彗星の観測史

彗星は人類によって何千年も観測されてきましたが、天文現象として研究されるようになったのはここ数世紀のことです。近代以前は、巨大彗星は世界中で恐怖を引き起こし、災害や混乱の前兆となる不吉な兆候と考えられていました。たとえば、1066年のハレー彗星の通過は、ノルマン人のイングランド征服の先駆けと描写されています。天文学の科学が惑星理論を発展させるにつれて、彗星の性質と構成を理解することは困難な謎となり、大規模な研究分野となりました。

ハレー彗星は75～76年ごとに出現し、彗星の研究、特にその軌道の研究において極めて重要な役割を果たした。18世紀のイマヌエル・カントなどの思想家は、彗星の物理的構成について仮説を立てた。今日、彗星は太陽の周りを偏心軌道で回る「汚れた雪玉」としてよく知られているが、科学界や一般大衆の関心の対象であり続けている。1994年、シューメーカー・レヴィ彗星は木星の大気圏に華々しく衝突した。1997年、ヘール・ボップ彗星の通過に触発されたカルト集団が集団自殺した。1985年以来、宇宙船が合計8つの彗星を訪れている。

アリストテレスが同名の彗星を観測する以前に人々が彗星についてどう考えていたかはほとんど知られておらず、知られていることのほとんどは間接的なものである。楔形文字の天文板、アリストテレス、シケリアのディオドロス、セネカ、そしてプルタルコスの作とされているが現在はアエティウスの作であると考えられている著作から、古代の哲学者が2つの主要な陣営に分かれていたことが分かる。彗星は天文学上の存在であると考える者もいれば、その気象学的性質を主張する者もいた。^[1]

16世紀まで、彗星は王や貴族の死や大災害の前兆とみなされ、さらには天上の存在が地上の住民を攻撃するとさえ解釈されていました。 ^{[2] [3]中国の}甲骨文字などの古代の資料から、人類は数千年にわたって彗星の出現に気づいていたことがわかっています。^{[4]彗星の最も古い絵画は、1066年の}ノルマン人のイングランド征服を記録したバイユーのタペストリーに恐ろしい前兆として描かれたハレー彗星です。^{[5] [6] 1493年に}ニュルンベルク年代記に掲載された別のイラストは、彗星の西暦684年の出現を描いたものだと主張されていますが、^[7]同じ木版画が11世紀の他の彗星にも使用されており、その画像が1493年版のために作成された一般的な彗星の画像以外のものであるという証拠はありません。^[8]

流星と彗星はメキシコの原住民にとって非常に重要なものであった。流星は星の神の矢、葉巻の吸い殻、さらには排泄物とみなされていた。矢は動物や人に当たることもあり、夜歩くときには恐れられていた。彗星は煙を上げる星や、統治者の死を告げるなど不吉な前兆と考えられていた。^[9]

古代中国の彗星出現の記録は、現代の天文学者にとって特に有用である。それらは正確で、広範囲にわたり、3000年以上にわたって一貫している。多くの彗星の過去の軌道は、これらの記録のみから計算されており、最も有名なのはハレー彗星との関連で使用されたことである。^[10]古代中国人は天体の前兆を見て重要な決定を下したが、彗星は常に災難をもたらす重要な前兆であった。五行説（五行としても知られる）によれば、彗星は陰陽の不均衡を意味すると考えられていた。^[11]中国の皇帝は、彗星を監視するために特別に観測者を雇った。その結果、いくつかの重要な決定が下された。例えば、唐の睿宗皇帝は、712年に彗星が出現した後に退位した。^[12]彗星は軍事的に重要な意味を持つと考えられていた。例えば、紀元35年の彗星の崩壊は、武漢による公孫書の滅亡を予兆するものと解釈された。^[13]

北欧神話によると、彗星は実は巨人ユミルの頭蓋骨の一部だった。物語によると、オーディンとその兄弟たちはラグナロクの戦いの後にユミルを殺し、その死体から世界（地球）を造り始めた。彼らはユミルの血から海を、皮膚と筋肉から土を、髪から植物を、脳から雲を、頭蓋骨から空を作った。4人の小人が4つの方角に対応して、地球上でユミルの頭蓋骨を支えていた。この物語に倣って、北欧人が信じていたように、空の彗星は空から落ちて崩壊したユミルの頭蓋骨の破片だった。^[14]

彗星が崇拝されているのは、世界でローマの寺院だけである。アウグストゥスは、父の死後間もなく、カエサルが創設した宗教団体の一員であったときに、ウェヌス・ジェネトリクスに敬意を表して開催した競技会で、統治の初めに彗星が現れたため、この彗星は特に自分にとって縁起が良いと考えた。^[15]

アリストテレスは、その最初の著書『気象学』で、西洋思想の中でほぼ2000年にわたって支配的となる彗星の見解を唱えた。彼は、彗星は惑星、あるいは少なくとも惑星に関連した現象であるという、以前の哲学者の考えを否定した。その理由は、惑星の運動は黄道帯に限定されているのに対し、彗星は空のどの部分にも現れる可能性があるというものである。^[16]代わりに、彼は彗星を、高温で乾燥した呼気が集まり、時折炎上する上層大気の現象であると説明した。アリストテレスは、このメカニズムが彗星だけでなく、流星、オーロラ、さらには天の川にも責任があると考えた。^[17]アリストテレスは、彗星がどのように発生したかという理論を、まず世界が地球と天の2つの部分に分かれていると述べることによって導入した。月の下の地球の上部には、天の川や彗星などの現象がありました。これらの現象は、地球に自然に存在する 4 つの要素、つまり水、土、火、空気の混合物から生まれました。彼は、地球が宇宙の中心であり、その周囲をさまざまな惑星や星が取り囲んでいるという理論を立てました。宇宙、または天空としてよく知られているものは、地球の大気圏の上の空間を「エーテル」と呼ばれる 5 番目の要素で満たしていました。アリストテレスは、彗星は流れ星が進化してまったく異なる何かになったものだと信じていました。これは、彗星が地球にある要素の組み合わせから生まれたことを証明しました。天空は決して変化しませんが、彗星は宇宙を移動しながら常に変化しているため、彗星が天から来ることはあり得ません。^[18]アリストテレスは、彗星は流れ星が進化してまったく異なる何かになったものだと信じていました。アリストテレスは、彗星を、非常に繊細な物理的条件の組み合わせの下で発生する可能性のある特定の形態の流れ星と見なしていました。アリストテレスと同時代の人々がどれだけの彗星の出現を目撃したか、また彗星の軌道、動き、持続時間についてどれだけの量的な観測情報を持っていたかは不明である。^[19]

アナクサゴラスとデモクリトスの理論はアリストテレスの理論とは異なっており、彼らは彗星は惑星の食の残像または影に過ぎないと信じていた。ピタゴラスは、彗星は太陽の縁を横切って長い期間太陽の周りを公転する惑星であると主張した。^[20] キオスのヒポクラテスとアイスキュロスもピタゴラスと同様の考えを持っており、両者とも彗星は特別な性質を持つ惑星であると信じていた。キオスとアイスキュロスは、彗星は大気によって生成された非物質的な尾を持つ惑星であると理論づけた。彗星の生成と特性に関するアリストテレスの理論は、1600年代まで広く信じられていた。^[18]多くの哲学者と占星術師が彗星という現象を説明しようと独自の理論を立てたが、関連性があったのは2つだけだった。アリストテレスの理論はセネカの理論とともに依然として優勢であった。

セネカは、彗星は宇宙の天界からやってくると信じていた。彗星は火の要素から形成されるとするアリストテレスの理論に断固として反対し、彗星の火は大気圏の深部に入ると大きくなると主張した。セネカは、彗星を正確かつ一貫して観測することは非常に難しいことを理解していたため、自分の理論の欠陥を認識していた。^{[21] [22]} 小セネカは、著書『自然問題』の中で、彗星は空を規則的に動き、風に邪魔されないと述べている。これは、大気現象というよりも天体現象に典型的な行動である。彼は、他の惑星が黄道帯の外に現れないことを認めていたが、惑星のような物体が空のどの部分も移動できない理由はないと考えていた。^[23]

イスラム帝国では、ナスィルッディーン・トゥーシーが彗星現象を利用して、観測によって地球が静止していることを判断できるとするプトレマイオスの主張を反駁した。 ^[24] アリー・クシュジーは著書『天文学の哲学への依存について』の中で、アリストテレス物理学を否定し、自然哲学を天文学から完全に切り離した。彗星を観測した後、アリー・クシュジーは思索的な哲学ではなく経験的証拠に基づいて、地球移動説は地球静止説と同じくらい真実である可能性があり、どちらの説が真実であるかを経験的に推論することは不可能であると結論付けた。^[25]

1500年代半ば、ジャン・ペーニャという数学者が、現象の背後にある物理学と数学を研究して、アリストテレスの彗星理論に反対した。彼は、太陽の地平線近くで観察される視点と角度に関係なく、彗星は視覚的な外観を維持すると推論した。ペーニャは、彗星の向きと外観は宇宙の物理学によるものだと主張した。ペーニャは、地球の重力の影響により、彗星は月よりも速い速度で月を通過するため、地球から月よりも遠い距離にあると主張した。屈折の法則に基づいて、彗星の尾は宇宙を移動する太陽の方向を指している。彗星の尾は空気のような要素で構成されており、宇宙で見えるように透明ですが、太陽から背を向けている場合のみです。尾が見える理由は、尾に反射する太陽光線によって説明されます。屈折の法則により、人間の目は太陽の反射により、宇宙空間にある彗星の尾を実際とは異なる位置で視覚的に見ることができる。^[26]

1577年、ヨーロッパの上空に巨大彗星が現れた。ティコ・ブラーエは、彗星の視差を測定することで、この彗星までの距離を推定しようと考えた。視差とは、物体を異なる位置から見ると、その位置や方向が異なって見える現象である。彼は、彗星は（惑星のように）空のそれぞれの位置に戻る、つまり彗星も太陽の周りを楕円形の軌道を描いて回ると提唱した。一方、ヨハネス・ケプラーなどの天文学者は、これらの天体は宇宙全体を直線的に進むと信じている。^[27]空に近い物体の視差は、遠い物体の視差よりも大きい。1577年の大彗星を観察した後、ティコ・ブラーエは、ヨーロッパのどこから測っても同じ彗星の位置であることを認識した。^[28]彗星が地球の軌道内に位置していた場合、彗星の位置の差はもっと大きくなっているはずである。ブラーエの計算によれば、測定の精度の範囲内で、彗星は地球から月までの距離の少なくとも4倍は離れていなければならない。^{[29] [30]ブラーエのノートの1つに見つかったスケッチは、彗星が}金星の近くを移動した可能性があることを示しているようだ。それだけでなく、ティコは彗星が水星、火星、太陽の近くを移動したことも観測した。^{[31]この発見の後、ティコ・ブラーエは、古典的な地動説と、ポーランドの天文学者}ニコラウス・コペルニクスが1543年に提唱した太陽中心説を融合した新しい宇宙モデルを作成し、彗星を加えた。^[32]ブラーエは、彗星の軌道を何千回も非常に正確に測定し、これらの発見は、ヨハネス・ケプラーの惑星運動の法則の理論化と、惑星が楕円 軌道を回っているという認識に貢献した。^[33]

彗星が宇宙にあることは実証されたが、その動き方は次の世紀の大半にわたって議論の的となった。ヨハネス・ケプラーが1609年に惑星が太陽の周りを楕円軌道で回っていることを突き止めた後も、彼は惑星の運動を支配する法則が他の天体の運動にも影響を与えるはずだとは信じがたかった。彼は彗星が惑星の間を直線に沿って移動すると信じており、その軌道が実際には曲がっていることを証明するにはエドモンド・ハレーが必要だった。 ^[34] ガリレオ・ガリレイは頑固なコペルニクス主義者であったが、ティコの視差測定を否定し、彗星論では彗星が上層大気を直線で移動するというアリストテレス的な考えを貫いた。^[35]

この問題は、1680 年 11 月 14 日にゴットフリート・キルヒが発見した明るい彗星によって解決しました。ヨーロッパ中の天文学者が数か月間その位置を追跡しました。1681 年、ザクセンの牧師ゲオルク・ザムエル・ドーフェルが、彗星は太陽を焦点とする放物線上を運動する天体であるという証明を発表しました。その後、アイザック・ニュートンは1687 年の著書『プリンキピア』で、万有引力の逆二乗の法則の影響下で運動する物体は円錐曲線のような軌道を描かなければならないことを証明し、1680 年の彗星を例に挙げて、彗星の天空を通る軌道を放物線軌道に当てはめる方法を示しました。^[36]彗星が太陽に近づくにつれて物質を失うことを明らかに理解していたベルナール・ド・フォントネルは1686年に次のように書いている。「彗星が現れると我々は自分たちが不幸だと思うが、不幸なのは彗星の方なのだ。」^[37]

1600 年代以前の占星術師や哲学者が考え出した理論は、アイザック・ニュートンが数学と物理学を学び始めた頃にはまだ広く普及していました。ニュートン時代を代表する天文学者の 1 人であるジョン・フラムスティードは、デカルトの理論を改訂して、彗星が惑星であることを証明しました。彗星の動きは磁力と渦巻き粒子の力によって生じ、彗星の尾は単なる反射ではなく物理的なものでした。フラムスティードの改訂は、彗星は地球から発生し、宇宙の他の現象とは異なる独自の特別な特性を持っていると信じていたアリストテレスや他の多くの彗星理論と矛盾していました。しかし、ニュートンはフラムスティードのこの理論の改訂を否定しました。ニュートンは、磁力は熱によって効果を失うため、これらの現象の特性は磁力によるものではないと理論づけました。彗星の動きはそれに作用する力によるものだというフラムスティードの理論を改訂して、ニュートンは彗星の研究を完了しました。アイザック・ニュートンは、彗星の運動は太陽の自然な影響か、あるいは別の現象から生じる引力から生じると信じていました。ニュートンの彗星の運動に関する発見は、天体の一部としての彗星の研究全般を推進しました。^[38]

ハレーは当初、各彗星はそれぞれ異なる存在であり、太陽系に一度だけ訪れるという長年の見解に同意していた。^[39] 1705年に彼はニュートン法を1337年から1698年の間に起こった23回の彗星の出現に適用した。ハレーは、これらのうち1531年、1607年、1682年の彗星の3つが非常によく似た軌道要素を持っていることに着目し、さらに木星と土星の重力摂動の観点からそれらの軌道のわずかな違いを説明することができた。彼は、これら3回の出現が同じ彗星の3回の出現であると確信し、1758年から1759年にも再び出現すると予言した。^{[40] [39] [7]}（それ以前には、ロバート・フックが1664年の彗星を1618年の彗星と同一視し、^[41]ジョヴァンニ・ドメニコ・カッシーニは1577年、1665年、1680年の彗星が何であるかを疑っていた。 ^[42]どちらも間違っていた。）ハレー彗星の帰還予想日は後に、アレクシ・クレロー、ジョセフ・ラランド、ニコル＝レーヌ・ルポーテの3人のフランス人数学者チームによって精緻化され、 1759年の彗星の近日点通過日を1か月以内の精度で予言した。^[43]ハレーは彗星の帰還前に死亡した。^{[39]予言通りに戻ったため、}ハレー彗星（後の1P/ハレー） として知られるようになった。この彗星が次に出現するのは2061年である。

19 世紀、パドヴァ天文台は彗星の観測研究の中心地でした。ジョヴァンニ サンティーニ (1787–1877) が率い、その後ジュゼッペ ロレンツォーニ (1843–1914) が率いたこの天文台は、古典天文学、主に新しい彗星と惑星の軌道計算に専念し、ほぼ 1 万個の恒星と彗星のカタログを編纂することを目標としていました。イタリア北部に位置するこの天文台からの観測は、ミラノとパドヴァ、パドヴァとフィウメの経度の差など、重要な測地学、地理学、天文学の計算を確立する上で重要な役割を果たしました。^[44] これらの地理的観測に加えて、天文台内の書簡、特にサンティーニと天文台のもう一人の天文学者ジュゼッペ・トアルドとの間の書簡は、彗星と惑星の軌道観測が天文台全体だけでなく、ヨーロッパの他の地域や科学界にとっても重要であることを示しています。^[45]

歴史上、何度も観測されているほど周期が短い彗星の中でも、ハレー彗星は太陽系内部を通過しながら常に肉眼で見えるほど明るいという点でユニークである。ハレー彗星の周期性が確認されて以来、望遠鏡の使用を通じて他の周期彗星も発見されている。周期軌道を持つことがわかった2番目の彗星は、エンケ彗星（正式名称は2P/Encke）である。 1819年から1821年にかけて、ドイツの数学者で物理学者のヨハン・フランツ・エンケは、1786年、1795年、1805年、1818年に観測された一連の彗星の軌道を計算し、それらが同一の彗星であると結論付け、1822年にその再来を予測することに成功した。^[46] 1900年までに、17個の彗星が近日点を複数回通過することが観測され、周期彗星として認識された。2021年11月現在、432個の彗星^[47]がこの区別を達成しているが、そのうちのいくつかは崩壊したり失われたりしている。 ^{[アップデート]}

1900年までに、彗星は楕円軌道の「周期的」と放物線または双曲軌道の1回限りの「非周期的」に分類された。天文学者は、非周期的彗星は惑星に捕らわれて楕円軌道に回ると信じていた。各惑星には捕らわれた彗星の「家族」があり、木星の彗星が最大であった。1907年、AOロイシュナーは、多くの非周期的彗星は、より長い研究で楕円軌道をとるはずであり、軌道周期が数千年のものでも、ほとんどの彗星は太陽系の恒久的な一部となるだろうと提唱した。これは、海王星の軌道の外側に、オールトの雲と呼ばれる大規模な彗星群が存在することを意味していた。[ 39 ^]

アイザック・ニュートンは、彗星を斜軌道を移動するコンパクトで耐久性のある固体であり、その尾は太陽によって点火または加熱された核から放出された細い蒸気の流れであると説明しました。ニュートンは、彗星が生命維持成分の空気の起源であると考えました。 ^[49]ニュートンはまた、彗星から放出される蒸気が惑星の水の供給（植物の成長と腐敗によって徐々に土壌に変換されていました）と太陽の燃料供給を補充する可能性があると信じていました。

18世紀には、彗星の物理的構成について正しい仮説を立てた科学者もいた。1755年、イマヌエル・カントは、彗星は揮発性物質で構成されており、それが蒸発することで近日点付近で鮮やかな光景が見られる、という仮説を立てた。^[50] 1836年、ドイツの数学者フリードリヒ・ヴィルヘルム・ベッセルは、1835年にハレー彗星が出現した際に蒸気の流れを観察した後、蒸発する物質のジェット力が彗星の軌道を大きく変えるほど強い可能性があると提唱し、彗星の非重力運動はこの現象によるものだと主張した。^[51]

しかし、彗星に関連した別の発見が、ほぼ一世紀にわたってこれらの考えを覆い隠した。1864年から1866年にかけて、イタリアの天文学者ジョヴァンニ・スキアパレッリはペルセウス 座流星群の軌道を計算し、軌道の類似性に基づいて、ペルセウス座流星群はスイフト・タットル彗星の破片であると正しく仮説した。彗星と流星群のつながりは、1872年にビエラ彗星の軌道から大規模な流星群が発生したときに劇的に強調された。ビエラ彗星は1846年の出現時に2つに分裂することが観測され、1852年以降は再び見られなかった。^[52]彗星の構造に関する「砂利の堆積」モデルが生まれ、それによれば、彗星は氷の層で覆われた小さな岩石の緩い山で構成されている。^[53]

20世紀半ばまでに、このモデルはいくつかの欠点を抱えるようになった。特に、氷を少ししか含まない天体が、近日点を数回通過した後も、蒸発する蒸気の輝かしい光景を描き続けることができる理由を説明できなかった。1950年、フレッド・ローレンス・ホイップルは、彗星は氷を含む岩石ではなく、塵と岩を含む​​氷の天体であると提唱した。^[54]この「ダーティ・スノーボール」モデルはすぐに受け入れられ、1986年にハレー彗星のコマを通過し、核を撮影し、蒸発する物質の噴流を観測した宇宙船群（欧州宇宙機関のジオット探査機やソ連のベガ1号とベガ2号を含む）の観測によって裏付けられたように見えた。^[55]

研究によると、半径10キロメートル以上の大きな彗星は、アルミニウムや鉄の放射性同位体の崩壊によって中心部に液体の水が含まれている可能性がある。^{[56] [57]}

これまでの観測から、彗星の核は質量が約10 ¹³～ 10 ¹⁹ g、半径が数 km、平均自転周期が約15時間、引張強度が約10 ⁵ダイン cm ^{−2の氷塵の塊であることがわかっています。引張強度は、彗星の核が非常に壊れやすい存在であることを示しています。すべての観測は、H} ₂ O氷と他の氷と塵の混合物からなるホイップルの氷の塊モデルに基づく彗星の核の基本概念を支持しています。 ^[58]

彗星核の初期構造は、おそらく氷（主に H ₂ O）と塵の混合物からなる細粒の多孔質物質です。水の氷はおそらく非晶質で、閉塞ガスを含んでいます。この構造は、オールトの雲またはカイパーベルトでの核の長期滞在中に、内部の放射性加熱により大幅に変化します。彗星核の進化した構造は、このように均質からはほど遠いものになります。多孔度と平均細孔サイズは深さとともに変化し、組成は層状になる可能性があります。このような変化は主に多孔質媒体を通るガスの流れの結果として発生します。非晶質氷の昇華または結晶化によって放出されたさまざまな揮発性物質は、さまざまな深さで適切な温度で再凍結し、内部に蓄積されたガス圧は脆弱な構造を破壊し、細孔サイズと多孔度を変えることができます。これらのプロセスはモデル化され、数値的に追跡されています。しかし、多くの単純化の仮定が必要であり、結果は多数の不確実なパラメータに依存することがわかっています。したがって、多孔質彗星核は、熱伝導率、多孔質構造、半径などに応じて、太陽から遠く離れた場所での長期進化から、次の 3 つの異なる構成で出現する可能性があります。a) 全体にわたって元の構造を維持する、b) ほぼ完全に結晶化 (比較的薄い外層を除く) し、水以外の揮発性物質が大幅に減少している、c) 結晶化したコア、他の氷の大部分を含む層、および変化していない元の物質の外層を持つ。多孔度が非常に低い場合は、液体のコアが得られる可能性があります。このようなコアの範囲と液体のままである時間の長さは、初期条件と氷の物理的特性によって決まります。非常に低い多孔度に加えて、有効伝導率が低い場合は、かなりの期間にわたって拡張された液体のコアと、元の元の構造を維持したかなりの厚さの外層の両方が存在する可能性があります。^[59]

ロゼッタ計画は、 2004年初めにフランス領ギアナのギアナ宇宙センターによって打ち上げられた。ロゼッタ宇宙船の使命は、彗星を追跡してデータを収集することだった。^[60] 彗星を周回した初の宇宙船として、彗星の多くの側面の物理的・化学的組成を理解し、彗星の核を観測し、太陽系との関連性を明らかにすることが目標だった。^[60]計画が追跡した彗星は67P/チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星と呼ばれ、クリム・イワノビッチ・チュリュモフとスベトラーナ・イワノワ・ゲラシメンコによって発見された。^[60]彗星と接触した後、彗星についての知識を変えるような多くの観測が行われた。非常に驚くべき発見は、彗星が移動するにつれて、放出される水蒸気の量が増えるということだ。^[61]その水も地球の水とは異なり、重水素を多く含むため重い。^[61]この彗星は冷たい宇宙雲から作られたことも判明しており、そのためゆるく圧縮された塵と氷でできている。^[61]彗星の核を調査するために、ロゼッタ宇宙船は彗星に電波を通した。 ^[61]この実験により、彗星の頭部は非常に多孔質であることがわかった。^[61]コンピュータモデルは、彗星全体に非常に広く深い穴がたくさんあることを示している。^[61]彗星の組成から、科学者は彗星の形成を推測することができた。彼らは、彗星が非常にゆるく圧縮されているため、それはかなり穏やかな形成であったと考えている。^[61]このミッションは10年以上続き、彗星の研究にとって非常に重要なミッションであった。

1995年以来、合計8つの彗星に宇宙船が訪れている。これらは、ハレー彗星、ボレリー彗星、ジャコビニ・ツィナー彗星、テンペル第1彗星、ヴィルト第2彗星、ハートレー第2彗星、グリッグ・シェレルプ彗星、チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星であり、多くの新しい発見を生み出した。さらに、宇宙船ユリシーズは予想外にマックノート彗星の尾を横切った。

^{[21] [22]}

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