2017年4月1日，彗星41P/Tuttle–Giacobini–Kresák最近飛掠地球，兩者最近時只有0.142 AU（約2100萬公里）?。在這一期間，科學(xué)家們觀測到了史上最劇烈的自轉(zhuǎn)速率變化：它的自轉(zhuǎn)周期在兩個月內(nèi)從20個小時迅速增長為46個小時。
到底發(fā)生了什么？2018年1月11日的《自然》雜志介紹了這顆彗星的傳奇。
1、關(guān)于彗星41P/Tuttle–Giacobini–Kresák
彗星41P/Tuttle–Giacobini–Kresák是一顆木星族彗星，彗核半徑約0.7-1.0 km (Lamy et al., 2004)，周期5.43年，名字里的P代表周期性彗星（periodic comet）。
1858年5月3日，美國天文學(xué)家賀拉斯·帕內(nèi)爾·塔特爾（Horace Parnell?Tuttle）首次觀測到了這顆彗星，此后，法國天文學(xué)家Michel?Giacobini和斯洛伐克天文學(xué)家?ubor?Kresák又分別于1907和1951年各自觀測到了這顆彗星——彗星41P/Tuttle–Giacobini–Kresák以這三位天文學(xué)家的姓氏而得名。
什么是木星族彗星？
太陽系內(nèi)的彗星有兩大來源：短周期彗星（周期小于200年）主要來自位于海王星以外的柯伊伯帶離散盤（冥王星就是柯伊伯帶中的一顆矮行星），離散盤平鋪在黃道面上，其內(nèi)側(cè)和柯伊伯帶有相交；長周期彗星主要來自遙遠(yuǎn)的奧爾特云，由盤狀內(nèi)層和球狀外層兩部分組成。
木星族彗星是來自柯伊伯帶離散盤，并被木星的引力束縛住的一類彗星，這類彗星通常周期較短（20年以內(nèi)）。
2、彗星之所以為彗星？
彗星本質(zhì)上是一團巖石、塵埃和揮發(fā)性物質(zhì)（比如水冰）的混合物，通俗來說可以理解為一個“臟雪球”，這個部分叫做“彗核”。因為彗星軌道的偏心率往往比較大（也就是軌道非常扁），所以大部分情況下彗星離太陽都非常遠(yuǎn)，這些時候彗星就只有彗核，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看起來和小行星應(yīng)該差不多。
因此理論上來說，彗星和小行星的組成成分是有差異的，含有大量冰的彗星總體上會比同等大小的小行星密度低，但問題是對這么小的小天體（直徑數(shù)百米到數(shù)十公里），幾乎所有的觀測都是非常粗略的，質(zhì)量和體積的精確測量都很困難的，更別提密度了。所以實際觀測中，我們是很難通過密度來判斷一顆小天體到底是彗星還是小行星的。
但彗星的高揮發(fā)組成使它有一個重要特征：一旦當(dāng)彗星運行到離太陽很近的地方的時候，揮發(fā)性物質(zhì)因為受熱紛紛開始揮發(fā)，就會形成一層稀薄的大氣層（彗發(fā)），并因為劇烈的排氣作用形成長長的尾巴（彗尾）。在近日點附近有明顯彗尾，是我們判斷一顆小天體是否是彗星的標(biāo)準(zhǔn)。
從這個角度來說，很多彗星由于在近日點附近缺乏觀測（比如軌道周期太長、或者在近日點附近太暗），很有可能被當(dāng)做小行星或者壓根沒有被觀測到。
3、彗星41P的自轉(zhuǎn)周期是怎么測的？
文章采用了三組獨立的觀測來計算彗星41P在2017年3-5月期間的自轉(zhuǎn)周期：
1）通過觀測彗發(fā)中噴出的氰氣流位置的周期性變化，用的是羅威爾天文臺4.3米口徑的探索頻道望遠(yuǎn)鏡(Discovery Channel Telescope, DCT)。1986年哈雷彗星回歸時，科學(xué)家們在它的彗發(fā)中觀測到了氰氣(A'Hearn et al., Nature, 1986) 并用來輔助測量哈雷彗星的自轉(zhuǎn)周期(Millis and Schleicher, Nature, 1986)，此后，氰氣由于其高熒光效率，成為彗星自轉(zhuǎn)周期測量的重要手段之一。
觀測結(jié)果顯示：2017年3月6-9日，彗星41P的自轉(zhuǎn)周期為19.75–20.05個小時。
2）3月26-27日，還是通過類似的方法，用羅威爾天文臺31英寸反射望遠(yuǎn)鏡又觀測了一次，自轉(zhuǎn)周期變?yōu)榧s27個小時。自轉(zhuǎn)周期變長的趨勢已初現(xiàn)端倪。
3）通過觀測彗星光變曲線的周期性變化，用的是斯威夫特紫外-可見光望遠(yuǎn)鏡(UVOT)測光系統(tǒng)。小天體（小行星和彗星）的形狀通常是非常不規(guī)則的，所以自轉(zhuǎn)過程中被光照到的表面積會不斷變化，表面積大的面比表面積小的面更亮，通過亮度的周期性變化可以計算小天體的自轉(zhuǎn)周期（當(dāng)然也可以用來計算每個面的長寬比，也就是形狀）。
觀測結(jié)果顯示：2017年5月7-10日，彗星41P的自轉(zhuǎn)周期為46-60個小時，均值為53個小時。誤差范圍有點大是因為彗星同時還在不斷遠(yuǎn)離太陽，整體的光度在變暗，因此會造成一些偏差。
一顆狀態(tài)穩(wěn)定的小行星或者彗星，應(yīng)當(dāng)有比較固定的自轉(zhuǎn)周期，但自轉(zhuǎn)周期發(fā)生變化這種事也是觀測到過的，彗星41P是目前為止第8個被觀測到自轉(zhuǎn)周期發(fā)生過變化的彗星，從這個角度來說，并不特別罕見。
但之前自轉(zhuǎn)周期變化最劇烈的彗星103P/Hartley 2，也只是在三個月內(nèi)從17個小時變?yōu)?9個小時而已。
而彗星41P從2017年3月6-9日到5月7-10日的短短兩個月里，自轉(zhuǎn)周期從20個小時持續(xù)增長為46-60個小時，平均每天增加了0.40–0.67個小時！而且46個小時的自轉(zhuǎn)周期已經(jīng)近乎所有觀測到的彗星周期中最長的了。
4、發(fā)生了什么？
對于彗星和小行星這種小天體，很多外界因素可能會讓它們變得不穩(wěn)定，比如其他天體的引力或者撞擊，但對彗星來說，最常見的原因還是彗星在近日點附近的排氣作用。再加上彗星41P的體積又那么小（小于70-90%的木星族彗星）——這意味著它的運動狀態(tài)很容易受到排氣作用的影響。
科學(xué)家們首先就核對了彗星41P近三次回歸時觀測到的水分子產(chǎn)出率：
2001年的最大產(chǎn)出率是2*10^29分子每秒；
2006年的最大產(chǎn)出率是?2*10^29分子每秒；
2011年的回歸沒有被觀測到；
2017年，斯威夫特望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果顯示這次的水分子產(chǎn)出率和2006年相當(dāng)。
這么大的排氣量對于這么小的彗星41P來說，相當(dāng)于表面超過50%的區(qū)域都是非?；钴S地在噴出氣體，而大多數(shù)彗星在近日點附近時的活躍區(qū)域只有不到3%。
很顯然，巨大的排氣量是其中一個原因。
但隨后，科學(xué)家們又核對了另一顆發(fā)生過明顯周期變化的彗星103P/Hartley 2，發(fā)現(xiàn)事情并沒有這么簡單。
2010年，彗星103P/Hartley 2回歸期間，初始周期為16.5個小時，觀測到的最大水分子產(chǎn)出率是彗星41P這次的三倍，但彗星103P/Hartley 2比彗星41P還要小……在這么極端的情況下，彗星103P/Hartley 2的自轉(zhuǎn)周期也只增長了2個小時而已……這這這這不對啊！
于是進(jìn)一步想到的可能性是：不僅是排氣量的問題，排氣方式也不一樣。
如果彗星41P表面（離自轉(zhuǎn)軸較遠(yuǎn)的地方）有一處非常活躍的區(qū)域在近日點附近集中猛烈地排出大量氣體，那么可能會產(chǎn)生一個和自轉(zhuǎn)方向相反的凈扭矩，一口氣把彗星的自轉(zhuǎn)給拖慢了。
如果這一猜想是真的，那么就意味著彗星41P每次回歸的時候，這塊活躍區(qū)域都會“蘇醒”，所以每回歸一次它的自傳周期都會延長——照這個速度推算，在不久的將來，這顆彗星的自轉(zhuǎn)周期可能會長達(dá)100個小時！如此緩慢的自轉(zhuǎn)，將使得彗星無法保持穩(wěn)定，自轉(zhuǎn)軸可能會發(fā)生劇烈變化，自轉(zhuǎn)速率可能會再次加快，直到彗星不斷調(diào)整自身再次達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)。
可是為什么會突然出現(xiàn)了一個非常活躍的區(qū)域呢？
因為這顆彗星可能曾經(jīng)歷過瀕死的狀態(tài)。
既然彗星41P正在越轉(zhuǎn)越慢，那么很顯然它曾經(jīng)轉(zhuǎn)得很快過——轉(zhuǎn)得越快，就意味著越容易因為離心作用而分崩離析。按照目前的變化速率向過去回溯，它在2006年之前的自轉(zhuǎn)周期只有5個小時——這已經(jīng)是彗星41P瀕臨崩潰的臨界點了。
在那之前的彗星41P經(jīng)歷了什么？
可以想象，幾十年前的彗星41P很可能因為轉(zhuǎn)得太快而經(jīng)歷過大范圍的崩塌：鋪天蓋地的排氣作用和滑坡，塵埃和石塊都在簌簌地剝落散逸……在這一片混亂之中，一塊充滿揮發(fā)性物質(zhì)的區(qū)域幸運地暴露出了表面。
正是這塊活躍的區(qū)域拯救了這顆瀕死的彗星，它用一己之力生生把彗星41P的自轉(zhuǎn)給拖慢了……
一切又恢復(fù)了寧靜，彗星41P獲得了暫時的安全。
2017年的我們還能再次見到彗星41P的回歸，說不定就是因為這顆遙遠(yuǎn)的彗星上幾十年前的那次僥幸呢。
參考
https://www.minorplanetcenter.net/db_search/show_object?object_id=41P
https://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb.cgi?sstr=41P
Comet 41P/Tuttle-Giacobini-Kresak Orbit - The Catholic Astronomer ：http://www.vofoundation.org/blog/three-comet-close-encounters-2017-2018/41p-tuttle-giacobini-kresak-orbit/
A History of Comets - Part 3：http://sci.esa.int/rosetta/54200-on-the-origin-of-comets/
41P/Tuttle-Giacobini-Kresak：http://cometography.com/pcomets/041p.html
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Bodewits, D., Farnham, T. L., Kelley, M. S., & Knight, M. M. (2018). A rapid decrease in the rotation rate of comet 41P/Tuttle–Giacobini–Kresák.?Nature,?553(7687), 186.
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