星辰大海之旅(67)彗星


星辰大海之旅(67)彗星

彗星(Comet)是進入太陽系內亮度和形狀會隨日距變化而變化的繞日運動的天體,呈雲霧狀的獨特外貌。彗星分為彗核、彗發、彗尾三部分。彗核由冰物質構成,當彗星接近恆星時,彗星物質昇華,在冰核周圍形成朦朧的彗發和一條稀薄物質流構成的彗尾。由於太陽風的壓力,彗尾總是指向背離太陽的方向形成一條很長的彗尾。彗尾一般長几千萬千米,最長可達幾億千米。太壯觀了!彗星的形狀像掃帚,所以俗稱掃帚星。彗星的運行軌道多為拋物線或雙曲線少數為橢圓。目前人們已發現繞太陽運行的彗星有 1600 多顆。著名的哈雷彗星繞太陽一週的時間為 76 年。

2014 年科學研究和探測發現,羅塞塔號飛行器所追蹤的“67P/楚留莫夫-格拉希門克彗星的主要成份為氨、甲烷、硫化氫、氰化氫和甲醛。由此,科學家得出結論稱,彗星的氣味聞起來像是臭雞蛋、馬尿、酒精和苦杏仁的氣味綜合 。


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一、結構

彗星沒有固定的體積,它在遠離太陽時,體積很小;接近太陽時,彗發變得越來越大,彗尾變長,體積變得十分巨大。彗尾最長竟可達 2 億多千米。彗星的質量非常小,彗核的平均密度為每立方厘米 1 克。彗發和彗尾的物質極為稀薄,其質量只佔總質量的 1~5%,甚至更小。彗星物質主要由水、氨、甲烷、氰、氮、二氧化碳等組成,而彗核則由凝結成冰的水、二氧化碳(乾冰)、氨和塵埃微粒混雜組成,是個"髒雪球"!

一般彗星是由彗頭和彗尾兩大部分組成。彗頭又包括彗核和彗發兩部分。後來自 1920 年探空火箭、人造衛星和宇宙飛船對彗星近距離的探測,又發現有的彗星在彗發的外面被一層由氫原子組成的巨雲所包圍,人們稱為"彗雲"或"氫雲"。這樣我們就可以說彗頭實際是由彗核、彗發和彗雲組成的。

彗核是彗星最中心、最本質、最主要的部分。一般認為是固體,由石塊、鐵、塵埃及氨、甲烷、冰塊組成。彗核直徑很小,有幾公里至十幾公里,最小的只有幾百米。

彗發:是彗核周圍由氣體和塵埃組成星球狀的霧狀物。半徑可達幾十萬公里,平均密度小於地球大氣密度的十億億分之一(約 1 克/立方厘米)。彗發中氣體的主要成份是中性分子和原子,其中有氫、羥基、氧、硫、碳、一氧化碳、氨基、氰、鈉等,還發現有比較複雜的氰化氫(HCN)和甲基氰(CH₃CN)等化合物。這些氣體以平均 1~3 千米/秒的速度從中心向外流出。

彗雲:在彗發外由氫原子組成的雲,人們又稱為氫雲。直徑可達 100萬~1000 萬公里,但是有的彗星就沒有彗雲。

根據彗頭的形狀和組成特點,可分為"無發彗頭"、球莖形彗頭、錨狀彗頭等等。

彗尾是在彗星接近太陽大約 3 億公里(2 個天文單位)開始出現,逐漸由小變大變長。當彗星過近日點後遠離太陽時,彗尾又逐漸變小,直至沒有。彗尾的方向一般總是揹著太陽延伸的,當彗星接近太陽時,彗尾是拖在後邊,當彗星離開太陽遠走時,彗尾又成為前導。彗尾的體積很大,但物質卻很稀薄。彗尾的長度、寬度也有很大差別,一般彗尾長在 1000 萬至 1.5 億千米之間,有的長得讓人吃驚,可以橫過半個天空,如 1842Ⅰ彗星的彗尾長達 3.2 億千米,可以從太陽伸到火星軌道。一般彗尾寬在 6000~8000 千米之間,最寬達 2400 萬千米,最窄只有 2000 千米。

不能不說,彗星實在是壯觀!


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根據彗尾的形狀和受太陽斥力的大小,彗尾分為二大類。一類為"離子彗尾"由離子氣體組成。另一類為"塵埃彗尾",由微塵組成,呈黃色。彗尾是彎曲的,彎曲較大。此外還有一種叫"反常彗尾",彗尾是朝向太陽系方向延伸的扇狀或長釘狀。一般一顆彗星有兩條以上的不同類型彗尾。

二、軌道

彗星的軌道有橢圓 、拋物線、雙曲線三種

橢圓軌道的彗星又叫週期彗星。並不是所有的彗星都有彗核、彗發、彗尾等結構。我國古代對於彗星的形態已很有研究,在晉書天文志上清楚地說明彗星不會發光,系因反射太陽光而為我們所見,且彗尾的方向背向太陽。彗星的體形龐大,但其質量卻小得可憐,就連大彗星的質量也不到地球的萬分之一。由於彗星是由冰凍著的各種雜質、塵埃組成的,在遠離太陽時,只是個雲霧狀的小斑點;而在靠近太陽時,因凝固體的蒸發、氣化、膨脹、噴發,它就產生了彗尾。彗尾體積極大,可長達上億千米。它形狀各異,有的還不止一條,一般總向背離太陽的方向延伸,且越靠近太陽彗尾就越長。

宇宙中彗星的數量極大,但觀測到的僅約有 1600 顆。彗星的軌道與行星的軌道很不相同,它是極扁的橢圓,有些甚至是拋物線或雙曲線軌道。軌道為橢圓的彗星能定期回到太陽身邊,稱為週期彗星;軌道為拋物線或雙曲線的彗星,終生只能接近太陽一次,而一旦離去,就會永不復返,稱為非週期彗星,這類彗星或許原本就不是太陽系成員,它們只是來自太陽系之外的過客,無意中闖進了太陽系,而後又義無反顧地回到茫茫的宇宙深處。

已經計算出 600 多顆彗星的軌道。彗星的軌道可能會受到行星的影響,產生變化。當彗星受行星影響而加速時,它的軌道將變扁,甚至成為拋物線或雙曲線,從而使這顆彗星脫離太陽系;當彗星減速時,軌道的偏心率將變小,從而使長週期彗星變為短週期彗星,甚至從非週期彗星變成了週期彗星以致被"捕獲"。


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三、彗尾產生

彗尾被認為是由氣體和塵埃組成;4 個聯合的效應將它從彗星上吹出:(1)當氣體和伴生的塵埃從彗核上蒸發時所得到的初始動量。(2)陽光的輻射壓將塵埃推離太陽。(3)太陽風將帶電粒子吹離太陽。(4)朝向太陽的萬有引力吸力。這些效應的相互作用使每個彗尾看上去都不一樣。當然,物質蒸發到彗發和彗尾中去,消耗了彗核的物質。有時以爆發的方式出現,比拉彗星就是那樣;1846 年它通過太陽時破裂成兩個,1852 年那次通過以後就全部消失。

四、彗星的起源

彗星的起源是個未解之謎。有人認為,在太陽系外圍有一個特大彗星區奧爾特雲,那裡約有1000 億顆彗星,由於受到其它恆星引力的影響,一部分彗星進入太陽系內部。也有人認為彗星是在木星或其它行星附近形成的,還有人認為彗星是在太陽系的邊遠地區形成的;甚至有人認為彗星是太陽系外的來客。週期彗星一直在瓦解著,必然有某種產生新彗星以代替老彗星的方式。

五、彗星的故鄉

長週期彗星可能來自歐特雲(Oort cloud) 即奧爾特雲,而短週期彗星可能來自柯伊伯帶(Kuiper Belt;凱伯帶)。

1950 年,荷蘭天文學家 Jan Oort 提出在距離太陽 3,0000 AU 到一光年之間的球殼狀地帶,有數以萬億計的彗星存在,這些彗星是太陽系形成時的殘留物。只有少數彗星,以各式各樣的軌道進入內太陽系。歐特雲理論僅是假設,它可以合理地解釋,長週期彗星的來源和這些彗星與黃道面夾角的隨意性,但無法合理解答短週期彗星的起源。

柯伊伯帶(Kuiper Belt):1951 年,美國天文學家 Gerard Kuiper 提議在距離太陽30~100 AU之間有一柯伊伯帶,帶上有許多繞行太陽的冰體,這些冰體的軌道面與行星相似,偶爾有些柯伊伯帶物體受到外行星的重力擾動與牽引,而向太陽的方向運行,在越過海王星的軌道時,更進一步受海王星重力的影響,而進入內太陽系成為短週期彗星。

柯伊伯帶天體又常被稱為是海王星外天體

。自1992 年至 2002 年10 月為止,陸續又發現600 多個柯伊伯帶天體。在現階段,天文學家認為冥王星、冥衛一海衛一,可能都是進入太陽系內部的柯伊伯帶天體。


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六、性質

彗星的性質還不能確切知道,因為它藏在彗發內,不能直接觀察到,但我們可由彗星的光譜猜測它的一些性質。通常,這些譜線表明存在有 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。科學家相信各種冰和硅酸鹽粒子以鬆散的結構散佈在彗核中,有些象髒雪球那樣。當冰受熱蒸發時它們遺留下鬆散的岩石物質。當地球穿過彗星的軌道時,我們將觀察到的這些粒子看作是流星。

七、彗星與生命

彗星是一種很特殊的星體,與生命的起源可能有著重要的聯繫。彗星中含有很多氣體和揮發成分。根據光譜分析,主要是 C₂、CN、C₃,另外還有 OH、NH、NH₂、CH、Na、C、O 等原子和原子團。這說明彗星中富含有機分子。許多科學家注意到了這個現象:也許,生命起源於彗星!

八、中國人發現的彗星

截止 2015 年 4 月共計 14 顆,如C/2008 C1 Chen-Gao (陳-高彗星) /發現者:陳韜 高興;P/2009 L2 Yang-Gao (楊-高彗星) /發現者: 楊睿、高興。

九、隕石流星關係

流星和彗星沒有必然聯繫,但大都是彗星尾跡產生的。流星是行星際空間的塵粒和固體塊(流星體)闖入地球大氣圈同大氣摩擦燃燒產生的光跡。若它們在大氣中未燃燒盡,落到地面後就稱為"隕星"或"隕石"。流星體原是圍繞太陽運動的,在經過地球附近時,受地球引力的作用,改變軌道,從而進入地球大氣圈。許多流星從星空中某一點(輻射點)向外輻射散開,這就是流星雨。

隕石是受人歡迎的不速之客。每天都約有數十億、上百億流星體進入地球大氣,它們總質量可達20噸。隕石按照其主要化學成分分為石隕石、鐵隕石和石鐵隕石三種。

十、彗星命名

彗星通常是以發現者來命名,但有少數則以其軌道計算者來命名。已經編號/命名的有“1P/Halley哈雷彗星哈雷 76.01”到“222P LINEAR 林尼爾彗星”,一共222顆。已分裂的彗星有“51P/ 哈靈頓彗星”等6顆,已消失的彗星有“

75D/科胡特克彗星”等7顆。國際天文聯合會列出的1935年以來出現的明亮彗星亮度排行榜,有“(-10) C/1965 S1 (Ikeya-Seki)池谷-關彗星”等41顆。最亮彗星列表有21p等 52顆。

十一、地球"送水工"

大約 45億年前地球形成的時候,太陽的熱量把太陽系裡的大部分水分趕到了星系的外圍地區,這些水分至今還以冰凍的形式存在於土星環,木星的衛星歐羅巴,海王星、天王星以及數以十億計的彗星之中。但是地球上也有足夠的水分,一直以來科學家們都很好奇這些水是怎麼來的 。目前一種主流理論認為:這些水是地球形成約 5 億年之後,一連串呼嘯撞向太陽的彗星帶來的

美國科學家觀察到,恆星烏鴉座的Eta Corvi距離地球約 400 萬億英里,一場原始彗星“風暴”猛烈地撞擊了離它比較近的星體。它們是巨大岩石星體發生強烈撞擊而產生的。與彗星相撞的天體最小體積相當於小行星穀神星,最大則是地球的幾倍。

這一觀測結果還不足以得出宇宙塵埃是由撞擊產生的結論。除了由小彗星組成的風暴外,也觀測到一個大體積星體的殘跡。現在只知道有大量物質噴射到周圍。這些物質只包含冰粒和有機化合物的特殊物質,只有粉碎的彗星才有。

2008 年落入蘇丹的 AlmahataSitta 隕星很可能來自海王星以外的柯伊柏帶(Kuiper Belt),那裡分佈著數十億顆彗星。冥王星和鬩神星等矮行星也分佈在那個區域,事實上它們本身就屬於巨大的彗星。

彙集所有的發現就會得到一幅描繪太陽系誕生10億年之後水分甚至是形成生命的基礎物質是如何出現在地球上的畫面。地球上的生命源於一次宇宙意外相撞事故。當然,此結論還為時過早。

【註釋】(1)太陽圈:太陽圈(heliosphere)是太陽所能支配或控制的太空區域。太陽圈的邊緣是一個磁性氣狀泡,並且遠遠的超出冥王星之外。從太陽"吹"出的等離子,也就是所謂的太陽風,創建和維護著這個鼓起的泡沫,並且抵抗來自銀河系的氫氣和氦氣,也就是外面的星際物質,滲入的壓力。太陽風從太陽向外流動,直到遭遇到終端激波,然後在那兒突然的減速。航海家太空船探測太陽圈的邊界,穿越過激波和進入日鞘,這是要到達太陽圈最外層的邊緣,稱為日球層頂的過渡區。當太陽在空間中移動時,太陽圈的整體形狀是由星際物質控制的,它似乎不是一個完美的球形。

(2)行星際空間:太陽系內圍繞著太陽和行星的空間,這個區域由行星際介質主導,向外一直延伸到太陽圈,在那兒銀河系的環境開始影響到伴隨著太陽磁場的粒子流量,並且超越太陽磁場成為主導。從廣義上講行星際空間是指任何行星系所在宇宙空間。


星辰大海之旅(67)彗星


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