第一章　彗星

彗星与我们以前所研究的天体的差异在于其特殊的形状、偏心率巨大的轨道以及出现的稀少。其结构和本质的问题在人类历史上的很长一段时期显得相当神秘，无论西方还是东方，都对这类天体的出现抱有极大的兴趣。一颗在地球附近的，我们可以很明显地观测到的彗星（更科学的说法是在太阳附近的彗星）可分三部分，但每部分之间并没有明显的界限，而是互相连合成一气的。

首先，我们肉眼所见的是一颗星状物，这叫做彗星的核。

包围核的是云状的模糊一块，正像一团雾，渐渐地一直淡到边上，我们竟不能确定它的边界，这叫做“彗发”（coma）。核与发在一起合称彗星的头部，看来好像是一颗星从一块云雾中发光一般。

从这彗星展开的是尾部，它的长短几乎是各色各样都有。小彗星的尾部可以小到不可再小，最大彗星的却可以占据天穹的大部。接近彗星头部的地方窄而亮，离头部愈远便愈宽愈散漫，因此它是多少带有扇形的。到末尾时它消隐得非常模糊，简直与天连成一片，很难说眼睛究竟可以追踪到什么地方。

彗星的亮度互相之间有极大的不同，且不论其中较亮的可以拥有特别夺目的光彩，而大部分却是肉眼看不见的。有时一颗小彗星竟没有可见的尾部，这却只是在最暗淡的时候才如此。有时却又几乎完全没有核，所有能见的只是一小团雾状物，像轻云一片，中央略微亮些。

从历史记载中看来，100年中肉眼可见的彗星约有20～30颗。但用一架望远镜搜索天空时，却发现这种物体多得出乎意外。每年都有勤劳的观测者发现一大批。无疑，这数目大半依靠机会以及搜索的技术。有时一颗彗星被几位观测者各不相谋地发现。这时如果谁第一个定出彗星的正确位置并告知天文台，谁就是这颗彗星的发现者。

给彗星起名也有一定的规则。因为彗星的出现往往是随机的，即使是周期彗星，周期一般也都很长。那么最早发现彗星的人的名字就可定为是这颗彗星的名，并在发现者名字前加上公历年份，并依照这一年发现彗星的先后次序加上拉丁字母a、b、c……但也有发现者自己命名的。

彗星的轨道

在望远镜发明后不久，人们就发现彗星也和行星相似，是循着环绕太阳的轨道运行的。牛顿爵士证明它们的运动也正和行星运动一样受太阳的引力支配。其间的最大不同是它们并不像行星一样有近似圆形的轨道，它们的轨道延展得大半都不能测定其远日点。我们下面要对彗星轨道的性质和支配它们的定律略加解释。

牛顿证明一切在太阳引力作用影响下运动的物体都永远画出圆锥曲线。这曲线有三种：椭圆、抛物线、双曲线。第一种是人所共知的首尾相连的曲线。抛物线和双曲线却并不如此，它们都有两个分支远远延长出去。抛物线的这两个分支在更远处可以说差不多伸展向同一个方向，但双曲线的两支却永远相离。

图57　彗星的抛物线轨道

（附注：圆锥曲线的概念是公元前4世纪的希腊数学家密勒克姆第一个提出的。平面与圆锥任意相交时可能得到3条曲线。这时，如果移动的平面不平行于任意一条圆锥的母线，那么得到的截线是椭圆；如果移动的平面平行于圆锥的一条母线，那么截线是抛物线；如果平面穿过两个腔，所得到的截线就是双曲线。）

理解了这3种曲线的意义之后，我们来做一个思维试验。假想我们现在被固定在地球轨道上的某一个点上。由于太空中太过寂寞，我们便开枪来消遣时光，使我们的枪弹也像小型行星一样环绕太阳。所有我们发射的子弹中，凡是速度在地球以下的，也就是说每秒速度不到29.8千米的，都要绕太阳沿自身回归却比地球轨道小的路线运行，并不管我们对什么方向发射去。这中间还有一条很简单且很奇特的规律，即凡是速度相同的，轨道的周期也必相同。所有用和地球相等速度发射出去的枪弹都要一年环绕一周，而且在同时齐集于它们的出发点。如果速度超出了每秒29.8千米，轨道就比地球的大，而且速度愈高，公转周期愈长。速度超出了约每秒41.8千米，太阳的吸引力便收不住它，而这枪弹便要沿着双曲线的一端而一去永不回了。不管我们对什么方向开枪都会发生这种情形的。因此在离太阳一定远近的地方便有一定的速度限制，只要速度超出了这限制，彗星便要离开太阳不再回来了；而如果不到这限制，它还是一定会被引力拉回来的。

离太阳愈近，这种速度的限制就愈大。它是和到太阳距离的平方根成反比例的，因此远了4倍便只有原先的一半了。发现空间中任何点的速度限制的定则是极简单的，这便是取行星的圆形轨道中经过这点的速度再乘以2的平方根1.414。

因此如果天文学家能从观测中发现一颗彗星经其轨道中一已知点时的速度，他便可以据此测定出这颗彗星远日点的距离和它的回归周期了。把这彗星在其可见期中所观测到的数据仔细地研究一下，便大致可以得到这个问题比较精确的结论。

事实上，我们还没有发现任何一颗彗星的速度确然超出了上述限制。值得注意的是，有些观测中得到的速度的确有些微的超出太阳引力所允许的速度，但这超出的部分却都在观测时可能存在的误差范围内。大半速度都和限制非常接近，竟很难说清楚这速度究竟在这结局完全不同的分水岭的哪一侧。因此这彗星便无疑地要飞到遥远的太阳系边缘，要过几百年、几千年甚至几万年才能回头。有的彗星的速度却又比限制值低了很多，这一类彗星的公转周期较短，因此被称为“周期彗星”（periodic comets）。

依我们所知说来，大部分彗星的运动的历史都属这一类。在我们看来，彗星是由挥发性元素在太阳系边缘凝聚而成的，它们好像是天文时间的存放器，保存着太阳星云早期的有关信息。如果一颗彗星对准了太阳飞去，它便要落进太阳去的，但这情形不但到现在未见发生，而且依我们下面说的理由也绝不会有希望发生的。彗星愈接近太阳，速度愈快，循更大的曲线绕中央物体旋转，再依由此而生的离心力飞开来，返回的方向差不多和来的方向相同。

因为这种物体暗弱无光，即使在望远镜中也只有当它在轨道中近太阳部分才可看见。这便是难以测定彗星周期，尤其是那些速度特别快、回归周期特别长的彗星的准确周期的原因了。

哈雷彗星

这些物体中第一颗被发现依规则周期而回归的是天文学史上著名的哈雷彗星（Halley’s comet）。这颗彗星出现于1682年8月，约过了一个月方才隐没。哈雷竟能根据观测所得计算出轨道要素。他发现这正和开普勒在1607年所观测到的一颗明亮的彗星的轨道特色相合。

两颗彗星会恰好在同一轨道中运行看来是绝不会有的事。因此哈雷断定，这真实的轨道必为椭圆，而这彗星定有约76年的周期。如果真是这样，它一定会每隔76年出现一次。

于是他从许多年代中减去这周期，看是否有彗星出现的记载。从1607减去76得1531，他发现确有一颗彗星出现于1531年，他也很有理由认为这是那同一轨道中的彗星。再从这一年推上约76年，便是1456年。1456年果然又有一颗彗星出现。并且这颗彗星曾使基督教国家恐惧，以致教皇加利斯都三世（Calixtus III）下令祈祷避灾，一则抵制这颗彗星，二则抵制正向欧洲进攻的土耳其人。那“教皇下谕制彗星”的传说大约即指此事。

更古的历史中还可发现这颗彗星的可能的出现，但哈雷不能证实确是这颗彗星，因为缺乏详密的记载。但这4个观察详细的年份，1456、1531、1607、1682，却使人很有根据推测这彗星在1758年还要回到太阳这边来。当时法国最优秀的数学家克莱罗（Clairaut）又算出了木星与土星的引力对这颗彗星轨道的影响。他发现这种影响要使这颗彗星延迟到1759年春季才能返回近日点。它果然依这预言出现而且确实在那年3月12日经过近日点。

图58　1986年的哈雷彗星

哈雷彗星再次经过近日点在1835年11月，再下一次在1910年4月。这次回归的景象颇为壮观：4月20日过近日点时彗尾已亮得肉眼可见，5月初便在黎明前东天中呈露耀目的光彩，过近地点时彗尾长达125～150度。5月19日这颗彗星恰从地球太阳之间经过，又过两天它的尾部便掠过地球，由于那时它距离地球只有2 500万千米，故有人担心完全被彗尾笼罩的地球生物会全部死亡。其实彗尾非常稀薄，而地球未发生任何异状。约到7月间哈雷彗星已退行极远，望远镜中也看不见了。不过，它横扫天际的景象着实使当时的人们心惊肉跳。哈雷彗星在1986年又回到近日点，这颗著名的彗星再次成为肉眼所见的奇观。它下一次返回内层太阳系的时间是2061年。

消失不见的彗星

1770年6月法国天文学家勒格泽耳（Lexell）发现了一颗有特殊趣味的彗星。这颗星不久就可被肉眼看见了。它在一椭圆轨道中运行，周期只有约6年。因此大家便深信不疑它的回归的预言了，可是它却绝未再现。很快就发现了原因所在。当它6年后回归的时候，正好在太阳那一边，所以看不见它。再过去继续公转时，它必须正从木星邻近经过，而木星的有力的吸引使它改了新轨道，于是再也回不到望远镜能及的范围以内了。这也便解释了何以从前也未曾见过它。在勒格泽耳发现它以前，它也正从木星附近经过，木星把它投入了与前不同的轨道。就这样，我们系统中的这巨人行星简直可以说是先把这彗星在1767年拉过来，使它到太阳附近，让它绕太阳转两个圈子，又在1779年它来到旁边的时候再重新给它一推，一推就不知推向何处去了。从此以后，竟有二三十颗彗星都明知是有周期的，却大半只观测到两三次回归。

彗星是可以解散和衰亡的。比拉彗星（Biela’s comet）便是显然完全解散的一颗。这颗彗星在1772年第一次被观测到，但并不知其为周期彗星。1805年它又出现，天文学家还是没有注意它的轨道正是1772年的那颗。1826年第三次发现它，这时用更先进的方法测算轨道，才把它和以前两次的认定为同一颗。公转周期已定为6.67年。因此测算出它必定在1832年及1839年再出现，但这两次地球都不在一个可以看见它的位置上。到1845年年终它又重新出现，在11月、12月中又观测到了它。到1846年1月它靠近了地球和太阳，才发现它已分成两半。起先其中较小的部分非常暗淡，后来光度渐增终至与另一部分相等。

比拉彗星下一次回归是在1852年。这两部分比之前分离得更远了。在1846年相隔约为32万千米，在1852年已超过160万千米了。最后一次观测在1852年9月。虽然从此以后还要回来七八次，却再也没有看见。根据以前的回归，我们可以很准确地算出它再现的位置，而由它的不出现，我们也可以认为它是完全解散了。下一章中我们再略微研究构成它的物质。

有两三颗彗星都是按同样情形消失不见的。它们都只被观测了一次或一次以上的回归，每次都更暗淡稀薄，最后完全消失不见。

图59　比拉彗星

恩克彗星

周期彗星中被观测得最频繁且最有规律的一颗是被称为恩克的彗星（Encke’s comet），这是第一个准确测定其运动的德国天文学家的名字。它在1786年被发现，但是它的轨道却没有立刻测定（这是常有的情形）。第二次回归是在1795年被卡罗琳·赫歇耳女士（Miss Caroline Herschel）发现。1805年及1818年又重新被发现了两次。只在后一次才测定了它的准确轨道，于是经过计算才建立起它的周期性并且与此前的观测合一。

这时恩克才发现它的周期约是3年又110天，由于行星（尤其是木星）的吸引而略有变动。后来差不多它每次回归都有地方观测到它。

这颗彗星著名的特点是它的轨道在若干年内不断地减小，一直到后来它到太阳的平均距离减少了40多万千米。从恩克彗星不大的远日距推测，它可能已存在好几千年了。另外，从它的外表来看，发尾皆无，已是一副老态龙钟的样子。

1984年4月，环绕金星运行的空间探测器发现当时位于地球和金星之间的恩克彗星正在散发大量的水蒸气，失水的速率比原来估计的要高出3倍。一些人认为恩克彗星不会存在很久了，马上要寿终正寝了。但其他人却不这样认为，他们说，虽然恩克彗星的视亮度在不断变暗，但它的真亮度近100年来并没有明显的变化。而且，它最近几次回归时抛出的物质也不见少，全然没有“油干灯灭”的迹象。

而每年11月20日至23日的金牛座流星雨，正是恩克彗星所赐。

木星捕捉彗星

1886年～1889年出了一桩可注意的事，一颗新彗星加入太阳系了。在后一年中布鲁克斯（Brooks）观测到了一颗彗星，证明它的轨道周期只有7年。因为这颗彗星很亮，便发生了为什么以前没有观测到的疑问。这问题不久便有了答案，发现了在1886年这颗彗星曾从木星附近经过。木星的吸引竟大到改变了它的轨道并使它沿现今的新轨道运行了。还有些周期彗星离木星很近，它们也大概是同样被木星捕捉了的。

于是又有了问题：是不是所有短周期彗星都真是这种来历？这问题必得一个否定的答案。因为哈雷彗星就不接近任何行星。恩克彗星也是如此，它并不接近木星到能被木星吸引成现在的轨道的地步，不过当它的轨道原先较大时，却也许会有这种事的。

1994年6月，苏梅克—列维9号彗星不但被木星捕捉住了，而且与之发生了亲密接触，堪为近年来最重大的天文事件之一。这颗彗星由尤金（Eugene），卡罗琳·休梅克（Carolyn Shoemaker），戴维·利维（David Levy）于1993年发现。在它被发现后不多久，人们就测定出它运行的路径靠近木星，呈高度椭圆状，并且处于将发生碰撞的路线之中。

分析得知，苏梅克—列维9号彗星早在1992年与木星擦肩而过时，已分裂成至少21片碎片，这些碎片分散在其几百万千米的轨道沿线。原彗星及个别碎片的体积和质量依然不得而知，估计原彗星体的直径为2千米～10千米，最大的碎片为1千米～3千米。

1994年6月16日至22日期间，彗星碎片朝木星大气层的外部冲击而来。这是有史以来第一次人们有机会目击地球外的两天体的碰撞。事实上，这次碰撞为每一架大型基地天文望远镜、几千架小型业余望远镜及几艘宇宙飞行器包括哈勃太空望远镜和“伽利略”号所观察。而在碰撞后几小时之内，图片便被传送到网上，并在ftp和www站点引起严重的网络堵塞-。

图60　1994年哈勃太空望远镜拍到的苏梅克-列维9号彗星

彗星的来历

不久以前大家都还假定彗星是从恒星间的广漠的空间中来到太阳系里的。这种见解现在算是已经完全被撇开了，因为事实上还没有证明哪一颗彗星的速度超过了一个界限，它们的速度允许它们由最远的行星轨道之外飞来，但这距离虽大，却还远不及恒星的距离的。我们此后还要看到太阳自身也是在空间之中运行的。即使我们承认彗星是从太阳系之外的远方来的，上述的事实也证明，它们即便是在太阳系之外时也是随着太阳系一同在空间中运行的。

根据对整个问题的研究，现在似乎已经成立了的见解，便是认为这些物体都有规则的轨道，和行星不同之处只在其轨道的偏心率太大。它们的公转周期往往是数千年、数万年，甚至于数十万年。在这中间，它们飞越了行星边界之外很远很远。如果在它们回到太阳附近时碰巧接近了一颗行星，便有两件事可以发生：或者这颗彗星被引力弹弓推了一下，因而加快速度飞向比前更远的距离去或甚至远得不能再回来，或者它的速度减低因而轨道缩小。因此我们才有这些周期不同的彗星。我们于是得到结论，认为我们所见的彗星现在都是太阳系的一员了。还有人提出一种意见，而且那也并非不可能，便是说我们这些彗星的来源是当遥远的古代太阳从宇宙尘云（暗星云）中经过时获得的。

荷兰天文学家奥特在1950年提出了一个有名的假设：在太阳周围存在着一个巨大星云团（Oort Cloud），它是一个彗星库，里边有上亿个很小的固体状彗星核。在过往恒星的引力作用下，奥特星云就向太阳系内部馈射彗星。根据目前掌握的资料来看，没有任何彗星的轨道是明显地来自太阳系之外。这个事实也说明了彗星不大可能来自星际空间。奥特的假说虽然为很多天文学家所接受，但这个假说是否完全正确，目前还不得而知。

明亮的彗星

有时出现的非常明亮的彗星是任何见到的人所最感兴趣的。就我们的知识而言，它们何时出现还完全看运气。所谓大彗星在19世纪中只出现了五六颗，其中最可注意而且最明亮的出现于1858年，名字便是它的发现者意大利天文学家杜那底（Donati）。它的发现史便足以表示此类物体的变化。6月2日第一次见到它时还只是望远镜中能见的很暗的星云，正像天上的一小片白云。那时既不见尾部，也毫无征兆可以知道它将变化到什么程度。这样直到8月中旬，那时才渐生尾部。9月上旬肉眼便可看见了。此后它便以惊人的速度增长，每夜更大更亮。在一月以内几乎不见它太大的移动，每夜只在西天游荡。约在10月10日达到亮度的极限。其时由哈佛天文台的邦德（G.P.Bond）给它绘图。我们有两幅显示其头部的情形，一是肉眼所见，一是望远镜所见。10月10日以后它又很快消逝下去。不久便向南移动逃到我们的地平线下，由许多观测者到南半球去追踪直到1859年3月。

图61　19世纪的大彗星：1811年大彗星（左上）、1843年大彗星（右上）、1858年的杜那底彗星（左中）、1861年大彗星（左下）、1882年大彗星（右下）

在这彗星消失在视野内之前便已有人开始计算其轨道了。不久便发现它并不是沿着标准的抛物线运行，却是一道延长的椭圆。周期约为1900年左右，不过也许有上下100年之差。因此它在上一次回归时应能被看见，但公元前1世纪中并无记载可以核定。下一次则要等到38世纪或39世纪了。

还有一件值得注意的事情是1843年、1880年、1882年的彗星差不多是在同一轨道中运行的，其中的第一颗是记录中最值得回忆的一颗。它离太阳近得竟要擦着太阳的边——事实上它已经过了日冕的外层。约在2月末它极快地在太阳附近出现，白昼中也可见到它。更奇怪的是它凑巧出现在一个预言之后不久，那预言说世界末日将于1843年来到。受到这预言警告的便把这颗彗星看做即将降临的大祸的征兆了。

这彗星在4月中即已消失不见，因此它的观测时间是比较短的。它的公转周期于是成了很吸引人的问题。但我们发现它的轨道还与抛物线没有太显著的差别。不过因为观测时间太短，以致任何对周期的臆测都有些不可靠了。我们能说的只是它下次回来至少要在若干世纪以后。

然而37年以后却有观测者在南半球发现了一颗彗星，几乎与前者正在同一轨道中运行，于是不能不使人大大吃惊了。它出现的第一个信号便是它的长尾从地平线上露了出来。那时在阿根廷，在好望角，在澳大利亚都看见了。直到2月4日才见到头部。它绕过太阳再往南去，未被北半球的人看见就消失不见了。

于是生出了一个问题：这难道就是1843年的那颗彗星吗？从前大家假定两颗这种物体在同一轨道中相隔一长时期出现一定便是一颗。但在这一情形中那假定似乎与观测的事实不相符合了。这问题到1882年才确定，因为又有第三颗彗星出现，轨道也差不多相同。这无论如何不会是仅仅两年多以前出现的那颗彗星了。于是有了一桩可观的景象：3颗明亮的彗星在同一轨道中依不同周期运行。这一群的彗星中我们还要加入1668年和1887年的两颗。

大概这些都是一颗大彗星在近日点时被太阳引力撕成的5部分。其中之一，1882年9月的大彗星的核在经过近日点之后不久后又碎为4部分了。这4部分相隔各约一世纪，周期由660年～960年，回来时将是4颗不相连属的彗星了。

彗星的本质

看起来彗星的核是冰、气体、小部分灰尘和其他固体物质的集合，其中大小相差悬殊，有沙粒也有像天上落下的陨石那样的大块。那么剩下的问题就只是何以经过彗星的这许多次回归后它们还能聚在一起了。彗星头部离太阳较近时常常改变形状也足以证明上述假说较近真理。

对这些彗星进行分光后的光谱很明显地表示出它并不仅仅是反射太阳光。其中主要的特色是3道明亮的谱线，这与碳氢化合物的光谱有十分显著的相似。这正是一种发光气体，而且也贡献了彗星组织内的光谱。

至少在一大半情形中并不是太阳的热量使这气体发光的，而是太阳风的作用，正和那使我们上层大气中有极光是一类。

看来构成明亮彗星的物质无疑地具有挥发性。当一颗明亮的彗星经望远镜细心考察时，有时常可见到有蒸汽缓缓从头部向太阳上升，以后再展开来离开太阳构成尾部。它的尾部并不是它拖着的附属品，像兽类拖带尾巴一样，那却是类似烟囱里冒出的烟流，它由烟雾大小的灰尘微粒组成，逃逸的气体从彗核中被驱赶出来。

常常一颗彗星开始出现时并没有尾部，渐近太阳时尾部才渐渐形成。它离太阳愈近，它受的热量愈大，这尾部发展得也愈快。构成尾部的材料很快地向外运动，显然它受到了太阳辐射的有力推动。因此彗星的尾部总是朝向太阳相反的方向。