彗星和小行星的故事

文/趙之珩

在太陽(yáng)系里有眾多的天體,除了太陽(yáng)、行星、衛(wèi)星和矮行星以外,還有數(shù)不盡的小天體,這些小天體分別是彗星、小行星和流星體。它們質(zhì)量小、引力小,形狀不規(guī)則,就像一些大大小小的馬鈴薯一樣,大一些的石塊是小行星,冰雪團(tuán)是彗星,質(zhì)量更小的屬于流星體。這些小天體也和行星一樣在廣闊的太陽(yáng)系中,圍繞著太陽(yáng)運(yùn)行。

"可怕"的彗星

自古以來(lái),人們看到的天空都是和諧寧?kù)o的,太陽(yáng)每天從東方升起西方落下,月亮30天一個(gè)輪回地變換著月相,五顆行星有規(guī)律地在黃道12宮運(yùn)行,流星雨也會(huì)在一定的日子里出現(xiàn)?？墒?不知道哪一天,一顆彗星突然闖入,像一把巨大的掃帚橫掃天空,打破了夜空的寧?kù)o,人們對(duì)這突如其來(lái)的天體感到恐慌,并且產(chǎn)生了諸多聯(lián)想。因?yàn)槿藗兂Ｒ?jiàn)的太陽(yáng)、月亮、行星都是圓球狀或點(diǎn)狀,而彗星的形狀十分奇特,它的頭部是毛茸茸的,沒(méi)有明顯的邊界,所以西方人把彗星稱(chēng)作“Comet”,即有“毛發(fā)”之意。它的尾部拖著一條長(zhǎng)長(zhǎng)的彗尾,像掃帚一樣,所以在我國(guó),古代人把它稱(chēng)作“掃帚星”。此外,彗星并不像其他行星一樣有規(guī)律地運(yùn)行,它出沒(méi)無(wú)常、行蹤不定、很難預(yù)測(cè)。大家可以想象,古人沒(méi)有望遠(yuǎn)鏡,當(dāng)彗星突然出現(xiàn)時(shí),他們只能看到一個(gè)拖著尾巴的明亮天體。如果剛巧彗星的出現(xiàn)多次與災(zāi)禍的發(fā)生時(shí)間相近,那么人們把它視為災(zāi)星也就不難理解了。

◎ 彗

◎彗星結(jié)構(gòu)示意

今天,我們?cè)僖膊粫?huì)因?yàn)橐活w星而感到恐慌,因?yàn)槲覀兺ㄟ^(guò)望遠(yuǎn)鏡、探測(cè)器等天文設(shè)備早已得知彗星的成分主要是水結(jié)成的冰雪,同時(shí)摻雜少量的石塊、土粒,其直徑不過(guò)十幾千米。我們把這樣的“臟雪球”稱(chēng)作“彗核”。大約有1 000億顆彗星住在距離太陽(yáng)10萬(wàn)天文單位的奧爾特云里,只有少量的彗星能夠幸運(yùn)地運(yùn)行到八顆行星中間,并在到達(dá)地球附近時(shí)被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)這顆幸運(yùn)的彗星距離太陽(yáng)只有3個(gè)天文單位時(shí),彗核中的冰雪開(kāi)始融化,噴出水蒸氣包圍在彗核周?chē)ｋS著與太陽(yáng)的距離逐漸縮短,水蒸氣越來(lái)越多,逐漸形成了“彗發(fā)”。彗發(fā)與彗核合起來(lái)稱(chēng)為“彗頭”。在彗頭的外面還包裹著更為稀薄的氣體,稱(chēng)為“彗云”。當(dāng)彗星更加靠近太陽(yáng)時(shí),受到太陽(yáng)風(fēng)的壓力,彗星被“吹”出了一條大尾巴,而且靠太陽(yáng)越近尾巴越大。當(dāng)彗星繞過(guò)“近日點(diǎn)”后,它會(huì)與太陽(yáng)漸行漸遠(yuǎn),尾巴也就變得越來(lái)越短,直至消失。與此同時(shí),彗核也不再?lài)姲l(fā)蒸汽和顆粒物,彗發(fā)與彗云也隨之消失,只剩下彗核獨(dú)自飄蕩在深空之中,等到繞過(guò)“遠(yuǎn)日點(diǎn)”后,彗星才會(huì)再次生出彗發(fā)、彗云以及一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴。

哈雷與彗星

講到彗星,有一位天文學(xué)家我們不能不提,他就是英國(guó)天文學(xué)家埃德蒙多·哈雷。1656年,哈雷出生于英國(guó),他是家里的長(zhǎng)子,父親是富有的肥皂商人。父親為小哈雷請(qǐng)了家庭教師,后來(lái)小哈雷又上了圣保羅小學(xué)。1673年,17歲的哈雷考入牛津大學(xué)。這時(shí),他對(duì)天文學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣,立志在天文學(xué)領(lǐng)域開(kāi)辟出一片新天地。他知道丹麥天文學(xué)家第谷在汶島上建立天文臺(tái),花了20年的時(shí)間測(cè)定了777顆恒星的位置,了解這些恒星的位置就能夠?yàn)楹胶５拇粚?dǎo)航。但這777顆恒星都是在北半球觀測(cè)到的,而南半球能夠?yàn)楹酱瑢?dǎo)航的恒星還從未有人測(cè)定過(guò)。1676年,已經(jīng)讀到大學(xué)三年級(jí)的哈雷,聽(tīng)說(shuō)一艘英國(guó)輪船要到南半球去探險(xiǎn),毅然中斷了學(xué)業(yè),請(qǐng)求船長(zhǎng)帶著他一同遠(yuǎn)航。他的父親不僅沒(méi)有阻攔,反而大力支持他,斥巨資為他購(gòu)買(mǎi)了7.3米長(zhǎng)的天文望遠(yuǎn)鏡、半徑為1.7米的大型六分儀、精密的鐘表以及測(cè)微儀,不僅如此還給了他足夠的經(jīng)費(fèi)。

◎英國(guó)天文學(xué)家埃德蒙多·哈

◎埃德蒙多·哈雷的天文望遠(yuǎn)

輪船經(jīng)過(guò)3個(gè)多月的航行來(lái)到了南半球荒無(wú)人煙的圣赫勒拿島。哈雷獨(dú)自一人登上荒灘,在島上建起了觀測(cè)站。島上經(jīng)常下雨,哈雷就抓住少有的晴夜,架起儀器,一邊觀測(cè)一邊在燭光下記錄著恒星的位置。有時(shí)一陣風(fēng)吹過(guò),把蠟燭吹滅,他還要忙著點(diǎn)燈;有時(shí)從遠(yuǎn)方傳來(lái)野獸的叫聲,他還要拿起武器自衛(wèi)。經(jīng)過(guò)一年的艱苦奮斗,他測(cè)定了381顆恒星的位置,比起第谷,這可算是“高效率”了。1678年,載他來(lái)的那艘輪船返航,經(jīng)過(guò)圣赫勒拿島時(shí)接他上了船,就這樣,哈雷帶著豐厚的觀測(cè)成果回到了家鄉(xiāng)。后來(lái),這些難得的觀測(cè)成果以及他的英雄事跡傳遍了歐洲,人們將他稱(chēng)為“南天的第谷”,牛津大學(xué)頒發(fā)給他碩士學(xué)位,英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)則授予他會(huì)員身份。

1683年,哈雷在研究開(kāi)普勒第三定律的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)引起吸引作用的向心力與距離的平方成反比,但是他無(wú)法證明這一點(diǎn)。在與胡克和雷恩討論未果的情況下,哈雷在1684年8月赴劍橋向牛頓請(qǐng)教,他問(wèn)牛頓“:假定行星到太陽(yáng)的引力與其到太陽(yáng)距離的平方成反比,行星該以怎樣的曲線運(yùn)動(dòng)?”牛頓回答“:圓形?！惫资煮@喜,接著問(wèn):“你是怎么知道的?”牛頓回答:“我計(jì)算出來(lái)的?！惫渍f(shuō):“可否拿來(lái)給我看看?”可是牛頓找不到計(jì)算草稿了,但他答應(yīng)哈雷再重新計(jì)算一遍,然后寄信給他。1684年11月,哈雷收到了牛頓寄來(lái)的一份標(biāo)題為“論軌道物體的運(yùn)動(dòng)”的論文。哈雷看后深受啟發(fā),他建議牛頓把他的研究整理成書(shū),并最終資助他將其出版。1687年,驚動(dòng)世界的名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》出版了,從此人們知道了“萬(wàn)有引力定律”,牛頓也因此成為世界著名的科學(xué)家。而哈雷呢,在牛頓萬(wàn)有引力定律的指引下,深入了對(duì)彗星軌道的研究。截至1695年,哈雷已經(jīng)收集到24顆彗星的詳盡數(shù)據(jù),并且一個(gè)一個(gè)地在紙上畫(huà)出了它們環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道,甚至還標(biāo)注了它們出現(xiàn)的日期。哈雷把24張圖紙擺在一起,仔細(xì)地觀察,他發(fā)現(xiàn)1531年、1607年、1682年出現(xiàn)在天空的3顆彗星的軌道極其相似,而且相隔的時(shí)間是75～76年。此時(shí),哈雷靈光一閃:“這不是3顆彗星,而是同一顆彗星的3次回歸!”為了證實(shí)這一猜想,他又花了很長(zhǎng)時(shí)間,查閱了許多歷史記錄。果然,每過(guò)75或76年就有一次彗星出現(xiàn)。于是他大膽預(yù)言:這顆彗星在1682年出現(xiàn)以后,再過(guò)75或76年,也就是1757年底或1758年初會(huì)再次出現(xiàn)在天空中。哈雷把這一研究成果寫(xiě)成了《彗星天文學(xué)概論》,于1705年出版,這時(shí)的哈雷已經(jīng)49歲,如果他能活到103歲,就能看到1758年這顆彗星再次出現(xiàn)。

◎哈雷彗星的軌道(藍(lán)色)相對(duì)于其他行星的軌道(紅色)

1742年1月14日,86歲高齡的哈雷感到疲倦,他喝了一杯葡萄酒,仰在椅子靠背上,靜靜地閉上了眼睛,停止了呼吸。時(shí)光飛快,1758年,許多天文臺(tái)和天文愛(ài)好者,從年初就架起望遠(yuǎn)鏡在天空尋找,一直到了1758年12月25日夜晚,一位德國(guó)人真的用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了這顆彗星,最終這顆彗星就被命名為“哈雷彗星”。

◎哈雷彗

發(fā)現(xiàn)小行星

在火星和木星之間,距離太陽(yáng)約2.8天文單位的區(qū)域,有一個(gè)“小行星帶”,這里存在大量直徑在100米以上的小行星,它們是一些形狀不規(guī)則的石塊,也有少量的是冰塊,或是兩者的混合物。小行星帶上的這些小行星都在各自的軌道上運(yùn)行著,有時(shí)也會(huì)發(fā)生“車(chē)禍”彼此撞得粉身碎骨。在極其偶然的情況下,有的小行星會(huì)飛到地球附近,甚至?xí)?duì)地球造成威脅。據(jù)科學(xué)家推測(cè),6 500萬(wàn)年前的恐龍滅絕,就是一顆直徑約10千米的小行星撞擊地球造成的。不過(guò),如今世界各地都有天文臺(tái)對(duì)小行星進(jìn)行監(jiān)測(cè),我國(guó)的紫金山天文臺(tái)盱眙(xū yí)觀測(cè)站就主要負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作。今天我們已經(jīng)能夠輕松監(jiān)測(cè)小行星的行蹤了,但你們知道嗎,在幾百年前,人們?yōu)榱苏覍み@些小行星可是費(fèi)了很大的力氣!

1619年,德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)普勒發(fā)表了他的《宇宙和諧論》,公布了太陽(yáng)系六顆行星與太陽(yáng)的距離。他用天文單位(地球到太陽(yáng)的距離為1個(gè)天文單位),取約數(shù)表示,水星為0.4,金星為0.7,地球?yàn)?,火星為1.6,木星為5.2,土星為10。從這一系列數(shù)字中,開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)火星和木星之間的距離過(guò)大,使得作為整體的太陽(yáng)系不太和諧。他設(shè)想如果在兩個(gè)行星之間,即2.8天文單位處有一顆行星,這就和諧多了。然而,這里是不是真的有一顆默默無(wú)聞的行星在運(yùn)行呢?開(kāi)普勒在生前并未得出結(jié)論。

◎戴維·提丟

由這樣的計(jì)算可以看出,在2.8天文單位的區(qū)域里應(yīng)當(dāng)有一顆“未知的”行星存在。他寫(xiě)道:“只要我們對(duì)于行星之間的距離稍微留意一下就可以發(fā)現(xiàn),在2.8天文單位的區(qū)域里一定會(huì)有行星存在,我們可以打個(gè)賭!”后來(lái),他翻譯了荷蘭一位學(xué)者寫(xiě)的《自然的探索》,在書(shū)的最后一頁(yè),他把上面那個(gè)計(jì)算和推測(cè)也寫(xiě)了進(jìn)去?？墒?這本翻譯的書(shū)出版后,很少有人對(duì)這位中學(xué)教師的見(jiàn)解感興趣,認(rèn)為這僅僅是數(shù)學(xué)游戲罷了。幸虧后來(lái)德國(guó)柏林天文臺(tái)的臺(tái)長(zhǎng)波得看到了這本書(shū)。這位臺(tái)長(zhǎng)慧眼識(shí)珠,對(duì)這位中學(xué)教師的預(yù)見(jiàn)大加贊賞,并且將這個(gè)推測(cè)寫(xiě)進(jìn)了他的大作《星空研究指南》,后來(lái)人們就將這個(gè)計(jì)算稱(chēng)為“提丟斯-波得定律”。

這個(gè)定律一公布,立即引起了人們的廣泛關(guān)注。首先,德國(guó)天文愛(ài)好者們組成了一支“天空巡警隊(duì)”,這個(gè)巡警隊(duì)的任務(wù)不是抓小偷兒,而是搜尋那顆默默無(wú)聞的行星。隊(duì)員們分成12組,每組負(fù)責(zé)搜尋黃道上的一個(gè)星座,這樣就做到了“天網(wǎng)恢恢,疏而不漏”。波得也在柏林天文臺(tái)組織了24名觀測(cè)員進(jìn)行搜索?？墒?許許多多個(gè)不眠之夜過(guò)去,大家一無(wú)所獲,尋找新行星的熱情逐漸冷卻,最終陷入冰點(diǎn)。

我國(guó)有一句諺語(yǔ)“有心栽花花不開(kāi),無(wú)心插柳柳成蔭”,小行星的發(fā)現(xiàn)歷程正應(yīng)了此言。在意大利的西西里島上有一座天文臺(tái),臺(tái)長(zhǎng)皮亞齊是一位研究恒星的專(zhuān)家。1801年1月1日,也就是19世紀(jì)的第一個(gè)元旦之夜,皮亞齊并沒(méi)有在家中慶祝這個(gè)重大的節(jié)日,而是在茫茫星海中暢游著。他“駕駛”望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入了金牛座,這里大大小小、顏色不同的星星他都了如指掌。突然,一顆星圖上沒(méi)有的星星出現(xiàn)在他眼前,他精確地測(cè)定了它的位置,并把它繪在了手邊的星圖上。這是不是人們苦苦尋找了28年的“未知行星”呢?皮亞齊不敢確定。第二天晚上,他再次來(lái)到天文臺(tái)對(duì)這顆星星進(jìn)行追蹤觀測(cè),他再一次精確地測(cè)定其位置,發(fā)現(xiàn)這顆星在24小時(shí)之內(nèi),向西運(yùn)行了4角分。第三天再看,這顆星還是在向西運(yùn)行著。皮亞齊初步斷定它就是一顆行星!直到1月12日,它停止不動(dòng)了。再繼續(xù)觀測(cè),過(guò)了12天,它又轉(zhuǎn)為向東運(yùn)行。啊!這是行星運(yùn)行的典型特征,他立即給德國(guó)的波得寫(xiě)了一封信,把這一“特大喜訊”告訴了他。當(dāng)這封信輾轉(zhuǎn)送到波得手里時(shí),已經(jīng)是3月20日。當(dāng)晚,波得到天文臺(tái)按照皮亞齊提供的行星位置進(jìn)行搜尋,但卻無(wú)論如何也找不到。在西西里島上的皮亞齊也同樣找不到這顆行星了,它到哪兒去了?難道只是一個(gè)神秘的過(guò)客?

正在天文學(xué)家為難之際,一位24歲的德國(guó)數(shù)學(xué)家——高斯出現(xiàn)了。當(dāng)他知道新近發(fā)現(xiàn)的行星又“失蹤”的時(shí)候,立即給波得臺(tái)長(zhǎng)寫(xiě)信,告訴他:“我可以幫您找到它,只要告訴我之前對(duì)這顆行星觀測(cè)獲得的三次觀測(cè)數(shù)據(jù),我就能計(jì)算出它在天空的位置?！痹瓉?lái),高斯發(fā)明了只用三次觀測(cè)數(shù)據(jù)就可以定出行星軌道的方法,還能計(jì)算出這顆行星在任何一個(gè)夜晚出現(xiàn)在天空的位置。皮亞齊有41天的觀測(cè)數(shù)據(jù),這足夠用了。后來(lái)根據(jù)高斯的計(jì)算,皮亞奇和波得在1801年12月31日夜晚,同時(shí)在各自的望遠(yuǎn)鏡里“捕捉”到了這顆新行星。此時(shí)距離首次發(fā)現(xiàn)它整整過(guò)去了一年。

新行星被發(fā)現(xiàn)后,人們將其命名為“谷神星”,在古希臘神話(huà)中,它就是室女座的保護(hù)神德墨忒爾。隨后各個(gè)天文臺(tái)對(duì)它進(jìn)行了測(cè)量。這顆行星與太陽(yáng)的平均距離是2.77天文單位,與“提丟斯-波得定律”計(jì)算出的2.8天文單位十分接近,補(bǔ)足了計(jì)算鏈條上的“空當(dāng)”,尋找工作終于告一段落。可是新的問(wèn)題又出現(xiàn)了。大家發(fā)現(xiàn),這顆行星比起其他行星,實(shí)在是太小了!它的直徑只有933千米,體積只有地球的1/2 500,它似乎不是人們期待已久的那顆行星,頂多只能算是“小行星”?！疤炜昭簿?duì)”的隊(duì)員們?nèi)耘f保持著極大的熱情,在晴朗的日子里徹夜不眠地“奉獻(xiàn)”著。果然,1802年3月28日,德國(guó)一位外科醫(yī)生、“天空巡警隊(duì)”的隊(duì)員奧伯斯又發(fā)現(xiàn)了第二顆小行星,起名為“智神星”,象征著神話(huà)中的智慧女神雅典娜。可是這顆行星更小了,直徑只有588千米,體積不足地球的萬(wàn)分之一。1804年9月1日,德國(guó)的天文工作者哈丁發(fā)現(xiàn)了第三顆小行星,起名為“婚神星”,它的直徑只有200千米。1807年3月29日,奧伯斯發(fā)現(xiàn)了第四顆小行星,起名叫“灶神星”,直徑為501千米。此后30多年,人們未在此處再發(fā)現(xiàn)小行星,直到1845年12月8日,德國(guó)天文學(xué)家卡爾·路德維?！ず嗫私K于發(fā)現(xiàn)了第五顆小行星——義神星。隨著一顆顆小行星的發(fā)現(xiàn),人們恍然大悟,原來(lái)在2.8天文單位處的軌道附近,并沒(méi)有大體積的行星,有的只是一群小行星,而且人們相信這里一定還徜徉著更多的小行星,只等人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

1888年,美國(guó)青年伊斯曼創(chuàng)辦的“柯達(dá)公司”制造出第一臺(tái)“柯達(dá)照相機(jī)”,從此照相術(shù)進(jìn)入人們的生活,也使天文觀測(cè)跨進(jìn)了一個(gè)新時(shí)代。1891年12月20日,這是研究小行星歷史上一個(gè)劃時(shí)代的日子,德國(guó)海德堡大學(xué)的沃爾夫教授,使用照相的方法發(fā)現(xiàn)了第323號(hào)小行星。從此,“照相術(shù)”大大加快了小行星的發(fā)現(xiàn)速度,在沃爾夫教授的一生中就有225顆小行星被發(fā)現(xiàn)!到了1902年,小行星的數(shù)量達(dá)到500顆。1923年,小行星的數(shù)目超過(guò)了四位數(shù)。1983年,美國(guó)的“紅外天文衛(wèi)星”在10個(gè)月當(dāng)中就發(fā)現(xiàn)了11 000顆小行星。隨著科技的不斷發(fā)展,人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的小行星越來(lái)越多,發(fā)現(xiàn)速度越來(lái)越快。

在廣闊的太陽(yáng)系中,除了太陽(yáng)、水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星以及它們各自的衛(wèi)星以外,還有許許多多的小天體存在于2.8天文單位的小行星帶以及遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶和奧爾特云中。它們默默無(wú)聞,出現(xiàn)在地球附近一次要很久很久,這些看似與人類(lèi)不太密切的“小家伙”,身上其實(shí)藏著很多秘密。目前,人們已經(jīng)派探測(cè)器到達(dá)了彗星,未來(lái)人類(lèi)還會(huì)派許多探測(cè)器到更多的小行星上去考察,尋找新的礦藏。不僅如此,我們還可以在上面建造“游動(dòng)天文臺(tái)”,帶著望遠(yuǎn)鏡暢游太陽(yáng)系;也可以把它們的“肚子”挖空,建造供人類(lèi)居住的“小行星空間站”。這些設(shè)想聽(tīng)起來(lái)是不是很有趣?對(duì)于未來(lái)的小行星探索工作,你們是不是也滿(mǎn)懷期待了呢?加油吧同學(xué)們,小行星上見(jiàn)!