几颗著名彗星：天文学教程上册的收获

虽然每年都有很多彗星运行到内太阳系而可以观测到，但适于公众观测的却很少。曾经运行到地球附近且特别明亮而形态及其变化奇异的彗星才更令人瞩目，取得了宝贵的观测研究成果。下面介绍几颗著名彗星。

1）哈雷彗星（1P／Halley）

它前三次回归是1835年、1910年、1986年。恰巧，美国作家马克·吐温生于1835年，他在自传中写到“我随哈雷彗星而来，也期望随它而去”，果然于1910年逝世，受此启发，1985年拍摄了虚幻电影“马克·吐温的奇遇”。它1910年运行到地球附近时，奇特的长大彗尾横越星空，特别瞩目，推算其所含毒气的彗尾将在5月18日扫过地球，新闻媒介借机大张旗鼓炒作“世界末日”到来，奸商热售“彗星药丸”，实际上，地球和人类却安然无恙。阎林山等的研究表明，这次彗尾扫过地球造成了地磁暴。

1986年飞船穿过哈雷彗星的彗发，实地测量了气体和尘埃，首次近距拍摄到彗核，同时结合在地面上和近地空间的观测和一系列研究，取得丰硕成果，开拓了彗星研究新时代。

哈雷彗核呈花生或扁长土豆形（见图7-49），近于三轴为16 km×8 km×8 km的扁球，表面暗黑（反照率为0.02～0.04）且很不规则，几个喷流从局部活动区出来。其彗核平均密度约为0.3 g／cm3，说明彗核内有空隙。水分子是彗发因而也是彗核挥发物的最丰富成分，CO2／H2O的产额比约为1%，上限约为20%。彗发中存在复杂有机分子与大量微小固态颗粒，大多在3×10-16～3×10-10g范围（微米和亚微米大小），尘粒在喷流中更密集，最小与最大尘粒的数目比随远离彗核而减少——说明小颗粒蒸发。有几乎完全由碳、氢、氧、氮组成的CHON尘粒、与CI型碳质球粒陨石相似的富氢或富碳尘粒，也有富铁、硅、镁、氧的硅酸盐尘粒。同位素12C／13C比率的范围很宽（0～104），而氘氢比率（D／H）类似于地球海洋的值。

图7-49　哈雷彗星的彗核表面特征

哈雷彗星不仅有尘埃喷流，而且也观测到CN和C2气体喷流，长达近1000 km，它们很亮，并逐渐扩展成晕或包层。离彗核约106km和5000 km处分别存在外激波和内激波，而内激波以内磁穴区的磁场基本为零；载质太阳风流与彗星离子外流的相互作用在离彗核约1.4×105km处形成厚约104km的间断面——彗星顶，其内区域是纯彗星离子，在背太阳方向形成离子彗尾；弓形激波面离彗核1.1×106km，在弓形激波上游及它与彗星顶之间的磁鞘区域也有复杂的细结构，发生多种等离子波和不稳定现象，出现多次断层事件以及射线、扭折等大尺度现象。

1991年2月哈雷彗星已离太阳14.5 AU远，本应只有不活动的裸彗核，但却突然亮了200～300倍，出现直径近3×105km的模糊大气，推断可能受到一次大撞击，这将会影响它在2061年的回归。

2）海尔-波普（Hale-Bopp）彗星

海尔-波普（C／1995 O1）彗星是1995年7月23日发现的，肉眼观测长达18.5个月，创历史新纪录。它轨道的a、P、e、i分别为186 AU、2537 a、0.995086、89.4°。它在1997年3月通过木星近旁（0.77 AU），受木星的引力摄动而改变轨道，公转周期缩短为2380 a，远日距也变为360 AU。分析表明，它的彗核约为50 km。有趣的是，1997年3月5日的日全食前后它在北天极区域，高纬地区的人们可以肉眼整夜看到它，而日全食时它仍在当空。4月1日，它的彗尾跨越星空30°～40°，蔚为壮观。从它的红外和射电波谱中观测到20多种成分，发现7种以前没有在其他彗星探测到的新分子。从喷流物质外流得出，其彗核自转周期约为11 h 46 min，还叠加有几天的周期变化。自适宜光学观测到其彗核亮度有双峰，但哈勃空间望远镜的高分辨像未见此迹象，因而，它是否有双彗核仍有争议。

3）百武（C／1996 B2）彗星

百武彗星C／1996 B2（Hyakutaka）是长周期彗星，在新近经过内太阳系之前，它的轨道周期约为15000 a，但巨行星的引力使其轨道周期变于70000～114000 a，现轨道的a、e、i分别为2349.02 AU、0.999902、124.9°。1996年3月24日，它成为夜空最亮的天体，彗尾跨越星空35°。3月25日，它最接近地球（见图7-50左），彗尾横越星空达80°，彗发的角径达1.5°～2°。5月1日过近日点时，仍被SOHO卫星拍摄到。尤利西斯（Ulysses）飞船非预料地在1996年5月1日穿过百武彗星的彗尾，发现太阳风质子数大减及局部磁场方向和强度变化，还发现彗星离子突增。彗尾至少有5.7×109km（=3.8 AU）长，改写了彗尾长度的纪录。从它的观测，人们第一次发现彗星含乙烷和甲烷。光谱观测得出，它的水冰中氘氢比率（D／H）约为3×10-4，是地球海洋（D／H≈1.5×10-4）的2倍，挑战地球海水来自陨落彗星的看法。

最惊奇的是，ROSAT卫星观测到其彗核周围呈突向太阳的X射线发射（见图7-50右）。此后，几乎每颗彗星都观测到X射线发射，可能是太阳风离子与彗发的中性氢碰撞产生的。哈勃空间望远镜摄到其彗核周围区有破裂开的碎块。雷达探测出其彗核约2 km大，以几米每秒的速度抛出卵石大小碎块串到周围。它在1996年3月初的尘埃产率约为2×103kg／s，到近日距时增到3×104kg／s，尘埃抛出速度从50 m／s增到500 m／s。其彗核自转周期为6.23 h。

图7-50　地面望远镜摄的百武彗星形态（左）与ROSAT卫星摄的百武彗星X射线像（右）

4）19P／Borrelly彗星

19P／Borrelly是1904年12月28日发现的木星族彗星，现在绕太阳公转轨道周期约为6.9 a，近日距约为1.36 AU。2001年9月22日，Deep Space 1飞越它的过程中，摄录了（波段0.5～1.0μm）彗核像和（波段1.3～2.6μm）光谱，进行了等离子体的实地测量。

其彗核近于长约8 km、宽约4 km的滚球针状，自转周期约为25 h，表面崎岖，到处可见变暗物质，显示复杂的地形／地质和光度分布，普遍缺乏陨击坑。彗核表土相当松软。近核彗发显示类扇的和准直的两型尘埃喷流。最强尘埃喷流至少100 km长，指向偏太阳-彗核30°，从自转轴一端发出（见图7-51）。彗核的光谱有波长约2.39μm吸收线（成分尚不清楚），说明表面热而干燥；对比哈雷彗星，Borrelly彗星缺少C-链分子；它的弓形激波离彗核约1.5×105km，离子彗发中心偏离彗核1500 km，一些特征不对称地偏离太阳-彗星连线，这是未预料到的。(www.xing528.com)

图7-51　彗星19P／Borrelly的彗核及喷流（小图）

5）彗星81P／Wild 2

81P／Wild 2是年轻的木星族彗星，发现于1978年1月6日，它原在木星和天王星的轨道之间绕太阳公转，在1974年9月从离木星0.006 AU处经过而变到进入内太阳系，轨道周期从40 a变为约6 a。现在轨道的a、e、i、P分别为3.45 AU、0.5348、3.2394°、6.408 a。由于Wild 2接近太阳时间少（仅5次）而大部分尘埃和气体仍是“原始的”，星尘飞船于2004年近距飞越，拍摄到清晰的彗核像，近于半径为1.65 km×2.00 km×2.75 km的三轴椭球（见图7-52）。

图7-52　彗星81P／Wild 2的彗核（左）及其局部（右）

它表面反照率为0.03，显示冰岩彗核有复杂的多种特征，有平底、陡壁的一些凹陷，还有与陨击坑或排气口造成的小到2 km的其他特征，在探测期至少有10个排气口是活动的，也保存着古老地形。它的地形起伏（至少200 m）大。大的凹陷近于2 km，很多凹陷可能是陨击坑，有的是活动区（喷流源）冰升华后留下的。有20个喷流从表面活动区（较亮斑）出来。陡峭的悬崖说明彗核外壳是很坚硬的，细粒的岩石物质被水冰、一氧化碳和甲醇冻结。Wild 2有丰富的、似乎更富氮的有机分子。人们采集到它的几千新鲜彗星尘以及星际尘带回地球，初步分析表明，高温形成的钙长石（anorthite）和透辉石（diopside）的含量令人惊奇。

6）彗星9P／Tempel

图7-53　9P／Tempel的彗核

说明：粗箭头指撞击点；箭头a、b指异常平坦区；小箭头指平坦区a边缘的悬崖；右下标尺为1 km；右上双箭头指太阳和天空北向。

9P／Tempel 1是1867年4月3日发现的木星族彗星，由于多次接近木星而轨道常发生变化。现在轨道的a、e、i、P分别为3.122 AU、0.5175、10.5301°、5.515 a。深撞击飞船在2005年探测得出（见图7-53），彗核是大约7.6 km×4.9 km的高低起伏团块，平均直径为6.0 km，自转周期为1.71 d，质量约为7.2×1013kg。每次接近太阳时损失109kg或0.001%；撞击“撕掉”约106kg或0.000001%。彗核的平均密度为0.67 g／cm3，说明有孔隙。其彗核表面的反射（平均约4%）差别不大，甚至飞船撞击的最亮斑也仅为6%。尽管它是冰体，但彗核表面却没有冰证据，而是覆盖很细（0.5～1μm）的暗尘。红外谱表明，日下点温度最高（329 K），阴影处最低（260 K），热惰性很低。撞击前的光谱缺乏特征；撞击后的光谱有H2O和CO2的发射特征，但缺少“C-H”（包括多种成分）特征。这说明，太阳光升华了彗核表面冰，表层下仍有冰；但三处异常颜色区的光谱有水冰的波长1.5μm和2.0μm吸收，可解释为含3%～6%的水冰颗粒（10～50μm，大于撞击实验抛出的冰粒），说明表面沉积是疏散聚合物，可能还有下面排气源区。

它的彗发光谱显示了典型的彗星气体（H2O，HCN，CO2以及有机化合物CH、C2、C3和氮化物NH3、CN）。飞船撞击出更多的（10倍）H2O和CO2以及（20倍的）复杂化合物（H2CO，CH3OH，CH3CN）。撞出物包含“有机物质暴”成分——甲醇、甲基氢化物（methyl cyanide）及乙炔（C2H2）、乙烷（C2H6）、甲烷（CH4）和尘埃成分——硅酸盐矿物（辉石、橄榄石）。撞击几天后，又恢复撞击之前情况。最惊奇的撞击特征是掘出物质的“松软性”和“尘埃性”，或者说，这是太阳系早期遗留物。斯必泽空间望远镜成像摄谱（波长为5～35μm）显示原子丰度与太阳的和C1陨石的符合，气体与尘埃的质量比大于等于1∶3。尘与冰的质量比大于1，说明其彗核是冰体脏球（ice dirtball），而不是脏的雪球。

7）67P／Churymov-Gerasimmenko彗星

它是1969年发现的木星族彗星，轨道半长径为3.463 AU，近日距与远日距为1.2432 AU与5.6829 AU，公转周期为6.44 a。已观测到它6次接近太阳时都有反常活动，近4次回归有3次在近日点爆发，虽然尘埃产率比哈雷彗星小，仍分类为多尘彗星。

Rosetta飞船于2014年进入环绕其彗核的轨道，11月12日，登陆器Philae首次成功登陆彗核，到2016年9月30日结束使命。其彗核是窄颈联结两瓣（见图7-54），大瓣为4.1 km×3.3 km×1.8 km，小瓣为2.6 km×2.3 km×1.8 km，总质量为1×1013kg，平均密度为0.53 g／cm3，自转周期为12.404 h，反照率为0.06。此彗核可能是两个彗核低速碰撞结合的。它表面有26个不同区（覆尘的、大凹陷、有麻坑和脆的、平坦的），两个“孪生突出”的“门”特征；它出来的水汽D／H比率是地球水的3倍，2014年6—8月它的水汽增大10倍；其表面发生蒸发、块体移动、悬崖坍塌等，暴露下层，尘层厚达20 cm，下面是硬冰或冰尘混合物，孔隙度似乎向中心增大；其彗核没有磁场；测出16种有机分子，其中4种（乙酰胺、丙酮、异氰酸甲酯、丙醛）是第一次发现的；最特别的是第一次发现其周围有大量氧分子。

图7-54　67P／Churymov-Gerasimmenko的彗核（左）及近核现象（右）