2.5. Кометы и облако Оорта

Кометы давно и хорошо известны благодаря своему впечатляющему внешнему виду, который они приобретают при подлете к Солнцу. Голова кометы может иметь диаметр до миллиона километров, а хвост – тянуться на сотню миллионов километров. Однако масса кометы мала – как правило, 1016–1018 г (менее одной миллиардной массы Земли). К тому же плотным является лишь небольшое ядро. Именно ядра комет наиболее интересны для астрономов. Из-за маленькой массы вещество в них практически не изменилось со времени их образования (не происходило ни сегрегации, ни сильного нагрева). Оно было в буквальном смысле заморожено на 4,5 млрд лет. Кроме того, в распределении параметров орбит комет отпечатались различные этапы эволюции Солнечной системы. Так что, изучая кометы, можно многое узнать о жизни нашей системы в целом.

Основная масса кометы сосредоточена в ее ядре. Это неправильной формы конгломерат из льда, пыли и камней. Размеры самых крупных кометных ядер могут составлять десятки километров. В ряде моделей ядро является не единым образованием, а совокупностью отдельных кометезималей (аналог планетезималей, но применительно к кометам), лишь слабо связанных друг с другом. Наблюдения распадающихся комет (например, известнейшей кометы Шумейкеров – Леви-9, разорванной приливными силами Юпитера) косвенно подтверждают эту модель. Также в пользу этого сценария говорит отсутствие комет с периодами собственного вращения менее 5 часов (более быстрое вращение приводит к разрушению ядра).

Практически вся масса кометы сосредоточена в ядре.

Сейчас основная доля информации о кометных ядрах получена благодаря работе космических аппаратов, изучавших эти объекты с близкого расстояния. Начало было положено в 1986 г. во время очередного прохождения перигелия кометой Галлея. Ее изучала целая флотилия межпланетных станций. Советские аппараты «Вега-1» и «Вега-2» («ВЕнера-ГАллей») пролетели на расстоянии менее 10 000 км от ядра, а европейский аппарат Giotto («Джотто») впервые смог получить изображения ядра с расстояния около 1000 км. Также комету изучали два японских спутника. В дальнейшем были проведены более детальные исследования комет с помощью космических аппаратов.

Запущенный в 1998 г. спутник Deep Space 1 («Дальний космос-1»), предназначенный в первую очередь для тестирования новых космических технологий, пролетел в 2001 г. вблизи кометы 19P/Borrelly (Боррелли), получив самые детальные на тот момент времени изображения ядра. Аппарат Deep Impact («Глубокий удар») в 2005 г. сбросил на комету 9P/Tempel 1 (Темпеля) массивную (370 кг!) болванку, создавшую кратер диаметром около 200 м и глубиной в десятки метров. С помощью приборов космического аппарата, а также крупных наземных телескопов был проведен анализ выброшенного вещества.

Ядро кометы состоит из льда, пыли и камней.

Разумеется, анализ вещества лучше проводить в наземных лабораториях. В 1999 г. была запущена миссия Stardust («Звездная пыль»), задачей которой была доставка образцов вещества атмосферы кометы на Землю. В 2004 г. космический аппарат пролетел вблизи кометы 81P/Wild и собрал образцы вещества, а в 2006 г. они были доставлены на Землю. Интересно, что в 2011 г. спутник также пролетел вблизи кометы 9P/Tempel 1, которую ранее исследовал спутник Deep Impact.

Самое детальное на сегодняшний день исследование кометы было проведено европейской миссией Rosetta («Розетта»). Этот космический аппарат не только исследовал комету 67P/Churyumov-Gerasimenko (Чурюмова – Герасименко) с очень близкого расстояния, но и впервые была осуществлена посадка зонда Philae («Филы») на поверхность кометы. С зондом возникли технические проблемы, но тем не менее была получена уникальная информация, в том числе и непосредственно с поверхности (включая снимки, в том числе в ИК-диапазоне, с разрешением около 1 мм на пиксел).

Ядро кометы Чурюмова – Герасименко имеет, как и некоторые другие хорошо исследованные объекты этого типа, двухкомпонентную структуру. Два эллипсоидальных тела размером 2–4 км соединены перемычкой, в районе которой происходит основной выброс вещества. Были обнаружены «гейзеры», из которых бьют струи вещества. Получены изображения поверхности кометы с детализацией меньше метра (!).

Несколько комет были детально исследованы космическими аппаратами.

Благодаря работе межпланетных станций мы неплохо представляем себе свойства ядер комет. Средняя плотность ядра составляет от нескольких десятых до 1 г/см?. Столь низкое значение связано с высокой пористостью комет, которая обычно превосходит 50 %. Плотность самого вещества комет выше – 1,5–2 г/см? (в полтора-два раза превосходит плотность воды). Поверхность ядра чаще всего очень темная (темнее Луны и большинства астероидов), с альбедо 3–5 %. Там доминируют камни и органика, а лед обычно спрятан в глубине. Поэтому часто ядро кометы сравнивают с городским мартовским сугробом: он в целом ледяной, но сверху покрыт темной коркой из пыли и твердых частиц.

В кометах содержатся многочисленные органические соединения (формальдегид, глицин и др.). Периодически обсуждается роль комет в поставке на молодую Землю воды и органики, сыгравших важную роль в процессе появления жизни на нашей планете.

Из-за нагрева Солнцем вещество ядра кометы испаряется, образуя голову (кому) и хвост.

По мере приближения к Солнцу ядро кометы нагревается и его ледяная составляющая начинает испаряться (строго говоря, переход происходит из твердого состояния сразу в газообразное, поэтому более правильно называть это не испарением, а сублимацией или возгонкой). Обычно заметное испарение начинается на расстояниях менее 3–4 a.е. от Солнца. Лед в кометах не только водяной, это также замерзший аммиак, метан, угарный газ, углекислый газ, но в сформировавшейся голове кометы доминирует вода. Вместе с испарившимися частицами льда из ядра вылетают пылинки, а иногда и более крупные объекты. Вокруг ядра возникает квазисферическая оболочка – кома. Затем под действием давления солнечного излучения и солнечного ветра она может вытянуться в красивый хвост. Само название «комета» (греч. «косматая») связано с ее головой – комой (от греч. «волосы») – и хвостом, которые иногда приобретают поистине гигантские размеры.

Самые большие комы имели размеры, превосходящие диаметр Солнца, а хвосты вытягивались на расстояние более 1 a.е. Головы и хвосты хорошо видны, потому что частицы пыли отражают солнечный свет, а газ также может переизлучать его в спектральных линиях. Кроме того, свет рассеивается веществом хвоста и головы. Интересно, что кометы испускают даже рентгеновское излучение! Оно возникает из-за взаимодействия ионизованных частиц солнечного ветра с молекулами атмосфер комет.

Ежегодно к Солнцу приближаются десятки комет.

Гигантский хвост кометы, пересекающий полнеба, – красивейшее зрелище, и ученые давно пытались понять природу этого явления. Большой вклад в изучение кометных хвостов в XIX в. внес Федор Бредихин. Газовые хвосты комет, в основном состоящие из ионизованных атомов, направлены прямо от Солнца, так как на них очень эффективно воздействует солнечный ветер. Поэтому если комета удаляется от Солнца, то она летит вперед хвостом. Пылевые хвосты более изогнуты, поскольку частицы пыли достаточно тяжелые и влияние солнечного излучения и ветра на них не столь сильно. Направление таких хвостов зависит и от направления движения кометы, и от ориентации кометы относительно Солнца.

Ежегодно к Солнцу приближаются десятки комет. В основном это «новые» кометы, имеющие очень большие периоды обращения. Если учесть, что несколько прохождений вблизи Солнца становятся для комет фатальными (они разрушаются или, потеряв большую часть летучих веществ, становятся неотличимы от астероидов), а возраст Солнечной системы составляет более 4,5 млрд лет, то мы придем к выводу, что где-то на окраинах должен быть резервуар, содержащий сотни миллиард кометных ядер. Именно такую гипотезу высказал в 1950 г. Ян Оорт (Jan Oort), проанализировав параметры кометных орбит. В его честь этот резервуар называют облаком Оорта.

Облако Оорта – резервуар кометных ядер, содержащий сотни миллиардов таких объектов.

Облако Оорта простирается от границ пояса Койпера примерно до половины расстояния до ближайших звезд (т. е. более чем 100 000 а.е.). Оценки показывают, что в нем содержится более 10?? кометных ядер. Основная масса объектов находится на расстоянии более 10 000 a.е. Если орбита кометы имеет большую полуось менее 10 000 a.е., то из-за взаимодействия с планетами-гигантами со временем она или будет выброшена из Солнечной системы, или превратится в комету семейства Юпитера. Детали происхождения этой структуры продолжают обсуждаться специалистами.

По оценкам, полная масса облака Оорта составляет от нескольких единиц до нескольких десятков масс Земли. Выделяют внешнее облако и внутреннее, граница между ними проходит примерно на 20 000 a.е. Видимо, облако формировалось в два этапа. Первый имел место во время и сразу после формирования планет-гигантов. Небольшие объекты – будущие кометные ядра – забрасывались массивными планетами на высокие вытянутые орбиты. Затем, если большие полуоси комет достигали 10 000 a.е., под действием гравитационного поля Галактики перигелий их орбиты повышался, и они окончательно становились объектами облака Оорта. Второй этап проходил во время поздней тяжелой бомбардировки. Тогда в результате миграции планет-гигантов, спустя примерно 600–650 млн лет после образования Солнечной системы, произошла существенная перестройка орбит, в результате которой множество тел, находившихся во внешнем диске за орбитой Нептуна (на расстоянии около 30 a.е.), перешло на более высокие траектории движения вокруг Солнца. Численные модели показывают, что рост числа комет в облаке продолжался почти миллиард лет.

Орбиты комет в облаке Оорта изменяются под действием внешних воздействий. В результате кометы могут попадать во внутренние области Солнечной системы.

Всего известно более 5000 комет. Несколько сотен комет принадлежит к так называемому семейству Юпитера. Орбиты этих объектов, изначально располагавшихся в основном в так называемом рассеянном диске за орбитой Нептуна, были изменены Юпитером, сделавшим их периоды более короткими (менее 20 лет), а расстояния в перигелии – более близкими к Солнцу, что позволяет регулярно и многократно их наблюдать. Также существует несколько тысяч комет, родственных комете Галлея, с относительно большими орбитальными периодами обращения (более 20 лет).

Кометы из облака Оорта испытывают влияние галактического гравитационного потенциала, а также звезд, пролетающих вблизи Солнца. В результате этого орбиты комет меняют свою ориентацию относительно плоскости эклиптики и почти равномерно заполняют пространство. Со временем из-за внешнего влияния перигелии некоторых из них уменьшаются, на них начинают воздействовать планеты-гиганты, и в итоге некоторые из этих кометных ядер попадают во внутренние области Солнечной системы, где их можно наблюдать. В ближайшее время с запуском таких инструментов, как большой обзорный телескоп LSST (Large Synoptic Survey Telescope, Большой обзорный телескоп), можно будет наблюдать большее количество комет, чьи перигелии лежат дальше 3 a.е. от Солнца, где активность комет (т. е. испарение ядра) еще не велика.

Современные исследования показывают, что судьба комет из разных семейств может быть различной. Кометы системы Юпитера, происходящие из рассеянного диска транснептуновых объектов, со временем перестают проявлять активность, и мы регистрируем их как астероиды (многие околоземные астероиды – это бывшие кометы). А долгопериодические кометы из облака Оорта после нескольких прохождений перигелия, по-видимому, разваливаются, не оставляя крупных фрагментов. Причины этого до конца не ясны. Возможно, в кометах семейства Юпитера меньше летучих элементов, так как значительную часть времени они проводили не столь далеко от Солнца, как их родственники из облака Оорта.