彗星之謎

■張 靜

彗星發光的原因

光譜分析除提供了彗星成分的資料外，也告訴我們彗星發光的原因。彗星光譜里有明亮的光帶，而背景是邊續光譜，強弱及譜帶會隨與太陽的距離遠近而改變，這究竟表示什么呢？連續光譜的出現，表示彗星部分的光線是彗星的氣體及固體質點反射太陽光而來，且越接近彗核，光度越強。明亮的譜帶則說明了彗星另外一個發光形式，這個形式是來自彗星本身的。由于彗星的氣體分子受太陽紫外輻射激發而發光。激發的原理是：氣體分子吸收太陽紫外光而獲得能量，從低能階激發至高能階，然后在躍回基態時，釋放能量，發出與吸收時相同頻率的輻射，因而發光。在光譜上亦因此出現發射明線，這種輻射在物理上稱為“共振輻射”。“共振輻射”是一種簡單的熒光現象，故彗星這種發光的方法，乃稱為熒光作用。

由于彗星發光的原因都與太陽輻射有關，所以隨著距離不同，亮度亦有所改變，越近越亮。一般來說，被照耀的物體亮度，與光源的距離平方成反比。但由于彗星除反射太陽光外，還自行發光，所以它的亮度便不是與距離平方成反比，而是與太陽距離的4次方至10次方不等成反比。又由于氣體分子受激發所需的能量各有不同，與太陽距離不同，受激發的氣體成分各有不同，但光度有異，顏色亦會有變化，而令彗星形態如此多姿多彩。

彗星從哪里來

從19世紀開始，人們對原本以為來無蹤、去無影的彗星愈來愈了解后，大家就在想，這拖著長長尾巴的彗星，到底從哪里來呢？

距今200年前（1796年），法國科學家拉普拉斯出版了一本《宇宙體系論》，提出太陽系起源的星云說，認為彗星是由太陽系外星際云物質所形成的，因為受到鄰近恒星的影響，加上行星與太陽引力的拉扯，使遙遠星云物質被吸進太陽系，而形成彗星。

這項理論，直到1950年經過荷蘭天文學家奧爾特（Oort）與斯特龍格林（Van Woerkom）的精密觀測研究后，而為世人所接受。根據他們的研究，這團星際云物質距離太陽約有225000億千米，以光的速度（每秒30萬千米）得走上866天。讀者可以想像一下，以光的速度1秒鐘可繞地球7圈半，這個星際云還要強。太陽的萬有引力與日光斥力恰巧相反，但兩種作用力皆與距離的平方成反比。對于一般的物體，太陽引力占盡優勢。可是對極微細的粒子，太陽斥力的作用為何竟凌駕太陽的吸力呢？

如要解釋這點，我們可利用物體下墜的情況作比喻：兩件物體的表面積不同，所隨的空氣阻力便不同，表面積愈大，所受阻力愈大，下墜之勢愈慢。輻射壓力對微小粒子的作用，與此類似，因為質粒愈小，表面積對于其重量便愈大。舉例說明，假設一正方形物體，體積為1立方厘米，質量1克，表面積則是6平方厘米；如從中切開，分成兩個相同的長方體，則質量每個是0.5克，而每個長方體的表面積則為4平方厘米，兩個長方體的表面積總和為8平方厘米，比本來的整體表面積相對量就愈來愈大，因此微小粒子的表面積相對質量面言就很大，所隨的斥力就極顯著：只要質點的直徑等于1微米，太陽斥力與引力便得到均勢；質點再小一點，太陽斥力便大于引力。因此，太陽輻射壓力就成為推斥彗星的一種作用力。

自發現太陽輻射對彗星的推斥力后，不少科學家都應用太陽輻射壓力來解釋彗尾，可惜結果并不圓滿，他們不能解釋何以Ⅰ型彗尾的加速度那么高。引起這個問題的就是1980年出現的莫爾豪斯彗星（Morechouse’s Comet），它竟拋射出速度達每秒30千米的物質，此點并不能應用太陽輻射壓力來解釋。直至發現了太陽風（solar wind）才找到合理的答案。

何謂太陽風呢？根據火箭及人造衛星的探測，發現太陽除不斷發出光與無線電波等輻射外，還拋出大量的帶電微粒。這些微粒包括由太陽大耀斑區拋出的快速微粒流、太陽碰區拋出的慢速微粒流及由日冕向太陽四周膨脹的等離子體，它們統稱微粒輻射。由于太陽作用于日冕氣體上的吸引力不能平衡微粒輻射的壓力，因此日冕不可能處于靜止的狀態，而是穩定地向外膨脹。熱電離氣體粒子不斷地從太陽向外流出，形成太陽四周釋出的連續微粒流。由于微粒流好像是從太陽不停地向外吹出的風，所以稱為太陽風。太陽風的平均速度是每秒300～500千米，對彗星造成強大的推斥力，而彗尾的高加速度亦得以解釋。太陽輻射及太陽風就是促成彗尾形成的兩股原動力，故此彗尾要接近太陽時才出現，但卻永遠背向太陽。

彗星與恐龍的滅絕

地球上至今最成功的一種動物要算是恐龍了。恐龍雄踞地球有1億年之久，種類繁多，水里、空中和陸地都有它們的蹤跡。恐龍在中生代極之繁盛（中生代，即距今1億8100萬年至距今6300萬年的一個地質年代），而恐龍在中生代末期時絕種，從地球表面消失。差不多同一時期，地球上所知動植物種類，也有一半滅絕。這樣數量龐大的生物滅絕，發生在很短的時間之內，自然引發起各種不同的猜想和假設。有人認為，恐龍絕種可能是因為它們已過度發達，身軀體積和神經系統不相稱，使它們反應遲鈍、覓食困難，更要面對當時出現的較小、較靈活的哺乳類動物。有人認為，當時部分恐龍所依靠維生的植物，進化成開花植物，恐龍適應不了，終致餓死。這個物種大量滅絕的時期，正好是中生代的白堊紀（Cretaceous Period）和新第三紀（Tertiary Period）之間，所以又稱C-T滅絕現象 （C-T Extinction）。無巧不成書，在這個遠古的年代，地球的巖層里，夾上了一層不薄的紅棕色黏土。地質學家在世界多個地方，例如意大利、法國、突尼斯、丹麥和新西蘭，都能找到這種夾在白堊紀和第三紀的巖層之間、質地較細的黏土，而從這層黏土的厚度，估計這層黏土沉積而成的時間并不長，只在以百年計的時間內便形成了。美國一位物理學家艾弗里斯（L.Alvarez）和他的地質學家兒子，假設這層黏土的來源，并非地球物質沉積而成，而是當時連續不斷落到地球表面的一些微隕塵。假如他們的假設成立，這層紅黏土里銥（Iridium）的含量，應比地球其他巖石要多。分析結果證實，這層黏土里銥的含量，比其他地質的巖石，高出30～160倍等。這項結果支持了艾弗里斯的假設，即這層沉積物來自太空而非地球。

不斷沉降地面的微隕塵，又怎樣能導致當時地球生物，包括恐龍的大量滅絕呢？科學家初步提出的答案，是將那些銥帶到地球的不是微隕塵，而是一個體積龐大的物體，一如現今我們所知的小行星。這一顆小行星和地球碰撞，沖擊起大量塵埃，遮天蔽日，令到晨昏顛倒，生態失去平衡，甚至使地軸傾斜角度改變，以致氣候巨變。如果我們單要解答的問題，是恐龍為什么會消失，或許可以采納恐龍過度發達、或恐龍蛋給纖小靈巧的哺乳類動物吃光等等的理論，可是當我們發現連當時白堊紀末海底的物種也消失凈盡時，就難免對上述理論提出質疑。只有一種全球性的災難，才能留下這樣深遠的影響，而科學家相信，一顆撞落地球的小行星，就是理想的答案。

有些科學家卻有不同的見解，他們手上更有古生物學和化石作證據。他們認為大規模物種滅絕是周期性的，而這周期大約為3000萬年。美國兩名科學家，追查過去2億5000萬年間600種海洋生物的演變和滅絕，發現每隔2600萬年，海洋生物中便出現一次大規模的絕種現象。既然每隔一段時間，地球上的生物便遇到一次災劫，有什么自然現象，可以解釋這個周期性呢？

上面提過小行星撞擊地球，破壞生態平衡，導致恐龍絕跡。但是飛近地球而體積龐大的小行星不多，況且要使它帶來的銥，分布在地球各處，這個撞擊地球的物體，假如有5～10千米的直徑，也要以每秒60千米的高速撞擊地面，小行星在運行時并沒有這樣高的速度。科學家于是將注意力轉到彗星。

彗星源于何處？早于20世紀50年代，荷蘭天文學家奧爾特（J.Oort）已經提出彗星云的學說。奧爾特統計過彗星的軌道，認為離太陽5萬個天文單位處，有一個好像殼一般包圍著太陽系的彗星云，里面有大約千億個彗星的核心，這些彗星的核心受到其他星的引力擾動，便會脫離彗星云，有些會飛向太陽，讓我們見到，有些則可能消失于星際空間。為了解釋物種滅絕的3000萬年周期性，科學家提出一個類似的假設：在奧爾特的彗星云和冥王星之間，有一個藏量更豐富的彗星云，里面有1萬億個彗星體，只要受到騷擾和適當的推動，便會“跌”入太陽系內部，有些彗星的軌道，假如是和地球相切，便會有機會變成轟擊地球的太空炸彈。

假如真有這樣一個彗星云，比奧爾特推論的那個更為接近我們，有什么因素可以使彗星云里的彗星，脫離穩定的軌道而飛進太陽系的內部、撞擊我們的行星、引起廣泛的破壞呢？這里，科學家提出了兩個可能的答案來交代使彗星脫離彗星云的引力擾動：一是一顆又小又暗的紅矮星、二是質量要比太陽大1000到1萬倍的星際云。第一個答案中的紅矮星，環繞太陽公轉，轉一圈要2600萬年，當最接近太陽時，足以擾動彗星云里的彗星，使大量彗星在短時間內飛入太陽系的內部。第二個答案中的星際云，位于我們這個銀河系平面，太陽系運行到這星際云25光年處時，彗星云里面的彗星，受到星際云引力的擾動，也會飛到太陽系的內部，而太陽系每3300萬年，便穿越銀河平面一次。不過在這里，科學家也謹慎起來，原因是上述的兩個可能性，是假設上的假設：這兩個可能性是用來解釋彗星怎樣從彗星云釋放出來，而彗星本身，也是一個假設。至于那顆擾動彗星云的紅矮星在哪里，或是那堆質量龐大的星際云如何讓我們觀測到，都是有待解決的問題。

無論是小行星或彗星，無論是否有這個約3000萬年的滅絕周期，要是真有一個小彗星撞擊地球，其破壞力之巨是毋庸置疑的了。中生代的恐龍，或許真的見過這樣一個可怖的景象：一顆彗星，已經非常接近地球，從表面上看，大到遮蓋了半邊天空。彗星和大氣層磨擦，發出眩目的光芒，迅即擊中遠古地球其中一個海洋。在慧星落點的海水，立即化為蒸氣，并且劇烈膨脹，發出轟然巨響；海水被激起數十米高的海嘯巨浪，向四方八面洶涌奔去。而撞擊產生的空氣激波，也隨之而至，海洋近岸的動物植物，不被海嘯卷走，就是被空氣激波震死。一個巨大的蘑菇云，慢慢在大氣層上升，因為撞擊而解體的巨星，其物質化成微細的顆粒，隨著這個蘑菇云升上大氣層高處，而撞擊產生的地震震波，也從撞擊點環繞地球傳播開去。撞擊點附近幾百千米，開始刮起強風，同時受升起的塵埃水氣遮掩，暗無天日，大風夾著雨點和冰雹，橫掃大地。幾日之后，環境似乎開始穩定下來，但大氣層里塵埃微粒大量增加，天空變得灰暗。數星期內，微塵隨著大氣層的氣流，彌漫開去，逐漸平均地分布在大氣層中。水氣以微塵為核心積聚，積成厚厚的云層和長期而且大量的降雨。

從太空回望，這時的地球，見不到陸地海洋，只呈現白茫茫的云海，且全無縫隙，云頂反射太陽光，使地球成為耀目的行星。但在云層之下，地面上和海洋，生物開始和陽光隔絕。植物沒有陽光，慢慢凋萎；素食動物失去了糧食來源，大量餓死；食肉動物也只有在一片漆黑里覓食，水棲動物也窒息而死。只有那些依靠植物腐爛的殘渣為食物，或機巧靈活而逃過被同類捕食的動物，才可以幸存世上。生物界的面貌，就這樣來一個徹底的改觀。當太陽的光線在數年后再次穿過云層，射到大地和海洋時，微不足道的哺乳動物，已經完全取代了曾經稱霸一時的恐龍的位置，成為地球生物界的主宰。

有關慧星的傳說和記載

中國民間將慧星叫作“掃帚星”。“慧”字在中國語言中有掃帚的含意，在古希臘人的語言中有 “毛發”的含意。

世界上公認中國是對慧星觀測和記錄最早的國家。中國古書 《淮南子·兵略訓》中記錄了公元前1057年的一次慧星，它就是后來被命名為“哈雷”的慧星。1973年，從中國湖南長沙馬王堆的一座漢朝的墳墓內，出土一幅慧星圖，圖上畫有29種慧星，形狀和名字都離奇古怪。中國的《史記》、《文獻通考》等古書，也記錄過公元前240年這顆慧星的出現。《宋史》曾用166個字記載了它在1066年回歸時的情況。從公元前1057年至公元1986年，哈雷慧星回歸了41次，中國除了有早期的3次記錄外，還有從公元前240年往后的全部30次記錄。

1066年慧星出現時，歐洲發生了海斯丁大戰。諾曼底公爵威廉起兵攻打英格蘭，英格蘭國王哈羅爾率軍抵抗然而戰敗，威廉在英國倫敦登上皇帝寶座。歐洲人把這次戰爭和慧星聯系起來，說威廉是在這顆慧星的引導下攻入英格蘭的。威廉皇后還親自織了一幅彩色的繡圖，圖上繡著一群人，當中一人用手指著慧星，回頭告訴眾人，神態失常，舉止驚慌；右邊繡著一個大臣在向哈羅爾國王告訴慧星出現的事，國王則在寶座上驚惶不安。這幅繡圖至今還保存在法國巴耶城的博物館里。英格蘭的國王則在皇冠上鑄上一顆慧星的花紋，據說是為了牢記這次戰敗。

彗星的起源

彗星的起源是個未解之謎。有人提出，在太陽系外圍有一個特大彗星區，那里約有1000億顆彗星，叫奧爾特云，由于受到其它恒星引力的影響，一部分彗星進入太陽系內部，又由于木星的影響，一部分彗星逃出太陽系，另一些被“捕獲”成為短周期彗星；也有人認為彗星是在木星或其它行星附近形成的；還有人認為彗星是在太陽系的邊遠地區形成的；甚至有人認為彗星是太陽系外的來客。因為周期彗星一直在瓦解著，必然有某種產生新彗星以代替老彗星的方式。可能發生的一種方式是在離太陽105天文單位的半徑上儲藏有幾十億顆以各種可能方向繞太陽作軌道運動的彗星群。這個概念得到觀測的支持，觀測到非周期彗星以隨機的方向沿著非常長的橢圓形軌道接近太陽。隨著時間的推移，由于過路的恒星給予的輕微引力，可以擾亂遙遠彗星的軌道，直至它的近日點的距離變成小于幾個天文單位。當彗星隨后進入太陽系時，太陽系內的各行星的萬有引力的吸力能把這個非周期彗星轉變成新的周期彗星（它瓦解前將存在幾千年）。另一方面，這些力可將它完全從彗星云里拋出。如果這說法正確，過去幾個世紀以來一千顆左右的彗星記錄只不過彗星是巨大彗星云中很少一部分樣本，這種云迄今尚未直接觀察到。與個別恒星相聯系的這種彗星云可能遍及我們所處的銀河系內。迄今還沒有找到一種方法來探測可能與太陽結成一套的大量彗星，更不用說那些與其他恒星結成一套的彗星云了。彗星云的總質量還不清楚，不只是彗星總數很難確定，即使單個彗星的質量也很不確定。估計彗星云的質量在10-13至10-3地球質量之間。