這些情況使人們不禁想起了1811年的那顆特大彗星,它們竟十分相似!那是人類曆史上所記載到的幾顆最大的彗星之一,當時,它的彗尾在太空中延伸的長度達1.6億千米,寬度竟有2.4千萬千米。即使是它的頭部,直徑也有180萬千米,體積比太陽還大1倍。

由此,馬斯頓認為,海爾—波普彗星最亮時的總亮度很可能會達到-2等。另一位天文學家認為,海爾—波普彗星的核心直徑大約為100千米—150千米,是哈雷彗星彗核直徑的5倍—10倍。由此推測,其亮度也許可達到-1等。

值得一提的是,海爾—波普彗星運行的路徑也與眾不同。在太陽係內,大多數天體的軌道平麵都與地球的軌道平麵(稱為黃道麵)靠近,運行方向也一致,而海爾—波普彗星的軌道平麵卻與地球軌道平麵幾乎相垂直(89度),自下而上地淩空突起,真可謂是“身手不凡”。由此,我們或許更可期望,當海爾—波普彗星在明年向著太陽回歸時,真的能不負眾望,大放異彩。但彗星畢竟是一些詭秘的天外“來客”,它們的形態多變,捉摸不定,到時,海爾—波普彗星究竟有多大、多亮,迄今還尚難作出定論。

然而,令人遺憾的是,當海爾—波普彗星於1997年4月1日經過近日點時,我們從地球上看去,它正處在太陽的背後。因此,那時即使它已發展成一顆雄踞太陽係內的大彗星,在那前後的若幹天內,它那優美的姿態和輝煌的光彩也將會被淹沒在白天強烈的陽光之中而黯然失色。而如果當它最靠近太陽時,正處在地球的旁側或背後(這實際上已不可能),我們也許就會在夜晚的星空中欣賞到與1811年那顆大彗星出現時相似的壯麗景象。

盡管如此,與1986年回歸的哈雷彗星和1994年撞擊木星的蘇梅克一列維9號(SL9)彗星相比較,那兩顆彗星雖然曾兩度震驚世人,但真正能親眼目睹彗星風彩的人畢竟甚少。這次先聲奪人的海爾—波普彗星來訪,或許能讓我們地球上的公眾都有幸能一飽眼福。

彗星的壽命

彗星的壽命是有限的。因為每當彗星飛近太陽時受到太陽輻射加熱而釋放出大量氣體和塵埃而形成彗尾。當彗核釋放出大量物質後就離開彗尾飄逸到行星際空間去了。隨著飄逸又接著釋放,才能保持彗尾存在,這樣,彗星每接近一次太陽,就要耗去大量物質,所以直接影響彗星壽命。以76年為周期的哈雷彗星為例,彗核每秒鍾要消耗1噸物質(按平均周期算,如果按它接近太陽的十個月計算,每秒平均要耗去100噸物質),這樣76年一周期就要消耗掉20億噸左右物質,假定它原始總質量為1000億噸至10萬億噸,那麼哈雷彗星的壽命為50至5000個周期。即哈雷彗星年齡為3800年至38萬年。一般而言,彗星的壽命為幾千個周期。但各個彗星的壽命是不等的。這與彗星上的“彗核”的化學成分及釋放消耗的速度有關。

當彗星上的冰氣化後,就隻剩下一些粉末,這些粉末在彗星表麵形成了一個外殼。1986年,人們通過探測器對“哈雷彗星”進行觀測時發現,這顆彗星的表麵覆蓋著一望無際的岩石灰塵。這種岩石外殼好像是從蒸發體上切下來的一樣。

盡管如此,彗星體內的一部分物質在每次接近太陽時都會損失掉一些。因此,彗星的壽命相對來說是比較短暫的,即使是形體巨大的彗星在成百上千次地接近太陽後都必將步入消亡。天文學家們曾對一些小型的彗星進行了觀測,發現當它們當中的一些墜入太陽後,就永遠地消失了,而另一些則自動破裂,然後也消失得無影無蹤。一些彗星隻剩下了一個岩石芯,不過,很難將它與小行星區分開來。其他一些幾乎所剩無幾。同時,氣體蒸發並分散到空間裏,塵埃微粒也伴隨著氣體蒸發而分散開來,並運動到彗星軌道中,沿軌道散開,逐漸變得稀疏,但是在彗星通常所在之處卻仍保持很密集。

1833年11月13日,地球和一個已經死亡了的彗星的塵埃雲相撞。但這一碰撞並沒給地球帶來什麼損失;相反,卻呈現出一片壯觀的景象。當時,新英格蘭上方的天空變得像放焰火一樣。無數的塵埃微粒穿過大氣層形成了線條狀,又逐漸變得像正在下落的晶瑩發亮的雪花狀,但最終還是沒能到達地麵。旁觀者們會被這種情景嚇得不知所措,他們以為天上所有的星星正在下落。啟示錄上曾寫著:“世界末日到來之際,群星將會從天而降。”於是乎,人們便認為世界末日即將來臨。轉眼到了第二天,太陽仍像往常一樣升起在天空,而第二天晚上,天空中依舊是群星璀璨。

一年中有些時候天空中的隕星數量比平時要多,但1833年卻是個例外,因而它激發了科學家們對隕星更進一步的研究。

彗星會不會撞上地球

“2126年8月14日,世界末日?”這是馬薩諸基州劍橋哈佛——史密斯天體物理學中心天文學家布萊恩·馬斯登1993年一篇文章中的開頭,他提出了斯韋夫特—塔托勒Swift-Tuttle彗星有一天將會與地球相撞的可能性。這一預言後來收回了,但這個故事具有代表性,它說明,確定遠在太陽係外空的小物體長期運動位置是一件令人害怕的問題,科學家們在麵對這類問題出現疑慮。

Swift-Tuttle彗星是近地球天體,也是其中最大的一個,直徑約10公裏,它的軌道相交叉於地球軌道。馬斯登1973年認為,1862年看到的彗星可能與耶穌會傳教士伊格拉提斯·科格勒報告的相同,後者1937年在中國北京觀察到這個物體。馬斯登預言這一巧合的物體是基於這樣的想法,即該彗星的噴發物在其繞太陽運行的途中一旦激活起來,就能使彗星輕微地改變其軌道。果真如此,馬斯登推測,這顆彗星1992年底到達,將它的運動周期預定130年。

這顆丟失的衛星是日本業餘天文學家Tsuruhiko Kiuchi1992年9月26日在Big Dipper星座中找到的,馬斯登是正確的,隻不過這顆彗星最接近太陽的時日差了17天,它離地球最近處是在17700萬公裏上空。在新近觀察的基礎上,馬斯登對這顆彗星進行了另外的計算,他注意到下一個近日點將是在2126年8月14日。不過,假定這顆彗星下次闖入太陽係內部時僅離這一標準15天,馬斯登測定,這顆彗星和地球將在十分相同的時間交叉它們的運行轉道。不必說,這一結果將是全球性的災難。

馬斯登繼續修正這個衛星的軌道,它尋找到越來越多的紀錄它的參考資料,這些紀錄差不多倒回了2000年(包括公元188年的一件也許是公元前69年的一件)。他最終發現,Swift-Tuttlle彗星軌道有些穩定,當下一次進入太陽係內層時,它將在距地球約24,135,000公裏的地方安全經過(馬斯登的軌道計算還確認Swift-Tuttlle彗星3044年會在離地球幾百萬公裏的地方運行)。

無論怎樣說,彗星與地球偶爾碰撞的後果將是災難性的。彗星的軌道常常急劇地傾向地球的軌道,有時一顆彗星甚至會從相反的方向迎麵而來。因此,彗星通常以很高的相對速度從地球旁邊經過。例如,Swift-Tuttle彗星——直徑大約為25公裏——以每秒60公裏的速度飛過。如果它與地球相撞,將造成災難性的影響。

除非撞入其它天體,否則Swift-Tuttle彗星大概將一直保持活動狀態,在經過太陽附近時放出氣體與塵埃(它還要經過太陽500次左右)。最終,揮發物質消耗殆盡,彗星逐漸消亡成一個死去的天體,與小行星沒有什麼區別了。最近的小行星中,有多達一半事實上可能就是死亡的短周期彗星。

有一顆叫做比拉的彗星,每6年—7年繞太陽運行一周。1845年出現於星空,在1846年1月天文學家看到了一個非常奇異的現象,該彗星一分為二。1852年比拉彗星出現時仍然分為兩部分,其中的一個彗尾明顯要大一些,彗尾大的這部分已經散落了。然而,1859年和1865年比拉彗星都沒有出現。很明顯彗星是由於受到太陽係其他天體的影響,改變了自己在太空中的原運行軌道。既然能由於其他星體的影響而遠離地球,當然也有可能由於其他星體的影響而與地球相撞。早在1832年時,天文學家就計算出,它與地球的距離隻有幾千公裏。

1846年比拉彗星分為兩半,單獨在各自的軌道上運行。後來,分裂開的兩部分都開始長時間的散落,並不斷地改變自己的形狀。繼而因受到木星強大引力的影響,進一步改變了自己的形狀,形成了流星雨。在1872年11月27日夜晚,歐洲許多地方都同時落下了明亮的隕星雨。在人們等待觀看彗星的地方,隕石從天而降。這場流星雨可能就是那顆不複存在的比拉彗星的一部分,化作了火雨。其實這顆彗星的破壞作用,有可能早在1872年以前就開始了。比拉彗星的另一部分哪裏去了呢?它可能在早些或晚些時間與地球相撞了,時間可能就是1871年10月。正是這個時候美國幾個州的森林、草原和城市紛紛起火,芝加哥就是被燒毀的城市之一。

芝加哥火災確實非同尋常,整個城市在那場大火中幾乎化為灰燼,1000多居民葬身火海。最初認為,火災是牛棚裏的奶牛碰翻了煤油燈引起的。但據當時的消防總隊長麥吉爾報告說,城裏的許多地方幾乎是同時起火的,而火災發生時正值白天,又沒有風。切曼貝爾寧對這段已被遺忘的曆史產生了濃厚的興趣,收集了許多詳細描寫這次大火的材料,並在火災發生後不久出版了一本專著。他這樣寫道:“看來這簡直是一場天火。城裏一片混亂,驚叫四起。火像雨一樣從天而降,燃燒著的石頭像熊熊大火中飛落的木頭一樣,從天上落到擁擠的人群中。無論是步行的、騎馬的、坐車的,都無一幸免。”火災發生的當天正是星期天,傍晚當芝加哥已被燒成廢墟時,鄰近的幾座城市也處在烈火中。更令人費解的是,在喪生的人群中,有幾百人並沒在城中喪命,而是死在城郊。很明顯,人們是為了逃命而衝出火海的,可是他們為什麼到了城郊也沒有逃脫這場災難呢?而且這些人的屍體和衣服上沒有一點燒傷的痕跡?是什麼引起了這場大火呢?最有可能是隕星雨引起的。隕星雨撞擊時產生了大量亞硫酸和硝酸化合物,由此使那些逃到城外的人窒息死亡。

隨著越來越多的新彗星被人們發現,尤其是1993年3月“蘇梅克——列維9號”彗星被發現後僅幾個月,它就與木星發生了天崩地裂的相撞的事實,迫使科學家們不得不麵對一個嚴峻的問題:那些新發現的彗星與地球碰撞的可能性有多大?地球會不會突然遭遇“彗木相撞”那樣的大災難?這樣的相撞不要多,隻要有一次,就足以毀滅地球上的全部生命。

據估計,那些進入太陽係內層並有地球交叉軌道的長期彗星與地球相撞的可能性最小。畢竟,這些彗星沿拋物線軌道運行時,行的是單道,拋擲這樣的彗星恰好擊中地球的可能性極小。最大的擔憂在短期和中期彗星上,這些小天體進入太陽係的次數遠比長期彗星多(尤其是受木星引力作用的短期彗星),使得它們有很多的機會產生問題,它們最有可能碰撞太陽係裏的行星和衛星,地球當然也在目標之列。

據估計,我們所知道的彗星中,隻有10%的短期彗星和50%的中期彗星的軌道是與地球軌道交叉的。既然真實的彗星數目目前仍是未知的,彗地相撞的可能性也隻是猜測而已。

對地球來說,每年發生小行星和彗星相撞的可能性為五十萬分之一,今後100年發生碰撞的可能性為十萬分之一,人的一生中受到撞擊的可能性為二十萬分之一。

1908年,一顆不太大的彗核以每秒35—40公裏的速度闖入西伯利亞通古斯地區上空,引起相當於400萬噸TNT炸藥,即相當於200顆投向廣島的原子彈的爆炸,幾百平方公裏的森林被夷為平地。這次碰撞產生的亮光,在北半球許多地區上空持續了2—3天。英國布裏斯托爾市的居民,借著這種亮光徹夜打板球。

1910年,一位天文學家通過計算預言,哈雷彗星這年5月回歸時,將與地球相撞,他在宣告“世界末日到了”之後,便自殺了。他的計算是準確的,隻是由於地球是從哈雷彗星的彗發中通過的,沒有撞上彗核,才得以安然無恙。

從下一節對“彗木相撞”的詳細介紹中我們可以看出,天文學家們對於“禍從天降”的擔憂並非是杞人憂天。

彗木相撞

意外的發現

1993年3月23日午夜,已觀測彗星和小行星二十多年的尤金·蘇梅克和他的妻子卡羅林·蘇梅克(她已發現28顆彗星,為全球之冠),以及業餘天文愛好者戴維·列維,在加利福尼亞帕洛馬山天文台用30厘米天文望遠鏡對準木星方向,由於僅剩的幾張攝影膠片已經略微曝光,拍攝效果難以保證,蘇梅克夫婦隨意地拍攝了幾張照片。

可是,當膠片衝洗出來後,在立體顯微鏡下,卡羅林驚奇地發現,在靠近木星的一個區域內,有一個以暗淡線條形式出現、帶有致密尾部的獨特串狀天體,像是一顆壓扁了的彗星。她把兩位合作者也叫來鑒別。1小時後,列維通過計算機網絡,向國際天文聯合會天文電報局負責人馬斯登發去電子郵件,要求確認這一發現。同時,他還給亞利桑那大學天文學家斯科特打電話,要他也進行觀測。斯科特也觀測到同樣的圖像。15分鍾後,他們再次通電話時,確認那是一顆彗星。斯科特又給馬斯登寫信,確認蘇梅克夫婦和列維是這顆獨特彗星的發現者。

命名為“蘇梅克—列維9”(SL9)號的這顆彗星,是在幾十年前被木星的引力捕獲而進入繞木星運行的軌道的。直徑約10公裏,質量約5000億噸。1992年7月8日,當它運行到近木點時(距木星表麵11萬多公裏),由於受到木星引力作用產生的潮汐力的作用,被撕裂瓦解成6個大塊、15個中塊和一些小碎片。最大者直徑約4000米,平均直徑2000米。

1993年5月22日,美國哈佛·史密森天體物理中心的天文學家馬爾登斯等人,預告“SL9”號彗星正處在將與木星相撞的軌道上。這是人類第一次對彗星撞擊行星做出的科學預報。通過後來實測證明,他們的預測相撞時間和能量當量是相當準確的。這無疑是對天文學方麵的重大貢獻。這次彗木相撞相當於十萬億噸TNT炸藥。相當於1945年美國投向日本廣島的原子彈的威力的5億倍。為了紀念發現這顆彗星——罕見之星的發現者,故將此彗星起名為蘇梅克—列維9號彗星。這顆彗星及它的發現者的名字將永載史冊。該彗星在木星的巨大引力下撕成的21塊碎片,為觀察方便起見,按其次序分別編號為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q、R、S、T、W。

木星是太陽係的最大行星。它的直徑是地球的11倍,體積是地球的1300多倍,質量是地球的318倍,是其他8大行星質量總和的2.5倍,因此,有著巨大的重力吸引力。木星每9小時56分鍾自轉一圈,繞太陽公轉一周需要11.86年。

由於木星的巨大質量和重力,連最輕的元素也不容易逃脫它的引力,較多的保留了原有的成分,是太陽係中最原始的行星。它是研究太陽係行星的起源和地球初始組成的最好對象。

木星沒有固體表麵,在大氣層之下是液體木星幔。那是在巨大的壓力下,氫變成液體形成的。木星幔分兩層,上層厚約7萬公裏,為液態氫分子;下層厚4.6萬公裏,內部壓力在300萬個大氣壓以上,溫度1.1萬K,氫處於液態金屬氫狀態,氫分子離解為獨立的氫原子。液體氫旋轉不息的流動,使木星具有強大的磁場。

爭睹奇觀

許多人認為重大的宇宙碰撞不可能發生於今日,這種概率實在太小了。這種看法已經被證明是錯誤的,重大碰撞居然真的發生了,幸而被撞的是木星。

全世界數以千計的天文學家,早就摩拳擦掌,廢寢忘食地等待這次撞擊,都想在這個千載難逢的天文大事件的觀測中有所建樹。他們在全球的100多家天文台中,用各種望遠鏡嚴密地進行監視,其中1米口徑以上的天文望遠鏡達30多架。參與觀測的著名天文台有美國基特峰、帕洛馬山、夏威夷天文台,歐洲南方天文台,澳大利亞賽丁泉天文台,我國的北京、紫金山、上海、雲南天文台等。唯一的“柯伊伯”飛機天文台也參與了觀測。

參與觀測的航天器至少有6個。它們是國際紫外線探測器、國際遠紫外探測器、國際紅外線探測器、“克萊門坦”探測器、“哈勃”太空望遠鏡和“伽利略”號木星探測器。還有火箭發射的專門儀器、“旅行者2號”探測器和正在軌道上飛行的“哥倫比亞”號航天飛機上的航天員,也進行了觀測。但這裏麵最重要的觀察者卻是“伽利略號”宇宙飛船,它與木星的距離隻有246億公裏,小於地—木距離的1/3。另外,每次撞擊發生在木星進入地球視野前10分鍾,所以“伽利略號”才是真正的惟一目擊者。

“這是一場精彩的壓軸戲。從幾個方麵看,我都希望這次彗木相撞能以一次大爆炸告終,結果天遂人願。”這是一位天文學家對最後一次撞擊的觀測心境的描述。可以看出,科學家們對這次撞擊的觀測是相當滿意的,通過光學和射電觀測,取得了具有重大科學價值的全新發現。

科學家們對這次撞擊的主要興趣是,希望通過這次“撥弄”,提供有關木星大氣層化學成分以及木星整體構造的新信息。一般認為,彗星是由氣體、冰和塵埃組成的。科學家希望看到,在撞擊過程中,彗星表麵附著的塵埃脫離後,會露出彗核來。

撞擊的閃光和低分貝“轟鳴”、電磁波等射電現象,為科學家送來了有關木星大氣層的很多信息,他們已發現了鈉、硫、氨、硫化氫、氰化氫以及少量的水。但暫時還分不清哪些來自彗星,哪些來自木星大氣層,哪些是撞擊時的火球產生的。一些科學家認為,撞擊時升起的火球,主要包含著彗星的物質,而不是木星內部物質。不過,科學家已發現木星上有水存在的證據。

觀測的成功,關鍵是對彗星碎片運行軌道作出了準確的預報,相撞的時間,預報與實測隻相差5分鍾—10分鍾。

已經獲得的觀測資料,需要經過很長時間的分析和研究。在撞擊效應的持續時間內,還要繼續進行觀測。同時,對7月27日到9月22日“SL9”小碎片後續撞擊的直接觀測(撞擊點已麵向地球),還可進一步獲得大量資料。通過觀測撞擊產生的暗斑是如何消失的,有可能獲得更多的有關木星的氣候和風速、風向的信息。通過從木星核反彈回來的撞擊震波的研究,有希望獲得木星內部是否存在金屬氫的信息。金屬氫是在400萬個大氣壓力下形成的超致密金屬,這隻有在木星這樣巨大的行星內部才有可能發生。金屬氫可做為宇宙飛船和核聚變電站的燃料。

驚心動魄的相撞

1994年7月16日,蘇梅克—列維9號彗星的第一塊碎片,以每秒60公裏的速度(相當於每小時13.4萬英裏)進入木星的同溫層。幾秒鍾以後,它爆炸了。一束羽毛狀的、因受衝擊而被加熱的彗星物質,混合著來自木星大氣的高溫氣體形成煙柱,扶搖直上,高過木星上層雲達3000公裏以上。

這些羽狀物質重新墜回木星同溫層後,沿著彗星的進路,留下一個巨大的新月狀黑斑,由一塊體積略小的巨大黑雲部分圍繞著。

兩天以後,被認為是最大的彗星碎片G以如此巨大的力量衝擊木星,以致所形成的羽狀煙柱從某些觀察波段看來,竟比木星本身要亮出50倍。最後一塊碎塊(W)在7月22日16時過後不久撞擊木星。

在6天的時間內,綿延500萬公裏的“SL9”21塊碎塊,相繼先飛過木星南極,再撞擊木星南緯44度—45度地區。在經過木星大氣平流層時,溫度急劇升高到3萬攝氏度,周圍的大氣被加熱到3.4萬攝氏度。在7秒鍾內在木星大氣層中穿行400公裏,發生爆裂,彗星物質分裂成單個分子和原子。五彩繽紛的蘑菇雲上升至千公裏高空,出現直徑千百公裏的大火球(熾熱的高溫衝擊波),持續時間1—2分鍾。然後向四周擴散並冷卻,一般10多分鍾後在木星表麵形成上萬公裏直徑的暗斑(有說是升起的氣體雲團,有說是木星上層大氣的窟窿),有的比木星大紅斑還大,達3萬公裏,是地球體積的3倍,幾十小時甚至幾個月才能消退。有的科學家預計,爆炸後隨氣體上升的塵埃,可能形成一個新的木星環。

“我們看見一個火球,一個巨大的被加熱到超高溫度的氣泡,從木星的一側冉冉上升”,“它真是太亮了”。這是一位天文學家目睹的撞擊奇觀。

撞擊時產生了巨大的閃光。如最後一塊碎塊撞擊閃光的亮度,是木星南極極冠亮度的400倍。但由於距離遙遠(距地球7.7億公裏),在地球上看到的閃光,隻相當於幾公裏之外的一支燭光一亮。而且,由於撞擊點在背向地球的一麵,除“伽利略”號木星探測器之外,地麵上隻能觀察到木星的衛星和木星環的反射閃光。撞擊後1.5小時,通過木星的自轉,撞擊點才進入地球人類的視域。約每隔10小時可以看到一次撞擊點的情況。

撞擊時,每塊碎塊釋放的能量,原來估計相當於10億噸TNT的能量,相當於10萬顆投向廣島的原子彈,比目前最大的氫彈大1萬倍。實際上,直徑2公裏以上的碎塊,撞擊木星的爆炸能量相當於3億—5億顆廣島原子彈或3000萬—5000萬顆氫彈。蘇梅克博士認為,撞擊釋放的總能量,相當於40萬億噸TNT爆炸的能量。

在撞擊前的一段時間內,通過木衛二附近的磁場發出10億千瓦的強電磁波,比平時強9倍;撞擊時發出的電磁波有多種頻率;撞擊後的電磁波是從蘑菇雲發出的,這是因為撞擊爆炸導致帶電粒子混合物的形成,它們在隨木星磁場旋轉時,發出強大的無線電信號。業餘監聽的英國中學生監聽到了這些信號。

人們觀察到,第15號(G)碎塊撞擊時,在木星上產生了一個活動半徑4000公裏的人耳聽不見的低分貝震波(轟鳴)。由於聲音在氫氣中的傳播速度比在空氣中快兩倍,這種轟鳴以約每秒734米的速度前進。

這次撞擊的情況,許多都在意料之中,但也有使天文學家為之困惑的意外情況。如第14號(H)碎塊的撞擊,原本預料會產生巨大的衝擊力,出現最壯觀的景象。結果撞擊的閃光隻持續了10分鍾,幾小時後,在木星表麵留下的暗斑就消失得無影無蹤了。再如,在被撞擊攪動的木星大氣中,發現了大量的硫磺物質,這也是沒有預料到的。

許多科學家認為,撞擊時的爆炸發生在木星大氣層的上端,下端的稠密大氣層可能沒受什麼影響。但撞擊對木星造成的創傷相當嚴重,使原來的木紋型雲層變亂,局部雲帶流速加快。