[2006.6.11][天文生物探索部](天文组)彗星的基础知识[整理]

新兰毛毛

彗星的基础知识(一)一、彗星的发现和命名
彗星，俗称扫帚星，“彗”字即扫帚之意。外文中的彗星一comet一词来自希腊文，意思是有“尾巴”或“毛发”的星。天文学中形象地以符号代表彗星。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，以我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”，据我国著名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。
二、彗星的轨道特性
1、彗星轨道
    通过多次观测的资料，可以推求出彗星的绕太阳公转轨道要素，即近日距、过近日点时刻、偏心率、轨道面对黄道面的倾角、升交点（在轨道上由南向北经黄道面上的点）黄经、近日点与升交点的角距，进而可以推算出彗星的历表，即不同时刻在天球上的视位置（赤经与赤纬）。很多彗星的轨道是扁长椭圆形、抛物线乃至双曲线。显然，沿抛物线或双曲线轨道运动的彗星是非周期彗星，它们会一去不返、逃离太阳系，那么它们是否真正属于太阳系成员呢？实际上，这些彗星是在过近日点前后被观测的，算出的是其吻切轨道，而且在这段时间里三种轨道差别较小，观测精度不够可导致算出的轨道误差，更重要的是彗星运行中受大行星的引力摄动等影响而发生轨道变化，大多数彗星在改正这些影响后算出的轨道仍是偏心率略小于1的扁长椭圆，因而它们是太阳系成员，也有少数彗星会一去不返。既使很扁长椭圆轨道的彗星，其公转周期也很长，要几百年乃至几万年才回归太阳系一次，在人类文明史中只有短周期的彗星（公转周期小于200年）才被多次观测到，绝大多数短周期彗星是顺向公转达的（即跟行星公转方向相同），它们的轨道面相对黄道面的倾角小于45度，有少数（如哈雷彗星）逆向公转，而长周期彗星和非周期彗星的轨道面倾角是随机分布的，顺向公转和逆向公转的都很多。
2、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。
3、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”。
4、奥尔特云与柯伊伯带
   1950年，荷兰天文学家奥尔特（J.H.Oort)作了彗星轨道的统计研究，发现轨道半径为3万至10万天文单位的彗星数目很多，他推算那里有个大致球层状的彗星储库，有上千亿颗彗星。早在1932年欧匹克（E.Opiek）也曾提出过类似看法，因而这个彗星储库称为“奥尔特云”或“奥尔特一欧匹克云”，那里的彗星绕太阳公转的周期长达几百万年。按照近年的更仔细研究，奥尔特云中有上万亿至十万亿颗彗星。当然，这些遥远的彗星绝大多数尚不能直接观测到，只有在恒星的引力摄影动下或彗星相互碰撞时，有的彗星发生很大的轨道变化，当它沿扁长轨道进入内太阳系时，才成为“新”彗星被观测发现。
   1951年，美国天文学家柯伊伯（G.Kuiper)研究彗星性质与彗星形成，认为在太阳系原始星云很冷的外部区里的挥发物凝聚为冰体一彗星，当外行星在冰体群中长大时，外行星的引力弥散作用使一些彗星驱入奥尔特云，但是冥王星之外没有行星形成，他提出冥王星之外有个彗星带一即柯伊伯带，那里有很多彗星，它们的轨道近于圆形，轨道面对黄道面倾角不大。1964年，惠普尔（F.Whipple）等提出，冥外彗星带会引起外行星及彗星引力摄动，若此带在40天文单位处，则彗星总质量约为地球质量的80%；若在50天文单位处，则总质量为地球的1.3倍。1988年邓肯（M.Duncan）证明，柯伊伯带是短周期彗星的主要源，而奥尔特云不是它们的源区。（右图：据说是柯伊伯带星体）
    正如前面所述的，近年新发现的冥外天体1992QB1（Smiley)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1993RO、1993RP、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。欧洲空间局将在2003年发射罗赛达（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。


威斯特彗星（1975年3月）
哈雷彗星
哈雷彗星伪彩色图像
哈雷彗星的彗核
米勒（Mueller）彗星（1993Y）


彗星是一种很特殊的星体，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，主要是C2、CN、C3、另外还有OH、NH、NH2、CH、Na、C、O等原子和原子团。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，NASA的Kevin. J. Zahule和Daid Grinspoon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;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。


彗星的基础知识(二)
一、彗星的形态变化
1、亮彗星的形态
    肉眼看见的亮彗星，可从形态特征上分为三部分：彗核、彗发、彗尾（如左图）。彗星头部（彗头）中央的亮点称为彗核。彗发是彗核周围延展相当大范围的朦胧大气。彗尾是从彗头往背向太阳方向延伸很长的淡淡光带。彗尾又可从形态上分为I、II、III三类。I类彗尾长而直，略带兰色，主要由气体离子组成，现在常称作“等离子体彗尾”（等离子体是正、负离子混合体，在大尺度上平均呈电中性）。II类彗尾较弯曲而亮，III类彗尾更弯曲，这两类彗尾略带黄色，都由尘埃粒子组成，只是III类彗尾的尘粒比II类的大些，现在常一起称作“尘埃彗尾”。
    等离子体彗尾并非总是长而直的，而常出现一些复杂结构和变化现象，有时出现像折叠伞状的射线束，有时出现扭折、云团、螺旋波结构，更有趣的是断尾事件一老的彗尾从彗头断开来，向后远离，又从彗头处出现新彗尾。
    有时也出现从彗头向太阳方向伸出的长针状彗尾，称为“反常彗尾”或“反日彗尾”，实际上这并非真的是彗尾在空间上朝向太阳，而是在特殊的太阳一彗星一地球相对位置时，从地球上见到尘埃彗尾的投影效应。
  1970年以来，从空间（卫星）紫外观测发现彗星还有比彗发范围大得多的“氢（原子）云”，也称作“H彗发”，大小达上千万公里，体积比太阳还大。在望远镜中有时还看到从彗核抛出的物质“喷流”及“包层”，它们统称为“近核现象”。
2、彗星在公转中的形态变化
  一颗彗星在绕太阳公转中，其亮度和形态随它离太阳远近（日心距）而变化。当彗星离太阳很远时（大于4天文单位），只是很暗的星点状，这主要是赤裸的彗核，或许还有未很好发育的彗发。
   随着彗星走近太阳，亮度增强，到离太阳约3天文单位时，彗发开始发展，更近太阳时，彗发变大变亮。到离太阳约1.5天文单位时，彗发的半径可达10一100万公里。再近太阳时彗发略变小些。彗星过近日点后，随着它远离太阳，彗发也逐渐变小到消失。
   彗星从远处走到离太阳约2天文单位时，开始生出彗尾。随着彗星走近太阳，彗尾变长变亮。彗星过近日点后，随着远离太阳，彗尾逐渐减小到消失。彗尾最长时达上亿公里，个别彗星（如：1842c彗星）的彗尾长达3亿2千万公里，超过太阳到火星的距离。
    上面所述的只是彗星形态的一般情况，实际上各个彗星的形态结构也有不少差别。有的彗星缺乏发育的彗发，有的彗星缺乏发育的彗尾。例如：Schwassmann一Washmann（1925II）彗星运行于木星和土星的轨道之间，其彗发和彗尾总是很淡弱；Baade（1955VII）彗星在离太阳很远（4一5天文单位）时就出现尘埃彗尾，而不见等离子体彗尾。
  应当指出，彗星形态的观测毕竟是从地球上进行的，看到的视投影效果跟彗星离地球远近及观测方法有关。例如，哈雷彗星1910年回归时离地球近，观测条件有利时，甚至看到彗尾跨过天空视角100度，蔚为壮观；而1986年回归时观测条件不太有利，北半球很少人肉眼看见其丰姿，而穿越其彗发的飞船第一次拍摄到彗核的真面貌。
二、彗星的性质
1、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。
2、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。
3、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。
三、彗星的物理一化学过程
  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。


百武彗星（1996B2）
百武彗星（1996B2）
海尔一波普彗星（1997）
海尔一波普彗星（1997）

MKLFT

不错不错，很详尽，支持下!

我是坏人 = =

不错~~~好哈~~

enki

支持。。。曾经咱们也是天文组的成员。。。。研究太阳研究了一年多了哈。。。。

现在是没有时间搞这个了。。。。

enki

支持。。。曾经咱们也是天文组的成员。。。。研究太阳研究了一年多了哈。。。。

现在是没有时间搞这个了。。。。

kirasj

好想能够看到一次哈雷彗星啊
一生也就一次的机会，不想错过...

snoopy1992

很多图例^^
顶上去方便版主评分.

tunclly

详尽。。。。。

8错。。