【汉语拼音】huixing
【中文词条】彗星
【外文词条】comet
【作者】胡中为
在扁长轨道(极少数在近圆轨道)上绕太阳运行的一种质量较小的天体﹐呈云雾状的独特外貌。图1
在科学不发达的古代和中世纪﹐彗星的偶然出现和它的奇特外貌﹐常使人们感到惊慌和恐怖﹐以致认为彗星的出现是战争﹑饥荒﹑洪水﹑瘟疫等灾难的预兆。虽然有些彗星碰巧出现在灾难事件前后﹐但实际上﹐彗星的出现完全是一种自然现象﹐跟地球上的天灾人祸毫无关系。彗星现象的本质逐渐被人类认识。欧洲人长期受亚里士多德看法的影响﹐以为彗星是地球大气中的燃烧现象﹐不值得做科学研究。中国古代人对彗星有较正确的认识﹐例如﹐《晋书·天文志》说:“彗体无光﹐傅日而为光﹐故夕见则东指﹐晨见则西指。在日南北﹐皆随日光而指。顿挫其芒﹐或长或短……”对彗星发光的原因及彗尾的指向都有清晰的见解。1577年﹐丹麦天文学家第谷确定当年出现的一颗彗星比月球离地球还远。牛顿用万有引力定律研究了1680年出现的彗星的轨道。1705年﹐英国天文学家哈雷算出24颗彗星轨道﹐发现了1531年﹑1607年﹑1682年出现的三颗彗星的轨道相似﹐他认为这是同一颗彗星的 纬鱿蜘o并预言它在76年后将再次出现。预言应验了﹐因此这颗彗星被命名为哈雷彗星。早期﹐天文学家主要研究彗星运动方面的问题﹔在现代﹐更注重研究彗星的物理性质和化学性质以及彗星与太阳风的相互关系等方面的问题。
发现和命名 中国是世界上最早记录彗星和记录资料最丰富的国家。在中国古代﹐正史和地方志中有成千条彗星记录﹐其中尤其是关于哈雷彗星有世界公认的最早最完整的记载。中国古代对彗星的记载有时称彗星﹐有时又用其他名称﹐如孛星﹑妖星﹑星孛﹑蓬星﹑长星﹑异星﹑奇星等等。《春秋》记载鲁文公十四年(公元前613年)“秋七月﹐有星孛入于北斗。”这是世界上第一次关于哈雷彗星的确切记载。
现在人们用肉眼还没有看到彗星时﹐专业天文工作者和业余天文爱好者就用望远镜发现了它。有的彗星很暗﹐肉眼看不到﹐只能通过望远镜才能看到。目前﹐用望远镜每年平均可发现约10颗彗星。据统计﹐迄今观测到的彗星﹐除去重复出现的﹐约有1﹐600颗﹐太阳系中实际存在的彗星比这要多得多。
新发现的彗星先给予临时命名﹕用发现年份加上表示发现次序的拉丁字母a﹑b﹑c﹑…﹐例如﹐中国紫金山天文台1965年发现的两颗彗星﹐是这一年发现的第二颗和第三颗彗星﹐就临时命名为1965b和1965c。根据观测算出轨道后﹐就按彗星过近日点的先后为序﹐在年代后加罗马字母Ⅰ﹑Ⅱ﹑…取代拉丁字母﹐作为永久命名。例如﹐上述两颗彗星永久命名为1965Ⅰ和1965Ⅱ。某一年新发现的彗星可能在另一年过近日点﹐所以永久命名常要迟两三年﹐以避免因再发现新彗星而更动命名序号﹐新发现的彗星还常赋予独立发现者的名字(最多三人)﹐对于短周期彗星﹐还常在前面加上符号P/﹐例如﹐P/Tuttle-Giacobini-Kres
k彗星﹐有的彗星也给予其他名字﹐例如紫金山1号(1965I)等。
轨道 彗星的轨道有椭圆 (偏心率e <1)﹐抛物线(e =1)和双曲线(e >1)三种类型(图4
在椭圆轨道上运动的彗星称为“周期彗星”﹐它们周期地绕太阳公转。在抛物线或双曲线轨道上运动的彗星称为“非周期彗星”﹐它们绕太阳转个弯就一去不复返了。公转周期短于 200年的彗星称为“短周期彗星”﹐这种彗星已算出轨道的有100多颗﹐它们走近太阳和地球的次数较多﹐观测资料较丰富﹑准确。这些彗星的轨道面对黄道面的倾角较小﹐绝大多数与行星同一方向绕太阳公转(顺行)﹐但也有少数例外﹐如著名的哈雷彗星轨道面对黄道面的倾角约为162°﹐是一颗逆行彗星。公转周期大于200年的彗星称为“长周期彗星”﹐它们的轨道很扁长﹐e 大于0.96而略小于1﹐接近抛物线﹐要几百﹑几千年甚至更长时间才走近太阳一次。它们的轨道延伸到九大行星范围以外很远﹐轨道面的取向是随机分布的﹐顺行和逆行的都有。
大行星的摄动会改变彗星的轨道﹐例如﹐木星的摄动可以使长周期彗星变为短周期彗星﹐使短周期彗星变为非周期彗星。彗星公转周期改变的一个最突出事例是P/Oterma彗星﹐它的公转周期在1936年以前是18年﹐而1937年到1963年之间﹐它的公转周期只有 8年﹐1963年以后又恢复到18年。有70多颗短周期彗星的公转周期为4～10年﹐远日距为4～7个天文单位﹐与木星轨道半长径5.2个天文单位相近﹐它们可能与木星有联系﹐称为“木星族彗星”(图5
结构 一般彗星由彗头和彗尾两部分组成(图6
彗头 彗头包括彗核和彗发两部分。自1970年以来﹐地球大气外观测发现三颗彗星的彗发外面还有氢原子云﹐称为“彗云”或“氢云”。彗云包围著彗发﹐其直径为100～1﹐000万公里。因此﹐应该把彗核﹑彗发和彗云合称为彗头。彗头的结构往往十分复杂﹐不同彗星也有很大差别。不少彗星的彗头没有彗云。有的彗星的彗头中连彗发也没有﹐只有彗核﹐尘埃组成的彗尾直接从彗核开始背向太阳延伸﹔有的在彗核周围稍有彗发﹐彗发呈球茎形状﹔有的彗发很亮﹐呈抛物面 巫窗е绾拴o形成锚形彗头。彗核一般难于直接从彗头中分辨开来﹐它的直径很小﹐只有几百米到上百公里﹐但集中了彗星的绝大部分质量。大彗星的质量为10
～10
亿吨﹐小彗星质量只几十亿吨。彗核的平均密度约1克/厘米﹐有些彗核的密度可能更大些﹐也有一些彗核密度或许只有0.01克/厘米。彗发的体积随彗星离太阳的距离而变化﹐其直径比彗核大得多﹐一般有几万公里﹐有的达到180万公里(例如1811年的大彗星)﹐比太阳还大﹔但彗发的质量很小﹐物质很稀薄。
彗尾 少数大而亮的彗星走到土星轨道附近时﹐就可以从大望远镜中看到﹐但一般彗星要走到离太阳三个天文单位左右才能从望远镜中看到﹐这时彗星只有暗星状彗核及其周围朦胧的彗发。当它走到离太阳两个天文单位左右时﹐开始产生彗尾﹐离太阳更近时﹐彗尾显著地变长变大。当它过近日点之后离开太阳越走越远时﹐彗尾也逐渐缩小。彗尾的体积很大﹐大彗尾长达上亿公里﹐宽度从几千公里甚至到2﹐000多万公里﹐但物质是极稀薄的(密度只有地面上空气的十亿亿分 ?。当彗发和彗尾遮掩恒星时﹐一般星光不因此而减弱或偏折﹐但有时也观测到星光闪烁。1910年﹐哈雷彗星的彗尾曾“扫”到地球﹐地球上毫无异常现象。彗发和彗尾的总质量一般只占彗星质量的1～5％左右。彗尾形状多种多样﹐一般总是向背离太阳方向延伸﹐而且常常有两条以上。彗尾可分为两类﹕一类彗尾较直﹐由离子气体组成﹐称为“离子彗尾”或“气体彗尾”﹐又称Ⅰ型彗尾﹐因含CO
离子的发射﹐呈蓝色。这类彗尾是太阳风的很强斥力作用于彗星中的离子形成的。另一类是弯曲的﹐由微尘 槌嫂o呈黄色﹐称为“尘埃彗尾”﹐弯曲程度较小的又称Ⅱ型彗尾﹐弯曲程度很大的称为Ⅲ型彗尾(图7
光谱和化学组成 通过对彗星光谱的分析可以知道彗星的化学成分。彗星光谱中有三种辐射﹕连续辐射﹑中性原子和分子的辐射﹑电离分子和离子的辐射。彗星的连续光谱与太阳光谱相似﹐只是比太阳光谱略微红些﹐这是尘埃粒子反射的太阳光谱。彗头光谱中不仅有C
和C
的发射带﹐而且有称为“基”的中性分子﹐如OH﹑NH﹑NH﹑CH﹑CN等的发射带﹐这种称为“基”的中性分子在实验室里往往是化学上不稳定的。它们可能是由稳定的“母分子”(如HO﹑NH﹑CH
﹑CN等)被太 舴浞纸舛纬傻摹ｅ绶⒅形镏拭芏确浅Ｐ々o几乎没有机会同别的分子碰撞而结合成稳定分子﹐因此﹐彗星中可以存在许多“基”分子。当彗星走到离太阳很近(小于一个天文单位)时﹐分子发射变弱﹐而出现中性原子Na﹑K﹑Ca﹑Ni﹑O等的光谱线。尘埃彗尾有连续光谱﹐没有气体分子发射带﹐这是0.1～1微米大小的硅酸盐等尘粒反射太阳光产生的﹐当彗星走到离太阳0.6天文单位时﹐出现钠原子的D发射线﹐彗尾呈黄色。离子彗尾有多种离子和电离分子的发射带﹐如CH﹑OH﹑CO﹑HO﹑N
﹑C的发射带。这些离子和电离分子是太阳风和彗星间的高能相互作用(包括光致电离﹑电荷交换和碰撞电离等过程)的产物。此外﹐射电观测还发现了 CHCN(乙
)﹑HCN(氰化氢)以及HO分子。
彗星模型 彗星现象十分复杂﹐同一颗彗星在绕太阳公转的不同时间里﹐呈现出不同的形态﹐而不同的彗星彼此又有很多差异。关于彗星(特别是彗核)的本质还缺乏足够的资料来说明﹐因此需要藉助彗星模型来尽可能解释各种彗星现象。已提出的多种彗星模型大致可分为两类:“沙砾模型”和“致密核模型”。
“沙砾模型”认为彗星是一大团固体粒子﹐它们在相似轨道上各自独立地绕太阳公转﹐粒子向中心密集为一个弥漫核﹐但核并不是一个整体。这类模型假定固体粒子是在太阳系外形成的﹐包含有恒星际物质。粒子轨道在近日点附近交叉﹐粒子经多次碰撞而破裂﹐所产生的细尘粒被太阳辐射推开﹐形成Ⅱ型彗尾。少部分物质可能在碰撞中被蒸发成气体。沙砾模型可以解释彗星分裂形成流星群等现象﹐但不足以说明所观测的彗星中的气体数量﹐此外﹐还有其他缺陷。现在只有少数人还持这种看法。
彗星有致密核的看法在十九世纪就有了。有人认为彗核是各种气体凝固成的冰块﹐有人认为是石块。1949年﹐美国天文学家惠普尔提出“冰冻团块模型”。他认为彗核是“脏雪球”﹐由冰冻的母分子和夹杂的细尘粒组成。后来有的学者进一步发展了这种模型﹐认为彗星走近太阳时﹐太阳加热作用使彗核表面的冰升华为气体﹐向外膨胀﹐同时带出微尘﹐形成彗发和彗尾。母分子气体被太阳辐射离解为各种“基”分子和原子﹐如H
O离解为羟基OH 虷。彗星每次走近太阳时﹐仅仅彗核表面层被蒸发﹐内部仍保持冰冻态﹐因而寿命可达几千个公转周期。彗星本身还有自转﹐自转周期为数小时。由于彗核自转以及各层热传导的时间滞延﹐气体不对称地放出﹐产生“火箭喷射”效应﹐这就可以解释恩克彗星的加速和阿雷斯脱彗星的减速运动现象。
起源和演化 关于彗星的起源问题﹐看法很多﹐到现在还没有一致的意见﹐其中以原云假说最为著名。荷兰学者奥尔特在二十世纪五十年代统计得出﹐长周期彗星轨道半长径为 3万到10万天文单位。他因此提出太阳系边远区有个彗星储库──“彗星云”﹐又称奥尔特云(Oortcloud)﹐为说明观测到的“新”(出现)彗星的频数﹐他估计那里有1﹐000亿颗彗星﹐其总质量比地球质量小。彗星云中的彗星长久地远离太阳﹐绕太阳公转 恢芤赴偻蚰辍Ｓ捎谒谴τ谔粲肫渌阈侵洎o恒星引力摄动使一部分彗星轨道改变﹐进入太阳系内部。它们与大行星(主要是木星)相遇时﹐有一些被摄动而变为短周期彗星──“新”彗星﹐另一些可能被抛出太阳系。除原云假说外﹐还有其他一些假说。如喷发说认为彗星是由于木星等行星或卫星上火山喷发的一些物质形成的﹔碰撞说认为彗星是由太阳系内的某两个天体互相碰撞而形成的﹔俘获说认为彗星原来并不是太阳系内的天体﹐而是太阳的引力把它们从恒星际空间俘获过来的。但是﹐这些假说都碰到很多难以解释的问题。
彗星每次经过太阳附近时﹐都被太阳辐射蒸发出一些物质﹐形成彗尾﹐这些物质逐渐消失到行星际空间中去﹐于是彗星的质量越来越少。不仅如此﹐彗星还会由于太阳等天体施加的起潮力而逐渐瓦解﹐形成流星群(见流星雨)﹐比拉彗星的分裂和瓦解就是一例。彗星的寿命有长有短﹐但平均大概只有几千个公转周期。
著名的彗星 彗星中最著名的是哈雷彗星﹐其他的著名彗星有﹕
恩克彗星 公转周期很短(只有3年106天)﹐亮度微弱(相当于5等星)﹐只是一团不亮的雾斑拖个短彗尾﹔轨道偏心率为0.847﹐近日距为0.34天文单位。自1786年发现以来已观测60多次﹐它的绝对亮度没有多大变化﹐它的轨道运动有加速现象﹐而且有突然变化。十九世纪一十年代末﹐德国天文学家恩克最早算出它的轨道﹐并预言它将在1822年回到近日点。预言应验了﹐因此得名恩克彗星。它是继哈雷彗星之后﹐第二颗按推算时间重新出现的彗星。有人估计它的寿命不长﹐到二十一世纪就不存在了。
比拉彗星 已经消失的彗星﹐因分裂和形成流星雨而著名。这颗彗星于1826年为奥地利人比拉发现﹐因而得名。桑提尼等人算出它的轨道﹐确定它的公转周期为6.6年﹐并认为它和1772年和1805年被观测到的彗星是同一颗彗星。1846年 1月13日﹐这颗彗星突然分裂为两颗﹐都有彗尾﹐它们的距离越来越大﹐后来都远离太阳而去(图10
科胡特克彗星 即1973f彗星﹐是1973年3月7日由科胡特克发现的(图11
掠日彗星 指一些近日距很小的彗星﹐因往往掠过太阳外层大气(日冕)而得名。这种彗星现已观测到 8颗。其中1680年大彗星是最亮的掠日彗星﹐最亮时为-18等星﹐比满月还亮100倍。它在过近日点时离炽热的日面只有23万公里(太阳直径为139万公里)﹐以每秒530公里的速度穿过温度达 100多万度的日冕﹐却没有被烧毁﹐只是彗核受热生出长达 2.4亿公里的大彗尾。这颗彗星公转周期为8﹐800年﹐远日距1﹐300亿公里。1843Ⅰ大彗星的近日距只有13万公里﹐过近日点时亮度为-7等﹐白天可见﹐4天后彗尾长达3.2亿公里﹐宽600万公里。它的公转周期为513年﹐远日距190亿公里。除了这两颗掠日彗星外﹐至今观测到的 6颗是1880Ⅰ﹑1882Ⅱ﹑1887Ⅰ﹑1945Ⅶ﹑1963V和1965Ⅷ。其中1963V彗星近日点离日面只有6万公里。这种彗星容易分裂﹐例如1965Ⅷ彗星过近日点后两星期就分裂为三部分。(见彩图
参考书目
徐登里编著﹕《彗星漫谈》﹐科学出版社﹐北京﹐1975。
B.M.Middlehurst and G.P.Kuiper eds﹐ The Moon﹐Meteorites and Comets﹐Chicago Univ.of Press﹐Chicago﹐1963.
R.A.Lyttleton﹐The Comets and Their Origin﹐Cambridge Univ.Press﹐Cambridge﹐1953.