IV：彗星｜太陽系的活化石

星光閃亮圖書館 2019-01-29

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引言：彗星這迷人的又有點詭異的東西，為什么質(zhì)量如此小的它們卻又如此重要呢？

知識點I：彗星的編號與命名

小行星的發(fā)現(xiàn)者擁有命名權(quán)，而彗星的命名規(guī)則更直接——發(fā)現(xiàn)者的名字就被直接用到彗星身上了（哈雷彗星和恩克彗星是特例，不是以發(fā)現(xiàn)者的名字命名而是以成功預(yù)測其回歸的科學(xué)家名字命名）。一開始是約定俗成，后來國際天文學(xué)聯(lián)合會就有了明確的命名規(guī)則，以最早獨立發(fā)展者名字命名，最多可以由三個人姓氏來命名，以收到報告的先后排序。然而和小行星不同的是，以發(fā)現(xiàn)者名字命名反而成了臨時命名，或者說是俗稱，真正登記造冊的卻是編號。

1995年以前，比較混亂。先是按發(fā)現(xiàn)次序獲得編號，采用年份加小寫的英文字母。然后經(jīng)過持續(xù)觀測和軌道的測定，根據(jù)其過近日點的次序再給一個編號，年份加羅馬數(shù)字。所以例如蘇梅克—列維9號，就有1993e和1994X兩個編號。但是，有時候會突然發(fā)現(xiàn)一顆馬上就要過近日點的新彗星，那么在原來已經(jīng)排好序的編號里就無法“插隊”了，如1994IX和1994X已經(jīng)確定好，如果新發(fā)現(xiàn)的彗星過近日點時間恰巧在它們倆中間，怎么辦？于是，1995年起采用了新的系統(tǒng)，即參照小行星的做法進(jìn)行編號（詳見第二期）。此外，為了方便標(biāo)識彗星的特點，在編號前加上標(biāo)記，如A/表示可能是小行星，C/表示長周期彗星，P/表示回歸1次以上的短周期彗星，為避免短周期彗星回歸時被重新標(biāo)記，則在P/或D/前加上一個由IAU小行星中心給定的序號，例如哈雷彗星就叫1P/Halley。X/表示尚未計算出軌道的彗星，D/表示不再回歸或已經(jīng)消失的彗星。

知識點 II：彗星與流星雨

1826年2月27日奧地利的一位軍官比拉發(fā)現(xiàn)了一顆彗星，隨后天文學(xué)家岡巴爾確認(rèn)與1772年、1805年出現(xiàn)的彗星為同一顆周期為6.6年的短周期彗星。1846年2月再次回歸，但就在過近日點前一個月左右，比拉彗星分裂成了2顆。此后兩個彗核之間的距離越拉越大。1859年，因為離太陽太近，無人發(fā)現(xiàn)它。到了1865年，天文學(xué)家期待看看這位老朋友長啥樣了，卻怎么也找不到了。到了1872年，人們依然沒能發(fā)現(xiàn)這顆彗星。然而，11月27日，地球穿越彗星軌道時，令人震驚的事情發(fā)生了，那天晚上，天上降下了一場真正的流星雨——有人一晚上數(shù)到了33400顆流星！據(jù)估計總數(shù)可能在16萬左右，它們都來自仙女座γ星附近。

由此，天文學(xué)家確認(rèn)了流星雨和彗星之間的關(guān)系。彗星回歸時會噴發(fā)大量的物質(zhì)散落在軌道上，只要地球經(jīng)過彗星軌道就有可能發(fā)生流星雨，所以來自同一區(qū)域的流星雨應(yīng)該每年都會有，而每隔一個彗星回歸年，就有可能來一波大的流星雨。但具體還要看地球到底經(jīng)過哪一團回歸物質(zhì)。

1846年的比拉彗星（來源：Wikipedia）

1872年11月27日比拉彗星造成的流星雨，此圖為手繪流星路徑，收藏于法國巴黎哈切特圖書館。（來源：Tufts University）

知識點 III：彗星的化學(xué)組成

直到19世紀(jì)分光學(xué)發(fā)展以后，才開始研究彗星的化學(xué)組織。彗核非常非常小，而且彗星氣體密度非常低，猶如薄云一樣，完全可以透過星光。彗星中發(fā)現(xiàn)了斯萬光譜，這種光譜可以在蠟燭等許多含碳的火焰中看見，現(xiàn)在我們知道是兩個碳原子組成的中性碳分子（C2）所造成的。1881年后，底片被制造出來，拍攝到的光譜就清晰多了，天文學(xué)家在彗星光譜中發(fā)現(xiàn)了一個碳原子和一個氮原子組成的中性CN分子。1910年哈雷彗星的回歸，5月18日地球穿過哈雷哈雷彗星的尾巴，當(dāng)時很多人害怕彗尾中有毒氣體侵入地球，事實證明那是杞人憂天。通過光譜分析，我們知道彗星中含有碳、氫、氧、氮等元素組成的離子態(tài)分子，這些分子在化學(xué)上不穩(wěn)定，叫做基，它們是被日光分解產(chǎn)生的，它們是彗核的組成部分。因此彗星里可能有水、氨、甲烷、氰、氮、一氧化碳、二氧化碳等。1986年哈雷彗星回歸時，前蘇聯(lián)、歐洲以及日本接連發(fā)射了5個探測器造訪哈雷彗星，證實了此前的推測，并探知彗核中水的含量占到總質(zhì)量的80%，比之前估計的要大的多?？紤]到彗核中還有塵埃、砂粒等，所以糅合在一起就好像是個“臟雪球”。

C/2001 Q4 (NEAT)彗星的光譜（來源：Società Astronomica G.V. Schiaparelli）

知識點 IV：彗尾的成因

目前還沒有一個非常完美的解釋，但有個“輻射壓”模型似乎挺有道理。當(dāng)一束光照射在物體上，那么在光的入射方向上會形成一種壓力，這就是輻射壓，這種壓力按光的強度增加，也隨物體垂直于光的面積成正比。絕大多數(shù)情況下，這種輻射壓可以說足夠薄弱完全可以忽略不計，如一個完全反光的物體在太空中置于陽光下，1平方米面積上所受陽光壓力只相當(dāng)于0.001克物體重力。這種力的作用方向與引力相反，所以相當(dāng)于斥力。萬有引力和日光斥力都是和距離的平方成反比的。如果一個物體長度縮小一倍，面積則縮小為1/2，體積則要縮小為1/8，換句話說，物體體積縮小的幅度要大于面積縮小的幅度，所以當(dāng)物體縮小到足夠小的時候，輻射壓就會成為不容忽視的一個作用。根據(jù)計算，如果水的質(zhì)點直徑等于1微米的時候，引力和斥力就能得到平衡。如果質(zhì)點再小的話，輻射壓就會超過萬有引力，這個微小的質(zhì)點在太陽光的推動下，就會脫離原本的物體了。有科學(xué)家計算說密度為1g/cm3，直徑為0.2微米的質(zhì)點，最大斥力可以等于引力的18倍。彗星上是被太陽電離的分子，很可能就是這樣被太陽光帶出來的。另外，彗星氣體中含有很多微塵，日光漫射的作用不容忽視，或許成為彗尾為何如此顯眼的重要原因。

知識點 V：彗星來源

彗星的軌道很特別，不同于太陽系其他天體，不符合同向性、近圓性、共面性這三個太陽系的行星運動的典型特征。由于許多彗星軌道都接近拋物線，因此天文學(xué)家猜測它們是不是來自同一地方。另一方面，彗星的組成以冰塊、微塵、細(xì)小的粒子為主，結(jié)構(gòu)相對松散，暗示它們來自遙遠(yuǎn)的太陽系外圍，還保留著比較原始的狀態(tài)。荷蘭天文學(xué)家奧爾特和范沃爾康分析了當(dāng)時一個世紀(jì)所觀測到的彗星受大行星影響的統(tǒng)計數(shù)據(jù)之后提出，最初的彗星距離太陽在遙遠(yuǎn)的5萬至20萬天文單位，它們是太陽系形成時殘留下來的物質(zhì)，分布在一個球形區(qū)域內(nèi)，所以會來自各個方向。他們推測，靠外的彗星會射到臨近恒星引力攝動已經(jīng)逃逸，現(xiàn)在我們看到的彗星都來自5萬至10萬，最多15萬天文單位的地方。這些彗星本身軌道同樣接近圓形，但是在太陽以及大行星引力的影響下，偶然改變了軌道進(jìn)入太陽系內(nèi)部區(qū)域。這種引力影響下走出拋物線軌道，越往里走，受到大行星的引力攝動越大，軌道才變成了橢圓。奧爾特認(rèn)為彗星倉庫中彗星總量可能是1000億顆，但總質(zhì)量可能還不到地球的1/10，大約只有十萬分之一的彗星是可以被我們看到的。這個彗星云的模型被稱為“奧爾特云”。雖然“奧爾特云”依然是個猜測，但有一點幾乎是確定的，那就是彗星肯定來自遙遠(yuǎn)的太陽系外圍，它們很可能保留著太陽系形成初期的原始信息，年齡可能比地球還大得多，是名副其實的太陽系活化石。