奇妙的彗星
古代人偶尔看到星空出现形态怪异的游荡天体，谓之“彗星”，俗称“扫帚星”(“彗”就是扫帚的意思)。英语的“comet(彗星)”一闻来自希腊文，原义是有尾巴或毛发的星。
1、从惊恐迷信到科学探索
彗星偶然出现，又形态怪异，令人感到惊慌和恐惧，过去常把彗星看作战争、饥荒、洪水、瘟疫等灾祸的症兆。无论中国或外国。都有关于彗星的种种迷信和传说，“扫帚星”成为不吉利的代名词。
湖南长沙马王堆汉墓出土文物中有一幅彗星图，绘有二十多种不同形态、名称的彗星。用于占b战争和灾祸。明代的李淳风在《乙巳占》中写了很多关于彗星的迷信，诸如“长星状如帚。孛星圆。状如粉絮。孛孛然皆逆乱凶。孛之气状虽异，为殃一也。余灾不尽，为兵丧水旱，凶饥暴疾。长大见久灾深。短小见速灾浅。”“彗出大角，大角为帝座。秦始皇时，彗出大角，大角亡，以亡秦之象。昔汉高三年，孛大角，项王以亡，汉氏无事，此项王先受命也。”
史学家迪奥多尔(Diodore)认为。公元前372年出现的一个彗星预兆斯巴达人的衰颓，而埃弗尔(Ephore)认为它预兆赫里斯和步拉城被海摧毁。1066年4月。威廉大帝侵入英国时，彗星出现，当时人们惊讶的神情被留在了大英博物馆保存的巴耶城彩绣上。哈雷彗星在1910年回归时，欧美报纸甚至宣称含毒气的彗尾在5月18日扫过地球，大做有关彗星的药品广告，欺骗公众。
然而，也不乏彗星出现与吉利对应的例子。彗星出现的1811年是葡萄丰收年，盛产的美酒名为“彗星酒”。实际上，彗星的出现完全是一种自然现象，跟灾祸没有直接关系。
公元前4世纪，古希腊学者亚里士多德及其后继者们认为。彗星是地球大气中的燃烧现象，这种看法延续很久。直到16世纪，哥白尼也没有摆脱前人的陈旧观念，他说：“高层大气是彗星产生的地方，它和其他星辰一样东升西落。”
我国古代对彗星有较恰当的看法。《晋书·天文志》有“彗体无光，傅日而为光，故夕见则东指，晨见则西指。在Et南北皆随日光而指，顿挫其芒，或长或短”。这符合观测事实。
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1577年出现一个大彗星，丹麦天文学家第谷·布拉赫把欧洲各地观测到此彗星的星空位置相互比较，发现彗星位置比月球的位置差异小。由此证明彗星比月球更远。因此彗星必定是天体，而不是地球大气内的现象。
在开普勒定律的基础上，牛顿发现万有引力定律。建立天体力学的基础，从而可以由彗星的观测位置资料来计算它的轨道。哈雷花了很多精力研究昔星轨道，编纂了以前的彗星记录。到1705年，哈雷计算出24颗彗星的轨道。1695年，哈雷发现1531、1607、1682年出现的彗星轨道相似，经深思熟虑，提出这可能是同一个彗星的三次回归(出现1，并推算和预言它将在1758年底或1759年初还会回归。这个预言果然应验了。1758年12月，在预报的位置附近见到了这颗彗星。遗憾的是，哈雷于1742年去世，未能亲自目睹。这是科学史上的一个重大成就，证明了彗星跟行星一样受万有引力作用而绕太阳运行。为了纪念哈雷的伟大发现，这个彗星被命名为“哈雷彗星”。接着，德国天文学家恩克(J.F.Encke)算出另一个彗星的轨道，并预言它在1822年回归，结果又应验了，这颗彗星即被命名为“恩克彗星”。此后，彗星的观测和轨道计算研究蓬勃展开。
随着望远镜及其附加仪器设备用于天文观测，开始进入探讨彗星的物理性质及其本质的时期。1835年哈雷彗星回归时，观测到它的形态结构(喷流、尾射线等)。导致贝塞耳(F.W.Bessel)的推测——彗星朝太阳方向抛出的尘粒，受一种未知的斥力而被推向背太阳方向。1900年，确认作用在尘粒上的斥力是太阳的光压(辐射压力)。
1842年，法国哲学家孔德曾断言：“无论什么时候，在任何条件下，我们不能够研究出天体的化学成分来。”但还没过二十年。就可以从天体的光谱观测和分析得到天体的化学成分。多那提(G.B.Donati)和惠更斯(C.Huygens)最先观测彗星的光谱，把18681I彗星的光谱与火焰光谱对比，发现彗星有碳分子(C：)。实际上，彗星光谱上有一些分子发射带和原子离子的发射线。随着高分辨的光谱以及扩展到紫外和红外及射电(无线电)波段观测，发现了很多新的谱线和谱带。同时，在理论研究方面也取得越来越多好的成果。说彗星不发光是不确切的，实际上，彗星气体受太阳辐射作用而发出荧光辐射。
以1985--1986年哈雷彗星回归为契机，全世界地面天文台站用多种方法对它进行联测。还发射飞船去进行近临探测，从此。彗星成为当代最活跃的热门研究领域之一，有多方面的罩要研究意义。
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抛开迷信。从科学研究上说，彗星跟地球有一些关系。英国天文学家霍伊耳(F.Hoyle)等认为，全球性流感病毒是彗星带来的，尚未证认的彗星复杂成分可能就是这种病毒。我国天文学家阎林山等的研究表明，1910年哈雷彗尾扫过地球的确造成一次特殊的地磁暴。流星体(彗星尘)在地球大气中的烧蚀微粒可能成为水汽的凝核。从而影响降水。统计分析表明，降水量变化跟彗星及相关流星雨有联系。甚至黄河水文分析预报也把哈雷彗星回归作为一个因素。
1981年。美国学者弗兰克(L.A.Frank)等从卫星拍摄的地球气辉紫外图像上发现了暂现暗斑——“大气洞”。用进入高层大气的小彗星(质量约20吨)蒸发的水汽云来解释。很多学者提出质疑，争论延续十年，直到低轨飞船(polar spacecraft)拍摄的连续图像上清楚地显示陨落过程，这一观点才得到广泛赞同。每年约有一千万颗小彗星陨落，带给地球约两亿吨的水资源，40亿年就足以提供海洋和极盖冰的水，因此可以说，地球之水彗星来!
1994年，休梅克—利维9号彗星分裂的20多碎块依次撞击木星。这次轰动事件使人们更加关注彗星撞击地球的问题。平均几十万年才有一颗大彗星撞击地球，最近10万年内，这种撞击的可能性很小。但是，在地球历史的早期，彗星撞击地球的概率比现阶段大得多，彗星不仅含有大量挥发物(H20.CO：等)，还含有生命起源前的有机物，彗星陨落带来这样的有机物，可能在地球环境下演化出生命。6500万年前的恐龙绝灭事件可能就是彗星撞击地球造成的。研究表明，太湖(盆地)可能是彗星陨落到近地面爆炸产生的。
彗星形成且长期在极冷的太阳系外部，又由于自身小，其内部没有发生地球等行星那样严重的演化，较好地保留下其形成时期的状态，为行星的形成和太阳系起源提供宝贵的“考古”信息。彗星是重要的“天然实验室”。那里有太阳辐射与彗星物质相互作用的一系列特殊的物理过程和化学过程，有宇宙线高能粒子作用产生的物质，有从太阳外流的带电粒子——“太阳风”及磁场跟彗星外流的等离子体相互作用形成的复杂波与粒子过程等，这些都是现代科学的前沿问题。
2、彗星的轨道特性
根据天体力学，太阳系的行星和彗星等天体都在太阳的引力作用下运行，它们的轨道都是圆锥曲线，而太阳位于圆锥曲线的一个焦点上。由不同时间三次以上的彗星位置观测数据。可以通过天体力学的运动方程求解。算出彗星的六个独立的轨道根数：
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（1）近日距q，彗星离太阳的最近距离；(2)偏心率e，表征其轨道形状；(3)过近日点时刻T，是某一次经过近日点的时刻；(4)轨道倾角i，是彗星轨道面与地球轨道面的交角；(5)升交点黄经Ω，彗星沿轨道从南向北穿过黄道面的交点称作升交点；(6)近日点与升交点角距(近点角)w。从太阳看，升交点方向与近日点方向的夹角是w。
彗星轨道的形状和大小由近日距q和偏心率e表征，轨道在空间的位置由倾角i和升交点黄经力表征。轨道的取向由近点角埘表征。此外。还有一些量也表征彗星的轨道运动特征，但这些量可以由六个独立轨道根数中的几个推算出来。
彗星除了主要受太阳的引力作用外，还受到行星的引力作用，因此，彗星的运动是天体力学尚未完全解决的多体问题。幸好，行星对彗星的引力作用一般比太阳的引力作用小得多，因此，可把行星的引力当作为小的“摄动”而作近似处理。但是，如果彗星运行中经过行星附近或长时间作用，则彗星的轨道就会有较大变化。因此。需要经常对彗星进行观测，通过复杂的计算来不断改进轨道和编算彗星的历表。一般以一定时刻(历元)的吻切轨道根数，来推算和预报其未来任何时刻的轨道位置和视位置。即编算出它的历表。
若彗星运动中接近行星，受行星的引力摄动更大，可能显著地改变轨道，甚至由椭圆变为抛物线或双曲线，从而彗星脱离太阳系逃逸到恒星际空间去。反之，如果彗星原来的轨道是抛物线或双曲线的，行星的摄动也可能使它的轨道变为椭圆，由非周期彗星变为周期彗星，这称作“俘获”。
早在16世纪，开普勒就曾说过，太空的彗星像大海里的游鱼那么多。那么，是否有办法推算一下彗星的数目呢?1950年，奥尔特(J.H.Oort)的彗星轨道统计研究表明，轨道半长径为3万到10万天文单位的彗星数目明显多。再考虑大多数彗星的轨道倾角是随机分布的。即各种倾角值都有，因此推测出，在离太阳3万到10万天文单位有个近于均匀球层式的彗星储库，现称作“奥尔特(彗星)云”，估计那里约有上千亿颗彗星。新的统计研究表明。奥尔特云可分为内外两部分：内奥尔特云离太阳3千到2万天文单位，约有1万亿到10万亿颗彗星；外奥尔特云离太阳2万到5万天文单位，约有1万亿到2万亿颗彗星。一般观测不到这些彗星，当某些恒星从太阳系近旁走过，其引力摄动趋使个别彗星发生很大的轨道变化。运行到太阳系的内区，成为可观测到的“新”彗星。
1970年代初。柯伊伯(G.P.Kuiper)为了解释海王星轨道的摄动变化。推测在海王星轨道外，离太阳40到50天文单位处有一个彗星环带，现在称为“柯伊
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伯带(Kuiperbelt)”，那里的天体称为“柯伊伯带天体(KBO)”。近十多年来，已发现一千多颗柯伊伯带天体，其中最大的已正式命名为阋神星(Eris)，并与冥王星和小行星谷神星一起成为首批“矮行星”。研究表明。柯伊伯带离太阳30到1000天文单位。估计约有1亿到1万亿颗“柯伊伯带天体”。最近还发现柯伊伯带之外的“弥散盘(scattereddisk)的一些类似天体。
3、彗星的奇特形态和性质
肉眼看到的亮彗星，可从形态上分为彗头和彗尾两部分。彗头由彗核和彗发组成。彗核在彗头的中央，有时看上去像个星状的小亮点，很难分辨出来。彗发的范围可达百万公里，氢彗发可达千万公里，彗尾的长度可达到上亿公里，形态奇特壮观，但彗发和彗尾物质归根结底是从彗核蒸发出来的。它们只占彗星总质量的很小部分，彗星的绝大部分物质集中在彗核。自1970年以来，人造卫星和宇宙飞船的观测又有新发现，在可见彗发的外面包围着氢原子(H)的巨云，称作“氢云”或“彗云”，也称作“氢(H)彗发”。
一颗彗星在绕太阳公转过程中。形态不断变化。当彗星离太阳很远时，基本上是赤裸的彗核，地面观测很难看到。随着彗星逐渐接近太阳。受到太阳的辐射作用增强。到离太阳4个天文单位。彗核表层的冰和尘开始蒸发，形成彗发。离太阳更近时，彗发增大。当彗星离太阳1.5天文单位时，一般就可以看到彗尾了。当彗星离太阳再近，彗尾增长很快。在彗星运行到过近日点之后的逐渐远离过程中，其形态变化跟接近时相反，即彗发和彗尾越来越小，直到消失。
彗尾是由彗头向着背太阳方向延展的彗星物质组成的，物质密度稀少。彗尾的可见视长度受天光亮度影响明显。在没有灯光污染的山区甚至可看到彗尾穿越大半天空。真实长度达几千万公里乃至一亿公里以上。有时可同时看到两条或多条彗尾。按照彗尾的形态和性质，分为两大类：一类是较直而长的，由离子气体组成，其色偏蓝，称作“气体彗尾”、“离子彗尾”或“等离子体彗尾”；另一类常是弯曲的，由尘埃组成，其色偏黄，称作“尘埃彗尾”。近年又观测到第三类——钠原子彗尾。
以上只是多数彗星的一般形态变化，实际上，彗星的形态是多种多样的。例如，运行在火星和木星轨道之间的奥特玛(39P／Oterma)彗星除了有点云雾状彗发外，未见彗尾，很难跟小行星区别；运行在木星和土星轨道之间的施瓦斯曼一瓦赫曼1号(29P／Sehwassmann—Wachmann1)彗星不仅没有彗尾，甚至彗发也很不发育。
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彗核的大小过去很难测定准确的，一般为几百米到十几公里，也有更大的和更小的。解开彗星之谜的关键在于探测彗核的成分、结构和性质。显然，最好是飞船到彗星近旁探测，至今有飞船探测的彗星还屈指可数。哈雷彗星的彗核形状像花生或土豆那样扁长。大致近似于三轴分别为15、8、8公里的扁球，其表面暗黑如碳或沥青(反照率约2％～4％)，高低不均匀，有几个直径约1公里的深坑和凹陷以及山脉、丘谷，从部分活动区域发出“喷流”。19P／Borrelly彗星的彗核近于长约8公里、宽约4公里的滚球针状，其表面崎岖，到处可见变暗的物质(反照率约l％～3％)，有复杂的断裂，类坑凹陷，表土相当松软。81P／Wild2彗星的彗核近于半径分别为1.65、2.00、2.75公里的三轴椭球体，表面也很暗，有平底、陡壁的一些凹坑，还有陨击坑或排气口造成的小到2公里的其他特征。至少有10个排气口是活动的。也保存着古老地形。
迄今对彗核的了解还不多，主要是从有关观测资料分析。对彗核作些推断，借助合理的假设和理论来建立彗核模型。1949年，惠普尔(F.LWhiple)提出彗核的“冰冻团块模型”，或通俗地说彗核是“脏雪球”，认为彗核是由冰和尘埃冻结在一起的团块，可以较好地解释很多彗星现象。后来又发展为可能有核一幔一壳层次结构的新模型。一般认为，中心可能是固态内核；其外是原来的冰物质“幔”，主要成分是水冰(rico)或雪，也可能含有挥发性更大的冰(如干冰)。同时夹杂着尘埃；外部受太阳辐射的加热作用使冰升华为气体，也带出尘粒和小冰粒，又受宇宙线作用而成为不规则的多尘暗壳。加热也传至表层下，使那里冰升华的气体形成气囊，当流星体撞击或囊内气体压力过大，都可能冲破表壳而抛出气体和颗粒，形成彗发以及近核的喷流和包层等现象。
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