彗星的運動
正文
中國對彗星的觀測和研究已有四千多年的歷史，擁有世界上最早、最完整的彗星記錄。特別是十七世紀望遠鏡發明以前，中國的資料具有極高的權威。古希臘哲學家亞里士多德曾將彗星誤認為是大氣中的一種燃燒現象。這種看法在歐洲流傳了十幾個世紀，直到十六世紀第谷測定彗星離地球要比月球遠很多之後，才被徹底推翻。但是，遠在第谷之前，中國對彗星早已有比較正確的認識。《晉書·天文志》記載：“彗體無光，傅日而為光，故夕見則東指，晨見則西指。在日南北，皆隨日光而指。頓挫其芒，或長或短……”對哈雷彗星的記錄也以中國為最早、最完整。《淮南子·兵略訓》：“武王伐紂，東面而迎歲，至汜而水，至共頭而墜，彗星出，而授殷人其柄。”這可能是對公元前1057年哈雷彗星回歸的記述。彗星運動的特點 與大行星的運動相比，彗星的運動有顯著的特點。大行星都在黃道面附近沿著較圓的軌道自西向東繞太陽運行。彗星則不然，既有自西向東順行的，也有南北向垂直走的，還有象哈雷彗星那樣逆行的，運動方向各不相同。除了運行於木星和土星之間的施瓦斯曼－瓦赫曼彗星和運行於火星和木星之間的奧特瑪彗星等少量彗星外，其餘都沿著很扁的橢圓和接近於拋物線的雙曲線繞太陽運行。橢圓運動的周期差別很大，短的象恩克彗星只有三年多，長的則可達幾千年甚至上萬年。它們的近日距也差別懸殊，從千分之幾個天文單位起，到五、六個乃至近百個天文單位。長周期彗星的近日距一般都比較小，如彗星1887Ⅰ的近日點離太陽表面不到1/5個太陽半徑,只要三個小時它就從太陽的一側走到另一側，黃經改變180°。又如彗星1843I，它過近日點時,以每秒550公里的高速在日面上空13萬公里處掠過，一天之內繞太陽轉292°，然後用513年的時間來度過餘下的68°。
除了那些經過仔細研究的短周期彗星外，多數彗星是不速之客。它們常常出人意料地出現，多則一年可以看到10顆（如1948年）,少則一年內1顆也沒有。而且只有它們走到近日點附近時，才被太陽照射和激發得足夠明亮，因此可觀測的時間往往很短。例如1901年出現的格里格彗星只有12天的可觀測時間。一般來說，僅依據對彗星一次過近日點的觀測所確定的軌道是很不可靠的。幾個軌道要素中，半長軸a 尤其難定。有時軌道到底是橢圓型還是雙曲型也難於判斷。1680年出現過一顆周期彗星,開始歐拉算出它的周期是170年，後來哈雷又算得周期為575年,最後恩克利用較多的觀測數據定出它的周期應是8,814年。
彗星運動的理論 通常用來研究行星運動的攝動理論總是假定軌道的偏心率和傾角很小，因此，它們只能用來研究少數短周期彗星的運動。1856年，漢森把接近於拋物線的扁橢圓分為內外兩部分，每一部分引進一個部分近點角，從而將用於行星攝動的漢森方法改造成適合於計算周期彗星攝動的分析方法。這個方法曾被成功地用於研究恩克彗星的運動。
由於用分析方法研究彗星運動遇到各種困難，人們開始採用數值方法。二十世紀初，科威耳和克洛梅林為了預報哈雷彗星的歸來，用數值方法直接積分直角坐標的運動方程，得出一系列時刻的彗星坐標值，從而完全擺脫了軌道這個概念的約束。與此相似，恩克也曾提出過一種方法：先以中間軌道作為參考，然後在直角坐標系內計算彗星對於中間軌道的偏離。這種方法用來研究短周期彗星非常方便，特別適用於研究彗星在近日點前後的運動。這兩種方法基本上奠定了天體力學數值方法的基礎。
除太陽引力外，影響彗星運動的因素還有來自各大行星的引力。對於那些周期為幾年到幾十年的短周期彗星來說，木星的影響尤為顯著。例如，1889年布魯克斯彗星接近木星，在木星上空1.28個木星半徑處掠過，兩天內竟繞木星轉了313°,結果使它繞日公轉的周期由原來的29年變為7年。另一個有趣的例子是沃爾夫彗星,它的近日距是2.5天文單位，1875年它接近木星,在木星的強烈攝動下近日距縮短到原來的3/5;經過47年後再次接近木星時，同木星的相對位置恰與1875年相反，結果在木星的吸引下它又回到了1875年以前的運動狀態，出現了天文史上罕見的巧事。木星的影響如此之大，常使一些彗星在它的鄰近通過後軌道完全改變，以致往往使人懷疑,這究竟是不是同一顆彗星。為了研究這個問題,拉普拉斯提出了作用球（見作用範圍）的概念。彗星位於球外時,研究它相對於太陽的運動；彗星位於球內時,則研究它相對於木星的運動。而且常把這兩個運動作為限制性三體問題來處理，並用雅可比積分作為判據，來判斷是否同一彗星，這就是著名的拉普拉斯判據。彗星奇特的運動狀態不禁使人認為:它們原非太陽系的成員,而是被太陽系天體所俘獲的宇宙過客。龐加萊、K.史瓦西等人的研究否定了這種看法。他們指出：任何沿雙曲線或拋物線軌道闖入太陽系的天體，儘管由於木星等天體的攝動，可能一時取得橢圓型軌道而留在太陽系，但這必定是暫時的，它們終將重新恢復雙曲線型或拋物線型軌道，遠離太陽而去。
十九世紀初，恩克在研究那顆後來以他的名字命名的彗星的過程中，發現這顆彗星的周期不斷縮短，差不多平均每世紀縮短2.5天,而且這種變化是不均勻的。以後又在別的彗星的運動中發現了類似的現象。這些現象暗示：彗星除了受到太陽和行星的吸引外，還受到某種非引力作用的影響。觀測表明：這種非引力作用主要是彗核在太陽光激發下不斷拋出物質。例如，恩克彗星每轉一圈,質量要損失1/500，半徑要縮短4公里。而且,隨著拋射速度的大小和方向的不同，軌道所受到的影響也不同：向後方拋射使軌道周期變長，軌道變扁；向前方拋射效果正好相反。恩克彗星屬於後一類型。被拋射的物質在太陽輻射壓的作用下形成各種美麗的彗尾。
彗星不僅不斷拋射物質，而且彗核分裂成幾塊甚至完全瓦解的情況也屢見不鮮，特別是那種近日距小的彗星。比拉彗星就是一例：早在1772年就有了關於這顆彗星的記錄。1845年11月人們發現彗核上有一個突出部，兩個多月後這顆彗星就分裂成了兩顆，並逐漸遠離。以後,儘管天文學家進行了精心的計算和細緻的觀測,可再也沒能找到它的蹤影。使人驚奇的是，在它原來的軌道上留下了燦爛的流星雨──仙女座流星雨。其實在比拉彗星解體前，它拋射出的物質已在逐漸形成流星群。以後的觀測表明：比拉彗星的流星物質在逐漸地、均勻地散布在它的全部軌道上。這類彗星的運動把天體力學的研究內容從質點、剛體的運動延伸到物質的拋射、分裂、解體以及瀰漫物質的運動、環帶的形成、動力結構與動力演化等等。因此，彗星的研究成為天體演化研究中不可缺少的一個方面。
