Кометы

Кометы (от греч. kometes — длинноволосый), тела Солнечной системы, движутся по сильно вытянутым орбитам. Самый короткий период обращения у кометы Энке. От орбиты Меркурия до орбиты Юпитера и обратно комета проходит за 3,3 года. Самый длинный период (из известных) у кометы Делавана. Она удаляется на 170 000 а.е. и возвращается через 24 млн. лет.

В комете выделяют голову и хвост. Голова состоит из твёрдого ядра и газового окружения — комы.

Диаметр ядра кометы от 0,5 до 20 км. (у кометы Галлея 16 x 8 x 8 км.), масса 10¹¹- 10¹⁹кг. (до 10^-4 массы Земли). Образованы ядра ледяным конгломератом с примесью каменистых и железистых частиц. Основу льдов (80%) составляет вода, остальное — твёрдая углекислота (сухой лед), метановый, аммиачный лёд и другие замороженные газы. На очень близких расстояниях от Солнца в спектре ядра наблюдаются линии металлов. Это доказывает, что, кроме летучих веществ, в ядрах комет присутствуют и тугоплавкие. В веществе ядра могли сохраниться реликтовые органические вещества — первые кирпичики, из которых сложилась жизнь в Солнечной системе.

Кома — это атмосфера кометы, она может достигать сотен тысяч километров. Кома представляет собой очень разреженную газовую среду с концентрацией молекул 10⁵- 10¹⁰ см^-3.

На значительных расстояниях от Солнца кометы выглядят как слабо светящиеся пятнышки овальной формы, хвост отсутствует или очень мал, хорошо видна только кома.. При приближении кометы к Солнцу на расстояние 4,5 а.е. температура достигает 133 К и льды начинают испаряться. Сначала испаряются метан, аммиак, водород образуя кому. Яркость комы возрастает по направлению к ядру.

Войдя внутрь орбиты Земли (1 а.е. от Солнца), комета попадает в область сильного нагрева, в результате чего происходит быстрое развитие хвоста кометы. Хвост растет с огромной скоростью, около 10⁶ км в сутки, пока не достигнет величины около 10⁸ км. Хвост кометы состоит из улетучивающихся из ядра под действием солнечных лучей молекул (ионов) газов и частиц пыли (цвет и поляризация света, отражённого пылевыми частицами, указывает на то, что их размеры в головах комет составляют около 0,25- 5 мкм). Истечение газа из ядра становится очень интенсивным, ядро может терять 30- 40 тонн газа ежесекундно. Например комета Галлея при каждом подходе к Земле теряет 200 м в диаметре. Предполагают, что к концу III тысячелетия комета расколется на рой обломков.

Интенсивное выделение происходит из наиболее нагретого участка поверхности ядра, который, вследствие вращения ядра, расположен не точно с солнечной стороны, а несколько смещен в сторону вращения. В результате появляется компонента реактивной силы, которая либо ускоряет движение кометы, если вращение ядра происходит в том же направлении, что и обращение кометы около Солнца, или замедляет его, если вращение и обращение происходят в противоположных направлениях.

Хвост кометы всегда направлен от Солнца. Силы, отталкивающие кометный хвост от Солнца, — это световое давление и корпускулярные потоки. Корпускулярные потоки несут с собой магнитное поле, и так как ионы не могут двигаться поперек силовых линий, то через это поле передают давление на ионизованный газ в кометных хвостах.

Скорость движения вещества в хвостах может быть измерена в тех случаях, когда в них заметны какие- либо конденсации в виде узелков или небольших облачков. В некоторых случаях эти скорости очень велики и отталкивающие силы в 10³ раз превосходят действие солнечной гравитации. Однако чаще всего различие не превосходит нескольких раз.

Согласно классификации, разработанной во второй половине 19 в. Ф. А. Бредихиным, хвосты комет подразделяются на 3 типа: хвосты 1- го типа, в которых отталкивающие силы в 10- 100 раз больше сил притяжения и которые поэтому направлены прямо от Солнца, хвосты 2- го типа, в которых отталкивающие силы несколько больше сил притяжения и поэтому хвосты изогнуты и отклоняются назад по отношению к орбитальному движению кометы, хвосты 3- го типа, в которых отталкивающие силы несколько меньше сил притяжения, поэтому хвосты почти прямые, но заметно отклоняются назад.

При некоторых взаимных положениях Земли, кометы и Солнца, отклонённые назад хвосты 2- го и 3- го типа видны с Земли как бы направленными в сторону Солнца (так называемые аномальные хвосты). Физическая интерпретация разделения хвостов на типы, предложенная Бредихиным, в последующие годы значительно развивалась и в 70- х гг. 20 в. получила следующее содержание. Хвосты 1- го типа — плазменные и состоят из ионизованных молекул СО+, N₂+, СН+, которые с большими ускорениями под действием солнечного ветра уносятся в сторону, противоположную направлению на Солнце. Хвосты 2- го типа образуются пылевыми частицами разной величины, непрерывно выделяющимися из ядра, хвосты же 3- го типа появляются в том случае, когда из ядра одновременно выделяется целое облако пылинок.

Пылинки разной величины под действием светового давления получают различное ускорение, и облако растягивается в полосу, образующую хвост кометы, так называемую синхрону. Редко наблюдается прямой натриевый хвост, направленный вдоль плазменного хвоста (1- го типа).

Нейтральные молекулы, присутствующие в голове кометы, приобретают под действием светового давления примерно такое же ускорение, как и пылевые частицы, и поэтому движутся в направлении хвоста 2- го типа. Однако время их жизни до фотодиссоциации (или ионизации) солнечным излучением составляет всего несколько часов. Поэтому они не успевают продвинуться далеко в хвост 2- го типа. Иногда их удаётся заметить в небольшом количестве только в начальном отрезке хвоста.

Непрерывно выделяющиеся из ядра и движущиеся под действием одинакового ускорения частицы равной величины располагаются в пространстве вдоль искривлённой линии — так называемой синдинамы. Хвосты 2- го типа представляют собой веер синдинам, соответствующим пылинкам разных размеров. Видимая форма хвоста 2- го типа определяется при этом распределением пылевых частиц по размерам. Таким образом, видимый хвост 2-го типа представляет собой полосу максимальной яркости в пределах веера.

Наибольшей длины достигают, как правило, хвосты 1- го типа, простираясь на сотни млн. км. Однако их плотность, по- видимому, не превышает 10²- 10³ ионов/см³.

Как и звёзды кометы различаются своим блеском. Самой яркой из известных была комета 1882 г., подходившая к Солнцу на очень небольшое расстояние. Её блеск в перигелии достигал -17 звёздной величины, т. е. она давала в 60 раз больше света, чем Луна в полнолуние. Она была самым ярким небесным объектом после Солнца и была хорошо видна днём вблизи поверхности Солнца. Однако большинство комет. видно только в телескопы.

Блеск кометы быстро увеличивается с изменением её расстояния r от Солнца и зависит также от её расстояния D от Земли. Звёздная величина т головы кометы может быть представлена эмпирической зависимостью т = т_о + 5 lg D + 2,5т lg r. Советский астроном Б.Ю. Левин, на основании физических соображений, установил иную зависимость: т = А + В (r + 5 lgD). В этих формулах т — абсолютный блеск, r, А и В — постоянные, у большинства комет r>4, т.е. свечение головы кометы изменяется приблизительно обратно пропорционально r ⁴. На регулярное изменение блеска кометы с изменением r накладываются иногда неправильные колебания, которые, возможно, связаны с солнечной активностью. У многих периодических комет наблюдается вековое ослабление блеска, которое объясняют исчерпыванием запасов светящегося вещества.

Движение комет по небу объяснил впервые Эдмунд Галлей (1705 г.), который нашёл, что их орбиты близки к параболам. Он определил орбиты 24 ярких комет, причем оказалось, что кометы 1531, 1607 и 1682 гг. имеют очень сходные орбиты. Отсюда Галлей сделал вывод, что это одна и та же комета, которая движется вокруг Солнца по очень вытянутому эллипсу с периодом около 76 лет. Галлей предсказал, что в 1758 г. она должна появиться вновь, и в декабре 1758 г. она действительно была обнаружена. Сам Галлей не дожил до этого времени и не смог увидеть, как блестяще подтвердилось его предсказание. Эта комета (одна из самых ярких) была названа кометой Галлея. Она, кстати, является единственной кометой, для которой точно вычислена орбита.

Поиски комет производились сначала визуально, а потом и по фотографиям, но открытия комет при визуальных наблюдениях совершаются нередко и сейчас.

Кометы обозначаются по фамилиям лиц, их открывших. Кроме того, вновь открытой комете присваивается предварительное обозначение по году открытия с добавлением буквы латинского алфавита, указывающей порядковый номер среди комет, найденных в данном году. Потом предварительное обозначение пересматривается, и буква заменяется римской цифрой, указывающей последовательность прохождения кометы через перигелий в данном году.

Лишь небольшая часть комет, наблюдаемых ежегодно, принадлежит к числу периодических, т.е. известных но своим прежним появлениям. Большая часть комет движется по очень вытянутым эллипсам, почти параболам. Периоды обращения их точно не известны, но есть основания полагать, что они достигают многих миллионов лет. Такие кометы удаляются от Солнца на расстояния, сравнимые с межзвездными. Плоскости их почти параболических орбит не концентрируются к плоскости эклиптики и распределены в пространстве случайным образом. Прямое направление движения встречается так же часто, как и обратное. Периодические кометы движутся по менее вытянутым эллиптическим орбитам и имеют совсем иные характеристики. Наиболее известные периодические кометы — Галлея (период Р = 76 лет), Энке (Р = 3,3 года), Швассмана- Вахмана, орбита которой лежит между орбитами Юпитера и Сатурна.

Короткопериодические кометы (т.е. кометы, имеющие периоды 3- 10 лет) принято делить на «семейства» по величине афелийных расстояний. Среди них выделяется «семейство Юпитера» — большая группа комет, афелии которых удалены от Солнца на такое же расстояние, как орбита Юпитера..

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).

Предполагается, что семейства эти образовалось в результате захвата планетой комет, которые двигались ранее по более вытянутым орбитам. В зависимости от взаимного расположения планеты- гиганта и кометы эксцентриситет кометной орбиты может как возрастать, так и уменьшаться. В первом случае происходит увеличение периода или даже переход на гиперболическую орбиту и потеря кометы Солнечной системой, во втором — уменьшение периода.

Орбиты периодических комет подвержены очень заметным изменениям. Иногда комета проходит вблизи Земли несколько раз, а потом притяжением планет- гигантов отбрасывается на более удаленную орбиту и становится ненаблюдаемой. В других случаях, наоборот, комета, ранее никогда не наблюдавшаяся, становится видимой из- за того, что она прошла вблизи Юпитера или Сатурна и резко изменила орбиту.

Интересную группу комет, «задевающих Солнце», образуют несколько долгопериодических комет. Все они имеют очень малые перигелийные расстояния, в пределах 0,0055- 0,0097 а. е. ( т. е. их перигелии удалены от поверхности Солнца на 0,5- 1 радиус Солнца), и примерно одинаковые остальные элементы орбиты. Весьма вероятно, что эти кометы — продукты распада одной материнской кометы.

Всего обнаружено уже более 700 долгопериодических комет. Примерно шестая из них наблюдались только в течение одного сближения с Солнцем.

В движении ряда комет, в первую очередь короткопериодических, обнаружены также эффекты, не объяснимые притяжением их известными телами Солнечной системы (так называемые негравитационные эффекты). Так, одни кометы испытывают вековое ускорение, а другие — вековые замедления движения, являющиеся, по- видимому, результатом реактивного эффекта от выделяющихся из ядра потоков вещества.

Достоверно установлено, что кометы быстро разрушаются. Яркость короткопериодических комет ослабевает со временем, а в некоторых случаях процесс разрушения наблюдался почти непосредственно. Классическим примером является комета Биэлы.

Она была открыта в 1772 г. и наблюдалась в 1815, 1826 и 1832 гг. В 1845 г. размеры кометы оказались увеличенными, а в январе 1846 г. наблюдатели с удивлением обнаружили две очень близкие кометы вместо одной. Были вычислены относительные движения обеих комет, и оказалось, что комета Биэлы разделилась на две еще около года назад, но вначале компоненты проектировались один на другой, и разделение было замечено не сразу. Комета Биэлы наблюдалась еще один раз, причем один компонент был много слабее другого, и больше ее найти не удалось. Зато неоднократно наблюдался метеорный поток, орбита которого совпадала с орбитой кометы Биэлы. Кстати, в настоящее время считается, что все метеорные потоки обязаны своим происхождением распавшимся кометам. Так, поток Леонид порождён кометой Темпеля- Туттля, поток Персеид — кометой Свифта- Туттля.

Все вышеперечисленные факты говорят о том, что должны существовать те или иные источники пополнения их количества.

Согласно одной гипотезе, разрабатываемой советским астрономом С. К. Всехсвятским, кометы являются результатами мощных вулканических извержений на больших планетах и их спутниках.

По другой гипотезе, предложенной голландским астрономом Я. Оортом, ныне наблюдаемые кометы приходят в окрестности Солнца из гигантского кометного облака, окружающего Солнечную систему и простирающегося до расстояний в 1 пк, которое образовалось в эпоху формирования планет- гигантов. 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 протопланетных тел (планетезималей) из ближайших к их орбитам кольцевых зон. Этот процесс не только повлиял на пояс астероидов и планеты земной группы, но заодно мог создать на периферии Солнечной системы резервуар кометных тел, из которого они и приходят сейчас — облако Оорта.

Под воздействием возмущений от притяжения звёзд некоторые кометы этого облака могут переходить на орбиты с малыми перигелийными расстояниями и становиться таким образом наблюдаемыми.

Лучшему пониманию природы комет во многом способствуют лабораторные эксперименты по моделированию комет. Удалось, в частности, воспроизвести сублимацию запыленных кометных льдов с выбросом метеорных частиц из ядра, образование ионизированных структур, напоминающих хвосты 1- го типа. С помощью геофизических ракет и космических зондов на высотах от нескольких сот до десятков тыс. км созданы искусственные облака из паров щелочных металлов — так называемые кометы искусственные, которые подготовили почву для моделирования комет в открытом космосе.

А для непосредственного изучения состава, магнитных полей и прочих физических особенностей комет к ним посылаются космические зонды, такие как, например, «Deep Impact» или «Stardust».

Если бы Земля столкнулась с кометой, то это не привело бы к каким- либо катастрофическим последствиям.

При прохождении Земли сквозь кометный хвост лишь немного увеличилась бы яркость неба, а столкновение с головой привело бы к сильному метеорному дождю. В 1908 г. в Сибири наблюдался огромный болид, который взорвался вблизи реки Подкаменной Тунгуски. К сожалению, только через 20 лет в эти места была направлена экспедиция, но и тогда последствия этой катастрофы были вполне ощутимы: в радиусе 30 км. воздушной волной были повалены все деревья. Метеорное тело найдено не было и возникла гипотеза, что оно было целиком разрушено, не достигнув Земли. Возможно, это тело было ядром небольшой кометы, состоящее в основном из ледяного льда.

В 1994 г. комета Шумейкеров- Леви врезалась в атмосферу планеты Юпитер, вызвав мощные возмущения.