一颗彗星能产生多少个流星雨?

作者:叶泉志博士(小龙哈勃)
原文刊载于微信公众号:天文常识

  一颗彗星能产生多少个流星雨?好像是两个。因为一颗彗星和地球轨道平面有两个交点:升交点和降交点。彗星会在这两个点穿过黄道面。如果我们运气足够好,这两个交点都在地球轨道附近,那我们就可以看到同一颗彗星带来的两场流星雨,比如大名鼎鼎的哈雷彗星(正式名称是1P/Halley)就带来宝瓶座η流星雨(eta Aquariids,00031 ETA)和猎户座流星雨(Orionids,00008 ORI),如下图:

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  哈雷彗星的轨道。来源:JPL

  哎?且慢,大家注意到没有,其实哈雷彗星的升交点和降交点(亮蓝色和浅蓝色交界点),一个在火星轨道以外,一个在金星轨道附近,其实两个都没在地球轨道附近?那按理来说地球应该遇不到哈雷彗星喷出的尘埃才对啊。答案在于大行星的引力摄动。在哈雷彗星初次拜访内太阳系的时候,它喷出的尘埃确实沿彗星轨道分布;但星转斗移,哈雷彗星每次回归累积的尘埃带在大行星引力的反复撕扯下,早已经扩散成一条宽广的“尘埃河”,因此即使哈雷彗星的轨道已经离开地球老远,地球也还是能看到哈雷彗星很早以前喷出的尘埃,如下图:

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  哈雷彗星喷出的尘埃。来源:Hughes et al. (1989)

  显然,要回答一开始的问题,必须要考虑大行星的影响。毕竟流星尘埃云的形成绕不开大行星的引力摄动,而轨道和地球严格交叉的彗星也凤毛麟角,我们之所以能欣赏流星雨,还要感谢各大行星(尤其是木星)的帮忙。

  那问题就变得复杂了。

  别的先不说,先说地球对尘埃云的影响。地球穿过流星云这一过程,客观上也是地球在为行星际空间“除尘”的过程,其最直接的影响是地球在尘埃云中间划开一道比较“干净”的区域,比如地球在穿过大名鼎鼎的狮子座流星雨(Leonids,00013 LEO)的尘埃云之后,就留下这么几条“干净区”:

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  地球在狮子座流星雨的尘埃带中划出的“干净区”。来源:Jenniskens (2006), p. 233

  在经过足够长的时间之后,如果尘埃云还没消散或移到别处,那地球就可能将尘埃云分成两“瓣”,在地球轨道面上面一点和下面一点的流星体密度略高,这会使得我们看到来自同一个流星雨的两“支”。最经典的例子就是恩克彗星(2P/Encke)带来的金牛座南流星雨(Southern Taurids,00002 STA)和金牛座北流星雨(Northern Taurids,00017 NTA):

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  如果在彗星的升、降交点都有这种效应,那我们就应该观察到来自同一颗彗星的4个流星雨。如恩克彗星同时也是6月的白昼金牛座β流星雨(Daytime beta Taurids,00173 BTA)和白昼英仙座ζ流星雨(Daytime zeta Perseids,00172 ZPE)的母体(因为恩克彗星的轨道十分接近黄道,而且其尘埃云十分古老,已经很难分清哪一支是升交点流星雨、哪一支是降交点流星雨了)。

  故事还没完。

  彗星在大行星(主要是木星)引力的操控之下,其轨道形状会周期性地发生变化,这一现象被称为古在效应(Kozai mechanism,也称古在机制)。其偏心率和轨道倾角会此消彼涨。有时彗星会在低偏心率但高倾角的轨道下运行,有时则反过来,在高偏心率但低倾角的轨道下运行。在这一过程中,彗星轨道会从两种不同角度和地球轨道发生交叉。由于每次交叉都分别涉及一次升交点和降交点的交叉,因此我们可以看到来自这颗彗星的4组流星雨。如果再考虑上面提到的“南北支”效应,则一颗彗星一共可以产生8个流星雨。

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  古在效应的动画。来源:https://www.cfa.harvard.edu/research/ta/kozai-lidov-mechanism

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  小行星2007 CA19在古在效应影响下,升、降交点随时间的变化。横轴为时间,纵轴为日心距。可见每个交点会以2种方向经过地球轨道(R=1 AU处)。来源:Babadzhanov et al. (2015)

  对于短周期彗星来说,古在效应的再现周期为好几千年,很少有彗星能完整地在一个轨道上呆这么长时间。唯一一个比较确定地能产生完整的8个流星雨的彗星是96P/Machholz麦克霍尔兹彗星(及其碎片):象限仪座流星雨(Quadrantids,00010 QUA)、白昼白羊座流星雨(Daytime Arietids,00171 ARI)、宝瓶座δ南流星雨(Southern delta Aquariids,00005 SDA)、宝瓶座δ北流星雨(Northern delta Aquariids,00026 NDA)、船帆座κ流星雨(kappa Velids,00784 KVE)、船尾座θ流星雨、鲸鱼座α流星雨和十二月天龙座α流星雨(December alpha Draconids,00334 DAD)(参见A. Abedin的博士论文,2016)。有学者认为其他几颗小行星也能产生完整的8个流星雨(比如2007 CA19,参见Babadzhanov等人,2015)。此外,彗星会因分裂而产生更多的彗星,也可能会突然有爆发性活动而产生一道独立于主尘埃云之外的尘埃带(filament),因此会出现升/降交点有多于一个流星雨的情况。比如恩克彗星在6月前后会产生的白昼金牛座β流星雨和白昼英仙座ζ流星雨,而在10-11月期间会产生金牛座南流星雨、金牛座北流星雨、十月白羊座南流星雨(Southern October delta Arietids,00028 SOA)、十月白羊座北流星雨(Northern October delta Arietids,00025 NOA)、及金牛座s流星雨(s Taurids,00628 STS)。3200号小行星“法厄同”(3200 Phaethon)与双子座流星雨(Geminids,00004 GEM)联系在一块,但其碎片2005 UD又与白昼六分仪座流星雨(Daytime Sextantids,00221 DSX)有关联。

  总之,一颗彗星最多可以与8个流星雨有关。

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