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阅读 9787 次 历史版本 5个 创建者:又是一年芳草绿 (2009/12/25 17:27:13)  最新编辑:momo (2014/11/6 9:11:21)
彗星
拼音:Huìxīng (Huixing)
英文:Comet
同义词条:扫帚星
  彗星,俗称“扫帚星”,以其拖着的长尾巴而得名,“彗”的本意就是帚。《说文》:“彗,埽竹也。”是一种天体,由太阳系外围行星形成后所剩余的物质(如冰冻的气体、冰块、尘埃)组成。彗星质量很小,只有地球质量的几千亿分之一,通常沿着扁平的轨道围绕太阳运行。绕行一周所需的时间由几年至几百万年不等。部分科学家认为研究彗星可能可以揭露生命源起的秘密。
彗星

  彗星是太阳系内的一种小天体,因其形态特奇而为人们瞩目。人类历史上第一个被观测到周期性围绕太阳的彗星是“哈雷彗星”。中国古人把彗星叫做“星孛”,《春秋》记载,鲁文公十四年(前613年)“秋七月,有星孛入于北斗”。这是世界上关于哈雷彗星的最早纪录。中国《晋书·天文志》载有:“彗星所谓扫星,本类星,末类彗,小者数寸,长或经天。彗星本无光,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。”准确的描述了彗星的形态。

  明亮的彗星并不多见。截止20世纪末,亮度超过金星的只有16次。按照通常定义,亮度能接近或超过亮行星的就是壮观的彗星了。实际上,彗星是很多的,据天文学家估计不下1000亿颗。

  除了离太阳很远时以外,彗星的长长的明亮稀疏的彗尾,在过去给人们这样的印象,即认为彗星很靠近地球,甚至就在我们的大气范围之内。1577年第谷指出当从地球上不同地点观察时,彗星并没有显出方位不同:因此他正确地得出它们必定很远的结论。

   每当彗星接近太阳时,它的亮度迅速地增强。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,与开普勒第一定律一致。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(1656一1742)在1705年认识到它是周期性的。它的周期是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观测到了。它最近一次是在1986年通过的。

彗星的发现和命名


 
彗星
 古代人偶然看到形貌奇怪的彗星出现,感到恐惧,看作灾祸的征兆,其实彗星出现只是一种自然现象,天文观测研究逐步揭开了彗星之谜。历史上有很多彗星出现的记录,以中国古书上的记录为最早和最多,有时记为孛星、星孛、妖星、异星、蓬星、长星等。《淮南子》中有“武王伐纣……彗星出”,据中国天文学家张钰哲推算,这是哈雷彗星在公元前1056年的回归,这是天文学对历史年代考证的重要贡献。

   西方人长期受亚里士多德的错误看法的影响,认为彗星是地球大气中的一种燃烧现象,甚至哥白尼也认为“希腊人所谓的彗星,诞生在高层大气”。直到16世纪末,第谷才首次观测证明1577年大彗星比月球远得多,我国早在《晋书天文志》就有“彗星无光,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。”古代只把彗星作为偶然出现的,直到17世纪,英国天文学家哈雷才计算彗星轨道,他发现1682、1607、1531年出现的彗星有相似的轨道,断言这是同一颗彗星的三次回归,并预言它在1758年底或1759年初会再次出现,虽然他逝世于1742年而未亲自见到,但这颗彗星果然在1759年出现了,为了纪念他,这颗彗星称为“哈雷彗星”。哈雷一生计算出24个彗星轨道。

   哈雷预言的应验激起人们去搜寻发现新彗星。按照国际惯例,新发现的彗星以最先发现者(至多三人,1994年后改为最多两人)命名。

   虽然肉眼见到的亮彗星很少,但现代望远镜每年平均可看到20一25颗彗星,其中约1/3是新发现的,业余目视发现2至3颗。已有观测记载的彗星有1800多颗,去掉重复回归的,仅有1600多颗。实际上,彗星只有运行到离我们较近时才被观测到,而它们远离太阳时就观测不到了,据统计估算太阳系有1012(万亿)1013(十万亿)颗彗星,它们绝大部分在太阳系外部。

命名规则


  在1995年前,彗星是依照每年的发现先后顺序以英文小写排列。如1994年发现第一颗彗星就是1994a,余此类推,经过一段时间观测,确定该彗星的轨道并修正后,就以该彗星过近日点的先后次序,以罗马数字Ⅰ、Ⅱ等排在年之后(这编号通常是该年结束后二年才能编好)。如舒梅克?利维九号彗星的编号为1993e和1994Ⅹ。

  除了编号外,彗星通常都是以发现者姓氏来命名,但一颗彗星最多只能冠以三个发现者的名字,舒梅克·利维九号彗星的英文名称为Shoemaker-Levy 9。

  由1995年起,国际天文联合会参考小行星的命名法则修改了彗星命名法[1],采用以半个月为单位,按英文字母顺序排列的新彗星编号法。以英文全部字母去掉I和Z不用,将剩下的24个字母依顺序,如1月份上半月为A、1月份下半月为B、余此类推至12月下半月为Y。其后再以1、2、3..等数字序号编排同一个半月内所发现的彗星。此外为方便识别彗星的状况,于编号前加上标记:

  A/ 可能为小行星
  P/ 确认回归1次以上的短周期彗星,P前面再加上周期彗星总表编号(如哈雷彗星为1P/1982 U1或简称1P亦可)
  C/ 长周期彗星(200年周期以上,如海尔·博普彗星为C/1995 O1)
  X/ 尚未算出轨道根数的彗星
  D/ 不再回归或可能已消失了的彗星(如舒梅克?利维九号彗星为D/ 1993 F2)
  
  附 S/ 新发现的行星之卫星

  如果彗星破碎,分裂成数个以上的彗核,则在编号后加上-A、-B..以区分每个彗核。回归彗星方面,如彗星再次被观测到回归时,则在P/(或可能是D/)前加上一个由IAU小行星中心给定的序号,以避免该彗星回归时重新标记。例如哈雷彗星有以下标记:1P/1682 Q1=1P/1910 A2=1P/1982 U1=1P/Halley=哈雷彗星。

  目前有五颗天体被同时列入小行星和彗星的名单中,分别为95P/开朗=(2060)开朗、107P/Wilson-Harrington=(4015)威尔逊-哈灵顿、133P/Elst-Pizarro=7968 Elst-Pizarro、174P/Echeclus=(60558)厄开克洛斯和176P/LINEAR=(118401) LINEAR。

彗星的性质


  彗星的性质目前还不能确切知道,科学家通过彗星的光谱猜测到它的一些性质:光谱分析表明彗星存在有OH、NH和NH2基团的气体,这很容易解释为最普通的元素C、N和O的稳定氢化合物,即CH4,NH3和H2O分解的结果,这些化合物冻结的冰可能是彗核的主要成分。
哈雷彗星的慧核

彗核


  虽然彗发的体积庞大、彗尾很长很大,但它们所含物质极其稀少,当彗发或彗尾掩星(掩星是彗星从其它星的前面经过而遮挡星光)时,星光减弱极其微小。彗星物质绝大部分集中于不大的固态彗核中,彗发和彗尾的物质归根结底来自彗核,因此彗核是彗星的本体。

  彗核有多大?从地球上望远镜中也难分辨彗核的大小。1927年,庞斯一温尼克(Pons一Winnecke)彗星接近地球到0.037天文单位时,望远镜也分辨不出其彗核大小,估计其彗核直径不超过1Km。从观测资料间接估算表明,大多数彗星的彗核直径在几百米到十几Km范围。有少数彗星的彗核直径可能较大,例如,估计掠日彗星族的原来母彗星的彗核直径达50Km,Schwassmann一Washmann的彗核直径为20Km,(2060)chiron的彗核直径为90Km(早先认为是小行星,现倾向认为它是彗星)。

  彗核是什么形状的?这更难观测。过去一般认为彗核是球形的。现在有些证据说明彗核常常不是球形,更可能是近似于三轴比为2:1:1的扁球。最可靠的是飞船莅临哈雷彗星的一系列摄像揭示其彗核的真面目,它大致是三轴16×8×8公里的扁球,更像是扁花生,其表面崎岖不整,有几个浅坑(直径约1公里),及丘、谷,表层复盖不均匀的暗尘,反照率很低(0.02一0.04),暗黑如煤,而并不象过去认为的像冰雪那样亮。

  彗核(也代表彗星)的质量有多少?这也很难测准。从有关观测资料推算,彗核质量一般在1013一1019克范围,也有多到1020一1022克及少到1010一1011克的。哈雷彗星的质量为1.5×1017克。

  彗核的物质成分和内部结构又是怎样的呢?目前还不很清楚。从彗核的质量和大小,可以初步算出它的平均密度,如,哈雷彗星的平均密度约0.3克/立方厘米,这比预想的H2O冰一尘混合的固体密度(约1克/cm3)小,说明彗核内部是多空隙的。根据彗星光谱及飞船对哈雷彗发中尘粒探测,从这些来自核的物质推知,彗核主要由冰物质(水冰、二氧化碳冰等)和尘埃物质组成,其中最多的成分是水,估计彗核中除了氢等少数化学元素贫乏外,其余元素的相对含量(丰度)基本上跟太阳及宇宙的丰度相同。

  过去曾很长时间争论彗核是松散的固态颗粒集合(沙砾模型)、还是整个实体冰块(致密核模型)的问题,1950年,惠普尔提出彗核是冰和尘冻结的“冰冻团块模型(Ice conglomerate model)”,或俗称“脏雪球”,它完满地解释了很多观测事实。以后这一模型又被作了不少发展,有人认为彗核内部还有类似于行星内部的核、慢、壳结构,有人认为彗核内部较均匀。从彗核分裂的亚核大致有同样光谱特征等观测事实,可以认为彗核在大尺度上平均是较均匀的,但小尺度上可能不均匀,而彗核表层(即壳),则不同于内部,这是由于表层受宇宙线高能粒子轰击及蒸发与化学反应等过程而发生了改变,形成了象沥青之类的暗色有机物质,而且彗核表面各区域很不均匀。

  从近核现象也可以推求彗核的一些性质。很多彗星的近核现象是不对称的,其重要原因是彗核有自转和其表层不均匀。由近核现象已推求约50颗彗星的自转周期,有的还算出了自转轴的空间的方向,彗星自转周期有小于5小时的,也有长达几天的,平均约15小时,而自转轴方向是随机分布的。彗核表面复盖暗尘,其导热率很小,因而彗核内部可以保持很冷而并不融化。彗核表层不均匀,某些小区域(活动区)更常排出物质,形成喷流等近核现象。

彗发


  彗发的光谱特征是连续光谱背景上有许多分子、原子、和离子的发射谱线或谱带,说明彗发是由尘埃(散射太阳光而呈连续光谱)和一些分子、原子、离子(发射线或谱带)组成的。彗发中有以下成分:H、C、C2、C3、O、S、Na、K、Ca、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、OH、CN、CO、CS、S2、NH、NH2、H2O、H2S、CH4、HCN、CH3CN、CS+、SO+、HCO+、CH3OH、H2CO、C+、Ca+、H2+、OH+、CH+、CO+、N2+、H3O+、S+、HCO2+、HCN+、C2Hn+及硅酸盐尘等。

  彗发亮度自内向外减弱,说明物质密度是内密外稀的。如前面所述,彗发的大小和亮度随着离太阳远近而变化。各种成分在彗发中的分布情况也不同,用透过某一成分发射带的窄带滤光片或光谱的观测可以了解该成分在彗发中的分布,用CN(氰)彗发,OH(羟基)彗发、H彗发(即氢云)、尘埃彗发等术语表示。CN彗发的典型大小可达百万公里、C2彗发可达几十万公里,OH彗发和C3彗发一般达几万公里,氢云可达千万公里。各种气体成分向外流动的速度为每秒几百米到几Km。在彗星离太阳1天文单位时,物质(向外)流失率约每秒105一107克。彗发中的许多分子、原子及离子往往不是从彗核表面蒸发出来的原来成份(母分子),而是母分子被太阳辐射离解或电离的子分子。例如,母分子H2O离解为OH和H,CO2电离为CO2+等。
彗尾因受到以高速的高能粒子为主的太阳风吹袭,其运动方向总是背离太阳。而彗尾又分为两部分

彗尾


  彗尾的光谱观测分析表明,尘埃彗尾主要由尘粒组成,常称作“彗星尘”,尘粒大小从十分之几到上百微米。彗星尘不仅受太阳的引力作用(受彗核的引力极微小),而且还受太阳辐射压力(光压)的推斥作用,斥力Fr与引力Fg的大小之比为Fr/Fg=5.7×10-5/(ap),其中a与p分别为尘粒半径和密度,Fr/Fg值可达2.2,因此,尘粒北向太阳运动,再加上尘粒原来随彗核绕太阳公转的运动,不同时间离开彗核的尘粒就形成弯曲的尘埃彗尾,尘粒愈大,表现为尘埃彗尾更弯曲。

  等离子体彗尾由多种气体离子组成其中最多的是CO+,其次是H2O+。等离子体彗尾长直,表明离子受到的斥力更大(斥力为太阳引力的几十倍到100倍以上),这是太阳风(从太阳出来的高速等到离子体流)及其磁场作用于彗星离子而产生的斥力。太阳风及其磁场的变化导致等离子体彗尾出现射线、扭折、云团、螺旋波及断尾等现象。
  

彗星族


   约2/3的短同期彗星的远日距小于7天文单位,即它们在远日点时临近木星轨道,称它们为“木星族彗星”。一般认为,近抛物线(偏心率e约等于1)轨道的彗星接近木星时,因受木星引力摄动大,其轨道改变而被俘获为短周期彗星。典型例子是Brooks(1889V)彗星,它接近木星后,公转周期从约29年变为7年。此外,还有些彗星的远日距靠近土星、天王星、海王星轨道,分别称作“土星族彗星”、“天王星族彗星”、“海王星族彗星”,但数目少,是否来自“俘获”尚有疑问。
  

彗星群


   除了过近日点时刻不同之外,其余五个轨道要素都很接近的一些彗星称为“彗星群”。已确认出10个彗星群,各群的彗星数目有多有少。有一种看法认为,同群的彗星是由一颗大彗星分裂出来的。确实观测到一些彗星分裂的事例。最著名的是“掠日彗星群”,至少有16颗彗星,其近日距小于0.01天文单位,可以穿越日冕,其中池谷一关彗星(1965VIII)在1965年10月20日过近日点后两星期内分裂为三颗。1993由休梅克夫妇(E.Shoemaker,C.Shoemaker)和(D.Levy)发现的Shoemaker一Levy9彗星在1992年7月接近木星时可能发生多次分裂,1993年先观测到5个子彗核,后增至11、17直到21个子彗核,在照片上排列成一串,成为“天空中的项链”。
  

彗核模型


  1949年,美国天文学家惠普尔提出彗核的“脏雪球模型”,提出彗核是由冰和尘埃冻结在一起的团块,并认为彗核的主要化学成分是氧、碳、氢、硫、碳氢基、氨基、水、一氧化碳、二氧化碳等。

  该模型是,当彗星运行到太阳附近的时候,阳光照射使得彗星表面的冰升华为气体,并形成尘埃彗尾。电离的气体在太阳风的作用下,形成电离子体彗尾。因为彗星只是表面受到蒸发,因彗星的寿命都很长。例如哈雷彗星已经存在了数千年。彗核也有自转运动。

  1986年对哈雷彗星的空间探测证明脏雪球模型是正确的。
  

彗星起源假说


  目前最流行的彗星假说有两种。

  一种是荷兰天文学家奥尔特提出的。他认为原始的彗星冰核集中在距离太阳2万至15万天文单位的区域中,这个区域又被称为“奥尔特云”,云内大约有200亿颗原始彗星。这些彗星都属于太阳系。

  另一种是美国天文学家柯伊伯预言的“柯伊伯带”,从距离太阳40天文单位到数百天文单位。轨道近似于圆形,和黄道面的倾角也不大。这些原始彗星是太阳系星云中形成的原始冰体残留下来的。

    近年新发现的冥外天体1992 QB1和1993FW应是柯伊伯带内边界区的彗星(尽管现在以小行星方式命名),而离太阳32至35天文单位的1993 RO、1993 RP、1993SB、1993SC可能是从柯伊伯带摄动出来、处在向短周期演变的天体。柯伊伯带从离太阳40天文单位外延到几百天文单位(其外界尚不知道),估计此带中的彗星有上万颗,它们是太阳系形成时期的原始冰体残留下来的,这些彗星保存着太阳系原始物质的信息。欧洲空间局在2003年发射罗赛塔(Rosetta)飞船会合由柯伊伯带来的短周期彗星,揭示彗星性质及太阳系形成的奥秘。

       虽然说彗星起源已经有假说,但是这个问题仍然是人们争论的焦点。

轨道特性


  彗星和太阳系中的其他天体一样,都是在太阳引力作用下绕日运行的,轨道是圆锥曲线,太阳位于曲线的一个焦点上。如果偏心率小于1,轨道是椭圆形的;如果偏心率等于1,轨道是抛物线;如果偏心率大于一,轨道是双曲线。如果轨道是椭圆形的,那么它便是一颗周期彗星。周期短于200年的称为“短周期彗星”,长于200年的称为“长周期彗星”。轨道是抛物线或者双曲线的彗星,只能接近太阳一次,永不复返,称为“非周期彗星”。

  除了太阳引力外,影响彗星运动的还有来自各个行星的引力,其中影响最显著的就是木星。它有时会缩短一颗彗星的运动周期,有时会延长一颗彗星的运动周期,有时会改变彗星轨道,从而使得周期彗星变成非周期彗星,反过来也一样。周期3-10年,远日点在木星轨道附近的彗星称为木星族彗星。这类彗星很多。除此之外,还有土星族、天王星族、海王星族、冥王星族以及冥外彗星族。除了以上几族彗星以外,还有掠日彗星族。掠日彗星就是离太阳很近的彗星。最著名的掠日彗星族是克鲁兹掠日彗星族,此外,还有梅耶彗星族、马斯登彗星族等等。

  彗星轨道多数是抛物线 ,少数是极为狭长的椭圆或双曲线,具有椭圆轨道的彗星,周期性地在太阳附近出现。彗星依照轨道周期的长短区分为短周期彗星与长周期彗星两种(见周期彗星列表),只要周期少于200年者为短周期彗星,反之则为长周期彗星。短周期彗星的轨道大多与黄道面同一平面,而长周期彗星的轨道可以和黄道面成任何夹角,比如百武彗星的夹角约为124度。而抛物线或双曲线轨道的彗星则被称为非周期彗星。它们只接近太阳一次。

  彗星的轨道还可能会受到行星引力的影响,改变原来轨道的形状,尤其是通过行星轨道,非常接近行星的时候。如果由于行星的影响,而使彗星速度加快,则有可能使彗星脱离太阳系;当速度减慢时,长周期彗星可能会变成短周期彗星;非周期彗星甚至被捕获,成为周期彗星。

  也正是由于彗星轨道的奇异特性,致使天文学家一直在争论他是否是太阳系的一员。

彗星的物理——化学过程


  综合彗星的观测研究结果,彗星尘埃和气体的特征,彗星的各种形态与现象一方面取决于彗星本身的性质,另一方面又跟太阳辐射和太阳风的作用有关。当以H2O冰为主要成分的彗核被太阳辐射照射,它反射掉一部分太阳辐射能。彗核吸收的太阳辐射能用于加热与蒸发彗核表层以及转化为(红外)热辐射。当彗星走到离太阳约2天文单位时,彗核表面的温度达200K,H2O冰升华更有效,并引出尘粒和冰粒,从而彗发开始发展。从彗核出来的是“母分子”,(H2O、HCN、CO2等),它们被太阳辐射离解(“光致离解”)或发生化学反应,生成“子分子”,例如H2O离解为H+OH。彗星的子分子常常是地球条件下(空气密度比彗发中大得多)不稳定的“基”分子(如:OH,CN,CH,NH3等),这些分子被太阳辐射作用而激发,发出荧光辐射,表现为彗星光谱发射谱线或谱电离、或化学反应、或跟太阳风离子发生电荷交换反应,生成彗星离子。如:CO2电离为CO++O+e(电子)、CO+与H2O反应生成H2O+和CO,e(电子)与CO2反应生成CO+、O和2e等。这些彗星气体跟太阳风及其磁场相互作用,在朝太阳一侧形成类似于行星磁层式的结构,离彗核105一106公里处有弓形激波面,离彗核103一104公里处有间断面(其内是纯彗星气体,其外是太阳风与彗星气体混合一载质太阳风)。太阳风磁场的磁力线被彗星阻碍,向彗尾方向悬挂与折叠,推斥彗星离子往背太阳方向运动,形成等离子体彗尾以及其射线、尾结、波、断尾等现象。

  随气体从彗核出来的尘粒形成尘粒彗发。彗星尘散射太阳光,也发射连续的红外辐射及波长10微米、18微米的硅酸盐特征。太阳辐射压力把尘粒推斥,形成尘埃彗尾。彗星尘也会被太阳辐射离解而生成分子及原子。实际上,彗星物理一化学过程远比这要复杂得多。

对人类文化的影响


  彗星奇特的形态,加上偶尔才能看到,古代许多地区的人们都把它视作上天的一种征兆。在中国古代,人们把它看作灾祸降临的不祥之兆,称之为“灾星”。欧洲曾经把它当作上帝给予的预示。钱钟书说:“古人每借天变以谏诫帝王”,“以彗星为‘天教’、荧惑为‘天罚’”,“然君主复即以此道还治臣工,有灾异则谴咎公卿”。


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