Космический лед. Часть вторая: кометы.

Доброго времени суток всем любителям льда! Мы продолжаем нашу серию коротких заметок «Космический лед», и в этой статье речь пойдет о кометах, своего рода, космических «гончих» для которых и миллиард километров – не круг.

Человек наблюдает за небом с глубоких времен. Для древних культур это было вызвано необходимостью, так, как небесные светила были напрямую связаны с тем или иным религиозным культом. Их расположение служило тем, кто находился в пути, картой и компасом, помогая сориентироваться и выбрать нужное направление. Да и просто глядя на звездное небо, человек не может не восхищаться красотой и упорядоченностью мира, и для него всегда представлял интерес сам механизм небесного устройства. Смена дня и ночи, фазы Луны, солнечные затмения, падающие звезды, полярные сияния – все это удивляло, интриговало и пугало. И, конечно, особый трепет человек испытывал в то время, когда видел на небе хвостатую звезду, именуемую кометой.
Появление кометы рассматривалось людьми как особый знак свыше, как предвестие важных событий, носящих при этом негативный окрас. Так, например, в 1456 году, спустя три года, после захвата турками Константинополя, знаменитая комета Галлея вызвала смятение и среди мусульман, и среди христиан, потому что первые связали ее появление с новым крестовым походом, а вторые увидели в облике хвостатой звезды кривой турецкий меч, который готов опуститься на Европу (илл.1).

Илл.1 — Изображение кометы Галлея. Гобелен из Байе, Франция, ок.1070 г.

Несмотря на то, что появлению комет придавалось магическое или божественное значение, люди старались применить научный подход к изучению данного явления. Уже в античные времена высказывались предположения о том, что природа комет имеет не атмосферный, а космический характер. Гораздо позже, в эпоху Ренессанса, с развитием науки и техники началось более тщательное изучение небесных тел, в том числе и комет, и в 1577 году, проводя наблюдения за хвостатой пришелицей, датский астроном Тихо Браге опытным путем доказал, что кометы являются самостоятельными объектами, перемещающимися в космосе. Кроме того, исходя из данного открытия, Браге сделал вывод о том, что небосвод представляет собой пространство, в котором свободно вращаются планеты и звезды, а не является комплексом твердых сфер, как считалось ранее, что еще на шаг приблизило исследователей к переоценке мироустройства.
В 1682 году английский ученый Эдмунд Галлей следил за появлением одной из так называемых Больших (или Великих) комет, отличающихся большей яркостью, что делает их заметными на небе и тем самым облегчает наблюдение за ними. Благодаря расчетам Исаака Ньютона, сделанным для Галлея, удалось вычислить траекторию движения этой кометы – оказалось, что она вращается по орбите имеющей форму эллипса. Кроме того, Эдмунд Галлей создал первый в мире каталог о более чем двадцати кометах, в котором была изложена информация об их орбитальном положении. На основе собранных данных, астроном выяснил, что Большая комета 1682 года уже пролетала мимо Земли десятилетиями ранее, и ее появления в разное время были засвидетельствованы. Галлей определил период обращения небесного тела вокруг Солнца в 75 с половиной лет, и доказательство этому стало очередное появление Большой кометы в 1759 году, уже после смерти великого ученого, в честь которого она и была названа. Последний раз комету Галлея можно было видеть в 1986 году, а ее следующий визит ожидается в 2061 году (илл.2).

Илл. 2 — Комета Галлея

Стоит сказать, что математические расчеты дают возможность создать только приблизительную (среднюю) орбиту комет. В реальности же четкой структуры движения комет не существует, так как меняющееся положение планет Солнечной системы влияет на траекторию полета комет, вследствие наличия гравитационных связей между космическими объектами. Однако не будем забегать вперед и рассмотрим все по порядку.
Итак, что же из себя представляет комета? Обобщим определения, которые даются в литературе и интернет-источниках. Комета (в переводе с древне-греческого κομήτης — косматый, волосатый) — это небесное тело небольших (по космическим меркам) размеров, которое обращается вокруг Солнца по коническому сечению с сильно вытянутой орбитой, а при приближении к Солнцу приобретает туманный вид, образуемый газопылевым облаком. Ознакомимся со строением «косматой звезды», которое представлено на иллюстрации 3.

Илл.3 — Схема строения кометы

В основе кометы лежит ядро. Именно в нем сосредоточена вся масса кометного вещества. Полагается, что это массив изо льда, пыли и вкраплений металлов, наподобие того, что присутствует в ледяных кольцах Сатурна. С середины XX столетия наибольшее признание получила модель ядра, предложенная американским астрономом Фредом Лоуренсом Уипплом и дополненная позже другими учеными. «Грязный снежный ком», как именует свою модель Уиппл, представляет собой смесь из воды и летучих веществ (метана, углекислого газа, аммиака и пр.), находящихся в твердом агрегатном состоянии (т.е. в виде льда), и тугоплавких силикатных частиц. Однако недавние американские исследования кометы Темпеля-1, произведенные при помощи космической станции Deep Impact, заставляют по-новому взглянуть на структуру ядра. Анализы показали, что это достаточно рыхлая пористая субстанция, состоящая в большей степени из пыли (силикатов), чем из замороженных газов и водяного льда; помимо этого в составе кометы Темпеля-1 обнаружены различные органические соединения, что вносит вклад в копилку теории о внеземном происхождении жизни на нашей планете.
Кометы относятся к классу малых небесных тел по сравнению с планетами и их спутниками; габариты основной массы комет варьируются от нескольких сотен метров до нескольких десятков километров.

Самая большая известная пока комета – Хирон, свыше 180 км в поперечнике.

Реальные же размеры ядер комет на сегодняшний момент определить крайне трудно, так как окружающая ядро оболочка из пыли и газа (кома), не дает возможности современным телескопическим системам заглянуть вглубь этих небесных тел (илл.4).

Илл. 4 — Размеры ядер комет

Кома вместе с ядром образует головную часть кометы и может растягиваться на сотни тысяч километров от ядра. Форма комы, как правило, близка к шарообразной, но может изменяться под воздействием светового потока. Чем дальше комета находится от светила, тем равномернее голова кометы, но по мере приближения ее к Солнцу лед из ядра начинает испаряться и высвобождается пылевая составляющая кометы, таким образом, голова кометы вытягивается и постепенно появляется ее хвостовая часть (илл.5).

Илл. 5 — Ядро, кома и хвост кометы Галлея. Фотоснимок с космического аппарата Джотто, 1986.г

При этом важно отметить, что вода в ядрах комет переходит сразу из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое; этот процесс называется сублимацией льда.

Хвосты комет бывают двух видов – плазменный и пылевой, причем у комет можно наблюдать как один хвост, так и одновременно оба (илл.6).

Илл.6 — Комета Хейла-Боппа, 1997 г. Видны газовый и плазменный хвосты.

Формирование пылевого хвоста происходит под давлением солнечного света, отталкивающего пылевую взвесь в направлении от Солнца. Длина пылевого хвоста достигает десятки миллионов километров. Свой теплый (желтоватый) оттенок пылевой хвост приобретает за счет отражения и рассеивания солнечного света. Плазменный хвост во много раз длиннее пылевого. Он образуется в результате воздействия на кометный материал солнечного ветра. Излучение Солнца ионизирует освободившиеся из ядра комет молекулы газов, иначе говоря, они получают электрический заряд. Поток протонов и электронов (солнечный ветер) также гонит заряженные частицы кометы в направлении от Солнца. Плазменный хвост имеет холодный (голубоватый) оттенок. Случается, что комета, подобно ящерице, может потерять свой плазменный хвост, который отлетает от головной части, и затем отрастить новый.
Форма хвостовой части кометы, по мнению ученых, зависит от неравномерного выброса газопылевых частиц из ядра и распределения их в космическом пространстве, а также различием частиц по химическому составу, свойствам и зависимости от солнечного излучения (илл.7).

Илл.7 — Комета Макнота

Согласно теории, разработанной русским астрономом Федором Бредихиным в конце XIX столетия, кометные хвосты делятся на три типа, исходя из величины противодействия двух сил – отталкивания (давления солнечного света) и тяготения (гравитационной силы Солнца). Первый тип – неширокий и прямолинейный хвост, четко направленный от Солнца; второй тип хвоста широкий и изогнутый к Солнцу; третий тип – короткий и прямой, и имеет по отношению к Солнцу резкое отклонение.
Вернемся снова к орбитам комет, с чего мы, собственно говоря, начали описание этих небесных тел. Выше мы уже упомянули, что орбиты комет сильно вытянуты. Наиболее удаленная точка на орбите тел, обращающихся вокруг Солнца, называется афелий, наиболее близкая к нему – перигелий. В отношении различной величины своих орбит кометы разделяются на две группы: долгопериодические и короткопериодические. Долгопериодические кометы (период обращения более 200 лет), совершая облет вокруг Солнца, устремляются к самому краю Солнечной системы на расстояние 300 астрономических единиц и дальше (за 1 астрономическую единицу – а.е., принято расстояние от Земли до Солнца – 150 миллионов километров), где происходит существенное снижение их скорости (от тысяч до сотен и десятков метров в секунду), поэтому вернуться к Солнцу они могут спустя столетия и тысячелетия. К короткопериодическим относятся кометы с периодом обращения менее 200 лет; у кометы Энке он один из самых небольших и составляет 3,3 года (илл.8).

Илл. 8 — Орбиты короткопериодических комет

Кометы этой группы относятся к тому или иному планетному семейству, связанному с тем, что их афелий находится в области близкой к орбите соответствующей планеты. Наибольшее семейство имеет Юпитер – порядка 150 комет с максимальным периодом обращения 20 лет.
По всей видимости, кометы являются остатками строительного материала, из которого создавалась Солнечная система. Современные ученые считают, что формирование комет происходит на окраинах Солнечной системы – в так называемом Облаке Оорта и Поясе Койпера. В 1950 году голландский ученый Ян Оорт сделал предположение, что Солнечную систему окружает сферическое скопление газопылевых образований, своего рода облако. Когда более массивные космические объекты по соседству с Солнечной системой создают гравитационные возмущения в облаке, это, в свою очередь, приводит к движению тел в нем (ядра будущих комет «сбрасываются» в пространство Солнечной системы и начинают свое вращение), а также оказывает влияние на изменение траектории полета существующих комет. Теория Оорта изучалась другими астрофизиками, которые пришли к выводу о существовании еще одного скопления кометного материала, меньшего по размерам, и названного в честь американского астронома Джерарда Койпера, одного из видных ученых, развивавших идею Оорта.

По оценкам ученых, край облака Оорта может находиться от Солнца на расстоянии от 1 до 4 световых лет (1 световой год равен 63 240 а.е.).

В нем находятся будущие долгопериодические кометы. Так как облако Оорта имеет сферическую форму (в виде шара), кометы могут прилететь из любой его области, следовательно, плоскости орбит долгопериодических комет наклонены под разными углами к эклиптике (плоскости орбиты Земли). Короткопериодические кометы образуются в поясе Койпера, который по форме представляет собой тороид (бублик), что обеспечивает кометам этой группы небольшое отклонение плоскости их орбит от эклиптики. Пояс Койпера располагается гораздо ближе, в пределах орбит дальних планет Солнечной системы, Нептуна и Плутона – от 30 а.е. до 50 а.е. (илл.9).

Илл.9 — Схема расположения облака Оорта, пояса Койпера и орбит комет

Каждая комета, открытая учеными, имеет свое обозначение, как правило, она называется по имени ее первооткрывателя. В 1994 году Международным астрономическим союзом было усовершенствована существовавшая классификационная система комет. Наименование включает в себя группу, год и половину месяца открытия (буквенное обозначение), порядковый номер. Группы обозначаются буквами:
P/ — короткопериодическая комета;
C/ — долгопериодическая комета;
X/ — комета, для которой не удалось вычислить орбиту;
D/ — разрушившиеся и утерянные из виду кометы;
A/ — астероиды, по ошибке принятые за кометы.
Так, например, долгопериодическая комета, которую открыл австралийский астроном Роберт Макнот 7 августа 2006 года, будет обозначаться как McNaught (C/2006 P1).

Совершая свои гонки в пространстве Солнечной системы, тысячи раз облетая наше светило, уносясь от него и снова возвращаясь к нему, кометы постепенно стареют. Высвобождая газ и пыль из ядра, они раз за разом теряют свой объем. Конечно, запаса вещества в ядре комет хватает им, чтобы кружить и кружить вокруг Солнца сотни тысяч лет. Но, в конце концов, комета заканчивает свою активную деятельность и угасает, превращаясь в космическое тело наподобие астероида, либо перестает существовать, разрушаясь на более мелкие фрагменты. Бывает, также, что комета умирает преждевременно, сталкиваясь с более крупным космическим объектом, как, например, было с кометой Шумейкеров-Леви-9 в 1994 году, когда проходя вблизи Юпитера, она была разрушена на несколько частей гравитационным полем планеты, после чего обломки поочередно буквально врезались в Юпитер.

Космическая странница исчезает из нашего поля зрения, а облако из частичек кометного вещества рассеивается в космосе. Земля, проходя через него, притягивает «звездную пыль» и мы можем увидеть ее в одном из красивых явлений на нашей планете – метеорном дожде (илл.10).

Илл. 10 — Метеорный дождь

До встречи в следующем выпуске серии «Космический лед»!