Кометы. Айсберги солнечной системы

Самой интересной космической новостью этой недели заслуженно считают встречу европейского зонда Rosetta с кометой 67Р/ Чурюмова-Герасименко. Эта комета, размерами в 3-5 км, далеко не единственная, которая удостаивалась непосредственного внимания межпланетных аппаратов. Однако есть все основания считать эту встречу знаковой и будем надеяться исторической.

Миссия зонда Rosetta является логичным следствием особого, и можно сказать мистического, интереса человечества к «косматым» ( komḗtēs) светилам, как нарекли эти небесные тела еще древние греки. Ниже мы в популярной форме разберем накопленные человечеством знания об космических «айсбергах», и постараемся понять огромный интерес к ним со стороны научного сообщества.

Пунктуальная «горевестница»

История задокументированных наблюдений комет насчитывает несколько тысяч лет, наиболее подробное описание появлений «косматых» светил можно найти в древних китайских хрониках.

Еще тогда появление этих светил связывали с мистическими и чаще всего трагическими событиями. Так появление яркой кометы в 240г до.н.э. было истолковано как знамение о скорой кончине китайской императрицы. Та же самая комета проявившаяся в небе над Римом в 12г до.н.э. уже «предрешила» участь Агриппы, близкого друга и зятя императора Августа. В 6 веке она же «учинила» засуху и беспорядки в Византии, а в 1066г, по убеждению современников, однозначно обрекла Англию на вторжение Вильгельма Завоевателя, герцога Нормандии.

Комета Галлея на гобелене из Байе, 1066 год


Впрочем, этой комете было суждено сыграть очень важную роль в истории науки. В 1682 году английским астроном Эдмунд Галлей, вычислив орбиту наблюдаемой им яркой кометы, заметил, что она совпадает с орбитами комет 1531 и 1607г. Предположив, что речь идет об одной и той же комете, он предсказал ее появление в перигее (ближайшая к солнцу точка орбиты) в 1758г.

Ее появление с месячным запозданием в 1759г было более чем достаточно для признания триумфа теории тяготения Ньютона. Комета Галлея нынче стоит в первой строчке огромного списка наблюдавшихся с тех пор комет. Ее индекс 1P/1682 указывает что она первая из комет «вернувшаяся» к Солнцу, относится к группе Р – короткопериодических комет и была открыта в 1682г.

Параметры орбиты кометы Галлея


Опять-таки благодаря комете Галлея, прошедшей по диску солнца в 1910г, астрономы смогли оценить примерные размеры кометных ядер, оно оказалось меньше 20 км. Одновременно впервые был произведен спектральный анализ хвоста «косматого» светила, как оказалось богатого ядовитыми цианом и угарным газом. Что вызвало большую панику в том же году, когда Земля прошла сквозь хвост кометы, само собой беспочвенную.

Снимок кометы Галлея 1910 года

К следующему прилету кометы в 1986 году, человечество уже не ограничилось наблюдениями с Земли (довольно неблагоприятных в том году). На «перехват» космического «айсберга» отправилась целая флотилия космических аппаратов. Состав «Армады Галлея» был следующим:

Комета Галлея в 1986 году


— Два советских зонда «Вега 1» и «Вега 2», пролетевших на расстоянии около 9 000 км от ядра кометы, составивших 3D карту ядра и передавших 1500 снимков (картинка ниже).


— Европейской зонд «Джотто», приблизившийся к ядру на расстояние в 605 км, благодаря навигационной помощи советских аппаратов (фото ниже).


— Два японских зонда «Суйсэй» и «Сакигакэ», подошедших к ядру на 150 000 и 7 млн км соответственно.
— ISEE-3 (ICE) изучавший хвост кометы Галлея с точки Лагранжа L1 (система Земля-Солнце).

Иллюстрация «Армады Галлея», изучавшей комету в 86 г


Было получено огромное количество информации о кометном веществе, сделаны тысячи снимков ядра. Оценка размеров ядра кометы подтвердила наблюдения 1910г – ядро неправильной формы 15/8км. Получен большой опыт по взаимодействию разных космических агентств, в решении сложных технологических проблем.

К сожалению, долго ожидавшийся научным сообществом «год кометы Галлея» был омрачен двумя техногенными катастрофами – гибелью экипажа «Челленджера» и аварией на Чернобыльской АЭС.

Помимо кометы Галлея, астрономы насчитывают тысячи наблюдавшихся за последние 300 лет комет. Ядра имеют размеры от нескольких десятков метров до десятков километров, и представляют собой смесь пыли и льда, чаще всего водяного, аммиачного и/или метанового (так называемая модель «грязного снежка» Уиппла). Однако очевидно, что многие ядра могут в некоторой мере отходить от этой модели. Так космический зонд Deep impact, сбросивший «снаряд» на комету Темпеля 1, в 2005 году, позволил установить, что комета состоит в основном из пористого пылевого каркаса.

«Бомбардировка» кометы Темпеля зондом Deep impact и последующий пролет около кометы зонда Stardust

Являясь сохранившимися кирпичиками первичного стройматериала солнечной системы, кометы представляют огромный интерес для геологии, химии и биологии. Предположительно именно кометы доставили в древности на Землю основную часть воды ее гидросферы. В спектральных линиях многих комет обнаружены сложные органические соединения вплоть до аминокислот и мочевины. Ученые предполагают, что именно кометы, являясь инкубаторами сложных органических соединений, могли занести на Землю химическую базу для появления жизни.

Приближаясь к перигелию, кометные ядра, под действием солнечного излучения, начинают извергать огромные объемы газов, минуя жидкое агрегатное состояние таящего льда (возгонка). Газы в свою очередь увлекают за собой большие массы смешанной во льду пыли, которая вместе с частицами льда сдувается, под действием солнечного излучения и ветра, в противоположную от звезды сторону.

Размеры кометных «хвостов» могут достигать нескольких сотен миллионов километров в длину. Так, в 1996 году, космический зонд «Ulysses» (НАСА/ЕКА), неожиданно прошел сквозь хвост Большой кометы 1996 года C/1996 Хякутакэ… в 500 млн километров позади нее!

Впрочем, хвосты комет далеко не всегда бывают «прямыми» или направленными обратно от солнца. В зависимости от орбитальных особенностей кометы, его состава, солнечного ветра или взаимодействия магнитного поля солнца с ионизированным веществом «косматого» светила, хвост может быть направлен как перпендикулярно, так и в сторону солнечного излучения. Причем у одной кометы хвост может состоять из нескольких разнонаправленных частей, или вовсе иметь вид огромной газово-пылевой оболочки.

Комета 17Р/ Холмса является примером атипичного строения газопылевой оболочки (кома) кометы, показаны сравнительные размеры ее комы с Солнцем и Сатурном

С 1995года, все кометы обычно разделяются на классы: P/ — Короткопериодические кометы, с периодом обращения менее 200 лет. С/ — долгопериодические кометы, с периодом обращения более чем в 200 лет. Х/ — кометы с неизвестными параметрами орбиты (исторические кометы). D/ — разрушившиеся или «утерянные» кометы и наконец класс А/ — астероиды, принятые за кометы.

Столкновение кометы Шумейкеров-Леви 9 с Юпитером в 1994г. Позднее комета переквалифицирована в класс «смертников» D/ 1993 F


Перед индексом класса (чаще всего Р/) обычно располагают порядковый номер подтвержденного прохода кометой перигелия (ближайшей точки орбиты), а после — год открытия. После года открытия обычно выставляют букву обозначающую ½ месяца и порядковый номер открытия, например А для комет открытых в первую половину января и Y соответственно для второй половины декабря. И уже в конце указываются имена первооткрывателей. Так, номенклатурное имя кометы Чурюмова-Герасименко выгляделo бы примерно так: 67P/ 1969 R1. Однако чаще всего сокращается в виде (n)P/Фамилия первооткрывателя.

Особое внимание заслуживает класс «комет экстремалов», проходящих чрезвычайно близко с Солнцу. Почти всегда они фиксируются космическими зондами изучающими нашу звезду — SOHO и «близнецы» Stereo A и B. Предполагается что основная часть этих комет представляет из себя осколки одной гигантской кометы, разрушившейся тысячи лет назад (кометы Крейца)

«Гарем Царя» планет

Основная часть короткопериодических комет в свою очередь делится на 4 больших семейства, по параметрам орбиты и гравитационному влиянию «хозяйской» планеты-гиганта. Наиболее многочисленным «семейством» обладает Юпитер, именно ему «принадлежат » следующие кометы:

19Р/ Борелли, рядом с которой работал зонд Deep Space 1 (НАСА) в 2001г;


103Р/ Хартли 2, изучалась зондом Deep Impact (НАСА) в 2010г (анимация ниже), после выше упомянутого посещения кометы 9Р/ Темпеля (Темпель 1), другого типичного представителя «семейства»;


Комета 81Р/Вильда, рядом с которой зонд Stardust (НАСА) смог собрать образцы пыли и доставить их на Землю в 2006г;


Комета 67Р/ Чурюмова-Герасименко, изучаемая зондом Rozetta (ЕКА), так же по своим характеристикам относится к «семейству царя» планет.

Далее соответственно следуют семейства комет Сатурна, Урана и Нептуна, причем упомянутая вначале комета Галлея является типичным представителем короткопериодичных комет семейства Нептуна.

«Хаос» в поясе «стабильности»

Некоторые короткопериодические кометы по наиболее популярной среди ученых версии, «прилетают» к нам из внешних границ пояса Койпера – Рассеяного диска (РД). РД вместе с поясом Койпера представляет собой огромный диск из крупных ледяных тел диаметром от нескольких десятков метров, до тысяч километров (Плутон и Харон). Простираясь с расстояния от 35 астрономических единиц (орбита Нептуна), до внешних границ в 50 а.е. ( или 100 а.е. с РД) пояс имеет оценочную массу в 1-8 масс Луны (пояс астероидов не массивнее 0,04 масс Луны). Собственно пояс Койпера в целом стабилен, благодаря орбитальным резонансам с Нептуном и друг с другом.

Карта распределения известных объектов пояса Койпера (график расстояний в a.e.)

Современное состояние пояса Койпера и облака Оорта, связывают с древнейшей миграцией Нептуна во внешние области солнечной системы, под действием резонансов Юпитера и Сатурна. Часть вещества была выброшена из солнечной системы, часть, вместе с облаком Оорта — в ее внешние части. Миллионы же других обломков были отброшены во внутреннюю часть солнечной системы, вызвав позднюю тяжелую бомбардировку 4-3,5 млрд лет назад.

Солнечная система перед «миграцией» Нептуна (фиолетовая орбита) — (а), во время (b) и после ©. Зеленым обозначена орбита Урана

Для объяснения нестабильности внешнего, рассеянного диска, придется прибегнуть к азам небесной механики. Два главных параметра орбиты небесного тела это апоцентр (точка наибольшего удаления от поверхности планеты или звезды, в последнем случае говорят о апогелии) и перицентр (наиболее близкая точка орбиты, или в случае обращения вокруг солнца — перигелий). Разница между этими значениями выражается в эксцентриситете орбиты – степень ее отклонения от идеального круга (е=0) к эллипсу (e>0, но <1) и дальше к параболе (е=1) и гиперболе (e>1)


В двух последних случаях речь идет о траектории невозвращения. Изменение параметров орбиты возможно в любой ее точке, но сильнее всего на апогелий влияют изменения скоростей в перигелии (увеличение апогелия при ускорении и уменьшение при торможении) и наоборот. И чем сильнее эксцентриситет, тем больше эффект от изменения скоростей. Более того, «чувствительность» орбиты к возмущениям возрастает с ее высотой, так как с увеличением орбиты обратно пропорционально падает скорость орбитального обращения тела (люди знакомые с симуляторами Orbiter и KSP знают об этом не по наслышке).

Во внутренней части солнечной системы, в зоне планет земной группы и пояса астероидов, орбитальные скорости тел довольно велики (десятки км/с), а эксцентриситеты относительно малы. Поэтому для сильных орбитальных возмущений необходимо затратить много энергии. На внешней границе пояса Койпера, в рассеянном диске, орбитальные скорости тел обычно лежат в пределах от нескольких км до нескольких сотен м/с, поэтому даже небольшие гравитационные возмущения или столкновения очень сильно изменяют эксцентриситет. Небесное тело значительно увеличивает свой апогелий (ускорение), или уменьшает перигелий (торможение), направляясь во внутренние части солнечной системы.

Таблица разности орбитальных скоростей в солнечной системе? Меркурий — Марс (земная группа), Юпитер — Нептун (гиганты) и Плутон (внутреняя часть пояса Койпера)

Космические дальнобойщики

Но все же по наиболее распространенному в научном сообществе мнению, большинство короткопериодических комет класса Р/ и все кометы класса С/ прилетают к нам из предполагаемого облака Оорта. Внутренняя часть Облака, имеет вид тороидального пояса, протянувшегося на расстояние от 2000 до 20 000 астрономических единиц (облако Хиллса). Массу этого облака оценивают минимум в два десятка масс Земли.

Сравнительные размеры орбит планет земной группы на фоне пояса Койпера, и соответственно размеры последнего на фоне облака Оорта


Облако Хиллса служит своеобразной подпиткой внешнего, сферического облака, массовой в несколько земных масс, протянувшегося с расстояния с 20 000 а.е. до 1 светового года, до гравитационной границы солнечной системы (сфера Хилла). Именно внешнее облако Оорта и считают главным «поставщиком» комет во внутреннюю часть солнечной системы. Предположительно это остатки первичного «строительного материала» солнечной системы, поэтому данные объекты представляют огромный научный интерес. Эффекты торможения и ускорения, описанные для пояса Койпера, действуют тут гораздо сильнее, из за крайне низких орбитальных скоростей комет (метры в секунду).

Из наиболее известных долгопериодических комет последних десятилетий следует отметить кометы C/1996 B2 Хякутакэ, С/ 2006 R1 и С/ 2009 Р1 Макнота. Явившись к нем из далеких областей облака Оорта, обе кометы в первый и последний раз, пролетев перигелий, навсегда покинули солнечную систему по гиперболической траектории (эксцентриситет больше 1).

C/1996 B2 Хякутакэ на земном небосводе

С/ 2006 Р1 Макнота («Большая комета 2007 года») с очередным примером арочной «неправильной» комы

В 2010 году комета Еленина (С/ 2010 Х1) намеревалась поступить так же, однако гравитационное возмущение Юпитера «прописало» комету в солнечной системе, снизив эксцентриситет ниже 1 (апогелий около 500 а.е.). Знаменитая «Большая комета 1997 года» Хейла Боппа (С/ 1995 01) намеревалась лишь дать очередной круг почета у перигелия своей, почти перпендикулярной к плоскости Земной, орбиты. Однако неумолимая гравитация Юпитера и в этот раз сократила перигелий кометы вдвое – с 600 (период обращения 4800 лет) до 350 а.е (период обращения 2400 лет).

«Большая комета 1997 года» Хейла Боппа


И пожалуй самым большим астрономическим разочарованием 2013 года стала комета ISON (С/2012 S1), двигаясь по параболической траектории (e=1) из самых окраин солнечной системы, небесное тело буквально развалилось при прохождении своего перигелия.


Моделирование истории изменения орбиты нашей старой знакомой кометы Галлея, показало, что она тоже пришла в солнечную систему из далекого облака Оорта. Гравитационные возмущения планет гигантов, как в случае со многими другими кометами, «прописало» ее в семействе комет Нептуна. Апогелий орбиты кометы едва касается пояса Койпера (35 а.е.), а перигелий проходит ближе чем Венера в 88млн км от Солнца. В следующий раз комета вернется к перигелию в 2061 году.

В заключение хотел бы вспомнить слова Марка Твена, как и я родившегося в год появления кометы Галлея (хоть и разницей в 150 лет): «Я пришёл в этот мир с кометой и уйду тоже с ней, когда она прилетит в следующем году» © 1909г. Мистер Твен действительно ушел в 1910, а вместе с ним Лев Толстой и известный итальянский астроном Скиапарелли. Согласитесь, не самая скучная компания для путешествия по солнечной системе.

Читателям же я искренне желаю дожить до того знаменательного времени, и пускай никакие техногенные катастрофы или смерть кумиров не испортят вашего впечатления от восхищения красотой знаменитой космической странницы.





Источник: habrahabr.ru/post/232631/