彗星尾巴在太阳风中飘动

彗星尾巴在太阳风中飘动

在华盛顿的海军研究实验室，工程师和科学家们聚集在操作室内的一个屏幕前美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的立体宇宙飞船提供的第一批数据，让他们迫不及待地想要一探究竟。那是2007年1月，几个月前发射的两颗立体卫星——太阳和地球关系天文台的简称——第一次打开了仪器的眼睛。首先:STEREO-B。屏幕闪烁着，但他们预期的不是巨大的星际空间，而是一种珍珠般的白色、羽毛般的污迹——就像天使的翅膀——充满了画面。NRL天体物理学家Karl Battams在恐慌的几分钟里担心望远镜出了问题。然后，他意识到这个明亮的物体不是一个缺陷，而是一个幽灵，这是麦克诺特彗星的第一张卫星图像。那天晚些时候，STEREO-A会返回类似的观察结果。

C/2006 P1彗星——也被称为麦克诺特彗星，以天文学家罗伯特·麦克诺特的名字命名，他于2006年8月发现了这颗彗星——是过去50年来地球上可见的最明亮的彗星之一。2007年1月，这颗彗星横越南半球的天空，明亮得肉眼甚至在白天都能看到。麦克诺特属于一组罕见的彗星，被称为“伟大的彗星”，以其非凡的亮度著称。然而，麦克诺特与其他彗星的区别更大的是它高度结构化的尾巴，它由许多不同的尘埃带组成，称为条纹，或条纹，在彗星后面延伸超过1亿英里，比地球和太阳之间的距离还要长。一个月后，即2007年2月，欧洲航天局(ESA)和美国国家航空航天局(NASA)的飞船尤利西斯号(Ulysses)遭遇了彗星的长尾。

科学家不知道尾巴是如何以这种方式分裂的。它唤起了人们对另一颗历史悠久的彗星的回忆:1744年的大彗星，据说它在地平线上戏剧性地呈六尾扇形展开，天文学家当时无法解释这一现象。通过解开麦克诺特的尾巴之谜，科学家们希望能对彗星的性质有新的了解——并将两种宇宙奥秘结合在一起。

当然，研究1744年和2007年彗星的一个关键区别是，我们从太空来研究彗星的能力。除了“立体声”的意外发现外，欧洲航天局/美国国家航空航天局(NASA)的SOHO卫星——太阳和日光层天文台——在麦克诺特飞越太阳时定期进行观测。研究人员希望这些图片能包含他们的答案。

几年后的今天，奥利弗·普莱斯(Oliver Price)——英国伦敦大学学院(University College London)穆拉德空间科学实验室(Mullard Space science Laboratory)的行星科学博士研究生——已经开发出一种新的图像处理技术，可以通过丰富的数据进行挖掘。普赖斯的发现——在最近发表的一篇伊卡洛斯论文中进行了总结——提供了关于条纹形成的首次观测，以及关于太阳对彗星尘埃影响的意外发现。

彗星是46亿年前太阳系形成时留下的宇宙碎片，由冻结的气体、岩石和尘埃组成，因此它们可能包含了太阳系早期历史的重要线索。这些线索就像时间胶囊一样被解开了，每次彗星的椭圆轨道接近太阳的时候。强烈的热量使冻结的气体蒸发并释放其中的尘埃，这些尘埃在彗星后面流动，形成了两个截然不同的尾巴:一个是由太阳风携带的离子尾巴——来自太阳的带电粒子的持续流动——和一个尘埃尾巴。

了解尘埃在尾部的行为——它是如何破碎和聚集在一起的——可以让科学家们了解数十亿年前形成尘埃的小行星、卫星甚至行星的类似过程。作为近代史上最大、结构最复杂的彗星之一，麦克诺特是这类研究特别好的对象。它的亮度和高粉尘产量使它更容易解决细结构在其尘埃尾的演变。

普赖斯开始研究一些科学家无法解释的问题。他说:“我的上司和我注意到这些条纹的图像中出现了一些奇怪的现象，破坏了原本干净的线条。”“我开始调查是什么造成了这种奇怪的效果。”

裂谷似乎位于日球电流片，这是带电太阳风的磁化方向或极性改变方向的边界。这让科学家们感到困惑，因为虽然他们早就知道彗星的离子尾巴受到太阳风的影响，但他们以前从未见过太阳风冲击尘埃尾巴。

科学家们认为，麦克诺特尾巴上的灰尘——大约相当于香烟烟雾的大小——太重了，无法让太阳风四处推动。另一方面，离子尾巴上微小的带电离子和电子很容易沿着太阳风航行。但是很难确切地说出麦克诺特的尘埃发生了什么，以及在哪里，因为彗星以大约每秒60英里的速度在立体声和苏豪区快速进出。

“我们用这颗彗星获得了非常好的数据集，但它们来自不同航天器上的不同摄像机，都在不同的地方，”普莱斯说。“我一直在寻找一种方法，把所有的东西都整合到一起，以便对尾巴上发生的事情有一个完整的了解。”

他的解决方案是一种新颖的图像处理技术,编译所有的数据从不同的宇宙飞船使用模拟的尾巴,在每个微小的尘埃的位置映射由太阳条件和物理特性和它的大小和年龄,或者一直以来多长时间会飞的头,或昏迷,彗星。最终的结果就是普赖斯所称的时间图，它可以从任何给定时刻拍摄的所有图像中分层信息，使他能够跟踪尘埃的运动。

时间图意味着价格可以随着时间的推移观察条纹的形成。他的视频长达两周，是第一个追踪这些结构的形成和演化的视频，展示了尘埃碎片是如何从彗星的头部滑落，并坍缩成长长的条纹的。

但研究人员最兴奋的发现是，普莱斯的地图更容易解释最初吸引他们注意数据的奇怪效应。事实上，当前的板块是尘埃尾断裂的罪魁祸首，粉碎了每个条纹的平滑、清晰的线条。在整整两天的时间里，彗星花了整整一天的时间穿过当前的板块，每当尘埃遇到那里不断变化的磁场条件时，它就会被撞得偏离位置，就好像穿越了某个宇宙的减速带。

伦敦大学学院的行星科学家Geraint Jones说:“这就像是条纹状的羽毛在穿过当前的冰盖时被弄皱了。”“如果你想象一只翅膀上有很多羽毛，当翅膀穿过床单时，羽毛较轻的一端就会弯曲变形。”对我们来说，这是强有力的证据证明尘埃是带电的，太阳风正在影响尘埃的运动。

科学家们早就知道太阳风会影响带电的尘埃;像伽利略·卡西尼号和尤利西斯这样的任务，观察它在木星和土星附近的太空中移动带电的尘埃。但让他们惊讶的是，观测到太阳风会影响到像麦克诺特尾巴上的那些更大的尘埃颗粒——大约是木星和土星周围喷射出的尘埃颗粒的100倍——因为它们比太阳风要重得多。

通过这项研究，科学家们对长期存在的谜题有了新的见解。这项工作揭示了过去纹状彗尾的性质，并为将来研究其他彗星提供了重要的视角。但它也引发了新的疑问:太阳在太阳系的形成和早期历史中扮演了什么角色?

“现在我们看到太阳风改变了麦克诺特尾巴上尘埃颗粒的位置，我们可以问:在太阳系的早期历史中，太阳风是否也在古代尘埃的形成中起了作用?”琼斯说。