肉眼看见的亮彗星,可从形态特征上分为三部分:彗核、彗发、彗尾。彗星头部(彗头)中央的亮点称为彗核。彗发是彗核周围延展相当大范围的朦胧大气。彗尾是从彗头往背向太阳方向延伸很长的淡淡光带·彗尾及可从形态上分为I、II、III三类。I类彗尾长而直,略带兰色,主要由气体离子组成,现在常称作“等离子体彗尾”(等离子体是正、负离子混合体,在大尺度上平均呈电中性)。II类彗尾较弯曲而亮,III类彗尾更弯曲,这两类彗尾略带黄色,都由尘埃粒子组成,只是III类彗尾的尘粒比II类的大些,现在常一起称作“尘埃彗尾”。
等离子体彗尾并非总是长而直的,而常出现一些复杂结构和变化现象,有时出现像折叠伞状的射线束,有时出现扭折、云团、螺旋波结构,更有趣的是断尾事件一老的彗尾从彗头断开来,向后远离,又从彗头处出现新彗尾。
有时也出现从彗头向太阳方向伸出的长针状彗尾,称为“反常彗尾”或“反日彗尾”,实际上这并非真的是彗尾在空间上朝向太阳,而是在特殊的太阳一彗星一地球相对位置时,从地球上见到尘埃彗尾的投影效应。
1970年以来,从空间(卫星)紫外观测发现彗星还有比彗发范围大得多的“氢(原子)云”,也称作“H彗发”,大小达上千万公里,体积比太阳还大。在望远镜中有时还看到从彗核抛出的物质“喷流”及“包层”,它们统称为“近核现象”。
2.彗星在公转中的形态变化
一颗彗星在绕太阳公转中,其亮度和形态随它离太阳远近(日心距)而变化。当彗星离太阳很远时(大于4天文单位),只是很暗的星点状,这主要是赤裸的彗核,或许还有未很好发育的彗发。
随着彗星走近太阳,亮度增强,到离太阳约3天文单位时,彗发开始发展,更近太阳时,彗发变大变亮。到离太阳约1.5天文单位时,彗发的半径可达10万~100万公里。再近太阳时彗发略变小些。彗星过近日点后,随着它远离太阳,彗发也逐渐变小到消失。
彗星从远处走到离太阳约2天文单位时,开始生出彗尾。随着彗星走近太阳,彗尾变长变亮。彗星过近日点后,随着远离太阳,彗尾逐渐减小到消失。彗尾最长时达上亿公里,个别彗星(如:1842c彗星)的彗尾长达3亿2千万公里,超过太阳到火星的距离。
上面所述的只是彗星形态的一般情况,实际上各个彗星的形态结构也有不少差别。有的彗星缺乏发育的彗发,有的彗星缺乏发育的彗尾。例如:Schwassmann-Washmann(1925II)彗星运行于木星和土星的轨道之间,其彗发和彗尾总是很淡弱;Baade(1955VII)彗星在离太阳很远(4~5天文单位)时就出现尘埃彗尾,而不见等离子体彗尾。
应当指出,彗星形态的观测毕竟是从地球上进行的,看到的视投影效果跟彗星离地球远近及观测方法有关。例如,哈雷彗星1910年回归时离地球近,观测条件有利时,甚至看到彗尾跨过天空视角100度,蔚为壮观;而1986年回归时观测条件不太有利,北半球很少人肉眼看见其丰姿,而穿越其彗发的飞船第一次拍摄到彗核的真面貌。
彗星的轨道特性
1.彗星轨道
通过多次观测的资料,可以推求出彗星的绕太阳公转轨道要素,即近日距、过近日点时刻、偏心率、轨道面对黄道面的倾角、升交点(在轨道上由南向北经黄道面上的点)黄经、近日点与升交点的角距,进而可以推算出彗星的历表,即不同时刻在天球上的视位置(赤经与赤纬)。很多彗星的轨道是扁长椭圆形、抛物线乃至双曲线。显然,沿抛物线或双曲线轨道运动的彗星是非周期彗星,它们会一去不返、逃离太阳系,那么它们是否真正属于太阳系成员呢?实际上,这些彗星是在过近日点前后被观测的,算出的是其吻切轨道,而且在这段时间里三种轨道差别较小,观测精度不够可导致算出的轨道误差,更重要的是彗星运行中受大行星的引力摄动等影响而发生轨道变化,大多数彗星在改正这些影响后算出的轨道仍是偏心率略小于1的扁长椭圆,因而它们是太阳系成员,也有少数彗星会一去不返。既使很扁长椭圆轨道的彗星,其公转周期也很长,要几百年乃至几万年才回归太阳系一次,在人类文明史中只有短周期的彗星(公转周期小于200年)才被多次观测到,绝大多数短周期彗星是顺向公转达的(即跟行星公转方向相同),它们的轨道面相对黄道面的倾角小于45度,有少数(如哈雷彗星)逆向公转,而长周期彗星和非周期彗星的轨道面倾角是随机分布的,顺向公转和逆向公转的都很多。
2.彗星族
约2/3的短同期彗星的远日距小于7天文单位,即它们在远日点时临近木星轨道,称它们为“木星族彗星”。一般认为,近抛物线(偏心率e约等于1)轨道的彗星接近木星时,因受木星引力摄动大,其轨道改变而被俘获为短周期彗星。典型例子是Brooks(1889V)彗星,它接近木星后,公转周期从约29年变为7年。此外,还有些彗星的远日距靠近土星、天王星、海王星轨道,分别称作“土星族彗星”、“天王星族彗星”、“海王星族彗星”,但数目少,是否来自“俘获”尚有疑问。
3.彗星群
除了过近日点时刻不同之外,其余五个轨道要素都很接近的一些彗星称为“彗星群”。已确认出10个彗星群,各群的彗星数目有多有少。有一种看法认为,同群的彗星是由一颗大彗星分裂出来的。确实观测到一些彗星分裂的事例。最著名的是“掠日彗星群”,至少有16颗彗星,其近日距小于0.01天文单位,可以穿越日冕,其中池谷一关彗星(1965VIII)在1965年10月20日过近日点后两星期内分裂为三颗。1993由休梅克夫妇(E.Shoemaker,C.Shoemaker)和(D.Levy)发现的Shoemaker—Levy9彗星在1992年7月接近木星时可能发生多次分裂,1993年先观测到5个子彗核,后增至11、17直到21个子彗核,在照片上排列成一串,成为“天空中的项链”。
4.奥尔特云与柯伊伯带
1950年,荷兰天文学家奥尔特(J.H.Oort)作了彗星轨道的统计研究,发现轨道半径为3万~10万天文单位的彗星数目很多,他推算那里有个大致球层状的彗星储库,有上千亿颗彗星。早在1932年欧匹克(E.Opiek)也曾提出过类似看法,因而这个彗星储库称为“奥尔特云”或“奥尔特一欧匹克云”,那里的彗星绕太阳公转的周期长达几百万年。按照近年的更仔细研究,奥尔特云中有上万亿至十万亿颗彗星。当然,这些遥远的彗星绝大多数尚不能直接观测到,只有在恒星的引力摄影动下或彗星相互碰撞时,有的彗星发生很大的轨道变化,当它沿扁长轨道进入内太阳系时,才成为“新”彗星被观测发现。
1951年,美国天文学家柯伊伯(G.Kuiper)研究彗星性质与彗星形成,认为在太阳系原始星云很冷的外部区里的挥发物凝聚为冰体一彗星,当外行星在冰体群中长大时,外行星的引力弥散作用使一些彗星驱入奥尔特云,但是冥王星之外没有行星形成,他提出冥王星之外有个彗星带,即柯伊伯带,那里有很多彗星,它们的轨道近于圆形,轨道面对黄道面倾角不大。1964年,惠普尔(F.Whipple)等提出,冥外彗星带会引起外行星及彗星引力摄动,若此带在40天文单位处,则彗星总质量约为地球质量的80%;若在50天文单位处,则总质量为地球的1.3倍。1988年邓肯(M.Duncan)证明,柯伊伯带是短周期彗星的主要源,而奥尔特云不是它们的源区。
正如前面所述的,近年新发现的冥外天体1992QB1(Smiley)和1993FW应是柯伊伯带内边界区的彗星(尽管现在以小行星方式命名),而离太阳32至35天文单位的1993RO、1993RP、1993SB、1993SC可能是从柯伊伯带摄动出来、处在向短周期演变的天体。柯伊伯带从离太阳40天文单位外延到几百天文单位(其外界尚不知道),估计此带中的彗星有上万颗,它们是太阳系形成时期的原始冰体残留下来的,这些彗星保存着太阳系原始物质的信息。欧洲空间局将在2003年发射罗赛达(Rosetta)飞船会合由柯伊伯带来的短周期彗星,揭示彗星性质及太阳系形成的奥秘。
哈雷与彗星
1682年,惊慌和恐怖的气氛正笼罩着伦敦。
夜晚,天空中挂着一根银光闪闪的木棒,或者说是一把寒气逼人的利剑,它使满天星斗为之失色。它扰乱了天空的正常秩序,同时也扰乱了尘世间人们的心灵。在伦敦街头,人们惶恐不安地望着天空,有的人跪在地上,在向上帝做祷告。
“天啊,这是什么怪物啊!”
“连月亮也被它淹没了!”
教堂里的牧师说,这是灾祸的预兆,是上帝发怒时所派遣的可怕的使者。
牧师要人们向上帝祷告忏悔自己的罪过:“只有信仰上帝,信仰耶稣,才能得救。”
在伦敦东南近郊的格林威治天文台。天文学家佛兰姆斯第德正对着天文望远镜,观测着这个怪物,记下它所在的位置,及它在天空中所占面积的大小,查对它位置的移动和大小的变化。
“这真是少见的大彗星!”他赞叹地说。在天文学家的眼里,在望远镜里,彗星是经常见到的,并不足怪。然而这样巨大的光亮的彗星,他过去却从没见过。
佛兰姆斯第德刚刚写完一段记录,就有人告诉他:哈雷先生来了。