天文学教程：彗星亮度变化、爆发和核分裂

有趣的是，彗星有时突然发生亮度大增的爆发，有的分裂为几个。特别是苏梅克-利维9号彗星分裂的20多个碎块依次撞击木星的事件，引起全社会的轰动。

1）彗星的亮度

彗星的视星等观测比恒星的视星等观测要困难和复杂得多，这是因为：恒星是“点光源”，而彗星是“面源”，又不像行星那样有明锐边缘，彗发和彗尾很弥漫，而彗核的视角径很小，又包裹在亮的彗发内。彗星的亮度与日-彗距r、地-彗距Δ，位相角θ有关。一般可用下式表述彗星视亮度J的变化规律：

式中，f1和f2为距离的函数；在位相角θ的20°～140°范围内，Φ（θ）≈1，通常采用下面公式拟合观测：

式中，n由观测来确定。为了比较，常归算到Δ=r=1 AU时，即J0是彗星的本身亮度（intrinsic brightness），或者把它改写为星等形式：

M0称为“绝对星等”。彗星的n值一般为-2～12，多数为2～8，平均值约为4.0，n的偶尔极端值是因为r范围小而使得n值对亮度变化（尤其是爆发）很敏感。

彗核的亮度（星等m1）常可以拟合为

2）彗星的亮度爆发

很多彗星发生短时间大为增亮现象称为亮度爆发或简称爆发（outburst）。爆发时亮度一般增强6～100倍，持续时间为3～4周。如，17P／Holmes在1892年7月初发现时为4m～5m，后增亮到3m。又如，29P／Schwasman-Wahmann 1多次爆发后亮度增强100倍以上，还显示有形态变化，爆发后彗发变大，扩展速度为100～500 m／s。爆发后的光谱仍是连续谱，推测可能是彗核抛出尘埃。再如，41P／Tuttle-Giacobini-Kresak出现过多次爆发，2001年11月末，亮度从14m增亮到10m。

彗星的亮度爆发时，往往伴随有彗核抛出物质喷流，有时形成圆形或卵状，乃至不对称的气壳，膨胀速度为几百千米／秒，达1×105km。亮度爆发也常伴随着彗核分裂。亮度爆发与日-彗距没有什么关系，大多数彗星都有过亮度爆发。

什么原因造成彗星亮度爆发？人们曾提出几种可能机制：①彗核表面下的挥发物升华而形成气囊，到一定时候爆裂而抛出气体和部分表面物质；②涉及自由基（CN、OH、NH）的爆炸性化学反应；③非结晶冰发生相变而转化为立方冰晶时，体积改变，造成应力而使彗核破碎；④行星际的砾石撞击彗核而抛出物质；⑤彗核内的放射衰变加热、太阳辐射的强激波等原因导致彗核分裂；⑥彗核深处的挥发物耗尽，导致外壳收缩和部分破裂，抛出气体和尘埃；⑦彗星靠近太阳或木星，被引潮力撕裂。总之，彗星爆发机制仍是未完全解决之谜，可能几种机制共同作用。(www.xing528.com)

3）彗核的分裂

我国古书就有彗星分裂的记载。《新唐书·天文志》有：“（唐昭宗乾宁）三年（公元896年）十月有客星（即彗星）三，一大二小，在虚、危（即宝瓶座和飞马座）间，乍合乍离，相随东行，状如斗。经三日而二小星没，其大星后没。虚、危，齐分也。”

近代记载最有趣的是比拉彗星的分裂。1772和1805年都见到它，但没有认作同一颗彗星。1826年2月27日，比拉再发现它而将其称为比拉彗星。在1845年回归时，发现它的彗核有两个突出部分。1846年1月，它分裂为两颗，都有各自的彗核和彗发，分开距离慢慢加大。此分裂事件曾轰动一时。此后就再也没有见到它。1872年11月27日，地球恰好穿过比拉彗星的原来轨道，发生了令人惊奇的事件——天空出现一场灿烂的大流星雨，好似节日焰火一样壮观。流星雨的辐射点在仙女座γ星附近，可谓天女散花。这场流星雨就是沿着比拉彗星轨道附近散布的大量彗星尘进入地球大气过程中烧蚀而形成的。又如West（1976Ⅵ=1975n）在1976年5月过近日点前后先后分裂为4个。

73P／Schwassmann-Wachmann 3在1953年和1965年接近木星而改变轨道。1979年再发现它，过近日点时间比预报晚34 d，它在1995年回归时，亮度爆发达6m，然后，亮度减弱；12月23日其彗发内有“A、B、C、D”4个子彗核（碎块），2005年10月22日再现它的主彗核“C”（19.3m）且带有6″彗发及彗尾。2006年又见“B”和“G”（见图7-47），后几星期又发现很多碎块。它早在1930年6月9—10日爆发，所抛彗星尘造成流星雨。预计2006年的爆发碎块将于2022年更接近地球而出现强流星雨。

图7-47　分裂的73P／Schwassmann-Wachmann 3

（左上）哈勃空间望远镜摄（左下）地面望远镜摄（右）Spitzer空间望远镜摄

在活动彗星中，至少5%有碎裂。木星族彗星可能碎裂几百到几千次，典型动力学寿命为1万～10万年，而内太阳系彗星的典型碎裂概率约为每年1%。

4）彗核的蒸发和彗星亮度变化

太阳辐射照到彗核表面，彗核吸收的能量=加热彗核物质的能量＋蒸发冰的能量＋（红外）热辐射。各部分的能量分配取决于彗核物质的性质。图7-48给出几种彗星雪升华率Z随日-彗距r的变化。

轨道彗星的总亮度J与太阳辐照E0、彗核雪升华率Z成正比：

图7-48　各种雪的升华率Z随日-彗距r的变化

即彗星亮度随日-彗距的变化J（r）基本上与气体产率随日-彗距的变化Z（r）成正比。将彗星的观测亮度与图7-48比较，可得到反照率和升华率。Kohoutek彗星和Encke彗星的观测亮度较好地拟合出H2O雪（而不能拟合CO2）的升华率，说明它们以H2O雪升华为主。由于各彗核的挥发物成分差异，以及内部放射元素26Al衰变能的加热，需按实际情况分析。