叶列宁彗星和戴森树–过去的扫把星 未来的大福星

彗星是「扫把星」吗

晴朗无云的夜里,如果运气好,或许可以看到拖着长尾巴的彗星出现在星斗之间。活在现代的我们,也许会对这象发出由衷的讚叹,数千年前的人们却有全然不同的感受。

在中国历史上,最早描述彗星的史料是在汉代马王堆帛书里,那是一些带有长条弧形的奇怪图案。在西方的中古世纪,彗星的出现往往被视为一种不好的徵兆,文字记载着许多天灾人祸和它一同出现。当时的民间迷信甚至认为,象徵利刃的彗星尾巴的指向与战争胜败有极大的关联。

人们对于未知的事物往往有恐惧感,彗星的出现自古以来就在人的心中留下很大的阴影。时至科学昌明的今日,这种影响力似乎尚未全然消除。

2011年,一颗名叫「叶列宁」(Elenin)的彗星接近地球,就有网路舆论把它的出现视为「2012年是地球末日」的前奏曲,认为「叶列宁」彗星在最靠近地球时,那条长尾巴会伴随诸多有毒物质直接影响地球,而当它位于太阳与地球中间时,更会遮蔽阳光,让地球陷入黑暗。然而,科学家们认为这样的的揣测是不可能发生的。这个彗星还没有接近地球,便在2011年8月中旬破裂消失,在网路上喧腾一时的谣言也就不攻自破了。

随着科技的进步与天文观测技术的发达,我们渐渐对彗星有一些初步的了解。这些带着长尾巴的星星,其实来自遥远的太阳系边缘,它们依着自己特定的轨道在太阳系中运行,在短暂地经过地球或太阳附近时,就有机会被我们看到。每当特别明亮的彗星出现时,对天文学家及众多「追星族」而言都是一件盛事。如果说彗星具有任何危险性,就科学的角度而言,应是它在极接近地球时,那微乎其微的碰撞机率。

76年1次的奇遇

1911年,辛亥革命成功,清廷覆灭,亚洲建立第一个民主共和国,当时有些人把它归咎于天际出现了一颗明亮的彗星─「哈雷彗星」(1P/Halley)。但西方科学家对它的来访却是满心期待,因为这个彗星曾在一个伟大理论的印证过程中,扮演相当重要的角色。

牛顿年轻时提出了重力引力定律,可以用来推导克普勒运动定律,说明太阳系中天体运行的轨道应该有特定的周期性。1705年,有一颗彗星接近地球,当时一位英国天文学家哈雷(Edmond Halley)觉得它和七十多年前曾出现的彗星应该是同一颗,因此要求牛顿把这些推论写下并加以说明,这就是影响后世科学界极深远的「自然哲学的数学原理」(Mathematical Principles of Natural Philosophy)。并因为这个原故,这个周期彗星也被命名为「哈雷彗星」。从1911年开始,「哈雷」彗星每76年便绕回到地球附近。

彗星真相追追追

由于天文观测仪器与科技不断的进步,过去近一个世纪来,科学家们透过许多实验与观测,逐步揭开彗星的神祕面纱。现在我们了解,彗星通常是一个以大小约数公里的固态「彗核」为中心,拖着两条尾巴的小天体。

彗核的主要成分可能是一些泥土和冰,依着特定的椭圆形轨道运行。当彗星接近太阳时,由于受到太阳照射加温的影响,彗核的冰也许会直接昇华成气体,并把上面的小尘埃挟带出去。这些固态的尘埃在反射太阳光后会放射出淡黄色的光芒,也就是「尘埃尾」,而发散出来的气体,所含的成分以水分子为主,其次是二氧化碳、一氧化碳、甲烷等分子。此外,这气团中有些分子会经由太阳光的电离作用形成电浆,并形成一条「离子尾」。

事实上,天文科学家们对彗星结构的认识,并非一开始就是如此完整,而是经历一连串的猜想与观测验证后建立的。1940年代,美国知名的天文科学家费列特‧威普(Fred Lawrence Whipple)教授就曾对彗核提出骯髒雪球(dirty snowball)的概念。他认为彗核基本上就像是一个「骯髒的雪球」:一团雪白的凝冰外沾了些泥土。而这个广被认同的想法一直沿用了近半世纪,才经由实际观测后被修正。

1986年,「哈雷彗星」再次造访地球。自1980年代初起,包含日本、苏俄及欧洲各先进国家都投入资源,準备观测再次出现的哈雷彗星。科学家们都期望能把握住这个将近一个世纪才有的机会,好好探测彗星的结构,不仅希望能近距离地观测,也拟定了几个利用太空船飞近彗星的观测计画。

其中,在欧洲的「乔奥图」(Giotto)计画中,太空船就创下距彗星最近距离(596公里)的历史纪录,并为人类带来第一张彗核的真实照片。透过这些影像,科学家们才发现彗核其实并非先前所设想的样子,而是个「snowy dirt ball」(沾了雪的骯髒泥球)。

在针对哈雷彗星完成了许多大型的观测计画后,科学家们再接再厉,不断加强彗星的研究,其后陆续有许多重要发现。例如在1995年观测Hale-Bopp彗星时,发现彗星带出的气流中除了泥沙和水、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等其他成分外,还有很多有机物质。这对许多太空科学的推论,特别是星球和生命的形成方面,提供了不少的佐证与思考方向。

下一站 彗星南极圈

美国在1986年进行的观测哈雷彗星计画中,虽未大有斩获,但他们把心力放在更长远的彗星和小行星探测计画上,研发必要的新技术。

自2001年的「Deep Space 1」计画起,美国科学家便着手测试能在太空中自由调整轨道的「离子推进器」,希望日后能逐步调整太空船的轨道,尽可能地接近,甚至登上小行星,并直接蒐集小行星、彗星表面的科学资料,或带回一些表面物质的标本。另一方面,他们透过名为「Deep Impact」的计画,主动地发射载具去撞击一个彗星,藉以观察埋藏在彗核表面下的物质并蒐集科学数据。

事实上,除了美国外,其他国家也同步进行各式各样的太空计画。例如欧洲的Rosetta计画就是尽可能地飞近一个彗星,并近距离环绕着它,蒐集各种资讯,且释放一个登陆器降落到彗核表面,就地进行科学实验和勘察。

「露西达」登陆器将在2014年寻觅一个稳定的地方落脚,由于彗核表面几乎没有重力,一点点彗核旋转产生的离心力便可以把登陆器推离表面,因此可能的着陆点是彗核(或小行星)的南极或北极。有如人类探索地球的地理环境,也是直到挪威探险家阿蒙森(Roald Amundsen)在1911年首次踏足南极,才算走完第一步。我们也期待有朝一日太空人可以踏足上彗核南极,开启太阳系探测和採掘宝贵资源(如稀土金属)的新页。

人类的「星」梦

当「哈雷彗星」下次接近地球时,我们并无法预测届时世界的样貌。然而,人类因梦想而伟大,许多今天的奇幻想像,在未来也许是司空见惯的常态。现今的我们已开始感受到全球变迁的许多负面影响,地球上的资源也正快速地消耗中,在把目光转向其他星球上的资源时,科学家也为人类未来移居太空提出许多想像。

美国科学家弗里曼.戴森(Freeman Dyson)就设想未来会有一种极其轻薄的板子,能漂浮在太阳或星球的外围,用以吸收太阳辐射能供给人类所需;或把彗星中间挖空,以基因改造的巨树(又称戴森树)深植其中,可供给人类所需的氧气和养分,最终甚至达到类似一种能自给自足的小型生物圈。这些看似疯狂的想像,也许随着我们对彗星或小行星的认识逐渐增加,科技日益发达进步,说不定未来真有实现的一天。

「2011科学季:未来科技狂想曲」专题演讲报导

由国科会主办的「2011科学季:未来科技狂想曲」于100年10月14日至11月25日在中正纪念堂展出,同时举办多场与本展主题相关的演讲。中央大学天文研究所叶永烜教授于100年10月15日以「叶列宁慧星(C/2010X1)和戴森树」为题发表演讲,本文为其菁华报导。

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