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早在步入文明时代之前，人类就已经注意到彗星的存在。明亮的彗星由于其行踪不定、神秘莫测而令人不安，常被古人当做厄运降临的凶兆。在古希腊哲学家亚里士多德眼中，彗星是一种奇异、罕见的气象现象（他称其为“燃烧的空气”）。随着现代科学的兴起，丹麦天文学家第谷在1577年利用视差法对彗星进行测距。观测结果显示这颗彗星与我们之间的距离比月球还大，从而推翻了先前对彗星的错误认识。但直至上个世纪，我们才慢慢认识到彗星的科学价值——它是太阳系行星形成期留下的冰冻遗迹。仅仅在最近几十年，我们才开始利用彗星去探索太阳系的起源。 美国天文学家Fred Whipple提出的“脏雪球”模型代表了我们目前对彗星的认识。在此模型中，彗星被描绘为由冰和尘埃凝聚而成的固体核。在太阳的烘烤下，彗星发生升华（由固体直接转变成气体的过程），形成暂时的、接近球形的大气——彗发。在太阳光的辐射压和太阳风携带的磁场的共同作用下，尘埃和处于离子态的气体离开彗星表面分别形成尘埃彗尾和气体彗尾。
尽管人类数千年以来一直追寻着彗星的踪迹，但对其进行有意义的科学探索还仅仅是近些年才发生的事。这些从遥远国度长途跋涉而来的旅行者在我们眼中依然神秘莫测。 冰冻保鲜 别看彗核个头不大，它挥发的速度却很惊人。以哈雷彗星为例，其彗核的有效直径大约是11公里。当它位于近日点（彗星绕日轨道上距离太阳最近的点）时，由于发生升华，它在一秒钟内就能损失掉高达50到100吨的物质。照此速度，小小的彗核在几万年内就会耗尽。这个时间远远短于太阳系的年龄（通常认为是45亿年）。从原则上讲，这说明彗星应该是比较年轻的天体。可实际上，如今的太阳系早已没有适宜彗星形成的环境了。 既然如此，彗星就不可能是在近期形成的，而是形成于太阳系早期。一般认为彗星是在太阳系外部的低温环境中由原初物质形成的，并且自形成之后就一直被雪藏在那里。短周期彗星（绕日轨道的周期小于200年）形成于柯伊柏带中（温度约-230度）。而绝大多数长周期彗星（轨道周期大于200年）则源于奥尔特云（温度约-260度）。柯伊伯带中的行星、偶然路过的恒星，还有星系潮汐（奥尔特云）的引力扰动驱使彗星离开其出生地，踏上飞向太阳系内部的漫长旅途。 然而，对彗星尘埃在红外波段的光谱进行分析，结果却显示彗星远非冰冻遗迹这么简单。因为我们在其中发现了硅酸盐。这种物质的存在清楚表明了彗星曾被加热到近1000度——比处于正午时分的金星还要热，尽管彗星从来不会像金星一样距离太阳那般近。如果它真离太阳那么近，它的冰和其它挥发性物质早就被蒸发光了。更让人费解的是，美国宇航局星尘探测任务在Wild 2彗星的彗发尘埃中发现了钙铝包裹体（CAI）。这种矿物质也是在高温下形成的，以前只在位于小行星带的陨星上发现过。科学家通常认为它是太阳系原行星云中的炽热气体冷却时产生的第一批固体。 彗星既富含冰，同时又含有在高温下才能形成的尘埃颗粒。这怎么可能？如果太阳系原行星盘各部分混杂得比较厉害，倒可以解释这看上去彼此矛盾的结果。年轻的太阳附近的炽热尘埃可以通过某些途径被传送到太阳系外部的低温地区。它们在那里冷却、凝结成冰和尘埃的混合物，形成彗核。 “脏雪球”的面貌 “脏雪球”的球核看上去似乎结构简单，实际上却出乎意料的复杂。空间探测器拍到的照片显示在彗发中有喷流和其它结构存在。喷流的存在是因为冰的升华只发生在彗核表面有限的几个活跃区域，而绝大部分的彗核表面都被不活跃的物质覆盖着（也许是岩石太大，气体无法把它们吹离彗核）。举例来说，当1986年哈雷彗星出现时，生成彗发的喷流只占了彗核表面积的10%。哈雷彗星算是异常活跃的彗星了。许多彗星的喷流仅占其表面积的1%。 此外，彗核表面还有许多令人迷惑不解的地貌特征。我们从高分辨率的彗核照片上可以看到这些独一无二的特征。 最令人惊奇的是我们从彗核照片上几乎看不到喷流活跃区的存在。 美国宇航局的星尘探测任务拍摄的Wild 2彗星的彗核照片就是个例子。我们根本无法从照片上找出喷流的位置。美国宇航局的深度撞击探测器传回的Tempel 1彗星图像也是如此。Wild 2彗星的彗核表面密布着许多坑，很容易让人把它们与月亮和小行星表面的陨石坑联系在一起——都是受到撞击产生的。不过，相对于宽度而言，这些坑要深得多，而且不是碗状的。有些坑的坑壁笔直，壁上还有悬垂的岩块。不难想象，这些奇怪的特征是抛射物撞击较疏松的物质产生的。但更可能的情况是，坑根本不是撞击产生的，而是在过去的喷流活动中，随着挥发性物质的释放，彗核表面发生塌陷造成的。只不过我们目前还无法得知坑到底是怎么形成的。 另一件令人惊讶的事是空间探测器拍摄到的彗核照片彼此差异很大。例如，和Wild 2彗星相比，Tempel 1彗星几乎没有坑。它的表面呈现出类似于粘稠流体流过后形成的平滑面。我们不知道这种流体是什么。有一种说法认为从彗核内部逸出的气体吹动尘埃，让其流动起来形成流体。虽然Temple 1彗星的引力非常微弱 （其逃逸速度很低——只有每秒1米——宇航员无需火箭的协助，只需纵身一跃就可以跳离彗星），尘埃仍无法轻易离开彗星表面。与此相对照的是，Hartley 2彗星的彗核拥有古怪的复合结构，暗示出它是由各种物质聚合而成。
会爆炸的冰 就连彗星上的冰也是个未解之谜。我们平时在冰箱里找到的冰块是水分子规则排列形成的六方晶体（称为结晶冰）。而在柯伊伯带和奥尔特云那样的低温环境中，水分子处于混乱无序的状态，形成的冰是不定形的（非晶体）。晶体和非晶体结构上的差异看似深奥，其实并不重要。无论如何，冰总是冰。可实际上，这种差异却可能带来爆炸。当不定形冰受热（比如说，当彗星飞行到太阳附近），它会自发转变成结晶冰，同时释放出能量。从不定形冰的结构上看，其水分子之间有不少凹处和缝隙，为其它气体的原子和分子提供了现成的藏身之处。打个比方说，不定形冰就像一块海绵，它吸附了一氧化碳、二氧化碳和彗星中常见的其它气体。 除了能量释放，不定形冰在快速结晶的过程中还挤压出了被束缚的分子，导致爆发性的气体释放。2007年Holmes彗星的喷发可能就是此过程的最佳例证。这次喷发使彗星的亮度在不到一天的时间里提高了近一百万倍。研究表明这种结晶过程一旦触发就无法停止。也就是说，一块冰在结晶过程中释放的热量会引发其周围的不定形冰块跟着发生结晶，直到周围的所有不定形冰都转变成结晶冰为止。其它彗星也出现过类似的喷发（例如Schwassmann-Wachmann 1彗星每年都会喷发好几次），但在剧烈程度上都不及Holmes彗星。我们至今仍不明白这颗不起眼的彗星为什么会产生如此反常的剧烈喷发。对于远离太阳的彗星来说，由于条件限制，它们的结晶冰不会发生升华。不过，上述的结晶过程却可以解释它们为什么仍会释放出气体。
很遗憾，我们缺乏直接证据来证明彗星上存在着不定形冰。如果来自柯伊伯带的彗星含有这种冰，我们就能据此推测出柯伊伯带的天体自身也有不定形冰。可令人不解的是，所有可靠的观测结果都显示了柯伊伯带的天体只含有结晶冰。 分裂容易，团结难 彗星的另一个不解之谜是彗核为什么会解体。彗核通常会分裂成两部分，但有时也会分解成一群碎片，甚至是一阵尘埃雨。我们对于大多数彗星的分解过程目前还所知甚少。 有些彗星的解体是当它飞掠太阳或者木星时，受到对方的引力撕扯造成的。最著名的例子要数Shoemaker-Leavy 9彗星。当它进入到木星的洛希极限范围内，被木星强大的潮汐力撕裂成9块碎片，似珍珠串一般依次排开。掠日彗星（最近引人注目的Lovejoy彗星就属此类）也许很早就已遭受过太阳的引力拉扯了。这些天体大都个头很小，到目前为止共计有2000多个。它们是很久以前一个大彗核土崩瓦解后残留下来的碎块。研究表明这个大彗核本来就是许多碎块在引力作用下聚合到一起而形成的。
不过，也有些彗星还未飞到行星或者太阳附近就解体了（按理说，那时彗星还未受到很强的引力拉扯）。在此种情况下，可能是自转导致了这些彗星的解体。彗核偏爱在受光面释放出气体，因而会产生一个转动力矩。对小彗核来说，喷气产生的反推力足以让它偏离自己的飞行轨道。经过数次轨道运动后，彗星在转矩的作用下越转越快。这种自转加速现象已出现在好几个彗星身上了。其中Hartley 2彗星的自转加速最为显著。2011年，这颗彗星的自转速度（自转周期原为18.3小时）以每天加快一分钟的速度提升。即使从天文学角度看，这种提速也算是极快的了——仅需几次轨道运动，这颗彗星就会因为无法承受高速自转带来的强大离心力而发生解体。自转可能是导致彗星解体、消亡的主要机制之一。 彗星内部有什么？ 空间探测器传回的图像也引发了我们对于彗核内部结构的思考。如果彗星本质上是柯伊伯带天体发生碰撞产生的碎块，那么其内部应该呈现为不规则的、碎块堆积状。这种松散的结构会使彗核难以抵御外力作用。这点倒是与它们易于解体的特性相符。 不过，有些彗星看上去似乎很与众不同。从深度撞击探测器拍到的照片上看，Hartley 2彗星就像一个光滑且不对称的哑铃。这暗示了它可能是由两个独立形成的天体紧密接合而成。灰尘主要集中在两个部分的结合处。不仅如此，Hartley 2彗星升华产生的气体在两端也是不一样的。从较小的一端放出的二氧化碳明显多于较大的一端。这种差异说明两个部分是在原行星盘的不同位置形成的。富含二氧化碳的那部分应该是在离太阳较远的位置形成的。 Michael Belton（来自贝尔顿空间探索计划组织）研究了Temple 1彗核那平展如盘的结构，并在此基础上提出了一个全新的彗核结构模型（称为TALPS模型）。在他的模型中，彗核就好比一层层堆叠起来的薄饼。每个被吸附的物质在力的作用下都紧贴在吸附物的表面，如此层层堆积，最终形成彗核（TALPS得名于“啪嗒声”（splat）一词的反写）。由于没有彗星内部的观测数据，我们还无法确知哪个结构模型更正确。 总体来说，我们对彗核的认识还处于起步阶段。我们知道它们已在太阳系存在了几十亿年。我们还对其中几个进行了细致研究，了解到它们有着彼此迥异的物理性质。可我们不知道究竟是什么原因造成了这些差异。哪些差异是与生俱来的，哪些是彗核在从出生地（柯伊伯带，甚至遥远的奥尔特云）飞向太阳的漫漫旅途中遇到的各种干扰造成的？如果空间探测器能追随彗星的绕日运动，并在其轨道的不同位置进行跟踪观测，可能会帮助我们解开这些疑问。 最难解答的问题是彗核是如何产生的。它们究竟是柯伊伯带的天体相互撞击产生的碎块，还是由碎块堆积产生的聚合物，还是如Belton的薄饼模型所描述的那样？彗星的形成有没有可能是这几种机制共同作用的结果，还是说它其实有着完全截然不同、并且还不为人知的形成机制？对这个问题的解答会向我们揭示出彗星在原行星盘外部区域是如何通过吸积物质形成的。 也许，我们可以利用雷达成像技术来解析彗核的内部结构。因为射电波的波长很长，可以穿透整个彗核。科学家打算应用这项技术对Churyumov-Gerasimenko彗星的彗核进行成像。如果一切顺利，欧洲空间局的罗塞塔探测器将向彗星表面释放着陆器。成功登陆后，由着陆器上的雷达收发机向彗核发出射电波，再由探测器接收从核心穿出的射电信号。这场前所未有的探测试验将会为彗星的科学探索活动开辟出一条引人入胜的全新途径。
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