Текст книги "Кометы. Странники Солнечной системы"

Миссия «Розетты» и «Филы» до сих пор является вершиной научной программы по изучению комет. Она собрала огромный массив данных, которые все еще анализируются и применяются в новых статьях, моделях и теориях. Впервые у кометы было открыто магнитное поле, но «Филы» не смог обнаружить его непосредственно на поверхности кометы. Из этого ученые сделали вывод, что магнитное поле генерируется не ядром, а потоками солнечного ветра, обтекающими его. Было точно установлено, что вода, содержащаяся в комете, совсем не похожа на воду земных океанов, а значит, эти данные поднимают новые вопросы о появлении воды на юной Земле. Об этом мы еще обязательно поговорим. «Розетта» и «Филы» получили наиболее детальные и, безусловно, самые потрясающие снимки кометного ядра. Теперь мы знаем о нем пусть не все, но уже многое. Человечество прошло длинный путь понимания природы комет – от небесного огня до снимков с поверхности кометы. Оно смогло дотянуться, пусть пока манипуляторами роботов, до других космических миров. И это заслуживает уважения!

III. Природа комет

Я рассказал о долгом тысячелетнем пути, который человечество прошло прежде, чем приблизилось к пониманию природы комет. Что же они такое на самом деле? Именно об этом мы более детально поговорим в этой главе. И начнем с самого загадочного и важного элемента – кометного ядра. О хвостах комет люди знают уже тысячи лет, в то время как об астероидах всего лишь чуть более двухсот[53]53
  Первый астероид – Церера (ныне карликовая планета), был открыт итальянским астрономом Джузеппе Пьяцци в Палермской астрономической обсерватории 1 января 1801 г.


[Закрыть]. Но комета – это ее ядро, а все остальное – кома и хвост – лишь следствие его активности. По иронии природы человечество увидело ядро кометы лишь недавно. Это произошло в 1986 году, когда флот космических кораблей изучал Великую комету Галлея. За последние десятилетия произошел огромный скачок в изучении этих тел, и я расскажу о том, что мы знаем о них сегодня. Итак, давайте погрузимся в глубь газово-пылевой оболочки, туда, где от посторонних глаз скрыт настоящий реликт Солнечной системы – кометное ядро.

Как я уже писал в предыдущей главе, общее понимание того, чем является крохотное, по сравнению с комой и хвостом, кометное ядро, появилось в начале 1950-х годов. Да, отдельные и в целом верные идеи о том, что собой представляет «сердце» кометы, возникали и ранее. В 1927 году французский астроном Фернан Бальде и его американский коллега Эрл Слайфер[54]54
  Его брат Весто Слайфер впервые выполнил измерения лучевых скоростей галактик и первым связал красное смещение со скоростью.


[Закрыть], изучая комету 7P/Pons-Winnecke, высказали предположение, что ее ядро – совсем небольшой, диаметром в две-три мили, монолитный объект. Напомню, что в то время активно продвигалась теория «песчаной горы» или «отмели», описывающей кометное ядро как облако или рой гравитационно связанных между собой мелких частиц, содержащих адсорбированные газы[55]55
  Адсорбция – самопроизвольный процесс поглощения твердым телом либо жидкостью различных веществ из окружающей среды.


[Закрыть], а та активность, что мы наблюдаем у комет, является не чем иным, как обратным процессом – десорбцией, то есть их высвобождением в окружающее пространство.

Схематичное строение комет

В военном 1943 году молодой советский астроном Борис Юльевич Левин высказал идею, что кометные ядра по физико-химической природе похожи на метеоритное вещество и отличаются лишь своими размерами и количеством сорбированных (поглощенных) газов. Следующий шаг вперед в 1948 году сделал советский астроном Сергей Константинович Всехсвятский, первым предположивший, что кометные ядра могут содержать лед, а наблюдаемая активность связана не с десорбцией поглощенных газов, а с их сублимацией (превращением твердого тела непосредственно в газ) при приближении к Солнцу. Он был близок к разгадке тайны, но, к сожалению, не стал развивать свою идею. Год спустя Левин в своей научно-популярной статье, опубликованной в журнале «Природа», также пишет о возможном присутствии льдов в составе кометных ядер, и снова это высказывание остается без должного научного развития.

И только Фред Лоуренс Уиппл объединил воедино летавшие в воздухе идеи. Добавив к ним свои революционные мысли, в 1950 году он выдвинул концепцию «грязного снежка», объяснявшую многие особенности наблюдаемого поведения комет. И хотя Уиппл обошел вопрос процентного соотношения метеоритного вещества и льдов, но все же он был уверен, что это каменистые тела с вкраплениями льдов, а не наоборот. Так что устоявшееся «название» модели не совсем верно, скорее это «камни, облепленные снегом». Да, его модель была достаточно проста: она не рассматривала подповерхностную структуру ядра, но главное, что она кардинально отличалась от «горы песка» или «ядра-роя». Все дальнейшие исследования лишь дополняли ее. Стоит отметить, что именно Уиппл первым предположил, что в Солнечной системе есть «дремлющие» (dormant) кометы – тела, которые полностью исчерпали свои запасы летучих веществ, по крайней мере на поверхности, и мы наблюдаем их как обычные астероиды. Первым кандидатом в такие объекты стал странный астероид на кометной орбите – (944) Идальго, обнаруженный в 1920 году немецким астрономом Вальтером Бааде. Сейчас он считается и первым из открытых кентавров, о которых мы уже говорили в первой главе.

В 1971 году бельгийский астроном Арман Дельсемм развил модель сублимации водяного льда и других летучих веществ, содержащихся в кометном ядре. На базе этой теории американский астроном британского происхождения Брайан Марсден[56]56
  Брайан Джеффри Марсден (англ. Brian Geoffrey Marsden; 1937–2010) – английский и американский астроном, первооткрыватель астероидов, создатель теории движения комет с учетом воздействия на них негравитационных сил. С 1978 по 2006 г. руководил Центром малых планет.


[Закрыть], о котором я еще не раз упомяну на страницах этой книги, в 1973 году создал фундаментальную теорию негравитационных возмущений в движении комет, вызванных их активностью, по сути – реактивными силами. В 1986 году космические аппараты «Вега-1», «Вега-2» и «Giotto» («Джотто») получили первые в истории снимки ядра кометы, которые окончательно подтвердили правильность модели Уиппла.

Теперь мы знаем, что представляет собой кометное ядро, но как оно образовалось? На этот счет, как принято у ученых, есть несколько мнений (моделей). Первым, в 1985 году, свою теорию «пушистой совокупности» (fluffy-aggregate) опубликовал американский астроном Бертрам Донн, а спустя год он развил эту идею в совместной статье с британским коллегой Дэвидом Хьюзом. Ученые представили модель образования кометного ядра как совокупности небольших ледяных планетезималей, к объединению которых привели хаотичные низкоэнергетические столкновения (столкновения с малой относительной скоростью). Поэтому кометные ядра должны выглядеть как очень пористые тела неправильной формы. Напомню, что это предположение было высказано еще до появления первых снимков кометного ядра.

В этом же году другой американский астроном – Пол Вайсман – опубликовал модель «первобытной груды щебня» (primordial rubble pile), которая в целом подтверждала концепцию коллег, но имела и существенное отличие. Вайсман отметил, что гравитационное сжатие ядра кометы диаметром около 5 километров не сможет обеспечить повышения температуры внутри более чем на один градус, а значит, ледяные глыбы, составляющие ядро, не «сплавлены» воедино, но соприкасаются, составляя, хоть и хрупкое, связанное слабыми гравитационными силами, но все же единое целое. Слово «первобытный» применено здесь не случайно и не только для усиления литературного эффекта. Этим прилагательным Вайсман хотел подчеркнуть, что считает кометные ядра конгломератом первозданного вещества протопланетного диска, из которого были сформированы планеты и малые тела Солнечной системы. Он считал, что кометные ядра не могут формироваться из осколков ранее разрушившихся ледяных планетезималей. Теперь мы знаем, что это было ошибкой. В наши дни столкновительная эволюция считается одним из важнейших механизмов формирования различных тел Солнечной системы.

Уже после получения снимков ядра кометы Галлея венгерский астроном Тамас Гомбоси и его коллега Гарри Хупис предложили свою модель «ледяного клея» (icy-glue). По их мнению, ядра комет представляют собой крупные пористые объекты, схожие по своим параметрам с астероидами внешней области Главного пояса и скрепленные, можно сказать сцементированные, между собой льдом в единый конгломерат. Эта модель неплохо объясняла природу джетов вещества, бьющих из светлых областей между двух крупных «каменных» глыб. Она объясняла и некоторые особенности, впервые замеченные учеными на снимках с космических аппаратов. Но все же эта модель не получила широкой поддержки в научной среде. К примеру, высказывались мнения, что раз ядро кометы скрепляет лишь лед, то мы должны наблюдать распавшиеся фрагменты старых комет, которые исчерпали запасы связующего вещества, что должно было привести к неминуемому распаду некогда единого объекта на компактный рой «астероидов». В 1993 году ученые обнаружили разорванную приливными силами Юпитера комету Шумейкеров – Леви 9 (D/1993 F2). Анализ данных о ней, базирующийся, в том числе, на работах видного советского астронома Олега Васильевича Добровольского, показал, что строение ядра этой кометы ближе к двум первым моделям, а прочность ядра на растяжение меньше, чем у свежевыпавшего снега.

Исходя из представлений о процессе формирования комет, можно предположить, что это очень пористые тела с малой объемной плотностью. Оценка значения плотности занимала умы ученых несколько десятилетий. Проблема в том, что ядро кометы – это, как правило, компактный и маломассивный объект, который не оказывает существенного гравитационного воздействия на окружающие его тела, даже на пролетающий мимо космический аппарат. К тому же, для вычисления плотности помимо массы нужно знать объем, то есть размеры аппроксимирующего эллипсоида по двум его осям, а точные данные об этом можно получить, лишь наблюдая ядро in situ, то есть непосредственно на месте событий.

Неужели нет никаких методов дистанционного определения размеров кометного ядра? Есть, даже два. Первый – радиолокация. К сожалению, данный метод сильно ограничен в дальности. На сегодняшний день астрономам удалось зафиксировать уверенный отраженный радиосигнал лишь от двух кометных ядер в момент их максимального сближения с Землей. В 1983 году это было успешно проделано с ядром кометы C/1983 H1 (IRAS-Araki-Alcock), которая прошла всего в 4,5 миллиона километров от Земли, и в 1996 году ядро кометы Хякутакэ (C/1996 B2) удалось успешно пролоцировать в течение пары дней с рекордного расстояния в 15 миллионов километров!

Еще одним методом определения размеров ядер комет служит наблюдение покрытий ими звезд. Если ядро кометы закрывает собой звезду, то, наблюдая это явление в различных обсерваториях, можно получить оценку размеров проекции кометного ядра на небесную сферу. К сожалению, этот метод намного хуже применим к кометным ядрам, чем к астероидам, в отношении которых он демонстрирует хорошие результаты. Все дело, как вы, наверное, уже догадались, в плотной газово-пылевой оболочке, особенно внутренней коме, которая имеет заметную оптическую толщину, то есть, скорее всего, воспринимается как непрозрачная часть самого ядра, безусловно им не являясь. Поэтому нет ничего лучше, чем наблюдение ядра вблизи непосредственно с помощью камер космического аппарата.

Так что же можно сказать о плотности кометных ядер? Не буду перечислять десятки оценок их средней объемной плотности (не плотности отдельных твердых частиц, составляющих ядро, а общей плотности ядра с учетом подповерхностных пустот), опубликованных за последние 40 лет. Скажу лишь, что они колеблются от 0,1 до 1,2 грамма на кубический сантиметр (напомню, что средняя плотность пресной воды равна 0,998 г/см ³). Анализ распада кометы D/1993 F2 (Shoemaker-Levy 9) дает более узкую оценку средней объемной плотности в 0,5–0,6 г/см ³, что близко к значению, которое используют астрономы в современных научных статьях: обычно это 0,6 г/см ³. Как видим, если поместить ядро кометы в исполинский бассейн, то оно будет плавать на поверхности воды.

Еще один трудноопределимый параметр ядра – его отражательная способность, альбедо. Это важный показатель: на его основе можно оценить физический размер ядра по его фотометрическим наблюдениям (измерению видимого блеска), по которым вычисляется абсолютная звездная величина кометного ядра. И вновь проблема в том, что для определения этого параметра дистанционно нужно измерять неактивное ядро – пока его даже слабая разреженная кома не станет вносить искажения в измерения. Как будет сказано дальше, кометы могут быть слабоактивны даже на достаточно больших гелиоцентрических расстояниях, а значит, подобное влияние нужно учитывать. В целом можно утверждать, что все кометные ядра очень темные, то есть слабо отражают свет. Как же так, ведь мы знаем, что на их поверхности должны быть залежи льда? Да, но нужно иметь в виду, что этот лед погребен под толстым слоем пыли, а частично открытые участки занимают лишь малую долю площади. Самым «темным» кометным ядром на данный момент считается ядро кометы 9P/Borrelly – его геометрическое альбедо составляет всего 0,029, то есть его поверхность в среднем отражает лишь 2,9 % падающего на него света – меньше, чем у самого темного асфальта, и в 10–20 раз меньше, чем у водяного льда. Среднее значение альбедо поверхности ядер по выборке из нескольких десятков хорошо изученных комет считается равным 0,04, то есть 4 %.

В целом мы уже хорошо представляем себе, чем физически является кометное ядро. Пора переходить к вопросу о его химическом составе: из чего состоят его льды и что за летучие вещества заполняют его бесчисленные полости. И с этим, как вы понимаете, тоже возникли проблемы. Вроде бы все просто – получить спектр и расшифровать его. Впервые спектр кометы был получен еще в далеком 1864 году итальянским астрономом Джованни Баттиста Донати, о чем я уже рассказывал в предыдущей главе. Но этот спектр содержал лишь «подпись» самого Солнца, свет которого попросту отражался от атмосферы головы кометы, и три широкие эмиссионные линии, то есть линии излучения вещества самой комы. И это оказался самый распространенный элемент кометных атмосфер – молекула диуглерода C₂. Позже эти линии назовут полосами Свана, по имени шотландского ученого Уильяма Свана, занимавшегося исследованиями спектра углерода.

Лишь к 30-м годам XX века ученым стало понятно, что излучающие в видимом спектре молекулы кометных голов и хвостов являются «вторичными» элементами. Это лишь «осколки» тех первичных молекул, которые составляют кометное ядро. Одним из первых разгадать эту загадку решился немецкий ученый Карл Вурм, изучавший молекулы звездных и кометных атмосфер. В 1948 году бельгийский астроном Пол Свингс опубликовал две работы, в которых указал, что ядро кометы Энке может содержать многоатомные молекулярные льды, а их диссоциация (распад) рождает свободные радикалы, те самые «обломки» первичных элементов, которые ученые наблюдают в оптическом излучении. Опираясь на эти выводы, в 1950 году Фред Уиппл публикует свою классическую статью, представляя в ней модель химического строения кометных ядер, в основном состоящих из водяного льда, но также содержащих небольшое количество льдов из метана, аммиака и других веществ. Уиппл и Свингс совместно предположили, что многоатомные молекулы, хранящиеся в ядре, могут иметь межзвездное происхождение, а значит, эти знания могут играть большую роль в понимании процесса формирования как нашей, так и других планетных систем.

С этого момента началась самая настоящая охота на новые свободные радикалы, которые должны были подсказать разгадку ребуса – на какие первичные молекулы в составе ядра они могут указывать. К примеру, обнаружение возбужденного атома кислорода O (¹D) может говорить о фотодиссоциации, то есть, химической реакции распада воды, угарного и углекислого газов непосредственно на поверхности ядра кометы под действием солнечного света. Обнаружение гидроксидов (OH) также косвенно говорит о присутствии воды (водяного льда). Именно фотодиссоциация молекул диуглерода и дициана придает кометам тот самый прекрасный изумрудный цвет. И все же наличие определенных «маркеров» не может однозначно указывать на наличие той или иной молекулы в составе кометного ядра. Анализ этих данных – сложный процесс, где кусочки химической мозаики рассматриваются в комплексе, позволяя сделать достоверные выводы. За прошедшие десятилетия к первичным молекулам кометных ядер, кроме классических метана CH₄, аммиака NH₂, воды H₂O, углекислого газа CO₂ и циана C₂N₂, предложенных Уипплом, были добавлены ацетилен C₂H₂, окись и закись азота (NO, N₂O), синильная кислота HCN и прочие молекулы – на данный момент их известно намного больше. «Кухня» кометного ядра достаточно разнообразна, помимо сильнейших ядов (для человека), в ней могут содержаться и взрывчатые вещества, такие как азобензол и триазоуксусная кислота.

Как вы видите, задача дистанционного изучения состава ядра сложная и неоднозначная. Все ученые соглашались с тем, что для полного понимания химии кометных ядер нужно изучать их напрямую, и впервые это удалось сделать, как я уже рассказывал, в 1986 году, когда «Армада Галлея» передала на Землю неоценимые научные данные, в том числе и о химическом составе выбросов с поверхности кометы. По данным космического аппарата «Джотто», в их составе содержится 80 % воды, 10 % окиси углерода, 2,5 % смеси метана и аммиака, а также немного других углеводородов, железа и натрия. На поверхности ядра были обнаружены два вида пыли: одна с преобладающим содержанием углерода, водорода, азота и кислорода, и другая, в состав которой в большей степени входили кальций, железо, магний, кремний и натрий.

Спустя 28 лет на поверхность кометы Чурюмова – Герасименко сел спускаемый аппарат «Филы», открыв тем самым новую эру в исследовании кометных ядер. Миссия «Розетта» и «Филы» дали новые знания, опровергли или подтвердили построенные учеными теории. Оказалось, что около 80 % объема кометного ядра составляют пустоты, а исходя из движения «Розетты» на орбите вокруг ядра кометы, ученым с достаточно высокой точностью удалось рассчитать его массу – 10 миллиардов тонн. Средняя объемная плотность ядра составила 0,4 г/см ³, что даже меньше принятого значения. Было измерено и соотношение тяжелой и обычной воды. Выяснилось, что оно в 3,5 раза выше, чем среднее значение для воды земных океанов. Помимо богатых залежей водяного льда был обнаружен иней, образующийся при быстрой конденсации паров воды на теневой стороне ядра в результате его вращения. Спускаемому аппарату, несмотря на все его злоключения, все же удалось установить, что толщина поверхностного пылевого слоя составляет 20–25 см, а скрывающийся под ней первозданный древний водяной лед имеет очень низкую прочность на сжатие, менее 12 Па, то есть, он мягче свежевыпавшего снега. Помимо этого открытия, «Филы» нашел на поверхности ядра кометы следы полутора десятков органических молекул, четыре из которых были обнаружены в составе комет впервые.

Собрав все полученные с таким трудом знания о кометных ядрах, мы можем с достаточной степенью достоверности ответить на один из главных вопросов: так что же представляет собой «сердце» кометы? Ученые прошли долгий путь от «роя песка» Литтлтона, «грязного снежка» Уиппла, через «ледяной комок грязи» к пониманию того, что кометы – это конгломерат каменных тел с вкраплениями льда. Астрономы пока точно не определились с соотношением минералов и льдов. Предлагаются оценки от трех к одному до шести к одному и даже выше. А малая средняя плотность ядра связана с тем, что большую часть его внутреннего объема занимают полости, заполненные летучими веществами при сублимации льдов, главным из которых является водяной лед – его содержание в среднем составляет от 80 до 90 %. Именно поэтому кометы резко увеличивают свою активность при прохождении снеговой линии водяного льда, которая в Солнечной системе лежит в пределах от 2,7 до 3,1 астрономической единицы от Солнца. На этой границе температура водяного льда достигает 140–170 кельвинов, и он начинает сублимироваться. Активность льдов из углекислого газа и метана начинается значительно дальше от Солнца, при более низкой температуре, а лед из угарного газа может начать «закипать» уже при пересечении орбиты Нептуна. Если комета богата именно таким льдом, она будет достаточно активна даже на больших гелиоцентрических расстояниях.

Итак, именно космические миссии дали главный толчок к развитию наших знаний о загадочных кометных ядрах, вечно скрытых под непроницаемой вуалью газа и пыли, составляющей кометную кому или, как ее еще называют – голову кометы, которую мы и видим, рассматривая далекого странника Солнечной системы в телескоп. По сравнению со скромной величиной ядер, эти образования могут достигать поистине исполинских размеров. К примеру, диаметр головы кометы Хейла – Боппа превышал 2 миллиона километров! И конечно, динамика и эволюция этих гигантских структур неразрывно связана как с активностью и вращением самого ядра, в особенности для ее внутренней части, так и с активностью Солнца, поток ионизированных частиц которого совместно с давлением солнечного света «сдувает» часть вещества, образуя разные по своей природе протяженные хвосты – наверное, главный визуальный элемент комет. Но к ним мы вернемся позже, а сейчас пришло время рассказать о коме.

Хотя, как я уже говорил, кометные газово-пылевые оболочки могут превосходить по своим размерам Юпитер и даже само Солнце, они очень разрежены. Их химический состав известен с XIX века: углекислый и угарный газы, аммиак, метан, метанол и циан, причем преобладание одного из этих веществ влияет на цвет кометы. К примеру, избыток смертельного для нас угарного газа придает комете красивый и достаточно редкий сине-голубой оттенок, а не менее опасный циан – бирюзовый. Из-за подобного состава кометных атмосфер у землян нередко случались панические атаки, но об этом я еще расскажу в свое время.

Кому принято разделять на внутреннюю и внешнюю, конечно, без какой-то четкой границы. Известный советский астроном Леонид Маркович Шульман[57]57
  Леонид Маркович Шульман (1936–2007) – советский и украинский астрофизик, публицист, специалист в области физики комет. Его основные труды посвящены теоретической астрофизике. Опубликовал цикл работ по теории ядер и атмосфер комет и кометной эволюции. В честь Леонида Шульмана и его жены, астронома Галины Кирилловны Назарчук, назван астероид (4187) Shulnazaria.


[Закрыть], занимавшийся исследованием комет, предложил деление общей кометной атмосферы на несколько зон: пристеночный слой, околоядерную область, переходную область и область свободномолекулярного разлета частиц в космическое пространство. Не у всех комет должна наблюдаться описанная структура, и я думаю, что в рамках моего ознакомительного рассказа мы упростим строение кометных голов. Внутренняя кома плотнее; именно она скрывает в себе ядро. На снимках хорошо различим яркий однородный «шарик», который астрономы также называют псевдоядром. Он в меньшей степени подвержен влиянию Солнца, и его форма (морфология) является неким индикатором того, что происходит с невидимым нам сердцем кометы – ее ядром. Разделение или «вытягивание» псевдоядра может быть прямым следствием фрагментации самого кометного ядра, причем такие наблюдения не редкость и к ним мы еще вернемся. Приобретение внутренней комой формы капли с хорошо различимым узким хвостом – признак того, что ядро кометы разрушилось или находится в процессе разрушения. Никогда не забуду, как смотрел на снимки своей первой кометы C/2010 X1 (Elenin), которая в один момент потеряла блеск, а ее псевдоядро начало трансформироваться, вытягиваясь с образованием узкого шлейфа «обломков». И да, когда производят фотометрические наблюдения комет, то различают две оценки блеска, выделяя их индексами: «T» (общий блеск всей головы кометы) и «N» – блеск «ядра», а точнее, того самого псевдоядра. Именно во внутренней коме, которую еще называют молекулярной или фотохимической комой, как раз и происходят все процессы, связанные с химическими реакциями, распадом и ионизацией молекул.

Внешняя кома намного более разрежена: сквозь нее на снимках можно наблюдать далекие звезды фона. По сути, она и есть то самое «наблюдаемое ничто», ведь ее средняя плотность в тысячу раз меньше плотности молекул в лабораторном вакууме, создаваемом в земных условиях. В ее составе преобладают свободные радикалы – частицы, содержащие один или несколько неспаренных электронов (одну орбиталь атома занимает не электронная пара, а один электрон). В коме кометы в основном присутствуют свободные радикалы OH, CN, CH, NH. Они химически очень активны и, обладая высокой реакционной способностью, охотно вступают во взаимодействие. Именно эта кома, которую также называют видимой или комой радикалов, служит поставщиком вещества, которое при усилении солнечного ветра и светового давления, вызванного уменьшением гелиоцентрического расстояния, а проще говоря – приближением кометы к Солнцу, образует хвост или несколько хвостов кометы. Геометрия внешней комы нередко изменяется под напором неистового Солнца, принимая вытянутую или каплеобразную форму. Это никак не связано с тем, как себя «чувствует» само ядро, хотя и тут есть исключения, о которых я расскажу, когда речь зайдет о типичных структурах, наблюдающихся в газово-пылевых оболочках комет.

В конце XX века несколько групп ученых, в том числе группа под руководством американского астронома Майкла А’Херна, попробовала классифицировать кометы по их химическому составу. В ходе этой работы была изучена почти сотня комет и обнаружены некоторые различия. Оказалось, что короткопериодические кометы семейства Юпитера обеднены молекулами углеродной цепи. В их составе преобладают цианиды (обычно в соотношении используется цианорадикал CN относительно двухатомной частицы углерода (диуглерода C₂). Ученые сходятся во мнении, что подобные тела являются первоначальными и древнейшими объектами Солнечной системы.

И хотя, обобщая, я всегда пишу «газово-пылевые», ученые четко разделяют собственно газовую и пылевую комы. Да, они, безусловно, переплетены и взаимодействуют между собой, но их свойства различны. Газовая кома лучше описывается законами гидродинамики, а на ее «течение» влияет не только воздействие солнечного ветра, но и возмущения при перемешивании с «пылинками» различного размера, а также тот факт, что ледяные частички сами могут высвобождать молекулы воды. Этот процесс очень сложен для расчетов и лишь в последние десятилетия вычислительная техника позволила создавать такие модели. Ну и конечно, во внешних слоях газовой атмосферы главенствующую роль играет Солнце, причем, кроме образования хорошо видимых хвостов, ультрафиолетовое излучение нашей звезды продуцирует и еще более циклопические структуры – водородные оболочки комет, об истории открытия которых я рассказал в предыдущей главе. В 1986 году космический аппарат «Джотто» зафиксировал ионы водорода на расстоянии 7,8 миллиона километров от ядра кометы Галлея; при том, что диаметр Солнца составляет 1,39 миллиона километров. А спустя десять лет космический аппарат SOHO обнаружит, что радиус водородного гало кометы Хейла – Боппа превышает среднее расстояние от Земли до Солнца!

Но вернемся к коме. Исследуя ее неоднородности, можно морфологически описать несколько характерных структур. К примеру, «джеты» (jets) – часто встречающиеся структуры выбросов газа и пыли, которые впервые были замечены с помощью ультрафиолетового спектрофотометра советского космического аппарата «Вега-2». Среди них выделяются долгоживущие спиральные джеты, которые могут простираться на 60 тысяч километров. Эти вихри обладали диаметром более трех тысяч километров и существовали более недели! Они наблюдались как у кометы Галлея в 1986 году, так и в марте-апреле 1997 года у кометы Хейла – Боппа. Непосредственно вблизи ядра, на расстоянии нескольких тысяч километров, могут быть видны ассиметричные «оболочки» (shells), или «кольца», возникновение которых до конца не понятно. Скорее всего, они связаны с динамикой и возмущением более плотной внутренней («околоядерной») пылевой комы. У кометы Хякутакэ, которая в марте 1996 года пролетела на расстоянии всего 0,1 астрономической единицы от Земли, отчетливо наблюдались галосы, или «арки» (arcs). Эти находящиеся за ядром (относительно направления на нашу звезду) образования, выгнутые в противоположную от Солнца сторону, судя по текущим численным моделям, возникают из-за скачков плотности сверхзвуковых выбросов газа из ядра, подобно «кольцам» в форсажной струе реактивного двигателя. Безусловно внутренние структуры кометной комы тесно связаны с активностью и вращением самого ядра. Моделированию этих сложных процессов посвящены немало научных статей, описание которых не входит в рамки этой книги. Но отдельно я все же хочу упомянуть структуру, говорящую о том, что с ядром кометы что-то происходит.

И обычно это «что-то» говорит о начавшемся необратимом процессе его распада. Тогда на снимках, особенно после применения специального алгоритма обработки – фильтра Ларсона – Секанины, названного в честь придумавших его исследователей комет Стивена Ларсона[58]58
  Стивен Ларсон – американский астроном, первооткрыватель астероидов и исследователь малых тел Солнечной системы. Является одним из первооткрывателей спутника Сатурна Телесто. В знак признания его заслуг одному из астероидов было присвоено его имя (3690) Larson.


[Закрыть] и Зденека Секанины[59]59
  Зденек Секанина (р. 1936) – американский астроном чешского происхождения, основными областями профессиональной деятельности которого являются метеориты и межпланетная пыль, а также изучение комет. В его честь был назван астероид (1913) Sekanina.


[Закрыть], перед внешней границей комы, направленной к Солнцу, становятся отчетливо видны «крылья» (wings) – ударные волны, скорее всего, вызванные столкновением солнечного ветра с высокоскоростным единовременным выбросом большого количества газа и пыли из разрушившегося ядра. При этом внешняя кома принимает форму «зонтика». Гибель ядра подтверждается также изменением морфологии внутренней комы: она постепенно вытягивается и в некоторых случаях может принимать каплевидную форму с длинным, хорошо различимым «жалом», образованным тяжелыми пылевыми частицами разрушившегося ядра кометы, которые не могут быть быстро выброшены вовне давлением солнечного света. Подобный сценарий наблюдался у многих распавшихся комет, к примеру в точности «как по учебнику» происходил распад короткопериодической кометы P/2010 V1 (Ikea-Murakami), который я наблюдал в ноябре 2010 года.

А в завершение рассказа о природе комет мы поговорим о самой, наверное, красивой их составляющей – длинных и прекрасных хвостах. Они практически всегда направлены в противоположную от Солнца сторону и подразделяются на несколько типов. Эту классификацию еще в XIX веке предложил выдающийся русский ученый Федор Александрович Бредихин[60]60
  Федор Александрович Бредихин (1831–1904) – русский астроном, заслуженный профессор и декан физико-математического факультета Московского университета, ординарный академик по астрономии Императорской Академии Наук, директор обсерватории Московского университета и Пулковской обсерватории, научные интересы которого охватывали почти все основные разделы астрономии того времени.


[Закрыть]. Он разделил все хвосты на три типа: I – ионный или газовый, II и III – пылевые, но состоящие из разных по размеру пылинок. В XX веке его идеи развил русский, а позже советский астроном Сергей Владимирович Орлов. Он вполне логично свел число типов хвостов к двум, классифицируя их по физическому процессу образования. Давайте поподробнее коснемся этого вопроса.

К первому типу, как и у Бредихина, относятся хвосты, состоящие из ионизированного солнечным ультрафиолетовым излучением газа из положительно заряженных ионов и свободных электронов. Солнечный ветер на огромных скоростях «сдувает» этот материал с головы кометы, и образуется протяженный, нередко превышающий в длину 100 миллионов километров хвост, который всегда, как космический флюгер, направлен в противоположную от Солнца сторону. Чтобы описать наблюдательные данные, Орлов вводит два подтипа: I₀ – так называемые лучистые хвосты, у которых прямолинейные лучи точно симметричны относительно оси хвоста. В подобных структурах ускорение вещества максимально и скорость частиц может превышать тысячу километров в секунду. К общему подтипу I относятся иррегулярные хвосты, ось симметрии которых обычно немного смещена в противоположную от направления движения кометы сторону (во внешнюю сторону относительно орбиты кометы). Именно в подобных хвостах наблюдаются различные структуры, похожие на струи, изломы, вызванные неоднородностью потоков солнечного ветра, и сконденсированные облачные образования, состоящие из плазмы, которые могут двигаться со скоростью свыше двух тысяч километров в секунду!