彗星之謎

■張 靜

彗星發(fā)光的原因

光譜分析除提供了彗星成分的資料外，也告訴我們彗星發(fā)光的原因。彗星光譜里有明亮的光帶，而背景是邊續(xù)光譜，強(qiáng)弱及譜帶會(huì)隨與太陽(yáng)的距離遠(yuǎn)近而改變，這究竟表示什么呢？連續(xù)光譜的出現(xiàn)，表示彗星部分的光線是彗星的氣體及固體質(zhì)點(diǎn)反射太陽(yáng)光而來(lái)，且越接近彗核，光度越強(qiáng)。明亮的譜帶則說(shuō)明了彗星另外一個(gè)發(fā)光形式，這個(gè)形式是來(lái)自彗星本身的。由于彗星的氣體分子受太陽(yáng)紫外輻射激發(fā)而發(fā)光。激發(fā)的原理是：氣體分子吸收太陽(yáng)紫外光而獲得能量，從低能階激發(fā)至高能階，然后在躍回基態(tài)時(shí)，釋放能量，發(fā)出與吸收時(shí)相同頻率的輻射，因而發(fā)光。在光譜上亦因此出現(xiàn)發(fā)射明線，這種輻射在物理上稱為“共振輻射”?！肮舱褫椛洹笔且环N簡(jiǎn)單的熒光現(xiàn)象，故彗星這種發(fā)光的方法，乃稱為熒光作用。

由于彗星發(fā)光的原因都與太陽(yáng)輻射有關(guān)，所以隨著距離不同，亮度亦有所改變，越近越亮。一般來(lái)說(shuō)，被照耀的物體亮度，與光源的距離平方成反比。但由于彗星除反射太陽(yáng)光外，還自行發(fā)光，所以它的亮度便不是與距離平方成反比，而是與太陽(yáng)距離的4次方至10次方不等成反比。又由于氣體分子受激發(fā)所需的能量各有不同，與太陽(yáng)距離不同，受激發(fā)的氣體成分各有不同，但光度有異，顏色亦會(huì)有變化，而令彗星形態(tài)如此多姿多彩。

彗星從哪里來(lái)

從19世紀(jì)開始，人們對(duì)原本以為來(lái)無(wú)蹤、去無(wú)影的彗星愈來(lái)愈了解后，大家就在想，這拖著長(zhǎng)長(zhǎng)尾巴的彗星，到底從哪里來(lái)呢？

距今200年前（1796年），法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯出版了一本《宇宙體系論》，提出太陽(yáng)系起源的星云說(shuō)，認(rèn)為彗星是由太陽(yáng)系外星際云物質(zhì)所形成的，因?yàn)槭艿洁徑阈堑挠绊?，加上行星與太陽(yáng)引力的拉扯，使遙遠(yuǎn)星云物質(zhì)被吸進(jìn)太陽(yáng)系，而形成彗星。

這項(xiàng)理論，直到1950年經(jīng)過(guò)荷蘭天文學(xué)家奧爾特（Oort）與斯特龍格林（Van Woerkom）的精密觀測(cè)研究后，而為世人所接受。根據(jù)他們的研究，這團(tuán)星際云物質(zhì)距離太陽(yáng)約有225000億千米，以光的速度（每秒30萬(wàn)千米）得走上866天。讀者可以想像一下，以光的速度1秒鐘可繞地球7圈半，這個(gè)星際云還要強(qiáng)。太陽(yáng)的萬(wàn)有引力與日光斥力恰巧相反，但兩種作用力皆與距離的平方成反比。對(duì)于一般的物體，太陽(yáng)引力占盡優(yōu)勢(shì)?？墒菍?duì)極微細(xì)的粒子，太陽(yáng)斥力的作用為何竟凌駕太陽(yáng)的吸力呢？

如要解釋這點(diǎn)，我們可利用物體下墜的情況作比喻：兩件物體的表面積不同，所隨的空氣阻力便不同，表面積愈大，所受阻力愈大，下墜之勢(shì)愈慢。輻射壓力對(duì)微小粒子的作用，與此類似，因?yàn)橘|(zhì)粒愈小，表面積對(duì)于其重量便愈大。舉例說(shuō)明，假設(shè)一正方形物體，體積為1立方厘米，質(zhì)量1克，表面積則是6平方厘米；如從中切開，分成兩個(gè)相同的長(zhǎng)方體，則質(zhì)量每個(gè)是0.5克，而每個(gè)長(zhǎng)方體的表面積則為4平方厘米，兩個(gè)長(zhǎng)方體的表面積總和為8平方厘米，比本來(lái)的整體表面積相對(duì)量就愈來(lái)愈大，因此微小粒子的表面積相對(duì)質(zhì)量面言就很大，所隨的斥力就極顯著：只要質(zhì)點(diǎn)的直徑等于1微米，太陽(yáng)斥力與引力便得到均勢(shì)；質(zhì)點(diǎn)再小一點(diǎn)，太陽(yáng)斥力便大于引力。因此，太陽(yáng)輻射壓力就成為推斥彗星的一種作用力。

自發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)輻射對(duì)彗星的推斥力后，不少科學(xué)家都應(yīng)用太陽(yáng)輻射壓力來(lái)解釋彗尾，可惜結(jié)果并不圓滿，他們不能解釋何以Ⅰ型彗尾的加速度那么高。引起這個(gè)問(wèn)題的就是1980年出現(xiàn)的莫爾豪斯彗星（Morechouse’s Comet），它竟拋射出速度達(dá)每秒30千米的物質(zhì)，此點(diǎn)并不能應(yīng)用太陽(yáng)輻射壓力來(lái)解釋。直至發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)風(fēng)（solar wind）才找到合理的答案。

何謂太陽(yáng)風(fēng)呢？根據(jù)火箭及人造衛(wèi)星的探測(cè)，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)除不斷發(fā)出光與無(wú)線電波等輻射外，還拋出大量的帶電微粒。這些微粒包括由太陽(yáng)大耀斑區(qū)拋出的快速微粒流、太陽(yáng)碰區(qū)拋出的慢速微粒流及由日冕向太陽(yáng)四周膨脹的等離子體，它們統(tǒng)稱微粒輻射。由于太陽(yáng)作用于日冕氣體上的吸引力不能平衡微粒輻射的壓力，因此日冕不可能處于靜止的狀態(tài)，而是穩(wěn)定地向外膨脹。熱電離氣體粒子不斷地從太陽(yáng)向外流出，形成太陽(yáng)四周釋出的連續(xù)微粒流。由于微粒流好像是從太陽(yáng)不停地向外吹出的風(fēng)，所以稱為太陽(yáng)風(fēng)。太陽(yáng)風(fēng)的平均速度是每秒300～500千米，對(duì)彗星造成強(qiáng)大的推斥力，而彗尾的高加速度亦得以解釋。太陽(yáng)輻射及太陽(yáng)風(fēng)就是促成彗尾形成的兩股原動(dòng)力，故此彗尾要接近太陽(yáng)時(shí)才出現(xiàn)，但卻永遠(yuǎn)背向太陽(yáng)。

彗星與恐龍的滅絕

地球上至今最成功的一種動(dòng)物要算是恐龍了?？铸埿劬岬厍蛴?億年之久，種類繁多，水里、空中和陸地都有它們的蹤跡。恐龍?jiān)谥猩鷺O之繁盛（中生代，即距今1億8100萬(wàn)年至距今6300萬(wàn)年的一個(gè)地質(zhì)年代），而恐龍?jiān)谥猩┢跁r(shí)絕種，從地球表面消失。差不多同一時(shí)期，地球上所知?jiǎng)又参锓N類，也有一半滅絕。這樣數(shù)量龐大的生物滅絕，發(fā)生在很短的時(shí)間之內(nèi)，自然引發(fā)起各種不同的猜想和假設(shè)。有人認(rèn)為，恐龍絕種可能是因?yàn)樗鼈円堰^(guò)度發(fā)達(dá)，身軀體積和神經(jīng)系統(tǒng)不相稱，使它們反應(yīng)遲鈍、覓食困難，更要面對(duì)當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的較小、較靈活的哺乳類動(dòng)物。有人認(rèn)為，當(dāng)時(shí)部分恐龍所依靠維生的植物，進(jìn)化成開花植物，恐龍適應(yīng)不了，終致餓死。這個(gè)物種大量滅絕的時(shí)期，正好是中生代的白堊紀(jì)（Cretaceous Period）和新第三紀(jì)（Tertiary Period）之間，所以又稱C-T滅絕現(xiàn)象 （C-T Extinction）。無(wú)巧不成書，在這個(gè)遠(yuǎn)古的年代，地球的巖層里，夾上了一層不薄的紅棕色黏土。地質(zhì)學(xué)家在世界多個(gè)地方，例如意大利、法國(guó)、突尼斯、丹麥和新西蘭，都能找到這種夾在白堊紀(jì)和第三紀(jì)的巖層之間、質(zhì)地較細(xì)的黏土，而從這層黏土的厚度，估計(jì)這層黏土沉積而成的時(shí)間并不長(zhǎng)，只在以百年計(jì)的時(shí)間內(nèi)便形成了。美國(guó)一位物理學(xué)家艾弗里斯（L.Alvarez）和他的地質(zhì)學(xué)家兒子，假設(shè)這層黏土的來(lái)源，并非地球物質(zhì)沉積而成，而是當(dāng)時(shí)連續(xù)不斷落到地球表面的一些微隕塵。假如他們的假設(shè)成立，這層紅黏土里銥（Iridium）的含量，應(yīng)比地球其他巖石要多。分析結(jié)果證實(shí)，這層黏土里銥的含量，比其他地質(zhì)的巖石，高出30～160倍等。這項(xiàng)結(jié)果支持了艾弗里斯的假設(shè)，即這層沉積物來(lái)自太空而非地球。

不斷沉降地面的微隕塵，又怎樣能導(dǎo)致當(dāng)時(shí)地球生物，包括恐龍的大量滅絕呢？科學(xué)家初步提出的答案，是將那些銥帶到地球的不是微隕塵，而是一個(gè)體積龐大的物體，一如現(xiàn)今我們所知的小行星。這一顆小行星和地球碰撞，沖擊起大量塵埃，遮天蔽日，令到晨昏顛倒，生態(tài)失去平衡，甚至使地軸傾斜角度改變，以致氣候巨變。如果我們單要解答的問(wèn)題，是恐龍為什么會(huì)消失，或許可以采納恐龍過(guò)度發(fā)達(dá)、或恐龍蛋給纖小靈巧的哺乳類動(dòng)物吃光等等的理論，可是當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)連當(dāng)時(shí)白堊紀(jì)末海底的物種也消失凈盡時(shí)，就難免對(duì)上述理論提出質(zhì)疑。只有一種全球性的災(zāi)難，才能留下這樣深遠(yuǎn)的影響，而科學(xué)家相信，一顆撞落地球的小行星，就是理想的答案。

有些科學(xué)家卻有不同的見解，他們手上更有古生物學(xué)和化石作證據(jù)。他們認(rèn)為大規(guī)模物種滅絕是周期性的，而這周期大約為3000萬(wàn)年。美國(guó)兩名科學(xué)家，追查過(guò)去2億5000萬(wàn)年間600種海洋生物的演變和滅絕，發(fā)現(xiàn)每隔2600萬(wàn)年，海洋生物中便出現(xiàn)一次大規(guī)模的絕種現(xiàn)象。既然每隔一段時(shí)間，地球上的生物便遇到一次災(zāi)劫，有什么自然現(xiàn)象，可以解釋這個(gè)周期性呢？

上面提過(guò)小行星撞擊地球，破壞生態(tài)平衡，導(dǎo)致恐龍絕跡。但是飛近地球而體積龐大的小行星不多，況且要使它帶來(lái)的銥，分布在地球各處，這個(gè)撞擊地球的物體，假如有5～10千米的直徑，也要以每秒60千米的高速撞擊地面，小行星在運(yùn)行時(shí)并沒(méi)有這樣高的速度?？茖W(xué)家于是將注意力轉(zhuǎn)到彗星。

彗星源于何處？早于20世紀(jì)50年代，荷蘭天文學(xué)家奧爾特（J.Oort）已經(jīng)提出彗星云的學(xué)說(shuō)。奧爾特統(tǒng)計(jì)過(guò)彗星的軌道，認(rèn)為離太陽(yáng)5萬(wàn)個(gè)天文單位處，有一個(gè)好像殼一般包圍著太陽(yáng)系的彗星云，里面有大約千億個(gè)彗星的核心，這些彗星的核心受到其他星的引力擾動(dòng)，便會(huì)脫離彗星云，有些會(huì)飛向太陽(yáng)，讓我們見到，有些則可能消失于星際空間。為了解釋物種滅絕的3000萬(wàn)年周期性，科學(xué)家提出一個(gè)類似的假設(shè)：在奧爾特的彗星云和冥王星之間，有一個(gè)藏量更豐富的彗星云，里面有1萬(wàn)億個(gè)彗星體，只要受到騷擾和適當(dāng)?shù)耐苿?dòng)，便會(huì)“跌”入太陽(yáng)系內(nèi)部，有些彗星的軌道，假如是和地球相切，便會(huì)有機(jī)會(huì)變成轟擊地球的太空炸彈。

假如真有這樣一個(gè)彗星云，比奧爾特推論的那個(gè)更為接近我們，有什么因素可以使彗星云里的彗星，脫離穩(wěn)定的軌道而飛進(jìn)太陽(yáng)系的內(nèi)部、撞擊我們的行星、引起廣泛的破壞呢？這里，科學(xué)家提出了兩個(gè)可能的答案來(lái)交代使彗星脫離彗星云的引力擾動(dòng)：一是一顆又小又暗的紅矮星、二是質(zhì)量要比太陽(yáng)大1000到1萬(wàn)倍的星際云。第一個(gè)答案中的紅矮星，環(huán)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)一圈要2600萬(wàn)年，當(dāng)最接近太陽(yáng)時(shí)，足以擾動(dòng)彗星云里的彗星，使大量彗星在短時(shí)間內(nèi)飛入太陽(yáng)系的內(nèi)部。第二個(gè)答案中的星際云，位于我們這個(gè)銀河系平面，太陽(yáng)系運(yùn)行到這星際云25光年處時(shí)，彗星云里面的彗星，受到星際云引力的擾動(dòng)，也會(huì)飛到太陽(yáng)系的內(nèi)部，而太陽(yáng)系每3300萬(wàn)年，便穿越銀河平面一次。不過(guò)在這里，科學(xué)家也謹(jǐn)慎起來(lái)，原因是上述的兩個(gè)可能性，是假設(shè)上的假設(shè)：這兩個(gè)可能性是用來(lái)解釋彗星怎樣從彗星云釋放出來(lái)，而彗星本身，也是一個(gè)假設(shè)。至于那顆擾動(dòng)彗星云的紅矮星在哪里，或是那堆質(zhì)量龐大的星際云如何讓我們觀測(cè)到，都是有待解決的問(wèn)題。

無(wú)論是小行星或彗星，無(wú)論是否有這個(gè)約3000萬(wàn)年的滅絕周期，要是真有一個(gè)小彗星撞擊地球，其破壞力之巨是毋庸置疑的了。中生代的恐龍，或許真的見過(guò)這樣一個(gè)可怖的景象：一顆彗星，已經(jīng)非常接近地球，從表面上看，大到遮蓋了半邊天空。彗星和大氣層磨擦，發(fā)出眩目的光芒，迅即擊中遠(yuǎn)古地球其中一個(gè)海洋。在慧星落點(diǎn)的海水，立即化為蒸氣，并且劇烈膨脹，發(fā)出轟然巨響；海水被激起數(shù)十米高的海嘯巨浪，向四方八面洶涌奔去。而撞擊產(chǎn)生的空氣激波，也隨之而至，海洋近岸的動(dòng)物植物，不被海嘯卷走，就是被空氣激波震死。一個(gè)巨大的蘑菇云，慢慢在大氣層上升，因?yàn)樽矒舳怏w的巨星，其物質(zhì)化成微細(xì)的顆粒，隨著這個(gè)蘑菇云升上大氣層高處，而撞擊產(chǎn)生的地震震波，也從撞擊點(diǎn)環(huán)繞地球傳播開去。撞擊點(diǎn)附近幾百千米，開始刮起強(qiáng)風(fēng)，同時(shí)受升起的塵埃水氣遮掩，暗無(wú)天日，大風(fēng)夾著雨點(diǎn)和冰雹，橫掃大地。幾日之后，環(huán)境似乎開始穩(wěn)定下來(lái)，但大氣層里塵埃微粒大量增加，天空變得灰暗。數(shù)星期內(nèi)，微塵隨著大氣層的氣流，彌漫開去，逐漸平均地分布在大氣層中。水氣以微塵為核心積聚，積成厚厚的云層和長(zhǎng)期而且大量的降雨。

從太空回望，這時(shí)的地球，見不到陸地海洋，只呈現(xiàn)白茫茫的云海，且全無(wú)縫隙，云頂反射太陽(yáng)光，使地球成為耀目的行星。但在云層之下，地面上和海洋，生物開始和陽(yáng)光隔絕。植物沒(méi)有陽(yáng)光，慢慢凋萎；素食動(dòng)物失去了糧食來(lái)源，大量餓死；食肉動(dòng)物也只有在一片漆黑里覓食，水棲動(dòng)物也窒息而死。只有那些依靠植物腐爛的殘?jiān)鼮槭澄?，或機(jī)巧靈活而逃過(guò)被同類捕食的動(dòng)物，才可以幸存世上。生物界的面貌，就這樣來(lái)一個(gè)徹底的改觀。當(dāng)太陽(yáng)的光線在數(shù)年后再次穿過(guò)云層，射到大地和海洋時(shí)，微不足道的哺乳動(dòng)物，已經(jīng)完全取代了曾經(jīng)稱霸一時(shí)的恐龍的位置，成為地球生物界的主宰。

有關(guān)慧星的傳說(shuō)和記載

中國(guó)民間將慧星叫作“掃帚星”?！盎邸弊衷谥袊?guó)語(yǔ)言中有掃帚的含意，在古希臘人的語(yǔ)言中有 “毛發(fā)”的含意。

世界上公認(rèn)中國(guó)是對(duì)慧星觀測(cè)和記錄最早的國(guó)家。中國(guó)古書 《淮南子·兵略訓(xùn)》中記錄了公元前1057年的一次慧星，它就是后來(lái)被命名為“哈雷”的慧星。1973年，從中國(guó)湖南長(zhǎng)沙馬王堆的一座漢朝的墳?zāi)箖?nèi)，出土一幅慧星圖，圖上畫有29種慧星，形狀和名字都離奇古怪。中國(guó)的《史記》、《文獻(xiàn)通考》等古書，也記錄過(guò)公元前240年這顆慧星的出現(xiàn)?！端问贰吩?66個(gè)字記載了它在1066年回歸時(shí)的情況。從公元前1057年至公元1986年，哈雷慧星回歸了41次，中國(guó)除了有早期的3次記錄外，還有從公元前240年往后的全部30次記錄。

1066年慧星出現(xiàn)時(shí)，歐洲發(fā)生了海斯丁大戰(zhàn)。諾曼底公爵威廉起兵攻打英格蘭，英格蘭國(guó)王哈羅爾率軍抵抗然而戰(zhàn)敗，威廉在英國(guó)倫敦登上皇帝寶座。歐洲人把這次戰(zhàn)爭(zhēng)和慧星聯(lián)系起來(lái)，說(shuō)威廉是在這顆慧星的引導(dǎo)下攻入英格蘭的。威廉皇后還親自織了一幅彩色的繡圖，圖上繡著一群人，當(dāng)中一人用手指著慧星，回頭告訴眾人，神態(tài)失常，舉止驚慌；右邊繡著一個(gè)大臣在向哈羅爾國(guó)王告訴慧星出現(xiàn)的事，國(guó)王則在寶座上驚惶不安。這幅繡圖至今還保存在法國(guó)巴耶城的博物館里。英格蘭的國(guó)王則在皇冠上鑄上一顆慧星的花紋，據(jù)說(shuō)是為了牢記這次戰(zhàn)敗。

彗星的起源

彗星的起源是個(gè)未解之謎。有人提出，在太陽(yáng)系外圍有一個(gè)特大彗星區(qū)，那里約有1000億顆彗星，叫奧爾特云，由于受到其它恒星引力的影響，一部分彗星進(jìn)入太陽(yáng)系內(nèi)部，又由于木星的影響，一部分彗星逃出太陽(yáng)系，另一些被“捕獲”成為短周期彗星；也有人認(rèn)為彗星是在木星或其它行星附近形成的；還有人認(rèn)為彗星是在太陽(yáng)系的邊遠(yuǎn)地區(qū)形成的；甚至有人認(rèn)為彗星是太陽(yáng)系外的來(lái)客。因?yàn)橹芷阱缧且恢痹谕呓庵?，必然有某種產(chǎn)生新彗星以代替老彗星的方式。可能發(fā)生的一種方式是在離太陽(yáng)105天文單位的半徑上儲(chǔ)藏有幾十億顆以各種可能方向繞太陽(yáng)作軌道運(yùn)動(dòng)的彗星群。這個(gè)概念得到觀測(cè)的支持，觀測(cè)到非周期彗星以隨機(jī)的方向沿著非常長(zhǎng)的橢圓形軌道接近太陽(yáng)。隨著時(shí)間的推移，由于過(guò)路的恒星給予的輕微引力，可以擾亂遙遠(yuǎn)彗星的軌道，直至它的近日點(diǎn)的距離變成小于幾個(gè)天文單位。當(dāng)彗星隨后進(jìn)入太陽(yáng)系時(shí)，太陽(yáng)系內(nèi)的各行星的萬(wàn)有引力的吸力能把這個(gè)非周期彗星轉(zhuǎn)變成新的周期彗星（它瓦解前將存在幾千年）。另一方面，這些力可將它完全從彗星云里拋出。如果這說(shuō)法正確，過(guò)去幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)一千顆左右的彗星記錄只不過(guò)彗星是巨大彗星云中很少一部分樣本，這種云迄今尚未直接觀察到。與個(gè)別恒星相聯(lián)系的這種彗星云可能遍及我們所處的銀河系內(nèi)。迄今還沒(méi)有找到一種方法來(lái)探測(cè)可能與太陽(yáng)結(jié)成一套的大量彗星，更不用說(shuō)那些與其他恒星結(jié)成一套的彗星云了。彗星云的總質(zhì)量還不清楚，不只是彗星總數(shù)很難確定，即使單個(gè)彗星的質(zhì)量也很不確定。估計(jì)彗星云的質(zhì)量在10-13至10-3地球質(zhì)量之間。