13.3: “长发” 彗星

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

描述彗星的总体物理外观
解释彗星轨道的范围
描述典型彗星原子核的大小和组成
讨论彗星的大气层
总结罗塞塔任务的发现

彗星与小行星的不同之处主要在于它们的冰冷成分，这种差异使它们在接近太阳时会显著变亮，形成临时大气层。在一些早期的文化中，这些所谓的 “毛茸茸的星星” 被认为是灾难的预兆。今天，我们不再害怕彗星，而是热切地期待那些离我们足够近的彗星，可以进行精彩的空中表演。

彗星的出现

彗星是一块相对较小的冰冷物质（通常横跨几公里），它在接近太阳时会形成大气层。后来，可能会有一条非常微弱的模糊尾巴，从彗星的主体延伸数百万公里。从最早的时候就观察到了彗星：在几乎所有古代文明的历史中都可以找到关于彗星的记载。但是，典型的彗星在我们的天空中并不壮观，相反，它看起来像一个相当微弱的漫射光点，比月球小一些，亮度也差很多倍。（在人工照明发明之前，彗星对人们来说似乎更加壮观，这损害了我们对夜空的视野。）

像月球和行星一样，彗星似乎在恒星中徘徊，它们在天空中的位置从夜晚慢地转移到黑夜。但是，与行星不同，大多数彗星出现在不可预测的时刻，这也许可以解释为什么它们在早期经常激发恐惧和迷信。彗星通常保持可见的时间从几周到几个月不等。在讨论它们的动作之后，我们将更多地介绍它们是由什么构成的，以及它们是如何变得可见的。

请注意，彗星的静止图像给人的印象是它们在天空中快速移动，就像明亮的流星或流星一样。只看这样的图像，很容易混淆彗星和流星。但是从真实的天空中看，它们是截然不同的：流星在我们的大气层中燃烧并在几秒钟内消失，而彗星在几乎相同的天空中可能会出现数周。

彗星轨道

关于彗星作为太阳系成员的研究可以追溯到艾萨克·牛顿时代，他最初建议彗星以极长的椭圆绕太阳运行。牛顿的同事埃德蒙·哈雷（见笔记功能框）提出了这些想法，1705年，他发布了24颗彗星轨道的计算结果。他特别指出，在1531年、1607年和1682年出现的明亮彗星的轨道非常相似，以至于这三颗彗星很可能是同一颗彗星，平均间隔为76年，返回近日点（最接近太阳）。如果是这样，他预测该物体接下来将在 1758 年左右返回。尽管哈雷在彗星出现时如他所预测的那样已经死亡，但它被命名为哈雷彗星（与 “山谷” 押韵），以纪念最初认出它为太阳系常任成员、绕太阳运行的天文学家。它的远日点（离太阳最远的点）超出了海王星的轨道。

我们现在从历史记录中知道，自公元前239年以来，哈雷彗星实际上已经被观测和记录在太阳附近的每条通道上，间隔时间从74年到79年不等。由于巨型行星的拉动所产生的轨道变化，它的返回时间有所不同。 1910年，地球被彗星的尾巴刷过，引起了许多不必要的公众关注。哈雷彗星最后一次出现在我们的天空是在1986年（图\(\PageIndex{1}\)），当时它遇到了几艘航天器，这为我们提供了有关其构成的大量信息；它将于2061年返回。

alt — 图\(\PageIndex{1}\)：哈雷彗星。这张由三幅图像（一幅为红色，一幅为绿色，一幅为蓝色）组成的合成图显示了1986年在智利用大型望远镜看到的哈雷彗星。在按顺序拍摄三张图像期间，彗星在恒星之间移动。移动望远镜是为了保持彗星图像的稳定，使恒星一式三份（每种颜色一份）出现在背景中。

埃德蒙·哈雷：天文学的文艺复兴时期的人

埃德蒙·哈雷（图\(\PageIndex{2}\)）是一位杰出的天文学家，在科学和统计学的许多领域做出了贡献，无论如何，他是一个慷慨、热情和外向的人。在这篇文章中，他与他的好朋友艾萨克·牛顿完全相反，哈雷鼓励、编辑并帮助出版了他的出色作品《Princ ipia》（见 Orbits and Gravity）。哈雷本人在20岁时发表了他的第一篇科学论文，当时他还在上大学。结果，他获得皇家委托，前往圣赫勒拿岛（非洲沿海的一个偏远岛屿，拿破仑后来被流放到那里），对南方的天空进行首次望远镜测量。回国后，他获得了相当于硕士学位的学位，并在22岁时当选为著名的英格兰皇家学会会员。

除了研究彗星外，哈雷还是第一位认识到所谓的 “固定” 恒星相对于彼此移动的天文学家，他指出，自托勒密出版古希腊目录以来，有几颗明亮的恒星已经改变了位置。他写了一篇关于无限宇宙可能性的论文，提出一些恒星可能是可变的，并讨论了星云（在望远镜中可见的发光云状结构）的性质和大小。在圣赫勒拿岛期间，哈雷观测到水星穿过太阳表面，并开发了如何利用这种过境来确定太阳系大小的数学方法。

alt — 图\(\PageIndex{2}\)：埃德蒙·哈雷（1656—1742 年）。哈雷是科学界的多产贡献者。他在十八世纪初对彗星的研究帮助预测了现在以他的名字命名的彗星的轨道。

在其他领域，哈雷公布了第一份人类预期寿命表（人寿保险统计的前身）；撰写了关于季风、信风和潮汐的论文（首次绘制英吉利海峡的潮汐图）；为系统研究地球磁场奠定了基础；研究了蒸发量以及内陆水域是如何变咸的；甚至设计了水下潜水钟。他曾担任英国外交官，为奥地利皇帝提供咨询，并在英格兰各地招募未来的俄罗斯沙皇（有人告诉我们，他热切地讨论了科学的重要性和当地白兰地的质量）。

1703 年，哈雷成为牛津大学几何学教授，1720 年，他被任命为英格兰皇家天文学家。他继续观察地球和天空，并发表自己的想法长达20年，直到85岁时他去世。

只有几颗彗星像哈雷彗星一样，在人类可以测量的时间内（短于一个世纪）返回；它们被称为短周期彗星。许多短周期彗星由于离其中一颗巨型行星太近而改变了轨道——最常见的是木星（因此它们有时被称为木星家族彗星）。大多数彗星的周期很长，如果返回的话，将需要数千年的时间才能返回。正如我们将在本章后面看到的那样，大多数木星家族彗星的来源与长周期彗星（轨道周期超过大约一个世纪的彗星）不同。

有成千上万颗彗星的观测记录。近几十年来，有两颗明亮的彗星拜访了我们。首先是在1996年3月，它出现了尾巴很长的百武彗星。一年后，Hale-Bopp 彗星出现了；它像最亮的恒星一样明亮，即使在城市地区也能保持可见数周（参见本章开头的图片）。该表\(\PageIndex{1}\)列出了一些著名的彗星，其历史或外观特别令人感兴趣。

表\(\PageIndex{1}\)：一些有趣的彗星
姓名	时期	意义
1577 年的大彗星	长	Tycho Brahe 表明它已经超越了月球（这是我们理解的重要一步）
1843 年的大彗星	长	有记录以来最亮的彗星；白天可见
1910 年的日光彗星	长	二十世纪最亮的彗星
西方	长	Nucleus 碎成碎片 (1976)
百武	长	经过距离地球 1500 万公里以内 (1996)
Hale—Bopp	长	最近最亮的彗星 (1997)
Swift-Tuttle	133 年了	英仙座流星雨的母彗星
哈雷	76 年了	发现第一颗周期性彗星；1986 年由航天器探索
Borrelly	6.8 年	Flyby Deep Space 1 号航天器 (2000)
比拉	6.7 年	1846 年分手后再也没见过
Churyumov-Gerasimenko	6.5 年	罗塞塔任务的目标（2014—16）
Wild 2	6.4 年	星尘样本返回任务的目标 (2004)
Tempel 1	5.7 年	深度冲击任务的目标 (2005)
Encke	3.3 年	已知最短的时期

彗星的原核

当我们观察一颗活跃的彗星时，我们通常所看到的只是阳光照亮的气体和尘埃的临时大气层。这种大气层被称为彗星的头部或昏迷。 由于这些小物体的重力非常弱，因此大气层一直在迅速逃脱；必须用新材料来补充，而新物质必须来自某个地方。源头是内部的小型固体核，距离只有几千米，通常被周围大得多的大气层发出的光芒所掩盖。原子核是真正的彗星，是负责大气和尾巴的古代冰冷物质的碎片（图\(\PageIndex{3}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{3}\)：彗星的各个部分。此示意图显示了彗星的主要部分。请注意，不同的结构不能按比例扩展。

关于彗星物理和化学性质的现代理论最早是由哈佛大学天文学家弗雷德·惠普尔在1950年提出的。在 Whipple 研究之前，许多天文学家认为彗星的原核可能是松散的固体聚集体，有点像轨道运行的 “碎石库”，相反，Whipple 提出，原子核是横跨几公里的固体物体，由大部分水冰（但也与其他冰）混合而成硅酸盐颗粒和灰尘。该提案被称为 “肮脏的雪球” 模式。

可以在彗星的头部和尾部探测到加热时从原子核中逸出的水蒸气和其他挥发物，因此，我们可以使用光谱来分析核冰由哪些原子和分子组成。但是，我们对非冰成分的确定性有所降低。我们从未发现过一颗在地球大气层中幸存下来的彗星中的固体物质碎片。但是，接近彗星的航天器携带了尘埃探测器，一些彗星尘埃甚至返回了地球（图\(\PageIndex{4}\)）。看来肮脏的雪球中的大部分 “污垢” 都是深色的原始碳氢化合物和硅酸盐，就像被认为存在于黑暗的原始小行星上的物质一样。

alt — 图\(\PageIndex{4}\)：捕获的彗星尘埃。这个粒子（通过显微镜观察）被认为是彗星尘埃的微小碎片，收集在地球高层大气中。它的宽度约为 10 微米或 1/100 毫米。

由于彗星的原子核又小又暗，因此很难从地球上研究它们。然而，在1986年，当三艘航天器近距离横扫哈雷彗星时，航天器确实获得了对彗星核的直接测量（图\(\PageIndex{5}\)）。随后，其他航天器在靠近其他彗星的地方飞行。 2005年，美国宇航局的深度撞击航天器甚至携带了探测器，用于与Comet Tempel 1的原核进行高速撞击。但是到目前为止，对彗星最有成效的研究是2015年的罗塞塔飞行任务，我们稍后将讨论该任务。

alt — 图\(\PageIndex{5}\)：哈雷彗星的特写镜头。这张哈雷彗星形状不规则的黑色原子核的历史照片是由欧空局乔托航天器从大约 1000 公里的距离拍摄的。明亮的区域是从地表逸出的物质射流。原子核的长度为10千米，可以分辨出小至1千米的细节。

彗星的大气层

使我们能够看到彗星的壮观活动是由阳光加热的彗星冰蒸发引起的。除了彗星花费大部分时间的小行星带之外，这些冰已经被牢固地冻结了。但是当一颗彗星接近太阳时，它开始变暖。如果水（H ₂ O）是主要的冰，那么当阳光将表面加热到 200 K 以上时，大量的冰会蒸发。这种情况发生在稍微超出火星轨道的典型彗星身上。蒸发的 H ₂ O 反过来会释放与冰混合的灰尘。由于彗星的原核很小，它的重力无法阻挡气体或尘埃，两者都以每秒大约 1 千米的速度流入太空。

这颗彗星在接近太阳时会继续吸收能量。这些能量中有很大一部分用于冰的蒸发，也用于加热地表。但是，最近对许多彗星的观测表明，蒸发不均匀，大部分气体是突然喷射释放的，可能局限于地表的几个区域。这颗彗星的大气层以大约每秒1千米的速度膨胀到太空，可以达到巨大的规模。彗星头部的直径通常和木星一样大，有时直径可以接近一百万千米（图\(\PageIndex{6}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{6}\)：哈雷彗星的负责人。在这里，我们可以看到构成1986年哈雷彗星头部或昏迷状态的气体和尘埃云。在这个比例下，原子核（隐藏在云层中）将是一个太小而看不见的点。

大多数彗星在接近太阳时也会长出尾巴。彗星的尾巴是其大气层的延伸，由构成其头部的相同气体和尘埃组成。早在十六世纪，观察者就意识到，彗星的尾巴总是指向远离太阳（图\(\PageIndex{7}\)），而不是沿着彗星的轨道返回。牛顿提出，彗星尾巴是由阳光驱使粒子远离头部的排斥力形成的，这个想法接近我们的现代观点。

alt — 图\(\PageIndex{7}\)：彗星轨道和尾巴。当彗星经过近日点时，典型的彗星尾部的方向会发生变化。接近太阳，尾巴在即将来临的彗星头后面，但在离开的路上，尾巴先于头部。

构成尾巴的两个不同成分（灰尘和气体）的作用略有不同。尾巴中最亮的部分称为尘尾，以区别于由电离气体制成的微弱的直尾巴，称为离子尾巴。离子尾部由太阳发射的离子流（带电粒子）向外传输。如图所示\(\PageIndex{8}\)，随着单个尘埃粒子沿着彗星的轨道散开，尘尾越平滑一点弯曲，而直离子的尾巴被恒星的带电粒子风更直接地从太阳向外推出

alt — 图\(\PageIndex{8}\)：彗星尾巴。 (a) 随着彗星接近太阳，其特征变得更加明显。在这幅来自NASA的展示Hale-Bopp彗星的插图中，你可以看到一颗彗星的两条尾巴：更容易看见的尘尾，可以长达1000万千米，还有更微弱的气体尾巴（或离子尾巴），长达数亿千米。构成尘尾的颗粒相当于烟雾颗粒的大小。 (b) 1957年在帕洛玛天文台用宽视场望远镜拍摄了Mrkos彗星的照片，还显示了直气尾和弯曲的尘尾之间的明显区别。

如今，靠近太阳的彗星可以通过专为观测我们的恒星而设计的航天器找到。例如，2011年7月初，欧空局/美国宇航局太阳和日光层天文台（SOHO）的天文学家目睹了一颗彗星冲向太阳，这是近3000次此类目击事件之一。你还可以观看美国宇航局的简短视频，标题为 “为什么我们看到这么多 Sungrazing 彗星？”

罗塞塔彗星任务

20 世纪 90 年代，欧洲科学家决定设计一项更加雄心勃勃的任务，将轨道与即将来临的彗星进行匹配，并在彗星接近太阳时对其进行跟踪。他们还提出，一艘较小的航天器实际上会尝试降落在彗星上。这艘重达2吨的主航天器被命名为罗塞塔，载有十几台科学仪器，其100千克的着陆器以及另外九台仪器被命名为菲莱。

罗塞塔号飞行任务于 2004 年启动。发射火箭的延误导致它错过了原来的目标彗星，因此选择了另一个目的地，Churyumov-Gerasimenko彗星（以两位发现者的名字命名，但通常表示为67P）。这颗彗星的革命期为6.45年，使其成为木星家族彗星。

由于欧洲航天局无法获得美国宇航局用于深空任务的钚燃料核能源，罗塞塔必须使用太阳能，需要特别大的太阳能电池板。即使是这些也不足以保持飞船的运行，因为它在彗星的远日点附近将轨道与67P相匹配。唯一的解决方案是关闭所有航天器系统，让它向太阳滑行数年，在太阳能变得更强之前，与地球上的控制器断开接触。任务的成功取决于自动计时器能否在接近太阳时重新开启电源。幸运的是，这个策略奏效了。

2014 年 8 月，罗塞塔开始逐步接近彗星核，这是一个横跨约 5 千米的奇怪畸形物体，与哈雷原子核的光滑外观（但同样黑暗）大不相同。它的轮换周期为 12 小时。 2014 年 11 月 12 日，菲莱着陆器坠落，缓慢降落 7 个小时，然后轻轻撞到地面。它反弹并滚动，停在悬垂物下，那里没有足够的阳光来保持电池充电。在运行了几个小时并将数据发送回轨道飞行器之后，菲莱保持沉默。但是，随着彗星活动水平的提高，主要的罗塞塔号航天器继续运行，气体轮船从地表喷出。当彗星于2015年9月接近近日点时，为了确保其安全，该航天器退缩了。

罗塞塔图像（以及来自其他仪器的数据）的范围远远超过了天文学家以前从彗星上看到的任何东西。最佳成像分辨率比最佳哈雷图像高出近100倍。在这个比例下，这颗彗星看上去非常粗糙，有尖锐的角度、深坑和悬垂（图\(\PageIndex{9}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{9}\)：67P 彗星的奇异形状和表面特征。 (a) 这张来自罗塞塔相机的图像是从285公里的距离拍摄的。分辨率为 5 米。你可以看到这颗彗星由两个部分组成，它们之间有一个连接的 “脖子”。 (b) 这张 Churyumov-Gerasimenko 彗星的特写镜头来自菲莱着陆器。在前景中可以看到着陆器的三英尺中的一英尺。着陆器本身大部分处于阴影之中。

67P 原子核的双裂形状暂时归因于很久以前两个独立的彗星核的碰撞和合并。航天器证实，彗星的深色表面被富含碳的有机化合物覆盖，混合了硫化物和铁镍颗粒。67P 的平均密度仅为 0.5 g/cm ³（召回这些单位中的水的密度为 1 g/cm ³）。这种低密度表明这颗彗星的多孔性很强，也就是说，其材料中有大量的空白空间。

我们已经知道彗星冰的蒸发是零星的，仅限于小型喷气式飞机，但是在67P彗星中，这种蒸发达到了极致。在任何时候，超过 99% 的表面处于非活跃状态。活跃的通风口只有几米宽，材料仅限于狭窄的喷气式飞机，仅持续几分钟（图）。活动水平在很大程度上依赖于太阳能供暖，在2015年7月至8月之间，太阳能供暖增加了10倍。对彗星喷出的水中氘的同位素分析表明，它与地球上发现的水不同。因此，显然，像67P这样的彗星并没有像一些科学家所认为的那样为我们的海洋或我们体内水的起源做出贡献。

alt — 图\(\PageIndex{10}\)：67P 彗星上的喷气机。 (a) 这项活动是由罗塞塔号航天器在近日点附近拍摄的。你可以看到一架喷气式飞机突然出现；它只活了几分钟。 (b) 这张在近日点附近拍摄的壮观照片显示了活跃的彗星被多次气体和尘埃射流包围。

欧洲航天局继续制作有趣的短视频，说明罗塞塔和菲莱任务的挑战和结果。例如，观看 “Rosetta's Moment in the Sun the Sun”，看看彗星产生气体和尘埃的一些图像，并了解活跃的彗星对航天器构成的一些危险。

关键概念和摘要

哈雷首先证明有些彗星处于封闭轨道上，定期返回绕太阳摆动。彗星的心脏是其原子核，直径为几千米，由挥发物（主要是冷冻的 H ₂ O）和固体（包括硅酸盐和碳质物质）组成。 Whipple 于 1950 年首次提出了这种 “肮脏的雪球” 模型；航天器对几颗彗星的研究证实了这一点。当原子核接近太阳时，其挥发物蒸发（可能在局部喷气机或爆炸中），形成彗星的头部或大气层，以每秒大约 1 千米的速度逸出。大气从太阳流出，形成一条长尾巴。欧空局的罗塞塔号彗星P67飞行任务（Churyumov-Gerasimenko）极大地提高了我们对原子核性质以及彗星在阳光加热下释放水和其他挥发物的过程的了解。

词汇表

彗星: 一小块围绕太阳旋转的冰冷和尘土飞扬的物质；当彗星靠近太阳时，它的一些物质会蒸发，形成一大头脆弱的气体，通常是一条尾巴

核（彗星的）: 彗星头部坚固的冰块和尘埃

尾巴: （彗星的）尾巴由两部分组成：尘尾由尘埃组成，尘埃因彗星中的冰升华而松动，然后被来自太阳的光子推入弯曲流；离子尾巴是从彗星中蒸发然后被太阳风冲走的电离粒子流