彗星-百科詞條

　　在扁長軌道（極少數在近圓軌道）上繞太陽運行的一種品質較小的天體，呈雲霧狀的獨特外貌。圖1是中國雲南天文臺於1976年3月10日拍攝的彗星照片。圖2表示彗星的外貌和亮度隨著它離太陽的遠近而顯著變化:當它遠離太陽時，呈現為朦朧的星狀小暗斑，其較亮的中心部分叫作“彗核”。彗核週邊的雲霧包層稱為“彗發”，它是在太陽的輻射作用下由彗核中蒸發出來的氣體和微小塵粒組成的。彗核與彗發合稱為“彗頭”。當彗星走到離太陽相當近的時候，彗發變大，太陽風和太陽的輻射壓力把彗發的氣體體和微塵推開生成“彗尾”。由於彗星的這種獨特外貌，中國民間又稱彗星為掃帚星。漢字“彗”字就是“掃帚”的意思。在天文學中，彗星用符號

表示。

圖1　威斯特彗星1975n

圖2　彗星外貌的變化

　　在科學不發達的古代和中世紀，彗星的偶然出現和它的奇特外貌，常使人們感到驚慌和恐怖，以致認為彗星的出現是戰爭、饑荒、洪水、瘟疫等災難的預兆。雖然有些彗星碰巧出現在災難事件前後，但實際上，彗星的出現完全是一種自然現象，跟地球上的天災人禍毫無關系。彗星現象的本質逐漸被人類認識。歐洲人長期受亞裡士多德看法的影響，以為彗星是地球大氣中的燃燒現象，不值得做科學研究。中國古代人對彗星有較正確的認識，例如，《晉書·天文志》說：“彗體無光，傅日而為光，故夕見則東指，晨見則西指。在日南北，皆隨日光而指。頓挫其芒，或長或短……”對彗星發光的原因及彗尾的指向都有清晰的見解。1577年，丹麥天文學傢第谷確定當年出現的一顆彗星比月球離地球還遠。牛頓用萬有引力定律研究瞭1680年出現的彗星的軌道。1705年，英國天文學傢哈雷算出24顆彗星軌道，發現瞭1531年、1607年、1682年出現的三顆彗星的軌道相似，他認為這是同一顆彗星的三次出現，並預言它在76年後將再次出現。預言應驗瞭，因此這顆彗星被命名為哈雷彗星。早期，天文學傢主要研究彗星運動方面的問題；在現代，更註重研究彗星的物理性質和化學性質以及彗星與太陽風的相互關系等方面的問題。

　　發現和命名　中國是世界上最早記錄彗星和記錄資料最豐富的國傢。在中國古代，正史和地方志中有成千條彗星記錄，其中尤其是關於哈雷彗星有世界公認的最早最完整的記載。中國古代對彗星的記載有時稱彗星，有時又用其他名稱，如孛星、妖星、星孛、蓬星、長星、異星、奇星等等。《春秋》記載魯文公十四年（公元前613年）“秋七月，有星孛入於北鬥。”這是世界上第一次關於哈雷彗星的確切記載。

圖3　《春秋》關於彗星的記載

　　現在人們用肉眼還沒有看到彗星時，專業天文工作者和業餘天文愛好者就用望遠鏡發現瞭它。有的彗星很暗，肉眼看不到，隻能通過望遠鏡才能看到。目前，用望遠鏡每年平均可發現約10顆彗星。據統計，迄今觀測到的彗星，除去重復出現的，約有1，600顆，太陽系中實際存在的彗星比這要多得多。

　　新發現的彗星先給予臨時命名：用發現年份加上表示發現次序的拉丁字母a、b、c、…，例如，中國紫金山天文臺1965年發現的兩顆彗星，是這一年發現的第二顆和第三顆彗星，就臨時命名為1965b和1965c。根據觀測算出軌道後，就按彗星過近日點的先後為序，在年代後加羅馬字母Ⅰ、Ⅱ、…取代拉丁字母，作為永久命名。例如，上述兩顆彗星永久命名為1965Ⅰ和1965Ⅱ。某一年新發現的彗星可能在另一年過近日點，所以永久命名常要遲兩三年，以避免因再發現新彗星而更動命名序號。新發現的彗星還常賦予獨立發現者的名字(最多三人)，對於短周期彗星，還常在前面加上符號P/，例如，P/Tuttle-Giacobini-Kresàk彗星，有的彗星也給予其他名字，例如紫金山1號(1965I)等。

　　軌道　彗星的軌道有橢圓（偏心率e＜1），拋物線(e=1)和雙曲線（e＞1）三種類型（圖4）。到二十世紀七十年代初，已算出軌道的彗星共有600多顆，其中軌道接近拋物線的約49％，軌道為橢圓和雙曲線的分別為40％和11％左右。彗星走過行星（特別是質量大的木星）附近，會受到行星的攝動而改變軌道。具有雙曲線和拋物線軌道的大部分彗星如果沒有受到攝動，它們原來的軌道往往是偏心率接近1的橢圓。這表明它們也是太陽系的成員，或許隻有少數彗星來自太陽系外。

　　在橢圓軌道上運動的彗星稱為“周期彗星”，它們周期地繞太陽公轉。在拋物線或雙曲線軌道上運動的彗星稱為“非周期彗星”，它們繞太陽轉個彎就一去不復返瞭。公轉周期短於200年的彗星稱為“短周期彗星”，這種彗星已算出軌道的有100多顆，它們走近太陽和地球的次數較多，觀測資料較豐富、準確。這些彗星的軌道面對黃道面的傾角較小，絕大多數與行星同一方向繞太陽公轉（順行），但也有少數例外，如著名的哈雷彗星軌道面對黃道面的傾角約為162°，是一顆逆行彗星。公轉周期大於200年的彗星稱為“長周期彗星”，它們的軌道很扁長，e大於0.96而略小於1，接近拋物線，要幾百、幾千年甚至更長時間才走近太陽一次。它們的軌道延伸到九大行星范圍以外很遠，軌道面的取向是隨機分佈的，順行和逆行的都有。

　　大行星的攝動會改變彗星的軌道，例如，木星的攝動可以使長周期彗星變為短周期彗星，使短周期彗星變為非周期彗星。彗星公轉周期改變的一個最突出事例是P/Oterma彗星，它的公轉周期在1936年以前是18年，而1937年到1963年之間，它的公轉周期隻有8年，1963年以後又恢復到18年。有70多顆短周期彗星的公轉周期為4～10年，遠日距為4～7個天文單位，與木星軌道半長徑5.2個天文單位相近，它們可能與木星有聯系，稱為“木星族彗星”（圖5）。至於是否存在與土星、天王星、海王星有聯系的彗星族，因彗星數目少，對這種聯系的真實性，目前還有爭議。

　　結構　一般彗星由彗頭和彗尾兩部分組成（圖6）。

圖6　彗星的結構

　　彗頭　彗頭包括彗核和彗發兩部分。自1970年以來，地球大氣外觀測發現三顆彗星的彗發外面還有氫原子雲，稱為“彗雲”或“氫雲”。彗雲包圍著彗發，其直徑為100～1，000萬公裡。因此，應該把彗核、彗發和彗雲合稱為彗頭。彗頭的結構往往十分復雜，不同彗星也有很大差別。不少彗星的彗頭沒有彗雲。有的彗星的彗頭中連彗發也沒有，隻有彗核，塵埃組成的彗尾直接從彗核開始背向太陽延伸；有的在彗核周圍稍有彗發，彗發呈球莖形狀；有的彗發很亮，呈拋物面形狀包圍著彗核，形成錨形彗頭。彗核一般難於直接從彗頭中分辨開來，它的直徑很小，隻有幾百米到上百公裡，但集中瞭彗星的絕大部分質量。大彗星的質量為10³～10⁸億噸，小彗星質量隻幾十億噸。彗核的平均密度約1克/厘米³，有些彗核的密度可能更大些，也有一些彗核密度或許隻有0.01克/厘米³。彗發的體積隨彗星離太陽的距離而變化，其直徑比彗核大得多，一般有幾萬公裡，有的達到180萬公裡（例如1811年的大彗星），比太陽還大；但彗發的質量很小，物質很稀薄。

　　彗尾　少數大而亮的彗星走到土星軌道附近時，就可以從大望遠鏡中看到，但一般彗星要走到離太陽三個天文單位左右才能從望遠鏡中看到，這時彗星隻有暗星狀彗核及其周圍朦朧的彗發。當它走到離太陽兩個天文單位左右時，開始產生彗尾，離太陽更近時，彗尾顯著地變長變大。當它過近日點之後離開太陽越走越遠時，彗尾也逐漸縮小。彗尾的體積很大，大彗尾長達上億公裡，寬度從幾千公裡甚至到2，000多萬公裡，但物質是極稀薄的（密度隻有地面上空氣的十億億分之一）。當彗發和彗尾遮掩恒星時，一般星光不因此而減弱或偏折，但有時也觀測到星光閃爍。1910年，哈雷彗星的彗尾曾“掃”到地球，地球上毫無異常現象。彗發和彗尾的總質量一般隻占彗星質量的1～5％左右。彗尾形狀多種多樣，一般總是向背離太陽方向延伸，而且常常有兩條以上。彗尾可分為兩類：一類彗尾較直，由離子氣體組成，稱為“離子彗尾”或“氣體彗尾”，又稱Ⅰ型彗尾，因含CO⁺離子的發射，呈藍色。這類彗尾是太陽風的很強斥力作用於彗星中的離子形成的。另一類是彎曲的，由微塵組成，呈黃色，稱為“塵埃彗尾”，彎曲程度較小的又稱Ⅱ型彗尾，彎曲程度很大的稱為Ⅲ型彗尾（圖7）。這類彗星是太陽光子的輻射壓力推斥微塵而形成的。此外，還有一種看上去好象朝太陽方向延伸的扇狀或長釘狀彗尾，稱為“反常彗尾”（圖8）。這隻是投影效應。彗尾也常呈現復雜結構，例如莫爾豪斯彗星（圖9）。

圖7　彗尾的類型

圖8　阿侖德-羅蘭彗星

圖9　莫爾豪斯彗星（1908Ⅲ）自上而下 10月13日

圖9　莫爾豪斯彗星（1908Ⅲ）自上而下 10月23日

圖9　莫爾豪斯彗星（1908Ⅲ）自上而下 10月31日

　　光譜和化學組成　通過對彗星光譜的分析可以知道彗星的化學成分。彗星光譜中有三種輻射：連續輻射、中性原子和分子的輻射、電離分子和離子的輻射。彗星的連續光譜與太陽光譜相似，隻是比太陽光譜略微紅些，這是塵埃粒子反射的太陽光譜。彗頭光譜中不僅有C₂和C₃的發射帶，而且有稱為“基”的中性分子，如OH、NH、NH₂、CH、CN等的發射帶。這種稱為“基”的中性分子在實驗室裡往往是化學上不穩定的。它們可能是由穩定的“母分子”（如H₂O、NH₃、CH₄、C₂N₂等）被太陽輻射分解而形成的。彗發中物質密度非常小，幾乎沒有機會同別的分子碰撞而結合成穩定分子，因此，彗星中可以存在許多“基”分子。當彗星走到離太陽很近（小於一個天文單位）時，分子發射變弱，而出現中性原子Na、K、Ca、Ni、O等的光譜線。塵埃彗尾有連續光譜，沒有氣體分子發射帶，這是0.1～1微米大小的矽酸鹽等塵粒反射太陽光產生的，當彗星走到離太陽0.6天文單位時，出現鈉原子的D發射線，彗尾呈黃色。離子彗尾有多種離子和電離分子的發射帶，如CH⁺、OH⁺、CO⁺、H₂O⁺、N₂⁺、C⁺的發射帶。這些離子和電離分子是太陽風和彗星間的高能相互作用（包括光致電離、電荷交換和碰撞電離等過程）的產物。此外，射電觀測還發現瞭 CH₃CN（乙腈）、HCN（氰化氫）以及H₂O分子。

　　彗星模型　彗星現象十分復雜，同一顆彗星在繞太陽公轉的不同時間裡，呈現出不同的形態，而不同的彗星彼此又有很多差異。關於彗星（特別是彗核）的本質還缺乏足夠的資料來說明，因此需要借助彗星模型來盡可能解釋各種彗星現象。已提出的多種彗星模型大致可分為兩類：“沙礫模型”和“致密核模型”。

　　“沙礫模型”認為彗星是一大團固體粒子，它們在相似軌道上各自獨立地繞太陽公轉，粒子向中心密集為一個彌漫核，但核並不是一個整體。這類模型假定固體粒子是在太陽系外形成的，包含有恒星際物質。粒子軌道在近日點附近交叉，粒子經多次碰撞而破裂，所產生的細塵粒被太陽輻射推開，形成Ⅱ型彗尾。少部分物質可能在碰撞中被蒸發成氣體。沙礫模型可以解釋彗星分裂形成流星群等現象，但不足以說明所觀測的彗星中的氣體數量，此外，還有其他缺陷。現在隻有少數人還持這種看法。

　　彗星有致密核的看法在十九世紀就有瞭。有人認為彗核是各種氣體凝固成的冰塊，有人認為是石塊。1949年，美國天文學傢惠普爾提出“冰凍團塊模型”。他認為彗核是“臟雪球”，由冰凍的母分子和夾雜的細塵粒組成。後來有的學者進一步發展瞭這種模型，認為彗星走近太陽時，太陽加熱作用使彗核表面的冰升華為氣體，向外膨脹，同時帶出微塵，形成彗發和彗尾。母分子氣體被太陽輻射離解為各種“基”分子和原子，如H₂O離解為羥基OH和H。彗星每次走近太陽時，僅僅彗核表面層被蒸發，內部仍保持冰凍態，因而壽命可達幾千個公轉周期。彗星本身還有自轉，自轉周期為數小時。由於彗核自轉以及各層熱傳導的時間滯延，氣體不對稱地放出，產生“火箭噴射”效應，這就可以解釋恩克彗星的加速和阿雷斯脫彗星的減速運動現象。

　　起源和演化　關於彗星的起源問題，看法很多，到現在還沒有一致的意見，其中以原雲假說最為著名。荷蘭學者奧爾特在二十世紀五十年代統計得出，長周期彗星軌道半長徑為3萬到10萬天文單位。他因此提出太陽系邊遠區有個彗星儲庫──“彗星雲”，又稱奧爾特雲(Oortcloud)。為說明觀測到的“新”（出現）彗星的頻數，他估計那裡有1，000億顆彗星，其總質量比地球質量小。彗星雲中的彗星長久地遠離太陽，繞太陽公轉一周要幾百萬年。由於它們處於太陽與其他恒星之間，恒星引力攝動使一部分彗星軌道改變，進入太陽系內部。它們與大行星（主要是木星）相遇時，有一些被攝動而變為短周期彗星──“新”彗星，另一些可能被拋出太陽系。除原雲假說外，還有其他一些假說。如噴發說認為彗星是由於木星等行星或衛星上火山噴發的一些物質形成的；碰撞說認為彗星是由太陽系內的某兩個天體互相碰撞而形成的；俘獲說認為彗星原來並不是太陽系內的天體，而是太陽的引力把它們從恒星際空間俘獲過來的。但是，這些假說都碰到很多難以解釋的問題。

　　彗星每次經過太陽附近時，都被太陽輻射蒸發出一些物質，形成彗尾，這些物質逐漸消失到行星際空間中去，於是彗星的質量越來越少。不僅如此，彗星還會由於太陽等天體施加的起潮力而逐漸瓦解，形成流星群（見流星雨），比拉彗星的分裂和瓦解就是一例。彗星的壽命有長有短，但平均大概隻有幾千個公轉周期。

　　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　公轉周期很短（隻有3年106天），亮度微弱（相當於5等星），隻是一團不亮的霧斑拖個短彗尾；軌道偏心率為0.847，近日距為0.34天文單位。自1786年發現以來已觀測60多次，它的絕對亮度沒有多大變化，它的軌道運動有加速現象，而且有突然變化。十九世紀一十年代末，德國天文學傢恩克最早算出它的軌道，並預言它將在1822年回到近日點。預言應驗瞭，因此得名恩克彗星。它是繼哈雷彗星之後，第二顆按推算時間重新出現的彗星。有人估計它的壽命不長，到二十一世紀就不存在瞭。

　　比拉彗星　已經消失的彗星，因分裂和形成流星雨而著名。這顆彗星於1826年為奧地利人比拉發現，因而得名。桑提尼等人算出它的軌道，確定它的公轉周期為6.6年，並認為它和1772年和1805年被觀測到的彗星是同一顆彗星。1846年1月13日，這顆彗星突然分裂為兩顆，都有彗尾，它們的距離越來越大，後來都遠離太陽而去（圖10）。1852年這一對彗星又雙雙歸來，彼此距離更大。根據計算，它們本應在1859、1865年再次返回，可是都沒有觀測到。1872年11月27日夜晚，天空中出現瞭一場節日焰火般的燦爛流星雨，持續幾小時，流星總數有16萬顆左右。1885年11月27日又發生一場大流星雨。這兩次流星雨的“輻射點”恰恰都在原比拉彗星軌道與地球軌道相交的地方。顯然這些流星是比拉彗星瓦解的碎粒。

圖10　比拉彗星的分裂

　　科胡特克彗星　即1973f彗星，是1973年3月7日由科胡特克發現的（圖11）。它在1973年12月28日過近日點，這時距離太陽約2，100萬公裡。射電觀測發現，這顆彗星上存在著CH₃CN和HCN的射電，這是第一次在彗星上發現這種復雜分子。天空實驗室的宇航員還看到它有長釘狀的反常彗尾。這顆彗星的公轉周期為75，000年，由於受其他天體的攝動，可能一去不返瞭。

圖11　科胡特克彗星

　　掠日彗星　指一些近日距很小的彗星，因往往掠過太陽外層大氣（日冕）而得名。這種彗星現已觀測到8顆。其中1680年大彗星是最亮的掠日彗星，最亮時為-18等星，比滿月還亮100倍。它在過近日點時離熾熱的日面隻有23萬公裡（太陽直徑為139萬公裡），以每秒530公裡的速度穿過溫度達100多萬度的日冕，卻沒有被燒毀，隻是彗核受熱生出長達2.4億公裡的大彗尾。這顆彗星公轉周期為8，800年，遠日距1，300億公裡。1843Ⅰ大彗星的近日距隻有13萬公裡，過近日點時亮度為-7等，白天可見，4天後彗尾長達3.2億公裡，寬600萬公裡。它的公轉周期為513年，遠日距190億公裡。除瞭這兩顆掠日彗星外，至今觀測到的6顆是1880Ⅰ、1882Ⅱ、1887Ⅰ、1945Ⅶ、1963V和1965Ⅷ。其中1963V彗星近日點離日面隻有6萬公裡。這種彗星容易分裂，例如1965Ⅷ彗星過近日點後兩星期就分裂為三部分。（見彩圖）