彗星怎么拖了个长长的尾巴?

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彗星怎么拖了个长长的尾巴?

彗星最大的特征就是那长长的尾巴,因此,在古代它也称为 ” 扫把星 “。

令人好奇的是,为什么彗星会拖着一条长长的尾巴?这个长长的尾巴,又是怎样形成的呢?

要解答这个疑问,就必须先了解彗星的结构。

彗星结构三部曲:彗头、彗发和彗尾

简单来说,彗星分为 ” 彗头 “、” 彗发 ” 和 ” 彗尾 ” 三部分。彗星头部的彗核是它的核心,由冰物质构成,因为它诞生的地方很冷。彗星接近太阳时,彗核的物质升华,在头部彗核周围形成朦胧的一团,叫做彗发。彗星挥发物质拖成一条稀薄物质流的尾巴,形状好像扫把,就叫彗尾。

ISON 彗星照片

(来源:http://i3.sinaimg.cn/IT/2013/1205/U5385P2DT20131205094233.jpg)

彗头的核心就是彗核,这也是整个彗星的核心和挥发物质的来源。一般我们认为彗核是固体,由石块、铁、尘埃及氨、甲烷、冰块组成。这也是为什么有时候我们管彗星叫 ” 脏雪球 “:” 雪 ” 说的是冻成冰的水,” 脏 ” 说的是混合了各种杂质。

彗核直径很小,从几公里到十几公里不等,最小的甚至只有几百米。彗核的平均密度为每立方厘米 1 克,它自己就占了彗星质量的 95% 以上,也可见接下来要说的其他部分是多么稀薄和 ” 缥缈 “。

彗发是彗核周围由气体和尘埃组成球状的雾,像外膜一样把彗核包裹起来,或者像是彗核周围的 ” 大气 “。不过彗发比彗核大多了,半径可达几十万公里,而平均密度小于地球大气密度的十亿亿分之一。彗发是彗核挥发出来的气体,从里向外流出来的平均速度是每秒 1-3 公里。彗发中气体的主要成分是中性分子和原子,其中有氢、羟基、氧、硫、碳、一氧化碳、氨基、氰、钠等。

实际观测中,科学家们发现有一些彗星在彗发的外面还包围着一层由氢原子组成的云,直径可以达到 100 万 -1000 万公里。这种物质被称之为 ” 彗云 ” 或 ” 氢云 “,也可以算作彗头的组成部分。不过这只是一部分彗星才有的。

彗星的大体结构(来源:http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20171211/00c06b232b7d4949b453a707f98539c3.jpeg)

我们看飞机在天空飞过,有时候就留下这样一条白色的痕迹。那么,彗星有着这么稀薄的气体,高速飞行的时候,” 尾巴 ” 是不是就是它身后的轨迹呢?其实,彗尾形成的原因并不是这么简单。

科学家为探索彗尾,都作出过哪些猜想?

科学家在不断的观察中发现,当彗星运行到太阳附近时,电离的彗尾总是背向太阳,而且离太阳越近尾巴越长。也就是说,如果它靠近太阳又飞走,此时它的飞行方向和彗尾的朝向都是远离太阳的。

1950 年左右,霍夫迈斯特(Hoffmeister)和比尔曼(Biermann)提出一种解释,认为这种现象可以用从太阳发射出的连续外流物质传递动量给彗星气体得到解释,而由此估算出的太阳粒子流动(太阳风)的速度约为 400 公里/秒。这说明:太阳粒子流动(太阳风)是一种日常的现象,而且充斥着整个空间。

不过,这并不是猜测的开始。早在 1858 年,天文观测者就发现磁暴每经过 27 天会重新出现一次。20 世纪初,对北极光和地磁活动的观测、研究发现,极光和磁暴都有 27 天重现性,这正好是我们站在地球上看太阳转了一圈的周期。

这么说来,肯定有什么东西从太阳表面的某个位置发出后,到达地球。因此,27 天后太阳转了一圈,它就又会来拜访我们。当然我们还没法计算它的速度,说不定发出来的东西只是辐射呢?

1859 年,天文学家卡灵顿(Carrington)等人先是观测到一个白光耀斑,大约两天后地球出现了很强的地磁暴。这是很奇怪的,因为耀斑辐射是电磁波,8 分钟就可以到达地球。但这种类似耀斑辐射的东西却花了两天左右的时间才到达地球,从而引起了地球磁场的扰动。这种现象是引发 ” 太阳会往外发出物质 ” 想法的开始。

艺术图:太阳向外释放物质(来源:http://n.sinaimg.cn/sinacn20114/232/w659h373/20190729/3618-iakuryx6953792.png)

20 世纪 30~40 年代,英国著名科学家查普曼(Chapman)和费拉罗(Ferraro)对磁暴和极光做了大量的研究,认为这些地球物理现象都源自射向地球的太阳粒子流。

查普曼提出一种设想:从太阳上发出的带电微粒流,冲到地球附近时,会在高空形成一个附加的电流环,从而扰乱地磁声产生磁暴。按照这个设想,太阳上应当有一个区域在不断地发射粒子流,因为太阳在自转,这个区域也应该跟着太阳一起旋转。这个区域逐渐被叫做 M 区—— M 是 ” 神秘 “(Mystery)与 ” 磁暴 “(Magneticstorm)两个词的第一个英文字母。

1932 年,Barteles 提出正是 M 区的粒子流导致了一些与耀斑没有关系的地磁暴。现在我们管 M 区叫冕洞了,它流出的正是高速太阳风。

冕洞照片(来源:http://www.people.com.cn/mediafile/pic/GQ/20151015/96/14975459038735175628.jpg)

有关于太阳风的争论,决定了彗尾的形成

人们离 ” 太阳风 ” 的想象已经如此之近,不过我们并不能肯定太阳风是一种日常的、持续不断的现象。

在 50 年代,科学权威查普曼提出了太阳周围的大气(也就是日冕)处于静止模式,这是在类比地球大气的样子。太阳日冕温度很高,其中的粒子都是完全电离的离子(主要是氢离子,也就是质子)和电子。

查普曼假定日冕及其向外延伸的气体都处于静止状态(也就是静态的粒子充斥着宇宙空间),只有热传导传递能量,太阳巨大的引力把气体向里吸,但是温度很高的气体运动引起的压力把气体往外推,双方达到了平衡。可是根据计算的太阳日冕温度,按照相应的物理规律算下来,太阳的引力可拉不住温度这么快的气体往外跑,故而理论陷入了矛盾。

在 1958 年,科学家帕克(Parker)提出了日冕超声速膨胀的理论,很好地解释了这个问题。他认为由于日冕底部的高温,日冕中存在着比较大的压强梯度力,在此作用下,太阳大气的粒子逃脱了太阳引力的束缚向外流出后,被逐渐加速并最终达到超声速,形成了太阳风。

不过,一来查普曼是学术界的权威,笃信的人很多,帕克的论文受到打压,二来也有科学家根据理论上的方程推演提出,还可以有一种情况是太阳风始终小于超声速,并起名为 ” 太阳微风 “。不过其实这种理论也遇到了方程在无穷远处的矛盾问题,不如超声速太阳风理论可靠。

实践是检验真理的唯一标准。人类航天器上天之后,就开始努力寻找太阳风及其所符合的特征。以水手二号为代表的飞船探测到长期的、持续不断的超声速太阳风粒子流,证实了太阳风的存在,也终结了查普曼和帕克关于太阳风的争论。

示意图:太阳风从太阳到地球(来源:http://n.sinaimg.cn/sinacn20114/270/w1080h790/20190729/c331-iakuryx6954126.jpg)

彗尾究竟是怎样形成的?

让我们回到彗尾的问题,在证实了太阳风的存在和特征之后,这个问题也就迎刃而解——彗尾是太阳风 ” 吹 ” 出来的彗星挥发物质,在太阳光的照射下,我们能看到明亮的结构。

彗星在远离太阳时体积其实很小,但接近太阳时,由于温度升高、挥发加剧,彗发变得越来越大,彗尾也一起变长,整个彗星体积变得十分巨大。彗尾最长可以有几亿多公里,如 1842 Ⅰ彗星的彗尾长达 3.2 亿公里,可以从太阳延伸到火星轨道。

彗尾如此巨大,地球都能从彗尾中穿过去。上百年前人们预测到这样的现象时相当惊恐,有谣言说,人类会被彗尾的毒气毒死。不过现在我们知道了,人类对这种现象一点感觉也没有。

按照形状,彗尾主要分为两大类:一类为 ” 离子彗尾 “,由离子气体组成,如一氧化碳、氢、二氧化碳、碳、氢基和其他电离的分子。这类彗尾比较直,细而长,因此又称为 ” 气体彗尾 ” 或Ⅰ型彗尾。

另一类为 ” 尘埃彗尾 “,是由微尘组成,呈黄色,是在太阳光子的辐射压力下推斥微尘而成。这种彗尾是弯曲的,其中较宽的又称为Ⅱ型彗尾,而弯曲很厉害、又短又宽的又称为 Ⅲ 型彗尾。

此外还有一种叫 ” 反常彗尾 “,彗尾是朝向太阳系方向延伸的扇状或长钉状。一般一颗彗星有两条以上的不同类型彗尾。

背向太阳的彗尾(来源:http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20171211/01a87b1459ce424fa7c94c6d605c807a.jpeg)

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