彗星和小行星的故事

文/赵之珩

在太阳系里有众多的天体,除了太阳、行星、卫星和矮行星以外,还有数不尽的小天体,这些小天体分别是彗星、小行星和流星体。它们质量小、引力小,形状不规则,就像一些大大小小的马铃薯一样,大一些的石块是小行星,冰雪团是彗星,质量更小的属于流星体。这些小天体也和行星一样在广阔的太阳系中,围绕着太阳运行。

"可怕"的彗星

自古以来,人们看到的天空都是和谐宁静的,太阳每天从东方升起西方落下,月亮30天一个轮回地变换着月相,五颗行星有规律地在黄道12宫运行,流星雨也会在一定的日子里出现。可是,不知道哪一天,一颗彗星突然闯入,像一把巨大的扫帚横扫天空,打破了夜空的宁静,人们对这突如其来的天体感到恐慌,并且产生了诸多联想。因为人们常见的太阳、月亮、行星都是圆球状或点状,而彗星的形状十分奇特,它的头部是毛茸茸的,没有明显的边界,所以西方人把彗星称作“Comet”,即有“毛发”之意。它的尾部拖着一条长长的彗尾,像扫帚一样,所以在我国,古代人把它称作“扫帚星”。此外,彗星并不像其他行星一样有规律地运行,它出没无常、行踪不定、很难预测。大家可以想象,古人没有望远镜,当彗星突然出现时,他们只能看到一个拖着尾巴的明亮天体。如果刚巧彗星的出现多次与灾祸的发生时间相近,那么人们把它视为灾星也就不难理解了。

◎ 彗

◎彗星结构示意

今天,我们再也不会因为一颗星而感到恐慌,因为我们通过望远镜、探测器等天文设备早已得知彗星的成分主要是水结成的冰雪,同时掺杂少量的石块、土粒,其直径不过十几千米。我们把这样的“脏雪球”称作“彗核”。大约有1 000亿颗彗星住在距离太阳10万天文单位的奥尔特云里,只有少量的彗星能够幸运地运行到八颗行星中间,并在到达地球附近时被人类发现。当这颗幸运的彗星距离太阳只有3个天文单位时,彗核中的冰雪开始融化,喷出水蒸气包围在彗核周围。随着与太阳的距离逐渐缩短,水蒸气越来越多,逐渐形成了“彗发”。彗发与彗核合起来称为“彗头”。在彗头的外面还包裹着更为稀薄的气体,称为“彗云”。当彗星更加靠近太阳时,受到太阳风的压力,彗星被“吹”出了一条大尾巴,而且靠太阳越近尾巴越大。当彗星绕过“近日点”后,它会与太阳渐行渐远,尾巴也就变得越来越短,直至消失。与此同时,彗核也不再喷发蒸汽和颗粒物,彗发与彗云也随之消失,只剩下彗核独自飘荡在深空之中,等到绕过“远日点”后,彗星才会再次生出彗发、彗云以及一条长长的尾巴。

哈雷与彗星

讲到彗星,有一位天文学家我们不能不提,他就是英国天文学家埃德蒙多·哈雷。1656年,哈雷出生于英国,他是家里的长子,父亲是富有的肥皂商人。父亲为小哈雷请了家庭教师,后来小哈雷又上了圣保罗小学。1673年,17岁的哈雷考入牛津大学。这时,他对天文学产生了浓厚的兴趣,立志在天文学领域开辟出一片新天地。他知道丹麦天文学家第谷在汶岛上建立天文台,花了20年的时间测定了777颗恒星的位置,了解这些恒星的位置就能够为航海的船只导航。但这777颗恒星都是在北半球观测到的,而南半球能够为航船导航的恒星还从未有人测定过。1676年,已经读到大学三年级的哈雷,听说一艘英国轮船要到南半球去探险,毅然中断了学业,请求船长带着他一同远航。他的父亲不仅没有阻拦,反而大力支持他,斥巨资为他购买了7.3米长的天文望远镜、半径为1.7米的大型六分仪、精密的钟表以及测微仪,不仅如此还给了他足够的经费。

◎英国天文学家埃德蒙多·哈

◎埃德蒙多·哈雷的天文望远

轮船经过3个多月的航行来到了南半球荒无人烟的圣赫勒拿岛。哈雷独自一人登上荒滩,在岛上建起了观测站。岛上经常下雨,哈雷就抓住少有的晴夜,架起仪器,一边观测一边在烛光下记录着恒星的位置。有时一阵风吹过,把蜡烛吹灭,他还要忙着点灯;有时从远方传来野兽的叫声,他还要拿起武器自卫。经过一年的艰苦奋斗,他测定了381颗恒星的位置,比起第谷,这可算是“高效率”了。1678年,载他来的那艘轮船返航,经过圣赫勒拿岛时接他上了船,就这样,哈雷带着丰厚的观测成果回到了家乡。后来,这些难得的观测成果以及他的英雄事迹传遍了欧洲,人们将他称为“南天的第谷”,牛津大学颁发给他硕士学位,英国皇家天文学会则授予他会员身份。

1683年,哈雷在研究开普勒第三定律的过程中发现引起吸引作用的向心力与距离的平方成反比,但是他无法证明这一点。在与胡克和雷恩讨论未果的情况下,哈雷在1684年8月赴剑桥向牛顿请教,他问牛顿“:假定行星到太阳的引力与其到太阳距离的平方成反比,行星该以怎样的曲线运动?”牛顿回答“:圆形。”哈雷十分惊喜,接着问:“你是怎么知道的?”牛顿回答:“我计算出来的。”哈雷说:“可否拿来给我看看?”可是牛顿找不到计算草稿了,但他答应哈雷再重新计算一遍,然后寄信给他。1684年11月,哈雷收到了牛顿寄来的一份标题为“论轨道物体的运动”的论文。哈雷看后深受启发,他建议牛顿把他的研究整理成书,并最终资助他将其出版。1687年,惊动世界的名著《自然哲学的数学原理》出版了,从此人们知道了“万有引力定律”,牛顿也因此成为世界著名的科学家。而哈雷呢,在牛顿万有引力定律的指引下,深入了对彗星轨道的研究。截至1695年,哈雷已经收集到24颗彗星的详尽数据,并且一个一个地在纸上画出了它们环绕太阳运行的轨道,甚至还标注了它们出现的日期。哈雷把24张图纸摆在一起,仔细地观察,他发现1531年、1607年、1682年出现在天空的3颗彗星的轨道极其相似,而且相隔的时间是75～76年。此时,哈雷灵光一闪:“这不是3颗彗星,而是同一颗彗星的3次回归!”为了证实这一猜想,他又花了很长时间,查阅了许多历史记录。果然,每过75或76年就有一次彗星出现。于是他大胆预言:这颗彗星在1682年出现以后,再过75或76年,也就是1757年底或1758年初会再次出现在天空中。哈雷把这一研究成果写成了《彗星天文学概论》,于1705年出版,这时的哈雷已经49岁,如果他能活到103岁,就能看到1758年这颗彗星再次出现。

◎哈雷彗星的轨道(蓝色)相对于其他行星的轨道(红色)

1742年1月14日,86岁高龄的哈雷感到疲倦,他喝了一杯葡萄酒,仰在椅子靠背上,静静地闭上了眼睛,停止了呼吸。时光飞快,1758年,许多天文台和天文爱好者,从年初就架起望远镜在天空寻找,一直到了1758年12月25日夜晚,一位德国人真的用望远镜发现了这颗彗星,最终这颗彗星就被命名为“哈雷彗星”。

◎哈雷彗

发现小行星

在火星和木星之间,距离太阳约2.8天文单位的区域,有一个“小行星带”,这里存在大量直径在100米以上的小行星,它们是一些形状不规则的石块,也有少量的是冰块,或是两者的混合物。小行星带上的这些小行星都在各自的轨道上运行着,有时也会发生“车祸”彼此撞得粉身碎骨。在极其偶然的情况下,有的小行星会飞到地球附近,甚至会对地球造成威胁。据科学家推测,6 500万年前的恐龙灭绝,就是一颗直径约10千米的小行星撞击地球造成的。不过,如今世界各地都有天文台对小行星进行监测,我国的紫金山天文台盱眙(xū yí)观测站就主要负责这项工作。今天我们已经能够轻松监测小行星的行踪了,但你们知道吗,在几百年前,人们为了找寻这些小行星可是费了很大的力气!

1619年,德国天文学家开普勒发表了他的《宇宙和谐论》,公布了太阳系六颗行星与太阳的距离。他用天文单位(地球到太阳的距离为1个天文单位),取约数表示,水星为0.4,金星为0.7,地球为1,火星为1.6,木星为5.2,土星为10。从这一系列数字中,开普勒发现火星和木星之间的距离过大,使得作为整体的太阳系不太和谐。他设想如果在两个行星之间,即2.8天文单位处有一颗行星,这就和谐多了。然而,这里是不是真的有一颗默默无闻的行星在运行呢?开普勒在生前并未得出结论。

◎戴维·提丢

由这样的计算可以看出,在2.8天文单位的区域里应当有一颗“未知的”行星存在。他写道:“只要我们对于行星之间的距离稍微留意一下就可以发现,在2.8天文单位的区域里一定会有行星存在,我们可以打个赌!”后来,他翻译了荷兰一位学者写的《自然的探索》,在书的最后一页,他把上面那个计算和推测也写了进去。可是,这本翻译的书出版后,很少有人对这位中学教师的见解感兴趣,认为这仅仅是数学游戏罢了。幸亏后来德国柏林天文台的台长波得看到了这本书。这位台长慧眼识珠,对这位中学教师的预见大加赞赏,并且将这个推测写进了他的大作《星空研究指南》,后来人们就将这个计算称为“提丢斯-波得定律”。

这个定律一公布,立即引起了人们的广泛关注。首先,德国天文爱好者们组成了一支“天空巡警队”,这个巡警队的任务不是抓小偷儿,而是搜寻那颗默默无闻的行星。队员们分成12组,每组负责搜寻黄道上的一个星座,这样就做到了“天网恢恢,疏而不漏”。波得也在柏林天文台组织了24名观测员进行搜索。可是,许许多多个不眠之夜过去,大家一无所获,寻找新行星的热情逐渐冷却,最终陷入冰点。

我国有一句谚语“有心栽花花不开,无心插柳柳成荫”,小行星的发现历程正应了此言。在意大利的西西里岛上有一座天文台,台长皮亚齐是一位研究恒星的专家。1801年1月1日,也就是19世纪的第一个元旦之夜,皮亚齐并没有在家中庆祝这个重大的节日,而是在茫茫星海中畅游着。他“驾驶”望远镜进入了金牛座,这里大大小小、颜色不同的星星他都了如指掌。突然,一颗星图上没有的星星出现在他眼前,他精确地测定了它的位置,并把它绘在了手边的星图上。这是不是人们苦苦寻找了28年的“未知行星”呢?皮亚齐不敢确定。第二天晚上,他再次来到天文台对这颗星星进行追踪观测,他再一次精确地测定其位置,发现这颗星在24小时之内,向西运行了4角分。第三天再看,这颗星还是在向西运行着。皮亚齐初步断定它就是一颗行星!直到1月12日,它停止不动了。再继续观测,过了12天,它又转为向东运行。啊!这是行星运行的典型特征,他立即给德国的波得写了一封信,把这一“特大喜讯”告诉了他。当这封信辗转送到波得手里时,已经是3月20日。当晚,波得到天文台按照皮亚齐提供的行星位置进行搜寻,但却无论如何也找不到。在西西里岛上的皮亚齐也同样找不到这颗行星了,它到哪儿去了?难道只是一个神秘的过客?

正在天文学家为难之际,一位24岁的德国数学家——高斯出现了。当他知道新近发现的行星又“失踪”的时候,立即给波得台长写信,告诉他:“我可以帮您找到它,只要告诉我之前对这颗行星观测获得的三次观测数据,我就能计算出它在天空的位置。”原来,高斯发明了只用三次观测数据就可以定出行星轨道的方法,还能计算出这颗行星在任何一个夜晚出现在天空的位置。皮亚齐有41天的观测数据,这足够用了。后来根据高斯的计算,皮亚奇和波得在1801年12月31日夜晚,同时在各自的望远镜里“捕捉”到了这颗新行星。此时距离首次发现它整整过去了一年。

新行星被发现后,人们将其命名为“谷神星”,在古希腊神话中,它就是室女座的保护神德墨忒尔。随后各个天文台对它进行了测量。这颗行星与太阳的平均距离是2.77天文单位,与“提丢斯-波得定律”计算出的2.8天文单位十分接近,补足了计算链条上的“空当”,寻找工作终于告一段落。可是新的问题又出现了。大家发现,这颗行星比起其他行星,实在是太小了!它的直径只有933千米,体积只有地球的1/2 500,它似乎不是人们期待已久的那颗行星,顶多只能算是“小行星”。“天空巡警队”的队员们仍旧保持着极大的热情,在晴朗的日子里彻夜不眠地“奉献”着。果然,1802年3月28日,德国一位外科医生、“天空巡警队”的队员奥伯斯又发现了第二颗小行星,起名为“智神星”,象征着神话中的智慧女神雅典娜。可是这颗行星更小了,直径只有588千米,体积不足地球的万分之一。1804年9月1日,德国的天文工作者哈丁发现了第三颗小行星,起名为“婚神星”,它的直径只有200千米。1807年3月29日,奥伯斯发现了第四颗小行星,起名叫“灶神星”,直径为501千米。此后30多年,人们未在此处再发现小行星,直到1845年12月8日,德国天文学家卡尔·路德维希·亨克终于发现了第五颗小行星——义神星。随着一颗颗小行星的发现,人们恍然大悟,原来在2.8天文单位处的轨道附近,并没有大体积的行星,有的只是一群小行星,而且人们相信这里一定还徜徉着更多的小行星,只等人们去发现。

1888年,美国青年伊斯曼创办的“柯达公司”制造出第一台“柯达照相机”,从此照相术进入人们的生活,也使天文观测跨进了一个新时代。1891年12月20日,这是研究小行星历史上一个划时代的日子,德国海德堡大学的沃尔夫教授,使用照相的方法发现了第323号小行星。从此,“照相术”大大加快了小行星的发现速度,在沃尔夫教授的一生中就有225颗小行星被发现!到了1902年,小行星的数量达到500颗。1923年,小行星的数目超过了四位数。1983年,美国的“红外天文卫星”在10个月当中就发现了11 000颗小行星。随着科技的不断发展,人类发现的小行星越来越多,发现速度越来越快。

在广阔的太阳系中,除了太阳、水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星以及它们各自的卫星以外,还有许许多多的小天体存在于2.8天文单位的小行星带以及遥远的柯伊伯带和奥尔特云中。它们默默无闻,出现在地球附近一次要很久很久,这些看似与人类不太密切的“小家伙”,身上其实藏着很多秘密。目前,人们已经派探测器到达了彗星,未来人类还会派许多探测器到更多的小行星上去考察,寻找新的矿藏。不仅如此,我们还可以在上面建造“游动天文台”,带着望远镜畅游太阳系;也可以把它们的“肚子”挖空,建造供人类居住的“小行星空间站”。这些设想听起来是不是很有趣?对于未来的小行星探索工作,你们是不是也满怀期待了呢?加油吧同学们,小行星上见!