2025 年 7 月 1 日，NASA 资助的 ATLAS 巡天望远镜在智利发现了第三颗确认的星际彗星 3I/ATLAS（C/2025 N1 (ATLAS)），这颗天体以其极端的轨道特征和异常的物理表现迅速成为天体物理学界的焦点。根据哈勃太空望远镜的观测数据，3I/ATLAS 展现出轨道偏心率高达 6.23 的双曲线轨道，远超太阳系内任何已知天体，其在无穷远处的速度达到约 60 km/s，这意味着它是迄今为止记录的最具动力学极端性的星际访客。
这颗彗星的独特性首先体现在其化学组成上。韦伯太空望远镜的光谱分析显示，3I/ATLAS 的彗发中二氧化碳含量占比高达 80%，比水含量高出 8 倍，这种 "CO2 主导型" 彗星在已知的太阳系彗星中极为罕见。更引人注目的是，它在距离太阳 6 个天文单位的木星轨道外侧就已经开始活跃，比典型的太阳系彗星提前了数个天文单位启动升华过程。这种异常早期活化现象源于其高 CO2 含量 —— 干冰在 - 78.5℃的低温下就能直接从固态升华为气态，使得彗核在太阳系边缘区域就能释放出大量气体和尘埃。
从轨道力学的角度来看，3I/ATLAS 的近日点位于 1.357 天文单位处，正好在火星轨道与地球轨道之间。当这颗彗星以每秒约 68 公里的峰值速度穿越这一区域时，其表面温度迅速升高，引发剧烈的升华过程。哈勃望远镜的观测数据显示，在 3.8 个天文单位的距离上，该彗星的质量损失率已达到 6-60 kg/s，随着距离太阳越来越近，这一数值将呈指数级增长。根据轨道力学理论，近日点附近的太阳辐射通量可表示为 Q = L☉/(16πr²)，其中 L☉为太阳光度，r 为日心距。当 r 从 6 AU 降至 1.357 AU 时，辐射通量增加了约 20 倍，这直接导致彗核表面温度从约 30K 升至约 200K，远超水冰的升华温度。
然而，3I/ATLAS 最令人困惑的现象是所谓的 "反尾"—— 一条延伸 5 万公里、指向太阳方向的罕见结构。这种现象在 1974 年的科胡特克彗星上曾短暂出现过，但从未像 3I/ATLAS 这样持续近一个月。传统彗星理论认为，彗尾始终背离太阳方向是因为太阳风将升华产生的气体和尘埃推向远离太阳的方向。3I/ATLAS 的反尾现象表明，在特定条件下，彗发中的高密度 CO2 气体可能产生反向压力，克服太阳风的推动作用，形成向阳面的物质聚集。这需要重新审视我们对彗星 - 太阳风相互作用的理解。
彗星近日点快速增亮的物理机制是多层次、多因素耦合的结果。在热力学层面，当彗核表面温度超过各组分的升华阈值时，固 - 气相变过程产生巨大内压。以 CO2 为例，其升华潜热为 571 kJ/kg，远高于 H2O 的 2838 kJ/kg，这意味着单位质量的 CO2 升华需要更多能量，但也意味着升华过程更加剧烈。在动力学层面，升华产生的气体以超声速从彗核表面喷出，形成喷流效应。当这些气体与太阳风相遇时，在阿尔芬点处发生磁重联，产生复杂的磁场结构和等离子体波动。
从数值建模的角度，我们可以建立描述彗星活动的微分方程组。质量守恒方程给出了彗核半径随时间的变化：dr/dt = -Q/(4πr²ρ)，其中 Q 为质量损失率，ρ 为彗核密度。温度演化方程则考虑太阳辐射加热、热传导和升华冷却：ρc (∂T/∂t) = ∇・(k∇T) + S - L (dm/dt)，其中 c 为比热容，k 为热导率，S 为太阳辐射源项，L 为升华潜热。这些方程在近日点附近显示出强烈的非线性特征，微小的温度变化就能导致质量损失率的显著波动。
3I/ATLAS 的轨道倾角高达 175.1°，接近逆向运行，这种极端的轨道构型也对其活动性产生重要影响。在高倾角轨道上，彗核的自转轴相对于太阳辐射方向的夹角变化更加剧烈，导致表面不同区域的受热条件差异显著。这种非均匀加热效应会产生所谓的 "季候性" 活动，即彗核某些区域在特定的轨道位置时活动加剧，而其他区域则保持相对平静。光谱观测显示，3I/ATLAS 的彗发中存在氰化物分子和镍原子，这进一步表明其化学成分的复杂性，可能反映了其形成时特殊的恒星环境。
彗星活动性与其轨道演化存在反馈机制。质量损失会导致彗核的转动惯量改变，影响自转状态；不均匀的质量损失会产生反冲力，改变轨道参数；太阳风与彗发的相互作用会产生额外的阻力。这种 "活动 - 轨道" 耦合效应在长期尺度上可能显著影响彗星的动力学演化。对于 3I/ATLAS 这样的星际彗星而言，这种效应尤为重要，因为它不会再返回太阳系，研究其完整的演化轨迹具有重要的科学价值。
对 3I/ATLAS 的深入研究不仅有助于理解彗星的物理本质，也为探索系外行星系统的形成和演化提供了独特视角。这颗彗星可能携带着银河系其他恒星系统的原始信息，其 CO2 富集的特征暗示了不同的恒星形成环境和行星演化路径。通过分析其同位素比例和化学成分，科学家有望揭示不同星系系统中物质循环的差异性。此外，3I/ATLAS 的高偏心率和低倾角轨道也引发了对其起源的思考 —— 是何种动力学过程将这样一颗天体 "踢" 出原行星盘？这可能涉及到恒星周围的行星形成后期的不稳定过程或者双星系统的潮汐作用。
目前，全球多个天文台正在协调观测 3I/ATLAS 的近日点过境，期望在它重新出现在地球视野中时获取更多数据。NASA 和 ESA 甚至考虑调整现有深空探测器的轨道，试图穿越其彗尾进行直接采样。这些观测将为建立更精确的彗星活动模型提供宝贵数据，也有助于完善我们对星际天体动力学和物理化学性质的理解。3I/ATLAS 的出现提醒我们，太阳系并非孤立系统，了解其与更广阔宇宙的联系需要持续的天文观测和理论分析。
资料来源：哈勃太空望远镜观测数据（arXiv:2508.02934）、韦伯太空望远镜光谱分析、多家天文台协同观测报告。