У людей, наблюдающих за падающей в небе звездой, может возникнуть вопрос, а что такое комета? Это слово в переводе с греческого означает «длинноволосая». Во время приближения к Солнцу астероид начинает нагреваться и принимает эффективный вид: пыль и газ начинают улетать с поверхности кометы, образуя красивый, яркий хвост.
Появление комет предсказать практически невозможно. Ученые и любители обращают на них внимание с давних времен. Большие небесные тела пролетают у Земли редко, и такое зрелище завораживает и устрашает. В истории есть сведения о таких ярких телах, которые сверкают через облака, затмевая своим свечением даже Луну. Именно с появлением первого такого тела (в 1577 году) началось изучение движения комет. Первые ученые смогли открыть десятки самых разных астероидов: приближение их к орбите Юпитера начинается свечением хвоста, а чем ближе тело к нашей планете, тем ярче оно горит.
Известно, что кометы - такие тела, которые движутся по определенным траекториям. Обычно она имеет вытянутую форму, и характеризуется положением относительно Солнца.
Орбита кометы может быть самой необычной. Время от времени некоторые из них возвращаются к Солнцу. Ученые говорят, что такие кометы - периодические: они пролетают возле планет через определенный промежуток времени.
Любое светящиеся тело люди с давних времен называли звездой, а те, за которыми тянулись хвосты, - кометами. Позже астрономы выявили, что кометы - это огромные твердые тела, представляющие крупные ледяные обломки вперемешку с пылью, камнями. Они прилетают из далекого космоса и могут или пролетать мимо, или вращаться вокруг Солнца, периодически показываясь на нашем небе. Известно, что такие кометы движутся по эллиптическим орбитам самого разного размера: некоторые возвращаются раз в двадцать лет, а какие-то появляются раз в сотни лет.
Ученые знают немало информации о кометах периодического типа. Для них рассчитаны орбиты и время возвращения. Появление таких тел не является неожиданным. Среди них имеются короткопериодические и долгопериодические.
К короткопериодическим относят кометы, которые можно увидеть на небосводе несколько раз в жизни. Другие же могут не появиться на небе на протяжении столетий. Одной из самых известных короткопериодических комет является комета Галлея. Она показывается у Земли раз в 76 лет. Длина хвоста этого гиганта достигает нескольких миллионов километров. Она пролетает настолько далеко от нас, что кажется полоской на небе. Последний ее визит был зафиксирован в 1986 году.
Ученым известно немало случаев падения астероидов на планеты, причем не только на Землю. В 1992 году гигант Шумейкер-Леви подошел очень близко к Юпитеру и был разорван его гравитацией на многочисленные куски. Осколки растянулись в цепочку, а затем удалились от орбиты планеты. Через два года цепь астероидов вернулась к Юпитеру и упала на него.
По мнению некоторых ученых, если астероид летает в центре солнечной системы, то он будет жить долгие тысячи лет, пока не испарится, пролетая в очередной раз у Солнца.
Ученые выделили разницу в значении астероидов, комет, метеоритов. Обычные люди этими названиями называют любые тела, увиденные в небе и имеющие хвосты, но это не правильно. С научной точки зрения, астероиды - это огромные каменные глыбы, плавающие в космосе по определенным орбитам.
Кометы похожи на астероиды, но у них больше льда и других элементов. При подлете близко к Солнцу у комет возникает хвост.
Метеориты - это мелкие камни и другой космический мусор, размером меньше килограмма. Обычно их видно в атмосфере в виде падающих звезд.
Самой яркой кометой двадцатого века стала комета Хейла-Боппа. Ее открыли в 1995 году, а через два года она стала видимой на небе невооруженным глазом. В небесном пространстве ее можно было наблюдать больше года. Это намного дольше, чем сияние других тел.
В 2012 году учеными была обнаружена комета ISON. По прогнозам, она должна была стать самой яркой, но, подойдя к Солнцу, не смогла оправдать ожидания астрономов. Однако ее прозвали в СМИ "кометой века".
Самой знаменитой является комета Галлея. Она сыграла важную роль в истории астрономии, в том числе помогла вывести закон тяготения. Первым ученым, описавшим небесные тела, был Галлилей. Его сведения не раз обрабатывались, вносились изменения, добавлялись новые факты. Однажды Галлей обратил внимание на очень необычную закономерность появления трех небесных тел с промежутком в 76 лет и перемещающиеся почти на одной траектории. Он сделал вывод, что это не три разных тела, а одно. Позже Ньютон использовал его расчеты для построения теории гравитации, которая получила название теории всемирного тяготения. Последний раз комету Галлея видели на небе в 1986 году, а следующее ее появление будет в 2061.
В 2006 году Роберт Макнот открыл одноименное небесное тело. По предположениям, оно не должно было ярко светиться, однако при сближении с Солнцем комета начала быстро набирать яркость. Через год она стала светиться ярче Венеры. Пролетая вблизи Земли, небесное тело устроило настоящее зрелище для землян: ее хвост изогнулся на небе.
Комета – это небесный туманный объект с характерным ярким ядром-сгустком и светящимся хвостом. Кометы состоят в основном из замёрзших газов, льда и пыли. Поэтому можно сказать, что комета – это такой огромный грязный снежок, летающий в космосе вокруг Солнца по очень вытянутой орбите.
комета Лавджоя, фото сделано на МКС
Откуда берутся кометы?
Большинство комет прилетает к Солнцу из двух мест – пояса Койпера (пояс астероидов за Нептуном) и облака Оорта. Пояс Койпера – это пояс астероидов за орбитой Нептуна, а облако Оорта – это скопление малых небесных тел на границе Солнечной Системы, которое находится дальше всех планет и пояса Койпера.
Как движутся кометы?
Кометы могут провести миллионы лет где-нибудь очень далеко от Солнца, совершенно не скучая среди своих собратьев в облаке Оорта или поясе Койпера. Но однажды, там, в самом дальнем уголке Солнечной системы, две кометы могут случайно пройти рядом друг с другом или даже столкнуться. Иногда после такой встречи одна из комет может начать двигаться в сторону Солнца.
Гравитационное притяжение Солнца будет только ускорять движение кометы. Когда она подлетит достаточно близко к Солнцу, лёд начнёт таять и испаряться. В этот момент у кометы появится хвост, состоящий из пыли и газов, которые комета оставляет за собой. Грязный снежок начинает таять, превращаясь в прекрасного «небесного головастика», - комету.
Судьба кометы
зависит от того, по какой орбите она начнёт своё движение. Как известно, все небесные тела, попавшие в поле притяжения Солнца, могут двигаться либо по окружности (что возможно только теоретически), либо по эллипсу (так двигаются все планеты, их спутники, и т.д.) или по гиперболе или параболе. Представьте себе конус, а затем мысленно отрежьте от него кусок. Если резать конус наобум, наверняка выйдет либо замкнутая фигура - эллипс, либо разомкнутая кривая - гипербола. Для того же, чтобы получилась окружность или парабола, нужно, чтобы плоскость сечения была ориентирована строго определённо. Если комета будет двигаться по эллиптической орбите, то это означает, что однажды она вновь вернётся к Солнцу. Если орбитой кометы станет парабола или гипербола, то притяжение нашей звезды не сможет удержать комету, и человечество увидит её лишь раз. Пролетев мимо Солнца, странница отправится прочь из Солнечной системы, на прощанье помахав нам хвостом.
здесь видно, что в самом конце съёмки комета разваливается на несколько частей
Часто бывает так, что кометы не переживают путешествия к Солнцу. Если масса кометы мала, то она может полностью испариться за один пролёт мимо Солнца. Если вещество кометы слишком рыхлое, то сила гравитации нашей звезды может разорвать комету на части. Подобное случалось не раз. Например, в 1992 году комета Шумейкера-Леви, пролетая мимо Юпитера, развалилась более чем на 20 фрагментов. Юпитеру тогда крепко влетело. Обломки кометы врезались в планету, вызвав сильнейшие атмосферные бури. А совсем недавно (ноябрь 2013) Комета ison не выдержала своего первого пролёта мимо Солнца, и её ядро распалось на несколько осколков.
Сколько у кометы хвостов?
У комет бывает несколько хвостов. Это происходит потому, что кометы состоят не только из замёрзших газов и воды, но и из пыли. При движении к Солнцу комету всё время обдувает солнечный ветер – поток заряженных частиц. Он гораздо сильнее воздействует на лёгкие молекулы газа, чем на тяжёлые пылинки. Из-за этого у кометы появляется два хвоста – один пылевой, другой газовый. Газовые хвост всегда направлен точно от Солнца, пылевой немножко закручивается по траектории движения кометы.
Иногда у комет бывает и больше двух хвостов. Например, у кометы может быть и три хвоста, например, если в какой-то момент из ядра кометы быстро выделится большое количество пылинок, они образуют третий хвост, отдельный от первого пылевого и второго газового.
Что будет, если Земля пролетит сквозь хвост кометы?
А ничего не будет. Хвост кометы – это всего лишь газ и пыль, поэтому если Земля пролетит сквозь хвост кометы, то газ и пыль просто столкнутся с земной атмосферой и либо сгорят, либо растворятся в ней. А вот если комета врежется в Землю, то нам всем может прийтись туго.
Каждый год 12 августа метеориты всю ночь стремительно прочерчивают небо яркими огненными полосами, сгорая в средних слоях атмосферы. Это огненное представление называется метеоритным дождем Персея. Двигаясь по орбите Земля, пересекает метеоритный поток - шлейф кометы, совершающей свой путь вокруг Солнца.
Кометы, как и каменные астероиды, это если можно так выразиться, отходы производства после формирования Солнца, планет и их спутников. Кометы состоят в основном из льда с включениями мелких камней и пыли. Большую часть своей жизни кометы пасутся на обширных пустынных пастбищах на периферии Солнечной системы.
Самая дальняя планета Солнечной системы Плутон находится на расстоянии 5,8 миллиарда километров от Солнца. Скопление же комет под названием Пояс Кюйпера расположено на 480 миллионов километров дальше Плутона. Другое подобное скопление - Облако Оорта - отстоит от Солнца на 160 миллиардов километров. На самом деле Облако Оорта - это не облако, а громадное скопление триллионов комет, эти кометы бродят по Вселенной в разных направлениях, как коровы в пасущемся стаде. Полагают, что Облако Оорта окружает Солнечную систему как огромное гало.
Интересный факт: кометы совершают один оборот вокруг Солнца в среднем за один миллион лет.
Доказать существование кометных скоплений очень трудно. И вот почему. Даже если лететь в ракете сквозь Облако Оорта, можно во время путешествия не встретить ни одной кометы. Они разделены расстоянием в миллионы и миллиарды километров. Так как кометы находятся далеко от Солнца, то и освещены они весьма слабо и выглядят почти такими же темными, как и окружающее их космическое пространство. Удаленные от Солнца кометы не имеют приписываемых им хвостов. Их цвет красно – коричневый, размер около двух километров. Словом, похожи они на большие грязные айсберги.
Материалы по теме:
Что такое комета?
Безобразный лик кометы преображается, когда она покидает стадо и приближается к Солнцу. В этот момент комета претерпевает мгновенное превращение. Она вытягивается по ночному небу длинной сияющей полосой, приводя людей в ужас и восторг. Какая же сила выгоняет комету из Облака Оорта? Естественно, гравитация. Вот каким образом это происходит. Солнце стремительно летит в пространстве и тащит за собой охапку планет, их спутников и комет. Путь Солнца пролегает среди звезд Млечного Пути. Стадо комет, увлекаемое Солнцем, иногда пролетает поблизости от другой звезды. Сила ее гравитации производит возмущение в Облаке Оорта, сдвигая кометы с их привычных положений
М аленькое ядро кометы является единственной её твёрдой частью, в нём сосредоточена почти вся её масса. Поэтому ядро - первопричина всего остального комплекса кометных явлений. Ядра комет до сих пор всё ещё недоступны телескопическим наблюдениям, так как они вуалируются окружающей их светящейся материей, непрерывно истекающей из ядер. Применяя большие увеличения, можно заглянуть в более глубокие слои светящейся газопылевой оболочки, но и то, что останется, будет по своим размерам всё ещё значительно превышать истинные размеры ядра. Центральное сгущение, видимое в атмосфере кометы визуально и на фотографиях, называется фотометрическим ядром. Считается, что в центре его находится собственно ядро кометы , то есть располагается центр масс. Однако, как показал советский астроном Д. О. Мохнач, центр масс может не совпадать с наиболее яркой областью фотометрического ядра. Это явление носит название эффекта Мохнача.
Туманная атмосфера, окружающая фотометрическое ядро, называется комой . Кома вместе с ядром составляют голову кометы - газовую оболочку, которая образуется в результате прогревания ядра при приближении к Солнцу. Вдали от Солнца голова выглядит симметричной, но с приближением к нему она постепенно становится овальной, затем удлиняется ещё сильнее и в противоположной от Солнца стороне из неё развивается хвост, состоящий из газа и пыли, входящих в состав головы.
Ядро - самая главная часть кометы . Однако до сих пор нет единодушного мнения, что оно представляет собой на самом деле. Ещё во времена Лапласа существовало мнение, что ядро кометы - твёрдое тело, состоящее из легко испаряющихся веществ типа льда или снега, быстро превращающихся в газ под воздействием солнечного тепла. Эта классическая ледяная модель кометного ядра была существенно дополнена в последнее время. Наибольшим признанием пользуется разработанная Уиплом модель ядра - конгломерата из тугоплавких каменистых частиц и замороженной летучей компоненты (метана, углекислого газа, воды и др.). В таком ядре ледяные слои из замороженных газов чередуются с пылевыми слоями. По мере прогревания газы, испаряясь, увлекают за собой облака пыли. Это позволяет объяснить образование газовых и пылевых хвостов у комет, а также способность небольших ядер к газовыделению.
Согласно Уиплу механизм истечения вещества из ядра объясняется следующим образом. У комет, совершивших небольшое число прохождений через перигелий, - так называемых "молодых" комет - поверхностная защитная корка ещё не успела образоваться, и поверхность ядра покрыта льдами, поэтому газовыделение протекает интенсивно путём прямого испарения. В спектре такой кометы преобладает отражённый солнечный свет, что позволяет спектрально отличать "старые" кометы от "молодых". Обычно "молодыми" называются кометы , имеющие большие полуоси орбит, так как предполагается, что они впервые проникают во внутренние области Солнечной системы. "Старые" кометы - это кометы с коротким периодом обращения вокруг Солнца, многократно проходившие свой перигелий. У "старых" комет на поверхности образуется тугоплавкий экран, так как при повторных возвращениях к Солнцу поверхностный лед, подтаивая, "загрязняется". Этот экран хорошо защищает находящийся под ним лёд от воздействия солнечного света.
Модель Уипла объясняет многие кометные явления: обильное газовыделение из маленьких ядер, причину негравитационных сил, отклоняющих комету от расчётного пути. Потоки, истекающие из ядра, создают реактивные силы, которые и приводят к вековым ускорениям или замедлениям в движении короткопериодических комет.
Существуют также другие модели, отрицающие наличие монолитного ядра: одна представляет ядро как рой снежинок, другая - как скопление каменно-ледяных глыб, третья говорит о том, что ядро периодически конденсируется из частиц метеорного роя под действием гравитации планет. Всё же наиболее правдоподобной считается модель Уипла.
Массы ядер комет в настоящее время определяются крайне неуверенно, поэтому можно говорить о вероятном диапазоне масс: от нескольких тонн (микрокометы) до нескольких сотен, а возможно, и тысяч миллиардов тонн (от 10 до 10 - 10 тонн).
Кома кометы
окружает ядро в виде туманной атмосферы. У большинства комет кома состоит из трёх основных частей, заметно отличающихся своими физическими параметрами:
1) наиболее близкая, прилегающая к ядру область - внутренняя, молекулярная, химическая и фотохимическая кома,
2) видимая кома, или кома радикалов,
3) ультрафиолетовая, или атомная кома.
На расстоянии в 1 а. е. от Солнца средний диаметр внутренней комы D = 10 км, видимой D = 10 - 10 км и ультрафиолетовой D = 10 км.
Во внутренней коме происходят наиболее интенсивные физико-химические процессы: химические реакции, диссоциация и ионизация нейтральных молекул. В видимой коме, состоящей в основном из радикалов (химически активных молекул) (CN, OH, NH и др.), процесс диссоциации и возбуждения этих молекул под действием солнечной радиации продолжается, но уже менее интенсивно, чем во внутренней коме.
Л. М. Шульман на основании динамических свойств вещества предложил делить кометную атмосферу на следующие зоны:
1) пристеночный слой (область испарения и конденсации частиц на ледяной поверхности),
2) околоядерную область (область газодинамического движения вещества),
3) переходную область,
4) область свободно-молекулярного разлёта кометных частиц в межпланетное пространство.
Но не для всякой кометы должно быть обязательным наличие всех перечисленных атмосферных областей.
По мере приближения кометы к Солнцу диаметр видимой головы день ото дня растёт, после прохождения перигелия её орбиты голова снова увеличивается и достигает максимальных размеров между орбитами Земли и Марса. В целом для всей совокупности комет диаметры голов заключены в широких пределах: от 6000 км до 1 млн. км.
Головы комет при движении кометы по орбите принимают разнообразные формы. Вдали от Солнца они круглые, но по мере приближения к Солнцу, под воздействием солнечного давления, голова принимает вид параболы или цепной линии.
С. В. Орлов предложил следующую классификацию кометных голов, учитывающую их форму и внутреннюю структуру:
1. Тип E; - наблюдается у комет с яркими комами, обрамлёнными со стороны Солнца светящимися параболическими оболочками, фокус которых лежит в ядре кометы
.
2. Тип C; - наблюдается у комет, головы которых в четыре раза слабее голов типа E и по внешнему виду напоминают луковицу.
3. Тип N; - наблюдается у комет, у которых отсутствует и кома и оболочки.
4. Тип Q; - наблюдается у комет, имеющих слабый выступ в сторону Солнца, то есть аномальный хвост.
5. Тип h; - наблюдается у комет, в голове которых генерируются равномерно расширяющиеся кольца - галосы с центром в ядре.
Наиболее впечатляющая часть кометы - её хвост . Хвосты почти всегда направлены в противоположную от Солнца сторону. Хвосты состоят из пыли, газа и ионизированных частиц. Поэтому в зависимости от состава частицы хвостов отталкиваются в противоположную от Солнца сторону силами, исходящими из Солнца.
Ф. Бессель, исследуя форму хвоста кометы Галлея, впервые объяснил её действием отталкивающих сил, исходящих из Солнца. Впоследствии Ф. А. Бредихин разработал более совершенную механическую теорию кометных хвостов и предложил разбить их на три обособленные группы, в зависимости от величины отталкивающего ускорения.
Механизм свечения кометных молекул был расшифрован в 1911 году К. Шварцшильдом и Е. Кроном, которые пришли к выводу, что это механизм флуоресценции, то есть переизлучения солнечного света.
Иногда в кометах наблюдаются достаточно необычные структуры: лучи, выходящие под различными углами из ядра и образующие в совокупности лучистый хвост; галосы - системы расширяющихся концентрических колец; сжимающиеся оболочки - появление нескольких оболочек, постоянно двигающихся к ядру; облачные образования; омегообразные изгибы хвостов, появляющиеся при неоднородностях солнечного ветра.
Содержание статьи
КОМЕТА, небольшое небесное тело, движущееся в межпланетном пространстве и обильно выделяющее газ при сближении с Солнцем. С кометами связаны разнообразные физические процессы, от сублимации (сухое испарение) льда до плазменных явлений. Кометы – это остатки формирования Солнечной системы , переходная ступень к межзвездному веществу. Наблюдение комет и даже их открытие нередко осуществляются любителями астрономии. Иногда кометы бывают столь яркими, что привлекают всеобщее внимание. В прошлом появление ярких комет вызывало у людей страх и служило источником вдохновения для художников и карикатуристов.
Все или почти все кометы являются составными частями Солнечной системы. Они, как и планеты, подчиняются законам тяготения, но движутся весьма своеобразно. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении (которое называют «прямым» в отличие от «обратного») по почти круговым орбитам, лежащим примерно в одной плоскости (эклиптики), а кометы движутся как в прямом, так и обратном направлениях по сильно вытянутым (эксцентричным) орбитам, наклоненным под различными углами к эклиптике. Именно характер движения сразу выдает комету.
Долгопериодические кометы (с орбитальным периодом более 200 лет) прилетают из областей, расположенных в тысячи раз дальше, чем самые удаленные планеты, причем их орбиты бывают наклонены под всевозможными углами. Короткопериодические кометы (период менее 200 лет) приходят из района внешних планет, двигаясь в прямом направлении по орбитам, лежащим недалеко от эклиптики. Вдали от Солнца кометы обычно не имеют «хвостов», но иногда имеют еле видимую «кому», окружающую «ядро»; вместе их называют «головой» кометы. С приближением к Солнцу голова увеличивается и появляется хвост.
В центре комы располагается ядро – твердое тело или конгломерат тел диаметром в несколько километров. Практически вся масса кометы сосредоточена в ее ядре; эта масса в миллиарды раз меньше земной. Согласно модели Ф.Уиппла, ядро кометы состоит из смеси различных льдов, в основном водяного льда с примесью замерзших углекислоты, аммиака и пыли. Эту модель подтверждают как астрономические наблюдения, так и прямые измерения с космических аппаратов вблизи ядер комет Галлея и Джакобини – Циннера в 1985–1986.
Когда комета приближается к Солнцу ее ядро нагревается, и льды сублимируются, т.е. испаряются без плавления. Образовавшийся газ разлетается во все стороны от ядра, унося с собой пылинки и создавая кому. Разрушающиеся под действием солнечного света молекулы воды образуют вокруг ядра кометы огромную водородную корону. Помимо солнечного притяжения на разреженное вещество кометы действуют и отталкивающие силы, благодаря которым образуется хвост. На нейтральные молекулы, атомы и пылинки действует давление солнечного света, а на ионизованные молекулы и атомы сильнее влияет давление солнечного ветра.
Поведение частиц, формирующих хвост, стало значительно понятнее после прямого исследования комет в 1985–1986. Плазменный хвост, состоящий из заряженных частиц, имеет сложную магнитную структуру с двумя областями различной полярности. На обращенной к Солнцу стороне комы формируется лобовая ударная волна, проявляющая высокую плазменную активность.
Хотя в хвосте и коме заключено менее одной миллионной доли массы кометы, 99,9% света исходит именно из этих газовых образований, и только 0,1% – от ядра. Дело в том, что ядро очень компактно и к тому же имеет низкий коэффициент отражения (альбедо).
Иногда кометы разрушаются при сближении с планетами. 24 марта 1993 на обсерватории Маунт-Паломар в Калифорнии астрономы К. и Ю.Шумейкеры совместно с Д.Леви открыли недалеко от Юпитера комету с уже разрушенным ядром. Вычисления показали, что 9 июля 1992 комета Шумейкеров – Леви-9 (это уже девятая открытая ими комета) прошла вблизи Юпитера на расстоянии половины радиуса планеты от ее поверхности и была разорвана его притяжением более чем на 20 частей. До разрушения радиус ее ядра составлял ок. 20 км.
Растянувшись в цепочку, осколки кометы удалились от Юпитера по вытянутой орбите, а затем в июле 1994 вновь приблизились к нему и столкнулись с облачной поверхностью Юпитера.
Ядра комет – это остатки первичного вещества Солнечной системы, составлявшего протопланетный диск. Поэтому их изучение помогает восстановить картину формирования планет, включая Землю. В принципе некоторые кометы могли бы приходить к нам из межзвездного пространства, но пока ни одна такая комета надежно не выявлена.
В табл. 1 перечислены основные газовые составляющие комет в порядке убывания их содержания. Движение газа в хвостах комет показывает, что на него сильно влияют негравитационные силы. Свечение газа возбуждается солнечным излучением.
Чтобы лучше понять этот раздел, советуем познакомиться со статьями:НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА; КОНИЧЕСКИЕ СЕЧЕНИЯ; ОРБИТА; СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА.
Движение ядра кометы полностью определяется притяжением Солнца. Форма орбиты кометы, как и любого другого тела в Солнечной системе, зависит от ее скорости и расстояния до Солнца. Средняя скорость тела обратно пропорциональна квадратному корню из его среднего расстояния до Солнца (a ). Если скорость всегда перпендикулярна радиусу-вектору, направленному от Солнца к телу, то орбита круговая, а скорость называют круговой скоростью (v c ) на расстоянии a . Скорость ухода из гравитационного поля Солнца по параболической орбите (v p ) в раз больше круговой скорости на этом расстоянии. Если скорость кометы меньше v p , то она движется вокруг Солнца по эллиптической орбите и никогда не покидает Солнечной системы. Но если скорость превосходит v p , то комета один раз проходит мимо Солнца и навсегда покидает его, двигаясь по гиперболической орбите.
На рисунке показаны эллиптические орбиты двух комет, а также почти круговые орбиты планет и параболическая орбита. На расстоянии, которое отделяет Землю от Солнца, круговая скорость равна 29,8 км/с, а параболическая – 42,2 км/с. Вблизи Земли скорость кометы Энке равна 37,1 км/с, а скорость кометы Галлея – 41,6 км/с; именно поэтому комета Галлея уходит значительно дальше от Солнца, чем комета Энке.
Орбиты у большинства комет эллиптические, поэтому они принадлежат Солнечной системе. Правда, у многих комет это очень вытянутые эллипсы, близкие к параболе; по ним кометы уходят от Солнца очень далеко и надолго. Принято делить эллиптические орбиты комет на два основных типа: короткопериодические и долгопериодические (почти параболические). Пограничным считается орбитальный период в 200 лет.
К этому классу относятся многие кометы. Поскольку их периоды обращения составляют миллионы лет, в течение века в окрестности Солнца появляется лишь одна десятитысячная их часть. В 20 в. наблюдалось ок. 250 таких комет; следовательно, всего их миллионы. К тому же далеко не все кометы приближаются к Солнцу настолько, чтобы стать видимыми: если перигелий (ближайшая к Солнцу точка) орбиты кометы лежит за орбитой Юпитера, то заметить ее практически невозможно.
Учитывая это, в 1950 Ян Оорт предположил, что пространство вокруг Солнца на расстоянии 20–100 тыс. а.е. (астрономических единиц: 1 а.е. = 150 млн. км, расстояние от Земли до Солнца) заполнено ядрами комет, численность которых оценивается в 10 12 , а полная масса – в 1–100 масс Земли. Внешняя граница «кометного облака» Оорта определяется тем, что на этом расстоянии от Солнца на движение комет существенно влияет притяжение соседних звезд и других массивных объектов (см . ниже ). Звезды перемещаются относительно Солнца, их возмущающее влияние на кометы изменяется, и это приводит к эволюции кометных орбит. Так, случайно комета может оказаться на орбите, проходящей вблизи Солнца, но на следующем обороте ее орбита немного изменится, и комета пройдет вдали от Солнца. Однако вместо нее из облака Оорта в окрестность Солнца будут постоянно попадать «новые» кометы.
При прохождении кометы вблизи Солнца ее ядро нагревается, и льды испаряются, образуя газовые кому и хвост. После нескольких сотен или тысяч таких пролетов в ядре не остается легкоплавких веществ, и оно перестает быть видимым. Для регулярно сближающихся с Солнцем короткопериодических комет это означает, что менее чем за миллион лет их популяция должна стать невидимой. Но мы их наблюдаем, следовательно, постоянно поступает пополнение из «свежих» комет.
Пополнение короткопериодических комет происходит в результате их «захвата» планетами, главным образом Юпитером. Ранее считалось, что захватываются кометы из числа долгопериодических, приходящих из облака Оорта, но теперь полагают, что их источником служит кометный диск, называемый «внутренним облаком Оорта». В принципе представление об облаке Оорта не изменилось, однако расчеты показали, что приливное влияние Галактики и воздействие массивных облаков межзвездного газа должны довольно быстро его разрушать. Необходим источник его пополнения. Таким источником теперь считают внутреннее облако Оорта, значительно более устойчивое к приливному влиянию и содержащее на порядок больше комет, чем предсказанное Оортом внешнее облако. После каждого сближения Солнечной системы с массивным межзвездным облаком кометы из внешнего облака Оорта разлетаются в межзвездное пространство, а им на смену приходят кометы из внутреннего облака.
Переход кометы с почти параболической орбиты на короткопериодическую происходит в том случае, если она догоняет планету сзади. Обычно для захвата кометы на новую орбиту требуется несколько ее проходов через планетную систему. Результирующая орбита кометы, как правило, имеет небольшое наклонение и большой эксцентриситет. Комета движется по ней в прямом направлении, и афелий ее орбиты (наиболее удаленная от Солнца точка) лежит вблизи орбиты захватившей ее планеты. Эти теоретические соображения полностью подтверждаются статистикой кометных орбит.
Газообразные продукты сублимации оказывают реактивное давление на ядро кометы (подобное отдаче ружья при выстреле), которое приводит к эволюции орбиты. Наиболее активный отток газа происходит с нагретой «послеполуденной» стороны ядра. Поэтому направление силы давления на ядро не совпадает с направлением солнечных лучей и солнечного тяготения. Если осевое вращение ядра и его орбитальное обращение происходят в одном направлении, то давление газа в целом ускоряет движение ядра, приводя к увеличению орбиты. Если же вращение и обращение происходят в противоположных направлениях, то движение кометы тормозится, и орбита сокращается. Если такая комета первоначально была захвачена Юпитером, то через некоторое время ее орбита целиком оказывается в области внутренних планет. Вероятно, именно это случилось с кометой Энке.
Особую группу короткопериодических комет составляют кометы, «задевающие» Солнце. Вероятно, они образовались тысячелетия назад в результате приливного разрушения крупного, не менее 100 км в диаметре, ядра. После первого катастрофического сближения с Солнцем фрагменты ядра совершили ок. 150 оборотов, продолжая распадаться на части. Двенадцать членов этого семейства комет Крейца наблюдались между 1843 и 1984. Возможно, их происхождение связано с большой кометой, которую видел Аристотель в 371 до н.э.
Это самая знаменитая из всех комет. Она наблюдалась 30 раз с 239 до н.э. Названа в честь Э.Галлея, который после появления кометы в 1682 рассчитал ее орбиту и предсказал ее возвращение в 1758. Орбитальный период кометы Галлея – 76 лет; последний раз она появилась в 1986 и в следующий раз будет наблюдаться в 2061. В 1986 ее изучали с близкого расстояния 5 межпланетных зондов – два японских («Сакигаке» и «Суйсей»), два советских («Вега-1» и «Вега-2») и один европейский («Джотто»). Оказалось, что ядро кометы имеет картофелеобразную форму длиной ок. 15 км и шириной ок. 8 км, а его поверхность «чернее угля».Возможно, оно покрыто слоем органических соединений, например полимеризованного формальдегида. Количество пыли вблизи ядра оказалось значительно выше ожидаемого.
Эта тусклая комета была первой включена в семейство комет Юпитера. Ее период 3,29 года – наиболее короткий среди комет. Орбиту впервые вычислил в 1819 немецкий астроном И.Энке (1791–1865), отождествивший ее с кометами, наблюдавшимися в 1786, 1795 и 1805. Комета Энке ответственна за метеорный поток Тауриды, наблюдающийся ежегодно в октябре и ноябре.
Эту комету открыл М.Джакобини в 1900 и переоткрыл Э.Циннер в 1913. Ее период 6,59 лет. Именно с ней 11 сентября 1985 впервые сблизился космический зонд «International Cometary Explorer», который прошел через хвост кометы на расстоянии 7800 км от ядра, благодаря чему были получены данные о плазменной компоненте хвоста. С этой кометой связан метеорный поток Джакобиниды (Дракониды).
Все проявления кометы так или иначе связаны с ядром. Уиппл предположил, что ядро кометы является сплошным телом, состоящим в основном из водяного льда с частицами пыли. Такая модель «грязного снежка» легко объясняет многократные пролеты комет вблизи Солнца: при каждом пролете испаряется тонкий поверхностный слой (0,1–1% полной массы) и сохраняется внутренняя часть ядра. Возможно, ядро является конгломератом нескольких «кометезималей», каждая не более километра в диаметре. Такая структура могла бы объяснить распад ядер на части, как это наблюдалось у кометы Биелы в1845 или у кометы Веста в 1976.
Наблюдаемый блеск освещенного Солнцем небесного тела с неизменной поверхностью меняется обратно пропорционально квадратам его расстояний от наблюдателя и от Солнца. Однако солнечный свет рассеивается в основном газопылевой оболочкой кометы, эффективная площадь которой зависит от скорости сублимации льда, а та, в свою очередь, – от теплового потока, падающего на ядро, который сам изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния до Солнца. Поэтому блеск кометы должен меняться обратно пропорционально четвертой степени расстояния до Солнца, что и подтверждают наблюдения.
Размер ядра кометы можно оценить из наблюдений в то время, когда оно далеко от Солнца и не окутано газопылевой оболочкой. В этом случае свет отражается только твердой поверхностью ядра, и его видимый блеск зависит от площади сечения и коэффициента отражения (альбедо). У ядра кометы Галлея альбедо оказалось очень низким – ок. 3%. Если это характерно и для других ядер, то диаметры большинства из них лежат в диапазоне от 0,5 до 25 км.
Переход вещества из твердого состояния в газообразное важен для физики комет. Измерения яркости и спектров излучения комет показали, что плавление основных льдов начинается на расстоянии 2,5–3,0 а.е., как должно быть, если лед в основном водяной. Это подтвердилось при изучении комет Галлея и Джакобини – Циннера. Газы, наблюдающиеся первыми при сближении кометы с Солнцем (CN, C 2), вероятно, растворены в водяном льде и образуют газовые гидраты (клатраты). Каким образом этот «составной» лед будет сублимироваться, в значительной степени зависит от термодинамических свойств водяного льда. Сублимация пыле-ледяной смеси происходит в несколько этапов. Потоки газа и подхваченные ими мелкие и пушистые пылинки покидают ядро, поскольку притяжение у его поверхности крайне слабое. Но плотные или скрепленные между собой тяжелые пылинки газовый поток не уносит, и формируется пылевая кора. Затем солнечные лучи нагревают пылевой слой, тепло проходит внутрь, лед сублимируется, и газовые потоки прорываются, ломая пылевую кору. Эти эффекты проявились при наблюдении кометы Галлея в 1986: сублимация и отток газа происходили лишь в нескольких областях ядра кометы, освещенных Солнцем. Вероятно, в этих областях обнажился лед, тогда как остальная поверхность была закрыта корой. Вырвавшиеся на свободу газ и пыль формируют наблюдаемые структуры вокруг ядра кометы.
Пылинки и газ из нейтральных молекул (табл. 1) образуют почти сферическую кому кометы. Обычно кома тянется от 100 тыс. до 1 млн. км от ядра. Давление света может деформировать кому, вытянув ее в антисолнечном направлении.
Поскольку льды ядра в основном водяные, то и кома в основном содержит молекулы H 2 O. Фотодиссоциация разрушает H 2 O на H и OH, а затем OH – на O и H. Быстрые атомы водорода улетают далеко от ядра прежде чем оказываются ионизованными, и образуют корону, видимый размер которой часто превосходит солнечный диск.
Хвост кометы может состоять из молекулярной плазмы или пыли. Некоторые кометы имеют хвосты обоих типов.
Пылевой хвост обычно однородный и тянется на миллионы и десятки миллионов километров. Он образован пылинками, отброшенными давлением солнечного света от ядра в антисолнечном направлении, и имеет желтоватый цвет, поскольку пылинки просто рассеивают солнечный свет. Структуры пылевого хвоста могут объясняться неравномерным извержением пыли из ядра или разрушением пылинок.
Плазменный хвост в десятки и даже сотни миллионов километров длиной – это видимое проявление сложного взаимодействия между кометой и солнечным ветром. Некоторые покинувшие ядро молекулы ионизуются солнечным излучением, образуя молекулярные ионы (H 2 O + , OH + , CO + , CO 2 +) и электроны. Эта плазма препятствует движению солнечного ветра, пронизанного магнитным полем. Наталкиваясь на комету, силовые линии поля оборачиваются вокруг нее, принимая форму шпильки для волос и образуя две области противоположной полярности. Молекулярные ионы захватываются в эту магнитную структуру и образуют в центральной, наиболее плотной ее части видимый плазменный хвост, имеющий голубой цвет из-за спектральных полос CO + . Роль солнечного ветра в формировании плазменных хвостов установили Л.Бирман и Х.Альвен в 1950-х годах. Их расчеты подтвердили измерения с космических аппаратов, пролетевших через хвосты комет Джакобини – Циннера и Галлея в 1985 и 1986.
В плазменном хвосте происходят и другие явления взаимодействия с солнечным ветром, налетающим на комету со скоростью ок. 400 км/с и образующим перед ней ударную волну, в которой уплотняется вещество ветра и головы кометы. Существенную роль играет процесс «захвата»; суть его в том, что нейтральные молекулы кометы свободно проникают в поток солнечного ветра, но сразу после ионизации начинают активно взаимодействовать с магнитным полем и ускоряются до значительных энергий. Правда, иногда наблюдаются весьма энергичные молекулярные ионы, необъяснимые с точки зрения указанного механизма. Процесс захвата возбуждает также плазменные волны в гигантском объеме пространства вокруг ядра. Наблюдение этих явлений имеет фундаментальный интерес для физики плазмы.
Замечательное зрелище представляет «обрыв хвоста». Как известно, в нормальном состоянии плазменный хвост связан с головой кометы магнитным полем. Однако нередко хвост отрывается от головы и отстает, а на его месте образуется новый. Это случается, когда комета проходит через границу областей солнечного ветра с противоположно направленным магнитным полем. В этот момент магнитная структура хвоста перестраивается, что выглядит как обрыв и формирование нового хвоста. Сложная топология магнитного поля приводит к ускорению заряженных частиц; возможно, этим объясняется появление упомянутых выше быстрых ионов.
Из наблюдаемого количества и орбитальных параметров комет Э.Эпик вычислил вероятность столкновения с ядрами комет различного размера (табл. 2). В среднем 1 раз за 1,5 млрд. лет Земля имеет шанс столкнуться с ядром диаметром 17 км, а это может полностью уничтожить жизнь на территории, равной площади Северной Америки. За 4,5 млрд. лет истории Земли такое могло случаться неоднократно. Гораздо чаще происходят катастрофы меньшего масштаба: в 1908 над Сибирью, вероятно, вошло в атмосферу и взорвалось ядро небольшой кометы, вызвав полегание леса на большой территории.
