細說海爾•波普彗星

一.簡介
二.彗星的發現
三.彗星的命名
四.彗星的亮度
五.海爾•波普彗星有多亮?

一.簡介

  彗星一般被描述為『髒雪球』,Hale-Bopp彗星其彗核直徑大約40公里,比哈雷彗星在還長約二點五倍。某些彗星甚至其彗核直徑長達160公里。彗星源自外太空,目前的理論建立在太陽系外緣超過冥王星軌道的地方有大和小的髒雪球構成稱做歐特雲(Oort Cloud)的環帶物質。藉由目前不知道的機制--也許是經過的天體重力影響--雪球會被拉出歐特雲而受到更強大的太陽引力而開始一段旅程。由於牽涉無法想像的遙遠距離,歐特雲被假設位在150,000個天文單位處,因此一趟旅程要數千年。這些髒雪球彗星的軌道多半是離心率高的橢圓,不像太陽系的行星具有近乎圓形的軌道。如果彗星經過地球,環繞太陽,再經過地球向外回到歐特雲或歐特雲附近,我們就無法在一生中看到同樣的彗星出現。不過彗星在接近太陽時會損失能量,使得彗星不見得都能回到老巢歐特雲去。彗星向太陽系外緣的旅程也可能受到木星等行星的引力將其拉回太陽,把長週期軌道變成短週期軌道。像哈雷彗星每76年回歸一次,屬於短週期彗星(Short-Period Comet)。具有最短軌道週期的是恩克彗星(Comet Encke)每3.3年回歸一次。彗星需要200年以上才能回歸一次的稱做長週期彗星(Long-Period Comet)目前有記錄且計算軌道的彗星約有1000顆,大約有兩百顆歸類為週期性彗星。根據刻卜勒定律,彗星在接近太陽時會加速,而離開太陽系內部會慢下來,使得我們實際觀測到彗星的時間佔整個軌道週期的比例不高,像哈雷彗星上次回歸,只有短短幾個月可用雙筒望遠鏡和小望遠鏡觀測。Hale-Bopp彗星來自歐特雲,由其軌道看來,至少通過地球一次。可惜那時人類大概還是穴居,似乎沒什麼記載。

  事實上我們無法看到稱做彗核(nucleus)的髒雪球,即使像Hale-Bopp彗星有那樣大的彗核在那樣遠的距離仍然太小而無法看到。而且它不發光,或許哈柏太空望遠鏡可以看到。我們所看到彗星的頭部(head)是由太陽熱力把髒雪球吹離的白熱氣體。這些白熱的氣體質點稱為彗髮(Coma),Hale-Bopp彗星的彗髮直徑數千公里,太陽光激發這些氣體質點發光,由於其尺寸夠大且夠亮,我們能以肉眼看到Hale-Bopp彗星的彗髮。一般人對彗星的印象來自明亮的核心與發光的彗尾,而且通常不只一條尾巴。

  前面已經提到當彗星接近太陽,髒雪球核心的冰凍表面會沸騰(boil off)而產生由水蒸氣、一些氣體與塵埃般質點所構成的白熱彗髮。當彗星更接近太陽,太陽風也來作用,這是由太陽發出的光子產生『壓力』,將較輕的氣體與塵埃分子吹離彗髮。從彗髮脫離的發光分子流構成了彗髮。一般人也許會認為彗尾就像噴射機後面的凝結雲,不過前面提到構成彗尾的氣體塵埃分子是由太陽風的壓力也就是太陽的光壓吹離太陽,因此彗尾總是推離太陽。換句話說,當彗星朝向太陽時,彗尾如同我們一般所想的,在白熱的彗頭之後。但當彗星環繞太陽開始離開,彗尾仍被太陽吹離,因此彗尾在前領著發光的彗髮前進。

二.彗星的發現

  根據統計大約60%的彗星由專門找尋彗星與小行星的職業天文學家團隊所發現。不過1994年有不少這樣的團體縮減規模或是停止運作,提供更多給業餘天文學家發現彗星的機會。業餘天文學家使用廣視野的大雙筒望遠鏡或天文望遠鏡找尋彗星,新彗星通常很暗而模糊,相對於背景星星的運動很慢,即使對熟練的天文學家,在一小時裡這些運動並不明顯。

  發現者以電話或電子郵件通知位在麻州劍橋(Cambridge, Massachusetts)的史密松寧天文台(Smithsonian Astrophysical Observatory)的中央天文電報局(Central Bureau for Astronomical Telegrams),報告疑似新彗星的位置、光度、運動方向與發現時間。如果中央天文電報局認為這可能是一顆新彗星,會要求職業天文學家與業餘天文學家檢查有問題的天空,一張照片或再次觀測可確認之。由世界各地來的新彗星影像決定彗星的位置,再由中央天文電報局的電腦計算軌道。如果這不是彗星再次回歸,發現者的名字將冠在彗星上。如果同時有數名觀測者發現,以往是取前三名,中間以連字號 "-" 區別,不過近來已修正為兩名。彗星具有多種大小、形狀與指向的軌道,所以彗星可在天空的任何一處發現,彗星在南半球發現通常會在北半球顯現最佳觀測狀況,反之亦然。由中央天文電報局所提供的彗星軌道資料相當準確,但是關於彗星會多亮就比較棘手。

  業餘者意外發現彗星已經超過二十年。1975年七月於加州北部Henry Coe State Park觀測的Doug Berger和在黃石公園觀測的Dennis Milon在M2星團旁發現新彗星稱為Kobayashi-Berger-Milon彗星。Doug Berger是在Star Party發現新彗星,身旁有經驗的業餘天文學家Gerry Rattley指出此天體的彗星特性而建議Berger報告他的新發現。在Hale與Bopp發現新彗星後兩天,現在居住於亞利桑那州Gilbert 的Gerry Rattley興奮地打電話給曾發現9顆新彗星的Don Machholz說他發現新彗星。Machholz第一個問題是新彗星是否靠近M70,很不幸在距離Bopp觀測的地方100呎處看到新彗星的Rattley,還是慢了兩天。接下來的數天,各地紛紛用相機或CCD相機記錄Hale-Bopp彗星的位置並報告給中央天文電報局。

三.彗星的命名

  自1995年起依照1994年8月24日IAU於荷蘭海牙的大會決定修改彗星的命名規則為以發現年代後隨大寫英文字母及數字代表,如1995 A1。其第一個英文字母依發現時的月份給定,共有A-Y(J不用,以免和I混淆)24個字母依每月的上下半月填入。數字按該半個月內發現的順序填入1、2、3…等數字。

  按照新彗星的性質於名字前加以標示
P/ 週期彗星(指週期小於兩百年或者有不只一次的近日點通過被確認)
D/ 已消失的週期彗星。
C/ 非週期性彗星則加。
X/ 無法算出該彗星有意義的軌道。
A/ 小行星被誤認為彗星。

如果彗星碎成好幾片則在名字後面加上-A、-B、-C以區別碎核。IAU同時也保留以發現者的名字來命名的傳統。不過人數限制在兩名以內。

  中央天文電報局在1995年7月26日發佈第一份Hale-Bopp彗星的軌道資料。Hale-Bopp彗星被發現時遠在太陽系第五顆行星木星的軌道之外,超過地球與太陽的距離七倍,計算指出該彗星會在一年半以後通過近日點。中央天文電報局要求看看在Hale-Bopp彗星發現前是否也有人拍到。在發現Hale-Bopp彗星十天後,澳洲賽丁泉(Siding Spring)英澳天文台(Anglo-Australian Observatory)的Robert McNaught發現1993年4月27日由C.P. Cass所拍的五十分鐘巡天照片有Hale-Bopp彗星發現前的影像。當時彗星比發現時遠兩倍。幾乎每天大天文台都會對天空拍照或取CCD影像,有時會拍到新彗星。這些影像有助於修正彗星的軌道與估計彗星光度變化的速率。當此資料輸入電腦,發現Hale-Bopp彗星的軌道週期是4200年。其近日點比地球稍微靠近太陽,遠日點則在450個天文單位,大約是冥王星軌道半徑的十倍,比較靠近最接近太陽系的恆星半人馬座的南門二星。Hale-Bopp軌道有一邊垂直於地球軌道,於1996年2月28日通過昇交點,1997年5月6日通過降交點,大約99%的時間位在地球軌道平面下方。太陽、地球與彗星間的夾角稱做離日度(elongation),當彗星離日度在20度以內因為太陽的光輝而很難觀測。黯淡的彗星在離日度40度內也很難觀測。彗星要位在很好的觀測位置必須離日度大於90度,如果觀測者與彗星在同一半球,當黑夜時可觀測彗星好幾小時。

四.彗星的亮度

  星星的亮度以星等表示,越大的數字代表越暗,每差一等星亮度差2.512倍。所以一等星是六等星的100倍亮。(2.512的五次方=100)。明亮的天體可以有負的星等。例如太陽是-26等,天狼星是-1.46等。上面所談的是視星等(apparent magnitude),代表從地球所看到的天體亮度。   在Hale-Bopp彗星被發現前兩年於英澳天文台所拍的照片顯示此彗星非常活躍,而且在早期相當亮。化學分析顯示CO是主要的活躍氣體,也是Hale-Bopp彗星明亮的原因。而彗星是否有足夠的水來保持活躍,則要看1996年9月Hale-Bopp彗星距離太陽3個天文單位時。彗尾是彗星的標誌,由太陽風將物質推出彗髮形成,要預測彗尾比預測彗星亮度更困難。由於彗尾是由彗核原本固態型態的物質產生,要預測這些物質的種類與數量很困難。由於Hale-Bopp彗星是不尋常地大,勢必產生壯觀而難以忘懷的彗尾。

五.Hale-Bopp 有多亮 ?

  這個問題並不是很好回答,因為沒有前例可循。當發現時位在遙遠的距離,而且軌道在火星外就可用肉眼看到,使得Hale-Bopp彗星在最亮時的光度預測變得複雜與困難。如果彗核、彗髮與彗尾只反射太陽光,那麼預測光度成為很簡單的事情---依據反平方定律,彗星與太陽距離縮小為一半,亮度增加為四倍。然而彗星的化學反應使得彗星發出類似氖氣燈或螢光放射的光。由於我們無法知道彗星在某一個時間由彗核所釋放的氣體型態與數量,預測光度變得困難。我們可以統計所有的彗星行為取得平均,而假設新彗星類似此值。也可以量測彗星在朝向太陽時的光度變化,而假設彗星稍後的行徑會類似。對於週期彗星,則可假設它和上次回歸類似。複雜的彗星光度變化可以簡化為下述情形:

1.當距離太陽變為一半時,亮度變為原來的十六倍。
2.當距離地球變為一半時,亮度變為4倍,換句話說,反平方定律只在彗星與我們的距離而非與太陽的距離成立。
3.彗星的基底亮度(base brightness)必須考慮,有些彗星所包含的物質比其他彗星多,像Hale-Bopp彗星就是如此。

  據Sky & Telescope專欄作家John Bortle表示,Hale-Bopp彗星在他四十年觀測兩百多顆彗星的經驗裡,是除了極少數爆發的彗星外,具有最複雜的光度曲線。Hale-Bopp彗星在1995年被發現後的秋天裡於距離太陽甚遠的地方經歷一系列亮度的爆發。從1996年初到7月彗星以很陡峭的增光斜率發光,相當於以與太陽距離的五次方或六次方反比的速率。換句話說,當此彗星靠近太陽時會以比一般彗星還快的速率增亮。然而,Hale-Bopp彗星自七月起的三個半月停止變亮。大約1996年十月十五日前後光度的突變發生,此後一個月其本質星等以與太陽距離的四次方反比的速率持續一個月。然後在11月中於光度曲線再次停止改變,然後以較慢的速率增光。John Bortle猜測彗星會在三月底達到0等,但可能會有加減一個星等的變化。

  Hale-Bopp彗星將有壯麗而高表面亮度的彗尾------這是百武彗星所欠缺的。百武彗星只是一顆普通的彗星但剛好位在距離地球很近的位置。百武彗星在很暗的天空令人熱血沸騰,但Hale-Bopp彗星會令大部份郊區甚至都會的觀測者感動!


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