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，科學家們觀測到了史上最劇烈的自轉速率變化：它的自轉週期在兩個月內從20個小時迅速增長為46個小時。
到底發生了什麼？2018年1月11日的《自然》雜誌介紹了這顆彗星的傳奇。
1、關於彗星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)，週期5.43年，名字裡的P代表週期性彗星（periodic comet）。
1858年5月3日，美國天文學家賀拉斯·帕內爾·塔特爾（Horace Parnell Tuttle）首次觀測到了這顆彗星，此後，法國天文學家Michel Giacobini和斯洛伐克天文學家ĽuborKresák又分別於1907和1951年各自觀測到了這顆彗星——彗星41P/Tuttle–Giacobini–Kresák以這三位天文學家的姓氏而得名。
彗星41P的軌道。 Credit: JPL Small-Body Database Browser/Bob Trembley
什麼是木星族彗星？
太陽系內的彗星有兩大來源：短週期彗星（週期小於200年）主要來自位於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，其內側和柯伊伯帶有相交；長週期彗星主要來自遙遠的奧爾特雲，由盤狀內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，並被木星的引力束縛住的一類彗星，這類彗星通常週期較短（20年以內）。
小行星帶(Asteroid belt)、柯伊伯帶離散盤(Kuiper belt and scattered disk)和奧爾特雲(Oort cloud)位置關係，沒有按照比例(Stern, Nature, 2003)
2、彗星之所以為彗星？
彗星本質上是一團岩石、塵埃和揮發性物質（比如水冰）的混合物，通俗來說可以理解為一個“髒雪球”，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，這些時候彗星就只有彗核，遠遠看起來和小行星應該差不多。
Fred Whipple博士在哈佛課堂上用一個真的髒雪球來類比彗星的彗核。 Credit: Jonathan Blair/Corbis
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，但問題是對這麼小的小天體（直徑數百米到數十公里），幾乎所有的觀測都是非常粗略的，質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。
但彗星的高揮發組成使它有一個重要特徵：一旦當彗星運行到離太陽很近的地方的時候，揮發性物質因為受熱紛紛開始揮發，就會形成一層稀薄的大氣層（彗發），並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準 。
彗星到了近日點附近會形成長長的“尾巴”。來源：ESA
從這個角度來說，很多彗星由於在近日點附近缺乏觀測（比如軌道週期太長、或者在近日點附近太暗），很有可能被當做小行星或者壓根沒有被觀測到。比如星際來客‘Oumuamua——你丫到底是個啥？！
3、彗星41P的自轉週期是怎麼測的？
文章採用了三組獨立的觀測來計算彗星41P在2017年3-5月期間的自轉週期：
1）通過觀測彗發中噴出的氰氣
流位置的週期性變化，用的是羅威爾天文臺4.3米口徑的探索頻道望遠鏡(Discovery Channel Telescope, DCT)。1986年哈雷彗星迴歸時，科學家們在它的彗發中觀測到了氰氣(A'Hearn et al., Nature, 1986) 並用來輔助測量哈雷彗星的自轉週期(Millis and Schleicher, Nature, 1986)，此後，氰氣由於其高熒光效率，成為彗星自轉週期測量的重要手段之一。
觀測結果顯示：2017年3月6-9日，彗星41P的自轉週期為19.75–20.05個小時。
J1和J2是彗星41P的兩條噴出的氰氣流，左上角的小數代表自轉軸轉過角度和360°的比值。對比0.87和0.88兩張中J1和J2的相對位置可以看到，J1和J2在差不多20個小時之後剛好轉了一圈。白色條帶是背景中的恆星。(Bodewits et al., Nature, 2018 Fig. 1)
2）3月26-27日，還是通過類似的方法，用羅威爾天文臺31英寸反射望遠鏡又觀測了一次，自轉週期變為約27個小時。自轉週期變長的趨勢已初現端倪。
3）通過觀測彗星光變曲線的週期性變化，用的是斯威夫特紫外-可見光望遠鏡(UVOT)測光系統。小天體（小行星和彗星）的形狀通常是非常不規則的，所以自轉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，通過亮度的週期性變化可以計算小天體的自轉週期 （當然也可以用來計算每個面的長寬比，也就是形狀）。
觀測結果顯示：2017年5月7-10日，彗星41P的自轉週期為46-60個小時，均值為53個小時。誤差範圍有點大是因為彗星同時還在不斷遠離太陽，整體的光度在變暗，因此會造成一些偏差。
彗星41P在5月7-10日的光變曲線，可以看到大約53個小時光變曲線會重複一次。(Bodewits et al., Nature, 2018 Fig. 2)
一顆狀態穩定的小行星或者彗星，應當有比較固定的自轉週期，但自轉週期發生變化這種事也是觀測到過的，彗星41P是目前為止第8個被觀測到自轉週期發生過變化的彗星，從這個角度來說，並不特別罕見。
目前為止觀測到的自轉週期（P）發生過變化的彗星，△P為正數表示變長，負數表示變短。(Bodewits et al., Nature, 2018 Table S3)
但之前自轉週期變化最劇烈的彗星103P/Hartley 2，也只是在三個月內從17個小時變為19個小時而已。
而彗星41P從2017年3月6-9日到5月7-10日的短短兩個月裡，自轉週期從20個小時持續增長為46-60個小時，平均每天增加了0.40–0.67個小時！而且46個小時的自轉週期已經近乎所有觀測到的彗星週期中最長的了。
4、發生了什麼？
對於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的體積又那麼小（小於70-90%的木星族彗星）——這意味著它的運動狀態很容易受到排氣作用的影響。
科學家們首先就核對了彗星41P近三次迴歸時觀測到的水分子產出率：
2001年的最大產出率是
分子每秒；
2006年的最大產出率是
分子每秒；
2011年的迴歸沒有被觀測到；
2017年，斯威夫特望遠鏡的觀測結果顯示這次的水分子產出率和2006年相當。
這麼大的排氣量對於這麼小的彗星41P來說，相當於表面超過50%的區域都是非常活躍地在噴出氣體，而大多數彗星在近日點附近時的活躍區域只有不到3%。
很顯然，巨大的排氣量是其中一個原因。
但隨後，科學家們又核對了另一顆發生過明顯週期變化的彗星103P/Hartley 2，發現事情並沒有這麼簡單。
2010年，彗星103P/Hartley 2迴歸期間，初始週期為16.5個小時，觀測到的最大水分子產出率是彗星41P這次的三倍，但彗星103P/Hartley 2比彗星41P還要小……在這麼極端的情況下，彗星103P/Hartley 2的自轉週期也只增長了2個小時而已……這這這這不對啊！
於是進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（離自轉軸較遠的地方）有一處非常活躍的區域在近日點附近集中猛烈地排出大量氣體，那麼可能會產生一個和自轉方向相反的淨扭矩，一口氣把彗星的自轉給拖慢了。
如果這一猜想是真的，那麼就意味著彗星41P每次迴歸的時候，這塊活躍區域都會“甦醒”，所以每回歸一次它的自傳週期都會延長——照這個速度推算，在不久的將來，這顆彗星的自轉週期可能會長達100個小時！如此緩慢的自轉，將使得彗星無法保持穩定，自轉軸可能會發生劇烈變化，自轉速率可能會再次加快，直到彗星不斷調整自身再次達到一個穩定狀態。
可是為什麼會突然出現了一個非常活躍的區域呢？
因為這顆彗星可能曾經歷過瀕死的狀態。
既然彗星41P正在越轉越慢，那麼很顯然它曾經轉得很快過——轉得越快，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年之前的自轉週期只有5個小時——這已經是彗星41P瀕臨崩潰的臨界點了。
在那之前的彗星41P經歷了什麼？
可以想象，幾十年前的彗星41P很可能因為轉得太快而經歷過大範圍的崩塌：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，一塊充滿揮發性物質的區域幸運地暴露出了表面。
正是這塊活躍的區域拯救了這顆瀕死的彗星，它用一己之力生生把彗星41P的自轉給拖慢了……
一切又恢復了寧靜，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的迴歸，說不定就是因為這顆遙遠的彗星上幾十年前的那次僥倖呢。
一點後記
這周Science和Nature都沒有新的行星科學相關的文章，可把我給開心壞了，可以把上週的Nature給補了……要是總這麼一週兩篇我就狗帶了o(╯□╰)o
哦對了，上期那篇《科學》雜誌||未來的火星移民：鑿冰飲水，指日可待？授權給了「果殼科學人」和「果殼網」的微信公眾號首發，居然閱讀量過了10萬+，我的第一篇10萬+呢~超開心~
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
- Agarwal, J. (2018). Cometary spin-down. Nature, 553(7687), 158.
- 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.
- Stern, S. A. (2003). The evolution of comets in the Oort cloud and Kuiper belt. Nature, 424(6949), 639-642.
- A'Hearn, M. F., Hoban, S., Birch, P. V., Bowers, C., Martin, R., & Klinglesmith, D. A. (1986). Cyanogen jets in comet Halley. Nature, 324(6098), 649-651.
- Millis, R. L., & Schleicher, D. G. (1986). Rotational period of comet Halley. Nature, 324(6098), 646-649.
- A’Hearn, M. F., Belton, M. J., Delamere, W. A., Feaga, L. M., Hampton, D., Kissel, J., ... & Schultz, P. H. (2011). EPOXI at comet Hartley 2. Science, 332(6036), 1396-1400.
- Lamy, P. L., Toth, I., Fernandez, Y. R. & Weaver, H. A. in Comets II (eds Festou, M. et al.) 223–264 (Univ. Arizona Press, 2004).
- 封面圖來自維基
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