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照片中的彗星，为什么往往有多条彗尾？

2021-03-15 15:25

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

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这个问题就彗星本身来说，涉及彗星的来源、运行、结构和物质成分等方面。

彗尾沿着背离太阳的方向延伸，主要呈现两种形态。图中彗星C/2014 Q1就被拍摄到了蓝色的离子彗尾以及淡黄色的尘埃彗尾。（Kevin Parker）

彗星是太阳系内在太阳引力作用下环绕太阳周期性地运行的小天体。绝大多数我们能看到的彗星的近日点在地球轨道附近或之内，但是几乎所有彗星的远日点都相当遥远，这与它们的来源有关。

&彗星的研究历史

1932年，爱沙尼亚天文学家恩斯特·奥皮克曾经提出彗星来自太阳系外层边缘云团的设想。1950年，荷兰天文学家奥尔特经过对彗星的多年观测，认为彗星源于亿万千米以外非常遥远的云状区域。明确提出在距离太阳1000到50000天文单位（au）之间的球壳状地带有大量彗星存在，它们是太阳系形成时的残留物，正是这些彗星形成了轨道偏心率很大、周期很长的彗星。长周期彗星几乎来自各个方向，因此那一地带被认为大体上是球对称的。这一广袤的区域后来就被称为“奥尔特云”，其内可能存在多达近万亿至几万亿颗彗星。

图1 奥尔特云与柯伊伯带艺术示意图（非等比例）。

现在，奥尔特云被分为两部分：距太阳20000天文单位以内的部分被称为内奥尔特云，它呈圆环形分布；距太阳20000天文单位以外的部分被称为外奥尔特云，它才是球对称的。估计它的外边界约在150000天文单位处（2.4光年），大体上是冥王星距离的4000倍。以池谷-关彗星为例，它在近日点附近速度为每秒500千米，仅用两年就跑完了靠近太阳的半边，但要跑完远离太阳的那半边，却要花上1000多年。有些长周期彗星旅行一周要经过几百万年的漫长岁月。所以，尽管奥尔特云里可能有那么多彗星，而全世界每年发现的长周期彗星平均只有十颗左右。奥尔特云是太阳系中天体分布最稀疏的区域之一。奥尔特云总是受到银河系潮汐的推动，偶尔也会受到从旁经过的恒星或巨分子云的摄动。结果，一些奥尔特云天体就会进入内太阳系，成为长周期彗星。长周期彗星提供了构成巨行星核的最原始材料的样本。

图2 1957年8月出现的姆尔科斯彗星。

1951年，美国天文学家柯伊伯提出了在海王星外侧宽约20天文单位的环状区域内有无数颗以冰状物体为主要成分的小天体绕太阳公转。他认为，只有这样才可能解释源源不断地有彗星进入内太阳系之谜。这些天体是太阳系初期没有能够结合起来形成大行星的星子残余。它们仍然保持着原始、孤立的状态，只是偶尔有某一个落到内太阳系来，成为短周期彗星。柯伊伯的假设直到1992年才得到证实。这个环状区域被称为“柯伊伯带”，他所预言的小天体则被称为“柯伊伯带天体”。最近的研究表明，柯伊伯带离太阳30~50天文单位，估计约有1亿到1万亿颗彗星、星子或“类冥天体”。它们的轨道面与黄道面的倾角较小。

究其实，彗星不过是柯伊伯带天体和奥尔特云天体中轨道改变而向太阳系内部运行的极少数。

&彗星的分类

彗星按照它们的运行周期分成三类：(a)短周期彗星。这类彗星在椭圆轨道上绕太阳运转，其运转周期小于200年；它们来自柯伊伯带。(b)长周期彗星。这类彗星轨道周期大于200年，但仍被太阳的引力束缚在太阳系内，它将以极其扁长的椭圆轨道、以很长的周期绕太阳运转；它们来自奥尔特云。(c)非周期彗星。这类彗星在运行过程中会受到行星的附加引力作用(摄动)，如果这种作用导致它在轨道上的运行速度增加，使它在经过近日点时的运行速度达到其逃逸速度，那么它将沿抛物线轨道运行，如果此时的运行速度己超过其逃逸速度，则它将沿双曲线轨道运行。在这两种情况下，该彗星便一去不返，这样的彗星便被称非周期彗星，非周期彗星约占彗星总数中的1/3。

图3 彗星的三种轨道

彗星是太阳系中形状很奇特的一类天体。它们在天空中出现时，往往有长长的尾巴，形如一柄大扫帚，故俗称“扫帚星”。彗星在远离太阳时并无彗尾，它只是在天空中恒星间移动的一个雾状斑点。正由于彗星是残留的星子，它们是由冻结的水、甲烷、二氧化碳、氨、氢、氧、一氧化碳等挥发性物质与尘埃混杂而成的一团“脏雪球”，其中水冰的含量尤其多。在远离太阳时彗星的体积很小，反射的阳光非常暗淡，必须通过天文观测设备才能发现。

当这个脏雪球越来越接近太阳时，受太阳热辐射的作用，其暗黑的表面吸收阳光，开始不断挥发物质。这些挥发出来的气体和尘埃物质，形成了彗头和彗尾两部分。彗头由彗核、彗发和包围彗发的氢云构成：彗核即彗星本体，彗发是从彗核里蒸发出来的较浓密的物质，而氢云则由向外散逸的最轻的气体构成，包围着彗核和彗发。当彗星距离太阳约5天文单位（在木星轨道上）时，太阳的加热作用便足以使得水、甲烷、氨和其他各种挥发性化合物的冰升华，即直接由固态转化为气态，这些气体就从彗发中逃逸出去，同时携带着原来与它们一起冻结在彗核里的细微尘埃颗粒。这时这个脏雪球在望远镜里呈现为暗淡又毛茸茸的一个球体。随着彗星越来越接近太阳，气体的升华也越来越快。

&彗尾的不同种类

彗尾沿着背离太阳的方向延伸，主要呈现两种形态。其中气体彗尾，又称离子彗尾，笔直地向外，是从彗发中升华的气体（包括分子和离子）受太阳风的驱赶而形成的。太阳风带有磁场，它的磁场增强了对来自彗发的带电粒子（离子）的作用，有助于从彗发拉出粒子并引导它们沿着磁感线方向运行，正如地球表面贯穿大气层的磁场使得进入大气里的离子（其大多数恰恰来自太阳风）流向两极而引发极光。气体彗尾能自行发光，太阳风粒子与彗尾中的气体相互作用而发出蓝色光芒。

图4 彗星的形态变化以及长周期和短周期彗星的轨道

太阳风虽然也叫“风”，可不同于在地面上吹刮的风，它的规模和强度远远超过地面上最猛烈的飓风。太阳风是从太阳的冕洞发出，向行星际空间发射的粒子流，其主要成分是电子和质子，还有氦离子和少量的碳、氮、氧等重元素的离子。原来，日冕中的粒子所受的引力小于内、外压力差，不能保持压力平衡，因而从冕洞中向外散逸。太阳风在其从太阳到地球的5至10天的行程中还在加速。在地球轨道上，它的速度通常是400~450千米/秒，最猛烈的时候甚至可达800千米/秒。粒子的密度通常是5至10个/立方厘米，还有微弱的磁场强度。

图5 彗星的结构

超声速的太阳风与彗星的气体发生复杂的作用，会产生各种形态的彗尾。太阳风的强度随太阳活动有约11年周期的变化，对彗尾的状态有直接的影响；在太阳活动的高峰期，太阳风吹刮得最猛烈。如果这时候有彗星出现在地球的附近，人们将能看到更加壮观和明亮的彗尾。

另一种是尘埃彗尾，这是来自彗发的尘埃粒子受太阳光压的作用向外飞散形成的。尘埃彗尾中的尘埃粒子是多分子聚合体，比单分子重得多，在飞行中因惯性稍落后于彗星而呈现一定的弯曲，它因反射阳光而变得明亮。彗星在轨道上运行，随着位置的改变，速度的方向和大小随时改变，它所受阳光照射的强度和方向因而不同，尘埃彗尾的形态也随时变幻不定。当日、地、彗处于某些特殊的位置关系时，地球上的观测者甚至能看到反向彗尾（即尘埃尾处于离子尾的相反方向）。除此以外，少数彗星还会有钠原子尾。钠原子尾由彗星尘埃中的钠原子在阳光作用下被大量离解出来形成，但它用相机难以捕捉。

图6 2007年1月出现的麦克诺特彗星。(S. Deiries)超链接：什么是光压？

光也会产生压力吗？空气看不见，摸不着，但我们可以感到空气有压力，气压的高低影响着天气，迎面的强风甚至让我们寸步难行。光看得见，摸不着，可谁也没有感觉到它有什么压力呀。现代测量表明，如果阳光直射到地面，并且被地面全部吸收，那么地面所感受到的光压只有4.5×10-6帕，须知地面上的大气压力是1.013×105帕，从量级上来估计，差了上千亿倍。人体的质量大，对光子带来的压力“无动于衷”，可是细微的尘埃粒子却对光压很敏感。光压产生的一部分力与太阳的引力相平衡，剩余部分把尘埃推离太阳，不过由于仍在太阳的引力场里，它们还继续在环绕太阳的轨道上运行。这些物质今后将残留在轨道上，成为流星雨的物质来源。

光压，又称辐射压，是光照射到物体上对物体表面产生的压力。早在17世纪初，德国天文学家开普勒观察彗星发现，彗星尾巴的朝向总是与太阳的方向相反，他认为是太阳光把彗尾推向另一侧，以此解释这个现象。其实，这里已经蕴含着光压的概念。1748年瑞士科学家欧拉明确提出光压的存在。到了19世纪中叶，英国物理学家麦克斯韦创立了经典电磁理论，他根据这个理论提出了计算光压的公式，并进行了具体计算。1899年，俄国物理学家列别捷夫设计了灵敏的测量仪器，首次把光压值测量出来；他的测量结果与麦克斯韦的理论值符合良好，既证实了欧拉的预言，也证实了麦克斯韦的理论。到了20世纪，量子理论问世，光被看成具有波粒二象性的光量子，物理学家应用量子理论推导了光压公式，得到了与经典电磁理论相同的结果。

彗星的亮度和彗尾的长度在彗星接近近日点的过程中日益增大，在天空中便出现一个明显的、拖着长长尾巴的彗星；在过近日点前后达到极值；但是当彗星环绕着太阳经过近日点逐渐远离而去时，彗尾随之渐渐缩短，亮度也慢慢降低，终于变得不再能被肉眼看见。图中1910年哈雷彗星回归于5月15日过近日点前后的照片，可以明显地看到其亮度的变化和彗尾的长消。