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分类: 理工学科
解析:
1994-7-16发生的事件:彗星撞击木星
简介:
1994年7月16日至22日,一颗命名为苏梅克-列维9号的彗星断裂成21个碎块(其中最大的一块宽约4公里),以每秒60公里的速度连珠炮一般向木星撞去。这次慧木相撞使天文学家们激动不已,它可能是望远镜发明以来--甚至是望远镜发明以前的很长时间以来--人类所能观察到的第一次大规模天体相撞。科学家们计算,在太阳系中,像这次彗木相撞的天文奇观大约要隔数百万年乃至上千万年才会出现一次,它为人类更深刻地了解宇宙的奥秘,揭示地球上生命的起源及进化(如对恐龙的灭绝的争论)提供了千载难逢的机会。
“不速之客”的发现和到来
这颗彗星是美国天文学家尤金·苏梅克和卡罗琳·苏梅克夫妇以及天文爱好者戴维·列维1993年3月24日利用美国加州帕洛玛天文台的46厘米天文望远镜发现的,故以他们的姓氏命名。根据对其运行轨道进行的计算,这颗彗星曾于1992年7月8日运行到距木星表面仅4万公里的位置。由于受木星引力的影响,慧核断裂成21个可反光的碎块,远远望去像是一串光彩夺目的珍珠悬挂在茫茫宇宙中。
天文学家们推测,这颗彗星环绕木星运行也许已经有一个多世纪了,由于它距离地球太遥远和亮度太暗淡而久久未被发现。它开始时可能只是一颗从外层空间进入太阳系的普通彗星。据目前推测,太阳系外围有一个由数十亿颗彗星构成的彗星带。可能是由于过往星体产生的引力摄动的原因,不时有一些彗星脱离彗星带而进入太阳系。有的彗星像匆匆过客,只是从太阳系掠过,然后再回到外层空间,有的彗星则像哈雷彗星一样被吸进太阳系轨道作周期性运行。苏梅克--列维9号彗星显然就是被木星轨道捕捉住的一位“不速之客”。
苏梅克--列维9号彗星与木星相撞的撞击点正好在相对于地球的背面阴暗处,人们在地球上无法直接观察到撞击情况。但是木星周围有16颗卫星和两道暗淡的光环,科学家们可以观察到撞击对木星的卫星和光环产生的反光效应。此外,木星的自转周期为9小时56分钟,众多的撞击点可以随着木星的快速自转运行到面对地球的位置,使人类每隔20分钟左右就能观察到撞击后出现的蘑菇状烟云和其他效应。
一次意外的收获
众多设备中离木星最近的一个是伽利略号木星探测器。慧木相撞时,它正处于距木星约2亿公里的位置。该探测器原定于1986年5月由美国航天飞机带入太空发射,由于“挑战者”号1986年初升空后爆炸,致使原计划推迟到1989年10月。美国字航局对其发射方式也作了相应调整,采取了大迂回方式,即首先让它朝着太阳的方向飞去,途中接近金星,受金星的影响而加速,然后飞回地球附近,靠地球加速再飞入前往木星的轨道。这种方式需要花6年时间让其到达木星附近。正是由于该探测器发射计划和方式的变更,才使人类获得了一次原先没有料到的观测手段。伽利略号探测器上装有CCD照相机、紫外线分光仪、等离子体检测器、磁强针等先进的观测设备,能对木星发出的各种光、对撞无线电波和尘埃环境等进行测量并作详尽的记录。
彗星“亲吻”过后
苏梅克--列维9号彗星的第一块含有岩石和冰块碎片于格林尼治时间7月16日20时15分以每小时21万公里的速度落入木星大气层,释放出相当于2000亿吨TNT炸药的能量。撞击后产生的多个火球绵延近1000公里,发出强光。人们通过天文望远镜,看到木星表面升腾起宽阔的尘云,高温气体直冲至1000公里的高度,并在木星上留下了如地球大小的撞击痕迹。科学家们测定在慧木相撞前的一段时间内,木星发出的强电磁波比平时强9倍,撞击时溅落点温度瞬间上升到上万摄氏度。
木星是太阳系9大行星中位居中间而且又是最大的一个星球。它的半径为71300公里,比地球大11倍;体积是地球的1316倍,重量是地球的318倍,相当于其他8大行星总质量的2.5倍。但木星的密度仅为地球的1/4,这说明木星表面有深而广的海洋,海洋上面有一个厚度达1000公里的密集的大气层。它的大气层中将近89%是氢分子,11%是氦,另外有少量的氨、甲烷、水、乙烷、乙炔、一氧化碳、氰化氢及其他一些复合物。木星大气层的上面飘浮着由氨结晶体形成的云层,这个云层的下面可能还有诸如氢氧化氨、水和冰等复合物构成的云层。彗星碎块对木星的连续撞击引起强烈爆炸,产生巨大闪光现象,把木星的卫星照得非常亮。木星表面形成了巨大的蘑菇云,在木星大气层中引起大风暴并且持续很长时间。撞击使许多物质从木星上溅出,形成一个由气体和尘埃构成的物质环。科学家们在彗星碎块进入木星的化学复合物云层的时候,观察由爆炸引起的闪光,从撞击点向外扩展的波浪状以及木星大气层出现的化学变化或环流变化。科学家们还观察彗星碎块在到达木星之前的最后几分钟的运行情况,希望能看到彗星表面附着的尘埃脱离以后是否会显露出慧核。
尽管自那次通古斯大爆炸以后迄今尚未发生过外星体撞击地球的事件,但地球并不是平安无事了。天文学家们经过观测发现,在火星的外侧和木星的内侧有一个由数目众多的小行星构成的小行星带。它们一般都是按照正常轨道运行,但是总有那么一些不安分守己分子悄悄逃跑,进入近地轨道,给地球带来威胁。1989年曾有一颗小行星与地球擦肩而过,引起人们一阵紧张。
总是听说小行星撞地球,它们都是从哪来的?
在数十亿年前,太阳系的行星和卫星频繁遭遇彗星和小行星的碰撞。在地球的卫星——月球上就保留着许多碰撞陨坑,而地球上远古时期的碰撞陨坑不是被地质构造活动所抹平,就是逐渐风化消失。现今太阳系的行星并不是非常拥挤,而且木星质量和其重心引力远比其他太阳系星星大,能够像太阳一样抵挡大量的危险天体。木星是一个扁球体,它的赤道直径约为14.28万公里,是地球的11.2倍;体积则是地球的1316倍;而它的质量是太阳系所有行星、卫星、小行星和流星体质量总和的一倍半,是地球质量的318倍。
目前科学家在所有的近地天体目标中发现一颗叫做“2007 VK184”的天体,到目前为止全球大约有100多个望远镜对2007 VK184进行观测。科学家们正在跟踪其碰撞地球的任何可能性,如果大约直径为130米的小行星碰撞地球,就相当于1.5亿吨的TNT的爆炸力,或者是日本广岛原子弹爆炸威力的1万倍。预测在未来40-50年里,这颗小行星碰撞地球的概率为1/2940。约曼斯称,如果以过去的观测作为指引,随着未来的观测研究水平进一步提高,其轨道数据的计算更趋完善,这颗近地天体撞击地球的可能性几乎为零。
然而研究人员仍然担心,许多近地天体是我们无法观测到的。研究人员猜测大约156颗较大的近地天体仍未被发现,通常这些天体直径在1千米左右,它们对地球构成了较大威胁。而且近地天体体积越小越难被观测到。约曼斯说:“当我们观测直径150米或更大直径的天体时,我们认为发现近地天体的概率为15%,当我们观测直径左右的天体50米时,我们认为发现近地天体的概率仅不足5%。”
科学家们还研究出不同大小的近地天体撞击地球的频度。约曼斯称,直径半英里宽的近地天体的每隔50万年会碰撞一次地球,直径500米的天体碰撞地球的时间间隔大约10万年,直径50米的天体碰撞地球的时间间隔大约700年,直径30米的天体碰撞地球的时间间隔大约140年,如果小行星等天体的直径再小的话,就不会对地球表面构成损害,直径25米的小行星会在大气层中燃烧,或者形成令人们印象深刻的火球事件。
当小行星的体积质量非常大时(直径达到10千米以上),数千万年前造成地球上恐龙灭绝的外星球就是这样大的体积。约曼斯说:“最大的近地天体是科林斯(Sisyphus),实际上穿过地球的轨道,其直径为8千米,对地球构成最大威胁的近地天体实际上是陶塔蒂斯(Toutatis),其直径为5.4千米。
彗星在木星表面产生了巨大的黑斑,为什么还能持续那么久?
白金汉大学科学家比尔·内皮尔所带领的一群天文学家坦言,在过去的20年内外太阳系存在着数以百计的大型彗星群,而这项发现意味着这些古老的星体对地球文明实实在在地造成了伤害。
大体积彗星群,也被称作半人马(centaurs),横跨30至50英里(50至100千米),甚至更大。他们在非常不稳定的轨道上运行,穿过经由太阳系的气态巨行星即木星、土星、天王星和海王星所构成的轨迹。
土卫九很有是一个半人马(centaur),在过去受到土星引力的攻陷而被捕获成卫星
关于半人马群进入内太阳系的速率计算表明,大约每四万年至十万年,将会有一个被转移至穿过地球运行轨道的新轨道。行星引力场偶尔能够使这些古彗星转向我们的地球。
同时在靠近地球的空间内,它们有可能会碎裂成尘埃物质和其他更大的碎片,如洪水般带着彗星残骸涌入内太阳系,而且毫无疑问这会对地球造成影响。
“如此巨大的彗星群所产生的碎裂将会造成长时间、间歇性的轰炸,而且最多能持续十万年之久。”内皮尔教授和他来自白金汉大学以及英国阿玛天文台的同事们说道。
“地球上的大规模灭绝/地质边界事件展现了这样的一种模式,就像上层大气中尘埃和流星体的等级所显示的那样。”
在公元前10800年和公元前2300年发生的环境动荡的具体情节同样与这种彗星群的新理念相一致。“在过去的一万年内,地球已经断断续续地经历了一些袭击,其中有尘埃、流星体和困在木星轨道内的、来自恩克彗星(2P/Encke)碎裂时产生的彗星碎片。”科学家们说道。
内皮尔教授和他的合著者拥有来自不同科学领域、未报道过的证据来支持他们的模型。
举个例子,由阿波罗项目带回来并且在月岩中被鉴别出的亚毫米坑的年龄几乎全部小于三万年,这表明在那之后内太阳系中尘埃的数量有个巨大的增长。
“我们的研究显示我们也需要跳脱出地球周边,到木星的轨道上去探寻半人马。”刊登在《天文与地球物理》杂志上的论文第一作者,内皮尔教授说道。
“如果我们是对的,那么这些遥远的彗星群会构成一个巨大的威胁,而当下我们需要更深入地了解他们。”
木星是太阳系内第一大行星,系内位置排列第5,同时它也是一颗气态巨行星,与其它气态星球主要由原始的氢和氦构成一样,它主要构成是约90%的氢和约10%的氦。我们知道当一个物体与一团气体相撞,就会直接撞过去,只留下一道空洞的痕迹,不会发生陨石撞击地球那样的爆炸效应。
然而事情没有我们想象的那样简单。
在1994年7月16日20时15分(标准英国格林尼治时间),天文学家观察到了太阳系内最大的小行星撞击大行星事件:一个直径约有5km、名叫苏梅克列维9号的彗星在它的轨道上飞行时经过木星附近,就被木星巨大的引力捕获,然后被撕裂成21大碎块,最大的碎块直径约有3.4km。21个碎块排成一条直线,被木星引力一个个拽进了它的“血盆大口”。巨大的撞击在木星表面云层留下了21道巨大的疤痕,最大的能容下一个地球还有余,撞击时产生的火球从木星云层上蹿起2897km之高,产生的能量有广岛原子弹的5亿倍。
整个撞击过程持续了7天之久,到22日才结束。如果这21个撞击发生在地球上,6500万年前的灾难将会重现。
那么有人就会问:木星是一颗气态星球,为什么1994年的苏梅克列维彗星冲入木星时会发生撞击的爆炸效应?这就要从木星大气层、彗星速度、彗星燃烧及爆炸点来分析。
木星距离地球最近时也有6.3亿km,在地球上看只是一个小点。为了能充分认识木星,科学家在发达科技的前提下,发射了一个又一个探测器,近距离地去揭露它的真面目。
1610年,意大利天文学家伽利略就用望远镜观察到了木星;360多年后,科技航天科技高速发展,人类为了更充分地认识木星,美国NASA在1972年发射了第一批木星探测器“先驱者10号”和“11号”,对木星进行了首次近距离访问;1977年,再次发射了“旅行者一号”和“二号”系列,在掠过木星时拍下了它的火山喷发;2011年,发射了“朱诺号木星探测器”,从2016年抵达木星至今, 它仍然在木星上空进行探测任务。
由于这些探测器深入探测木星后,我们对于木星的认识越来越深入,这个问题就不难了。
一、气体与气态星球有天壤之别。我们知道的气体就是空气、氧气、氢气、烟雾等这些虚无缥缈、风一吹就散了的东西。专业的说就是只要所在的空气等载体一发生动荡,就会随之飘散,因此无法聚集成形。因为气体的密度太小。空气在一个标准大气压下的密度是0.001293g/cm?,密度最大的气体溴也只有0.00714g/cm?。密度小,分子间的引力就小,一个物体撞上去时的受力面积就很微小,没有几个与它摩擦生热的实体分子,因此很难产生因摩擦而燃烧的效应。
但气态星球的区别太大了,木星的平均密度约1.36g/cm?,从密度来比较就已相差了几千倍。它们虽然主要由氢、氦等气体构成,这些气体都是在几十亿年的引力坍缩下凝聚而成的一颗星球,就像木星、土星等,它们都是太阳诞生后的剩余气体在引力下聚集而成,中心都有一个实体内核。如果体积足够大,就能成为一颗恒星,就像太阳。
由天文学家长期以来的探索,已经了解到木星的成分与太阳相似,如果木星再大7倍以上,就可以点燃内部的氢核聚变,成为第二个太阳。而越往内部,密度越大,压强、温度都会逐渐升高,并且它的内部有一圈厚厚的金属氢之中包裹着很可能是个固态的石质内核。
二、爆炸有“物理爆炸”、“化学爆炸”、“核爆炸”和“高速碰撞”等。1994年的彗星撞击木星就是“陨石高速碰撞爆炸”,这是一种在高速碰撞下由内能转换为机械能的能量转换。
就像地球上空的流星在大气层上快速划过时就会燃烧一样。木星的大气层就在5000km之厚,21块彗星的碎片以60km/s的速度与之发生剧烈的摩擦,很快产生了高温而燃烧。由动能定理E=1/2mv?(E是能量,m是质量,v是速度),推算出苏梅克列维9号彗星最大的3.4km的陨石以60km/s的速度产生的能量约有6亿亿吨的TNT炸药,是全球核弹总量的750倍。
为什么一颗3.4km的陨石能产生这么大的能量?
这就是爱因斯坦狭义相对论中的动力学所说:“当物体接近光速时,它动量和质量会迅速变大。”这颗陨石的速度有60km/s,宇宙第三速度也只有16.7km/s,已经是宇宙第三速度的3.6倍。当然木星巨大的引力才使它有这样的速度。
另外,当一个物体的内能增加后,内部的压力增高,分子之间的间隔缩小,碰撞的几率增加,爆炸极限增大,燃烧就会很容易,不可燃就会变成可燃。在压力、温度、动能到达一定值时,物体就会发生爆炸。
多数物体都有爆炸临界点,比如香水的爆炸临界点就是49℃。而1994年的苏梅克列维彗星在以60km/的速度冲向彗星后,与木星大气层发生剧烈摩擦,内部动能、压力快速增高,越进入木星内部,受到的压强和温度越大,使它内部温度可以高达几千℃以上。促使它内部的分子急剧膨胀,终于撑不住而发生爆炸。
综上所述,可以知道,1994年的苏梅克列维9号彗星冲入木星时,并未与木星实体发生撞击,而是在快速降落时使它内部的动能增加,达到临界值时自行发生的爆炸,不能理解成陨石撞击地球的爆炸。
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