中山大學 West BBS-西子灣站

『主選單』
分類佈告
分類精華
休閒聊天
個人郵件
個人設定
重新登入
『地質學課程--海資系蕭炎宏老師』一般區佈告
←回列表  ↑上一篇  ↓下一篇        張貼  回應       
發信人: Quartz (shau)    看板: geology
日期: Wed Jan 13 13:46:34 1999
標題: 彗星(梁松傑)



前文:

    從前年起至今年陸續有彗星拜訪地球,全世界吹起一陣彗星的熱潮,先是

前年春天的時候百武彗星如旋風一般掀起一陣陣熱潮,提供了抬頭觀看夜空的

人無比的心靈饗宴。去年差不多同時間有一顆更大的彗星接近地球,她便是赫

爾-波普彗星,其提供許多更美麗的景觀,讓經過一年的我們重掀一股風潮。

    彗星是最吸引人注意的天象之一,即使不用照像技術大家也都知道彗星長

什麼樣子,因為她便是我們可用肉眼所見的天文景觀之一,彗星美麗而多變得

面貌尤其賦予其神秘的色彩,歷史上一直以為彗星是地球空氣中的某種現象,

直到1577年 Tycho Brahe 在觀測了他發現的彗星從不同的角度看沒有視差現象

後,才證實了它們比月亮遠,不是地球上的東西。無法預知的到來與變化添加

了人們對其的敬畏,也讓彗星在政治歷史的舞臺也扮演了一些角色。

    此報告中所陳述的,是到目前為止科學家對這種冰冷天體的瞭解,把目前

天文學家知道的有關彗星的種種面貌整理一番,內容是著重在的科學知識與各

種美妙天體的變化,其中將會對彗星的組成、彗星的生成、來自何方與造訪地

球的彗星,將在本文中一一位你介紹,讓我們在觀賞天象之時除了讚嘆外在美

之餘,也能欣賞一些奧妙的內在美。





主文:

(ㄧ)彗星的組成

1. 彗 星 的 本 質:

彗星其實是一團骯髒的雪和冰,彗星離太陽較遠時,受太陽輻射蒸發尚

不顯著,其本體稱為【彗核】,她的成份約有80%是水,剩下的20%是

二氧化碳、一氧化碳、加上微量的碳、氧、氮與氫化合的種種分子,而

且摻混著沙粒狀的微塵。

2. 彗 星 的 主 要 結 構:

      彗星的結構分為頭部與尾部,而頭部又可細分為彗核及彗髮。隨著離太

陽的遠近,彗星時而「見頭不見尾」的種種變幻,是其吸引人的主要原因。

   彗核 (nucleus)    

    彗星的核心是彗星真正固體的部份,也是離太陽遠時(大於5 天文單位)

唯一存在的部份。彗核的大小只有約十公里(例如形似花生的哈雷彗星核大小

為8.2×8.4× 16公里),形狀不規則,含有1012--1015公斤的物質。這樣的大小使

得地面上的觀測一般無法分辨出彗核。偶而的例外像是1983 年 5 月11 日

IRAS-Araki-Alcock 彗星離地球只有0.031 au,約是月球與地球距離的12倍。

    這麼近的距離提供了研究它的大好機會,從地面發射雷達經其反射的結果

顯示其核心直徑約一公里。今年三月 JPL 的科學家也發射雷達研究百武彗星,

發現其核心大小約 1--3公里,並且有一公分左右大顆粒的塵埃(一般星際塵只

有微米micron大小)。    1950 年代Fred L. Whipple 提出一個彗核的模型,現

在一般形容為「骯髒的雪球」(dirty snowball),也就是冰(水、甲烷、氨)與塵

粒(如隕石般的矽化物、金屬)的混和。這個目前一般為人所接受的模型中,

彗核有一層薄的表殼,使得在每次經過太陽時只昇華一部份,但也有足夠的氣

體造成彗星的種種現象。構成彗核的物質反射率非常低(如哈雷彗星約為0.027

),大概是太陽系中最黑的東西了。當彗星漸漸遠離太陽時,其活動也逐漸減弱,

但因為熱能是慢慢地傳進彗核內部,有時在離太陽幾個天文單位時仍會有爆發

或噴流的現象。有些彗星因為經過多次陽光的洗禮,內部物質逐漸不均勻地減

少,有些科學家認為其低密度的核心可能如圖九所示含有空洞。

   彗髮 (coma) 

    包在彗核外的球形塵氣稱做「彗髮」;直徑約數萬到數十萬公里。目前在彗

星上發現的氣體種類非常豐富,如下: 



                      表一:彗星的氣體成分 

原子   H , C , O , S , Na , Mg , Al , Si , S , K , Ca , Ti , V , Cr , Mn , Fe , Co , Ni , Cu  



分子   CH , CN , CO , C2 , CS , NH , N2 , OH,S2 , H2O , HCH , HCN , HCO , 

       NH2 , C3 , OCS , H2CO , H2CS , NH3 , NH4 , CH3OH , CH3CN , (H2CO)n  



離子   H+ , C+ , N2+ , Ca+ , CH+ , CN+ , CO+ , N2+ , OH+ , H2O+ , H2S+ , CO2+ , 

       H3O+ , H3S+ , CH3OH2+  



    至於固體的塵埃部份則包含了只有氫、碳、氮、氧原子的塵粒(稱做CHON 

顆粒)以及一般的矽化物,有如地球上的沙泥。當彗星接近太陽時,冰凍的物

質開始昇華,氣體分子(水、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氨)逐漸分解、游

離,以約 1 km/s 的速度離開彗核,塵埃則因為黏滯、碰撞也同時跟著向外運動。

   彗尾 (tail)     

   這是彗星最吸引人的部份了,來自太陽的力量把彗星表面昇華、游離的物質

推向背離太陽的方向,長約千萬公里,甚至達一億公里多,也就是中國人其為

「掃帚星」的由來。彗尾分成兩種:離子尾及塵埃尾,各有不同的成分及形成

的原因。

   離子尾(又稱做第一類 type I)    

    形狀狹長,由游離分子組成,主要的成分是CO+,這個一氧化碳的離子吸

收了紫外光以後在 4200 埃附近輻射,造成離子尾偏藍的顏色。離子尾與太陽

表面噴散出來的物質(稱做太陽風)有關。在地球軌道附近,太陽風的物質為

游離氫(也就是質子與電子),密度約為每立方公尺百萬到千萬個粒子,時速約 

500km/s。事實上在 1951 年時,L. Biermann是因為觀察了彗星的離子尾才判斷

太陽不斷在噴發游離物質。這些噴發出來的物質挾帶著太陽的磁場,在靠近彗

星時速度減緩,而遠離後又加快,使得磁力線及陷在其中的離子包覆在彗核的

外圍而在太陽風下風的地方(也就是背向太陽的方向)形成離子尾,長達 107--

108 公里。因此雖然說離子的確被太陽風吹往背向太陽的方向,離子尾卻可以

說是附著在彗核附近、屬於彗星結構的一部份。而在彗星運動的過程中,磁場

方向的改變常常會造成離子尾的分叉、斷裂、再生。

   塵埃尾(第二類 type II)

    和離子尾比起來,塵埃尾比較瀰散而且形狀彎曲。當彗星接近太陽時,冰

開始昇華,釋放出的氣體挾帶著塵埃一齊向外噴放。這些塵埃顆粒反射陽光形

成了塵埃尾,長約106--107公里。這裡我們可以作一個小計算(有些學物理的

人堅持要看到一些公式)看看彗星噴出來的塵埃受到了怎樣的力量。一個半徑

為a 距離太陽 r 的塵埃受到了兩種力:重力及光壓。重力的大小為                

               Fg= ( GM☉/ r2 )(4/3)(πa3ρ)

此處M☉是太陽的質量,G 是重力場常數,而 ρ是塵埃的物質密度。至於輻

射力的大小則是      Fr= (L☉/4πr2)(σ/c)

在這裡 L☉是太陽每秒放出的能量,等號左邊的第一項因此是在 r 處的能量通

量(單位面積上每秒通過的能量),σ是塵埃顆粒受到輻射的截面積 (=πa2)。

這兩個力的比            (Fg/ Fr )= (16πcGM☉/3L☉)(ρa)

與太陽的距離無關(因為兩者都和距離平方成反比),但是卻和塵埃的性質有關;

對一定成分的塵埃(ρ一樣)愈大的顆粒這個比值愈大。假設 ρ=2.5g/cm3,當

a 等於一個臨界值時, Fr=Fg, a=acrit= 3L☉/16πcGM☉ρ∼ 2000 埃。這種

顆粒因為淨力為零維持等速直線運動,而較小的顆粒則受到向外的淨力被拋散

出去,太陽系剛形成時剩下的小顆粒塵埃也是這樣被拋出去的。至於大於 acrit

的顆粒則受到向內(比原來小)的重力,仍然還是與距離平方成反比,速度若

是大於逃脫速度的便同樣被甩出去,否則就繞著太陽(和彗星一樣)做凱卜勒

運動。換句話說塵埃尾是因為不同大小、成分的顆粒受力不同而形成的分佈(常

是扇形),然後反射陽光而造成灰黃的顏色。

    值得提醒的是彗星的尾巴是背向太陽而不是背向地球,有時候因為投影的

關係,從地球上會看到指向太陽的尾巴。另外就是彗核表面層殼當然有可能在

向著太陽的一面破裂,形成那個方向的噴流,我們便看到真正的逆日的尾巴了。  

   包暈 (halo) 

    彗星還有一部份是我們肉眼看不到的,那就是圍繞在頭部之外的氫原子雲

氣,受了陽光的激發後利用人造衛星在紫外光的影像則清楚地顯示其存在,雖

然極其稀薄但可綿延千萬公里,比太陽還大!

(二)彗星究竟生於何處、來自何方?

   1. 太 陽 系 的 起 源:

    太陽系的前身,是氣體與塵埃所組成的一大團雲氣,大約在46億年前,這

團雲氣或許受到超新星爆炸震波的壓縮,開始緩慢旋轉與陷縮成盤狀的【原始

太陽系星雲】,圓盤的中心是年輕的太陽。原始太陽系星雲是沿著現今行星所在

平面(黃道面)散步擴展的扁平雲朵,盤面的雲氣顆粒相互碰撞,有相當比率

的物質凝結成為行星與它們的衛星,另有部份殘存的雲氣物質凝結成彗星。 

    當太陽系還很年輕時,彗星可能隨處可見,這些彗星常與初形成的行星相 

撞,對年輕行星的成長與演化,有很深遠的影響。地球上大量的水,可能是與

年輕地球相撞的許多彗星之遺產,而這些水,後來更孕育了地球上各式各樣的

生命。 

    太陽系形成後的四十多億年中,靠近太陽系中心區域的彗星,或與太陽、

行星和衛星相撞,或受太陽輻射的蒸發,己消失迨盡,我們現在所見的彗星應

來自太陽系的邊緣。如假設殘存在太陽系外圍的彗星物質,歷經數十億年未變,

則研究這些彗星,有助於了解太陽系的原始化學組成與狀態。 

2. 彗 星 的 起 源:

    一般相信彗星和太陽的年齡相當。形成太陽的一團雲氣因本身的重力收縮,

在中央的部份溫度達到了數百萬度便足以引發熱核反應,而形成一顆恆星。另

一

方面由於雲氣的自轉使得收縮後會在垂直於自轉軸的方向、在星球的赤道面上

形成一個環星盤。星球形成後的物質噴失(恆星風)加上輻射的光與熱很快地

將鄰近的物質(尤其是易揮發的物質)消散殆盡,惟有環星盤中的物質比較有

機會存活,得以吸積黏聚逐漸形成行星的核心。這些行星的胚胎之後靠自己的

重力吸積軌道周圍的雲氣而成為日後的行星。    

    在這個原始太陽雲氣的盤面上,離中央愈近則溫度愈高,太陽系中由內到

外諸行星便是循著此規律而有系統性的結構。靠中央的水星、金星有金屬及氧

化物(熔點高)構成的核心;到了地球附近則在核心之外包覆了厚重的一層矽

化物,其熔點(凝固點)比核心的物質低,因此在太陽雲氣冷卻的過程中要比

核心冷得晚故而包在外層。在土星以外的區域溫度就更低了,以致熔點非常低

的冰(水、甲烷、氨)也可以存活。值得一提的是由於溫度低,氣體的逃脫速

度也低,因此即使是氫、氦等輕的元素也能被核心的重力攫獲,這些宇宙中最

豐富的元素因此造就了巨大的外行星。    

    在天王星、海王星形成以後剩下的冰塊物質受到了來自木星等大行星的重

力擾動被拋出太陽系,而圍繞在太陽系之外的歐特雲 (Oort cloud) 中。在1950 年

荷蘭的 Jan Oort 分析了19 顆彗星軌道半長軸的倒數(1/a) 的分佈,發現其中10

個 0 < 1/a < 0.00005 au-1(au,astronomical unit,是地球與太陽的平均距離,約

一億五千萬公里,或1.5×1011 m),因此他假設有一個大小約為100,000au 的

雲氣。由於這個假設能夠成功地解釋長週期彗星的來源,現在一般相信歐特雲

可能真的存在,但大小可能只有 50,000 au,包含了 1012個大小約一公里、形

狀不規則、由冰體組成的彗星核,雖然數量多但是整個歐特雲包含的物質只有

十個地球左右的質量(圖一)。至於這些彗核如何進入太陽系,原來的說法是它

們遊走在太陽系外圍,如果恰巧有星球經過(太陽和所有銀河系的星球都在運

動,有的繞著銀河中心轉,有的有個別的運動)造成了重力擾動,便有可能進

入太陽系的內圍。有的擦身而過,以雙曲線軌道又離開太陽系,有部份則被太

陽的引力攫獲。因為是從外面進來的,這些彗星的軌道呈狹長的橢圓形,並且

軌道面凌亂,而不像諸行星由於在環星盤中誕生,因此軌道都近乎圓形、大

致在一個面上、並且公轉的方向都相同。現在一般相信銀河中的巨大分子雲,

尤其是銀河盤面本身的重力也是提供擾動的來源。

    由此觀點來看彗星其實不是外太空來的異客,而是和太陽系中的太陽、行

星諸成員同胎生成的,但在早年被送出了家園,遊走在冰冷的歐特雲中(溫度

只有約 4 K),只有極少部份得以在日後返鄉探望一番。結果是在太陽系中的成

員個個滄海桑田,個自都有隨著歲月演化的故事,卻只有少小離家的彗星純樸

依舊,仍然保有當初形成太陽系的原始物質,提供了觀賞之餘的科學利用價值。



    3. 長週期彗星和短週期彗星:

    至目前為止,天文學家已經發現約900顆彗星,而大部分都是週期超過兩

百年的長週期彗星。舒梅克-李維9號彗星被木星之重力捉住之前,可能也是

長週期彗星。

    長週期 (一百年到一百萬年)彗星,這種大約有六百個, 近日點在1au

左右。這類彗星的特點是它們的軌道狹長、軌道面傾角雜亂,而且公轉方向可

能是順時鐘或反時鐘。



    短週期 (短於兩百年)彗星的遠日點約在 5--6au(即木星附近),平均離

心率e∼0.56,軌道大多順行,亦即和整個太陽系相同由北向南看是反時鐘方向

運動。

    它們的軌道面接近黃道面,平均不超過30°,有名的 Encke 彗星是目前已

知週期最短的,只有 3.29 年。另外還有 Tempel 2及 Giacobini-Zinner 彗星,週

期分別是 5.29 與 6.59 年。

    前面說過長週期的彗星來自歐特雲。至於短週期彗星的來源曾經有很長一

段時間天文學家認為是原來長週期的彗星受到木星的擾動而改變軌道;

現在一般相信它們也可以和歐特雲中的彗星一樣,都來自太陽系邊緣以外的區

域,時至今日那區域仍不斷把冰體一方面向外拋,補充歐特雲中的彗星核,另

一方面則向內拋產生短週期的彗星,這個區域稱做Kuiper cloud,因為它的分佈

是在黃道面上,而不像 Oort cloud 般是球形,因此也稱做Kuiper belt,離太陽約

30--100au。計算彗星的軌道是一件困難的事情,尤其是新發現的彗星,主要是

因為由太陽(即地球)附近監測到的一小段曲線很難判斷整個軌道是雙曲線、

拋物線、或怎麼樣的橢圓。加上受到其他天體的重力影響或自己噴發物質造成

類似火箭的反作用效應都會使得彗星改變軌道,更增加計算上的困難。



4. 彗星的故鄉在哪裡?

    現在廣為天文學家所接受的理論認為,太陽系大家族包括九大行星與外圍 

的柯伊伯帶與歐特雲。長週期彗星可能來至歐特雲 (Oort cloud) 而短週期彗星

可能來自柯伊伯帶 (Kuiper Belt)。 



歐 特 雲 理 論 (Oort cloud theory): 

    在1950年,荷蘭的天文學家Jan Oort提出在距離太陽30,000 AU到一光年

之間的球殼狀地帶,有數以萬億計的彗星存在,這些彗星是太陽系形成時的殘

留物。有些歐特彗星偶而受到 "路過" 的星體的影響,或彼此間的碰撞,離開

了原來的軌道。大多數的離軌彗星,從未進入用大型望遠鏡可偵測的距離。只

有少數彗星,以各式各樣的軌道進入內太陽系。不過到目前為止,歐特雲理論

僅是假設,尚無直接的觀測證據。 



凱 伯 帶 (Kuiper Belt): 

    歐特雲理論可以合理的解釋,長週期彗星的來源和這些彗星與黃道面夾角

的隨意性。但短週彗星的軌道在太陽系行星的軌道面上,歐特雲理論無法合理

解答短週期彗星的起源。

    1951年,美國天文學家Gerard Kuiper提議在距離太陽30到 100 AU之間有

一凱伯帶,帶上有許多繞行太陽的冰體,這些冰體的軌道面與行星相似,偶而

有些凱伯帶物體受到外行星的重力擾動與牽引,而向太陽的方向運行,在越過

海王星的軌道時,更進一步受海王星重力的影響,而進入內太陽系成為短週期

彗星。

    天文學家David Jewitt與Jane Luu自 1988年起,以能偵測極昏暗物體的高

靈敏度電子攝影機,尋找凱伯帶物體。他們在1992年找到第一個這類物體 (1992 

QB1),1992 QB1距太陽的平均距離為 43AU,而公轉的週期為291年。自1992

年至1996年四月為止,陸續又發現了30多個凱伯帶物體。

(三)造訪地球的彗星

1. 哈雷彗星:

    哈雷慧星上次來訪,是在1986年2月9日。不過距地球太遠觀測條件並不

理想。又它的亮度不如百武彗星亮,能輕易的用肉眼看到。

    因為距離太陽過為遙遠,使哈雷彗星的活動也不夠活躍,而到1990年就迅

速變暗了。布料,在1991年2月,它發生了稱為爆發的【爆炸性】增光,其亮

度增加了四等左右。此時雷彗星的距離是14.3天文單位,所以很難歸因於太陽

的輻射熱。它是不是和隕石撞上了呢?或是接近太陽時所吸收的太陽熱終於傳

到了內部?各種說法紛紛出現。不過,大多數的天文學家都不相信哈雷彗星就

此消失了。

 

2. 百武彗星:

    1996年1月31日清晨,日本業餘天文學家百武裕司發現了百武彗星。到了

3月25日,它接近了地球,距離只有0.1019天文單位,亮度增強到負一等,即

使在大都會區也能看到這顆明亮的彗星。在透明度極佳的地區,更可看它拖著

一條超乎意料之外的90度大彗尾。當初認為尾巴也是10幾度罷了,可是彗尾

在接近地球的前後急速拉長,因此在這段期間似乎發生了什麼變異。證據之一

是蒸發率一度提升。觀察結果指出:從3月22日到24日左右,水的放出率約

增加50%。

 

 3. 赫爾-波普彗星:

    海爾波普彗星是1995年7月23日由Alan Hale在New Mexico及Thomas Bopp

在Arizona共同發現的,發現時此彗星正在射手座。在台灣若要觀賞此本世紀最

明亮的彗星,可在1997年二月及三月中旬的清晨在東方及1997年三月下旬至

四月傍晚的西邊看到,最適合的日子則為三月中下旬。(四月一日是近日點,該

日前後清晨及傍晚皆可見,唯角度過低,一般民眾難以觀測)

    前年百武彗星成為眾人矚目的明亮天體,然而去年的海爾•波普彗星耀眼

的光彩將壓過百武彗星。這顆期待已久的彗星在1995年七月二十三日所發時彗

星亮度約10.5等。隨著彗星愈來愈接近太陽,彗星的亮度漸漸增強,達到2.4

等。

 



參考資料:

      牛頓雜誌:第150、154、167、177期

            發行所:牛頓出版股份有限公司

            發行人:高源清

            出版日期:11月號/1995、3月號/1996

                      4月號/1997、2月號/1998

       網路:

             http://www.moeaidb.gov.tw/~bill/astro/comet/comet.htm

               http://www.moeaidb.gov.tw/~bill/astro/comet/hb.htm

   


--
* Origin: 國立中山大學 West BBS-西子灣站 * From: 140.117.91.65 [已通過認證]


--
* Origin: 國立中山大學 West BBS-西子灣站 * From: 140.117.91.65 [已通過認證]


←回列表  ↑上一篇  ↓下一篇        張貼  回應