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          閱讀 12759 次 歷史版本 5個 創建者:又是一年芳草綠 (2009/12/25 17:27:13)  最新編輯:momo (2014/11/6 9:11:21)
          彗星
          拼音:Huìxīng (Huixing)
          英文:Comet
          同義詞條:掃帚星
            彗星,俗稱“掃帚星”,以其拖著的長尾巴而得名,“彗”的本意就是帚。《說文》:“彗,埽竹也。”是一種天體,由太陽系外圍行星形成后所剩余的物質(如冰凍的氣體、冰塊、塵埃)組成。彗星質量很小,只有地球質量的幾千億分之一,通常沿著扁平的軌道圍繞太陽運行。繞行一周所需的時間由幾年至幾百萬年不等。部分科學家認為研究彗星可能可以揭露生命源起的秘密。
          彗星

            彗星是太陽系內的一種小天體,因其形態特奇而為人們矚目。人類歷史上第一個被觀測到周期性圍繞太陽的彗星是“哈雷彗星”。中國古人把彗星叫做“星孛”,《春秋》記載,魯文公十四年(前613年)“秋七月,有星孛入于北斗”。這是世界上關于哈雷彗星的最早紀錄。中國《晉書·天文志》載有:“彗星所謂掃星,本類星,末類彗,小者數寸,長或經天。彗星本無光,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。”準確的描述了彗星的形態。

            明亮的彗星并不多見。截止20世紀末,亮度超過金星的只有16次。按照通常定義,亮度能接近或超過亮行星的就是壯觀的彗星了。實際上,彗星是很多的,據天文學家估計不下1000億顆。

            除了離太陽很遠時以外,彗星的長長的明亮稀疏的彗尾,在過去給人們這樣的印象,即認為彗星很靠近地球,甚至就在我們的大氣范圍之內。1577年第谷指出當從地球上不同地點觀察時,彗星并沒有顯出方位不同:因此他正確地得出它們必定很遠的結論。

             每當彗星接近太陽時,它的亮度迅速地增強。對離太陽相當遠的彗星的觀察表明它們沿著被高度拉長的橢圓運動,而且太陽是在這橢圓的一個焦點上,與開普勒第一定律一致。彗星大部分的時間運行在離太陽很遠的地方,在那里它們是看不見的。只有當它們接近太陽時才能見到。

             大約有40顆彗星公轉周期相當短(小于100年),因此它們作為同一顆天體會相繼出現。歷史上第一個被觀測到相繼出現的同一天體是哈雷彗星,牛頓的朋友和捐助人哈雷(1656一1742)在1705年認識到它是周期性的。它的周期是76年。歷史記錄表明自從公元前240年也可能自公元前466年來,它每次通過太陽時都被觀測到了。它最近一次是在1986年通過的。

          彗星的發現和命名


           
          彗星
           古代人偶然看到形貌奇怪的彗星出現,感到恐懼,看作災禍的征兆,其實彗星出現只是一種自然現象,天文觀測研究逐步揭開了彗星之謎。歷史上有很多彗星出現的記錄,以中國古書上的記錄為最早和最多,有時記為孛星、星孛、妖星、異星、蓬星、長星等。《淮南子》中有“武王伐紂……彗星出”,據中國天文學家張鈺哲推算,這是哈雷彗星在公元前1056年的回歸,這是天文學對歷史年代考證的重要貢獻。

             西方人長期受亞里士多德的錯誤看法的影響,認為彗星是地球大氣中的一種燃燒現象,甚至哥白尼也認為“希臘人所謂的彗星,誕生在高層大氣”。直到16世紀末,第谷才首次觀測證明1577年大彗星比月球遠得多,我國早在《晉書天文志》就有“彗星無光,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。”古代只把彗星作為偶然出現的,直到17世紀,英國天文學家哈雷才計算彗星軌道,他發現1682、1607、1531年出現的彗星有相似的軌道,斷言這是同一顆彗星的三次回歸,并預言它在1758年底或1759年初會再次出現,雖然他逝世于1742年而未親自見到,但這顆彗星果然在1759年出現了,為了紀念他,這顆彗星稱為“哈雷彗星”。哈雷一生計算出24個彗星軌道。

             哈雷預言的應驗激起人們去搜尋發現新彗星。按照國際慣例,新發現的彗星以最先發現者(至多三人,1994年后改為最多兩人)命名。

             雖然肉眼見到的亮彗星很少,但現代望遠鏡每年平均可看到20一25顆彗星,其中約1/3是新發現的,業余目視發現2至3顆。已有觀測記載的彗星有1800多顆,去掉重復回歸的,僅有1600多顆。實際上,彗星只有運行到離我們較近時才被觀測到,而它們遠離太陽時就觀測不到了,據統計估算太陽系有1012(萬億)1013(十萬億)顆彗星,它們絕大部分在太陽系外部。

          命名規則


            在1995年前,彗星是依照每年的發現先后順序以英文小寫排列。如1994年發現第一顆彗星就是1994a,余此類推,經過一段時間觀測,確定該彗星的軌道并修正后,就以該彗星過近日點的先后次序,以羅馬數字Ⅰ、Ⅱ等排在年之后(這編號通常是該年結束后二年才能編好)。如舒梅克?利維九號彗星的編號為1993e和1994Ⅹ。

            除了編號外,彗星通常都是以發現者姓氏來命名,但一顆彗星最多只能冠以三個發現者的名字,舒梅克·利維九號彗星的英文名稱為Shoemaker-Levy 9。

            由1995年起,國際天文聯合會參考小行星的命名法則修改了彗星命名法[1],采用以半個月為單位,按英文字母順序排列的新彗星編號法。以英文全部字母去掉I和Z不用,將剩下的24個字母依順序,如1月份上半月為A、1月份下半月為B、余此類推至12月下半月為Y。其后再以1、2、3..等數字序號編排同一個半月內所發現的彗星。此外為方便識別彗星的狀況,于編號前加上標記:

            A/ 可能為小行星
            P/ 確認回歸1次以上的短周期彗星,P前面再加上周期彗星總表編號(如哈雷彗星為1P/1982 U1或簡稱1P亦可)
            C/ 長周期彗星(200年周期以上,如海爾·博普彗星為C/1995 O1)
            X/ 尚未算出軌道根數的彗星
            D/ 不再回歸或可能已消失了的彗星(如舒梅克?利維九號彗星為D/ 1993 F2)
            
            附 S/ 新發現的行星之衛星

            如果彗星破碎,分裂成數個以上的彗核,則在編號后加上-A、-B..以區分每個彗核。回歸彗星方面,如彗星再次被觀測到回歸時,則在P/(或可能是D/)前加上一個由IAU小行星中心給定的序號,以避免該彗星回歸時重新標記。例如哈雷彗星有以下標記:1P/1682 Q1=1P/1910 A2=1P/1982 U1=1P/Halley=哈雷彗星。

            目前有五顆天體被同時列入小行星和彗星的名單中,分別為95P/開朗=(2060)開朗、107P/Wilson-Harrington=(4015)威爾遜-哈靈頓、133P/Elst-Pizarro=7968 Elst-Pizarro、174P/Echeclus=(60558)厄開克洛斯和176P/LINEAR=(118401) LINEAR。

          彗星的性質


            彗星的性質目前還不能確切知道,科學家通過彗星的光譜猜測到它的一些性質:光譜分析表明彗星存在有OH、NH和NH2基團的氣體,這很容易解釋為最普通的元素C、N和O的穩定氫化合物,即CH4,NH3和H2O分解的結果,這些化合物凍結的冰可能是彗核的主要成分。
          哈雷彗星的慧核

          彗核


            雖然彗發的體積龐大、彗尾很長很大,但它們所含物質極其稀少,當彗發或彗尾掩星(掩星是彗星從其它星的前面經過而遮擋星光)時,星光減弱極其微小。彗星物質絕大部分集中于不大的固態彗核中,彗發和彗尾的物質歸根結底來自彗核,因此彗核是彗星的本體。

            彗核有多大?從地球上望遠鏡中也難分辨彗核的大小。1927年,龐斯一溫尼克(Pons一Winnecke)彗星接近地球到0.037天文單位時,望遠鏡也分辨不出其彗核大小,估計其彗核直徑不超過1Km。從觀測資料間接估算表明,大多數彗星的彗核直徑在幾百米到十幾Km范圍。有少數彗星的彗核直徑可能較大,例如,估計掠日彗星族的原來母彗星的彗核直徑達50Km,Schwassmann一Washmann的彗核直徑為20Km,(2060)chiron的彗核直徑為90Km(早先認為是小行星,現傾向認為它是彗星)。

            彗核是什么形狀的?這更難觀測。過去一般認為彗核是球形的。現在有些證據說明彗核常常不是球形,更可能是近似于三軸比為2:1:1的扁球。最可靠的是飛船蒞臨哈雷彗星的一系列攝像揭示其彗核的真面目,它大致是三軸16×8×8公里的扁球,更像是扁花生,其表面崎嶇不整,有幾個淺坑(直徑約1公里),及丘、谷,表層復蓋不均勻的暗塵,反照率很低(0.02一0.04),暗黑如煤,而并不象過去認為的像冰雪那樣亮。

            彗核(也代表彗星)的質量有多少?這也很難測準。從有關觀測資料推算,彗核質量一般在1013一1019克范圍,也有多到1020一1022克及少到1010一1011克的。哈雷彗星的質量為1.5×1017克。

            彗核的物質成分和內部結構又是怎樣的呢?目前還不很清楚。從彗核的質量和大小,可以初步算出它的平均密度,如,哈雷彗星的平均密度約0.3克/立方厘米,這比預想的H2O冰一塵混合的固體密度(約1克/cm3)小,說明彗核內部是多空隙的。根據彗星光譜及飛船對哈雷彗發中塵粒探測,從這些來自核的物質推知,彗核主要由冰物質(水冰、二氧化碳冰等)和塵埃物質組成,其中最多的成分是水,估計彗核中除了氫等少數化學元素貧乏外,其余元素的相對含量(豐度)基本上跟太陽及宇宙的豐度相同。

            過去曾很長時間爭論彗核是松散的固態顆粒集合(沙礫模型)、還是整個實體冰塊(致密核模型)的問題,1950年,惠普爾提出彗核是冰和塵凍結的“冰凍團塊模型(Ice conglomerate model)”,或俗稱“臟雪球”,它完滿地解釋了很多觀測事實。以后這一模型又被作了不少發展,有人認為彗核內部還有類似于行星內部的核、慢、殼結構,有人認為彗核內部較均勻。從彗核分裂的亞核大致有同樣光譜特征等觀測事實,可以認為彗核在大尺度上平均是較均勻的,但小尺度上可能不均勻,而彗核表層(即殼),則不同于內部,這是由于表層受宇宙線高能粒子轟擊及蒸發與化學反應等過程而發生了改變,形成了象瀝青之類的暗色有機物質,而且彗核表面各區域很不均勻。

            從近核現象也可以推求彗核的一些性質。很多彗星的近核現象是不對稱的,其重要原因是彗核有自轉和其表層不均勻。由近核現象已推求約50顆彗星的自轉周期,有的還算出了自轉軸的空間的方向,彗星自轉周期有小于5小時的,也有長達幾天的,平均約15小時,而自轉軸方向是隨機分布的。彗核表面復蓋暗塵,其導熱率很小,因而彗核內部可以保持很冷而并不融化。彗核表層不均勻,某些小區域(活動區)更常排出物質,形成噴流等近核現象。

          彗發


            彗發的光譜特征是連續光譜背景上有許多分子、原子、和離子的發射譜線或譜帶,說明彗發是由塵埃(散射太陽光而呈連續光譜)和一些分子、原子、離子(發射線或譜帶)組成的。彗發中有以下成分: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+及硅酸鹽塵等。

            彗發亮度自內向外減弱,說明物質密度是內密外稀的。如前面所述,彗發的大小和亮度隨著離太陽遠近而變化。各種成分在彗發中的分布情況也不同,用透過某一成分發射帶的窄帶濾光片或光譜的觀測可以了解該成分在彗發中的分布,用CN(氰)彗發,OH(羥基)彗發、H彗發(即氫云)、塵埃彗發等術語表示。CN彗發的典型大小可達百萬公里、C2彗發可達幾十萬公里,OH彗發和C3彗發一般達幾萬公里,氫云可達千萬公里。各種氣體成分向外流動的速度為每秒幾百米到幾Km。在彗星離太陽1天文單位時,物質(向外)流失率約每秒105一107克。彗發中的許多分子、原子及離子往往不是從彗核表面蒸發出來的原來成份(母分子),而是母分子被太陽輻射離解或電離的子分子。例如,母分子H2O離解為OH和H,CO2電離為CO2+等。
          彗尾因受到以高速的高能粒子為主的太陽風吹襲,其運動方向總是背離太陽。而彗尾又分為兩部分

          彗尾


            彗尾的光譜觀測分析表明,塵埃彗尾主要由塵粒組成,常稱作“彗星塵”,塵粒大小從十分之幾到上百微米。彗星塵不僅受太陽的引力作用(受彗核的引力極微小),而且還受太陽輻射壓力(光壓)的推斥作用,斥力Fr與引力Fg的大小之比為Fr/Fg=5.7×10-5/(ap),其中a與p分別為塵粒半徑和密度,Fr/Fg值可達2.2,因此,塵粒北向太陽運動,再加上塵粒原來隨彗核繞太陽公轉的運動,不同時間離開彗核的塵粒就形成彎曲的塵埃彗尾,塵粒愈大,表現為塵埃彗尾更彎曲。

            等離子體彗尾由多種氣體離子組成其中最多的是CO+,其次是H2O+。等離子體彗尾長直,表明離子受到的斥力更大(斥力為太陽引力的幾十倍到100倍以上),這是太陽風(從太陽出來的高速等到離子體流)及其磁場作用于彗星離子而產生的斥力。太陽風及其磁場的變化導致等離子體彗尾出現射線、扭折、云團、螺旋波及斷尾等現象。
            

          彗星族


             約2/3的短同期彗星的遠日距小于7天文單位,即它們在遠日點時臨近木星軌道,稱它們為“木星族彗星”。一般認為,近拋物線(偏心率e約等于1)軌道的彗星接近木星時,因受木星引力攝動大,其軌道改變而被俘獲為短周期彗星。典型例子是Brooks(1889V)彗星,它接近木星后,公轉周期從約29年變為7年。此外,還有些彗星的遠日距靠近土星、天王星、海王星軌道,分別稱作“土星族彗星”、“天王星族彗星”、“海王星族彗星”,但數目少,是否來自“俘獲”尚有疑問。
            

          彗星群


             除了過近日點時刻不同之外,其余五個軌道要素都很接近的一些彗星稱為“彗星群”。已確認出10個彗星群,各群的彗星數目有多有少。有一種看法認為,同群的彗星是由一顆大彗星分裂出來的。確實觀測到一些彗星分裂的事例。最著名的是“掠日彗星群”,至少有16顆彗星,其近日距小于0.01天文單位,可以穿越日冕,其中池谷一關彗星(1965VIII)在1965年10月20日過近日點后兩星期內分裂為三顆。1993由休梅克夫婦(E.Shoemaker,C.Shoemaker)和(D.Levy)發現的Shoemaker一Levy9彗星在1992年7月接近木星時可能發生多次分裂,1993年先觀測到5個子彗核,后增至11、17直到21個子彗核,在照片上排列成一串,成為“天空中的項鏈”。
            

          彗核模型


            1949年,美國天文學家惠普爾提出彗核的“臟雪球模型”,提出彗核是由冰和塵埃凍結在一起的團塊,并認為彗核的主要化學成分是氧、碳、氫、硫、碳氫基、氨基、水、一氧化碳、二氧化碳等。

            該模型是,當彗星運行到太陽附近的時候,陽光照射使得彗星表面的冰升華為氣體,并形成塵埃彗尾。電離的氣體在太陽風的作用下,形成電離子體彗尾。因為彗星只是表面受到蒸發,因彗星的壽命都很長。例如哈雷彗星已經存在了數千年。彗核也有自轉運動。

            1986年對哈雷彗星的空間探測證明臟雪球模型是正確的。
            

          彗星起源假說


            目前最流行的彗星假說有兩種。

            一種是荷蘭天文學家奧爾特提出的。他認為原始的彗星冰核集中在距離太陽2萬至15萬天文單位的區域中,這個區域又被稱為“奧爾特云”,云內大約有200億顆原始彗星。這些彗星都屬于太陽系。

            另一種是美國天文學家柯伊伯預言的“柯伊伯帶”,從距離太陽40天文單位到數百天文單位。軌道近似于圓形,和黃道面的傾角也不大。這些原始彗星是太陽系星云中形成的原始冰體殘留下來的。

              近年新發現的冥外天體1992 QB1和1993FW應是柯伊伯帶內邊界區的彗星(盡管現在以小行星方式命名),而離太陽32至35天文單位的1993 RO、1993 RP、1993SB、1993SC可能是從柯伊伯帶攝動出來、處在向短周期演變的天體。柯伊伯帶從離太陽40天文單位外延到幾百天文單位(其外界尚不知道),估計此帶中的彗星有上萬顆,它們是太陽系形成時期的原始冰體殘留下來的,這些彗星保存著太陽系原始物質的信息。歐洲空間局在2003年發射羅賽塔(Rosetta)飛船會合由柯伊伯帶來的短周期彗星,揭示彗星性質及太陽系形成的奧秘。

                 雖然說彗星起源已經有假說,但是這個問題仍然是人們爭論的焦點。

          軌道特性


            彗星和太陽系中的其他天體一樣,都是在太陽引力作用下繞日運行的,軌道是圓錐曲線,太陽位于曲線的一個焦點上。如果偏心率小于1,軌道是橢圓形的;如果偏心率等于1,軌道是拋物線;如果偏心率大于一,軌道是雙曲線。如果軌道是橢圓形的,那么它便是一顆周期彗星。周期短于200年的稱為“短周期彗星”,長于200年的稱為“長周期彗星”。軌道是拋物線或者雙曲線的彗星,只能接近太陽一次,永不復返,稱為“非周期彗星”。

            除了太陽引力外,影響彗星運動的還有來自各個行星的引力,其中影響最顯著的就是木星。它有時會縮短一顆彗星的運動周期,有時會延長一顆彗星的運動周期,有時會改變彗星軌道,從而使得周期彗星變成非周期彗星,反過來也一樣。周期3-10年,遠日點在木星軌道附近的彗星稱為木星族彗星。這類彗星很多。除此之外,還有土星族、天王星族、海王星族、冥王星族以及冥外彗星族。除了以上幾族彗星以外,還有掠日彗星族。掠日彗星就是離太陽很近的彗星。最著名的掠日彗星族是克魯茲掠日彗星族,此外,還有梅耶彗星族、馬斯登彗星族等等。

            彗星軌道多數是拋物線 ,少數是極為狹長的橢圓或雙曲線,具有橢圓軌道的彗星,周期性地在太陽附近出現。彗星依照軌道周期的長短區分為短周期彗星與長周期彗星兩種(見周期彗星列表),只要周期少于200年者為短周期彗星,反之則為長周期彗星。短周期彗星的軌道大多與黃道面同一平面,而長周期彗星的軌道可以和黃道面成任何夾角,比如百武彗星的夾角約為124度。而拋物線或雙曲線軌道的彗星則被稱為非周期彗星。它們只接近太陽一次。

            彗星的軌道還可能會受到行星引力的影響,改變原來軌道的形狀,尤其是通過行星軌道,非常接近行星的時候。如果由于行星的影響,而使彗星速度加快,則有可能使彗星脫離太陽系;當速度減慢時,長周期彗星可能會變成短周期彗星;非周期彗星甚至被捕獲,成為周期彗星。

            也正是由于彗星軌道的奇異特性,致使天文學家一直在爭論他是否是太陽系的一員。

          彗星的物理——化學過程


            綜合彗星的觀測研究結果,彗星塵埃和氣體的特征,彗星的各種形態與現象一方面取決于彗星本身的性質,另一方面又跟太陽輻射和太陽風的作用有關。當以H2O冰為主要成分的彗核被太陽輻射照射,它反射掉一部分太陽輻射能。彗核吸收的太陽輻射能用于加熱與蒸發彗核表層以及轉化為(紅外)熱輻射。當彗星走到離太陽約2天文單位時,彗核表面的溫度達200K,H2O冰升華更有效,并引出塵粒和冰粒,從而彗發開始發展。從彗核出來的是“母分子”,(H2O、HCN、CO2等),它們被太陽輻射離解(“光致離解”)或發生化學反應,生成“子分子”,例如H2O離解為H+OH。彗星的子分子常常是地球條件下(空氣密度比彗發中大得多)不穩定的“基”分子(如:OH,CN,CH,NH3等),這些分子被太陽輻射作用而激發,發出熒光輻射,表現為彗星光譜發射譜線或譜電離、或化學反應、或跟太陽風離子發生電荷交換反應,生成彗星離子。如:CO2電離為CO++O+e(電子)、CO+與H2O反應生成H2O+和CO,e(電子)與CO2反應生成CO+、O和2e等。這些彗星氣體跟太陽風及其磁場相互作用,在朝太陽一側形成類似于行星磁層式的結構,離彗核105一106公里處有弓形激波面,離彗核103一104公里處有間斷面(其內是純彗星氣體,其外是太陽風與彗星氣體混合一載質太陽風)。太陽風磁場的磁力線被彗星阻礙,向彗尾方向懸掛與折疊,推斥彗星離子往背太陽方向運動,形成等離子體彗尾以及其射線、尾結、波、斷尾等現象。

            隨氣體從彗核出來的塵粒形成塵粒彗發。彗星塵散射太陽光,也發射連續的紅外輻射及波長10微米、18微米的硅酸鹽特征。太陽輻射壓力把塵粒推斥,形成塵埃彗尾。彗星塵也會被太陽輻射離解而生成分子及原子。實際上,彗星物理一化學過程遠比這要復雜得多。

          對人類文化的影響


            彗星奇特的形態,加上偶爾才能看到,古代許多地區的人們都把它視作上天的一種征兆。在中國古代,人們把它看作災禍降臨的不祥之兆,稱之為“災星”。歐洲曾經把它當作上帝給予的預示。錢鐘書說:“古人每借天變以諫誡帝王”,“以彗星為‘天教’、熒惑為‘天罰’”,“然君主復即以此道還治臣工,有災異則譴咎公卿”。


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