《彗星的基础知识(一)》

耶那蔡司

　 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。