这里有一颗小黄鸭彗星

“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载之一。尔后，人类对这类拖着“尾巴”的奥秘小天体坚持继续重视，但在上千年的前史中，彗星都被当作预示灾祸来临的“扫帚星”。

今日，咱们现已知道，太阳系中的彗星是环绕太阳运转的一类小天体，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址，因此被称为研讨太阳系演化的“时刻胶囊”或许“太阳系活化石”。彗星中富含多种气体、蒸发成分与有机物，其间水和有机物的勘探不只有助于研讨地球水的来历和水在太阳系中的散布，还有助于提醒地球生命的来历。咱们还知道，其他恒星体系中也会有所谓系外彗星。前不久，人类乃至还勘探到了首颗闯入太阳系的星际彗星。人们对彗星的知道正跟着观测技能和剖析手法的进步而逐渐深化。

高精度的彗星飞越勘探数据极大地丰厚了人类对彗星的知道。自1985年欧空局（ESA）和美国国家航空航天局（NASA）协作完结初次哈雷彗星（1P/Halley）飞越勘探以来，人类已成功对7颗彗星进行了飞越勘探，获得了其间5颗彗星的彗核结构，它们大小不一、形态万千。可是因为地上观测和飞越勘探各自的局限性，前期科学家关于观测数据的处理，尤其是对彗星的彗发中不同气体成分（例如水、二氧化碳等）的散布及生产率的核算，大都是树立在球形彗核及均匀的外表活动性的假定之上的。

不同空间使命中飞越勘探的彗核形状 | 图源: NASA/JPL-Caltech/UMD

彗星67P：外表和内在

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）进行了近间隔多方位勘探，向人类展示了一个形状奇怪、地势杂乱、有着挺拔的峭壁和各种气体喷流，乃至还显现出有机物存在痕迹的美妙的太阳系小天体。

67P外表的山崖高度可达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；凹坑的坑壁峻峭，底部较平整，直径从十几米到几十米不等；部分凹坑内有尘土喷流，这说明凹坑的构成与地下喷流有关；沙丘地势、岩石后的沙粒堆积和岩石周围被风吹开沙粒构成的凹坑等特征显现，在彗星外表或许存在和风。

罗塞塔上搭载的质谱仪（ROSINA）在67P彗发中勘探到几十种分子，这中心还包含第一次在彗星上勘探到的氧气和构成地球上生命的重要有机物甘氨酸。此外，还勘探到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，这与之前根据103P/Hartley 2得出地球上的水来自彗星的猜想不相符。

ROSINA在67P彗发中勘探到的气体-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)

彗核结构：独特的身段

科学家们对这个由两部分所组成的凸凹有致的“小黄鸭”彗核结构发生了稠密的爱好。他们从不同的视点展开相关研讨，提出了多个或许的构成机制：

〇 从彗核两个部分的地表结构差异来看，两个独立的星子或许是在太阳系构成初期即缓慢磕碰在一起构成了双核结构；

〇 从动力学视点来看，气体蒸发等彗核活动发生的力矩加快了原始单一彗核的自转，然后导致“颈部”的构成；

〇 从碰击理论的层面剖析，彗核母体遭到毁灭性或半毁灭性碰击后发生的碎片有或许再次集合构成67P彗核；

〇 近期的研讨则指出，彗核外表和内部的剪切应力也或许会引起“颈部”遭到腐蚀而构成观测到的结构。

剪切应力的动力学腐蚀构成67P彗核形状的机制 | 图源：Nature Geoscience (Matonti et al., 2019)

彗核活动：杂乱的心情

尽管67P独特“身段”的刻画进程现在没有确认的定论，可是罗塞塔的勘探多个方面数据显现，是67P不规则的彗核结构和杂乱的外表地势导致了彗发中气体和尘土活动的不均匀性。

对67P的前期观测（彗星间隔太阳中心超越约5.6亿千米）提醒了太阳辐射对水分子蒸发活动的驱动效果。多个仪器的勘探成果都指出坐落“颈部”的Hapi（（哈比，埃及尼罗河之神））区域的蒸发活动相对激烈。跟着勘探间隔的挨近，高精度的勘探多个方面数据显现出彗核外表地貌的南北差异，近日点前后遭到较强光照，然后活动性剧烈的南半球比较北半球遭到更多腐蚀。科学家们也通过剖析和模仿彗核外表部分区域太阳辐射强度的改变，指出杂乱的地势地貌和由此导致的光照改变是构成喷流结构的决定性要素。

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

建模解读：水分子空间散布

由太阳辐射驱动的气体蒸发等彗核活动在彗核外表的散布显然是不均匀的，这与彗核的形状、指向及部分地貌都密切相关，不规则形状导致的彗核外表的暗影区域和自受热效应也不能忽视。科学家知道到传统的球对称彗发模型现已不能满意准确解读罗塞塔获取的高精度数据的需求，树立考虑上述种种要素的三维模型成为更好的了解彗核杂乱的活动机制的最佳挑选。

近年来，跟着核算机才能的逐渐的提高，包含密度、温度和压强等参数的三维气体场模型得到进一步开展，科学家们根据直接蒙特卡洛模仿（DSMC）和流体动力学模仿等办法树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使用。在研讨中将气体蒸发和尘土运动相结合，对气体场和尘土场进行三维模仿，探究彗星活动的机制。

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

为了准确解读罗塞塔上搭载的毫米和亚毫米波勘探器（MIRO）勘探数据包含的丰厚信息，中国科学院紫金山地理台和德国马普太阳系研讨所组成的中德协作团队在近期的工作中树立了首个三维辐射搬运模型（研讨辐射通过既有吸收又有发射的介质时改变状况的理论模型剖析办法），并用于MIRO前期观测中的水分子空间散布的研讨。

研讨人员在传统的球对称彗发结构的基础上，考虑了67P彗核杂乱的形状、彗核外表光照的散布及暗影和自受热效应等要素，树立了水分子空间散布的三维结构，并使用根据LIME代码树立的三维辐射搬运程序对MIRO前期水分子观测数据进行了更高精度的拟合，然后对这一阶段水分子的生产率、空间散布特性及彗核外表活动性有了更准确的知道。

研讨发现坐落“颈部”的Hapi区域活动性较为激烈，水分子生产率比较彗核外表其他区域高出大约一个量级。这个定论与多个仪器的观测成果相一致。科学家初次提出的“巨大上”的三维辐射搬运模型在后续对MIRO很多数据进行准确剖析的进程中发挥及其重要的效果，关于研讨彗发中多个气体成分在67P通过近日点前后的散布特性和活动性具有重要科学价值。

该三维辐射搬运模型无疑是现在准确解译彗发中杂乱分子谱线的最好办法，也可使用于对地上高精度彗星观测数据的解读，终究更准确地确认不同族群彗星彗发中各种气体分子的丰度，为探究其来历和演化进程供给线索。

67P杂乱的形状及光照导致的外表温度（左）和水分子生产率（右）的散布| 图源：MNRAS (Zhao et al., 2019)/紫金山地理台

星空众多无比，探究永无止境。罗塞塔使命的成功使人类对彗星的知道进入了新的阶段。科学家们在不断探究对勘探数据进行更准确的解读，以获取更多有价值的信息，进而对这类由冰和尘土组成的不规则小天体的杂乱的活动机制有更为深化的了解。与此同时，我国对主带彗星及欧空局对长周期彗星的勘探方案也在紧锣密鼓地进行。咱们深信人类对彗星孜孜不倦地探究，终将协助咱们解开太阳系的来历及演化、地球海洋水的来历和生命来历等疑团。

中国科学院紫金山地理台长时间从事彗星科学研讨，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、彗木相撞事情与海尔—波普彗星等地理观测与物理特性等方面的研讨具有重要的世界影响。这些研讨工作为我国小天体深空勘探使命如主带彗星勘探供给要害科学支撑。

来历：中国科学院紫金山地理台