失而复返的太阳系成员一一彗星-国立中央大学天文研究所.docVIP

失而復返的太陽系成員----彗星 陳文屏 中央大學天文所及物理系 （本篇文章原發表於「物理雙月刊」十八卷五期，1996.10， 版權屬物理雙月刊所有） 最近幾個月全世界吹起一陣彗星的熱潮，先是今年春天的時候百武彗星高傲地與群星爭輝，提供了抬頭觀看夜空的人無比的心靈饗宴。明年差不多同時間預計將有一顆更大的彗星接近地球，提供或許更美麗的景觀，屆時勢必重掀一股風潮，筆者因此忍不住當老師的習慣，把目前天文學家知道的有關彗星的種種面貌整理一番，內容著重在稍微深入的科學知識，以期讀者在觀賞天象之時除了讚嘆外在美之餘，也能欣賞一些奧妙的內在美。 彗星是最吸引人注意的天象之一，即使不附照片大家也都知道彗星長什麼樣彗星美麗而多變的面貌尤其賦予其神秘的色彩，歷史上一直以為彗星是地球空氣中的某種現象，直到1577年Tycho Brahe在觀測了他發現的彗星從不同的角度看沒有視差現象後，才證實了它們比月亮遠，不是地球上的東西。無法預知的到來與變化添加了人們對其的敬畏，也讓彗星在政治歷史的舞臺也扮演了一些角色。本文跳開這些典故趣談，而將冰冷地陳述到目前為止科學家對這種冰冷天體的瞭解，一方面把各方文獻作一整理，一方面希望與彗星有關的豐富物理與化學的現象能激發一些相關的研究興趣。 一、彗星的起源 一般相信彗星和太陽的年齡相當。形成太陽的一團雲氣因本身的重力收縮，在中央的部份溫度達到了數百萬度使足以引發熱核反應，而形成一顆恆星。另一方面由於雲氣的自持使得收縮後含在垂直於自轉軸的方向、在星球的赤道面上形成一個環星盤。星球形成後的物質噴失（恆星風）加上輻射的光與熱很快地將鄰近的物質（尤其是易揮發的物質）消散殆盡，惟有環星盤中的物質比較有機會存活，得以吸積黏聚逐漸形成行星的核心。這些行星的胚胎之後靠自己的重力吸積軌道周圍的雲氣而成為日後的行星（見圖一） 在這個原始太陽雲氣的盤面上，離中央愈近則溫度愈高，太陽系中由內到外諸行星便是循著此規律而有系統性的結構。靠中央的水星、金星有金屬及氧化物（熔點高）構成的核心﹔到了地球附近則在核心之外包覆了厚重的一層矽化物，其熔點（凝固點）比核心的物質低，因此在太陽雲氣冷卻的過程中要比核心冷得晚故而包在外層。在土星以外的區域溫度就更低了，以致熔點非常低的冰（水、甲烷、氨）也可以存活（圖二）。值得一提的是由於溫度低，氣體的逃脫速度也低，因此即使是氫、氦等輕的元素也能被核心的重力攫獲，這些宇宙中最豐富的元素因此造就了巨大的外行星。 圖一：太陽系形成的吸積模型。左邊由上而下，旋轉的雲氣中央先收縮，然後在 赤道上方形成一個扁的環星盤．吸積繼續進行，最後中央星體引燃核反應 成為一顆恆星。右邊的圖自左上順時鐘方向說明行星形成的過程﹔星際微 塵首先互相黏集，沈向環星盤的中間，彼此繼續吸聚長成如小行星般大 小，最後成為行星的困住核心。如果核心夠大還可以吸積周圍的氣體成為 行星。 圖二：天王星與海王星之間有通合的物理條件形成彗星。小的點代表彗核，在形 成以後受了外行星的受力干擾被拋離向外至歐特雲或向內而有可能成為 短週期的彗星（圖取自Chapman Brandt，由F. Reddy繪製）。 在天王星、海王星形成以後剩下的冰塊物質受到了來自木星等大行星的重力擾動被拋出太陽系，而圍繞在太陽系之外的歐特雲（0ort cloud）中。在1950年荷蘭的Jan Oort分析了19顆彗星軌道半長軸的倒數（1/a）的分佈，發現其中10個 01/aO.00005 au-1（au ，astronomical unit，是地球與太陽的平均距離，約一億五千萬公里，或 l.5X1011 m），因此他假設有一個大小約為100,000 au的雲氣。圖三給出包含了比較多樣本的1/a分佈，可以看出仍然有明顯的趨勢。由於這個假設能夠成功地解釋長週期彗星的來源，現在一般相信歐特雲可能真的存在，但大小可能只有50,000au，包含了1012個大小約一公里、形狀不規則、由冰體組成的彗星核，雖然數量多但是整個歐特雲包含的物質只有十個地球左右的質量（田四）。至於違些彗核如何進入太陽系，原來的說法是它們遊走在太陽系外圍，如果恰巧有星球經過（太陽和所有銀河系的星球都在運動，有的繞著銀河中心轉，有的有個別的運動）造成了重力擾動，便有可能進入太陽系的內圍。有的擦身而過，以雙曲線軌道又離開太陽系，有部份則被太陽的引力擄獲。因為是從外面進來的，這些彗星的軌道呈狹長的橢圓形，並且軌道面凌亂（來自.四面八方﹔見圖五），而不像諸行星由於在環星盤中挺生，因此軌道都近乎圓形、大致在一個面上、並且公轉的方向都相同。現在一般相信銀河中的巨大分子雲，尤其是銀河盤面本身的重力也是提供擾動的來源。