在太阳系中有那么有那么一类特殊的小天体，它们本身不发光，一旦接近太阳时，亮度会突然增加，并且产生一条长长的尾巴，从天空中一扫而过，这类天体就是彗星。本文将从多个角度对彗星进行详细介绍，包括我国历史上对彗星的观测、结构、组成成分、轨道、分类、活动性产生机制等。

1.观测历史

一提到彗星，最出名的莫过于哈雷彗星，而最早记载哈雷彗星的，恰恰是我们中国人。《淮南子·兵略训》记录公元前1057年武王伐纣的内容时，提到过“彗星出”。《春秋》上的“秋七月，有星孛于北斗”，记录于公元前613年。但是这两个记载太短暂，并未得到学界的认可。目前公认的对哈雷彗星最早的记载是《史记·始皇本纪》，公元前240年，“彗星出东方，见北方，五月见西方。...彗星复见西方十六日”，此后一直到1910年，哈雷彗星共出现29次，76年为周期，每次均有记载。其他比较著名的彗星还有海尔-波普彗星，它是1975年以来看到的最亮的彗星，根据哈勃望远镜的观测，这颗彗星的直径达到了40~80km，是一颗大型彗星。海尔波普彗星会在两千多年后再次回归，轨道近日点0.914AU，远日点370AU，轨道形状非常细长，偏心率高达0.99。

海尔波普彗星（海尔波普彗星多少年回归一次）

1986年Giotto探测器近距离拍摄到的哈雷彗星

Hale-Bopp(海尔-波普）彗星

2.彗星的结构以及组成成分

那么太阳系中的彗星，究竟是什么？在我看来，从某种意义上来讲，彗星和小行星其实都差不多，都是围绕太阳运转的石头，但是彗星内部或者表面通常含有大量的水冰、有机物等，这就导致了彗星在接近近日点的时候，水冰会挥发，大量气体分子会逃逸，从而产生彗星两个广为人知的特征：一个是慧发（coma），另一个是慧尾（tail）。其实彗星的结构要比我们用肉眼看到的复杂一些，如下图所示，除了常见的慧核、慧发，实际上慧尾有两条，一个是由气体和等离子体组成的气体尾（gastail），另一个是由尘埃组成的尘埃尾（dusttail），其中，气体尾背向太阳方向，尘埃尾与运动方向相反，有的彗星还会有氢气包层（hydrodenenvolope）。

彗星的结构：(a)慧核(b)慧发(c)气体/等离子慧尾(d)尘埃尾(e)氢包层(f)运动方向(g)太阳方向

2.1慧核

固态慧核是由岩石、尘埃、水冰，以及固态二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氨等组成的混合物，因此经常被形容为“脏雪球”。2015年7月，深度撞击号探测器（DeepImpact）对彗星9P/Tempel1进行了撞击，发现慧核表面的有机物形成了冰晶，就像一个炸冰激凌。慧核的表面通常比较干燥，覆盖着尘埃岩石等颗粒物，表明水冰可能埋在地表以下。除了气体之外，慧核还含有多种有机物，比如甲醇、氰化氢、甲醛、乙醇、乙烷，也许还有更复杂的分子，如长链碳氢化合物和氨基酸。

2009年的星尘号探测器（Stardustmission）收集的彗星尘埃中，证实了氨基酸的存在。此外，对地球上发现的陨石的研究表明，小行星和彗星上可能已经形成了DNA和RNA成分（腺嘌呤、鸟嘌呤和相关有机分子）。水冰、有机物、氨基酸、DNA/RNA成分，这不得不使我们联想到，地球上的生命极有可能来自于彗星或者小行星。

慧核的反照率非常低，Giotto探测器得到哈雷彗星的反照率只有0.04，也就是照射到表面的太阳光只有4%反射到太空中，深空1号（DeepSpace1）探测到Borrelly的反照率为0.03。慧发的存在使得慧核真实大小的测定比较困难，比如上面提到的海尔-波普彗星，直径在40~80km，彗星322P/SOHO大约100~200米，而目前发现的史上最大的彗星C/2014UN271（又名贝尔纳迪内利-伯恩斯坦彗星）的直径据推测在100~370km之间，并且每300万年回归一次。目前获得的慧核平均密度在0.6g/cm3。由于慧核质量较小，与小行星一样，呈不规则形状。

研究表明大约6%的近地小行星是彗星失去活动性后的残留天体。欧空局的Rosetta探测器对彗星67P/Churyumov–Gerasimenko进行了长时间的近距离探测，并释放了着陆器Philae，在慧核表面发现了六种有机物，其中四种是首次在彗星上发现。

深度撞击号探测器与彗星9P/Temple1撞击

2.2慧发

在太阳辐射下，慧核喷发出大量的水、气体、尘埃等物质，并在其周围形成了一个“大气层”，这就是慧发。当彗星距离太阳3~4个天文单位时，慧发中水的比例可以高达百分之九十。有意思的是，虽然慧核体积较小，大多数不超过六十公里，但慧发的体积可能非常大，能达到几千公里到几百万公里，有的彗星慧发甚至可以比太阳还大！比如说彗星17P/Holmes，在2007年的喷发活动中，产生的慧发直径超过了太阳。再比如1811大彗星（C/1811F1）其产生的慧发直径也和太阳大小相当。虽然慧发直径较大，但在其接近到太阳大约1.5天文单位时，太阳风便可能将慧发中的尘埃、气体等物质吹走，形成长长的尾巴。天文学家曾经观测到彗星的等离子体尾（iontail）可以长达1个天文单位，也就是1.5亿千米。

2007年11月4日拍摄的彗星17P/Holmes，包括其慧发和淡蓝色的慧尾，其慧发体积甚至比太阳还大

彗星进入内太阳系后，慧发和慧尾均被太阳照射，其中的尘埃粒子会反射太阳光，气体分子则在太阳辐射作用下发生电离而发光。而当彗星足够接近太阳时，可能会突然爆发出大量的气体和尘埃，从而使慧发变得异常巨大，如前面所说的Holmes彗星。1995年，天文学家还在彗星中发现了X-射线。X射线是由彗星和太阳风之间的相互作用产生的：当高电荷的太阳风离子飞过彗星大气层时，它们会与彗星原子和分子发生碰撞，从原子中“窃取”一个或多个电子，这一过程称为“电荷交换”。电子与太阳风离子的这种交换或转移之后，通过发射X射线和远紫外光子将其变回为离子的基态。

2.3慧尾

由于彗星体积较小，在太阳系外层的时候，很难通过望远镜将其探测到。哈勃望远镜曾经探测并统计过柯伊伯带（KuiperBelt）中的未产生活动性的彗星，但这些探测受到了诸多天文学家的质疑。当彗星接近太阳系内部时，太阳辐射导致彗星上的挥发性物质蒸发并离开慧核表面，同时带动尘埃颗粒也离开慧核表面，形成慧尾。

如前所述，气体和尘埃可以形成两条不同的慧尾，指向不同的方向。尘埃离开彗星表面后会沿着一条弯曲的路径并且背向彗星运动方向运动，形成尘埃尾，又叫TypeIItail。而气体和等离子体则总是指向太阳的反方向，这是因为气体比尘埃更容易受到太阳风的影响，使得它们更趋向于沿着磁场线运动，从而形成气体尾。此外，在某些情况下，例如当地球穿过彗星轨道平面时，可能会看到指向与尘埃或者粒子尾相反的反向慧尾。

反向慧尾的发现对于太阳风的研究具有重大意义。离子尾（iontail）是由太阳紫外线对慧发中的粒子电离而形成，一旦粒子被电离，它们就会获得正电荷，从而在慧尾周围产生“感应磁层”，这样一来，彗星以及感应磁层会对入射来得太阳太阳风粒子形成阻碍。因为彗星和太阳风的相对轨道速度是超音速的，所以在彗星的上游沿太阳风的流动方向形成弓形激波。在这种弓形激波中，大量彗星离子（称为“拾取离子”）聚集并用等离子体“加载”太阳磁场，使得场线“悬垂”在彗星周围形成离子尾。

慧尾示意图

2.4喷流（Jets）

慧核的不均匀受热会导致新的气体从慧核表面溢出，就像间歇泉一样。这些气体流和尘埃流会使得慧核加速旋转，甚至碎裂。对彗星Hartley2的红外成像显示喷流可以携带尘埃颗粒进入慧发中

对彗星103P/Hartley喷流的观测图像