离开彗核,不等于从静止开始
坐在疾驰的火车上松开手,物体仍带着向前的速度,不会立刻停在铁轨旁。彗星释放的尘粒也是这样:它继承了彗核的大部分轨道速度。受热逃出的气体再添上一小段释放速度,把尘埃向三维空间铺开。
接下来,彗核和尘粒各自绕太阳运动。太阳引力都把它们往里拉;阳光还把向外的动量传给尘粒。尘粒于是走上弯曲程度不同、周期也可能不同的新轨道。一条可见尘尾里叠着许多这样的路径,照片把这段释放历史压到了一起。
对应阅读:Finson & Probstein · Burns
同样的阳光,小粒子更容易改变轨道
尘粒截获多少阳光,主要看横截面积;它有多重,则看体积。球形粒子的密度、压力效率相同时,粒子越小,辐射压相对太阳引力的作用越强。这个力比写作 。按这里的教学设定,一微米半径对应约零点五七,一百微米对应约零点零零五七。
说阳光把粒子往外推,容易让人以为它一定受向外的合力。刚才两种粒子的太阳引力仍较强,合力依旧向内;小粒子的轨道只是向内弯得较慢,足以逐渐离开彗核。还有一些粒子继承的速度对减弱后的引力来说太快,会直接逃逸。
对应阅读:Burns · Finson & Probstein
一张照片里,粒径和年龄混在一起
刚释放不久的细尘,可能出现在早些时候释放的粗尘旁边。尘尾没有给每颗粒子挂上年龄牌。天文学家因此画出两类轨道族:等时线连起同时释放的不同粒子,等粒径线则连起力比相同、释放时间不同的粒子。两类曲线在哪里重合,照片就在哪里难以区分解释。
在 Lab 里,一次喷发让许多粒径展开成一条曲线;持续释放同一种粒径,又形成另一条。真实尘埃还有不同的释放速度和材料性质。仅凭一条明亮脊线,通常读不出所有参数。
对应阅读:Finson & Probstein · Li et al.
看见的方向,还取决于我们站在哪里
宽阔尘尾常大致背向太阳,又保留轨道运动留下的弯曲。它未必严格沿反太阳方向,也未必沿彗星速度的反方向。同一个三维尘埃扇面,换个角度会显得宽、窄,甚至近似一条直线;接近轨道平面观察时,许多不同深度会挤到相近的图像位置。
ISON 教程把这种方向比较放到真实 HST 像素上。选定的 2013 年 4 月曝光中,反太阳方向约为从北向东量九十二度,反日心速度方向约为七十九度;教程对外层图像做粗略扇区统计,峰值接近九十度。这能比较朝向,仍有几种尘粒历史与它相容。
对应阅读:JPL Horizons API and observer/vector conventions · MAST HST program 13198 and public data-use policy · Li et al.
离子尾、PR 拖曳和热反冲,要分别解释
离子尾含带电物质,受到太阳风和磁场影响。这里的中性尘埃模型不能预测它。彩色照片有时同时拍到两种尾巴,因此在彗核后画一根箭头,远远说不清照片。
坡印廷—罗伯逊拖曳也是辐射效应,会缓慢带走受束缚粒子的轨道能量和角动量。对这里的粒径,在一天文单位处,圆轨道参考时间为数百至数万年;Lab 把它与几个月形成的尘尾分开显示。不均匀的热辐射也能改变轨道,但要知道推力方向,必须先知道旋转天体的温度分布。最后的原文导读再接着讨论这个问题。
对应阅读:Burns · Vokrouhlický et al.