试听180秒IV：彗星｜太阳系的活化石

引言：彗星这迷人的又有点诡异的东西，为什么质量如此小的它们却又如此重要呢？

知识点I：彗星的编号与命名

       小行星的发现者拥有命名权，而彗星的命名规则更直接——发现者的名字就被直接用到彗星身上了（哈雷彗星和恩克彗星是特例，不是以发现者的名字命名而是以成功预测其回归的科学家名字命名）。一开始是约定俗成，后来国际天文学联合会就有了明确的命名规则，以最早独立发展者名字命名，最多可以由三个人姓氏来命名，以收到报告的先后排序。然而和小行星不同的是，以发现者名字命名反而成了临时命名，或者说是俗称，真正登记造册的却是编号。

       1995年以前，比较混乱。先是按发现次序获得编号，采用年份加小写的英文字母。然后经过持续观测和轨道的测定，根据其过近日点的次序再给一个编号，年份加罗马数字。所以例如苏梅克—列维9号，就有1993e和1994X两个编号。但是，有时候会突然发现一颗马上就要过近日点的新彗星，那么在原来已经排好序的编号里就无法“插队”了，如1994IX和1994X已经确定好，如果新发现的彗星过近日点时间恰巧在它们俩中间，怎么办？于是，1995年起采用了新的系统，即参照小行星的做法进行编号（详见第二期）。此外，为了方便标识彗星的特点，在编号前加上标记，如A/表示可能是小行星，C/表示长周期彗星，P/表示回归1次以上的短周期彗星，为避免短周期彗星回归时被重新标记，则在P/或D/前加上一个由IAU小行星中心给定的序号，例如哈雷彗星就叫1P/Halley。X/表示尚未计算出轨道的彗星，D/表示不再回归或已经消失的彗星。

知识点 II：彗星与流星雨

       1826年2月27日奥地利的一位军官比拉发现了一颗彗星，随后天文学家冈巴尔确认与1772年、1805年出现的彗星为同一颗周期为6.6年的短周期彗星。1846年2月再次回归，但就在过近日点前一个月左右，比拉彗星分裂成了2颗。此后两个彗核之间的距离越拉越大。1859年，因为离太阳太近，无人发现它。到了1865年，天文学家期待看看这位老朋友长啥样了，却怎么也找不到了。到了1872年，人们依然没能发现这颗彗星。然而，11月27日，地球穿越彗星轨道时，令人震惊的事情发生了，那天晚上，天上降下了一场真正的流星雨——有人一晚上数到了33400颗流星！据估计总数可能在16万左右，它们都来自仙女座γ星附近。

       由此，天文学家确认了流星雨和彗星之间的关系。彗星回归时会喷发大量的物质散落在轨道上，只要地球经过彗星轨道就有可能发生流星雨，所以来自同一区域的流星雨应该每年都会有，而每隔一个彗星回归年，就有可能来一波大的流星雨。但具体还要看地球到底经过哪一团回归物质。

1846年的比拉彗星（来源：Wikipedia）

1872年11月27日比拉彗星造成的流星雨，此图为手绘流星路径，收藏于法国巴黎哈切特图书馆。（来源：Tufts University）

知识点 III：彗星的化学组成

       直到19世纪分光学发展以后，才开始研究彗星的化学组织。彗核非常非常小，而且彗星气体密度非常低，犹如薄云一样，完全可以透过星光。彗星中发现了斯万光谱，这种光谱可以在蜡烛等许多含碳的火焰中看见，现在我们知道是两个碳原子组成的中性碳分子（C2）所造成的。1881年后，底片被制造出来，拍摄到的光谱就清晰多了，天文学家在彗星光谱中发现了一个碳原子和一个氮原子组成的中性CN分子。1910年哈雷彗星的回归，5月18日地球穿过哈雷哈雷彗星的尾巴，当时很多人害怕彗尾中有毒气体侵入地球，事实证明那是杞人忧天。通过光谱分析，我们知道彗星中含有碳、氢、氧、氮等元素组成的离子态分子，这些分子在化学上不稳定，叫做基，它们是被日光分解产生的，它们是彗核的组成部分。因此彗星里可能有水、氨、甲烷、氰、氮、一氧化碳、二氧化碳等。1986年哈雷彗星回归时，前苏联、欧洲以及日本接连发射了5个探测器造访哈雷彗星，证实了此前的推测，并探知彗核中水的含量占到总质量的80%，比之前估计的要大的多。考虑到彗核中还有尘埃、砂粒等，所以糅合在一起就好像是个“脏雪球”。

C/2001 Q4 (NEAT)彗星的光谱（来源：Società Astronomica G.V. Schiaparelli）

知识点 IV：彗尾的成因

       目前还没有一个非常完美的解释，但有个“辐射压”模型似乎挺有道理。当一束光照射在物体上，那么在光的入射方向上会形成一种压力，这就是辐射压，这种压力按光的强度增加，也随物体垂直于光的面积成正比。绝大多数情况下，这种辐射压可以说足够薄弱完全可以忽略不计，如一个完全反光的物体在太空中置于阳光下，1平方米面积上所受阳光压力只相当于0.001克物体重力。这种力的作用方向与引力相反，所以相当于斥力。万有引力和日光斥力都是和距离的平方成反比的。如果一个物体长度缩小一倍，面积则缩小为1/2，体积则要缩小为1/8，换句话说，物体体积缩小的幅度要大于面积缩小的幅度，所以当物体缩小到足够小的时候，辐射压就会成为不容忽视的一个作用。根据计算，如果水的质点直径等于1微米的时候，引力和斥力就能得到平衡。如果质点再小的话，辐射压就会超过万有引力，这个微小的质点在太阳光的推动下，就会脱离原本的物体了。有科学家计算说密度为1g/cm³，直径为0.2微米的质点，最大斥力可以等于引力的18倍。彗星上是被太阳电离的分子，很可能就是这样被太阳光带出来的。另外，彗星气体中含有很多微尘，日光漫射的作用不容忽视，或许成为彗尾为何如此显眼的重要原因。

知识点 V：彗星来源

       彗星的轨道很特别，不同于太阳系其他天体，不符合同向性、近圆性、共面性这三个太阳系的行星运动的典型特征。由于许多彗星轨道都接近抛物线，因此天文学家猜测它们是不是来自同一地方。另一方面，彗星的组成以冰块、微尘、细小的粒子为主，结构相对松散，暗示它们来自遥远的太阳系外围，还保留着比较原始的状态。荷兰天文学家奥尔特和范沃尔康分析了当时一个世纪所观测到的彗星受大行星影响的统计数据之后提出，最初的彗星距离太阳在遥远的5万至20万天文单位，它们是太阳系形成时残留下来的物质，分布在一个球形区域内，所以会来自各个方向。他们推测，靠外的彗星会射到临近恒星引力摄动已经逃逸，现在我们看到的彗星都来自5万至10万，最多15万天文单位的地方。这些彗星本身轨道同样接近圆形，但是在太阳以及大行星引力的影响下，偶然改变了轨道进入太阳系内部区域。这种引力影响下走出抛物线轨道，越往里走，受到大行星的引力摄动越大，轨道才变成了椭圆。奥尔特认为彗星仓库中彗星总量可能是1000亿颗，但总质量可能还不到地球的1/10，大约只有十万分之一的彗星是可以被我们看到的。这个彗星云的模型被称为“奥尔特云”。虽然“奥尔特云”依然是个猜测，但有一点几乎是确定的，那就是彗星肯定来自遥远的太阳系外围，它们很可能保留着太阳系形成初期的原始信息，年龄可能比地球还大得多，是名副其实的太阳系活化石。

奥尔特云位置示意图（来源：Wikimedia Commons）

太阳系结构侧视图（来源：nature.com）