中国的民间把彗星贬称为“扫帚星”、“灾星”等等。实际上,像这种把彗星的出现和人间的战争、饥荒、洪水、瘟疫等灾难联系在一起的事情,在中外历史上有很多。
彗星是在扁长轨道(极少数在近圆轨道)上绕太阳运行的一种质量较小的云雾状小天体。《春秋》记载,在公元前613年,“有星孛入于北斗”,这是世界上公认的首次关于哈雷彗星的确切记录,比欧洲早了600多年。
1.彗星的结构
彗星由彗核、彗发和彗尾组成,彗核和彗发构成彗头,有的还有彗云。但是,并不是所有的彗星都有彗核、彗发、彗尾等结构。
彗星没有固定的体积,它在远离太阳时,体积很小,只是个云彗发变得越来越大,彗尾变长,体积变得十分巨大。
彗尾的形状各异,有的还不止一条,一般总向背离太阳的方向延伸,而且越靠近太阳彗尾就越长,最长竟可达2亿多千米。
彗星的质量非常小,就连大彗星的质量也不到地球的万分之一,其质量的绝大部分集中在彗核部分。彗核的平均密度为每立方厘米1克。彗发和彗尾的物质极为稀薄,其质量只占总质量的1%~5%,甚至更小。
彗星的物质主要由水、氨、甲烷、氰、氮、二氧化碳等组成,而彗核则由凝结成冰的水、二氧化碳(干冰)、氨和尘埃微粒混杂组成。
彗星可以说是个“脏雪球”。
我国古代对于彗星的形态已经很有研究,在长沙马王堆西汉古墓出土的帛书上就画有29幅彗星图。在晋书“天文志”上清楚地说明彗星不会发光,只是因为反射太阳光才被人们看见,而且彗尾的方向是背向太阳。
在宇宙中,彗星的数量是非常多的,但目前人们观测到的仅约有1600颗。
2.彗星的轨道
彗星的轨道与行星的轨道是很不相同的,它的轨道有椭圆、抛物线、双曲线三种。
轨道为椭圆的彗星能定期回到太阳身边,称为周期彗星。
轨道为抛物线或双曲线的彗星,终生只能接近太阳一次,而一旦离去,就会永不复返,这就是非周期彗星。
非周期彗星或许原本就不是太阳系的成员,它们只是来自太阳系之外的过客,无意中闯进了太阳系,而后又义无反顾地回到了茫茫的宇宙深处。
周期彗星又分为短周期(绕太阳公转周期短于200年)和长周期(绕太阳公转周期超过200年)彗星。
目前,科学家已经计算出600多颗彗星的轨道。根据分析,科学家认为彗星的轨道可能会受到行星的影响而产生变化。
当彗星受行星的影响而加速时,它的轨道将变扁,甚至成为抛物线或双曲线,从而使这颗彗星脱离太阳系;当彗星减速时,轨道的偏心率将变小,从而使长周期彗星变为短周期彗星,甚至从非周期彗星变成了周期彗星以致被宇宙中的星体“捕获”。
3.彗星的观测
除了距离太阳很远时以外,彗星长长的明亮稀疏的彗尾在过去总给人们这样的印象,即认为彗星很靠近地球,甚至就在我们的大气范围之内。
1577年丹麦天文学家第谷指出当从地球上不同地点进行观察时,彗星并没有显示出方位的不同。因此,他正确地得出彗星距离地球必定很远的结论。
彗星属于太阳系的小天体。每当彗星接近太阳时,它的亮度会迅速地增强。对离太阳相当远的彗星的观察表明它们沿着被高度拉长的椭圆运动,而且太阳是在这椭圆的一个焦点上,彗星的运行轨道与开普勒第一定律是一致的。
彗星大部分的时间运行在离太阳很远的地方,在那里它们是看不见的,只有当它们接近太阳时才能见到。大约有40颗彗星的公转周期相当短(小于100年),因此它们作为同一颗天体会相继出现。
历史上第一个被观测到相继出现的同一天体是哈雷彗星,牛顿的朋友和捐助人哈雷(1656-1742年)在1705年认识到它是周期性的,哈雷彗星的周期是76年。历史记录表明自从公元前240年也可能自公元前466年来,它每次通过太阳时都被人们观测到了,哈雷彗星最近一次是在1986年通过的。
4.彗尾的产生
彗尾被认为是由气体和尘埃组成的。科学家们认为是4个联合的效应将它从彗星上吹了出来:
其一,当气体和伴生的尘埃从彗核上蒸发时所得到的初始动量。
其二,阳光的辐射压将尘埃推离太阳。
其三,太阳风将带电粒子吹离太阳。
其四,朝向太阳的万有引力吸力。
这些效应的相互作用使每个彗尾看上去都不一样。当然,物质蒸发到彗发和彗尾中去,消耗了彗核的物质。
彗尾有时以爆发的方式出现,比拉彗星就是那样。1846年它通过太阳时彗尾破裂成两个,1852年那次通过以后就全部消失了。
5.彗星的起源
彗星的起源是个未解之谜。
有人提出,在太阳系外围有一个特大彗星区,那里约有1000亿颗彗星,叫奥尔特云。由于受到其他恒星引力的影响,一部分彗星进入太阳系内部,又由于木星的影响,一部分彗星逃出太阳系,另一些被“捕获”成为短周期彗星;也有人认为彗星是在木星或其他行星附近形成的;还有人认为彗星是在太阳系的边远地区形成的;甚至有人认为彗星是太阳系外的来客。
因为周期彗星一直在瓦解着,必然有某种产生新彗星以代替老彗星的方式。可能发生的一种方式是在离太阳105天文单位的半径上储藏有几十亿颗以各种可能方向绕太阳作轨道运动的彗星群。
这个概念得到了观测者的支持,人们观测到非周期彗星以随机的方向沿着非常长的椭圆形轨道接近太阳。随着时间的推移,由于过路的恒星给予的轻微引力,可以扰乱遥远彗星的轨道,直至它的近日点的距离变成小于几个天文单位。
6.彗星的性质
彗星的性质还不能确切知道,因为它藏在彗发内,不能被直接观察到,但人们可由彗星的光谱猜测它的一些性质。
通常,这些谱线表明彗星存在有羟基、氨基基团的气体,这很容易解释为最普通的元素碳、氮和氧的稳定氢化合物,即甲烷、氨气和水分解的结果,这些化合物冻结的冰可能是彗核的主要成分。
科学家相信各种冰和硅酸盐粒子以松散的结构散布在彗核中,有些像脏雪球那样,密度约为每立方厘米0.1克。当冰受热蒸发时它们遗留下松散的岩石物质,所含单个粒子其大小在104厘米到大约105厘米之间。当地球穿过彗星的轨道时,我们将观察到的这些粒子看作是流星。人们有理由相信彗星可能是聚集形成了太阳和行星的星云中物质的一部分。
因此,科学家很想设法获得一块彗星物质的样本来作分析以便对太阳系的起源知道得更多。这一计划理论上可以做到,如设法与周期彗星在空间做一次会合。但是,实际上要获得彗星物质的样本存在着人们难以想象的困难。
7.彗星与生命
彗星是一种很特殊的星体,其与生命的起源可能有着重要的联系。
彗星中含有很多气体和挥发成分。根据光谱分析,其主要是碳2、碳N、碳3,另外还有羟基和氨基等原子团。这说明彗星中富含有机分子。许多科学家注意到了这个现象:也许,生命起源于彗星!
1990年,美国国家航空航天局的科学家对白垩纪——第三纪界线附近地层的有机尘埃作了这样的解释:一颗或几颗彗星掠过地球,留下的氨基酸形成了这种有机尘埃。他们并由此指出,在地球形成早期,彗星也能以这种方式将有机物质像下小雨一样洒落在地球上——这就是地球上的生命之源。
8.哈雷彗星
大部分彗星都不停地围绕太阳沿着很扁长的轨道运行。沿着椭圆形轨道运行的彗星,叫“周期彗星”。公转周期一般在3年至几世纪之间。周期只有几年的彗星多数是小彗星,人们直接用肉眼很难看到。不沿着椭圆形轨道运行的彗星,只能算是太阳系的过客,一旦离去就不见踪影。大多数彗星在天空中都是由西向东运行。但也有例外,哈雷彗星就从东向西运行的。
哈雷彗星的平均公转周期为76年,但是人们不能用1986年加上几个76年得到它的精确回归日期。
原因就在于主行星的引力作用会使它的周期变更,从而陷入一个又一个循环。非重力效果(靠近太阳时大量蒸发)也扮演了使它周期变化的重要角色。英国天文学家哈雷注意到1607年和1531年出现的彗星轨道相似,并预言1758年底或1759年初再度出现。
哈雷彗星的公转轨道是逆向的,与黄道面呈18度倾斜。另外,像其他彗星一样,哈雷彗星的偏心率较大。另外,星的彗核非常暗:它的反射率仅为0.03,使它比煤还暗淡,成为太阳系中最暗物体之一。哈雷彗星彗核的密度很低,说明它多孔,可能是因为在冰升华后,大部分尘埃都留了下来所致。
哈雷彗星在众多彗星中几乎是独一无二的,又大又活跃,而且轨道明确有规律。但是它无法代表其它彗星所具有的公性。