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第22章 宇宙的短跑选手——彗星和流星(1)

在中国,彗星又被称为扫把星;西方自古以来也将彗星视为灾难降临的标识,事实又是怎样的呢?彗星一旦撞击地球,将会严重损坏生态环境,甚至造成物种毁灭,但除此之外,它可能也有积极的一面——你相信吗?

彗星——一个脏兮兮的雪球

彗星,在我国俗称“扫帚星”,它的形状很特别,头部尖尖的,尾部常常是散开的,像一把大扫帚。在科学不发达的年代里,人们常常把它和天灾人祸联系起来,认为它是灾祸的前兆,因此有人称它为“妖星”。

太阳系最古老原始的天体

彗星由彗核、彗发及彗尾组成。在夜空里,美丽发光的彗尾是由气体和尘埃构成的。由于太阳辐射的热量,彗核蒸发出大量挥发性的物质,因此,彗核是彗尾的供给源。各个彗星的成分有所不同。平均80%左右是冰,其余是二氧化碳、一氧化碳等,再加上有沙砾的尘埃,所以被人称做“肮脏的雪球”。彗星归属于太阳系小天体,科学家们之所以一直对彗星感兴趣,是因为彗星被认为是太阳系里最古老最原始的天体,其物质构成与太阳系形成前的星云类似。这种星云后来坍塌形成太阳和行星,因此它含有46亿年前太阳和行星形成时的尘埃和气体。科学家们认为,形成地球生命的原始物质很可能是在彗星撞击地球时带到地球上来的,彗星为科学家研究太阳系和地球上生命的形成提供了一个窗口。

剖析彗星

在一般的情况下,彗星都在太阳系的边缘地区,这时即使被观测到,也与极其微弱的恒星相似,看不出细致的结构。但当其逐渐接近太阳的时候,由于太阳的热辐射、太阳风和太阳光压作用的加大,尤其当它进入火星轨道区域以后,表面物质挥发形成彗尾,表现出其独特的结构。

彗星有一个形态朦胧而明亮的“头”部——彗头。彗头包括两部分,中央密集而明亮的彗核和雾状的包层——彗发。

当彗星接近太阳时,在背向太阳的方向,自彗头会伸展出一条长逾几百万千米的明亮彗尾。当它们远离太阳时,由于温度很低,彗头中的挥发性物质便渐渐在彗核上凝固。当彗星离太阳非常近时,彗核的表面由于升温而开始蒸发。汽化的微粒夹带着微小的沙粒,组成了彗发的气体和尘埃。

彗核通常很小,直径一般在0.1~100千米之间,很少有超过100千米的。彗星的质量几乎都集中于彗核。当彗核凝固时,它仅能靠反射的阳光被看到。而当彗发产生后,尘埃反射了更多的阳光,彗发中的气体吸收紫外线并开始发出荧光。在离太阳很近的地方,荧光常常变得比反射光更为强烈。当人类进入空间探测后,发现了彗发之外还有一个更大的、直径约100~1000万千米的包层——彗云。因为它几乎全是由氢原子组成,故又称为氢云。氢云的物质密度极其稀薄,所以在地面上一般观测不到。

彗星的尾巴

长长的彗尾,是肉眼可见的彗星的主要特征之一,也是太阳系内最长的天体,它总是背向太阳一方。由于彗尾是彗头物质在太阳作用下的结果,所以,彗尾不仅与彗星的质量有关,更取决于离太阳的距离。在近日点时,达到最长;而一些行星族彗星在望远镜观测内仅有朦胧的彗尾而已,这主要因为由气体组成的离子彗尾较直,而包含有许多尘埃物质的尘埃彗尾一般比较弯曲。少量彗星在某一阶段内出现反常彗尾——朝太阳方向伸出尾状物质,称为逆向彗尾,也有人称为“彗翎”。有些彗星的彗尾不止一条,历史上不乏双尾甚至三尾的例子,最著名的是1744年的“歇索彗星”,曾出现过六条彗尾。彗尾的物质十分稀薄,恒星的光可以自由穿过它而不受任何影响,稀的彗尾密度远远低于实验室真空内气体的密度。

生命短暂的彗星

彗星每次访问太阳都要丢失一部分挥发性物质,最终它将成为太阳系中的又一颗岩石天体。因此对宇宙而言,彗星可以说是非常短命的。许多科学家认为有些小行星就是已熄灭的彗核,这些彗星已丢失了它们所有的挥发性物质。迄今发现的彗星共有1800多颗,它们中的大部分和我们仅有一面之缘,匆匆绕过太阳后,便沿着抛物线或双曲线一去不返了。只有沿着封闭轨道运行的彗星才能去而复来,这便是周期彗星。科学家把200年定为短周期彗星和长周期彗星的分界。

哈雷彗星是每76.1年环绕太阳一周的周期彗星,哈雷彗星是人类首颗有记录的周期彗星,因哈雷(1656~1742)首先测定轨道并成功预言回归而得名。最早和最完备的哈雷彗星纪录皆为中国;据朱文鑫考证:自秦始皇七年(公元前240年)至清宣统二年(1910年)共有29次记录,并符合计算结果。哈雷彗星的轨道周期为76~79年,下次过近日点为2061年7月28日。

彗星——拖着尾巴到处“乱跑”

与太阳系中其他小天体不同,彗星自从古代便为人们所知。中国关于哈雷彗星的记载可追溯自公元前240年。

数不清的彗星

彗星不断经过太阳约十次后,大部分的冰和气体都消失了,留下岩石质的物体在外观上与小行星十分相似。一个靠近太阳的彗星很可能或是与某一行星或太阳碰撞,或是被短暂地会面(特别是与木星)而排斥出太阳系。许多彗星首先被业余天文观测者发现,由于彗星在太阳附近最为明亮,它们仅在日出或日落时可见。到1995年为上,已有878颗彗星被编入目录。除了在太阳附近,彗星一般是看不见的。大多数彗星轨道高度偏离正圆,这使它们大大远离冥王星的轨道;这些彗星只被人们看见一次,然后便长久地消失。只有那些短期或中期的彗星(例如哈雷彗星),它们一部分重要的轨道处于冥王星的轨道内。

“宇宙子弹”在飞来

2011年6月27日,这颗名叫2011MD的小行星从北半球方向飞驰而来,经过南极附近时距离地球只有1.23万千米,比同步卫星还要“贴身”。最终,它和地球擦肩而过,成为了过客。这让人们不禁想到了大约6500万年前的一幕。据科学家推测,当时一颗直径数十千米的小行星撞击在尤卡坦半岛上,引发频繁的地震和海啸,激起的尘埃笼罩了天空,地球上大多数地方都看不到太阳,恐龙也随之灭绝,地球从此进入冰河世纪。相比之下,2011MD要小得多,直径大约为5~10米。“但在天文领域,1.23万千米是非常近的距离概念,就相当于有人朝你开枪,子弹穿过了衣服却没有伤到皮肤。”

其实这不是2011MD和地球的第一次亲密接触,也不会是最后一次。起初,这位“天外来客”并没有引起人类注意。这颗大小和一间办公室差不多的小行星,在动辄直径数十千米的天体家族里,实在是貌不惊人。更何况,这种规模的小行星降落在地球上的频率大约为每年10次,基本上在进入大气层后就会被烧掉了。在太阳系中,除了八大行星外,还有成千上万颗小天体,都沿着椭圆形的轨道围绕太阳公转。在以千万年甚至上亿年计算的地质纪年中,小行星与地球的相撞几乎是必然现象。

最初,天文学家以为2011MD只是块太空垃圾,并不以为意。直到它即将来到地球眼皮底下的前5天,负责近地天体观测的美国林肯实验室才发布消息,“宇宙子弹”要飞来了。它很小,只有在它离地球很近的时候我们才能看到它。当它离开距离地球最近的点之后渐渐变暗,现在已经超出了望远镜能够观测的范围。

终于,这位匆匆过客的神秘面纱被揭开了:它和地球的公转周期相似,有394天;这也不是它和地球的“第一次亲密接触”,1962年它也曾近距离飞掠地球,当时最近的距离差不多是地球和月球距离的3倍,在不久的2022年它还将再次掠过地球。

即便这颗宇宙子弹击中了地球,地球也能毫发无损。这要归功于环绕地球的一身防弹衣——大气层。“小天体进入大气层后会产生摩擦。对于直径只有几米的小天体,大部分会在大气中被烧蚀掉”。假如2011MD真的撞击地球,也会被大气烧蚀掉,我们看到的大概会是一颗火流星。

通古斯大爆炸的威力

通古斯大爆炸可能由一个直径50~60米的彗星与地球相撞产生。这颗彗星撞入地球时和大气的摩擦使它急剧升温,而它内部的结构并不致密,所以它在空中就爆炸瓦解成许多小个体,导致波及面积达2000多平方千米。这次大爆炸导致周遭6000万棵树焚毁倒下,1500只麋鹿不见踪影,其威力相当于近1500万吨TNT炸药,或者1000枚投在广岛的原子弹。由于彗星爆炸后释放的水蒸气进入地球大气层,从爆炸第二天开始,数千千米之外的欧洲地区出现夜光云现象,持续数日夜空明亮,伦敦人甚至可以在夜空下看报纸。

这恐怕是宇宙子弹极为恐怖的一次发威。北京天文馆馆长朱进向《中国青年报》记者解释,个头小的小行星撞过来,你可能就只看到一颗火流星飞过去;再大一点的也许进入大气层后会碎成小颗粒,形成陨石雨;更大的家伙也许会落下来砸个坑,形成类似核爆炸一样的爆炸;再厉害一些的就会激起尘埃包裹着地球,如果尘埃多达看不到太阳,那意味着人类将面临毁灭。

短周期彗星是轨道周期短于200年的彗星,长周期彗星的轨周期可以长达数千年。短周期彗星,如哈雷彗星,被认为是来自柯伊伯带;长周期彗星,如海尔·波普彗星,则被认为起源于奥尔特云。有许多群的彗星,如克鲁兹族彗星,可能源自一个崩溃的母体。有些彗星有着双曲线轨道,则可能来自太阳系外,但要精确地测量这些轨道是很困难的。挥发性物质被太阳的热驱散后的彗星经常会被归类为小行星。

美丽的彗星给我们美好的遐想,可是到现在,我们也没有想明白,彗星到底来自何方。通常科学家认为,彗星来自那遥远的、我们没有见过面的奥尔特云,但这种说法实在牵强,不免让人疑窦丛生。

彗星的“老家”——奥尔特云和柯伊伯带

虽然人们未曾对奥尔特星云作直接的观测,但从观测的彗星的椭圆轨道,认为不少彗星皆是从奥尔特星云进入内太阳系的,一些短周期的彗星可能来自柯伊伯带。

什么是奥尔特云

奥尔特云是50亿年前形成太阳及其行星的星云之残余物质,它包围着太阳系。而最广为人们接受的假设,是奥尔特云天体在较接近太阳的地方形成,与其他行星及小行星相似。

如木星等天体的强大引力将之逐出太阳系内部,使它们拥有呈椭圆形或抛物线状的轨道。同时,这个过程也使它们的轨道偏离黄道面,并形成奥尔特云呈球状的形态。一些在远处的天体之轨道又被附近的恒星摄动,使之变为浑圆,并能长期处于太阳的远方。

1950年,荷兰天文学家奥尔特便指出一颗彗星不停来回太阳系内部与外部,终会被多种因素所摧毁,其生命周期绝不会长如太阳系。奥尔特星云团所受的太阳辐射较弱,非常稳定,存在数百万颗以上的彗星核,可以不停产生新彗星取代被摧毁的彗星。另外人们相信,所有奥尔特云彗星的总质量,会是地球的5~100倍。

直至今日,只有90377号小行星被认为可能是奥尔特星云的天体,其轨道介乎76~850个天文单位之间,比预计的轨道接近太阳,有可能来自奥尔特星云内层。如果其推测正确,那么奥尔特星云的距离一定比估计的接近太阳,密度也会较高。也有说法指太阳形成时,其原是星团的一员。

“冰封”的“柯伊伯带”

在内太阳系有四颗所谓的近地行星,火星处于最外层。再往外是由气体和冰构成的超大行星。再往外,才是埋没在大群小行星和彗星之中的由冰和岩石构成的冥王星。50年前,一位名叫吉纳德·柯伊伯的科学家首先提出在海王星轨道外存在一个小行星带,其中的星体被称为柯伊伯带天体。1992年,人类发现了第一个柯伊伯带天体;今天,我们知道柯伊伯带天体地带有大约10万颗直径超过100千米的星体。以后,天文学界就以纳德·柯伊伯名字命名此小行星带。

早在20世纪50年代,柯伊伯和埃吉沃斯就预言了在海王星轨道以外的太阳系边缘地带,充满了微小冰封的物体,它们是原始太阳星云的残留物,也是短周期彗星的来源地。在距离太阳40~50个天文单位(天文学中距离的基本单位,其长度接近于日地平均距离)的位置、低倾角的轨道上,过去一直被认为是一片空虚,是太阳系的尽头所在。但事实上这里满布着大大小小的冰封物体,这些冰封物体就是柯伊伯带。1992年,人们找到了第一个柯伊伯带天体(KBO);如今已有约1000个柯伊伯带天体被发现,直径从数千米到上千千米不等。

柯伊伯带天体,是太阳系形成时遗留下来的一些团块。在45亿年前,有许多这样的团块在更接近太阳的地方绕着太阳转动,它们互相碰撞,有的就结合在一起,形成地球和其他类地行星,以及气体巨行星的固体核。而在远离太阳的地方,有些团块处在深度的冰冻之中,就一直被保存了下来,并最终成为了柯伊伯带天体,它们在太阳系刚开始形成的时候就已经在那里了。

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