K15·通識·029·長發飄飄的彗星

2020-12-03 K15通識

今天,我們將探索一類特別的太陽系天體,彗星。

彗星因為拖著長長的尾巴而得名,「彗」的本意就是掃帚。中國古人把彗星叫做「星孛」,殷商時代的甲骨文,就有關於彗星的記載。先秦《春秋》記載,魯文公14年(公元前613年)「秋七月,有星孛入於北鬥」。這是世界上關於哈雷彗星的最早記錄。

由於彗星無論是形狀還是運行規律,都和平常觀測的行星、恆星大相逕庭,因此在遠古時期,彗星深深的吸引了很多人的目光。由於彗星出現的時間常和不少歷史上大事件發生時間相近,因此部分民族甚至認為彗星是兇神或災禍的象徵。

在西方,彗星的出現被認為會給國王或男性的貴族帶來災難、死亡,甚至被解釋為上天對地球上居民的攻擊。11世紀英國居民見到彗星高掛的恐懼表情,被繪製在貝葉掛毯上留傳後世。

古希臘哲人亞里斯多德認為,彗星不是行星,也不是一種與行星相關的天文現象。他認為彗星是地球大氣層上層的現象,是在炎熱、乾燥的環境下聚集和偶然噴出的火焰。進一步,亞老認為流星、極光,甚至銀河也是因為這種機製造成的。

同一時期,也有學者認為彗星是獨立的星體。他們指出:彗星在天空中有規律的移動,並且不受風影響,這種不受幹擾的行為比較像天體而不是大氣中典型的現象。但是,直到16世紀,西方人還是認為彗星是大氣層內,而不是大氣層外的現象。

十八世紀初期,物理學家哈雷通過科學的方法,計算出1531年、1607年和1682年出現的彗星有著非常相似的軌道,進一步推測這三個彗星應該是同一個。哈雷預測這顆彗星將會在1758至1759年間再度出現。他的預測後來成為現實,這顆彗星也因此被命名為哈雷彗星。

在歷史上,彗星的周期不僅要夠短,還要每次都夠明亮,才能夠被多次記錄。哈雷彗星是唯一一顆每次都夠亮,在經過太陽系的內側時能以肉眼看見的彗星。

這一時期,科學家已經對彗星的組成做出正確的假設。他們認為彗星是由一些揮發性物質組成,當它們接近近日點時,會因為汽化而呈現很高的亮度。這種假設現在已經被證實,但是直到20世紀初,能夠正確認識彗星的人仍然是少數。

1910年重返地球的哈雷彗星,因為地球會通過它的彗尾,當時的報紙上錯誤的報導激起民眾對它的恐懼,認為它可能會將毒氣滲入大氣層,毒害數以萬計的生命。當時有些偏僻村落的人感到異常恐慌,報導稱中歐和東歐甚至有人因此自殺。

所以,正確的認識彗星,正確的理解彗星撞地球的可能性,一直是科普工作的一項重要任務。

彗星是主要由鬆散的冰、塵埃、和小巖石構成的太陽系小天體,當其向太陽接近時,會被加熱並且開始釋放氣體,展示出可見的大氣層,也就是彗發。有一些彗星會有彗尾,但不是所有的都有。彗星的大小從幾百米到幾十公裡不等,但大部分都沒有超過60千米。

彗星的核心固體結構稱為彗核,是由水冰、巖石、和凍結的氣體(如二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨等)融合在一起組成的。

彗核不大的質量使它不會因為自己的重力形成球形,因此它們的外型是不規則的。彗核的表面一般是乾燥和塵土飛揚的,冰隱藏在表面數米厚的的地殼之下。除了已經物質,彗核還包含各種各樣的有機化合物,或許還有更複雜的分子。

在彗核的周圍,圍繞著由塵埃和氣體形成的巨大且稀薄的大氣層,稱為彗發,彗發受到太陽風和太陽的輻射,形成導致背向太陽的巨大尾巴,稱為彗尾。

彗核直徑一般都小於60千米,但彗發可能有幾千或幾百萬千米的直徑,有時會變得比太陽還要大。在彗星跨越火星軌道,開始接近太陽的時候,慧發的大小就會衰減。在這個距離上,太陽風已經足夠強大,可以將氣體和塵埃吹離彗發,形成更大的慧尾。

大多數彗星都沿著細長橢圓軌道運行的太陽系小天體,軌道周期從幾年到幾百萬年不等。它們的軌道只有一小部分接近太陽,剩餘的大部分都在深遠的太陽系外緣。

彗星被認為來自遙遠的柯伊伯帶,離散盤,甚至更遠的奧爾特雲。科學家估計在這一區域存在的類似彗星體的數量可能達到一萬億顆。大多數接近地球的彗星都是暗淡和不夠引人注目的,但平均每年會有一顆裸眼可見的彗星出現,其中特別明亮的被稱為"大彗星"。大彗星出現的周期大約是十年左右。

彗星依據運轉周期可分為兩類:短周期彗星與長周期彗星,兩者的周期分界是200年。大部分短周期彗星可能來自柯伊伯帶和離散盤,其餘的短周期彗星和長周期彗星可能來自奧爾特雲。短周期彗星的軌道通常接近黃道面,運行方向與行星相同,長周期彗星的軌道沒有普遍規律。

短周期彗星軌道的遠日點通常在地外行星區域。軌道的遠日點靠近哪一顆行星,它就是該行星的彗星族"家庭"成員,這些成員被認為是被該行星捕獲到的,軌道周期較短的長周期彗星。短周期彗星中,周期短於20年和較小傾角的被稱為木星族彗星。

此外,最近在主小行星帶內側,發現了若干主帶彗星,它們的繞日軌道接近圓形。主帶彗星的成因目前尚不清楚。

還沒有明確的證據可以證明,有彗星起源於太陽系外。

少數彗星有足夠快的速度,可以離開太陽系。這些彗星一生中只會接近太陽一次。

在彗星遠離太陽的階段,彗星處於冰凍和不活躍的狀態,由於體積很小,因此很難甚至無法從地球上觀測到。

大部分彗星就這樣一圈一圈的圍繞著太陽運轉,每次接近太陽都會造成組成物質的損耗,直到所有揮發性材料都蒸發掉,成為類似小行星的,小而黑的惰性巖石。這一階段的彗星被稱為「熄火彗星」。大約百分之六的近地小行星被認為是熄火彗星,它們的彗核已不再釋放出氣體。

作為同樣圍繞太陽運行的小天體,彗星與小行星的區別在於存在著包圍彗核的大氣層,且大氣層未受到引力的拘束而不斷擴散。但是,小行星和彗星之間的差異是模糊不清的。在太陽系內,已經有五顆天體被認為既是彗星又是小行星。

有一些彗星在接近太陽的時候,會分裂成為碎片。這些分裂可能是太陽或大行星引力導致的潮汐力,或是由於揮發性物質的"爆炸"造成的。如果彗星的路徑跨越地球的路徑,當地球經過彗星分裂碎片的時候,就有可能形成流星雨。每年8月上旬,當地球穿越斯威夫特-塔特爾彗星的路徑時,都會觀察到英仙座流星雨。

有些彗星的近日點極為接近太陽,距離可接近至太陽表面僅數千公裡,這些彗星被稱為掠日彗星。

較小的掠日彗星會在接近太陽時被完全蒸發掉,而較大的彗星則可通過近日點多次。然而,太陽強大的潮汐力通常仍會使它們分裂。

有些彗星會被太陽捕獲,直接落入太陽。還有些彗星分裂後進入另一顆行星或天體。在太陽系的早期,彗星和行星或衛星之間的碰撞是很常見的。最近一次彗星與行星的撞擊發生在1994年7月,分裂後的舒梅克·利維九號彗星與木星相撞。

地球也不免受到彗星的撞擊。許多科學家認為彗星的撞擊為40億年前的地球帶來了大量的水,形成了目前地球上的海洋。還有人推論彗星可能為地球帶來了低等級生命的組成物質,甚至是生命本身。當然,侏羅紀生物大滅絕也被認為可能是彗星撞擊的結果。

哈雷彗星是最著名的短周期彗星,每隔75-76年就能從地球上看見,是唯一能用肉眼直接從地球看見的短周期彗星。哈雷彗星將在2061年再一次回歸,小朋友們還見得到。

至少在公元前240年,哈雷彗星接近地球就已經被天文學家觀測和記錄到。在中國古代、古巴比倫、和中世紀的歐洲都有這顆彗星出現的清楚紀錄。最先和最完備的哈雷彗星紀錄都出現在中國;自秦始皇七年(前240年)至清宣統二年(1910年)共有29次出鏡記錄,這些記錄符合現代科學的計算結果。

哈雷彗星是揮發性冰——水、二氧化碳、氨——和宇宙塵埃的混合物。它的表面大部分是宇宙塵埃,沒有揮發性物質,並且只有小部分是冰。

舒梅克-利維九號彗星,在1994年7月中下旬與木星相撞。這是人類首次直接觀測太陽系的天體撞擊事件。

舒梅克-利維九號彗星是在1993年被發現的。在發現的時候,這顆彗星的軌道環繞著木星,有可能是在1970年代或更早期被木星的引力捕獲。如此靠近的距離使這顆彗星碎裂成數百片,並在1994年花費了六天的時間陸續撞擊木星。

舒梅克-利維九號彗星最大的碎片於1994年7月18日07時32分撞向木星,威力相當於當時全球核武器儲備總和的750倍。所造成的疤痕比地球半徑還要長。撞擊的傷痕非常顯眼,比大紅斑更容易看見,在木星上存在了好幾個月。

在碰撞後,氨和二硫化碳在木星大氣中持續存在至少十四個月,原本應該在對流層出現的氨,也在平流層被大量發現。

或許正是因為木星的存在,彗星和小行星等小型天體撞擊地球的機會才會明顯下降,使得地球出現生物滅絕的次數少之又少,地球才會孕育出複雜的生命,形成高度的宇宙文明。

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