英仙座流星雨为什么不灵了?

浏览:4928   发布时间: 08月30日

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作者:陈雨良

校对:牧夫天文校对组

后期:库特莉亚芙卡 李子琦 胡永葳

2016年,杰森·温加特(Jason Weingart)拍摄到了壮丽的英仙座流星雨。很多流星从辐射点“发射”出来,点亮了夜空。在北半球的大多数地方,最美的英仙座流星雨出现在8月11日至13日的午夜。

图源:JASON WEINGART / BARCROFT MEDIA

每年七月中旬,地球将穿越一条在太空中蔓延长达1500多万公里的斯威夫特-塔特尔彗星碎片流。这颗彗星在太阳系中以133年的周期运行,为地球带来最为著名的流星雨:英仙座流星雨,它在每年的八月第二周达到顶峰。

产生英仙座流星雨的彗星斯威夫特·塔特尔彗星在1992年最近一次进入内太阳系时的图像。这颗彗星展示出壮观的绿色彗发。

图源:NASA, OF COMET SWIFT-TUTTLE

关于流星雨从何而来,疑云颇多:它是来自穿过太阳系彗星的尘埃尾吗?当你思考一颗周期性靠近太阳的彗星如何接近太阳时,你会觉得这个“尾巴理论”颇有道理:

彗星逐渐加速靠近太阳,就像所有受到引力束缚的天体在近日点(离太阳最近的地方)移动得最快,在远日点(离太阳最远的点)移动最慢一样;

当其离太阳很近时被加热,并受到更多太阳辐射;

遇到更强的太阳风,因为离太阳越来越近,来自太阳的粒子流增强;

随后彗星被激发,在彗核周围的晕中形成由电离粒子构成的“慧发”;

并形成两条彗尾,一条是被加热甩出的尘埃尾,另一条则是总会背向太阳,直直的离子尾;

彗星离太阳越近,彗尾越大,越明显;

最终,彗星在近日点之后一切都会逆转过来,它又会逐渐远离太阳,一切变弱,慢慢地回到远日点。

虽然下图很好地展示出彗星的主要结构,但它并不能解释:带来流星雨的彗星碎片流到底来自何处。

2020年拍摄到的彗星NEOWISE,尘埃尾和离子尾清晰可见。尘埃尾呈白色的、弯曲的和弥散状,而离子尾呈薄的、窄的、蓝色的,笔直背离太阳。

图源:VW PICS/UNIVERSAL IMAGES GROUP VIA GETTY IMAGES

这两条尾巴——尘埃尾和离子尾——其实对流星雨中都不起什么作用,也就是说它们根本无法引发一场流星雨。制造一场流星雨的关键是在地球行进轨道上留下碎片流,这样地球在每年围绕太阳运动时都会在同一地点经过它。

当彗星升温时,气体和尘埃都会被“踢”到彗星的(暂时的)大气中形成彗发。而尘埃自身也会被加热,从而获得额外的加速。这种额外的加速与它的初始运动相结合,形成了一条在太空中呈扇形散开的尾巴。慧尾反射太阳光,让我们能够看到它。而更多的扩散到整个太阳系平面上的物质很难被直接观测到,它们是天文现象黄道光的主角。

相比之下,气体被太阳的紫外线辐射电离形成离子,而太阳风和太阳磁场将这些(主要是一氧化碳)离子扫入快速移动的尾巴。当电子与这些离子复合时,它们会发出荧光,使离子尾呈现蓝色。同时,这些离子大部分从太阳系中喷射进外太空。

斯威夫特·塔特尔彗星(紫色)在1850-2150年间的轨道。下一次接近地球(蓝色)将发生在2126年。此外,为了对比更多行星的轨道周期和尺寸,动图展示了木星(绿色)、土星(红色)和天王星(橙色)的轨道。斯威夫特-塔特尔彗星与木星的周期比例为11:1。

图源:PHOENIX7777/WIKIMEDIA COMMONS; DATA: HORIZONS, JPL, NASA

然而,事实证明,彗星确实会产生流星雨。如果你跟随太阳移动,观察彗星和行星在数年、数十年和数百年中的移动,你会发现当地球穿过彗星所经过的路径时,流星雨就会出现。

英仙座流星在每年8月中旬到达顶峰,因为那时我们正在通过109P彗星已经走过的路径,而109P彗星的俗名是斯威夫特·塔特尔。在1862年,它由两位共同发现者发现。这颗彗星名称后面有一个“P”,代表它是周期性的,轨道周期不到200年。包括这颗彗星在内的绝大多数彗星可能起源于柯伊伯带,它们的成分以及元素和离子光谱一致,这些元素和离子光谱是在1992年12月斯威夫特·塔特尔彗星最近一次接近太阳时被确定的。

每隔约133年,斯威夫特-塔特尔彗星就会完成一次完整的轨道运行。文献中记录的大量目击事件可以追溯到公元前69年左右。经过数千年的时间,凭借巨大的体积和质量,斯威夫特-塔特尔彗星创造了目前散布在整个太阳系中最让人印象深刻的碎片流。

彗星的碎片流——图中碎片之间的细线显示了彗星的轨道,地球经过这样的碎片流形成了流星雨。尽管整条碎片流可能有数百万公里宽,但其最密的地方要窄得多。当地球穿过其轨道中心线时,这表明如果我们和它同时占据同一空间,我们就有被母彗星击中的危险。

图源:NASA / JPL-CALTECH / W. REACH (SSC/CALTECH)

创造碎片流需要以下关键两步:

1. 当彗星接近太阳或行星时,被作用在彗星上的潮汐力;

2. 彗星受到加热,它不仅产生彗发和两条彗尾,还引发破碎。

长期以来,科学家一直怀疑存在填充轨道自身的“彗星”小碎片,但只有通过对其彗核的红外观测,才能直接探测到碎片本身以及碎片之间的颗粒状物质。

就像任何被加热的东西一样,这些碎片和颗粒的平均速度会稍微偏离彗核的平均速度,导致它们沿着彗星轨道扩散。这一过程需要时间:大多数情况下,彗星必须经过好几个轨道周期的时间才能被完全填充,即使如此,也几乎总是会有密度更高的“团块”物质在非常靠近彗核的地方移动。

彗星的碎片流,如恩克彗星(如图所示)、斯威夫特-塔特尔彗星或坦普尔-塔特尔彗星(创造狮子座流星雨),是地球和太阳系所有其他星球上流星雨的起因。约翰·科奇·亚当斯(John Coach Adams)在19世纪将坦普尔·塔特尔彗星与狮子座流星雨联系起来,人类首次将这两种现象联系起来。

图源:NASA / GSFC

当彗星的近日点与地球轨道重合(或几乎重合),彗核靠近地球时,地球通过的碎片流密度会得到极大的增强,这正是狮子座流星雨发生时的情况,它每33年发生一次。通常情况下,狮子座流星雨只是一场普通的流星雨,每小时大约有20颗流星。但每隔33年,狮子座流星雨就会出现一次极端的增强,有时还会引发超强流星雨,即每小时约1000颗流星划过并照亮天空!

但斯威夫特-塔特尔彗星并不具备引发狮子座流星雨那样的特点,其密度增强效应并不显著。同时,其133年的轨道周期(上一次近距离靠近地球是在1992年)意味着其密度最强的时期已经在30年前结束,并将在之后的35-40年里逐渐降低直至密度最低点。直到20世纪80年代,我们才能准确测量出英仙座流星雨的天顶每时出现率(ZHR)——即最大流量,所以我们无法准确地说出斯威夫特-塔特尔彗星所引发的英仙座流星雨的最小峰值流量是多少。

2015年英仙座流星雨的延时照片,叠加了不同时间的流星。事实上,大多数流星都是在天空中一次一次的短暂闪光。

图源:TREVOR BEXON / FLICKR

然而,科学家们从20世纪80年代开始测量流星流量,还是发现一些有趣的事情:1992年的近日点附近年份的峰值流量超过了每小时约200颗,而在1993年的情况下,达到了每小时约300颗。自那时以来,流量便一直在下降。到了20世纪90年代中后期,每小时流星流量约为100-150颗。尽管有时可能会出现一些密度增强(流量变大),例如大块碎片断裂并与地球轨道重合。但之后这一流量值持续下降。近年来,峰值流量一直在每小时约60-80颗流星的范围内,而且这一数值可能还会进一步下降。

产生英仙座流星雨的斯威夫特-塔特尔彗星应该在三十几年后到远日点。有人推测它可能会下降到每小时30-40颗流星(大约是今年的一半),而其他人则预计流量会更稳定,原因是英仙座流星的古老性质以及它们在整个轨道上的存在时间很长。尽管这场流星雨数千年来一直上演,但未来的几十年,碎片流的密度与彗核在其轨道上的位置至关重要。

恩克彗星的运行轨迹每3.3年形成一个完整的轨道,周期极短,呈偏心椭圆分布。恩克是继哈雷彗星之后被认证的第二颗周期性彗星。注意图中彗核附近密度增加的地方。

图源:GEHRZ, R. D., REACH, W. T., WOODWARD, C. E., AND KELLEY, M. S., 2006

如果你多年来一直在同一个地方观察英仙座流星雨,你可能已经注意到它们越来越少了。然而,这可能不是流星雨自身的缘故:在全世界,特别是随着户外LED照明的兴起,光污染在近年来急剧增加。随着人工照明的增加,我们更难看到夜空中光亮微弱的天体。

正如月亮出现时只能看到少数恒星(和最亮的流星)一样,来自人类的光污染会产生更强烈的影响。为了更好地观测,我们应该前往一个光污染最小的农村地区。

图中是美国光污染增长的示意图,包括最后一张对2025年光污染的强度和分布预测

图源:F. FALCHI ET AL., SCIENCE ADVANCES, 10 JUN 2016

如果我们能够成功消除光污染,我们的子孙后代就可能看到一场更大、更稳定的流星雨。英仙座流星雨可能只是未来几十年中排名第二的稳定流星雨,双子座流星雨——源自3200法厄顿小行星(Asteroid 3200 Phaethon)——最近已经超越了它,部分原因如下:

双子座流星雨出现不超过200年,第一次人类记录它的时间为1833年;

3200法厄顿小行星轨道周期约为1.5年,远比英仙座流星雨母彗星133年的轨道周期短得多;

3200法厄顿小行星将会以超近距离穿越太阳——最近处离太阳仅为0.14AU(两千一百万公里),在这个距离上,小行星将会被急剧加热并甩出大量碎片;

双子座流星雨自身也在随着时间增强,其峰值流量从近几年的每小时100颗增加到了最近的每小时150-200颗。

但长远来看,双子座流星雨还是无法与英仙座流星雨相提并论,因为斯威夫特-塔特尔彗星的移动速度要快得多(相对于地球的速度约为60公里/秒),质量要大得多(直径约为26公里)。最重要的是,它比几乎任何其他已知的小行星或彗星更接近地球。事实上,斯威夫特·塔特尔彗星将在4479和地球近距离遭遇,相当危险。

而且像木星这样的大质量天体会影响其轨迹,从而导致斯威夫特-塔特尔彗星可能撞击地球,从而释放出传说中K-Pg陨石20多倍的能量(K-Pg即消灭恐龙的那颗小行星)。

从地面(左)和空间(右)同时显示的许多流星长时间撞击地球的视图。

图源:ASTRONOMICAL AND GEOPHYSICAL OBSERVATORY, COMENIUS UNIVERSITY (L); NASA (FROM SPACE), VIA WIKIMEDIA COMMONS USER SVDMOLEN (R)

但不用担心,科学家预计,地球遭遇大灭绝这样的事件几率非常低。尽管斯威夫特·塔特尔彗星被称为“人类已知的最危险天体”,但它每次靠近地球时发生撞击的几率仍然不到百万分之一。随着其每次造访地球,这颗彗星更多的核心将碎裂,甩出更大、更厚、更密集的碎屑流,英仙座流星雨随之增强。但未来这颗彗星在其旅行途中会不断损耗并消耗殆尽。届时,绵延数千年之久的英仙座流星雨或将不复存在,成为人类文明历史又一个美丽的回忆。

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责任编辑:毛明远

『天文湿刻』 牧夫出品

2017年英仙座流星雨,土耳其

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