天文教程：彗星形态-天文学教程 上册

肉眼所见的亮彗星可分为彗头和彗尾两部分。彗头大致呈球形朦胧云雾状辉斑，中心区亮，往外减暗。实际上，彗头是由彗核和彗发组成的。彗核在彗头中央，看上去像个星点，常难以分辨。虽然彗核小，但集中彗星的绝大部分物质，是彗星经常存在的本体（或主体）；彗发和彗尾的物质终究是彗核蒸发出来的气体及尘埃，虽然彗发和彗尾有时延伸范围很大，但甚稀疏，可透射其背后的星光，且远离太阳时就消失了。

一颗彗星在绕太阳公转中，其形态不断地变化。当它离太阳很远时，基本上是赤裸的彗核。随着接近太阳，受到太阳辐射的作用增大，到离太阳约3 AU，彗核表层的冰开始升华为气体而流出，也带出尘埃，它们形成彗星大气——彗发；离太阳更近时，彗发增大；离太阳1.5 AU内，就可以看到彗尾了。彗星过近日点之后逐渐远离，其形态变化与接近时相反，即彗发和彗尾越来越小，直到消失（见图7-34）。

图7-34　哈雷彗星的轨道运动和在1910年的形态变化

彗尾常在背太阳方向延展，其物质密度更稀少。彗尾的视长度受天光亮度的严重影响，无灯光污染的山区甚至看到彗尾穿越大半天空，真长度达几千万乃至一亿千米以上，个别（18421彗星）彗尾长达3亿2千万千米。

按照形态和性质，彗尾有两类：一类直而长，由离子（主要是CO＋）气体及电子组成，色偏蓝，称为等离子体彗尾或离子彗尾、气体彗尾；另一类常是弯曲的，由尘埃组成，色偏黄，称为尘埃彗尾。近年又观测到第三类——钠原子彗尾（见图7-35）。

以上是彗星的典型情况，实际上，彗星的形态是多种多样的，有很大的差别和变化。有的彗发或彗尾不太发育，例如，39P／Oterma彗星除了有点云雾状彗发外，未见彗尾；29P／Schwassmann-Wachmann 1彗星不仅没有彗尾，甚至彗发也很不发育。

原则上，可以根据彗星对行星或卫星轨道运动的引力摄动来定出彗星质量，然而这种摄动太小，得出结果不准确。从彗星分裂的各子核的分离运动推算出彗核质量小于3×1016kg。彗星质量一般为1010～1019kg，多数为1011～1016kg。观测证据表明，彗核的主要成分是水冰，但由彗核的质量和直径算出的平均密度常小于1 g／cm3，这说明彗核内有空隙。

图7-35　Hale-Bopp彗星的窄而直钠彗尾（左，彩图见附录B）和常见的等离子体彗尾与尘埃彗尾（右）

1）近核现象

彗发中常出现近核现象：从彗核的几个活动区喷出物质的喷流和包层。因为气体容易扩散，而尘粒则不易扩散，所以常是连续的尘粒流；但在哈雷彗星1985—1986年回归期间也观测到CN和C2气体的喷流，这不是直接从彗核喷出的，而是从彗核喷出的大分子或微尘离解的子分子。由于喷流浸在亮的彗发中而较难直接观测，可用特制窄波段透射滤光片拍摄彗星“单色像”来增大喷流与背景彗发的对比度，还常用计算机作彗星图像增强处理，揭示近核现象（见图7-36）。

美国天文学家F.L.惠普尔（Fred Lawrence Whipple）从近核现象得出，约的彗核是表面不均匀的和不对称的，喷流物质主要从彗核表面的某些小区抛出，彗核的自转导致喷流弯曲，发展为螺旋形、进而呈现包层，显示周期性的变化。从近核现象已推算出一些彗星的自转周期，有的还算出自转轴的空间方向。彗核自转周期有小于5 h的，也有长达几天的，自转轴方向呈随机分布。哈雷彗星彗核的自转是很复杂的，好像陀螺一样，既有绕轴转动，又有转轴在空间的旋进（“进动”），因而有两个转动周期：2.2 d和7.4 d。

2）尘埃彗尾和反常彗尾

尘埃彗尾虽然看起来较短，但实际长度也可达105km以上。尘埃彗尾的光谱基本上是反射太阳光的连续光谱，但在红外波段也有其自身热发射的连续辐射及发射带，最显著的是波长为10μm和18μm的硅酸盐发射特征。

彗星有时呈现向日彗尾或反常彗尾。实际上，彗尾也是背太阳弯曲的，只是因为太阳、彗星和地球处于特殊的相对位置，从地球上看到彗尾视投影方向朝太阳（见图7-37）。

图7-36　增强处理的哈雷彗星近核现象

说明：从右到左，上部为1910年5月13日、23日、6月5日所摄；下部为1986年3月18日、1月4日、3月19日所摄；太阳在右，各图边长为120000 km。

图7-37　鹿林彗星的反常彗尾及其解释

从彗核抛出的大量尘粒在太阳光压的斥力作用下向着背太阳方向运动，同时它们还有随彗星的轨道运动，这两者的合运动导致尘埃彗尾的观测形状。如图7-38所示，彗核在轨道A、B、C处抛出的尘粒分别沿AA1、BB1、CC1（虚线）运动。当彗核运动到D时，这些尘粒到达DB1C1A1附近，于是此时观测到背太阳方向的弯曲尘埃彗尾，其弯曲程度与尘粒的大小和速度及太阳辐射压等因素有关。

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图7-38　尘埃彗尾的形成

3）等离子体彗尾大尺度现象

太阳辐射使彗发气体（乃至尘埃）光致离解和光致电离，生成子分子和离子，结果导致彗发成分变化。当太阳风的带电粒子流和磁场与彗星物质（尤其是彗星离子）相遇时，就发生很多复杂的相互作用，显示一些壮观的等离子体彗尾大尺度现象。

彗星离子受太阳风推斥而远离彗核，又有随彗星的轨道速度运动，等离子体彗尾（轴Ct）方向与太阳-彗核连线方向（轴Cr）就有个小交角ε，称为风差角（aberration angle）（见图7-39）。假定彗尾位于轨道面，若彗星轨道运动速度垂直于日-彗矢径的分量为V⊥，太阳风速度的矢径分量为Wr，则

若太阳风还有方位分量Wφ，彗星轨道运动速度V与矢径的夹角为γ，彗星轨道面与太阳赤道面夹角为i，则

图7-39　等离子体彗尾的风差角

考虑太阳风的速度场，可得到与观测和理论符合的太阳风速度分量：Wr=400 km／s，Wφ，0=6.7 km／s，Wm=2.3 km／s，Wφ，0和Wm分别是1 AU处的方位和纬向分量，这与飞船探测符合。

等离子体彗尾常有几条细的尾射线或尾流，典型宽度为2000～4000 km。在某些彗星的系列照片上，呈现有尾射线折叠现象——尾射线随时间而拉长并转向尾轴（见图7-40）。

图7-40　Morehouse（1908Ⅲ）彗星在10月3日9时（左）和13时（右）的两幅底片显示出尾射线的折叠和拉伸

更有趣的是断尾事件——先前的等离子体彗尾从彗头断开，向后退行，接着又从彗头生出新的等离子体彗尾（见图7-41）。瑞典等离子体物理学家兼天文学家H.O.阿尔文（Hannes O.Alfven）提出，太阳风磁力线被彗星“悬挂”并向尾轴方向折曲和拉伸而呈折叠伞状（见图7-42），彗星离子被磁力线束缚而形成尾射线，可解释尾射线的拉长并转向尾轴现象。

M.B.Niedner和J.C.Brandt提出，反极性磁场边界经过彗尾之前，彗尾处于一种极性的折叠磁场中，彗尾与彗头连接着；反极性磁场边界经过彗尾折叠，其两侧磁力线是反向的，进一步折叠，反向磁力线在靠近彗头部分变得很密集，反极性磁场边界发生磁力线-磁场重联；随后，重联部分的磁场及所控制的离子彗尾从彗头断开远去；另一种极性磁场越来越折叠，形成新彗尾（见图7-42）。然而，叶（永煊）和D.A.Mendis提出另一种机制：太阳风的高速流经过彗星时造成不稳定性，导致断尾事件。

等离子体彗尾上常出现有结（或节）、扭折、螺旋和云团等不规则结构（见图7-43）。一般来说，这些结构的细节有远离彗头的加速运动，典型速度从近核处的10 km／s到很远处的250 km／s，其典型加速度相应于受到斥力约为太阳引力的100倍。对于这类结构的运动问题，有两种不同解释：一种认为结构的运动是真实的物质运动；另一种认为可能是等离子体的磁流波。

图7-41　哈雷彗星在1986年的一次断尾事件

图7-42　太阳风磁力线遇彗星“悬挂”而折叠（发生磁力线重联并远离，产生断尾事件）

图7-43　Kohoutek彗星的等离子体彗尾结、扭折、螺旋和云团等不规则结构