2005年天文學(xué)課程

1、彗星041120076大學(xué) 物理系摘要：本文回繞彗星問題，描述了彗星的物質(zhì)形態(tài)，研究其軌道特征，對彗星運(yùn)行中的引力攝動和非引力效應(yīng)進(jìn)行源。，并且分析了彗星的結(jié)局與起關(guān)鍵字：彗星，彗星物質(zhì)與形態(tài)，彗星橢圓軌道，引力攝動，非引力效應(yīng)，彗星的結(jié)局，彗星的引言對彗星產(chǎn)生了本人通過閱讀天文學(xué)，查閱資料，學(xué)習(xí)了關(guān)于彗星的方方面面。本文綜合了彗星的物質(zhì)、形態(tài)、軌道、和結(jié)局幾個方面，前人的一些研究結(jié)果，聯(lián)系自己所學(xué)知識，并適當(dāng)?shù)奶岢隽俗约旱挠^點。彗星彗星俗稱掃帚星，英文的彗星 Comet 原意為有頭發(fā)或毛發(fā)的星。自古以來，形狀怪異、行蹤詭秘的彗星常被視為不祥之物、的征兆，使人們感到恐懼，人們對此也有著各種各樣

2、的猜測。第一位態(tài)度研究彗星的科學(xué)家對 1473 年出現(xiàn)的一顆彗星進(jìn)行了位置的觀測和，1540 年德國天文學(xué)家了描繪五顆不同彗星的書，他在書中：每顆彗星出現(xiàn)時尾巴都處于遠(yuǎn)離的方向上。1577 年泰克試圖證明人們所觀測到的明亮彗星存在視差，進(jìn)而說明了多得的彗星處在地球大氣層的觀點是錯誤的。直到牛頓提出萬有引力公式，人們認(rèn)識到彗星應(yīng)該被的萬有引力吸引而圍繞運(yùn)動。英國科學(xué)家哈雷對這一問題進(jìn)行了深入地研究，了后來被命名為哈雷彗星的再次出現(xiàn)，哈雷彗星沿著長軌跡運(yùn)行，周期約為 76 年，由此揭開了彗星的神秘面紗，激勵了彗星的物質(zhì)和形態(tài)的天好者和天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)和研究彗星。彗星的與眾不同之處在于它的大小和形態(tài)是隨

3、離的距離而變化的，不像其它天體那樣有著固定的大小。當(dāng)彗星遠(yuǎn)離時，比如離56 億千米遠(yuǎn)時，就是一個光禿禿的彗核，形狀不規(guī)則，對光的反射率極低，一般不容易被觀察到。彗核是彗星的重要組成部分，是彗星質(zhì)量的主要集中之處，觀測表明直徑大多在幾百到幾十千米，形狀近似于三軸比為 2：1：1 的扁球體。對其組成曾有兩種假說，一種是沙礫模型：松散的固體團(tuán)塊由引力作用聚成彗核，另一種被稱為 dirty snowballs （臟雪球）：由凝結(jié)成冰的水和其他揮發(fā)性物質(zhì)以及塵埃組成。綜合兩種假說，現(xiàn)在一般認(rèn)為彗核是由揮發(fā)性物質(zhì)（ H 2O, CO, CO2等）在低溫環(huán)境下與星際凝聚而成的。當(dāng)彗星逐漸靠近時，灼熱的陽光使

4、冰體溶解，蒸發(fā)為氣體。微小的塵埃隨蒸汽被攜帶出來，籠罩在彗核周圍，被稱為彗發(fā)。彗發(fā)中的塵埃與彗核反射太陽光線，彗發(fā)中的氣體吸收陽光后，激發(fā)到高能激躍遷回基態(tài)時也發(fā)出光（例如吸收紫外線發(fā)出熒光），這部分往往比反射光來得更強(qiáng)烈?？捎慑缧堑墓庾V猜測它的一些性質(zhì)。通常，這些譜線表明存在有OH、NH和NH2基團(tuán)的氣體，這很容易解釋為最普通的元素C、N和O的穩(wěn)定氫化合物，即CH4，NH3和H2O分解的結(jié)果，這些化合物凍結(jié)的冰可能是彗核的主要成分。有理由相信彗星可能是聚集形成了和行星的中物質(zhì)的一部分。因此，天文學(xué)家很想設(shè)法獲得一塊彗星物質(zhì)的樣本來做分析以便對系的知道得，如設(shè)法與周期彗星在空間做一次會合。彗核

5、中的水吸收紫外線分解出氫原子 ，氫脫離彗星引力，產(chǎn)生氫包層（即彗云），這部分由于大氣的吸收，地球上無法看到。得彗頭就是彗核、彗發(fā)、彗云的總和。通常所稱隨著與的距離越來越近，彗頭的形狀也在逐漸改變，彗發(fā)變得越來越大，越來越亮。當(dāng)彗星來到火星軌道附近時，由于受到更強(qiáng)的輻射，從彗核蒸發(fā)風(fēng)的作用之下，被出的物質(zhì)愈加增多，這些氣體和塵埃在的輻射壓力和現(xiàn)象。彗星越走近吹向背著的方向，形成著名的，就越長。一般有三種形態(tài)：1、離子型，主要有離子氣體和電子組成，因為它比較輕，在風(fēng)磁場作用下加速度大，呈現(xiàn)長而直，猶如一把利劍。2、塵埃彗尾，由塵埃組成，加速度小，形狀彎而粗短，猶如少女的飄逸長發(fā)。在引力和光壓斥力的

6、共同作用下總是向著彗星運(yùn)動方向彎曲。3、鈉，最近才被觀測到?？偟膩碚f，龐大而極其稀薄，逃過它可以看到遠(yuǎn)處的星星。過了近日點后，彗星漸漸遠(yuǎn)離，其形態(tài)的改變則與接近時相反。彗頭上的性物質(zhì)逐漸在彗核上凝聚。以上是多數(shù)彗星形態(tài)變化一般情況，還有少數(shù)彗星由于組成不同或觀察的局限有所差別。例如反常就是因為。、彗星和地球處于特殊的相對位置，從地球上看指向了彗星軌道1、一些事實彗星是系的成員，研究彗星的軌道發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)彗星的軌道仍是橢圓，軌道閉合，稱為周期彗星，少數(shù)是拋物線或雙曲線，軌道不閉合，稱為非周期彗星。按周期的長短來分，以二百年為界，彗星又可分為長周期和短周期。短周期的平均公轉(zhuǎn)周期為七年，近日距為 1

7、.5AU，大多軌道面傾角小于 40 度，順向繞公轉(zhuǎn)。長周期彗星的軌道面傾角分布是隨機(jī)的，順向逆向公轉(zhuǎn)都有。2、橢圓軌道（1）彗星橢圓軌道的通性：彗星的運(yùn)行軌道遵守：Fv G m1m2rv萬有引力定律：2112r 312和三定律：1、行星繞運(yùn)動的軌道是以為焦點的橢圓（軌道定律）；2、行星與的連線在相等時間內(nèi)掃過的面積相等（面積定律）；3、行星繞公轉(zhuǎn)周期的平方正比與行星到距離的立方（周期定律）。k2 p可以推知，行星的機(jī)械能為 E (1 e2 )其中 e 為離心率p1 e cos軌跡方程可寫成 ： r 對于橢圓軌道：kk機(jī)械能滿足： E 0 （ k Gm m ）1 22 p2app軌道半徑： r

8、r rminmax1 e1 ermax長半軸長a rminp，短半軸b ap1 e22L第二定律，時間 t 內(nèi)掃過面積 A t由為約化質(zhì)量2 ab 周期由 TL / 2化簡得： T 2a3/ 2 2a3/ 2（2）彗星橢圓軌道的特性：彗星軌道不僅是一個扁長的橢圓形，而且這個橢圓形的一端離極近，另一端又離極遠(yuǎn)，與一般的行星橢圓軌道有所差別。對于彗星質(zhì)量的主體彗核，遠(yuǎn)離時質(zhì)量增大體積增大，靠近時質(zhì)量減小體積減小。由于彗星的體積、質(zhì)量是變化著的，再加上離遠(yuǎn)近造成的引力大小，使彗星的運(yùn)行速度出現(xiàn)了“一快、一慢”的現(xiàn)象。正是彗星在運(yùn)行中出現(xiàn)的“一快、一慢”才促使彗星的軌道形成了一個長長的橢圓形?！耙豢臁?/p>

9、是彗星向靠近時。彗星愈靠近，受到掉，離的引力就愈大，再加上自己身上的冰塊和塵埃逐步被的熱量融化“輕裝上陣”，軌跡半徑減小，運(yùn)動的速度必然加快?！耙宦笔清缧沁h(yuǎn)時，彗星離愈遠(yuǎn)，受的引力就愈小，再加上冰塊和塵埃在自己身上吸附越來越多，使彗星的體積越來越大，質(zhì)量越來越大，軌跡半徑加大，這樣必然造成彗星的運(yùn)行速度越來越慢。由于彗星的體積有“一大一小”的兩種變化和運(yùn)行速度的“一快一慢”，才使得彗星有了一個很長的橢圓形運(yùn)行軌道。3、引力攝動由于彗星質(zhì)量很小，當(dāng)它從（如木星、土星）附近走過時，容易受到行星引力的影響引力攝動，因而會改變原有軌道形狀，或者改變橢圓軌道的周期。如果彗星速度增加，離心率變大，則軌道

10、變扁，變成雙曲線軌道，就有可能逃離系。相反的，如果彗星速度減小， 離心率變大，長周期彗星就可能變成短周期，或者非周期性彗星變成周期性彗星，稱此為有被木星“捕獲”的一類彗星“木星族彗星”。獲”了。典型的4、非引力效應(yīng)非引力效應(yīng)是由于彗核拋出物質(zhì)的反沖力作用，類似于火箭噴出氣體的反沖力作用火箭效應(yīng)。1Gm1G(m m)如圖，若彗星沒有自轉(zhuǎn)，在光照射的彗核表面區(qū)，冰-塵該蒸發(fā)流對彗核有反沖力作用，反沖力作用的方向與對彗核的引力相反，這等價于有效引力減小些，但對公轉(zhuǎn)軌道沒有明顯影響。假定彗核自轉(zhuǎn)軸垂直于軌道面，當(dāng)彗核自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)同向或反向時，因彗核冰蒸發(fā)有時間延遲，蒸發(fā)流最大方向已隨彗核自轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)過一個角

11、度，其反沖力在彗星公，轉(zhuǎn)運(yùn)動的分量是彗星公轉(zhuǎn)加速或，從而公轉(zhuǎn)周期變短或變長。此外，彗星的短期爆發(fā)，尤其是伴有噴流的爆發(fā)也會造成短期的非引力效應(yīng)，使得預(yù)計位置和觀測位置有偏差，哈雷彗星就是一個例子。彗星軌道彗星軌道輻射反沖力輻射冰彗核拋出氣體冰彗核拋出氣體順向自轉(zhuǎn)圖 1圖 2彗星軌道輻射冰彗核拋出氣體反沖力逆向自轉(zhuǎn)圖 3彗星的結(jié)局做橢圓形軌道運(yùn)動的周期彗星，一般都能如期而至，但這并不意味著周期彗星將存在下去。彗星體內(nèi)的冰會不斷地?fù)]發(fā)，塵埃也會飄逸到星際空間中去，每次接近都要丟失千分之幾的質(zhì)量，即使是形體巨大的彗星在成百上千次的后都必將步入。實際上，對于不含非揮發(fā)性物質(zhì)的彗星，如果處于附近過久，將

12、在質(zhì)量可能有幾十灼熱的“懷抱”中完全蒸發(fā)噸，能維持幾千公轉(zhuǎn)，屬于長。哈雷彗星由于其原始彗星。團(tuán)聚在一起，最后瓦當(dāng)彗星質(zhì)量少到一定程度后，自身就沒有足夠地解為流星物質(zhì)，從而結(jié)束它的一生。大多數(shù)的彗星都是長壽的。還有少量的彗星，其彗核中含有一部分非揮發(fā)性物質(zhì)，最終只剩下巖石芯，加入了小行星的行列，很難區(qū)分開來。一些小型的彗星甚至在接近時墜入，無影無蹤。了。最具代表性的是 1826少數(shù)的短的彗星在潮汐力的作用下年發(fā)現(xiàn)的比拉彗星，1845 年它為兩半，1852 年連各子彗星離得更遠(yuǎn)，此后它們就了。估計兩個子彗星都完全破碎了，在其軌道上出現(xiàn)了流星群，這正是每年 11 月 27 日前后出現(xiàn)的仙女座流星雨的

13、由來。體積大、結(jié)構(gòu)松散的彗星，容易噴灑許多小顆粒的彗星物質(zhì)，分布在彗星前后很長的軌道區(qū)段上，這些小顆粒群體被稱為流星群。當(dāng)?shù)厍蚺c流星群軌道相遇時，這些小顆粒物質(zhì)與地球大氣摩擦而發(fā)光，形成美麗壯觀的流星雨。1933 年 10 月 9 日，歐洲上空出現(xiàn)的二十世紀(jì)最大的流星雨就由此而來。彗星的與其他天體相比，彗星的十分短暫，最終化為大量的宇宙塵埃，那么為什么直至今日仍有大量彗星遨游于天際呢？在歲月里，彗星為什么仍未消殆盡呢？系形成至今的 46 億年的漫長可能有兩個：其一，彗星形成速度與其消亡的速度同樣迅速；其二，宇宙中的彗星實在太多了，即使在系形成 46 億年后的今天仍未全部。第一種可能性成立的理由

14、并不充分，至今還未發(fā)現(xiàn)彗星仍在形成的。對第二種可能性，1950 年荷蘭天文學(xué)家簡-系的提出了彗星假說。這種假說認(rèn)為彗星是屬于系的天體。在，距十五萬天文附近有一個球?qū)?，球?qū)觾?nèi)大體分布著約 1000 億顆原始彗星。按近年來的進(jìn)一步推算，這個數(shù)目需提高一個量級，既有的圓形軌道上運(yùn)動，形成一個脆弱的云“至十萬顆彗星。他們在穩(wěn)定云”。云處在寒冷的系邊際上，是彗星的“大倉庫”，但總質(zhì)量僅相當(dāng)于地球的數(shù)量級，對系的行星運(yùn)動不會產(chǎn)生影響。由于彗星是暗天體，從未能直接觀測到云。如果有一顆恒星從鄰近區(qū)域通過時，就會對原始彗星產(chǎn)生攝動，使許多彗星脫離穩(wěn)定軌道，離開云，向著系中心飛去。這些彗星有一半以上會因木星的引力，散失流散到星際空間，其余的則進(jìn)入小偏心率的橢圓軌道繞太陽運(yùn)行，讓地球有可能觀測到。由計算機(jī)模擬計算表明，當(dāng)彗星由云進(jìn)入內(nèi)系變成短周期彗星時軌道傾角改變很小，其軌道面與黃道面交角小于 30 度，而觀測到的長周期彗星軌道分布是隨機(jī)的。這表明短周期彗星不是來自云。天文學(xué)家了短周期彗星的來源帶，它的軌道近于圓形，與黃道面傾角不大，估計與的距離只有與距離的千分之一。1995 年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)