彗星和小行星的故事

文/趙之珩

在太陽系里有眾多的天體,除了太陽、行星、衛星和矮行星以外,還有數不盡的小天體,這些小天體分別是彗星、小行星和流星體。它們質量小、引力小,形狀不規則,就像一些大大小小的馬鈴薯一樣,大一些的石塊是小行星,冰雪團是彗星,質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系中,圍繞著太陽運行。

"可怕"的彗星

自古以來,人們看到的天空都是和諧寧靜的,太陽每天從東方升起西方落下,月亮30天一個輪回地變換著月相,五顆行星有規律地在黃道12宮運行,流星雨也會在一定的日子里出現。可是,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,打破了夜空的寧靜,人們對這突如其來的天體感到恐慌,并且產生了諸多聯想。因為人們常見的太陽、月亮、行星都是圓球狀或點狀,而彗星的形狀十分奇特,它的頭部是毛茸茸的,沒有明顯的邊界,所以西方人把彗星稱作“Comet”,即有“毛發”之意。它的尾部拖著一條長長的彗尾,像掃帚一樣,所以在我國,古代人把它稱作“掃帚星”。此外,彗星并不像其他行星一樣有規律地運行,它出沒無常、行蹤不定、很難預測。大家可以想象,古人沒有望遠鏡,當彗星突然出現時,他們只能看到一個拖著尾巴的明亮天體。如果剛巧彗星的出現多次與災禍的發生時間相近,那么人們把它視為災星也就不難理解了。

◎ 彗

◎彗星結構示意

今天,我們再也不會因為一顆星而感到恐慌,因為我們通過望遠鏡、探測器等天文設備早已得知彗星的成分主要是水結成的冰雪,同時摻雜少量的石塊、土粒,其直徑不過十幾千米。我們把這樣的“臟雪球”稱作“彗核”。大約有1 000億顆彗星住在距離太陽10萬天文單位的奧爾特云里,只有少量的彗星能夠幸運地運行到八顆行星中間,并在到達地球附近時被人類發現。當這顆幸運的彗星距離太陽只有3個天文單位時,彗核中的冰雪開始融化,噴出水蒸氣包圍在彗核周圍。隨著與太陽的距離逐漸縮短,水蒸氣越來越多,逐漸形成了“彗發”。彗發與彗核合起來稱為“彗頭”。在彗頭的外面還包裹著更為稀薄的氣體,稱為“彗云”。當彗星更加靠近太陽時,受到太陽風的壓力,彗星被“吹”出了一條大尾巴,而且靠太陽越近尾巴越大。當彗星繞過“近日點”后,它會與太陽漸行漸遠,尾巴也就變得越來越短,直至消失。與此同時,彗核也不再噴發蒸汽和顆粒物,彗發與彗云也隨之消失,只剩下彗核獨自飄蕩在深空之中,等到繞過“遠日點”后,彗星才會再次生出彗發、彗云以及一條長長的尾巴。

哈雷與彗星

講到彗星,有一位天文學家我們不能不提,他就是英國天文學家埃德蒙多·哈雷。1656年,哈雷出生于英國,他是家里的長子,父親是富有的肥皂商人。父親為小哈雷請了家庭教師,后來小哈雷又上了圣保羅小學。1673年,17歲的哈雷考入牛津大學。這時,他對天文學產生了濃厚的興趣,立志在天文學領域開辟出一片新天地。他知道丹麥天文學家第谷在汶島上建立天文臺,花了20年的時間測定了777顆恒星的位置,了解這些恒星的位置就能夠為航海的船只導航。但這777顆恒星都是在北半球觀測到的,而南半球能夠為航船導航的恒星還從未有人測定過。1676年,已經讀到大學三年級的哈雷,聽說一艘英國輪船要到南半球去探險,毅然中斷了學業,請求船長帶著他一同遠航。他的父親不僅沒有阻攔,反而大力支持他,斥巨資為他購買了7.3米長的天文望遠鏡、半徑為1.7米的大型六分儀、精密的鐘表以及測微儀,不僅如此還給了他足夠的經費。

◎英國天文學家埃德蒙多·哈

◎埃德蒙多·哈雷的天文望遠

輪船經過3個多月的航行來到了南半球荒無人煙的圣赫勒拿島。哈雷獨自一人登上荒灘,在島上建起了觀測站。島上經常下雨,哈雷就抓住少有的晴夜,架起儀器,一邊觀測一邊在燭光下記錄著恒星的位置。有時一陣風吹過,把蠟燭吹滅,他還要忙著點燈;有時從遠方傳來野獸的叫聲,他還要拿起武器自衛。經過一年的艱苦奮斗,他測定了381顆恒星的位置,比起第谷,這可算是“高效率”了。1678年,載他來的那艘輪船返航,經過圣赫勒拿島時接他上了船,就這樣,哈雷帶著豐厚的觀測成果回到了家鄉。后來,這些難得的觀測成果以及他的英雄事跡傳遍了歐洲,人們將他稱為“南天的第谷”,牛津大學頒發給他碩士學位,英國皇家天文學會則授予他會員身份。

1683年,哈雷在研究開普勒第三定律的過程中發現引起吸引作用的向心力與距離的平方成反比,但是他無法證明這一點。在與胡克和雷恩討論未果的情況下,哈雷在1684年8月赴劍橋向牛頓請教,他問牛頓“:假定行星到太陽的引力與其到太陽距離的平方成反比,行星該以怎樣的曲線運動?”牛頓回答“:圓形。”哈雷十分驚喜,接著問:“你是怎么知道的?”牛頓回答:“我計算出來的。”哈雷說:“可否拿來給我看看?”可是牛頓找不到計算草稿了,但他答應哈雷再重新計算一遍,然后寄信給他。1684年11月,哈雷收到了牛頓寄來的一份標題為“論軌道物體的運動”的論文。哈雷看后深受啟發,他建議牛頓把他的研究整理成書,并最終資助他將其出版。1687年,驚動世界的名著《自然哲學的數學原理》出版了,從此人們知道了“萬有引力定律”,牛頓也因此成為世界著名的科學家。而哈雷呢,在牛頓萬有引力定律的指引下,深入了對彗星軌道的研究。截至1695年,哈雷已經收集到24顆彗星的詳盡數據,并且一個一個地在紙上畫出了它們環繞太陽運行的軌道,甚至還標注了它們出現的日期。哈雷把24張圖紙擺在一起,仔細地觀察,他發現1531年、1607年、1682年出現在天空的3顆彗星的軌道極其相似,而且相隔的時間是75～76年。此時,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!”為了證實這一猜想,他又花了很長時間,查閱了許多歷史記錄。果然,每過75或76年就有一次彗星出現。于是他大膽預言:這顆彗星在1682年出現以后,再過75或76年,也就是1757年底或1758年初會再次出現在天空中。哈雷把這一研究成果寫成了《彗星天文學概論》,于1705年出版,這時的哈雷已經49歲,如果他能活到103歲,就能看到1758年這顆彗星再次出現。

◎哈雷彗星的軌道(藍色)相對于其他行星的軌道(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。時光飛快,1758年,許多天文臺和天文愛好者,從年初就架起望遠鏡在天空尋找,一直到了1758年12月25日夜晚,一位德國人真的用望遠鏡發現了這顆彗星,最終這顆彗星就被命名為“哈雷彗星”。

◎哈雷彗

發現小行星

在火星和木星之間,距離太陽約2.8天文單位的區域,有一個“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行著,有時也會發生“車禍”彼此撞得粉身碎骨。在極其偶然的情況下,有的小行星會飛到地球附近,甚至會對地球造成威脅。據科學家推測,6 500萬年前的恐龍滅絕,就是一顆直徑約10千米的小行星撞擊地球造成的。不過,如今世界各地都有天文臺對小行星進行監測,我國的紫金山天文臺盱眙(xū yí)觀測站就主要負責這項工作。今天我們已經能夠輕松監測小行星的行蹤了,但你們知道嗎,在幾百年前,人們為了找尋這些小行星可是費了很大的力氣!

1619年,德國天文學家開普勒發表了他的《宇宙和諧論》,公布了太陽系六顆行星與太陽的距離。他用天文單位(地球到太陽的距離為1個天文單位),取約數表示,水星為0.4,金星為0.7,地球為1,火星為1.6,木星為5.2,土星為10。從這一系列數字中,開普勒發現火星和木星之間的距離過大,使得作為整體的太陽系不太和諧。他設想如果在兩個行星之間,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聞的行星在運行呢?開普勒在生前并未得出結論。

◎戴維·提丟

由這樣的計算可以看出,在2.8天文單位的區域里應當有一顆“未知的”行星存在。他寫道:“只要我們對于行星之間的距離稍微留意一下就可以發現,在2.8天文單位的區域里一定會有行星存在,我們可以打個賭!”后來,他翻譯了荷蘭一位學者寫的《自然的探索》,在書的最后一頁,他把上面那個計算和推測也寫了進去。可是,這本翻譯的書出版后,很少有人對這位中學教師的見解感興趣,認為這僅僅是數學游戲罷了。幸虧后來德國柏林天文臺的臺長波得看到了這本書。這位臺長慧眼識珠,對這位中學教師的預見大加贊賞,并且將這個推測寫進了他的大作《星空研究指南》,后來人們就將這個計算稱為“提丟斯-波得定律”。

這個定律一公布,立即引起了人們的廣泛關注。首先,德國天文愛好者們組成了一支“天空巡警隊”,這個巡警隊的任務不是抓小偷兒,而是搜尋那顆默默無聞的行星。隊員們分成12組,每組負責搜尋黃道上的一個星座,這樣就做到了“天網恢恢,疏而不漏”。波得也在柏林天文臺組織了24名觀測員進行搜索。可是,許許多多個不眠之夜過去,大家一無所獲,尋找新行星的熱情逐漸冷卻,最終陷入冰點。

我國有一句諺語“有心栽花花不開,無心插柳柳成蔭”,小行星的發現歷程正應了此言。在意大利的西西里島上有一座天文臺,臺長皮亞齊是一位研究恒星的專家。1801年1月1日,也就是19世紀的第一個元旦之夜,皮亞齊并沒有在家中慶祝這個重大的節日,而是在茫茫星海中暢游著。他“駕駛”望遠鏡進入了金牛座,這里大大小小、顏色不同的星星他都了如指掌。突然,一顆星圖上沒有的星星出現在他眼前,他精確地測定了它的位置,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,他再次來到天文臺對這顆星星進行追蹤觀測,他再一次精確地測定其位置,發現這顆星在24小時之內,向西運行了4角分。第三天再看,這顆星還是在向西運行著。皮亞齊初步斷定它就是一顆行星!直到1月12日,它停止不動了。再繼續觀測,過了12天,它又轉為向東運行。啊!這是行星運行的典型特征,他立即給德國的波得寫了一封信,把這一“特大喜訊”告訴了他。當這封信輾轉送到波得手里時,已經是3月20日。當晚,波得到天文臺按照皮亞齊提供的行星位置進行搜尋,但卻無論如何也找不到。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?難道只是一個神秘的過客?

正在天文學家為難之際,一位24歲的德國數學家——高斯出現了。當他知道新近發現的行星又“失蹤”的時候,立即給波得臺長寫信,告訴他:“我可以幫您找到它,只要告訴我之前對這顆行星觀測獲得的三次觀測數據,我就能計算出它在天空的位置。”原來,高斯發明了只用三次觀測數據就可以定出行星軌道的方法,還能計算出這顆行星在任何一個夜晚出現在天空的位置。皮亞齊有41天的觀測數據,這足夠用了。后來根據高斯的計算,皮亞奇和波得在1801年12月31日夜晚,同時在各自的望遠鏡里“捕捉”到了這顆新行星。此時距離首次發現它整整過去了一年。

新行星被發現后,人們將其命名為“谷神星”,在古希臘神話中,它就是室女座的保護神德墨忒爾。隨后各個天文臺對它進行了測量。這顆行星與太陽的平均距離是2.77天文單位,與“提丟斯-波得定律”計算出的2.8天文單位十分接近,補足了計算鏈條上的“空當”,尋找工作終于告一段落。可是新的問題又出現了。大家發現,這顆行星比起其他行星,實在是太小了!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”。“天空巡警隊”的隊員們仍舊保持著極大的熱情,在晴朗的日子里徹夜不眠地“奉獻”著。果然,1802年3月28日,德國一位外科醫生、“天空巡警隊”的隊員奧伯斯又發現了第二顆小行星,起名為“智神星”,象征著神話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,體積不足地球的萬分之一。1804年9月1日,德國的天文工作者哈丁發現了第三顆小行星,起名為“婚神星”,它的直徑只有200千米。1807年3月29日,奧伯斯發現了第四顆小行星,起名叫“灶神星”,直徑為501千米。此后30多年,人們未在此處再發現小行星,直到1845年12月8日,德國天文學家卡爾·路德維希·亨克終于發現了第五顆小行星——義神星。隨著一顆顆小行星的發現,人們恍然大悟,原來在2.8天文單位處的軌道附近,并沒有大體積的行星,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,只等人們去發現。

1888年,美國青年伊斯曼創辦的“柯達公司”制造出第一臺“柯達照相機”,從此照相術進入人們的生活,也使天文觀測跨進了一個新時代。1891年12月20日,這是研究小行星歷史上一個劃時代的日子,德國海德堡大學的沃爾夫教授,使用照相的方法發現了第323號小行星。從此,“照相術”大大加快了小行星的發現速度,在沃爾夫教授的一生中就有225顆小行星被發現!到了1902年,小行星的數量達到500顆。1923年,小行星的數目超過了四位數。1983年,美國的“紅外天文衛星”在10個月當中就發現了11 000顆小行星。隨著科技的不斷發展,人類發現的小行星越來越多,發現速度越來越快。

在廣闊的太陽系中,除了太陽、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的柯伊伯帶和奧爾特云中。它們默默無聞,出現在地球附近一次要很久很久,這些看似與人類不太密切的“小家伙”,身上其實藏著很多秘密。目前,人們已經派探測器到達了彗星,未來人類還會派許多探測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“游動天文臺”,帶著望遠鏡暢游太陽系;也可以把它們的“肚子”挖空,建造供人類居住的“小行星空間站”。這些設想聽起來是不是很有趣?對于未來的小行星探索工作,你們是不是也滿懷期待了呢?加油吧同學們,小行星上見!