10
Кометы
Почти четверть века назад человекчесто было потребно известием о запуске искусственного спутника Земли. Во всем мире радиопримники были настроены на волну его передатчика. Простенькие радиосигналы первого спутника «бип-бип-бип» возникли о начале космической эры в истории человекачеста.
Нынешние десятиклассники, не говоря уже о более «молодой поросли», родились в эпоху космических полетов. Все постепенно становились прививчными. И сейчас даже полеты кораблей к другим планетам Солнечной системы — Венере, Марсу, Сатурну — наверное, меньше порождают воображение, чем некогда — запуск первого спутника, полет Юрия Гагарина, высадка amе-
риканских астроавтов на Луне. Тем не менее, и нынешнее поколевание ожидат кое-кание «сюорпризы», граничащие с научной фантастикой. Однако из ближайших порождающих воображение космических экспериментов — экспедицини к комете Галлея, которые будут осуществлены в 1985—86 году, когда эта комета в очередной раз вернется из «окраин» Солнечной системы и приближется к Солнцу.
Такого рода эксперименты имеют, по крайней мере, два важнейших аспекта: психологический и научный. Почему психологический? Дело в том, что кометы всегда порождают воображение людей. Слово «комета» в переводе с гречского означает «волосатая звезда». И в древние времена, и в средние века кометы изобразали чаше всего как отрубленные головы с развевающимся волосами. Человек всегда на звездном небе аналогии с известными ему, понятными образами; отсюда — названия многих созвездий: Большая Медведица, Близнецы, Весы и т. п. В этом смысле кометы не были исключением. Однако, если звездное небо даже искусному наблюдателью виделось практическими неизменными из ночи в ночь, то появление яркой «волосатой звезды», довольно быстро, иногда в течение всего несколько дней, исчезающей с небосвода, было событем выдающимся и ужасающим.
Вид яркой кометы — зрелше впечатляюще. По своему блеску она
Комета Галлея, фотографированная 13 мая 1910 года (внизу слева — Венера).
11
может быть как Венера, например, и даже как Луна в полнолуни. Хвост такой кометы пространства на полнеба. Посмотрите на фотографию кометы Галлея, сделанную во время ее прошлого прохождения через пергейв в 1910 году. Эффектно, неправда ли? Во всяком случае, можно понять, почему кометы во все времена у многих народов считалисьвестниками несчастный, дурными знаменями, «гласом бокжим» или, лучше сказаать, «дьявольским». История человека изобилует войнами, эпидемиями, дворцовыми переворотами и убийствами особ королевского происхождения, так что почти всегда появлению кометы «спутствовало» какое-нибудь трагичское событие.
В 44 году до нашей эры смерт Юлия Цезаря совпала с появлением на небе яркой кометы (об этом известно из трудов римских историков), поэтому в средние века и даже позднее при европейских дворах существовали мнение, что появление яркой кометы может предшевать смерт особ царствующего дома. Яркая комета 1664 года очень напугала французского короля Людовика XIV, знакомого нам по роману Дюма «Виконт де Бражелон», а портгалский король того времени Альфонс VI, опасаясь, что комета явилась за ним, стрелляв в нее из аркбузы.
Любопытно, что «китайская точка зрения» на кометы радикально отличалась от «европейской». По мнению древних китайцев, кометы были курьерами, разносцами по «звездным провинциям» волю императора. Планеты были правительями провинций, а звезды — местными властями. Кометы, перемещаясь из провинции в провинцию, переослили правительственные делещи.
Впрочем, не следует думать, что в давние времена начинато отсутствовать научное изучение комет. Уже в древних китайских хрониках отраженFundamentalный научный факт, лежащий в основе современных представлений о физике комет, заключенной в том, что хвосты комет всегда направлены в сторону, противоположную Солнцу. Об этом было известно также римскому философу и писателю Луizio Сенеке. До XVII века в науке господствовали взгляды Аристotelя — признанного авторитета во всех вопросах естественногония. Аристotelь полагал, что кометы находятся вне ведения актромов, так как, по его мнению, это явление (комета) возникает в земной атмосфере: земные пары, поднимаясь вверх, загораются, соррикаясь со «сферой огня», и хвост кометы — это пламя, которое гонит ветер. Однако уже в 1577 году искуснейший наблюдается того времени Тихо Браге неопровержимо доказал ошибочность взглядов Аристotelя. Если комета находилась в пределах земной атмосферы, то есть сравнительно недалеко от Земли, то, наблюдая ее одновременно из двух различных точек земной поверхности, Тихо Браге и его ученики видели бы ее рядом с различными звездами. Но этого не произшло — комета в обихах пункта проектирования на одну и ту же точку звездного неба, а это означает, что угол «наблюдатель № 1 — комета — наблюдаатель № 2» (так называемый паралакс) весма мал, то есть комета находится очень далеко от Земли, и уже во всяком случае за пределами земной атмосферы. С тех пор изучение комет окончательно перешло в ведение актромов.
После того как Галилей первым наведел на небо построенный им телесопп, в астрономии появился новая профессия — «ловцы комет». Дело в том, что слабая комета имеет вид маленького туманного пятнышка на небе. Но относить не любое туманное пятныisko — это комета. Теперь мы знаем, что так выглядают целый ряд астрономических объектов: планетарные и дифузные туманности, шаровые и рассеяные скопления, галактики. Когда комета еще далек от Солнца, она тоже почти не перемещается по небу от ночи к ночи, поэтому ее трудно отличить от этих «статичных» пятнышки. наблюдайте должен быть достаточно искусным. Французский астроном Шарль Мессье (1730–1817) впервые в истории астрономии составил каталог таких туманностей (болееста объектов) именно для того, чтобы не путать их с кометами. Это и сейчас один из самых известных,
12
можно сказаать, «настольный» каталог астрономов. Объекты каталога Мессье обозначют буквой М. Объект М1 — это значения Крабовидная туманность, в центре которого, как мы теперь знаем, находится Мессье приял сначала за новую комету и именно во избежание дальнейших ошибок составил свой знаментий каталог. «Ирония судьбы» заключается в том, что по простейшии каких-нибудь 200—250 лет причины и следствия, так сказаить, помещались местами. Теперь мы знаем, что кометы — это, скорее всего, обитательны всего лишь нашей Солнечной системы, в которой они, по-видимому, возникли. Солнце — вполне заурядная звезда нашей Галактики (в ней приблизительно 10¹¹ звезд). Таких галактик, как наша, великое множество. Объчно они образуют скопления (число галактик в скоплениях исчисляется сотнями и даже тысячи). Таких скоплений мы видим сегодня около двадцати. И если во времена Мессье галактики и туманности были лишь досадными помещами на пути «вылавливания комет», то теперь объекты каталога Мессье (и других подобных каталогов) являются важнейшим предметом исследования, так как именно они позволяют судить о структуре и зволочии Вселенной, видимые сегодня размеры которой исчисляются миллиардими световых лет (1 световой год≈10¹⁸ см).
Казалось бы, на фоне таких градинозных проблем могут ли кого-нибудь всегда волновать такие частности, как Солнечная система (ее размеры вряд ли превышает сотни астрономических единиц, а 1 астрономическая единица≈1,5·10⁻⁵ световых лет), Солнце и совсем «частиная частность» — кометы? Оказывается, могут. Дело в том, что вопрос о присхождении Солнечной системы тесто связан с проблемой присхождения жизни на Земле и вообщево Вселенной, с проблемой существования внешних цивилизаций. Проблемы эти не менее фундаментальные, чем проблемы зволочии Вселенной. Для их решения нужно знать начальные условия, при которых образовалась Солнечная система. И оказывается, именно кометы могут быть об этом необходимую информацию.
По современным представлениям все тела Солнечной системы (и, в частности, кометы) возникли в едином процессе зволочии досолнечного газопылевого облака. Единой, общеприятной точки зрения о том, как это произошло, в настоящее время не существует. Это связано с большой неопределенностью в начальных условиях возникновения и последующей зволочии досолнечного облака. Считается, например, что возникновение планетных систем вокруг звезд — явление заурядное, и в этом плане наша звезда — Солнце — не есть нечто исключительное. (Подробнее освенение этого вопроса можно найти в прекрасной книге И. С. Шкловского «Вселенная, жизнь, разум».) Однако в самом последнем времени возникновения в заурядности условий, в которых находится возникновения Солнечная система в нашей Галактике. Связывано это с местоположением Солнца в Галактике.
Наша Галактика относится к спиральным. Согласно современным представлениям, спиральные рукава галактик представляют собой волны уплотнения. Галактика врашает. При этом угловая скорость Ω зависит от расстояния R до ее центра, то есть Ω = Ω(R). А волны уплотнения врашает с постоянной угловой скоростью Ω_B. Существует, очень удобно, такая окружность радиуса R_K в диске галактики, угловая скорость врашения по которой совпадает с угловой скоростью волн уплотнения (то есть выполянется равенство Ω(R_K) = Ω_B). Такую окружность называют коротащенной. В каждой галактике (в том числе и в нашей) есть только одна коротащенная окружность.
Оказывается, Солнце в нашей Галактике находится почти на коротащенной окружности, и положение Солнечной системы в этом смысле исключает. Вполне возможно, что из-за этой исключаетности условий, в которых возникла Солнечная система, не являются заурядными. Не исключаено, что это имеет
13
значение и для проблем производства жизни жизни. Вследствие того, что Солнце врашается почти синхронно со спиральным узором Галактики, мы только один раз за время существования Солнечной системы успел пересечь спиральный рукав — место, крайне опасное для всего живого, так как именно в спиральных рукавах вспыхивают сверхновые звезды, которые дают настолько мощные потоки электромагнитного излучения, что это может оказаться губительным для жизни. Например, по мнению И. С. Шкловского, именно вследствие вспышки близкой сверхновой звезды произошло массовое вымирание динозавров на Земле.
Уже из приведенного примераясно, насоклько важно знать начальные условия, при которых формировалась Солнечная система, насоклько они были заурядны или незаурядны в Галактике, каков был химический состав дослечение облака, физические условия в нем и т. п. Информацию об этих начальных условиях, во всяком случае о химическом составе и физических условиях, могут дать кометы. Массы комет очень малы по сравнению с массами планет Солнечной системы (по-видимому, они порядка массы Земли). Это означает, что мала их собственная гравиитация. Поэтому кометы почти не эволюционировали с эпохи своего рождения до «сегодняшнего дня». Другими словами, физические условия в кометах, их химический состав остались такими же (или почти такими же), как в первичной газопылевой туманности, из которой образовались Солнце и планеты. Эвольция затроила большие тела — само Солнце, планеты, но почти не коснулась малых — комет, meteorитов.
Более того, одна из современных гипотез вообще связывает происхождение жизни в Галактике с кометами. Она принадлежит известному американскому физике Дайсону. Его идея заключается в том, что жизнь сконцентрирована на поверхности Земли, в биосфере. Если считать, что жизнь всегда может возникнуть лишь в поверхности Солнце в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике — наиболее подходящим для этого кометы в Галак-тике —��соединения показали, что этот избыток является следствием распада радиоактивного изотона Al (устойчивый изотоп — это Al). Его период полураспада лет. Откуда взялся в дослечение туманности радиоактивный Al? Это — вопрос. Ясно, однако, что он должен был в неопасы приблизительно за миллион лет до того как начали затвердевать meteorиты. Сейчас его появление связывает с вероятым
14
взрывом близкой сверхновой*). Если, однako, в досолнечной туманности присутствовал Al, то он был и в том материале, из которого возникли кометы. А это значит, что простейшие организаские молекулы, входящие в состав кометных ядер, находились под облучением распадающегося вследствие своей естественной радиоактивности изотопа Al. Лабораторные опыты показывают, что при облучении такие молекулы способны к самоорганизации, к образованию аминокислот и основании нуклеиновых кислот, а отсюда совсем недалеко до возникновения жизни.
Эти идеи не беспорядны, быть может — даже кометы. Для их проверки, для ответа на множество интереснейших вопросов необходимы прямы эксперименты в космосе и, конкретно, «рандеву» с кометами, непредставенное «прошупывание» их.
Что представляют собой кометы согласно современным научным взглядам? Массы комет малы. Как уже упоминал, они, вероятно, заключены в пределах г (masса Земли≈6·10 г). В гравиитционном поле колосальной массы Солнца ( г) они движутся согласно закону всемирного тяготения, по орбитам, представляющим собой конечные сечения, то есть, кривые, получающие при пересечении конуса плоскостью. Это — окружность, эллипс, парабола, гипербола. В фокус орбит находится Солнце. Гравитационное поле больших планет (Юптера и Сатурна) возмущает их орбиты, изменяет их, так что комета, движущаяся, направер, по эллиптической траектории, может перейти на гиперболическую или параболическую. Кометы, имеющие эллиптические орбиты (возникновение в таких условиях окружности крайне маловерятно), периодические возвращаются к Солнцу. Такие кометы называют периодическими. Их немного — несколько более семидесят.
*) При взрывах сверхновых температураровыдается настолько, что в их веществе начинается термодерный синтез химических элементов, в частиности, радиоактивного алюминия. Образовавшиеся в результате такого синтеза продукты, разделяясь при взрыве, могут «загрязнить» собой близлежащее досолненое облаako.
Смым большим периодом обладает комета Борелли, которая проходит через периодия раз в 493 года. Самым коротким периодом обладает комета Энке — 3,3 года. (Объчно кометы носит имена своих первогокрывателей.) Всего сейчас известно свыше пятисот кометных орбит. Можно было бы думать, что раз большинство комет движется по незамкнутым траекторям, онирождаются за пределами Солнечной системы, где-то в Галактике. Однако не так. Исследования показали, что в действительности первичными орбитами всех комет были эллипсы, большинство которых постепенно превращалось в гиперболы и парабoles под влиянием пряжения Юптера и Сатурна. Это означает, что кометы возникли в пределах Солнечной системы. Сейчас наиболее популярна точка зрения голландского астронома Яна Оорта, согласно которой на границе Солнечной системы, приблизительно на расстоянии 15000 а. е. от Солнца, существует облако комет (так называемое облако Оорта) — «резерверар», из которого под влиянием тяготения близжайших звезд времени вырывается какая-либо из комет и устремляется к Солнцу. Ее мы и фиксируем как очередную комету. Раньше существовала красивая гипотеза, согласно которой кометное облако возникло из ледяных остатков десяти планеты Солнечной системы — Фаэтона, некогда существовавшей между орбитами Марса и Юптера и погибшей вседействие взрыва. Позднее такое обьясение стало казаться далеко не беспорядным. Кометы возникнут и как побочный продукт при формировании планет, иследствие других процессов вDOSЛненом газопыленом облаako. Важно, одnakо, что они возникли, по всейверятности, в Солнечной системе, мало эвольционноировали и, следовательно, несут информацию о начальных условиях.
Что представляют собой кометы с физической точки зрения? Практические все масса кометы сосредоточена в ее ядре. Ядро, по-видимому, представляет собой твердую смесь камней, льдов различных химических
15
соединенный (метана, аминака, воды и пр.), мелких частиц и т. п. Размеры ядер, вероятоно, заключены в пределах от нескольких километров до десятьков километров. По мере приближения к перигелию кометные ядра «обращают» атмосферами, состоящими из различных молекул и пылинок. Атмосферы появляются вседствие прогрева ядра солнечных лучами — при прогреве испарются льды, при испарении освобождаются и мелкие частицы. Размеры атмосферы вблизи перигеля очень велики. Например, у кометы Галлея в 1910 году голова (т. е ядро+атмосфера) имела диаметр свше 100 000 км. Из головых типичной кометы обычно выходит один или несколько хвостов, которые всегда направлены в сторону, противоположную Солнцу.
Химический состав кометных атмосфер (голов и хвостов) определяют по их спектрам. Чаще всего в головах комет наблюдается молекулярный углерод (C₂), циан (CN), трехатомный углерод (C₃) и другие молекулы. Хвосты комет по своему составу делятся на три типа. Хвосты I типа состоит из плазмы — ионизированных молекул N₂⁺, CO⁺ и электронов — с концентрацией n ≈ 10÷100 частиц/cm³. Спектры хвостов II и III типов непрерывные. Хвосты III типа — пылиные, хвосты II типа, по-видимому, смешанные — газопылиные.
Нейтральные молекулы и пылиники в атмосферах комет движутся под действием двух противоположно направленных сил: силы gravitationного прияжения к Солнцу и отталкивающей от него силы давления солнечного света*). (Сила прияжения к ядру кометы пребрежимо мала по сравнению с этим силами.)
Тот факт, что хвосты комет направлены в сторону, противоположную Солнцу, означает, что отталкивание от Солнца преобладает над прияжением. Ускорения части в хвостах принято изменять в доляхускорения солнечного прияжения g₀ на данном расстоянии. В хвостах II и III типаускорения части оказывают ~(1÷20)g₀, в хвостах I типа — порядка (100÷1000)g₀. может ли лучевое давление обеспечить такиеускорения пылинок и молекул? Пылинок — да. С молекулами дело обстоятель сложнее. Математически расчет показал, что максимальное возможноеускорение, которое под действием лучевого давления может получить молекула, равно 56g₀. Этого достагоно, чтобы обяснить поведение хвостов второго типа. Но не первого.
Высокиеускорения в хвостах I типа, их приудливая, струйная, быстро меняются структура объ-
Фотографии кометы Бредфилда, сделанные в 1979 году в Соккоро (Нью-Мехико). Между первой (верхней) экспозицией и последней — временной интервал в 27,5 минут. За это время хвост кометы, который имел колоссальный длину 1,5 млн км, успел быстро переориентировать, вращаясь как целое. На фотографиях приведен масштаб (линейный и угловой).
В кометых хвостах плазменного типа часто наблюдаются колбательные и спиральные движения. Вращение хвоста как целого, наблюдается у кометы Бредфилда, — явление крайне редкое. Причны его пока недостагоно ясны.
16
Ясняются не лучевым давлением, а электромагнитными силами.
Межпланетное пространство, в котором движутся кометы, заполнен так называемым солнечным ветром, то есть непрерывно истекой из Солнца плазмой — протонами и электронами, уносящими с собой (вследствие своей высокой электропроводности) часть солнечного магнитного поля. Высокие ускорения и струйная структура хвостов I типа обусловлены взаимодействием ионов N₂⁺, CO⁺ и электронов, из которых они состоит, с солнечным ветром.
Не говоря уже о дохх пор нерешенных функентальных проблем, таких как проискжение Солнечной системы, жизни в ней и т. п., на которые могут prolить свет кометы и исследования, даже в самом физике явлений, наблюдаемых в кометах, очень много неясного. Список таких непонятных явлений влик, и мы приводить его здесь не будем.
Таким образом, экспедиции к кометам, помимо захватывающего психологического спектра, имеют и огромное научное значение. Они нужны всем тем, кто интересуется физическим многих непонятных явлений, наблюдаемых в кометах, и тем, кто интересуется функентальным проблеми проискжения нашей Солнечной системы и систем, подобных ей в нашей Галактике, проблеми проискжения жизни на Земле и вообщево Вселенной. Вопрос о том, какие экспедиции и к каким кометам планировались и планируются в последние годы, — это, безусловно, предмет отдельного рассскада. Здесь я коротко остановилось на ближайших из них — экспедициях к комете Галлея. Эта комета — перiodическая. В хрониках зарегистировано
Ненизвестная комета, направляющаяся к Солнцу (1979 год).
18
дующее прохождение кометы ситuation для наблюдения будет наблюдатой. Комета вблизи перигеля будет находиться как бы за Солнцем, и ее можно будет наблюдать в коротке промежутки времени на рассвете и после захода Солнца. Кроме того, комета Галлея, в отличие от большинства комет, имеет так называемое обратное движение — она летит по своей орбите в сторону, противоположную обращению Земли вокруг Солнца. Это очень сложняет эксперимент «Джотто», так как автомат и комета будут поддержать друг к другу как бы на встречных курсах с относительной скоростью 75 км/с, поэтому время проleta вблизи ядра кометы будет очень мало, оно исчисляется секундами. За это время нужно успеть осуществить огромную научную программу: попытаться сформировать ядро, установить химический и изотопный состав кометной атмосферы, степень ionизация, величины магнитного поля и т. д.
Приведенная выше схема полета корабля для встречи с кометой Галлея занимает из опубликового ECA проекта. Внешний круг — это орбита Земли, в центре круга — Солнце. Запуск планируется 10 июля 1985 года. Автомат летит по спирали вокруг Солнца и встречет комету 13 марта 1986 года после прохождения его perигеля. На рисунке отмечены положения Земли,
автомата и кометы в конкретные даты.
Параллельно с «Джотто» в СССР будет осуществлена свой экспедиция к комете Галлея. Ее проект очень остроумен. Автором его является академик Р. З. Сагдеев, директор Института космических исследований АН СССР. Суть проекта в том, чтобы автоматы, которые предполагается послать к Венере в 1984 году, использовать для встречи с кометой Галлея. Дело в том, что, в отличие от Земли, Венера будет расположена весьма удачно по отношению к комете вблизи ее perигеля. Поэтому небольшего маневра в поле тяготения Венеры будет достаточно, чтобы направить автоматы, выполившие свои исследовательские задачи вблизи этой планеты, к комете Галлея. Такой проект практически не требует дополнительных денежных затрат.
Если экспедиции к комете Галлея продолжают удачно, то исключительно этой кометы в истории человека становится неоспоримой.