КОМЕ́ТЫ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
КОМЕ́ТЫ (от греч. ϰομήτης – волосатый, косматый), небольшие по размеру и массе небесные тела Солнечной системы, обращающиеся вокруг Солнца по сильно вытянутым орбитам и резко повышающие свою яркость при сближении с Солнцем. Вблизи Солнца К. выглядят на небе как светящиеся шары, за которыми тянется длинный хвост (рис. 1). К. представляют собой ледяные небесные тела (иногда называемые космич. айсбергами), яркое свечение которых создаётся рассеянием солнечного света и др. физич. эффектами. Полное название К. включает в себя имена открывателей (не более трёх), год открытия, прописную букву лат. алфавита и число, указывающие, в какой момент года была открыта К., и префикс, обозначающий тип К. (Р – короткопериодическая К., С – долгопериодическая К., D – разрушившаяся К. и пр.). Ежегодно в любительский телескоп можно наблюдать примерно 10–20 комет.
Исторически появление К. на небе считалось дурным предзнаменованием, предвещающим несчастья и катастрофы. Споры о природе К. (атмосферной или космической) продолжались на протяжении 2 тыс. лет и завершились лишь в 18 в. (см. Кометная астрономия). Значит. прогресс в изучении К. был достигнут в 20 в. благодаря полётам к К. космич. аппаратов.
Общие сведения о кометах
К. вместе с астероидами, метеороидами и метеорной пылью относятся к малым телам Солнечной системы. Общее число К. в Солнечной системе чрезвычайно велико, оно оценивается величиной не менее 1012. К. подразделяются на два осн. класса: короткопериодические и долгопериодические с периодом обращения соответственно менее и более 200 лет. Общее число К., наблюдавшихся в историч. время (в т. ч. на параболических и гиперболич. орбитах), близко к 1000. Из них известно ок. 100 короткопериодических К., регулярно сближающихся с Солнцем. Орбиты этих К. надёжно вычислены. Такие К. называют «старыми», в отличие от «новых» долгопериодич. К., которые, как правило, наблюдались во внутр. областях Солнечной системы лишь однажды. Большинство короткопериодич. К. входит в т. н. семейства планет-гигантов, находясь на близких к ним орбитах. Наиболее многочисленным является семейство Юпитера, насчитывающее сотни К., среди которых известно св. 50 самых короткопериодич. К. с периодом обращения вокруг Солнца от 3 до 10 лет. Меньше наблюдаемых К. включают семейства Сатурна, Урана и Нептуна; к последнему, в частности, принадлежит знаменитая Галлея комета.
Осн. резервуары, содержащие ядра К., расположены на периферии Солнечной системы. Это Койпера пояс, находящийся вблизи плоскости эклиптики непосредственно за орбитой Нептуна, в пределах 30–100 а. е. от Солнца, и сферическое по форме Оорта облако, расположенное примерно на половине расстояния до ближайших звёзд (30–60 тыс. а. е.). Облако Оорта периодически испытывает гравитац. возмущения со стороны гигантских межзвёздных газово-пылевых облаков, галактич. диска и звёзд (при случайных сближениях) и поэтому не имеет чётко выраженной внешней границы. К. могут покидать облако Оорта, пополняя межзвёздную среду, и вновь возвращаться. Тем самым К. играют роль своеобразных зондов ближайших к Солнечной системе областей Галактики.
Вследствие аналогичных возмущений некоторые тела из облака Оорта попадают во внутр. области Солнечной системы, переходя на высокоэллиптич. орбиты. Эти тела при сближении с Солнцем наблюдаются как долгопериодич. К. Под влиянием гравитац. возмущений со стороны планет (в первую очередь Юпитера и др. планет-гигантов) они либо пополняют известные семейства короткопериодич. К., регулярно возвращающихся к Солнцу, либо переходят на параболические и даже гиперболич. орбиты, навсегда покидая Солнечную систему. Осн. источником короткопериодич. К. служит пояс Койпера. Вследствие гравитац. возмущений Нептуном объектов пояса Койпера относительно небольшая доля населяющих пояс ледяных тел постоянно мигрирует во внутр. области Солнечной системы.
Движение комет по орбите
К. движутся по орбитам с большим эксцентриситетом и наклонением к плоскости эклиптики. Движение происходит и в прямом (как у планет), и в обратном направлении. К. испытывают сильные приливные возмущения при прохождении вблизи планет, что приводит к существенному изменению их орбит (и, соответственно, сложностям прогноза движений К. и точного определения эфемерид). Вследствие этих изменений орбит многие К. выпадают на Солнце.
Результаты вычислений элементов орбит К. публикуются в спец. каталогах; напр., каталог, составленный в 1997, содержит орбиты 936 К., св. 80% которых наблюдалось только один раз. В зависимости от положения на орбите блеск К. изменяется на неск. порядков, достигая максимума вскоре после прохождения перигелия и минимума в афелии. Абсолютная звёздная величина К. в первом приближении обратно пропорциональна R4, где R – расстояние от Солнца. Как правило, короткопериодич. К. обращаются вокруг Солнца не более нескольких сотен раз. Поэтому время их жизни ограничено и обычно не превышает 100 тыс. лет.
Активная фаза существования К. заканчивается, когда исчерпывается запас летучих веществ в ядре или поверхность ядра К. покрывается оплавленной пылеледяной коркой, возникающей вследствие многократных сближений К. с Солнцем. После окончания активной фазы ядро К. по своим физич. свойствам становится подобным астероиду, поэтому резкой границы между астероидами и К. нет. Более того, возможен и обратный эффект: астероид может начать проявлять признаки кометной активности при растрескивании его поверхностной корки по тем или иным причинам.
Нерегулярность орбит К. приводит к плохо прогнозируемой вероятности их столкновений с планетами, что дополнительно усложняет проблему астероидно-кометной опасности. Столкновением Земли с осколком ядра К., возможно, было вызвано тунгусское событие 1908 (см. Тунгусский метеорит). В 1994 наблюдалось выпадение на Юпитер (рис. 2) более 20 фрагментов К. Шумейкеров – Леви 9 (разорванной в ближайшей окрестности планеты приливными силами), что привело к катастрофич. явлениям в атмосфере Юпитера.
Строение и состав комет
К. состоят из ядра, атмосферы (комы) и хвоста. Ядра нерегулярной формы имеют небольшие размеры – от единиц до десятков километров и, соответственно, очень малую массу, не оказывающую заметного гравитац. влияния на планеты и др. небесные тела. Ядра К. вращаются относительно оси, почти перпендикулярной плоскости их орбиты, с периодом от нескольких единиц до нескольких десятков часов. Для ядер К. характерна низкая отражательная способность (альбедо 0,03–0,04), поэтому вдали от Солнца К. не видны. Исключение составляет комета Энке: период обращения этой К. всего 3,31 года, она относительно мало удаляется от Солнца и её можно наблюдать на всём протяжении орбиты.
Остальные элементы кометной структуры образуются при сближении К. с Солнцем. Вблизи перигелия орбиты за счёт сублимации вещества ядра и выноса пыли с его поверхности возникает кома. Размер пылинок в коме составляет в осн. 10–7–10–6 м, но присутствуют и более крупные частицы. Кома представляет собой ярко светящуюся туманную оболочку поперечником св. 100 тыс. км. Внутри комы в окрестности ядра выделяют наиболее яркий сгусток – голову К., а за пределами комы – водородную корону (галó). Из комы вытягивается хвост протяжённостью в десятки млн. км: сравнительно слабосветящаяся полоса, не имеющая, как правило, чётких очертаний и направленная преим. в сторону, противоположную Солнцу. Интенсивная сублимация и вынос пыли создают реактивную силу; этот негравитационный эффект также оказывает влияние на нерегулярность кометных орбит.
Ядра К. обладают очень низкой средней плотностью, обычно не превышающей сотен кг/м3. Это свидетельствует о пористой структуре ядер (рис. 3), состоящих в осн. из водяного льда и некоторых низкотемпературных конденсатов (углекислый, аммиачный, метановый льды) с примесью силикатов, графита, металлов, углеводородов и др. органич. соединений. Значит. долю ядра составляют пыль и более крупные каменистые фрагменты. Обилие водяного льда в составе К. объясняется тем, что молекула воды является самой распространённой в Солнечной системе.
Измерения, проведённые при сближении с К. космич. аппаратов, в целом подтвердили гипотезу о том, что ядро представляет собой «грязный снежный ком». Подобная модель ядра К. была предложена в сер. 20 в. амер. астрономом Ф. Уипплом. Кома состоит в осн. из нейтральных молекул воды, водорода, углерода (С2, С3), ряда радикалов (OH, СN, CH, NH и др.) и светится благодаря процессам люминесценции. Она частично ионизована коротковолновым солнечным излучением, создающим ионы OH+, СО+, CH+ и др. При взаимодействии этих ионов с плазмой солнечного ветра возникает наблюдаемое излучение в УФ- и рентгеновской областях спектра.
При сублимации льдов в атмосферу одновременно интенсивно выносится пыль, за счёт которой в осн. создаётся хвост К. Согласно классификации, предложенной ещё во 2-й пол. 19 в. Ф. А. Бредихиным, различают три типа кометных хвостов: I – прямые и узкие, направленные в противоположную от Солнца сторону; II – широкие, изогнутые и несколько отклонённые относительно направления от Солнца; III – прямые, короткие и сильно отклонённые от направления от Солнца. В 20 в. С. В. Орлов разработал физич. основу данной классификации в соответствии с механизмом образования хвоста. Хвост типа I создаётся плазмой, взаимодействующей с солнечным ветром, хвост типа II – частицами пыли субмикронных размеров, подверженными воздействию светового давления, хвост типа III – совокупностью мелких и более крупных частиц, испытывающих разл. ускорение под действием гравитац. сил и светового давления. Вследствие такого механизма образования положение в пространстве хвостов типа III менее чёткое, оно не совпадает с антисолнечным направлением и отклонено назад относительно орбитального движения. Иногда в структуре хвоста наблюдаются изогнутые линии – т. н. синдинамы, или даже веер синдинам, созданных пылинками разных размеров.
Изменения, происходящие с К. в разных точках её орбиты и в течение жизни, в значит. степени определяются нестационарными процессами тепломассопереноса в пористом ядре и формированием неоднородной структуры поверхности, с которой происходит сублимация. Кинетич. моделирование этих процессов позволило получить представление о состоянии газа в коме. Вблизи ядер активных К. течение газа в полусфере, обращённой к Солнцу, близко к равновесному, плотность газа быстро падает по мере удаления от поверхности ядра. Из-за адиабатич. расширения газа в межпланетный вакуум темп-ра составляет неск. кельвинов на расстоянии от ядра ок. 100 км. В окрестности оси симметрии образуется хорошо выраженная струя (джет), обусловленная интенсивным выносом газа и пыли. (На изображении ядра кометы Галлея, полученном при пролёте вблизи него КА «Джотто», видны неск. джетов.) Такую неравномерность сублимации с поверхности ядра можно объяснить тепловыми деформациями, вызывающими разломы и трещины в поверхностной корке кометы.
В результате интенсивного выделения пыли короткопериодич. К. вдоль её орбиты образуются пылевые торы. Эти торы периодически пересекает Земля в своём движении по орбите, что вызывает метеорные потоки.
Значение комет для космогонии
Происхождение К., вероятно, связано с гравитац. выбросом ледяных тел из области образования планет-гигантов (см. в ст. Космогония). Поэтому исследования К. способствуют решению фундам. проблемы происхождения и эволюции Солнечной системы. К. представляют большой науч. интерес прежде всего с точки зрения космохимии, поскольку содержат первичное вещество, из которого образовалась Солнечная система. Считается, что К. и наиболее примитивный класс астероидов (углистые хондриты) сохранили в своём составе частицы протопланетного облака и газопылевого аккреционного диска. В качестве реликтов формирования планет (планетезималей) К. претерпели наименьшие изменения в процессе эволюции. Поэтому информация о составе К. позволяет наложить достаточно строгие ограничения на диапазон параметров, используемых при разработке космогонич. моделей.
В то же время, по совр. представлениям, сами К. могли сыграть важную роль в эволюции Земли и др. планет земной группы в качестве источника летучих элементов и их соединений (в первую очередь воды). Как показали результаты математич. моделирования, за счёт этого источника Земля могла получить количество воды, сопоставимое с объёмом её гидросферы. Примерно такие же количества воды могли получить Венера и Марс, что говорит в пользу гипотезы о существовании на них древних океанов, потерянных в ходе последующей эволюции. К. рассматриваются также как возможные носители первичных форм жизни. Проблема возникновения жизни на планетах связывается, в частности, с транспортом вещества внутри и вне пределов Солнечной системы и миграционно-столкновительными процессами, ключевую роль в которых играют кометы.