“七年，彗星先出東方，見北方，五月見西方……彗星復見西方……”這是《史記》中關於公元前240年（秦始皇七年）哈雷彗星的最早觀測記錄之一。此後，人類對這類拖著“尾巴”的神秘小天體保持持續
關注，但在上千年的歷史中，彗星都被當作預示災難降臨的“掃帚星”。今天，我們已經知道，太陽系中的彗星是圍繞太陽運行的一類小天體，因彗核內部的演化程度很小，封存了太陽系的原始信息和遺蹟，因而被稱為研究太陽系演化的“時間膠囊”或者“太陽系活化石”。彗星中富含多種氣體、揮發成分與有機物，其中水和有機物的探測不僅有助於研究地球水的來源和水在太陽系中的分佈，還有助於揭示地球生命的起源。我們還知道，其他恆星系統中也會有所謂系外彗星。前不久，人類甚至還探測到了首顆闖入太陽系的星際彗星。人們對彗星的認識正隨著觀測技術和分析手段的提高而逐漸深入。
高精度的彗星飛越探測數據極大地豐富了人類對彗星的認識。自1985年歐空局（ESA）和美國國家航空航天局（NASA）合作完成首次哈雷彗星（1P/Halley）飛越探測以來，人類已成功對7顆彗星進行了飛越探測，獲得了其中5顆彗星的彗核結構，它們大小不一、形態各異。但是由於地面觀測和飛越探測各自的侷限性，前期科學家對於觀測數據的處理，尤其是對彗星的彗發中不同氣體成分（例如水、二氧化碳等）的分佈及生產率的計算，大都是建立在球形彗核及均勻的表面活動性的假設之上的。
不同空間任務中飛越探測的彗核形狀 | 圖源: NASA/JPL-Caltech/UMD
彗星67P：外表和內涵
2014年8月到2016年9月，歐空局的羅塞塔（Rosetta）飛船對木星族彗星67P/Churyumov-Gerasimenko（楚留莫夫-格拉希門克彗星）進行了近距離多方位探測，向人類展現了一個形狀怪異、地形複雜、有著高聳的峭壁和各種氣體噴流，甚至還顯示出有機物存在痕跡的奇妙的太陽系小天體。
67P表面的懸崖高度可達800米，崖底佈滿巨石；有些裂縫的寬度可達幾米，長度可達一千米；凹坑的坑壁陡峭，底部較平坦，直徑從十幾米到幾十米不等；部分凹坑內有塵埃噴流，這說明凹坑的形成與地下噴流有關；沙丘地形、岩石後的沙粒堆積和岩石周圍被風吹開沙粒形成的凹坑等特徵顯示，在彗星表面可能存在微風。
羅塞塔上搭載的質譜儀（ROSINA）在67P彗發中探測到幾十種分子，其中包括第一次在彗星上探測到的氧氣和形成地球上生命的重要有機物甘氨酸。此外，還探測到67P上的水中氘和氫的同位素丰度比D/H比地球上海洋中的值要高，這與之前基於103P/Hartley 2得出地球上的水來自彗星的猜測不相符。
ROSINA在67P彗發中探測到的氣體-彗星動物園 | 圖源：ESA
太陽系天體D/H同位素丰度比值 | 圖源：Science (Altwegg et al., 2015)
彗核結構：奇特的身段
科學家們對這個由兩部分組成的凸凹有致的“小黃鴨”彗核結構產生了濃厚的興趣。他們從不同的角度開展相關研究，提出了多個可能的形成機制：
〇 從彗核兩個部分的地表結構差異來看，兩個獨立的星子可能是在太陽系形成初期即緩慢碰撞在一起形成了雙核結構；
〇 從動力學角度來看，氣體揮發等彗核活動產生的力矩加速了原始單一彗核的自轉，從而導致“頸部”的形成；
〇 從撞擊理論的層面分析，彗核母體受到毀滅性或半毀滅性撞擊後產生的碎片有可能再次聚集形成67P彗核；
〇 近期的研究則指出，彗核表面和內部的剪切應力也可能導致“頸部”受到侵蝕而形成觀測到的結構。
剪切應力的動力學侵蝕形成67P彗核形狀的機制 | 圖源：Nature Geoscience (Matonti et al., 2019)
彗核活動：複雜的情緒
雖然67P奇特“身段”的塑造過程目前沒有確定的結論，但是羅塞塔的探測數據顯示，是67P不規則的彗核結構和複雜的表面地形導致了彗發中氣體和塵埃活動的不均勻性。
對67P的早期觀測（彗星距離太陽中心超過約5.6億千米）揭示了太陽輻射對水分子揮發活動的驅動作用。多個儀器的探測結果都指出位於“頸部”的Hapi（（哈比，埃及尼羅河之神））地區的揮發活動相對強烈。隨著探測距離的接近，高精度的探測數據顯示出彗核表面地貌的南北差異，近日點前後受到較強光照，從而活動性劇烈的南半球相比北半球受到更多侵蝕。科學家們也通過分析和模擬彗核表面局部區域太陽輻射強度的變化，指出複雜的地形地貌和由此導致的光照變化是形成噴流結構的決定性因素。
彗星上的噴流 | 圖源：Nature Astronomy (Shi et al., 2018)
彗星上的噴流 | 圖源: ESA/Rosetta/MPS
建模解讀：水分子空間分佈
由太陽輻射驅動的氣體揮發等彗核活動在彗核表面的分佈顯然是不均勻的，這與彗核的形狀、指向及局部地貌都密切相關，不規則形狀導致的彗核表面的陰影區域和自受熱效應也不能忽視。科學家認識到傳統的球對稱彗發模型已經不能滿足精確解讀羅塞塔獲取的高精度數據的需求，建立考慮上述種種因素的三維模型成為更好的理解彗核複雜的活動機制的最佳選擇。
近年來，隨著計算機能力的不斷提高，包括密度、溫度和壓強等參數的三維氣體場模型得到進一步發展，科學家們基於直接蒙特卡洛模擬（DSMC）和流體動力學模擬等方法建立的三維彗發模型在解讀羅塞塔搭載的多個儀器觀測數據的工作中得到應用。在研究中將氣體揮發和塵埃運動相結合，對氣體場和塵埃場進行三維模擬，探索彗星活動的機制。
DSMC(左)和流體動力學模擬（右）建立的三維彗發模型密度分佈的截面 | 圖源: Astronomy and Astrophysics (Bieler et al., 2015)
為了精確解讀羅塞塔上搭載的毫米和亞毫米波探測器（MIRO）探測數據蘊含的豐富信息，中國科學院紫金山天文臺和德國馬普太陽系研究所組成的中德合作團隊在近期的工作中建立了首個三維輻射轉移模型（研究輻射通過既有吸收又有發射的介質時變化情況的理論模型分析方法），並用於MIRO早期觀測中的水分子空間分佈的研究。
研究人員在傳統的球對稱彗髮結構的基礎上，考慮了67P彗核複雜的形狀、彗核表面光照的分佈及陰影和自受熱效應等因素，建立了水分子空間分佈的三維結構，並利用基於LIME代碼建立的三維輻射轉移程序對MIRO早期水分子觀測數據進行了更高精度的擬合，從而對這一階段水分子的生產率、空間分佈特性及彗核表面活動性有了更精確的認識。
研究發現位於“頸部”的Hapi區域活動性較為強烈，水分子生產率相比彗核表面其他區域高出大約一個量級。這個結論與多個儀器的觀測結果相一致。科學家首次提出的“高大上”的三維輻射轉移模型在後續對MIRO大量數據進行精確分析的過程中發揮重要作用，對於研究彗發中多個氣體成分在67P經過近日點前後的分佈特性和活動性具有重要科學價值。
該三維輻射轉移模型無疑是目前精確解譯彗發中複雜分子譜線的最好方法，也可應用於對地面高精度彗星觀測數據的解讀，最終更精確地確定不同族群彗星彗發中各種氣體分子的丰度，為探索其起源和演化過程提供線索。
67P複雜的形狀及光照導致的表面溫度（左）和水分子生產率（右）的分佈| 圖源：MNRAS (Zhao et al., 2019)/紫金山天文臺
星空浩瀚無比，探索永無止境。羅塞塔任務的成功使人類對彗星的認識進入了新的階段。科學家們在不斷探索對探測數據進行更精確的解讀，以獲取更多有價值的信息，進而對這類由冰和塵埃組成的不規則小天體的複雜的活動機制有更為深入的理解。與此同時，我國對主帶彗星及歐空局對長週期彗星的探測計劃也在緊鑼密鼓地進行。我們堅信人類對彗星孜孜不倦地探索，終將幫助我們解開太陽系的起源及演化、地球海洋水的來源和生命起源等謎團。
中國科學院紫金山天文臺長期從事彗星科學研究，迄今已發現6顆彗星（62P/Tsuchinshan、60P/Tsuchinshan、142P/Ge-Wang、C/1977 V1、P/2007 S1和C/2017 E2），在哈雷彗星迴歸、彗木相撞事件與海爾—波普彗星等天文觀測與物理特性等方面的研究具有重要的國際影響。這些研究工作為我國小天體深空探測任務如主帶彗星探測提供關鍵科學支撐。
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