目前已知年度最亮的周期彗星12P/Pons-Brooks時隔71年再度回歸，最近已進入最佳觀測期！本次回歸周期内，12P彗星于4月21日過近日點，到達距離太陽最近的位置，在金牛座達到最高亮度，是難得一見的精彩天象。由于它與太陽的角距隻有22°，這意味着太陽下山後，這顆彗星很快也會落入地平線。在大多數情況下，該彗星在天空中的位置偏低，但由于其亮度較大，在觀測條件極好的情況下是肉眼可見的。
圖1：在阿裡使用單反拍攝的12P/Pons-Brooks圖檔丨陳韬 攝
12P/Pons-Brooks，其名字源于兩位觀測者：法國天文學家Jean-Louis Pons和美國天文學家William Brooks。早在1385年中國和1457年意大利就已經有關于12P/Pons-Brooks彗星的記載，這個時間差正好與其回歸周期71年相當。1812年7月，Pons發現了這顆彗星，天文學家根據Pons的觀測計算得到這顆彗星的軌道，并得到這顆彗星的軌道周期在65-75年。随後Brooks于1883年9月12P回歸時又發現了它，并在這次回歸中觀測到四次爆發。
2024年12P再度回歸，幸運的是我們能夠有機會在4月21日它通過近日點時看到最亮的12P，此時彗星距離太陽僅0.781 AU，其亮度可達4.0等左右。雖然12P最接近地球的時間為2024年6月2日，但在近日點後，它将從北半球的夜空中消失并且比近日點時期暗許多，是以對我們來說最佳觀測時間正是未來幾周内。如果錯過這次機會，就要等到2095年才能再次觀測到12P彗星的回歸。是以不要錯過這次難得的觀測機會哇，與這個“天外來客”來一場精彩邂逅！
圖2：美國天文學家Herbert Couper Wilson于1884年1月21日和22日的12P/Pons-Brooks彗星草圖 丨圖源：https://adsabs.harvard.edu/
01
彗星的軌道特性
彗星的軌道與行星或小行星的軌道大不相同，它是極扁的橢圓，能夠定期回歸，稱為周期彗星。周期彗星分為短周期彗星和長周期彗星。短周期彗星繞太陽公轉周期短于200年，如12P/Pons-Brooks。長周期彗星繞太陽公轉周期超過200年，如紫金山-阿特拉斯彗星C/2023 A3(Tsuchinshan-ATLAS)，它的公轉周期約為6.2萬年。C/2023 A3是紫金山天文台發現的第八顆彗星，也是第六顆以“紫金山“命名的彗星。該彗星預計2024年8月将穿過地球軌道，随後距離太陽越來越近，其亮度将快速增加，有望在2024年9月亮度超過12P，成為今年最值得期待的肉眼可見大彗星。
12P/Pons-Brooks是一顆“哈雷型”短周期彗星，軌道周期為71年。它的回歸周期與每隔76.1年就回歸一次的哈雷彗星相差不大，是以被稱為“哈雷型”彗星（軌道周期在20至200年間）。12P的軌道傾角約為74.2°，偏心率0.955，其近日點大約隻有0.781 AU，遠日點在33AU，剛好超出海王星的軌道，如圖3所示。這顆彗星的軌道相對較為穩定，在1740年至2167年間似乎不受任何大行星的強烈攝動。還有另外三顆彗星——13P/Olbers、23P/Brorsen–Metcalf和現已不存在的20D/Westphal（在1913年迅速消失，未發現其回歸）也屬于哈雷型彗星，也被稱為海王星族彗星，其中12P的亮度僅次于哈雷彗星。
圖3：12P的軌道，其中白色曲線代表12P的軌道。丨圖源：紫金山天文台 胡壽村繪制
12P也是一顆“近地彗星”，其公轉軌道距離太陽非常近，可以穿過地球軌道。近地彗星比近地小行星更為稀有，我們目前隻知道122顆近地彗星，但近地小行星卻有35000顆左右。目前大陸密切關注近地小天體，開展了近地小行星防禦計劃，以監測任何小天體的撞擊風險。12P接近地球的事件統計如表1所示，1884年12P距離地球最近（0.63 AU），這次近地事件之後的回歸，其地心距逐漸增大，大于1.5 AU。
表1 彗星12P近地事件
02
彗星的實體性質
彗星就像一座古老的飛越太空的冰火山，不定時地爆發，将大量冰和氣體送入太空。它們大約有46億年的曆史，與太陽、地球和其他行星同時形成。大行星的引力作用将它們從海王星軌道之外抛向内行星方向（内行星包括水星、金星、地球和火星），這使得它們成為太陽系中最混沌和最有趣的天體之一。
彗星與小行星不同，彗星通常沒有固定的體積，由彗核以及可觀測的彗發和彗尾組成。彗核是構成彗星的固體部分，其直徑通常在1至50公裡之間，具有髒雪球的結構，主要由冰和塵埃等構成。當彗星接近太陽時，由于受到加熱，部分水冰由固體升華為氣體，并帶動塵埃的運動，形成彗發和彗尾。彗星和小行星的撞擊可能是地球上部分水的來源，也可能是月球陰影坑底部貯藏冰的原因。
圖4：美國天文學家Whiple博士和他提出的“髒雪球”模型丨圖源：https://www.daviddarling.info/
彗星的顯著性特點在于彗尾，彗尾有兩種類型，塵埃尾和離子（或等離子體）尾。當太陽加熱彗星上的水冰時，會釋放出氣體和塵埃到太空中，塵埃落入彗星周圍的軌道，受到太陽光壓的影響形成扇形彗尾。而彗發中的氣體受到太陽風等離子體的電離，形成帶電粒子，這些帶電粒子組成了狹長的離子彗尾，被太陽風推離太陽方向。彗尾也是給地球每年帶來流星雨的原因，當地球穿過彗星留下的塵埃雲時，行星引力的作用形成了我們所看到的美麗的流星雨。12P/Pons-Brooks彗星被認為可能是十二月天龍座k流星雨的母體。這場流星雨大約在每年的11月29日至12月13日期間活躍，預計是與該彗星相關的流星雨中數量最豐富的。
圖5：阿裡觀測站40 cm望遠鏡拍攝的12P/Pons-Brooks彗星圖像 丨圖源：紫金山天文台
12P/Pons-Brooks彗星的直徑可達30公裡，其直徑比珠穆朗瑪峰還要大3倍。12P彗星又被廣泛稱為“惡魔彗星”，這是因為12P在2023年7月20日爆發時，人們觀測到彗星形成了一條令人矚目的“角”形或“馬蹄”形彗尾（如圖6-7），爆發後迅速消退。“惡魔角”的形成可能是由于彗星不均勻噴氣造成的；也可能是一種陰影效應，彗星的幾何形狀特征導緻其中心位置遮擋；或者也可能是一種随機的不可預測的爆發事件。
圖6-7：2023年7月12P/Pons-Brooks爆發時的景象，人們将這個新奇的造型與《星球大戰》系列中的千年隼号進行比較丨圖源：https://starwalk.space/
03
有趣的彗星
在人類社會曆史中，彗星始終是一種令人着迷的天象。其獨特的形态和不規律的運動與人們熟悉的行星和恒星有着明顯的差別。是以在古代沒有望遠鏡的時候，彗星曾被視作上天的一種災難的象征。亞裡士多德将彗星認定為一種大氣，這一觀點持續了千年之久，直到文藝複興時期才有所改變。天文學家第谷觀測了C/1577 V1，發現其距離遠大于地月距離，論證了彗星是一種天文現象。
到了牛頓的時代，他觀察到兩顆相似的彗星，并推測它們受到太陽引力的影響。基于這一觀點，牛頓提出了萬有引力理論。哈雷則利用這一理論計算了彗星的軌道，并預測了其回歸時間。當哈雷彗星按預計時間回歸時，科學的力量戰勝了古老的迷信。
從牛頓時代到20世紀初，随着觀測技術和天文理論的進步，我們對彗星有了更深入的了解。在動力學上，随着更多彗星被發現，彗星軌道呈現出兩種形式，橢圓軌道和抛物線軌道，其中位于周期小于20年的橢圓軌道上的木星族彗星是我們最熟悉的彗星類型。這些彗星被證明是由木星引力被“捕獲”的，這一發現促進了天體力學中太陽-木星-彗星的限制性三體問題的發展。
在20世紀50年代早期，彗星科學出現了三個重要理論，分别解釋了彗核物質結構，彗星起源和彗發與太陽風的作用。首先，Whipple(1950)提出的冰塵混合物“髒雪球”模型首次具體描述了彗核性質以及彗核活動性來源 。然後，Finson et al.(1968)提出的彗發氣體的動力學模型并描述了彗核附近氣體塵埃的互相作用，解釋了彗尾的形成，促進了太陽風理論的發展。在彗核模型提出的同期，Oort基于長周期彗星軌道的分布，推斷出它們可能起源于距離太陽超過200,000 AU距離的地方，稱為奧爾特雲(Oort Cloud)；Kuiper也提出了海王星軌道之外可能也存在小天體帶，稱為柯伊伯帶(Kuiper Belt)；Fernandz證明了短周期彗星可能起源于柯伊伯帶。
彗星起源于太陽系邊緣，奧爾特雲和柯伊伯帶，它們攜帶着太陽系形成之初最原始的物質，通過研究彗星的物質組成可以推測太陽系起源時期的元素組成，了解太陽系的研究機制。
04
彗星的探測
随着深空探測技術日趨成熟，人們不再滿足于地面觀測，開展了多個對這類小天體的空間探測任務。表2中列出了目前已開展的彗星探測任務。人類首個彗星探測器是歐空局的Giotto，它在1986年飛越哈雷彗星，得到了人類曆史上第一張彗核的高分辨率圖像，并發現了彗星上有機物存在的證據。随後，1992年又飛越26P/Grigg-Skjellerup，距離彗核僅200公裡。21世紀以後，人們又多探測了多顆彗星，得到了形狀迥異的彗星圖像，并基于空間光學資料建構了高空間分辨率的形狀模型。探訪9P/Tempel 1的Deep Impact任務實作了對彗星的撞擊，首次探測到彗核以下較為新鮮的物質。Stardust任務攜帶81P/Wild 2彗發中的塵埃顆粒傳回地球，使我們對彗核塵埃的實體性質有了新的了解。Rosetta任務則是首次伴飛彗星的探測任務，在長達兩年的伴飛過程中，清晰觀測了67P在2015年通過近日點的全過程，直覺呈現了彗星活動的相關現象，是人類曆史上對彗星最詳盡的觀測。
表2：目标為彗星的主要空間探測任務
在太空探索的征程中，每一次探測都為我們揭示了宇宙的新奧秘，為科學家們提供了寶貴的資料和觀測機會。2025年，大陸将發射“天問二号”探測器，該探測器将從近地小行星2016 HO3上采集樣本帶回地球，這是中國首次從行星際取回樣品。除此之外，“天問二号”還将前往活動小行星311P/PANSTARRS進行伴飛探測。311P是具有類似彗星活動性但具有小行星軌道的一類特殊小天體。這次探測任務不僅有助于了解小行星和彗星的密度、大小、熱導率等實體性質，還為太陽系的形成與生命起源提供新的見解或證據。
來源：中國科學院紫金山天文台
編輯：雪影
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