彗星的世界
彗星，俗称扫帚星，“彗”字即扫帚之意。外文中的彗星comet一词来自希腊文，意思是有“尾巴”或“毛发”的星。天文学中形象地以符号代表彗星。古代人偶然看到形貌奇怪的彗星出现，感到恐惧，看作灾祸的征兆，其实彗星出现只是一种自然现象，天文观测研究逐步揭开了彗星之谜。
历史上有很多彗星出现的记录，以我国古书上的记录为最早和最多，有时记为孛星、星孛、妖星、异星、蓬星、长星等。《淮南子》中有“武王伐纣……彗星出”，据我国著名天文学家张钰哲推算，这是哈雷彗星在公元前1056年的回归，这是天文学对历史年代考证的重要贡献。
西方人长期受亚里士多德的错误看法的影响，认为彗星是地球大气中的一种燃烧现象，甚至哥白尼也认为“希腊人所谓的彗星，诞生在高层大气”。直到16世纪末，第谷才首次观测证明1577年大彗星比月球远得多，我国早在《晋书天文志》就有“彗星无光，傅日而为光。故夕见则东指，晨见则西指。在日南北皆随日光而指，顿挫其芒，或长或短。”古代只把彗星作为偶然出现的，直到17世纪，英国天文学家哈雷才计算彗星轨道，他发现1682、1607、1531年出现的彗星有相似的轨道，断言这是同一颗彗星的三次回归，并预言它在1758年底或1759年初会再次出现，虽然他逝世于1742年而未亲自见到，但这颗彗星果然在1759年出现了，为了纪念他，这颗彗星称为“哈雷彗星”。哈雷一生计算出24个彗星轨道。
哈雷预言的应验激起人们去搜寻发现新彗星。按照国际惯例，新发现的彗星以最先发现者（至多三人，1994年后改最多两人）命名。虽然肉眼见到的亮彗星很少，但现代望远镜每年平均可看到20～25颗彗星，其中约1／3是新发现的，业余目视发现2至3颗。已有观测记载的彗星有1800多颗，去掉重复回归的，仅有1600多颗。实际上，彗星只有运行到离我们较近时才被观测到，而它们远离太阳时就观测不到了，据统计估算太阳系有1012（万亿）1013（十万亿）颗彗星，它们绝大部分在太阳系外部。
彗星从哪里来
从19世纪开始，人们对原本以为来无踪、去无影的彗星愈来愈了解后，大家就在想，这拖着长长尾巴的彗星，到底从哪里来呢？距今200年前（1796年），法国科学家拉普拉斯出版了一本《宇宙体系论》，提出太阳系起源的星云说，认为彗星是由太阳系外星际云物质所形成的，因为受到邻近恒星的影响，加上行星与太阳引力的拉扯，使遥远星云物质被吸进太阳系，而形成彗星。
这项理论，直到1950年经过荷兰天文学家奥尔特（Oort）与斯特龙格林（VanWoerkom）的精密观测研究后，而为世人所接受。根据他们的研究，这团星际云物质距离太阳约有225000亿千米，以光的速度（每秒30万千米）得走上866天。读者可以想像一下，以光的速度1秒钟可绕地球7圈半，这个星际云多么遥远啊！这个被称为”原云”的彗星储藏库，又被称为奥尔特云（OortCloud），据估计约有1000亿颗彗星的材料，被冷冻在摄氏零下250度的外太空，等待机缘的安排，展开奔向太阳之旅。
彗尾形成因素
究竟彗尾是怎样形成呢？17世纪时，牛顿提出机械理论，假设彗尾是由物质构造来说明它的形状，认为彗尾是由于光的斥力作用，以致彗头流出物质而形成。之后有不少科学家如奥耳贝斯（Olbers）、白塞耳（Bessel）、巴蒲（Pape）及温内克（Winnecke）都研究太阳斥力与彗星的问题。直到理论物理进一步发展，才发现一种由太阳光施于彗星的作用，就是太阳辐射压力。原来太阳辐射（包括可见光和其他电磁波）照射在物体上面，其入射方向会产生一种压力；这压力按光的强度增加，并与物体垂直于光的面积成正比。这个压力对于普通大小的物体是微不足道的。一个完全反光的物体放在大气以外的日光下，其1平方米的面积所随的辐射压力有0.001克；而对于完全吸光的物体，这数字还要减半，可见这力的薄弱。但对于极其微小的物体如尘粒、气体分子等，辐射压力就会特别明显，比起太阳的另一作用力──万有引力还要强。太阳的万有引力与日光斥力恰巧相反，但两种作用力皆与距离的平方成反比。对于一般的物体，太阳引力占尽优势。可是对极微细的粒子，太阳斥力的作用为何竟凌驾太阳的吸力呢？如要解释这点，我们可利用物体下坠的情况作比喻：两件物体的表面积不同，所随的空气阻力便不同，表面积愈大，所受阻力愈大，下坠之势愈慢。辐射压力对微小粒子的作用，与此类似，因为质粒愈小，表面积对于其重量便愈大。举例说明，假设一正方形物体，体积为1立方厘米，质量1克，表面积则是6平方厘米；如从中切开，分成两个相同的长方体，则质量每个是0.5克，而每个长方体的表面积则为4平方厘米，两个长方体的表面积总和为8平方厘米，比本来的整体表面积相对量就愈来愈大，因此微小粒子的表面积相对质量面言就很大，所随的斥力就极显著：只要质点的直径等于1微米，太阳斥力与引力便得到均势；质点再小一点，太阳斥力便大于引力。因此，太阳辐射压力就成为推斥彗星的一种作用力。
自发现太阳辐射对彗星的推斥力后，不少科学家都应用太阳辐射压力来解释彗尾，可惜结果并不圆满，他们不能解释何以Ⅰ型彗尾的加速度那么高。引起这个问题的就是1980年出现的莫尔豪斯彗星（Morechouse’sComet），它竟抛射出速度达每秒30千米的物质，此点并不能应用太阳辐射压力来解释。直至发现了太阳风（solarwind）才找到合理的答案。
何谓太阳风呢？根据火箭及人造卫星的探测，发现太阳除不断发出光与无线电波等辐射外，还抛出大量的带电微粒。这些微粒包括由太阳大耀斑区抛出的快速微粒流、太阳碰区抛出的慢速微粒流及由日冕向太阳四周膨胀的等离子体，它们统称微粒辐射。由于太阳作用于日冕气体上的吸引力不能平衡微粒辐射的压力，因此日冕不可能处于静止的状态，而是稳定地向外膨胀。热电离气体粒子不断地从太阳向外流出，形成太阳四周释出的连续微粒流。由于微粒流好像是从太阳不停地向外吹出的风，所以称为太阳风。太阳风的平均速度是每秒300～500千米，对彗星造成强大的推斥力，而彗尾的高速度亦得以解释。太阳辐射及太阳风就是促成彗尾形成的两股原动力，故此彗尾要接近太阳时才出现，但却永远背向太阳。
彗星发光的原因
光谱分析除提供了彗星成分的资料外，也告诉我们彗星发光的原因。彗星光谱里有明亮的光带，而背景是边续光谱，强弱及谱带会随与太阳的距离远近而改变，这究竟表示什么呢？连续光谱的出现，表示彗星部分的光线是彗星的气体及固体质点反射太阳光而来，且越接近彗核，光度越强。明亮的谱带则说明了彗星另外一个发光形式，这个形式是来自彗星本身的。由于彗星的气体分子受太阳紫外辐射激发而发光。激发的原理是：气体分子吸收太阳紫外光而获得能量，从低能阶激发至高能阶，然后在跃回基态时，释放能量，发出与吸收相同频率的辐射，因而发光。在光谱上亦因此出现发射明线，这种辐射在物理上称为“共振辐射”。“共振辐射”是一种简单的荧光现象，故彗星这种发光的方法，乃称为荧光作用。
由于彗星发光的原因都与太阳辐射有关，所以随着距离不同，亮度亦有所改变，越近越亮。一般来说，被照耀的物体亮度，与光源的距离平方成反比。但由于彗星除反射太阳光外，还自行发光，所以它的亮度便不是与距离平方成反比，而是与太阳距离的4次方～10次方不等成反比。又由于气体分子受激发所需的能量各有不同，与太阳距离不同，受激发的气体成分各有不同，但光度有异，颜色亦会有变化，而令彗星形态如此多姿多彩。
彗星的性质
1、彗核
虽然彗发的体积庞大、彗尾很长很大，但它们所含物质极其稀少，当彗发或彗尾掩星（掩星是彗星从其它星的前面经过而遮挡星光）时，星光减弱极其微小。彗星物质绝大部分集中于不大的固态彗核中，彗发和彗尾的物质归根结底来自彗核，因此彗核是彗星的本体。彗核有多大？从地球上望远镜中也难分辨彗核的大小。1927年，庞斯—温尼克（Pons一Winnecke）当彗星接近地球到0.037天文单位时，望远镜也分辨不出其彗核大小，估计其彗核直径不超过1Km。从观测资料间接估算表明，大多数彗星的彗核直径在几百米到十几Km范围。有少数彗星的彗核直径可能较大，例如，估计掠日彗星族的原来母彗星的彗核直径达50Km，Schwassmann一Washmann的彗核直径为20Km，（2060）chiron的彗核直径为90Km（早先认为是小行星，现倾向认为它是彗星）。
彗核是什么形状的？这更难观测。过去一般认为彗核是球形的。现在有些证据说明彗核常常不是球形，更可能是近似于三轴比为2：1：1的扁球。最可靠的是飞船莅临哈雷彗星的一系列摄像揭示其彗核的真面目，它大致是三轴16×8×8公里的扁球，更像是扁花生，其表面崎岖不整，有几个浅坑（直径约1公里），及丘、谷，表层复盖不均匀的暗尘，反照率很低（0.02一0.04），暗黑如煤，而并不象过去认为的像冰雪那样亮。
彗核（也代表彗星）的质量有多少？这也很难测准。从有关观测资料推算，彗核质量一般在1013一1019克范围，也有多到1020一1022克及少到1010一1011克的。哈雷彗星的质量为1.5×1017克。
彗核的物质成分和内部结构又是怎样的呢？目前还不很清楚。从彗核的质量和大小，可以初步算出它的平均密度，如哈雷彗星的平均密度约0.3克／立方厘米，这比预想的H2O冰一尘混合的固体密度（约1克／cm3）小，说明彗核内部是多空隙的。根据彗星光谱及飞船对哈雷彗发中尘粒探测，从这些来自核的物质推知，彗核主要由冰物质（水冰、二氧化碳冰等）和尘埃物质组成，其中最多的成分是水，估计彗核中除了氢等少数化学元素贫乏外，其余元素的相对含量（丰度）基本上跟太阳及宇宙的丰度相同。
过去曾很长时间争论彗核是松散的固态颗粒集合（沙砾模型）、还是整个实体冰块（致密核模型）的问题，1950年，惠普尔提出彗核是冰和尘冻结的“冰冻团块模型（Iceconglomeratemodel）”，或俗称“脏雪球”，它完满地解释了很多观测事实。以后这一模型又被作了不少发展，有人认为彗核内部还有类似于行星内部的核、慢、壳结构，有人认为彗核内部较均匀。从彗核分裂的亚核大致有同样光谱特征等观测事实，可以认为彗核在大尺度上平均是较均匀的，但小尺度上可能不均匀，而彗核表层（即壳），则不同于内部，这是由于表层受宇宙线高能粒子轰击及蒸发与化学反应等过程而发生了改变，形成了象沥青之类的暗色有机物质，而且彗核表面各区域很不均匀。
从近核现象也可以推求彗核的一些性质。很多彗星的近核现象是不对称的，其重要原因是彗核有自转和其表层不均匀。由近核现象已推求约50颗彗星的自转周期，有的还算出了自转轴的空间的方向，彗星自转周期有小于5小时的，也有长达几天的，平均约15小时，而自转轴方向是随机分布的。彗核表面复盖暗尘，其导热率很小，因而彗核内部可以保持很冷而并不融化。彗核表层不均匀，某些小区域（活动区）更常排出物质，形成喷流等近核现象。
2、彗发
彗发的光谱特征是连续光谱背景上有许多分子、原子、和离子的发射谱线或谱带，说明彗发是由尘埃（散射太阳光而呈连续光谱）和一些分子、原子、离子（发射线或谱带）组成的。彗发中有以下成分：H、CC2、C3、O、S、Na、K、Ca、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、OH、CN、CO、CS、S2、NH、NH2、H2O、H2S、CH4、HCN、CH3CN、CS＋、SO＋、HCO＋、CH3OH、H2CO、C＋、Ca＋、H2＋、OH＋、CH＋、CO＋、N2＋、H3O＋、S＋、HCO2＋、HCN＋、C2Hn＋及硅酸盐尘等。
彗发亮度自内向外减弱，说明物质密度是内密外稀的。如前面所述，彗发的大小和亮度随着离太阳远近而变化。各种成分在彗发中的分布情况也不同，用透过某一成分发射带的窄带滤光片或光谱的观测可以了解该成分在彗发中的分布，用CN（氰）彗发，OH（羟基）彗发、H彗发（即氢云）、尘埃彗发等术语表示。CN彗发的典型大小可达百万公里、C2彗发可达几十万公里，OH彗发和C3彗发一般达几万公里，氢云可达千万公里。各种气体成分向外流动的速度为每秒几百米到几Km。在彗星离太阳1天文单位时，物质（向外）流失率约每秒105～107克。彗发中的许多分子、原子及离子往往不是从彗核表面蒸发出来的原来成份（母分子），而是母分子被太阳辐射离解或电离的子分子。例如，母分子H2O离解为OH＋和H＋，CO2电离为CO＋2等。
3、彗尾
彗尾的光谱观测分析表明，尘埃彗尾主要由尘粒组成，常称作“彗星尘”，尘粒大小从十分之几到上百微米。彗星尘不仅受太阳的引力作用（受彗核的引力极微小），而且还受太阳辐射压力（光压）的推斥作用，斥力Fr与引力Fg的大小之比为Fr／Fg＝5.7×10－5／（ap），其中a与p分别为尘粒半径和密度，Fr／Fg值可达2.2，因此，尘粒北向太阳运动，再加上尘粒原来随彗核绕太阳公转的运动，不同时间离开彗核的尘粒就形成弯曲的尘埃彗尾，尘粒愈大，表现为尘埃彗尾更弯曲。
等离子体彗尾由多种气体离子组成其中最多的是CO＋，其次是H2O＋。等离子体彗尾长直，表明离子受到的斥力更大（斥力为太阳引力的几十倍到100倍以上），这是太阳风（从太阳出来的高速等到离子体流）及其磁场作用于彗星离子而产生的斥力。太阳风及其磁场的变化导致等离子体彗尾出现射线、扭折、云团、螺旋波及断尾等现象。
彗星的形态变化
1.亮彗星的形态