彗星预计2024年8月将穿过地球轨道，随后距离太阳越来越近，其亮度将快速增加，有望在2024年9月亮度超过12P，成为今年最值得期待的肉眼可见大彗星。
12P/Pons-Brooks是一颗「哈雷型」短周期彗星，轨道周期为71年。它的回归周期与每隔76.1年就回归一次的哈雷彗星相差不大，因此被称为「哈雷型」彗星（轨道周期在20至200年间）。12P的轨道倾角约为74.2°，偏心率0.955，其近日点大约只有0.781 AU，远日点在33AU，刚好超出海王星的轨道，如图3所示。这颗彗星的轨道相对较为稳定，在1740年至2167年间似乎不受任何大行星的强烈摄动。还有另外三颗彗星——13P/Olbers、23P/Brorsen–Metcalf和现已不存在的20D/Westphal（在1913年迅速消失，未发现其回归）也属于哈雷型彗星，也被称为海王星族彗星，其中12P的亮度仅次于哈雷彗星。
图3：12P的轨道，其中白色曲线代表12P的轨道。丨图源：紫金山天文台 胡寿村绘制
12P也是一颗「近地彗星」，其公转轨道距离太阳非常近，可以穿过地球轨道。近地彗星比近地小行星更为稀有，我们目前只知道122颗近地彗星，但近地小行星却有35000颗左右。目前我国密切关注近地小天体，开展了近地小行星防御计划，以监测任何小天体的撞击风险。12P接近地球的事件统计如表1所示，1884年12P距离地球最近（0.63 AU），这次近地事件之后的回归，其地心距逐渐增大，大于1.5 AU。
表1 彗星12P近地事件
02
彗星的物理性质
彗星就像一座古老的飞越太空的冰火山，不定时地爆发，将大量冰和气体送入太空。它们大约有46亿年的历史，与太阳、地球和其他行星同时形成。大行星的引力作用将它们从海王星轨道之外抛向内行星方向（内行星包括水星、金星、地球和火星），这使得它们成为太阳系中最混沌和最有趣的天体之一。
彗星与小行星不同，彗星通常没有固定的体积，由彗核以及可观测的彗发和彗尾组成。彗核是构成彗星的固体部分，其直径通常在1至50公里之间，具有脏雪球的结构，主要由冰和尘埃等构成。当彗星接近太阳时，由于受到加热，部分水冰由固体升华为气体，并带动尘埃的运动，形成彗发和彗尾。彗星和小行星的撞击可能是地球上部分水的来源，也可能是月球阴影坑底部贮藏冰的原因。
图4：美国天文学家Whiple博士和他提出的「脏雪球」模型丨图源：https://www.daviddarling.info/
彗星的显著性特点在于彗尾，彗尾有两种类型，尘埃尾和离子（或等离子体）尾。当太阳加热彗星上的水冰时，会释放出气体和尘埃到太空中，尘埃落入彗星周围的轨道，受到太阳光压的影响形成扇形彗尾。而彗发中的气体受到太阳风等离子体的电离，形成带电粒子，这些带电粒子组成了狭长的离子彗尾，被太阳风推离太阳方向。彗尾也是给地球每年带来流星雨的原因，当地球穿过彗星留下的尘埃云时，行星引力的作用形成了我们所看到的美丽的流星雨。12P/Pons-Brooks彗星被认为可能是十二月天龙座k流星雨的母体。这场流星雨大约在每年的11月29日至12月13日期间活跃，预计是与该彗星相关的流星雨中数量最丰富的。
图5：阿里观测站40 cm望远镜拍摄的12P/Pons-Brooks彗星图像 丨图源：紫金山天文台
12P/Pons-Brooks彗星的直径可达30公里，其直径比珠穆朗玛峰还要大3倍。12P彗星又被广泛称为「恶魔彗星」，这是因为12P在2023年7月20日爆发时，人们观测到彗星形成了一条令人瞩目的「角」形或「马蹄」形彗尾（如图6-7），爆发后迅速消退。「恶魔角」的形成可能是由于彗星不均匀喷气造成的；也可能是一种阴影效应，彗星的几何形状特征导致其中心位置遮挡；或者也可能是一种随机的不可预测的爆发事件。
图6-7：2023年7月12P/Pons-Brooks爆发时的景象，人们将这个新奇的造型与【星球大战】系列中的千年隼号进行比较丨图源：https://starwalk.space/
03
有趣的彗星
在人类社会历史中，彗星始终是一种令人着迷的天象。其独特的形态和不规律的运动与人们熟悉的行星和恒星有着明显的区别。因此在古代没有望远镜的时候，彗星曾被视作上天的一种灾难的象征。亚里士多德将彗星认定为一种大气，这一观点持续了千年之久，直到文艺复兴时期才有所改变。天文学家第谷观测了C/1577 V1，发现其距离远大于地月距离，论证了彗星是一种天文现象。
到了牛顿的时代，他观察到两颗相似的彗星，并推测它们受到太阳引力的影响。基于这一观点，牛顿提出了万有引力理论。哈雷则利用这一理论计算了彗星的轨道，并预测了其回归时间。当哈雷彗星按预计时间回归时，科学的力量战胜了古老的迷信。
从牛顿时代到20世纪初，随着观测技术和天文理论的进步，我们对彗星有了更深入的了解。在动力学上，随着更多彗星被发现，彗星轨道呈现出两种形式，椭圆轨道和抛物线轨道，其中位于周期小于20年的椭圆轨道上的木星族彗星是我们最熟悉的彗星类型。这些彗星被证明是由木星引力被「捕获」的，这一发现促进了天体力学中太阳-木星-彗星的限制性三体问题的发展。
在20世纪50年代早期，彗星科学出现了三个重要理论，分别解释了彗核物质结构，彗星起源和彗发与太阳风的作用。首先，Whipple(1950)提出的冰尘混合物「脏雪球」模型首次具体描述了彗核性质以及彗核活动性来源 。然后，Finson et al.(1968)提出的彗发气体的动力学模型并描述了彗核附近气体尘埃的相互作用，解释了彗尾的形成，促进了太阳风理论的发展。在彗核模型提出的同期，Oort基于长周期彗星轨道的分布，推断出它们可能起源于距离太阳超过200,000 AU距离的地方，称为奥尔特云(Oort Cloud)；Kuiper也提出了海王星轨道之外可能也存在小天体带，称为柯伊伯带(Kuiper Belt)；Fernandz证明了短周期彗星可能起源于柯伊伯带。
彗星起源于太阳系边缘，奥尔特云和柯伊伯带，它们携带着太阳系形成之初最原始的物质，通过研究彗星的物质组成可以推测太阳系起源时期的元素组成，理解太阳系的研究机制。
04
彗星的探测
随着深空探测技术日趋成熟，人们不再满足于地面观测，开展了多个对这类小天体的空间探测任务。表2中列出了目前已开展的彗星探测任务。人类首个彗星探测器是欧空局的Giotto，它在1986年飞越哈雷彗星，得到了人类历史上第一张彗核的高分辨率图像，并发现了彗星上有机物存在的证据。随后，1992年又飞越26P/Grigg-Skjellerup，距离彗核仅200公里。21世纪以后，人们又多探测了多颗彗星，得到了形状迥异的彗星图像，并基于空间光学数据构建了高空间分辨率的形状模型。探访9P/Tempel 1的Deep Impact任务实现了对彗星的撞击，首次探测到彗核以下较为新鲜的物质。Stardust任务携带81P/Wild 2彗发中的尘埃颗粒返回地球，使我们对彗核尘埃的物理性质有了新的理解。Rosetta任务则是首次伴飞彗星的探测任务，在长达两年的伴飞过程中，清晰观测了67P在2015年通过近日点的全过程，直观呈现了彗星活动的相关现象，是人类历史上对彗星最详尽的观测。
表2：目标为彗星的主要空间探测任务
在太空探索的征程中，每一次探测都为我们揭示了宇宙的新奥秘，为科学家们提供了宝贵的数据和观测机会。2025年，我国将发射「天问二号」探测器，该探测器将从近地小行星2016 HO3上采集样本带回地球，这是中国首次从行星际取回样品。除此之外，「天问二号」还将前往活动小行星311P/PANSTARRS进行伴飞探测。311P是具有类似彗星活动性但具有小行星轨道的一类特殊小天体。这次探测任务不仅有助于了解小行星和彗星的密度、大小、热导率等物理性质，还为太阳系的形成与生命起源提供新的见解或证据。
来源：中国科学院紫金山天文台
编辑：雪影
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
如需转载请联系原公众号
