埃德蒙·哈雷是怎么预测出哈雷彗星的？
哈雷彗星和埃德蒙·哈雷的宏伟预测。
哈雷彗星，摄于1986年，图片来自于美国宇航局NASA
哈雷彗星的名气从何而来
英国天文学家、数学家埃德蒙.哈雷于1656年11月8日在伦敦近郊出生。他是第一个计算出彗星轨道的人，以他名字命名的哈雷彗星，至今仍是最知名的彗星之一。同时，他也是艾萨克.牛顿的朋友，并对牛顿万有引力的发展做出了贡献，消除了当时的人们认为自己住在一个围绕太阳运行的行星上的认知，在某种程度上帮助我们建立现代科学基础。
哈雷彗星近期最后一次在出现在地球的天空上是1986年，当时一个国际宇宙飞船舰队在太空遇到了它。这颗著名的彗星将会在它周期性的76年太阳绕行旅程再次回归- 也就是2061年。哈雷彗星之所以出名，是因为它是在地球所能见的天空上最闪耀的一颗彗星。它的轨道长度为76年，和人类寿命相差不大。所以对大多数人来说，看到哈雷彗星是一生一次的机会。
但哈雷彗星之所以出名还有另外一个原因，那就是在埃德蒙·哈雷的时代，人们并不知道彗星像行星一样围绕在太阳的轨道上。他们不知道有些彗星，比如哈雷彗星会反复出现。彗星被认为只经过我们的太阳系一次。
在1704年，埃德蒙·哈雷成为牛津大学的几何学教授。第二年他出版了《彗星文学概论》，这本书记录了从1337年到1698年观测到的24颗彗星的抛物线轨道。也就是在这本书中，哈雷做出了他对哈雷彗星的宏伟预测。
抛物线轨道（Parabolic orbit）指的是偏心率等于1的轨道。这种轨道的轨道速度等于逃逸速度（即第二宇宙速度），故运行在此轨道的航天器会脱离中心天体引力场。如果一个运行在抛物线轨道的物体，其轨道速度继续增加，运行轨道将变为双曲线轨道。
托马斯·默里1687年左右为埃德蒙·哈雷作的肖像。图片来自于Wikimedia Commons
哈雷的宏伟预测
在他的书中，哈雷评论了1531年、1607年和1682年的三颗出现过的彗星，他用牛顿万有引力和行星运动的理论来计算这些彗星的轨道，它们的轨道出现了惊人的相似之处。于是哈雷迈出了一大步，他做出了一个在当时是个相当惊人的预测- 哈雷认为这三颗彗星实际上是同一颗彗星，它会周期性的每76年返回一次。然后他预言彗星会回来，说：
因此，我敢大胆的预言，它会在1758年再次回来。
哈雷没能活着看到他的预言被证实，在他死后16年，也就是1758年，这颗彗星如期的回归了，震惊了科学界和公众。它是第一个被预言成功回归的彗星，现在称之为哈雷彗星，以纪念埃德蒙·哈雷。
哈雷彗星:在太空中移动的球状冰块，被椭圆形薄雾云所包围。
哈雷彗星最近的一次返回地球是在1986年，欧洲探测器乔托号是第一批拍到哈雷彗星星核的舰队之一。当哈雷彗星离太阳远去时，它扫过哈雷彗星的彗核。
图片来自哈雷多色摄像团队/乔托项目/欧洲航天局/美国NASA宇航局
哈雷，弗兰斯蒂和水星凌日
17世纪是个令英国科学家为之振奋的年代，科学革命孕育了伦敦皇家学会，那时哈雷还只是个孩子。英国皇家学会的医生和自然哲学家是最早接纳并采用科学方法的成员之一，他们每周会面一次。第一位天文学家是约翰·弗兰斯蒂(John Flamsteed)，他被世人记住的部分原因是他在格林威治建立了皇家天文台，这个天文台至今还存在。
1673年，哈雷在牛津大学女王学院就读后遇到了弗兰斯蒂，哈雷有几次机会到他的天文台去拜访他，在此期间弗兰斯蒂鼓励他继续探究天文学。
在当时，弗兰斯蒂的计划是用他的望远镜把北方的恒星精确的编为目录。哈雷也想这么做，只是他的目标是南半球的恒星。
哈雷的南半球考察
他的南下之旅始于1676年11月，当时他甚至还没有获得大学学位。他从东印度公司搭乘一艘船前往圣赫勒拿岛，该岛是英属国家里最南端的领地，也是世界上最偏远的岛屿之一。他的父亲和查理二世国王资助了这次旅程。
尽管恶劣的天气使得哈雷的工作困难重重，但当他1678年11月返程时，他带回来了341颗星星的经纬度记录以及许多其他的观测资料，包含一次水星凌日。关于这次凌日，他写道：
“这景象…是天文学迄今为止最崇高的景象。“
水星凌日是一种天文现象，平均每100年发生约13次，时间在5月或11月初。当水星运行到太阳和地球之间时，如果三者能连成直线，便会发生“水星凌日”现象，其道理和日食类似。和日食不同的是，水星比月亮离地球远，其直径仅为太阳的一百九十万分之一。所以，“水星凌日”发生时,水星挡住太阳的面积非常小，不足以使太阳亮度减弱。我们用肉眼是看不到“水星凌日”的，只能通过望远镜进行投影观测。观测时，我们会发现一个黑色小圆点横向穿过太阳圆面，这黑色小圆点就是水星的投影。
这是2016年5月9日，经过法国的维加斯特·卡彭迪埃·利亚德的水星凌日。在这张图片中，水星是太阳左边的小黑点。水星凌日也再次在2019年11月11日出现。
行星运动的破译
1678年底，哈雷出版了他的《南方恒星目录》，该作品作为同类作品的第一部创作获得了巨大的成功。以前从来没有人试图用望远镜确定南方恒星的位置。此目录是哈雷作为天文学家的首次辉煌亮相。同年，他获得牛津大学文学硕士学位，并当选为英国皇家学会会员。
1684年，哈雷第一次去剑桥看望艾萨克·牛顿的时候，英国皇家学会的一组成员，包括物理学和生物学家罗伯特·胡克、建筑师克里斯托弗·雷恩和艾萨克·牛顿，正试图破解行星运动的密码。哈雷是加入这三人组中最年轻的一员，他们的任务是用数学来描述行星围绕太阳运行的方式和原因。他们在与彼此的竞争中试图成为第一个找到解决方案的人，这是非常激励人心的。他们的问题是要找到一个力学模型，使行星绕太阳运行，而不脱离轨道或落入恒星。
胡克和哈雷认为要解决这个问题，就需要有一种力量，使行星在围绕恒星的轨道上运行，并随着行星与恒星距离的平方反比而减小，这就是我们今天所知的平方反比定律。
胡克和哈雷的研究方向是正确的，尽管雷恩提供了奖金，但他们未能创造出理论上存在、与观测结果相符的轨道。
哈雷拜访了牛顿并且向他解释了这个概念，还解释了他无法证实这轨道的存在。在哈雷的鼓励之下，牛顿将哈雷的工作成果发展成至今最著名的科学著作之一《自然哲学的数学原理》，通常简称为牛顿原理。
第三版牛顿《自然哲学的数学原理》，1726年位于英国曼彻斯特的约翰·雷诺兹图书馆。图片来自维基共享。
哈雷成为皇家天文学家
哈雷同时也因为他在气象学方面的研究闻名。他的才能是赋予宏大的数据意义，1686年，他绘制了一幅世界地图。这张地图上显示了海洋上最重要的风流，被认为是第一份出版的气象图。
哈雷持续旅行并且从事更多其他项目，例如试图将人口死亡率和年龄做出关联，这些数据成为精算师计算人寿保险重要的数据。
在1720年，哈雷继任弗兰斯蒂，成为格林威治的第二个皇家天文学家。
埃德蒙·哈雷1686年绘制的世界地图描绘了信风和季风的方向，被认为是第一个气象地图。图片来自于princeton.edu
总结：哈雷彗星就是以生于1656年11月8日的天文学家- 埃德蒙·哈雷的名字命名的。
BY:EarthSky
FY: Rachel Chen
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