彗星觀測解說手冊
高雄市立左營高級中學 天文社及科學社 編印
「彗」是「掃帚」的意思,彗星就是指形狀像掃帚的星星。
夜空中的彗星,不像其他的星星是結實的光點,它看來朦朦朧朧,像一團棉花,有時還拖著尾巴,是夜空中的稀有星體,目前每年只發現五至十顆新彗星。
歷史上最早的彗星記錄出現在西元前二三九年的《史記秦本紀》:「始皇帝七年,彗星先出東方,移北方,五月見於西方。」由此可見,彗星不是恆星,它像行星一樣,從地球上看來,在天球上由一個星座緩緩移向另一個星座。
現代的天文學家已經確認,彗星是我們太陽系的成員,像其他行星一樣,在以太陽為焦點的軌道上運行。
天文學家相信所有彗星的原始軌道都是非常狹長的橢圓形,所以它們的出現有一定的週期,但是受到較大行星的影響,有些改變為開口的拋物線,甚至雙曲線軌道,這樣的彗星就只出現一次就一去不回頭了。
大部分的彗星週期都大於一千年,所以很難確認它的週期性;約有一百顆彗星的週期小於二百年,可以從歷史的記載確定它的週期,我們把它叫做週期彗星。每七十六年來一次的哈雷彗星就是著名的例子。
另外恩克(Encke)彗星的週期則短至3.3年。你可能一生只能見到一次哈雷,但是你卻可以每隔3.3年見到一次恩克。
儘管每顆彗星的構造大不相同,但都可分為彗核(nucleus)､彗髮(coma)､彗尾(tail)三部分。
彗核是由凍結的冰､氨､甲烷､乾冰(固態二氧化碳)和其他氣體,混合著或許是碳､矽､鐵等固體顆粒組成,大小通常為一至十公里,形狀不規則,因為超過一半的物質是冰,所以被叫做髒雪球。
當彗星離太陽很遠時,彗核是在凍結狀態;當彗星靠近太陽時,凍結的氣體開始昇華,和從彗核瀉出的塵粒形成稀薄的雲氣,包圍著彗核,形成彗髮。典型彗星的彗髮直徑可達八萬公里以上。
彗核和彗髮構成彗星的頭部。當彗星繼續靠近到木星或火星的距離時,就形成了彗尾。在地球上可見的彗尾有兩條,一條是彎曲的塵埃尾,一條是淡藍色､較近直線的氣體離子尾。彗尾都背向太陽,常長達一億公里以上。
太陽放射出的帶電粒子流(大部分是質子和電子),叫做「太陽風」。當太陽風接觸到彗髮的帶電氣體離子時,帶電氣體離子被拉離太陽方向,形成離子尾。
另外,太陽輻射的光子,碰撞物體表面,會產生壓力,叫做光壓。當太陽輻射的光壓作用在彗髮的微小粒子上,會把它們推離太陽方向,形成塵埃尾。
因為塵埃粒子的質量較大,所以加速度較小,離開彗星頭部的速度較小,當彗星沿著軌道彎曲前進時,塵埃粒子因慣性仍沿原方向離開,所以塵埃尾變成彎曲;而氣體離子質量很小,加速度極大,所以形成直線,但是因為太陽磁場的影響,而有輕微的彎曲。
當彗星吸收紫外線時,會產生化學反應釋出氫,這些氫脫離彗星重力,而形成氫封包。因封包的光線被大氣吸收,所以從地球上看不到。
彗星經過太陽時會遺留一些物質在太空中,因此經估計一顆彗星最多經過太陽一千次,就會耗盡而消失,然而太陽系形成這麼久以後,仍有彗星存在,顯然在太陽系某處,存在著彗星的發源地。
荷蘭天文學家歐特(Jan Oort)提出一個假說,它假設在離太陽數十萬a.u.(1a.u.即地球到太陽的平均距離)遠的地方,存在著包圍太陽系的圓球形彗星雲,叫做歐特雲,那是彗星的故鄉,彗星雲裡的彗星有它自己的軌道,然而受到其他星球或另一顆彗星靠近的擾動影響,使其改變軌道,如果這個新軌道引導它奔向太陽,就變成可以被我們觀測到的彗星。
因為彗星可能來自任何方向,所以假設歐特雲是圓球形的。
新發現的彗星都以發現者的名字命名,例如海爾鮑普(Hale-Bopp)彗星,即是由天文學家海爾及業餘觀測者鮑普在1995年7月23日所發現。
彗星的發現一般都是天文學家在研究其他主題時意外的發現,而最常發現彗星的人倒是業餘觀測者,這些人使用廣角的望遠鏡或雙筒望遠鏡,在每一個晴朗的夜晚,不斷地掃描天空,尋找星圖上並未記載,看來模糊且會移動的星體。
彗星的正式名稱以發現時間及順序命名,例如海爾鮑普彗星的正式名稱是C/1995 O1彗星,C/代表長週期彗星,即週期大於二百年;1995表示發現年份,O表示七月下半月,1表示該段時間所發現的第一顆彗星。
月份的表示法如下:A代表一月1∼15日,B代表一月16∼31日,以此類推,其中I跳過不用,Z則用不著。
彗星的光亮主要來自本身及微小粒子所反射的太陽光,呈現白色;另外氣體離子被太陽風激發,而發出淡藍色的螢光,如同氖氣霓虹燈管的發光原理。
因此彗星越靠近太陽時越亮,在接近太陽時,彗星的平均亮度隨著距太陽距離的三次方成反比。
週期彗星的軌道是長橢圓形的,離太陽最近的點叫近日點,離太陽最遠的點叫遠日點。近日點到遠日點的距離即為橢圓軌道的長軸。
根據克卜勒行星第二定律,彗星與太陽的連線在相同的時間內要掃過相同的面積,因此在近日點(距太陽r1)時彗星移動的速率v1最大,在遠日點(距太陽r2)則速率v2最小,而
r1v1=r2v2,
以海爾鮑普彗星為例,在1996年九月,當時距太陽3AU,速率24km/s;在1997年三月31日,過近日點0.91AU,速率達44km/s。
根據克卜勒行星第三定律,彗星週期的平方比長軸之半的立方,比值為一常數,所有繞同一星體運轉的行星,均具有此共同的常數,亦即
彗星週期(年)的平方/長軸之半(AU)的立方
=地球週期(年)的平方/地球軌道半徑(AU)的立方
=(1年x 1年)/(1AU x 1AU x 1AU)
=1平方年/立方AU
離心率e=c/a, a=長軸之半