文/趙之珩

在太陽系里有眾多的天體,除了太陽、行星、衛(wèi)星和矮行星以外,還有數(shù)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(zhì)量小、引力小,形狀不規(guī)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(zhì)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(guī)律地在黃道12宮運行,流星雨也會在一定的日子里出現(xiàn)。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(chǎn)生了諸多聯(lián)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(fā)”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(guī)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(xiàn)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(xiàn)多次與災禍的發(fā)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(jié)構(gòu)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(shè)備早已得知彗星的成分主要是水結(jié)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(fā)現(xiàn)。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(fā)”。彗發(fā)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(fā)蒸汽和顆粒物,彗發(fā)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(fā)、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(chǎn)生了濃厚的興趣,立志在天文學領(lǐng)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(jīng)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(yè),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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(wèi)。經(jīng)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(jīng)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(xiāng)。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(fā)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(fā)現(xiàn)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?！惫渍f:“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(fā),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(shù)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(jīng)收集到24顆彗星的詳盡數(shù)據(jù),并且一個一個地在紙上畫出了它們環(huán)繞太陽運行的軌道,甚至還標注了它們出現(xiàn)的日期。哈雷把24張圖紙擺在一起,仔細地觀察,他發(fā)現(xiàn)1531年、1607年、1682年出現(xiàn)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(xiàn)。于是他大膽預言:這顆彗星在1682年出現(xiàn)以后,再過75或76年,也就是1757年底或1758年初會再次出現(xiàn)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(jīng)49歲,如果他能活到103歲,就能看到1758年這顆彗星再次出現(xiàn)。

◎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(fā)現(xiàn)了這顆彗星,最終這顆彗星就被命名為“哈雷彗星”。

◎哈雷彗

發(fā)現(xiàn)小行星

在火星和木星之間,距離太陽約2.8天文單位的區(qū)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(guī)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(fā)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(jù)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(jiān)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(jīng)能夠輕松監(jiān)測小行星的行蹤了,但你們知道嗎,在幾百年前,人們?yōu)榱苏覍み@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(fā)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(shù)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(shù)字中,開普勒發(fā)現(xiàn)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(shè)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(jié)論。

◎戴維·提丟

由這樣的計算可以看出,在2.8天文單位的區(qū)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(fā)現(xiàn),在2.8天文單位的區(qū)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?？墒?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(shù)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(guān)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(wǎng)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?？墒?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(fā)現(xiàn)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(jié)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)這顆星在24小時之內(nèi),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(xù)觀測,過了12天,它又轉(zhuǎn)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(zhuǎn)送到波得手里時,已經(jīng)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(shù)學家——高斯出現(xiàn)了。當他知道新近發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù),我就能計算出它在天空的位置?！痹瓉?高斯發(fā)明了只用三次觀測數(shù)據(jù)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(xiàn)在天空的位置。皮亞齊有41天的觀測數(shù)據(jù),這足夠用了。后來根據(jù)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(fā)現(xiàn)它整整過去了一年。

新行星被發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了。大家發(fā)現(xiàn),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”?！疤炜昭簿牎钡年爢T們?nèi)耘f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(yī)生、“天空巡警隊”的隊員奧伯斯又發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了第五顆小行星——義神星。隨著一顆顆小行星的發(fā)現(xiàn),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?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

1888年,美國青年伊斯曼創(chuàng)辦的“柯達公司”制造出第一臺“柯達照相機”,從此照相術(shù)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(fā)現(xiàn)了第323號小行星。從此,“照相術(shù)”大大加快了小行星的發(fā)現(xiàn)速度,在沃爾夫教授的一生中就有225顆小行星被發(fā)現(xiàn)!到了1902年,小行星的數(shù)量達到500顆。1923年,小行星的數(shù)目超過了四位數(shù)。1983年,美國的“紅外天文衛(wèi)星”在10個月當中就發(fā)現(xiàn)了11 000顆小行星。隨著科技的不斷發(fā)展,人類發(fā)現(xiàn)的小行星越來越多,發(fā)現(xiàn)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(wèi)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(xiàn)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(jīng)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(shè)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!