КОМЕТЫ (original) (raw)

КОМЕТЫ

В.В.Бусарев

Кометы - это наиболее необычные по своему виду небесные объекты, которые иногда доступны для наблюдений невооруженным глазом. Они привлекали внимание человека с глубокой древности. Вместе с астероидами и метеорными телами их относят к малым телам Солнечной системы. Характерной особенностью комет является то, что при сближении с Солнцем у них появляется и увеличивается хвост, направленный всегда в сторону от Солнца. Однако подробнее об этом ниже, а пока дадим небольшую историческую справку о том, как развивались представления о кометах.

1. Немного об истории изучения комет

В то время, как абсолютное большинство видимых небесных светил были точечными объектами и почти никогда не изменяли своего расположения на ночном небе (звезды), а если и двигались, то по заданному пути и за определенное время ("блуждающие звезды" или планеты), неожиданное появление "хвостатых светил" вызывало у людей чувство страха. В период отсутствия научных знаний любые непонятные явления природы чаще всего истолковывалось как магические или божественные знаки - предвестники грядущих событий. "Хвостатые светила" или кометы на эту роль вполне подходили. Слово "комета" в переводе с греческого языка означает "волосатая звезда". В древней Греции, а затем и в средние века кометы обычно изображали как отрубленные головы с развевающимися волосами. Человеческая история в древности была весьма насыщена разными трагическими событиями, такими как войны, эпидемии, дворцовые перевороты, убийства правителей или других вельмож. Каким-то из этих событий сопутствовали появления ярких комет. А придворные астрономы-астрологи, а затем и церковь в предсказаниях будущего основывались на небесных явлениях, "увязывая" дела земные и небесные. Например, из трудов римских историков известно, что смерть Юлия Цезаря в 44 г. до н. э. совпала с возникновением на небе яркой кометы, поэтому до средних веков и даже позднее при королевских дворах в Европе было распространено мнение, что появление кометы может предвещать смерть королей или их наследников. Приведем пример средневековой эмоциональной "интерпретации" природы комет и их влияния на судьбы людей. Известный французский хирург Амбруаз Паре так описывал комету 1528 г.: "Эта комета была столь ужасна и страшна и порождала в народе столь великое смятение, что некоторые умирали от одного лишь страха, а другие заболевали. Она представляла собой светило громадной длины и кровавого цвета; в вершине ее была видна сжатая рука, держащая длинный меч, как бы готовый разить. У конца его клинка были видны три звезды. По обе стороны лучей, выходящих из хвоста этой кометы, виднелось множество топоров, ножей, мечей, обагренных кровью, а среди них были видны ужасные человеческие лица с всклоченными бородами и дыбом стоящими волосами". Описания появлений разных комет на протяжении всей истории человечества до XVII в. изобиловали самыми страшными предсказаниями и прогнозами, вплоть конца света. Самое первое зафиксированное в исторических летописях появление кометы относится 2296 г. до н. э. Тогда комета наблюдалась китайскими астрономами, которые старательно следили за ее движением по созвездиям. В представлении древних китайцев небо было огромной страной, состоящей из многочисленных областей и провинций, в которых яркие планеты были их правителями. Для передачи императорских указов во все провинции были необходимы курьеры. Роль курьеров отводилась как раз "хвостатым светилам", поскольку они быстро перемещались через многие созвездия и якобы передавали императорскую волю. Подтверждением этого китайские астрономы считали перемещение по воле императора "планет-правителей" из одного созвездия в другое после исчезновения кометы. Интересно отметить, что такую положительную роль кометам приписывали только в Китае. Может быть потому, что на заре цивилизации люди еще не были "обременены" знанием всех перипетий человеческой истории.

Достаточно объективные суждения о природе комет высказывали еще некоторые древнегреческие и римские мыслители, которые считали их независимыми от человека и его деятельности природными явлениями. Однако ближе всего к их истинной природе подошел в своих рассуждениях римский философ Сенека, живший в I веке н. э., который в споре с Аристотелем (считавшего кометы исключительно атмосферными явлениями) писал: "Я не могу согласиться, что комета - это только зажженный огонь, это, скорее, одно из вечных творений природы... Комета имеет собственное место между небесными телами..., она описывает свой путь и не гаснет, а только удаляется. Не будем удивляться, что законы движения комет еще не разгаданы; придет время, когда упорный труд откроет нам скрытую сейчас правду..." Это время пришло только через пятнадцать столетий. Сначала Тихо Браге и его ученики при наблюдении из разных точек земной поверхности кометы 1577 г. доказали, что она находилась не в атмосфере Земли, а далеко за ее пределами, то есть была самостоятельным небесным телом. Затем Галилео Галилей в 1610 г. впервые воспользовался построенным им телескопом для наблюдений небесных тел и совершил при этом множество астрономических открытий. Несколько раньше вышел труд "Шесть книг о круговых движениях небесных светил Николая Коперника из Торуна" (в 1543 г.), нанесший сокрушительный удар по геоцентрической системе мира Аристотеля-Птолемея. Таким образом была подготовлена "почва" для поиска общих законов движения небесных тел. Эти законы были установлены в период 1609-1618 гг. опытным путем (на основе подбора математических соотношений, а не их вывода) талантливым учеником Тихо Браге Иоганном Кеплером, воспользовавшегося многочисленными наблюдательными данными своего учителя о движениях планет. В результате формулировки Кеплером его трех законов было установлено, что каждая планета движется не по окружности с постоянной скоростью, а с переменной скоростью по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Но общая причина движений планет была еще непонятна. И только с открытием Иссаком Ньютоном закона всемирного тяготения этому было найдено научное объяснение: если сила, действующая на небесное тело со стороны Солнца обратно пропорциональна квадрату расстояния до него, то такое тело должно двигаться по эллиптической орбите. Именно расчеты, произведенные Ньютоном по такой формуле (еще до формулировки закона всемирного тяготения) по просьбе английского астронома Эдмунда Галлея доказали, что яркая комета 1682 г. движется по эллиптической орбите. На основе собственных наблюдений этой кометы и анализа достоверных исторических летописей о наблюдениях ярких комет за последние 300 лет Галлей составил первый каталог о 24 таких телах, включавший рассчитанные им элементы кометных орбит (основные параметры, по которым можно определить положение каждой кометы в любой момент времени). В своем каталоге Галлею удалось обнаружить очень близкое совпадение орбитальных элементов трех комет, появлявшихся в 1531, 1607 и 1682 гг., откуда он сразу сделал вывод о том, что это должна быть одна и та же комета. Ее период обращения вокруг Солнца оказался равным 75,5 годам и, как предположил ученый, следующее появление кометы должно было произойти в 1758 г. Это предсказание Эдмунда Галлея подтвердилось в начале 1759 г. Вместе с появлением кометы подтвердился и закон всемирного тяготения, на основе которого выполнялись расчеты ее траектории. К сожалению сам астроном не дожил до этого момента. Однако открытую им периодическую комету стали называть кометой Галлея. Так начинались научные исследования комет.

2. Кометные орбиты и орбитальная классификация комет

Согласно теории Ньютона, движения небесных тел, подчиняющихся закону всемирного тяготения, совершаются не только по эллипсам (это лишь один из частных случаев), а по так называемым коническим сечениям, к которым принадлежат окружность, эллипс, парабола и гипербола. Поясним это на следующем упрощенном примере. Если считать комету материальной точкой с малой массой (m) по сравнению с массой Солнца (M) и не учитывать влияние планет на ее траекторию движения, то уравнение движения такой точечной массы в поле тяготения Солнца получается из следующих законов: всемирного тяготения, сохранения общей механической энергии (E) и сохранения момента количества движения (M). Это задача "двух тел", имеющая достаточно простое аналитическое решение в отличие от задачи трех и более гравитационно связанных тел, когда такое решение найти не удается. В случае двух тел решение получается как уравнение траектории движения точечной массы. В полярной системе координат (r и j ) оно имеет следующий вид:

r = p/(1 + e* cosj ), (1)

где r - радиус-вектор, соединяющий точечную массу с центром Солнца,

p = M2/ G* m2* M2 - параметр орбиты, (2)

e = К2(1 + 2E* M2/G2* m* M2) - эксцентриситет орбиты. (3)

Из формулы (1) вытекают все три закона Кеплера. Но, как уже говорилось, законы Кеплера характеризуют движение небесного тела по эллипсу в поле тяготения центрального тела, находящегося в одном из фокусов этого эллипса. Формула (1) описывает кроме эллиптической траектории еще три типа траекторий. Как видно из формулы (3), все они получаются при разных значениях величины E, определяющей значение эсцентриситета:

если E = 0, то e = 1 и формула (1) превращается в уравнение параболы;

если E < 0, то 0 < e < 1 и (1) превращается в уравнение эллипса;

если E > 0, то е > 1 и (1) становится уравнением гиперболы;

если E = - G2* m3* M2/2* M2, то e = 0

и (1) становится уравнением окружности.

Эти типы траекторий называются коническими сечениями по следующей простой причине Возможны только четыре варианта сечения кругового конуса плоскостью: перпендикулярно его оси, под некоторым углом к ней, параллельно образующей линии конуса и. параллельно оси конуса (Рис. 1). При этом в сечении, соответственно, получаются окружность, эллипс, парабола и гипербола, что было известно еще геометрам Древней Греции. Не случайно слова "эллипс", "парабола" и "гипербола" имеют греческое происхождение.

Рис. 1. Типы конических сечений как примеры форм кометных орбит.
Обозначения:
1 - окружность (сечение плоскостью, перпендикулярной оси конуса);
2 - эллипс (сечение плоскостью под некоторым углом к оси конуса);
3 - гипербола (сечение плоскостью, параллельной оси конуса);
4 - парабола (сечение плоскостью, параллельной образующей конуса).

Таблица 1. Характеристики орбит некоторых комет

В отличие от планет и абсолютного большинства астероидов, движущихся по стабильным эллиптическим траекториям и поэтому вполне предсказуемых при своих появлениях (для надежного расчета орбиты каждого из этих тел достаточно измерить его координаты всего в трех точках траектории движения), с кометами дело обстоит намного сложнее. На основе накопленных наблюдательных данных установлено, что абсолютное большинство комет также обращается вокруг Солнца по вытянутым эллиптическим орбитам. Но на самом деле, ни одна комета, пересекающая планетные орбиты, не может двигаться по идеальным коническим сечениям, поскольку гравитационные воздействия планет постоянно искажают ее "правильную" траекторию (по которой она бы двигалась в поле тяготения одного Солнца. Реальный путь кометы в межпланетном пространстве извилист и методы небесной механики (науки о движении небесных тел) позволяют вычислить только среднюю орбиту, которая совпадает с истинной не во всех точках. Кометы делят на два основных класса в зависимости от периода их обращения вокруг Солнца. Короткопериодическими называют кометы с периодами обращения менее 200 лет, а долгопериодическими - с периодами более 200 лет. Совсем недавно можно было наблюдать яркую долгопериодическую (с периодом около 4000 лет) комету Хейла-Боппа, которая впервые появилась в ближних окрестностях Солнца. Название кометы состоит из фамилий ученых, обнаруживших ее в июле 1995 г. (см. табл. 1 и рис. 3). Сейчас уже обнаружено около 700 долгопериодических комет, из которых примерно 30 имеют маленькие перигелийные расстояния и называются "царапающими" Солнце кометами. Примерно шестая часть всех известных долгопериодических комет - "новые", то есть они наблюдались только в течение одного сближения с Солнцем. Очевидно, что их расчетная орбита получается незамкнутой (параболической), поэтому их еще называют параболическими. "Старые" долгопериодические кометы раньше наблюдались в зоне планет земной группы и о них уже кое-что известно. Наклоны орбит долгопериодических комет по отношению к плоскости эклиптики распределены случайным образом. Короткопериодических комет сейчас известно более 200. Как правило, их орбиты расположены очень близко к плоскости эклиптики. Все короткопериодические кометы являются членами разных кометно-планетных семейств. Самое большое такое семейство принадлежит Юпитеру, - это кометы (их известно около 150), у которых афелийные расстояния (от Солнца до точки наибольшего удаления) близки к большой полуоси орбиты Юпитера равной 5,2 а.е. Периоды обращения вокруг Солнца комет семейства Юпитера заключены в пределах 3,3 - 20 лет (из них наиболее часто наблюдаемые - Энке, Темпеля-2, Понса - Виннеке, Фая и др.). У других крупных планет семейства комет существенно меньше: сейчас известно около 20 комет семейства Сатурна (Тутля, Неуймина-1, Ван Бисбрука, Гейла и др. с периодами обращения вокруг Солнца в 10-20 лет), всего несколько комет семейства Урана (Кроммелина, Темпеля-Тутля и др. с периодами обращения 28-40 лет) и около 10 - семейства Нептуна (Галлея, Ольберса, Понса-Брукса и др. с периодами обращения 58-120 лет). Считается, что все эти короткопериодические кометы вначале были долгопериодическими, но в результате длительного гравитационного влияния на них больших планет они постепенно перешли на орбиты, связанные с соответствующими планетами и стали членами их кометных семейств. Было показано, что преобладание по численности комет семейства Юпитера является следствием его значительно большего гравитационного влияния на эти тела по сравнению с другими планетами (в 10 раз превышающего влияние Сатурна и в 100 и более раз - гравитационное воздействие любой другой планеты). Из всех известных короткопериодических комет самый маленький период обращения вокруг Солнца у кометы Энке, входящей в семейство Юпитера, - 3,3 земных года. Эта комета наблюдалась максимальное количество раз при сближениях с Солнцем: 57 раз в течение примерно 190 лет. Но все же наиболее известной в истории человечества является комета Галлея, входящая в семейство Нептуна. Имеются записи о ее наблюдениях начиная с 467 г. до н. э. За это время она проходила вблизи Солнца 32 раза, учитывая, что период ее обращения вокруг Солнца равен 76,08 годам.

В разделе "Астероиды" говорилось о том, что уже обнаружено достаточно большое количество малых планет, сближающихся с Землей (около 750). По некоторым оценкам общее количество таких тел с размером более 1 км может достигать 1500-2000, а более 100 м - около 135000. Более мелких тел может быть еще больше. Подобно астероидам, сближающимся с Землей, в последнее время обнаружены так называемые мини-кометы, которые, вероятно, также принадлежат к этому семейству тел. По каким именно траекториям они могут двигаться, пока неизвестно, но их орбиты, вероятно, должны быть похожими на орбиты метеорных и болидных потоков (Леонид, Персеид, Акварид, Драконид и других, известных как потоки "падающих звезд") пересекающихся с земной орбитой в разное время года. Ведь абсолютное большинство метеорных потоков, как уже установлено, образовалось при распаде кометных ядер. Пока что с помощью наземных телескопических наблюдений и снимков с космического аппарата "Полар" в земной атмосфере на высоте нескольких километров обнаружены вспышки, вызванные падением небольших (около 10 м в диаметре) объектов предположительно ледяного состава.

3. Что нам известно о природе кометных оболочек

Что же представляют собой кометы как разновидность малых тел Солнечной системы? Пожалуй первую удачную попытку объяснения связанных с ними явлений предпринял немецкий математик и астроном Фридрих Бессель при наблюдениях им кометы Галлея в 1835 г. Им была создана механическая теория кометных оболочек. Конечно, она была упрощенной, но в ней развивалась правильная идея о том, что в голове кометы частички пыли движутся под действием притяжения к Солнцу и отталкивания от него. В конце XIX века русский астроном Ф.А. Бредихин развил теорию Бесселя и построил эмпирическую классификацию кометных хвостов (Рис. 2), хорошо описывающую поведение пылевой составляющей кометного вещества и не потерявшую своего значения даже сейчас. Ф.А. Бредихин ввел специальную относительную величину или параметр, который назовем условно h, показывающий во сколько раз солнечная сила отталкивания, действующая на частицы кометных хвостов (впоследствии было показано, что это отталкивание есть не что иное как световое давление), превышает силу тяготения. Бредихин рассчитал величину h для разных кометных хвостов и по значениям h провел их классификацию.

Типы кометных хвостов согласно Ф.А. Бредихину

Рис. 2. Типы кометных хвостов согласно Ф.А. Бредихину:
I - хвост направлен вдоль линии голова кометы (K) - Солнце (S);
II и III находятся в промежутке между направлением K - S и орбитой кометы.

Комета Хэйла-Боппа как она наблюдалась в марте 1997 г.

Рис. 3. Комета Хэйла-Боппа как она наблюдалась в марте 1997 г. Комета имеет два хвост:
I-го типа (более слабый, голубого цвета, состоящий из ионизованного вещества) и
II-го типа (яркий газо-пылевой). (Снимок сделан Г.В. Борисовым в Крымской лаборатории ГАИШ).

К хвостам I-го типа были отнесены прямолинейные узкие хвосты, почти не отклоняющиеся от направления Солнце-комета, в которых действуют очень большие ускорения. Для них величина h находится в пределах от нескольких десятков до нескольких тысяч единиц. Очертания таких хвостов часто бывают неправильными, а их внутренняя структура иногда струйчатая, винтовая или волнистая. Вдоль этих лучей могут перемещаться с большой скоростью сгустки кометной материи - облачные образования. К хвостам II-го типа были отнесены кометные хвосты, для которых величина h заключена между 0,6 < h < 2,5. Хвосты II-го типа по внешнему виду напоминают сильно изогнутый конус, направленный против движения. В конце таких хвостов часто наблюдаются раздвоенные полоски, направленные к ядру кометы, - так называемые "синхроны". Это название произошло от слова "синхронный", так как предполагалось, что наблюдаемые полосы возникают при одновременном выбросе сгустка вещества из ядра кометы, частицы которого движутся по действием различных отталкивающих сил (сила светового давления действует по разному на пылевые частицы разных размеров) вызывающих разные ускорения. Если набор этих ускорений начинается от нуля, то и синхрона начинается непосредственно от ядра. Серия последовательных выбросов приводит к образованию нескольких синхрон в хвосте кометы. У хвостов III-го типа 0 < h < 2,5. Это короткие прямые хвосты, представляющие собой одну сплошную синхрону, исходящую прямо из ядра. Здесь частички пыли в силу своих относительно больших размеров и удельного веса движутся в основном под действием солнечного притяжения, только слегка ослабленного отталкиванием.

Представления о реальных физико-химических процессах, происходящих в кометах, полностью сформировались только к середине XX столетия благодаря, в первую очередь, развитию техники спектральных наблюдений и ее широкому применению для исследований комет. Напомним, что раскаленные газы, жидкости и твердые тела излучают свет с непрерывным спектром. Более холодные газы, если они состоят из атомов, излучают только на отдельных длинах волн, то есть линейчатый спектр, а если газы состоят из молекул, - то полосатый, состоящий из больших наборов линий (полос). Общая причина свечения молекул кометного вещества была установлена К. Шварцшильдом и Е. Кроном еще в 1911 г. в процессе изучения эмиссионных спектров кометы Галлея (1910 II). Ученые пришли к выводу, что молекулы кометных атмосфер резонансно переизлучают солнечный свет. Механизм свечения газов в кометах аналогичен тому, который вызывает свечение люминесцентных ламп дневного света или разноцветных ламп в витринах магазинов, вывесках и т. п. Это - резонансная флоуресценция, которая является частным случаем общего механизма люминесценции. Однако есть и другие виды свечения кометных газов, которые не могут быть объяснены резонансной флоуресценцией (например, зеленая и красная запрещенные линии кислорода, которые наблюдаются также в спектрах полярных сияний, красная линия атомарного водорода и ряд других). Причины их возникновения пытались и пытаются объяснить рядом механизмов (электронный удар, фотодиссоциация и др.). Но окончательный ответ на этот вопрос еще не получен. Ценным качеством метода спектральных измерений является то, что он, например, позволяет определить в неизвестной смеси нагретых газов (из которых состоит и рассеянное кометное вещество) не только отдельные составляющие по их характерным линиям свечения, но часто и их концентрацию, и физическое состояние (степень ионизации). Применение этого метода для исследования комет позволило получить важную информацию о химическом составе их вещества. Выяснилось, что спектры комет в основном похожи друг на друга. В первую очередь, удалось объяснить непонятные (с механической точки зрения) явления в некоторых типах кометных хвостов. В частности, хвосты III типа имеют непрерывный спектр, что подтвердило правильность предположений о их пылевом составе. С "поведением" хвостов II типа пока не все ясно. Хотя они и излучают непрерывный спектр, но есть основания считать, что он может формироваться при многократных наложениях большого количества молекулярных полос разных газовых молекул. Спектры хвостов I типа не являются непрерывными, как у хвостов II и III типов, а полосатые. Причина этого состоит в том, что в них присутствуют только ионизованные молекулы (в основном N2+, CO+ и реже CO2+). Как оказалось, именно этим вызываются аномально большие ускорения частиц кометных хвостов I типа, которые невозможно объяснить действием лучевого давления. Ранее непонятные эффекты в хвостах этого типа, такие как спиралевидные и волновые движения вещества, "захлопывание" лучей к оси симметрии хвоста, струи, выходящие из видимого ядра и некоторые другие также являются следствием разреженного и ионизованного состояния кометного вещества. Хотя некоторые из таких случаев еще не вполне объяснены, но уже понятно, что они возникают при взаимодействии комет с солнечным ветром - потоком заряженных частиц (в основном протонов и электронов), вытекающим из Солнца со скоростью 350-400 км/с, а также с силовыми линиями межпланетного электромагнитного поля.

Итак, вдали от Солнца у комет нет никаких атмосфер и они ничем не отличаются от обычных астероидов. При сближении с Солнцем на расстояния примерно 11 а.е. у них сначала появляется газовая оболочка неправильной формы (кома). Кома вместе с ядром (телом) называется головой кометы. В телескоп такая комета наблюдается как туманное пятнышко и ее можно отличить по виду от какого-нибудь удаленного звездного скопления только по заметному собственному движению. Затем, на расстояниях 3-4 а.е. от Солнца у кометы постепенно начинает развиваться хвост, который становится хорошо заметным на расстоянии менее 2 а.е. При дальнейшем сближении кометы с Солнцем ее хвост может разделиться на два и более хвостов, приобретая сложную структуру. Голова же кометы увеличивается до максимального размера на расстояниях 1,6-0,9 а.е., а затем уменьшается. Но наиболее впечатляющим образованием, простирающимся иногда на десятки и даже сотни миллионов километров, является кометный хвост. Плотность кометного хвоста ничтожна, так как состоит он только из разреженного светящегося газа и пыли. Поэтому кометам придумали еще одно называние - "видимое ничто".

В разделе "Астероиды" говорилось о спектральной классификации астероидов. По аналогии с ней предпринимаются попытки осуществить систематизацию кометных спектров и на этой основе тоже провести классификацию комет. Возможно, что при накоплении достаточно большого наблюдательного материала по спектрам разных комет это и удастся осуществить в будущем. Мы же приведем пример интересного способа описания спектров комет, предложенного чехословацким астроном И. Боушка. Для краткой характеристики спектров комет им были предложены следующие обозначения: для непрерывного спектра вводится индекс "С"; спектр излучения кометных молекул обозначается буквой "Е"; для характеристики интенсивности спектра вводятся цифры 1, 2 и 3 (в соответствии с ростом интенсивности); отсутствие непрерывного или эмиссионного спектра указывается цифрой "0"; если наиболее интенсивны полосы циана - добавляется буква "с", если есть линии натрия - буква "n", если присутствуют линии металлов - буква "М" и т.д. Кроме того, к сокращенной записи кометного спектра в скобках добавляется цифра, указывающая с точностью до 0,1 а.е. на значение гелиоцентрического расстояния кометы, на котором получен данный спектр. Например, сокращенная запись одного из спектров кометы Когоутека (1970 III) выглядит следующим образом: C3E1c(1,7). Это означает, что у кометы на гелиоцентрическом расстоянии около 1,7 а.е. наблюдался очень сильный непрерывный спектр, слабые молекулярные полосы, среди которых наиболее интенсивными были полосы циана (c).

В результате спектральных наблюдений комет в их головах и хвостах были обнаружены следующие атомы, молекулы и пылевые частицы:

1. Органические:

а) дочерние (производные): C, C2, C3, CN, CO, CS,

б) родительские: HCN, CH3CN, C3CH и др.

1. Неорганические:

а) дочерние: H, O, OH, NH, NH2

б) родительские: H2O, N2 и др.

1. Металлы: Na, Ca, Cr, Co, Mn, Fe, Ni, Cu, V, Si.

2. Ионы: CO+, CO2+, CH+, CN+, N2+, OH+, H2O+ и др.

3. Пыль - силикаты.

Следует заметить, что подбор "кандидатов" в родительские молекулы еще далеко не завершен. Многими исследователями комет предлагаются разные комбинации родительских молекул, вплоть до сложных органических соединений типа нитрилов, альдегидов, карбоновых кислот и аминокислот, составляющих основу живой материи. Сложные органические молекулы могли, в частности, образоваться в кометном веществе под действием солнечных и других видов излучений.

4. О ядрах комет

При решении проблемы о происхождении комет нельзя обойтись без знания химического состава вещества их ядер. Предположение о том, что причиной увеличения яркости комет и появления у них хвостов при сближении с Солнцем является присутствие льдов в их ядрах было высказано С.К. Всехсвятским в 1948 г., хотя близкие по смыслу идеи высказывались еще П.С. Лапласом и Ф. Бесселем. Подробная модель кометных ядер была предложена Ф. Уипплом двумя годами позже. Согласно этой модели ядро кометы представляет собой ком из "грязного снега", то есть сравнительно рыхлое образование из комков льдов разного состава (воды, аммиака, метана и углекислого газа) смерзшиеся с пылью и отдельными фрагментами горных пород. Возрастание блеска кометы объясняется ее нагреванием при сближении с Солнцем и потерей массы ее ядром вследствие испарения (точнее сублимации, то есть переходом вещества из твердой фазы сразу в парообразную, минуя жидкую). Если у новых или "молодых" комет, которые совершили всего одно или несколько прохождений через перигелий этот процесс идет очень интенсивно, так как они состоят из реликтовых (неизмененных) льдов, то у "старых" комет при возвращениях к Солнцу испарение вещества все больше замедляется по причине накопления на поверхности их ядер тугоплавких частичек (пыли и более крупных силикатных фрагментов) и образования защитной корки, которая предохраняет оставшийся под ней лед от дальнейшего испарения. Если исходить из модели Уиппла, то льды разных летучих соединений должны были бы испаряться с разными скоростями и, что самое главное - при разных температурах, а значит, на разных расстояниях от Солнца. Но это не было подтверждено спектральными наблюдениями. Поэтому в 1952 г. модель Уиппла была усовершенствована П. Свингсом и А. Дельземом. Они предположили, что в кометные ядра входят не чистые льды различных летучих соединений веществ, а их гидраты. В каждое из таких соединений наряду с "родительской" молекулой данного вещества входят и несколько молекул воды, число которых определяется свойствами "родительской" молекулы. Такие сложные гидраты могут образовываться в космическом вакууме при очень низких температурах. По физическим свойствам все они очень похожи и, в частности, испаряются примерно при одинаковой температуре и с близкими скоростями. Наиболее правдоподобной для "новых" комет в настоящее время считается модель, в которой ядро кометы представляется как очень рыхлое образование, типа гигантского снежного кома. После многократных прохождений вблизи Солнца "новая" комета стареет, то есть ее ядро уменьшается в размерах за счет потери большей части летучих соединений и покрывается коркой из нелетучих соединений. С другой стороны, ядра "старых" комет, к которым относится и комета Галлея, хорошо описываются "пятнистой" моделью. Название этой модели связано с предположением о том, что в поверхностной теплоизолирующей корке имеются дыры, трещины или другие обнажения подкоркового вещества с высоким содержание летучих соединений, из которых происходит интенсивная сублимация этих веществ, вплоть до истечения газовых струй, способных вызывать реактивные ускорения кометного ядра.

Практически вся масса вещества кометы заключена в ее ядре. Массы ядер комет, вероятно, находятся в пределах от нескольких тонн (мини-кометы) до 1011-1012 т. Массы кометных ядер в большинстве случаев определить пока не удается по причине их малости. Более или менее точно удалось оценить только массу ядра кометы Галлея по его гравитационному влиянию на космические аппараты "ВЕГА-1 и -2" (СССР) аппарат "Джотто" (Европейское космическое агентство), сближавшиеся с ним в марте 1986 г. В тот момент масса ядра кометы была близка к 6х1011т. Тогда были получены и другие чрезвычайно интересные результаты. Было обнаружено, что ядро кометы Галлея представляет собой ледяную глыбу, напоминающую по форме стоптанный башмак (Рис. 4). Размер этого тела вдоль большой оси был равен примерно 14 км, а вдоль двух малых осей - примерно по 7,5 км. Ядро кометы вращается вокруг малой оси, проходящей через "каблук", с периодом равным 53 ч. Температура поверхности кометы на ее расстоянии 0,8 а.е. от Солнца была примерно равна 360 К или 87° по Цельсию. Поверхность ядра кометы оказалась очень темной и отражает только 4% падающего на него света. Для сравнения напомним, что поверхность Луны в среднем отражает 7%, а поверхность Марса 16% падающего света. Скорее всего, ледяное тело кометы действительно покрыто теплоизолирующим слоем из тугоплавких частиц (металлов, серы, кремния, их окислов и других соединений) о существовании которого предполагал Уиппл в своей модели. Там где лед тает, струи водяного пара, углекислого и других газов вместе с пылью вырываются из-под корки (это можно видеть на снимке). Было подсчитано, что в момент прохождения перигелия комета за каждую секунду теряет около 45 т газообразных соединений и 5-8 т пыли. По оценкам запасов летучего вещества комете Галлея должно хватить на сотню тысяч лет. За это время она может еще совершить около 1300 оборотов вокруг Солнца, а затем, вероятно, пополнит число вымерших комет. Это бывшие ядра комет, которые уже не проявляют никаких признаков кометной активности и по наблюдаемым характеристикам ничем не отличаются от астероидов.

Ядро кометы Галлея в условных цветах.

Рис. 4. Ядро кометы Галлея в условных цветах. Изображение получено КА "Джотто" Европейского космического агентства (ESA) 13 марта 1986 г. с расстояния около 6500 км. Размеры ядра кометы составляли примерно 16x8x8 км. По отражательной способности - это одно из наиболее темных тел в Солнечной системе, его альбедо около 0.03.

5. Насколько опасно для земных обитателей столкновение Земли с кометой?

При прохождении Земли через кометные хвосты не было замечено никаких, даже самых незначительных эффектов. Опасность для Земли могут представлять только кометные ядра. Подтверждением этому, скорее всего, служит падение Тунгусского метеорита 30 июня 1908 г. в безлюдном таежном районе Сибири. Одно из основных свидетельств в пользу кометного происхождения Тунгусского метеорита состоит в отсутствии каких-либо обломков упавшего тела, то есть собственно метеорита. Наиболее вероятно, что это тело состояло из замерзших летучих веществ и полностью испарилось при резком торможении и взрыве в земной атмосфере. Однако испарения, то есть мельчайшие капельки вещества, должны были все же попасть на земную поверхность вблизи места взрыва. Поэтому еще одним подтверждением кометной природы этого тела считается химический состав вещества, найденного на месте катастрофы. Он очень похож на тот, что был определен по спектрам метеоров Драконид в земной атмосфере. Сейчас установлено, что метеорный поток Драконид произошел при распаде кометы Джакобини-Циннера. Кроме того, ученые И.Т. Зоткин и Л. Кресак независимо друг от друга показали, что координаты радианта Тунгусского метеорита (того направления, откуда он двигался) совпадают с координатами радианта метеорного потока Таурид, связанного с кометой Энке. Проблема кометной опасности детально проанализирована в недавно опубликованной книге [1]. Мы только отметим, что наибольшую опасность представляют собой массивные долгопериодические кометы, хотя они и попадают в зону планет земной группы примерно в десять раз реже, чем короткопериодические. Их появление чаще всего бывает неожиданным из-за произвольной ориентации плоскостей орбит и больших или очень больших периодов обращения. Более того, многие из этих комет - апериодические, то есть движутся по незамкнутым траекториям (параболическим или гиперболическим) и поэтому действительно являются новыми. У этих комет возможна более высокая скорость столкновения с Землей - до 72 км/с (на встречных траекториях), что может привести к глобальным катастрофическим последствиям - вплоть до уничтожения всей человеческой цивилизации. Возможность подобных катастрофических событий подтверждается многими фактами. Во-первых, к настоящему времени на поверхности Земли обнаружено свыше 230 больших ударных кратеров. Конечно, большинство этих кратеров, скорее всего, были образованы при падении на земную поверхность каменистых тел, которые могут пронизывать земную атмосферу практически не разрушаясь. Вполне вероятно, что какая-то часть кратеров была образована и крупными кометными ядрами или телами промежуточного состава. Но столкновения с кометами могут приводить не только к катастрофическим последствиям. Ряд ученых считает, что сразу после своего формирования при высоких температурах и охлаждения земная поверхность была очень сухая (например, как сейчас лунная), и что практически вся вода и другие летучие соединения были доставлены потоком комет, обрушившимся в то время на Землю. Кстати, кометы могли доставить не только воду, но и сложные органические соединения, возникновение которых в земных условиях, как некоторые полагают, было маловероятным, и таким образом создали основу для зарождения простейших организмов. Хотя это пока и гипотезы, но кроме Тунгусского явления, есть и другие факты, подтверждающие падения ядер комет в прошлом на Землю. Например, одно из наиболее массовых вымираний флоры и фауны за последние 230 млн. лет произошло 65 млн. лет назад (между мезозойской и кайнозойской биологическими эрами или на рубеже мелового и третичного геологических периодов), когда исчезло около 2/3 всех живых организмов, включая динозавров. С этим же моментом в геологических отложениях земной поверхности связан слой с повышенным содержанием чрезвычайно редкого на Земле элемента иридия. Ученые Л. Альварес и С. Ванденберг показали, что содержание этого элемента в тот период на земной поверхности могло резко увеличиться в результате падения крупного кометного ядра (с поперечником около 10 км), имевшего повышенное содержание иридия. Был даже найден кратер с подходящим возрастом и соответствующими морфологическими особенностями, который мог возникнуть при таком событии. Этот кратер, по имени Чиксулуб, имеет диаметр 180 км и находится на полуострове Юкатан в Мексике. Но причиной вымирания живых организмов тогда могла быть не повышенная концентрация иридия, а сильнейший взрыв, вызванный столкновением кометного ядра с земной поверхностью, который привел к выбросу в атмосферу (в том числе в ее верхние слои) огромного количества пыли. Глобальное запыление атмосферы неизбежно приводит к резкому падению температуры ее нижних слоев (на 10 и более градусов), так как пыль экранирует поток солнечного излучения. Такое изменение средней температуры может сохраняться до 1 года - так называемый эффект "ядерной зимы" (он также неизбежен при массовом применении ядерного оружия, откуда и появилось соответствующее название). Вполне вероятно, что такой эффект, вызванный падением крупного кометного ядра (но это мог быть и астероид) на земную поверхность 65 млн. лет назад, и привел к катастрофической гибели живых организмов.

Еще одно подтверждение реальности столкновений кометных ядер с планетами - уникальное событие, которое произошло "на глазах" у всего современного человечества. Имеется ввиду падение фрагментов кометы Шумейкера-Леви 9 на Юпитер в июле 1994 г. Эта комета была обнаружена в окрестностях Юпитера в начале 1993 г. уже после того, как распалась на 20 фрагментов, которые распределились вдоль ее орбиты в виде светящегося "небесного ожерелья". Как показало моделирование движения этой кометы "назад", она была либо сорванным "с места" удаленным ледяным спутником Юпитера, либо ранее захваченной планетой-гигантом обычной кометой. Скорее всего, кометное ядро было разорвано на части приливными силами при близком прохождении к Юпитеру. Падение обломков ядра кометы с размерами от 1 до 10 км со скоростью около 60 км/с происходило с 16 по 22 июля 1994 г. на обратную сторону южного полушария Юпитера. Это не позволило непосредственно наблюдать эффекты столкновений. Но последствия падений становились наблюдаемыми на видимом полушарии Юпитера уже через 40-50 мин. по причине его быстрого вращения. Они были грандиозными. Следы взрывов в виде огромных темных пятен и расходящихся от них кольцевых ударных волн (по диаметру сравнимых с Землей) на фоне юпитерианской атмосферы наблюдались во всех обсерваториях мира. Но лучшие по качеству снимки были получены с помощью орбитального телескопа "Хаббл" (см. Рис. 5), работающего за пределами земной атмосферы.

Следы падения 8 фрагментов кометы Шумейкеров-Леви-9 на Юпитер.

Рис. 5. (а) Следы падения 8 фрагментов кометы Шумейкеров-Леви-9 на Юпитер. Изображение получено с помощью телескопа им. Хаббла в видимом диапазоне; разрешение - менее 200 км.

Следы падения основной массы фрагментов кометы Шумейкеров-Леви 9 в юпитерианской атмосфере.

Рис. 5. (б) Следы падения основной массы фрагментов кометы Шумейкеров-Леви 9 в юпитерианской атмосфере, видимые в ультра-фиолетовом диапазоне. Эти следы кажутся очень темными из-за рассеяния солнечного света пылью, связанной с упавшими фрагментами кометы и оставшейся в стратосфере Юпитера. Темная точка сверху - спутник Ио, видимый на фоне Юпитера. Изображение получено с помощью телескопа им. Хаббла.

Итак, в процессе многократных прохождений вблизи Солнца кометы либо истощаются и становятся похожими на астероиды, либо разрушаются и рассеиваются, превращаясь в метеорные потоки, либо сталкиваются с более крупными телами. Если число комет, гравитационно связанных с Солнцем, ограничено, то в результате быстрой эволюции кометного вещества, это число должно со временем уменьшаться. Но по наблюдательным данным количество вновь открываемых комет не уменьшается, а скорее наоборот. Конечно, это происходит отчасти потому, что возрастает количество наземных обсерваторий, увеличиваются наблюдательные возможности и даже просто становится больше людей, занимающихся поиском новых комет. Тем не менее, по оценкам ученых поток комет во внутренние области Солнечной системы не ослабевает. Поэтому, естественно предположить, что взамен исчезающих комет откуда-то постоянно "приходят" новые. Вопрос о происхождении комет - это наиболее интересный и сложный вопрос, который стоит перед учеными, занимающимися их изучением. Как и раньше, сейчас "не все ясно" как с короткопериодическими, так и с долгопериодическими кометами. Но примерно 40-50 лет назад казалось, что ответ на вопрос о происхождении комет уже получен. Ученики крупнейшего советского космогониста О.Ю. Шмидта, занимавшегося изучением происхождения Солнечной системы, Б.Ю. Левин и В.С. Сафронов в конце 40-х гг. показали, что в процессе роста планет-гигантов (в первую очередь Юпитера и Сатурна), при достижении ими достаточно большой массы их гравитационные возмущения становятся настолько сильными, что начинается массовый выброс ими более мелких первичных тел (планетезималей) из ближайших к их орбитам кольцевых зон. Практически все не вошедшие в планеты и находящиеся в этих зонах тела были выброшены. Полученный результат позволил понять, что процесс выброса планетезималей существенно повлиял на эволюцию не только пояса астероидов (см. раздел "Астероиды") и планет земной группы, но заодно мог создать на периферии Солнечной системы резервуар кометных тел, из которого они приходят сейчас. В 1950 г. голландский астрофизик Ян Оорт, проанализировав распределение орбит известных в то время 19 долгопериодических комет, обнаружил, что большие полуоси их первичных орбит группируются к области, удаленной на расстояния более 200000 а.е. Оорт предположил, что Солнечная система окружена гигантским облаком кометных тел или ледяных планетезималей (по его оценке насчитывающим до 1011тел), находящихся на расстояниях от 2х104 до 2х105 а.е. Если в 1950 г. Оорт исходил из предположения о том, что эти тела были "заброшены" на такие расстояния в результате взрыва гипотетической планеты (которая раньше якобы существовала на месте современного главного пояса астероидов), то уже в 1951 г. перешел к представлениям, совпадающим с выводами представителей шмидтовской школы. Обнаруженное им кометное облако в дальнейшем стали называть "облаком Оорта". (Однако следует подчеркнуть, что идеи о существовании связанного с Солнцем семейства комет высказывал еще в начале 70-х годов XIX в. Дж. Скиапарелли.) Итак, согласно гипотезе Оорта это облако является тем резервуаром комет, в котором они "хранятся" и из которого под действием гравитационных возмущений от сближающихся с Солнцем звезд или гигантских газо-пылевых облаков попадают во внутреннюю область нашей планетной системы как новые. Однако те же гравитационные возмущения должны вызывать и рассеяние этого облака со временем, поэтому вопрос о его стабильности в течение времени существования Солнечной системы пока не решен.

Новые кометы становятся долгопериодическими, если возмущения от планет-гигантов или других планет их не переводят в разряд короткопериодических. Но для последних были и специальные гипотезы о происхождении. Так называемую "эруптивную" гипотезу предложил в еще 1812 г. Ж.-Л. Лагранж. Он предполагал, что кометы рождаются при вулканических выбросах с планет-гигантов. В середине XX в. эта гипотеза была развита С.К. Всехсвятским, который "перенес" источник эруптивных выбросов комет с планет-гигантов на их крупные спутники, на которых была обнаружена вулканическая активность. Но эта гипотеза (впрочем, как и гипотеза Оорта) приходит в противоречие с наблюдательными данными о короткопериодических кометах. Как ранее отмечалось, орбиты этих комет расположены очень близко к плоскости эклиптики. Это обстоятельство свидетельствует о возможной общности их происхождения. В последнее время рядом ученых развивается гипотеза о том, что большинство короткопериодических комет появляется из реликтовых поясов ледяных планетезималей (так называемых поясов Казимирчак-Полонской), возникших при формировании Солнечной системы (в той же плоскости!) и сохранившихся между планетами-гигантами. Как показывают расчеты, между орбитами всех больших планет имеются весьма широкие кольцевые зоны, в которых такие пояса малых тел могут быть вполне устойчивыми. Минимальные расстояния между зонами сильных возмущений (сферами Хилла) соседних больших планет составляют: 4,0 а.е. (Юпитер-Сатурн), 9,2 а.е. (Сатурн-Уран) и 11,2 а.е. (Уран-Нептун). Все эти величины превышают аналогичное расстояние для пары Марс-Юпитер (3,2 а.е.), в пределах которого стабильно существует главный пояс астероидов (см. раздел "Астероиды"). Сильным аргументом в пользу существования таких поясов является и открытие "занептунного" пояса малых тел Койпера, предсказанного около 50 лет назад, в котором уже обнаружено более 70 наиболее крупных тел, имеющих размеры 100-500 км. Их орбиты простираются вплоть до 200 а.е. Пояс Койпера уже может рассматриваться как источник долгопериодических комет, приходящих в центральную область Солнечной системы в результате столкновений между телами этого пояса. С другой стороны, пока не ясно, почему обнаружено так мало кометных тел (кроме астероида-кометы Хирона это еще несколько объектов) на расстояниях, соответствующих предполагаемым поясам Казимирчак-Полонской. Остается надеяться, что дальнейшие исследования комет позволят ответить на эти вопросы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Угроза с неба: рок или случайность? (Под ред. А.А. Боярчука). М: "Космосинформ", 1999, 218 с.