這個(ge) 問題就彗星本身來說，涉及彗星的來源、運行、結構和物質成分等方麵。

彗尾沿著背離太陽的方向延伸，主要呈現兩(liang) 種形態。圖中彗星C/2014 Q1就被拍攝到了藍色的離子彗尾以及淡黃色的塵埃彗尾。（Kevin Parker）

彗星是太陽係內(nei) 在太陽引力作用下環繞太陽周期性地運行的小天體(ti) 。絕大多數我們(men) 能看到的彗星的近日點在地球軌道附近或之內(nei) ，但是幾乎所有彗星的遠日點都相當遙遠，這與(yu) 它們(men) 的來源有關(guan) 。

&彗星的研究曆史

1932年，愛沙尼亞(ya) 天文學家恩斯特·奧皮克曾經提出彗星來自太陽係外層邊緣雲(yun) 團的設想。1950年，荷蘭(lan) 天文學家奧爾特經過對彗星的多年觀測，認為(wei) 彗星源於(yu) 億(yi) 萬(wan) 千米以外非常遙遠的雲(yun) 狀區域。明確提出在距離太陽1000到50000天文單位（au）之間的球殼狀地帶有大量彗星存在，它們(men) 是太陽係形成時的殘留物，正是這些彗星形成了軌道偏心率很大、周期很長的彗星。長周期彗星幾乎來自各個(ge) 方向，因此那一地帶被認為(wei) 大體(ti) 上是球對稱的。這一廣袤的區域後來就被稱為(wei) “奧爾特雲(yun) ”，其內(nei) 可能存在多達近萬(wan) 億(yi) 至幾萬(wan) 億(yi) 顆彗星。

圖1 奧爾特雲(yun) 與(yu) 柯伊伯帶藝術示意圖（非等比例）。

現在，奧爾特雲(yun) 被分為(wei) 兩(liang) 部分：距太陽20000天文單位以內(nei) 的部分被稱為(wei) 內(nei) 奧爾特雲(yun) ，它呈圓環形分布；距太陽20000天文單位以外的部分被稱為(wei) 外奧爾特雲(yun) ，它才是球對稱的。估計它的外邊界約在150000天文單位處（2.4光年），大體(ti) 上是冥王星距離的4000倍。以池穀-關(guan) 彗星為(wei) 例，它在近日點附近速度為(wei) 每秒500千米，僅(jin) 用兩(liang) 年就跑完了靠近太陽的半邊，但要跑完遠離太陽的那半邊，卻要花上1000多年。有些長周期彗星旅行一周要經過幾百萬(wan) 年的漫長歲月。所以，盡管奧爾特雲(yun) 裏可能有那麽(me) 多彗星，而全世界每年發現的長周期彗星平均隻有十顆左右。奧爾特雲(yun) 是太陽係中天體(ti) 分布最稀疏的區域之一。奧爾特雲(yun) 總是受到銀河係潮汐的推動，偶爾也會(hui) 受到從(cong) 旁經過的恒星或巨分子雲(yun) 的攝動。結果，一些奧爾特雲(yun) 天體(ti) 就會(hui) 進入內(nei) 太陽係，成為(wei) 長周期彗星。長周期彗星提供了構成巨行星核的最原始材料的樣本。

圖2 1957年8月出現的姆爾科斯彗星。

1951年，美國天文學家柯伊伯提出了在海王星外側(ce) 寬約20天文單位的環狀區域內(nei) 有無數顆以冰狀物體(ti) 為(wei) 主要成分的小天體(ti) 繞太陽公轉。他認為(wei) ，隻有這樣才可能解釋源源不斷地有彗星進入內(nei) 太陽係之謎。這些天體(ti) 是太陽係初期沒有能夠結合起來形成大行星的星子殘餘(yu) 。它們(men) 仍然保持著原始、孤立的狀態，隻是偶爾有某一個(ge) 落到內(nei) 太陽係來，成為(wei) 短周期彗星。柯伊伯的假設直到1992年才得到證實。這個(ge) 環狀區域被稱為(wei) “柯伊伯帶”，他所預言的小天體(ti) 則被稱為(wei) “柯伊伯帶天體(ti) ”。最近的研究表明，柯伊伯帶離太陽30~50天文單位，估計約有1億(yi) 到1萬(wan) 億(yi) 顆彗星、星子或“類冥天體(ti) ”。它們(men) 的軌道麵與(yu) 黃道麵的傾(qing) 角較小。

究其實，彗星不過是柯伊伯帶天體(ti) 和奧爾特雲(yun) 天體(ti) 中軌道改變而向太陽係內(nei) 部運行的極少數。

&彗星的分類

彗星按照它們(men) 的運行周期分成三類：(a)短周期彗星。這類彗星在橢圓軌道上繞太陽運轉，其運轉周期小於(yu) 200年；它們(men) 來自柯伊伯帶。(b)長周期彗星。這類彗星軌道周期大於(yu) 200年，但仍被太陽的引力束縛在太陽係內(nei) ，它將以極其扁長的橢圓軌道、以很長的周期繞太陽運轉；它們(men) 來自奧爾特雲(yun) 。(c)非周期彗星。這類彗星在運行過程中會(hui) 受到行星的附加引力作用(攝動)，如果這種作用導致它在軌道上的運行速度增加，使它在經過近日點時的運行速度達到其逃逸速度，那麽(me) 它將沿拋物線軌道運行，如果此時的運行速度己超過其逃逸速度，則它將沿雙曲線軌道運行。在這兩(liang) 種情況下，該彗星便一去不返，這樣的彗星便被稱非周期彗星，非周期彗星約占彗星總數中的1/3。

圖3 彗星的三種軌道

彗星是太陽係中形狀很奇特的一類天體(ti) 。它們(men) 在天空中出現時，往往有長長的尾巴，形如一柄大掃帚，故俗稱“掃帚星”。彗星在遠離太陽時並無彗尾，它隻是在天空中恒星間移動的一個(ge) 霧狀斑點。正由於(yu) 彗星是殘留的星子，它們(men) 是由凍結的水、甲烷、二氧化碳、氨、氫、氧、一氧化碳等揮發性物質與(yu) 塵埃混雜而成的一團“髒雪球”，其中水冰的含量尤其多。在遠離太陽時彗星的體(ti) 積很小，反射的陽光非常暗淡，必須通過天文觀測設備才能發現。

當這個(ge) 髒雪球越來越接近太陽時，受太陽熱輻射的作用，其暗黑的表麵吸收陽光，開始不斷揮發物質。這些揮發出來的氣體(ti) 和塵埃物質，形成了彗頭和彗尾兩(liang) 部分。彗頭由彗核、彗發和包圍彗發的氫雲(yun) 構成：彗核即彗星本體(ti) ，彗發是從(cong) 彗核裏蒸發出來的較濃密的物質，而氫雲(yun) 則由向外散逸的最輕的氣體(ti) 構成，包圍著彗核和彗發。當彗星距離太陽約5天文單位（在木星軌道上）時，太陽的加熱作用便足以使得水、甲烷、氨和其他各種揮發性化合物的冰升華，即直接由固態轉化為(wei) 氣態，這些氣體(ti) 就從(cong) 彗發中逃逸出去，同時攜帶著原來與(yu) 它們(men) 一起凍結在彗核裏的細微塵埃顆粒。這時這個(ge) 髒雪球在望遠鏡裏呈現為(wei) 暗淡又毛茸茸的一個(ge) 球體(ti) 。隨著彗星越來越接近太陽，氣體(ti) 的升華也越來越快。

&彗尾的不同種類

彗尾沿著背離太陽的方向延伸，主要呈現兩(liang) 種形態。其中氣體(ti) 彗尾，又稱離子彗尾，筆直地向外，是從(cong) 彗發中升華的氣體(ti) （包括分子和離子）受太陽風的驅趕而形成的。太陽風帶有磁場，它的磁場增強了對來自彗發的帶電粒子（離子）的作用，有助於(yu) 從(cong) 彗發拉出粒子並引導它們(men) 沿著磁感線方向運行，正如地球表麵貫穿大氣層的磁場使得進入大氣裏的離子（其大多數恰恰來自太陽風）流向兩(liang) 極而引發極光。氣體(ti) 彗尾能自行發光，太陽風粒子與(yu) 彗尾中的氣體(ti) 相互作用而發出藍色光芒。

圖4 彗星的形態變化以及長周期和短周期彗星的軌道

太陽風雖然也叫“風”，可不同於(yu) 在地麵上吹刮的風，它的規模和強度遠遠超過地麵上最猛烈的颶風。太陽風是從(cong) 太陽的冕洞發出，向行星際空間發射的粒子流，其主要成分是電子和質子，還有氦離子和少量的碳、氮、氧等重元素的離子。原來，日冕中的粒子所受的引力小於(yu) 內(nei) 、外壓力差，不能保持壓力平衡，因而從(cong) 冕洞中向外散逸。太陽風在其從(cong) 太陽到地球的5至10天的行程中還在加速。在地球軌道上，它的速度通常是400~450千米/秒，最猛烈的時候甚至可達800千米/秒。粒子的密度通常是5至10個(ge) /立方厘米，還有微弱的磁場強度。

圖5 彗星的結構

超聲速的太陽風與(yu) 彗星的氣體(ti) 發生複雜的作用，會(hui) 產(chan) 生各種形態的彗尾。太陽風的強度隨太陽活動有約11年周期的變化，對彗尾的狀態有直接的影響；在太陽活動的高峰期，太陽風吹刮得最猛烈。如果這時候有彗星出現在地球的附近，人們(men) 將能看到更加壯觀和明亮的彗尾。

另一種是塵埃彗尾，這是來自彗發的塵埃粒子受太陽光壓的作用向外飛散形成的。塵埃彗尾中的塵埃粒子是多分子聚合體(ti) ，比單分子重得多，在飛行中因慣性稍落後於(yu) 彗星而呈現一定的彎曲，它因反射陽光而變得明亮。彗星在軌道上運行，隨著位置的改變，速度的方向和大小隨時改變，它所受陽光照射的強度和方向因而不同，塵埃彗尾的形態也隨時變幻不定。當日、地、彗處於(yu) 某些特殊的位置關(guan) 係時，地球上的觀測者甚至能看到反向彗尾（即塵埃尾處於(yu) 離子尾的相反方向）。除此以外，少數彗星還會(hui) 有鈉原子尾。鈉原子尾由彗星塵埃中的鈉原子在陽光作用下被大量離解出來形成，但它用相機難以捕捉。

圖6 2007年1月出現的麥克諾特彗星。(S. Deiries)超鏈接：什麽(me) 是光壓？

光也會(hui) 產(chan) 生壓力嗎？空氣看不見，摸不著，但我們(men) 可以感到空氣有壓力，氣壓的高低影響著天氣，迎麵的強風甚至讓我們(men) 寸步難行。光看得見，摸不著，可誰也沒有感覺到它有什麽(me) 壓力呀。現代測量表明，如果陽光直射到地麵，並且被地麵全部吸收，那麽(me) 地麵所感受到的光壓隻有4.5×10-6帕，須知地麵上的大氣壓力是1.013×105帕，從(cong) 量級上來估計，差了上千億(yi) 倍。人體(ti) 的質量大，對光子帶來的壓力“無動於(yu) 衷”，可是細微的塵埃粒子卻對光壓很敏感。光壓產(chan) 生的一部分力與(yu) 太陽的引力相平衡，剩餘(yu) 部分把塵埃推離太陽，不過由於(yu) 仍在太陽的引力場裏，它們(men) 還繼續在環繞太陽的軌道上運行。這些物質今後將殘留在軌道上，成為(wei) 流星雨的物質來源。

光壓，又稱輻射壓，是光照射到物體(ti) 上對物體(ti) 表麵產(chan) 生的壓力。早在17世紀初，德國天文學家開普勒觀察彗星發現，彗星尾巴的朝向總是與(yu) 太陽的方向相反，他認為(wei) 是太陽光把彗尾推向另一側(ce) ，以此解釋這個(ge) 現象。其實，這裏已經蘊含著光壓的概念。1748年瑞士科學家歐拉明確提出光壓的存在。到了19世紀中葉，英國物理學家麥克斯韋創立了經典電磁理論，他根據這個(ge) 理論提出了計算光壓的公式，並進行了具體(ti) 計算。1899年，俄國物理學家列別捷夫設計了靈敏的測量儀(yi) 器，首次把光壓值測量出來；他的測量結果與(yu) 麥克斯韋的理論值符合良好，既證實了歐拉的預言，也證實了麥克斯韋的理論。到了20世紀，量子理論問世，光被看成具有波粒二象性的光量子，物理學家應用量子理論推導了光壓公式，得到了與(yu) 經典電磁理論相同的結果。

彗星的亮度和彗尾的長度在彗星接近近日點的過程中日益增大，在天空中便出現一個(ge) 明顯的、拖著長長尾巴的彗星；在過近日點前後達到極值；但是當彗星環繞著太陽經過近日點逐漸遠離而去時，彗尾隨之漸漸縮短，亮度也慢慢降低，終於(yu) 變得不再能被肉眼看見。圖中1910年哈雷彗星回歸於(yu) 5月15日過近日點前後的照片，可以明顯地看到其亮度的變化和彗尾的長消。

圖7 1910年哈雷彗星從(cong) 出現到消失的過程“

圖8 西漢帛書(shu) 上描繪的各種彗星

自古以來，彗星就是比較罕見的天象，——當彗星出現，往往令人驚奇甚至驚悚，而彗尾的特殊形態尤其令人矚目。在湖南長沙出土的帛書(shu) 上就能見到古人描繪的形態各異的種種彗尾。自然，當今我們(men) 也還是有機會(hui) 邂逅千姿百態的彗尾。


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