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第13章 不速之客—彗星

1.彗星概况

彗星是太阳系大家庭中一个奇特的成员,它不仅外貌奇特,而且行踪“诡秘”。彗星拖着一条奇异的长尾巴,就好像是一把倒挂在天上的扫帚,我国古代人民形象地给它起了一个别名—扫帚星。彗星的“彗”字,在古代就有“扫帚”的意思。古希腊人把彗星称为“发星”,认为彗星的尾巴是少女拖在脑后的美丽长发。

彗星是太阳系中的一个普通成员,在太阳引力下绕着太阳运动。太阳系中所有天体的运动轨道都是一条圆锥曲线,彗星的运动轨道也是一条圆锥曲线。圆锥曲线包括圆、椭圆、抛物线、双曲线,不同的彗星运动轨道的形状也不相同。目前还未发现有圆形轨道的彗星。具有抛物线和双曲线形轨道的彗星,它们只接近太阳一次。当绕过太阳后,越跑越远,最后脱离太阳引力,离开太阳系,向遥远的宇宙太空飞去,并且永远不再归来。另外还有一些彗星,它们沿着椭圆形的轨道绕太阳旋转。尽管它们之间有的偏心率很大,会跑到离太阳很远的地方去,但是总有一天它们还会回来。这些沿着椭圆轨道运行的彗星,才是太阳系的正式成员,人们称它们为“周期彗星”。前面说的那些一去不复返的彗星,被称为“非周期彗星”,它只不过是太阳系的一位过客。

科学家们经过研究和分析,认为来自太阳系以外的彗星是极少数,绝大多数的彗星都是太阳系的成员。它们原来的运行轨道,差不多都是偏心率接近于1的椭圆,这些彗星都是在一个比较扁长的轨道上绕太阳运行。如果彗星只受到太阳引力的作用,那么它的速度和运行轨道就永远不会改变。在太阳的周围有8个大行星,它们的质量相当大,尤其是木星和土星。当彗星从这些大行星附近经过时,不能忽视它们对彗星的引力。这个引力会使彗星的运行速度改变,从而改变它的运行轨道。这种由大行星引力作用产生的改变,在天文学中叫做“摄动”。

大行星的摄动,可以使长周期彗星变为短周期彗星,也可以使短周期彗星变为长周期彗星,甚至变为非周期彗星。当摄动使彗星的速度变小时,就可以缩短其运行周期;当摄动使彗星的速度加快时,就会使运行周期增加;当摄动使彗星的速度增加得很大,使它轨道变成抛物线形或双曲线形,就会使这颗彗星成为一颗非周期彗星。

彗星的外貌和亮度,随着它距离太阳的远近而产生明显的变化:当彗星离太阳很远的时候,它像一颗很暗的星星。当它逐渐地运动到太阳附近时,变得越来越亮,而且由于太阳风和太阳辐射压力,它产生一条拖在身后的尾巴。当它离太阳更近时,尾巴显著地变长变大,在近日点处,它的尾巴最长最大。彗星过近日点后,它的尾巴逐渐缩小,最后又像一颗暗暗的星星,慢慢地消失在人们的视野中,甚至连大望远镜也无法看到它们。

彗星的体积是太阳系中最大的,但是它的质量却并不大。彗星的质量都集中在彗核,那里的平均密度大约为每立方厘米1克。有些彗星的彗核密度,可能会大一些,但也有的彗核密度仅有每立方厘米0.01克,比空气的密度还要稀薄得多。可见彗星这个庞然大物,只是虚胖而已。彗发的体积大,质量小,它的密度比彗核的密度小。又长又宽的彗尾体积最大,质量最小,密度最小。彗尾的物质极为稀薄,那里的密度只有地面上空气的10亿亿分之一。当彗星掩恒星时,被掩星的星光,可以穿过彗发和彗尾,它们的光线一般不会减弱也不会发生偏折,只是看到星光发生闪烁而已。1910年哈雷彗星的尾巴曾经“扫”过地球,当预测地球要穿过哈雷彗星的彗尾时,立刻引起了骚动,不少人惊恐不已,生怕地球在碰撞中毁灭。但是彗星物质太稀薄了,地球从彗尾穿过时,地球上毫无异常现象。

过去的记载中曾记录下许多著名的大彗星,如哈雷彗星、恩克彗星、比拉彗星、多纳提彗星、科胡特克彗星等,其中哈雷彗星最为著名。哈雷彗星于1985~1986年回到地球和太阳附近。1986年2月9日,它通过近日点。20世纪80年代,美国与欧洲宇航局制定了一项联合探测彗星的计划,发射一颗探测彗星的航天器。这个探测器先以高速掠过哈雷彗星,然后再去访问一个年老的、近期内活动不大的典型彗星—坦普耳2彗星。探测器近距离探测彗星,并向地球发回大量的资料。这一计划大大地丰富了人们对于彗星这一奇异天体的认识。

彗星并不多见。据记载,人类有史以来仅观测到大约2000多次彗星,其中亮度超过金星的只有16次。按照通常的定义,亮度接近或超过亮行星的彗星,就是非常壮观的彗星,一般要平均20年左右才能出现1颗。实际上,彗星是非常多的,据天文学家估计不下1000亿颗。

彗星出现预示着人间有灾难吗?

彗里的形状很特别,像一把大扫帚。在科学不发达的古代,人们对这种出没无常、形状怪异的天体感到莫名的恐惧,常常把它和天灾人祸联系起来,认为它是灾祸的前兆。中国古书上曾称它为“妖星”、“扫帚星”。其实,彗星和地球一样,是太阳系的普通成员。许多彗星,都沿着扁长的轨道绕太阳运行,人们可以精确地预言它们露面的时间。彗里的出现,与天灾人祸毫无关系。

2.彗星的结构和形态

人们一般只能看到亮彗星的彗核、彗发和彗尾。20世纪70年代,天文学家通过高空火箭和人造卫星发现,彗发之外还有彗云,因它是由原子氢构成的,所以又叫氢云,是彗星的外大气层。

彗星中也有发育不全的,有的没有彗尾,如运行在火星和木星轨道之间的奥特姆彗星。有的不仅没有彗尾,甚至连彗发也没有,如运行在木星和土星轨道之间的施瓦斯曼-瓦赫曼彗星,不了解它的人很难认出它是一颗彗星。

即使是同一颗彗星,在不同时期也是有差别的。当彗星离太阳很远时,只呈现一个云雾状的斑点,只有当彗星离太阳较近时,彗核中的尘埃和气体才逐渐蒸发形成彗发和彗尾。一旦远离太阳,彗发和彗尾又会消失。

彗头中央明亮的部分叫做亮度核或光度核。但它不是彗星的物理核心,即不是真正的彗核,真正的彗核位于亮度核的中央,直径只有几千米到几十千米。它是彗星的主体,大部分的彗星质量集中于此。

3.彗星的成分

彗星的成分,主要是一些相当于地球上的气态物质,如氨、甲烷、氰等气体,还有尘埃。不过这些物质在彗星中是固态的,像冰一样。此外,组成彗星的物质还有由水结成的冰。在冰状物质中,还分布着细小的岩石碎块。

彗星为什么能发光?

彗星本身不发光。它发光的原因有两个:一是受太阳风能量冲击而产生荧光现象,二是受太阳照射而反光。当彗星离太阳越近时,它感受太阳的光和热就越强,因此所呈现的光度也就越强,其彗尾也拉得越长。当彗星远离太阳,回到深邃寒冷的太空时,它的光度与彗尾也就逐渐降低消失了。

4.彗星观测的历史记录

我国有悠久的彗星观测历史,我国对彗星的观测和研究可以追溯到4000多年前,拥有世界上最早、最丰富的彗星记录。甲骨卜辞中就有“彗异”的记载,史料中关于观测到彗星的记录截止到清末为止不下250多次。特别值得提到的是长沙马王堆汉墓中出土的帛书彗星图,绘有29幅形态各异的彗星,反映出远在战国末期的秦汉之际,人们已经十分细致地区分了彗星的形态。他们在肉眼观测的条件下,甚至在彗头中,看出了彗核和彗发。对彗尾的区分更细,有细而直的,有弯曲的,也有粗宽彗尾的。由此可见,从古至今发现和观测彗星,一直是人们极感兴趣的观测活动。

望远镜发明以后,发现新彗星成为许多业余天文学家努力追求的目标之一。他们转动着望远镜漫天寻觅,希望发现一颗新彗星的幸运降临到自己头上。对预报回归的彗星,他们也渴望最先看到它的身影。这种辛勤的搜寻有时能得到很大鼓励,在第一次预报哈雷彗星将于1758年再次回归时,很多人翘首以望。一个德国农民巴里茨歇,因最先看到它的回归而记入史册。在众多的搜寻彗星的观测者中,有不少佼佼者,他们善于捕捉目标。例如,澳大利亚有一个名叫布雷德费的业余天文学家,他被誉称为“彗星猎手”。在1972年~1980年间,他一个人就发现过11颗彗星。

发现新彗星非常激动人心,观测他人已经发现的彗星也饶有兴味。它们不但形态各异,就是同一颗彗星再次回归,也会与上一次来临时有明显的甚至很大的变化。观测彗星的有机分子越来越受到重视,人们希望通过观测彗星,对星际空间的物理状态和太阳系的演化有更多的了解。

彗星最初出现在天幕上,是繁星中一个不太亮的模糊的小斑点,它相对于周围的恒星有缓慢的移动。搜寻就以这种模糊的略亮于背景的斑块为对象。一旦找到这样的天体,还不能说已经发现了彗星,因为这个斑块也有可能是星云或者星团。要剔除它是星团星云,一看星图上这一位置,是否有已知的星团或星云;二看斑块有无相对于恒星的运动。如果相隔几分钟或十几分钟就看出它有明显的移动,它就不是星团或者星云,而很可能是彗星。相对于恒星有运动的天体,还有小行星、人造地球卫星、流星或者火流星。暗的小行星一般不可能在较小的望远镜里为肉眼所见;人造地球卫星的移动,要比彗星快得多;流星或火流星稍瞬即逝,亮度变化迅速,和彗星有明显的区别。

彗星的家在哪里?

形状奇特、出没无常的彗星,究竟源于何处?1796年,法国天文学家拉普拉斯在他的《宇宙体系论》著作中,提出了彗星起源于彗星云说。他认为,彗星是由太阳系外星际云物质形成的。遥远的星际云物质,由于受到邻近恒星的影响,再加上行星与太阳引力的拉扯,最终被吸进太阳系而形成彗星。

1950年,荷兰天文学家奥尔特,通过精密的观测研究,进一步补充完善了拉普拉斯的理论。奥尔特统计过彗星的轨道,他认为在离太阳22.5万亿千米处,有一个好像壳一般包围着太阳系的彗星云,里面有大约千亿个彗星的核心。这些彗星的核心受到其他星的引力扰动,便会脱离彗星云,有些会飞向太阳,让我们看到,有些则消失于星际空间。奥尔特所说的彗星云,后来被人们称为奥尔特云。他的彗星理论已得到人们的公认。

5.周期彗星和非周期彗星

周期彗星,是在椭圆轨道上周期地绕太阳公转运行的彗星。周期彗星,又可分为短周期彗星(周期小于200年)和长周期彗星。前者的轨道倾角不大,多为顺行,即绕太阳公转的方向,与行星绕太阳公转的方向相同。后者的轨道平面,在太阳系空间内是随机分布的,顺行的与逆行的各占一半。周期彗星绕太阳运行的轨道各不相同,它们绕太阳运行一周的时间也各不相同。如著名的恩克彗星绕太阳一周的时间为3年多,是迄今为止发现的周期最短的一颗彗星之一;而1996年出现的百武彗星,周期则长达2万年。

非周期彗星,是在双曲线或抛物线轨道上,绕太阳运行的彗星。它们在经过近日点后,就逐渐脱离太阳的引力,跑到宇宙空间便一去不复返了。目前轨道已测算出的彗星当中,大多数是非周期彗星。彗星在经过行星附近时,会受行星的摄动而改变轨道。如果将观测到的双曲线和抛物线的轨道往前类推,大多数非周期彗星的轨道都曾是偏心率较大的椭圆,这说明可能只有很少的彗星,是来自太阳系以外的。

百年一遇的哈雷彗星

哈雷彗星,是第一颗被预言回归的周期彗星。1705年,英国天文学家哈雷根据1531年、1607年、1682年出现的彗星的轨道相似性,推测它们是同一颗彗星,并预言这颗彗星将于1758~1759年再度回归。1759年3月13日,这颗大彗星果然如约而至。但哈雷已于1742年离开人世,没能亲眼看到他所预言的现实。后人为纪念哈雷的贡献,就把这颗彗星命名为哈雷彗星。哈雷彗星的慧核长约16千米,宽8千米,厚7.5千米,质量为500亿~1300亿吨。它的轨道是一个很扁的椭圆,近日距为0.59天文单位,远日距达35.31天文单位。哈雷彗星的寿命约为几十万年,回归周期是76年,大多数人一生能见到它一次。哈雷彗星最近一次出现的时间是1986年,下次将出现于2062年。