第一节 彗星
第一节 彗星
彗星与我们迄今为止所研究的天体的相异之处在于其特殊的外观、轨道的偏心率以及罕见性。其构造依然成谜，但出现时非常有趣。对彗星进行仔细研究后发现其具有三个特点，这三个特点并非各自独立，而是融为一体。
首先肉眼所看见的是或明或暗的一颗星，我们称之为彗星的彗核。
包裹彗核的是一团模糊的云状物，像雾一样，向着边缘逐渐暗淡，因此看不清边界，我们称之为彗发（coma）。彗核和彗发共称为彗头，看起来就像透过迷雾的闪烁的星光。
从彗星延伸出来的是彗尾，长短各异。小彗星的彗尾可能短到不能再短，而大彗星的彗尾在天空中延伸出一道长长的弧线。彗头附近窄而且明亮，逐渐远离头部则变得越来越宽、越来越分散，因此总是有几分像扇形。彗尾渐渐地暗淡下来，很难说眼睛可以追踪到多远。
彗星的亮度差异巨大，尽管明亮的彗星外表绚丽，但是绝大部分彗星肉眼是看不到的。望远镜观测到的彗星和明亮的彗星之间并没有明显的区别，不过亮度从最微弱的到最明亮的有一个规律的层次。有时望远镜观测到的彗星看不见彗尾，只有极其微弱的彗星才会出现这种情况。有时几乎完全没有彗头，在这种情况下只能看见一小团彗发，像稀薄的云彩，或许中心会明亮一点。
历史记录显示，100年中一般出现20~30颗肉眼可见的彗星。用望远镜扫视天空则发现彗星多到数不清。目前，勤奋的观测者每年都发现相当多的彗星。无疑，观测在很大程度上具有偶然性，同时也取决于观测技巧。有时几位观测者分别发现同一颗彗星，而这题彗星出现时第一个准确锁定彗星的位置并且向天文台通报情况的观测者便被定为发现者。
彗星的轨道
望远镜发明后不久人们便发现彗星像行星一样在围绕太阳的轨道上运行。艾萨克·牛顿爵士指出，彗星的运动受到太阳引力的支配，就像行星的运动一样。二者最大的区别是，行星的轨道近似圆形，彗星的轨道狭长，以至多数情况下无法判断哪里是远日点，或者轨道的远端在哪里。很多读者想准确地知道彗星轨道的基本情况和对其产生制约的法则，下面我们就来解释这个问题。
牛顿指出，物体的运动受到太阳引力的影响将永远画出圆锥曲线。这个曲线有三种：椭圆、抛物线和双曲线。众所周知第一种是首尾相连的封闭曲线；而抛物线和双曲线不是这样，二者都有两个分支无限延长。抛物线的两个分支更加接近，向远处延长时几乎方向相同，而双曲线的两个分支彼此分开。彗星的抛物线轨道如图41所示。
图41 彗星的抛物线轨道
记住了这些曲线，再想象地球把我们留在其轨道上的某个点并且悬在空中，自己继续公转，直至一年后再回来接上我们。在此期间，我们悬在半空中的我们为了消遣，发射圆球使之像小行星一样围绕太阳公转。结果，所有发射出去的球速度都小于地球的速度，也就是说，小于每秒18.6英里，其围绕太阳的运行轨道是封闭的，比地球的轨道小，而与发射方向无关。一个非常简单而奇异的规律是，如果速度相同，这些小球运行轨道的周期永远相同。所有的球以地球的速度发射出去都是一年公转一周，于是在同一时刻一起回到出发点。如果速度超过每秒18.6英里，轨道则比地球的轨道大，速度越大公转周期越长。若速度超过每秒26英里，则太阳的引力无法控制圆球，圆球将会沿着双曲线的一个分支永远地飞走。这种情况与发射方向无关。因此，在相距太阳的每一段距离上都有一定的速度极限，如果彗星超过这个速度极限就会飞离太阳永远回不来，如果小于这个极限则一定会在某一时间回来。
离太阳越近这个速度极限越大，与到太阳距离的平方根成反比，据此，若到太阳的距离是原来的4倍，那么速度极限只是原来的一半。计算空间中任一点的速度极限所运用的法则非常简单：取行星经过圆形轨道上一点的速度，乘以2的平方根1.414。
由此可见，如果天文学家通过观察可以得出彗星经过轨道上已知一点的速度，就能推算出彗星飞离太阳的距离以及返回的周期。对彗星整个可见阶段的观测进行仔细对比，便基本上能够对这个问题得出一个明确的结论。
奇怪的是从没见过哪一颗彗星的速度超出我们所描述的极限。的确，有时从观测中计算出速度略微超过这一极限，但是并没有大于观测这类天体可能产生的误差。通常速度非常接近极限时便很难说清是否超出极限，此时可以确定的是彗星将飞出极大的距离，几百年、几千年甚至几万年也回不来。也有彗星的速度比极限小得多，这类公转周期非常短的彗星叫作周期彗星（periodic comets）。
据我们所知，大多数彗星的运动过程都是这样的。它们看似从很远处向着太阳坠落，但我们知道不是这样的。如果彗星正对着太阳落下就会掉进太阳里面，但是这种情况从未见发生过，而且也不可能发生，原因如下：当彗星接近太阳时，它获得的速度越来越大，在很大的曲线上围绕中央天体加速飞行，由此产生的离心力使它再次飞走回到接近它来的方向上。
由于彗星很微弱，即使用高倍望远镜也只能在其轨道相对接近太阳的部分看到它们，因此在很多情况下难以推断彗星再次出现的准确周期。
哈雷彗星
天文学史上第一颗以规律的周期回归的彗星是著名的哈雷彗星（Halley’s comet）。哈雷彗星出现在1682年8月，在一个月的时间里都可以观测得到，随后消失在地球的视野中。哈雷根据对这颗彗星的观测，计算出了其轨道。他发现这颗彗星的轨道与1607年开普勒观测到的一颗明亮的彗星的轨道相同。
两颗彗星恰好运行在相同的轨道上是根本不可能的，于是哈雷断定它的轨道是椭圆形的，周期大约是76年。如果事实如此，那么这颗彗星应该在过去的76年中出现过。
于是他用几个年份减去这段时间从而推算出是否有过这颗彗星的记载，即用1607减去76是1531。他发现1531年确实出现过一颗彗星，他有理由相信这颗彗星就运行在同一个轨道上。用这一年再往前推大约76是1456年。1456年的确出现过彗星，而且在基督教国家引起了恐慌，教皇加里斯都三世（Calixtus Ⅲ）下令祷告以抵御彗星和与欧洲作战的土耳其人。“教皇诏书抵御彗星”的传说有可能指的就是这件事。
这颗彗星在历史上可能出现的记载也找得到，但是由于缺乏对这颗彗星的准确描述，哈雷不能准确地辨认这颗彗星。不过根据1456年、1531年、1607年和1682年四次详细的记载，有充足的理由预测这颗彗星将在1758年再次回归太阳。克莱罗（Clairaut）是当时法国最杰出的数学家，他能够计算出木星和土星的活动对彗星周期产生的影响。他发现二者的活动将推迟这颗彗星的回归，使其至1759年春天才能到达近日点。这颗彗星果然根据预言出现了，并且在那一年3月12日经过近日点。(https://www.daowen.com)
根据预测，下一次回归将出现在1835年，再下一次是1910年。这一次，在5月初的黎明前，人们在东方的天空上看到了这颗光彩的彗星。到了5月19日，它从太阳和地球中间穿过，两天之后彗尾扫过地球，有人担忧，彗尾会导致生命死亡。事实上，彗尾很稀薄，地球也没有出现异常。7月份，它走得很远了，从望远镜里也看不到它的身影了。它已经走得比海王星的轨道还远了，它要走上30年，在1948年到达远日点，然后在1985年回到近日点，那时它又成为天空中的奇观。根据预测，哈雷彗星再一次返回太阳系要等到2061年。
消失的彗星
1770年6月，法国天文学家勒格泽尔（Lexell）发现了一颗最引人关注的彗星。不久，人们用肉眼就看到了这颗彗星。其运行轨道一经确定便震惊了天文学家，其轨道是椭圆形的，周期只有6年。于是天文学家对其回归进行了充满信心的预测，可是这颗彗星却从未再现过。不过原因迅速就被找到了，这颗彗星6年过后回归之际位于太阳的背面，因此看不到。根据计算，此后这颗彗星继续公转的过程中必然距离木星非常近，在木星强大引力的作用下进入某个新的轨道，于是再未进入望远镜所及的范围内。这也解释了为什么从前没有见过这颗彗星。在勒格泽尔发现这颗彗星3年以前它来自木星附近，木星将它投入与此前不同的轨道上。可以这么说，太阳系的这颗巨行星在1767年时给了这颗彗星一个拉力使它进入太阳附近，并且使它围绕太阳公转两周，1779年与这颗彗星再次相遇时，将这颗彗星猛地推开，便没人知道它的去向了。自那时起，二三十颗已知的周期彗星中大多数只观测到两三次回归。
彗星可以像生物一样发生解体和消亡。比拉彗星（Biela’s comet）解体是彗星完全解体中奇特的一例。1772年首次观测到这颗彗星，但是并不知道它是周期彗星。1805年再次观测到这颗彗星，天文学家仍然没有注意到其运行的轨道与1772年出现的彗星的轨道是一致的。1826年第三次观测到这颗彗星，这一次用改良的方法测算轨道才确认它和前两次出现的彗星是同一颗。经测定其公转周期为6.67年。据此，这颗彗星还应该在1832年和1839年出现。这两次地球所在的位置都无法观测到彗星。至1845年底这颗彗星再次出现，11月份和12月份都能观测到。1846年1月，当它接近地球和太阳时已经分裂成两个不同的部分，起初其中较小的一个非常微弱，不过后来变得和另外一个差不多亮了。
下一次回归是在1852年，此时两个部分分开得更远了。1846年二者之间的距离大约是20万英里，1852年超过100万英里。最后一次观测到这颗卫星是在1852年9月。尽管从那以后这颗彗星应该完成七八圈公转，但是再没人看见这颗彗星。根据前几次回归就能准确地计算出这颗彗星应该出现的位置，根据其不再出现我们推测这颗彗星已经完全解体。我们将在下一节进一步介绍组成彗星的物质。
有两三颗彗星都这样消失了。它们一次或几次公转被观察到，每一次出现都变得更加暗淡更加衰弱，最终完全消失不见。
恩克彗星
有一颗周期彗星以德国天文学家恩克的名字命名，恩克第一个准确地测定了这颗彗星的运动，人们对这颗彗星的观测最频繁而有规律。首次发现这颗彗星是在1786年，和通常的情况一样并没有人预先测定出其轨道。1795年卡罗琳·赫歇尔（Caroline Herschel）小姐再次看到这颗彗星。1805年和1818年再次观测到这颗彗星。直到最后这两次出现，人们才准确地测定其轨道，其周期特征以及与前些年观测到的彗星为同一颗才得到证实。
此时，恩克发现这颗彗星的周期是3年零110天，根据行星特别是木星的引力略有变化。最近几次回归几乎每次都能在某处观测到。
这颗彗星之所以有名是因为恩克认为它的轨道正在逐渐缩小，可能是太阳周围的物质阻碍了它的运动。许多有才华的数学家在彗星回归时研究这个问题，但它时而出现类似恩克所发现的运动迟缓的迹象，时而又没有，因此这个问题仍然悬而未决。这种计算非常复杂而且有难度，彗星的运动在行星的影响下非常复杂，甚至无法保证结论绝对准确。
木星捕捉彗星
1886~1889年发生了一件引人关注的事情，在太阳系发现了一颗新的彗星。1889年，日内瓦的布鲁克斯（Brooks）在纽约观测到了一颗彗星，证实它在轨道上的运行周期只有7年。它非常明亮，那么为什么以前从没看见过呢？问题很快有了答案，人们发现这颗彗星曾在1886年近距离经过木星，木星的引力改变了这颗彗星的轨迹，使它进入现在运行的轨道。有些周期彗星经过木星时距离非常近，可能也是这样被带进了太阳系。
是否所有的周期彗星都是这种情况呢？答案是否定的，哈雷彗星就没有近距离经过任何行星。恩克彗星也是如此，它经过木星时与木星轨道的距离不足以被木星的引力拉进目前它所在的轨道上。据我们所知，这些彗星一直是太阳系的成员，并非因为行星的作用。
彗星从哪里来
直到最近仍有一种猜想，彗星或许是从恒星之间的广阔空间进入太阳系的。这个观点已经被搁置了，因为没有证据表明彗星的速度能突破极限；它们从比行星轨道更远的地方而来，尽管这个地方远在太阳系之外，但是比到恒星的距离小得多。后面我们将了解到太阳在宇宙空间也处在运动之中。即使我们假定彗星来自太阳系以外遥远的太空，我们刚刚引用的事实仍然表明，它们在太阳系以外时也参与了太阳以及太阳系的运动。
有观点认为，彗星有自己规则的轨道，与行星轨道的不同之处是偏心率巨大，目前这个观点似乎是建立在对问题进行全面研究的基础之上。它们的公转周期一般都在数千年，有时是数万年，甚至几十万年。在这个漫长的周期中，它们飞出太阳系以外相当遥远。如果在它们回归太阳系时恰好近距离经过一颗行星，可能会发生两种情况：一种情况是，彗星受到一个额外的推力获得一个加速度，将它抛到比以前更远的距离上，甚至可能远到它再也回不来了；另一种情况是，彗星速度减慢，轨道缩小，于是便有了这么多周期各异的彗星。综上所述，我们可以认为我们观测到的彗星都是太阳系的成员。还有一种说法，也有一定的可能性，即彗星是很久以前太阳经过宇宙尘埃（暗星云）时得到的。
璀璨的彗星
观测者最感兴趣的是不时出现的最明亮的彗星。就我们目前所知，何时会出现这样一颗彗星完全看运气。19世纪有五六颗所谓最大的彗星，其中最著名最明亮的一颗出现在1858年，以其发现者的名字命名为多纳蒂（Donati），多纳蒂是意大利佛罗伦萨的天文学家。这颗彗星的发现过程反映了这颗彗星所发生的变化。首次观测到这颗彗星是在6月2日，当时它像微弱的星云一样，在望远镜中看起来就像天空中细小的白云，看不到彗尾，直到8月中旬才能略微看出这朵小云彩将发展成什么样子；然后逐渐开始形成小的彗尾，9月初变得肉眼可以看到了。从那时起，它以令人惊奇的速率增长，每天晚上都越来越大、越来越醒目。它似乎在移动，但是整一个月却没怎么动，每晚都飘浮在西天。10月10日它达到最亮。哈佛天文台的乔治·P.邦德（George P. Bond）一次又一次地仔细将它绘制成图。10月10日之后它迅速消失。它很快向南天移动，到了我们这边的地平线以下，不过南半球的观测者一直跟踪它到1859年3月。19世纪的大彗星如图42所示。
图42 19世纪的大彗星：1811年大彗星（左上）、1858年的多纳蒂彗星（右上）、1861年大彗星（左下）、1882年大彗星（右下）
在这颗彗星脱离视线之前，数学家们开始计算它的轨道。很快发现它不是在标准的抛物线上运行，而是在狭长的椭圆上运行。周期在1900年左右，上下不超过100年。因此，它上一次在公元前1世纪的回归肯定观测得到，但没有记载可供辨认。也许可以期待下一次回归，那将是在38世纪或者39世纪。
有一个非常奇特的情况，1843年、1880年和1882年出现的彗星几乎运行在相同的轨道上。其中第一颗是记载中最令人难忘的彗星之一，因为它经过太阳时距离之近几乎要擦到太阳的表面。实际上，它肯定已经穿过日冕外部。它在2月底极其突然地在太阳附近出现，白天也可以看到它。异常巧合的是它出现在一个预言提出后不久，那个预言说世界末日将在1843年到来，于是那些受到预言警告的人们把彗星视为即将降临的灾难的预兆。
4月份彗星消失，所以观测时间相当短，随后其公转周期成为人们关注的焦点。它的轨道与抛物线没有明显差异，然而观测时间太短以至于任何对周期的估算都不那么准确，只能说这颗彗星大概几百年后才会回来。
令人吃惊的是，37年后在南半球观测到一颗彗星，并且发现它和前者几乎运行在相同的轨道上。它迫近的最初迹象是长长的彗尾露出地平线，在阿根廷、好望角和澳大利亚都看到了这个现象，直到2月4日才能看到彗头。它扫过太阳然后向南飞去，北半球的观测者未及看到它就消失了。
问题是，这颗彗星与1843年出现的彗星是否是同一颗？以前认为间隔很长的周期运行在相同的轨道上一定是同一颗彗星，然而对于当前的情况，认为是同一颗的猜测似乎与观测结果相矛盾。这个问题在1882年出现第三颗运行在大致相同的轨道上的彗星时才得到解决。可以肯定这并不是两年多以前出现的那颗彗星的回归，于是便有了一个奇特的现象：3颗明亮的彗星以不同的周期运行在同一轨道上。或许还不止这3颗，因为1688年有一颗彗星近距离经过太阳，但是它的轨道与上述3颗彗星的轨道略有不同。
在这一组彗星里，还要加入1668年和1887年出现的两颗。
这些彗星可能来自同一颗大彗星，运行到近日点时受到太阳引力影响，被撕裂成五块。几乎可以确定，其中的一块，也就是大彗星的彗核，在1882年9月经过近日点，不久后就碎裂成四块。这四块分别相隔了一个世纪，运行周期从660年到960年不等，再次出现在我们视野中时它们就是4颗各不相连的彗星了。
似乎有理由怀疑彗星只是陨星物质的集合，包括不同的物质，大小不一，小到沙粒大到从天而降的陨石。问题是经过多次公转，彗星的这些组成部分如何保持在一起。彗核近距离经过太阳时形状经常发生改变，这种情况似乎说明这个猜想或许接近事实。
彗星的光线经过光谱仪分析，结果表明它不只是反射太阳光。主要特征是三道明亮的条纹，这与碳氢化合物的光谱有着明显的相似之处，这表明彗星内存在发光的气体。
在多数情况下，这些气体并不是由于太阳的温度才发光的。在这里太阳发挥了另一种作用，和它使地球大气层中出现极光的原理相似。
可以肯定的是，构成明亮彗星的物质是不稳定的。用望远镜仔细观察明亮的彗星时，不时可以看见大量的烟雾从彗头朝着太阳的方向缓缓升起，然后扩散开来离开太阳形成彗尾。彗尾和动物的尾巴不一样，不是彗星的组成部分，而是像烟囱里冒出的一道烟。
通常刚发现彗星时完全没有彗尾，当它靠近太阳时才开始形成彗尾。彗星离太阳越近，彗星受到的热量越大，彗尾发展得越快。构成彗尾的物质快速地向后运动，很明显，它被太阳辐射有力地推动着，所以彗尾的方向总是与太阳相背。
