三十年前惊天动地的大碰撞

时光如白驹过隙，彗木相撞距今已经30年了。想起史铁生的一句话：“年龄的算术，还可以是乘法，你走过的每一年都存在于你此后所有的日子里，在那儿不断地被重新发现、重新理解，不断地改变模样”。生命中许多往事随着云卷云舒逐渐暗淡，但仍有一颗颗的珍珠串成生命的项链，熠熠生辉。彗木相撞就是其中的一颗。翻开微微泛黄的观测记录，查阅发表的论文，一幅幅生动的画卷徐徐展开。

所谓彗木相撞，就是苏梅克-列维9号彗星（以下简称SL-9）和木星相撞，发生在1994年7月。这是人类历史上第一次预报自然天体之间的撞击，撞击时速度高达60km/s。SL-9是苏梅克夫妇和列维在1993年发现的。在太阳系大行星的演化过程中，彗星和小行星的撞击起着重要作用，特别对地球上生命的起源和演化，彗星和小行星也扮演着重要角色。科学家已经在地球表面和行星及卫星表面发现了许多撞击痕迹，但是从未观测到撞击的过程，这次SL-9彗星撞击木星是人类文明史上首次精确预报和观测彗星撞击大行星的事件，引起全世界人民的广泛重视。对于这一重大事件，所有的地面望远镜都在持续大约一周的撞击时间内指向木星，哈勃空间望远镜、伽里略探测器、国际紫外卫星等空间探测器也都投入观测，观测的波段从Ｘ射线、紫外、可见光、红外一直到射电。

中国科学院上海天文台针对这一特殊天象，在仪器、人员、观测计划和试观测方面做了积极准备。仪器方面，使用的是上海天文台1.56米望远镜（图1），焦比＝d/f=1/10，CCD照相机芯片大小为1024*1024象素，视场大小为4′16＂（作为对比，太阳的视直径约为31′）。人员方面，在上海天文台钱伯辰研究员带领下，联合了南京大学天文系周洪楠教授等团队成员参加观测研究工作。作者作为主要观测人员，也有幸参与其中。

由于SL-9彗星早已分裂成长达数百万千米的20多块碎片，撞击的时间长达一周，因此任何一个观测站都不能观测到全部撞击过程，而且由于撞击点位于木星的背面，除伽里略探测器外任何观测站都看不到直接的撞击现象。所以我们根据预报制定了详细的观测方案。主要包括两个内容：一是观测特定木星卫星（以下简称木卫），二是在撞击过后观测木星。在试观测方面，在撞击前做好了望远镜和有关仪器设备的调试，确保正常的工作状态，也预先观测木星和木卫，确定了合适的曝光时间和可见光波段的Ｖ、Ｉ滤光片。

图1 上海天文台1.56米望远镜

气温高是夏季最显著的气候特征，但因地域、干湿环境的不同，会产生炎热干燥或者湿热多雨的不同气候。

地利与人和已经具备，就看天气了。七月的上海正是副热带高压控制，虽然炎热，却是一年中很好的观测季节。从1994年7月17日到7月21日，天气持续晴好。在这观测期间大气的视宁度也十分优良，如7月18日在木卫附近的一颗恒星的星象轮廓的半强度全宽（FWHM）为1.32＂，这有助于提高图像质量。现场参加人员为钱伯辰、傅承启、周洪楠、黄克谅、潘红鑑、林清、范庆元、曹凯和观测助手唐昭莲、包永新等。参加观测的人员严格按照计划进行木卫的观测，期间的6次撞击我们都成功地观测到了。根据观测记录，CCD的读出时间约为34秒，加上曝光时间和操作时间，平均约每隔50秒观测一次。具体情况见表1。

表1：观测概况

由于这是第一次预报自然天体之间的撞击，公众关注度高，在观测期间来了大量媒体记者开展宣传报道。包括电视台、电台、报纸等多家媒体在内，为了第一时间获取观测结果信息，很多媒体记者驻扎在观测站。当时网络很不发达，也没有网站，网速也慢，记者要使用modem拨号上网传送数据，中途还可能随时断线，就这样把现场获得的电子图片传送回报社，连夜排版印刷。

观测的紧张忙碌和媒体的宣传过后，人群逐步散去，我们进入数据处理和结果分析阶段。观测资料全部采用天文IRAF软件包处理，最终得到木卫的仪器星等和木星图像。

由于无法直接观测到撞击，我们需要借助木卫的反光来观察，主要的工作在于根据木卫的仪器星等确定撞击时间。木卫离木星很近，木星到它的光行时间不超过几秒，大大小于我们观测一幅CCD照片所需的时间，因而木星上的撞击闪光一发出，我们就能在相应的CCD照片上发现木卫的亮度增加。连续观测木卫的亮度变化，由此间接测定撞击时间。根据预报，在上海地区可见光波段能观测到的撞击只有六次，即碎片D＝18，E＝17，K＝12，N＝9，P２＝８b和S＝５。选用的木卫既能看到撞击点又能看到地球，分别是木卫一（Io）、木卫二（Europa）和木卫四（Callisto）。由此测定的撞击时间列在表２，此方法测定的时间误差约为一分钟左右。表２的第二列为我们测定的撞击时间，第三列为其它天文台测定的结果。

表2 六块碎片的撞击时间

我们测定的结果与其它天文台测定结果符合得很好，其中P_２＝8_b 碎片全世界只有我们独家测得，这个结果是相当珍贵的。国际上对撞击时间测定得最准确的是伽里略飞船的观测，因为它是可以看得到撞击点的。其它的天文台测定结果有较大的误差，这是因为许多的观测是根据火球的出现而进行推算的，所以带来一定的误差。伽里略飞船只观测了六块碎片的撞击，其中K＝12和N＝9是与我们共同观测到的，我们测定的结果与伽里略飞船测定的结果差为40秒和7秒，都小于测定的误差（一分钟），我们测定的其它碎片的撞击时间也与国际观测结果一致（在误差范围内），这说明测定结果的正确性。在我们的测定中，K＝12和P_２＝8_b 都有二次闪光，国际上的报道也有出现二次闪光的情况。有人认为第一次闪光是撞击的闪光，第二次闪光是抛出物质重新落回木星大气层中出现的闪光，当然也有可能是碎片在下落时分裂所致。

当木星在背面的被撞击区域转为朝向地球方向时（木星自转周期约9 小时55 分），我们拍摄木星被撞击后的图像，评估撞击情况。根据观测记录，7月19日K=12撞击点约有2万km直径（图2）。根据不同时间的木星图像（图3、4、5）可以看出撞击的痕迹以及随时间变化的情况。在持续数月之后，撞击的痕迹随木星大气的活动逐步消散。

图2 1994年7月19日观测记录

图3 1994年7月20日木星CCD图像，

右侧边缘部分黑色斑点为撞击痕迹

图4 1994年7月22日木星CCD图像，

右侧边缘部分黑色斑点为撞击痕迹

图5 1994年7月29日木星CCD图像，

右侧边缘部分黑色斑点为撞击痕迹

这次千载难逢的观测活动，由于科研团队的精心准备，媒体的广泛宣传，不仅传播了天文科普知识，也通过研究得到了6块碎片的撞击时间，其中P_２＝8_b 碎片撞击时间是全世界独家得到，因此本项工作也得到了1996年上海市科技进步二等奖。

合上观测记录，感觉虽然30年过去了，但彗木相撞不曾走远。它提供了生动而直观的案例，提供了大量的观测资料和结果，也极大地唤起了民众对科学的兴趣，也提示我们人类小天体对地球撞击的风险也一直存在。这些都有助于持续推动太阳系天体之间的碰撞、彗星、以及木星等各方面的研究。NASA的深度撞击任务（Deep Impact）在2005年7月4日实施了对彗星Comet 9P/Tempel 1 的撞击试验。2022年9月27日，NASA成功实施双小行星撞击转向试验任务（Double Asteroid Redirection Test，DART），利用一颗轨道航天器对双小行星系统Didymos（编号65803）的卫星Dimorphos实施动能撞击。茫茫宇宙，人类在探索的道路上将继续前行。

SL-9彗星六块碎片撞击时间的测定 钱伯辰 陶隽 林清 王叔和 潘红鑑 周洪楠 中国科学院上海天文台年刊，1996，No.17，289

https://science.nasa.gov/science-research/planetary-science/the-lasting-impacts- comet-shoemaker-levy-9/

https://science.nasa.gov/mission/deep-impact-epoxi/

http://optical.shao.cas.cn/yjjz/202304/t20230414_739819.html