Объекты Солнечной системы

Кометы

Коме́ты (от греч. κομήτης – волосатый), небольшие по размеру и массе небесные тела , обращающиеся вокруг по сильно вытянутым и резко повышающие свою яркость при сближении с Солнцем. Вблизи Солнца кометы выглядят на небе как светящиеся шары, за которыми тянется длинный хвост (рис. 1). Комета Хейла-Боппа. 14 марта 1997Рис. 1. Долгопериодическая комета Хейла – Боппа (C/1995 O1) при сближении с Солнцем. Видны протяжённые хвосты типов Ⅰ и Ⅱ. ESO / E. Slawik. CC BY 4.0Кометы представляют собой ледяные небесные тела (иногда называемые космическими айсбергами), яркое свечение которых создаётся солнечного света и другими физическими эффектами. Полное название кометы включает в себя имена открывателей (не более трёх), год открытия, прописную букву латинского алфавита и число, указывающие, в какой момент года была открыта комета, и префикс, обозначающий тип кометы (Р – короткопериодическая комета, С – долгопериодическая комета, D – разрушившаяся комета и др.). Ежегодно в любительский телескоп можно наблюдать примерно 10–20 комет.

Исторически появление кометы на небе считалось дурным предзнаменованием, предвещающим несчастья и катастрофы. Споры о природе кометы (атмосферной или космической) продолжались на протяжении 2 тыс. лет и завершились лишь в 18 в. Значительный прогресс в изучении комет был достигнут в 20 в. благодаря полётам к ним .

Общие сведения о кометах

Кометы вместе с , и метеорной пылью относятся к малым телам . Общее число комет в Солнечной системе чрезвычайно велико, оно оценивается величиной не менее 1012. Кометы подразделяются на 2 основных класса: короткопериодические и долгопериодические с соответственно менее и более 200 лет. Общее число комет, наблюдавшихся в историческое время (в том числе на и орбитах), близко к 1000. Из них известно около 100 короткопериодических комет, регулярно сближающихся с . Орбиты этих комет надёжно вычислены. Такие кометы называют «старыми», в отличие от «новых» долгопериодических комет, которые, как правило, наблюдались во внутренних областях Солнечной системы лишь однажды. Большинство короткопериодических комет входит в т. н. семейства планет-гигантов, находясь на близких к ним орбитах. Наиболее многочисленным является , насчитывающее сотни комет, среди которых известно свыше 50 самых короткопериодических комет с периодом обращения вокруг Солнца от 3 до 10 лет. Меньше наблюдаемых комет включают семейства Сатурна, Урана и Нептуна; к последнему, в частности, принадлежит знаменитая .

Основные резервуары, содержащие ядра комет, расположены на периферии Солнечной системы. Это в форме диска, находящийся вблизи плоскости непосредственно за орбитой в пределах 30–100 (а. е.) от Солнца, и сферическое по форме , расположенное примерно на половине расстояния до ближайших (30–60 тыс. а. е.). Внутри облака Оорта выделяют внешнее облако сферической формы, которое простирается от Солнца приблизительно на четверть расстояния до самых близких звёзд (60 тыс. а. е.), и внутреннее, имеющее, подобно поясу Койпера, форму в пределах от 2 тыс. до 30 тыс. а. е. Некоторые исследователи полагают, что внешняя граница облака достигает 100 тыс. – 200 тыс. а. е., т. е. порядка , что примерно соответствует для Солнца.

Основным источником короткопериодических комет служит пояс Койпера. Вследствие гравитационных возмущений Нептуном объектов пояса Койпера относительно небольшая доля населяющих пояс ледяных тел постоянно мигрирует во внутренние области Солнечной системы. Кометы на границе облака Оорта испытывают периодические гравитационные возмущения от гигантских и галактического диска, а также от случайных сближений со звёздами. Некоторые кометы могут пересекать эту границу и уходить из облака в , но в то же время кометные тела из ближайшего галактического окружения могут заходить внутрь . Попадая во внутренние области Солнечной системы, они переходят на высокоэллиптические орбиты и при сближении с Солнцем наблюдаются как долгопериодические кометы. Под влиянием гравитационных возмущений со стороны планет (в первую очередь Юпитера и других планет-гигантов) они либо пополняют известные семейства короткопериодических комет, регулярно возвращающихся к Солнцу, либо переходят на параболические и даже гиперболические орбиты, навсегда покидая Солнечную систему.

Изображение межзвёздной кометы Борисова (2I/Borisov, C/2019 Q4), полученное космическим телескопом «Хаббл». Октябрь 2019Рис. 2. Изображение межзвёздной кометы Борисова (2I/Borisov, C/2019 Q4), полученное космическим телескопом «Хаббл». Октябрь 2019. NASA, ESA, and D. Jewitt (UCLA).Кометы, заходящие внутрь Солнечной системы из межзвёздной среды, естественно рассматривать как своего рода «зонды» галактических областей, наиболее близких к Солнечной системе. Такие тела содержат в своём составе наиболее ценную космохимическую информацию. Известны два таких события: в 2017 г. впервые наблюдался межзвёздный объект (1I/Oumuamua) на гиперболической орбите (с e ⁣= ⁣1, ⁣19951e\!=\!1,\!19951), который является скорее астероидом, чем кометой, а в 2019 г. была открыта , о межзвёздном происхождении которой ещё более определённо свидетельствуют эксцентриситет её орбиты (e ⁣= ⁣3, ⁣35e\!=\!3,\!35), скорость (26,3 км/c) и ряд других признаков, включая наличие дегазации (рис. 2). Оба объекта сильно отличаются друг от друга, что, вероятно, говорит о разных источниках их происхождения.

Движение комет по орбите

Кометы движутся по с большим и наклонением к плоскости . Движение происходит и в прямом (как у планет, кроме Венеры и Урана), и в обратном направлении. Кометы испытывают сильные при прохождении вблизи планет, что приводит к существенному изменению их орбит (и, соответственно, сложностям прогноза движений комет и точного определения ). Вследствие этих изменений орбит многие кометы выпадают на Солнце и их называют Sun grazing – «царапающие Солнце».

Результаты вычислений комет публикуются в специальных каталогах. Например, каталог, составленный в 1997 г., содержит орбиты 936 комет, свыше 80 % которых наблюдались только один раз. В зависимости от положения на орбите комет изменяется на несколько порядков, достигая максимума вскоре после прохождения и минимума в . Абсолютная комет в первом приближении обратно пропорциональна R4,R^{4}, где RR – расстояние от Солнца. Как правило, короткопериодические кометы из-за потери массы при прохождении вблизи совершают вокруг него не более нескольких сотен оборотов. Поэтому время их жизни ограниченно и обычно не превышает 100 тыс. лет.

Активная фаза существования комет заканчивается, когда исчерпывается запас летучих веществ в ядре или поверхность ядра покрывается оплавленной пыле-ледяной коркой, возникающей вследствие многократных сближений комет с Солнцем. После окончания активной фазы ядро кометы по своим физическим свойствам становится подобным , поэтому резкой границы между астероидами и кометами нет. Более того, возможен и обратный эффект: бывшее ядро кометы может начать проявлять признаки кометной активности при растрескивании его поверхностной корки по тем или иным причинам (например, при столкновении с другим телом).Выпадение на Юпитер фрагментов кометы Шумейкеров – Леви 9 (D/1993 F2). 1994.Рис. 3. Выпадение на Юпитер фрагментов кометы Шумейкеров – Леви 9 (D/1993 F2). 1994. R. Evans, J. Trauger, H. Hammel and the HST Comet Science Team / NASA

Нерегулярность орбит комет приводит к плохо прогнозируемой вероятности их столкновений с планетами, что дополнительно усложняет проблему . Столкновением Земли с осколком ядра кометы, возможно, было вызвано 1908 г. В 1994 г. наблюдалось выпадение на (рис. 3) более 20 фрагментов (ранее захваченной Юпитером и разорванной в ближайшей окрестности планеты приливными силами), что привело к катастрофическим явлениям в атмосфере Юпитера.

Строение и состав комет

Кометы состоят из , атмосферы () и . Ядра нерегулярной формы имеют небольшие размеры – от единиц до десятков километров и, соответственно, очень малую массу, не оказывающую заметного гравитационного влияния на и другие небесные тела. Ядра комет вращаются относительно оси, почти перпендикулярной плоскости их , с от нескольких единиц до нескольких десятков часов. Для ядер комет характерна низкая отражательная способность ( 0,03–0,04), поэтому вдали от кометы не видны. Исключение составляет : период обращения этой кометы всего 3,31 года, она относительно мало удаляется от Солнца и её можно наблюдать на всём протяжении орбиты.

Основные элементы структуры кометного ядра и свойства поверхности формируются при рождении и претерпевают изменения при сближении кометы с Солнцем. Вблизи орбиты за счёт вещества ядра и выноса пыли с его поверхности возникает кома. Размер пылинок в коме составляет в основном 10–7–10–6 м, но присутствуют и более крупные частицы. Кома представляет собой ярко светящуюся туманную оболочку поперечником свыше 100 тыс. км. Внутри комы в окрестности ядра выделяют наиболее яркий сгусток – голову кометы, а за пределами комы – водородную корону (галó). Из комы вытягивается хвост протяжённостью в десятки миллионов километров – сравнительно слабосветящаяся полоса, не имеющая, как правило, чётких очертаний и направленная преимущественно в сторону, противоположную Солнцу. Интенсивная сублимация и вынос пыли создают ; этот негравитационный эффект в движении кометы оказывает влияние на нерегулярность кометных орбит.Ядра комет, исследованные космическими аппаратамиРис. 4. Ядра комет, исследованные космическими аппаратами. Для каждой кометы указаны название, размеры ядра, название аппарата и год снимка.Ядра комет обладают очень низкой средней , обычно не превышающей сотен кг/м3. Это свидетельствует о пористой структуре ядер, имеющих различные формы (рис. 4) и состоящих преимущественно из минеральной основы с большой фракцией водяного льда и некоторых других низкотемпературных конденсатов (углекислый, аммиачный, метановый льды). В состав минералов входят , , , и другие органические соединения. Значительную долю ядра составляют пыль и более крупные каменистые фрагменты. Обилие водяного льда в составе комет объясняется тем, что вода является самым распространённым веществом в (и, по-видимому, в других планетных системах). Вместе с тем новые данные, прежде всего измерения, проведённые при сближении с кометами , свидетельствуют о значительно более сложной структуре ядра по сравнению с упрощённой моделью «грязного снежного кома», предложенной в середине 20 в. .

Кома состоит в основном из нейтральных молекул воды, водорода, гидроксила, углерода (C2, С3), ряда радикалов (OH, СN, CH, NH и др.) и ярко светится благодаря процессам . Она частично ионизована коротковолновым солнечным излучением, создающим ионы OH+, СО+, CH+ и др. При взаимодействии этих ионов с возникает наблюдаемое излучение в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра.

При сублимации льдов в атмосферу одновременно интенсивно выносится пыль, за счёт которой в основном создаётся хвост кометы. Согласно классификации, предложенной ещё во 2-й половине 19 в. , различают 3 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. разработал физическую 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 , хвост типа III – совокупностью мелких и более крупных частиц, испытывающих различное ускорение под действием гравитационных 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.

Ядро кометы ГаллеяРис. 5. Ядро кометы Галлея с неравномерными выбросами газа и пыли, образующими атмосферу (снимок космического аппарата «Джотто»). ESA/MPS. CC BY-SA 3.0 IGOИзменения, происходящие с кометой в разных точках её орбиты и в течение жизни, в значительной степени определяются нестационарными процессами тепломассопереноса в пористом ядре и формированием неоднородной структуры, с которой происходит сублимация. Кинетическое моделирование этих процессов позволило получить представление о состоянии газа в коме. Вблизи ядер активных комет течение газа в полусфере, обращённой к Солнцу, близко к равновесному, плотность газа быстро падает по мере удаления от поверхности ядра. Из-за расширения газа в межпланетный вакуум поверхности температура составляет несколько на расстоянии от ядра до ~10 км, а дальше быстро нарастает. В окрестности оси симметрии образуется хорошо выраженная реактивная струя (джет), обусловленная интенсивным выносом газа и пыли. На изображении ядра , полученном при пролёте вблизи него космического аппарата , видны несколько джетов (рис. 5). Такую неравномерность сублимации с поверхности ядра можно объяснить тепловыми деформациями, вызывающими разломы и трещины в поверхностной тугоплавкой корке, сформированной в процессе последовательных прохождений кометы вблизи Солнца. Джеты способствуют формированию протяжённого кометного хвоста. Сквозь хвост, на расстоянии около 7800 км от ядра, пролетел космический аппарат , первоначально запущенный на в L1 между Землёй и Солнцем и затем направленный к , с которой связан известный метеорный поток . образуются в результате интенсивного выделения пыли короткопериодических комет, создающих пылевые вдоль её орбиты. Эти торы периодически пересекает Земля в своём движении по орбите.

Ядро кометы Темпеля 1 (9Р/Tempel 1). Изображение передано космическим аппаратом «Deep Impact».Рис. 6. Ядро кометы Темпеля 1 (9Р/Tempel 1). Изображение передано космическим аппаратом Deep Impact. NASA / JPL / UMDПопытка получить данные о составе ядра под видимой поверхностью путём частичной фрагментации была предпринята с использованием космического аппарата , запущенного в 2005 г. При сближении с (рис. 6) он выпустил 372-килограммовый медный снаряд, который столкнулся с ядром на скорости 10,3 км/с и провёл исследования последствий такого столкновения путём измерений продуктов выброса. Изображение момента соударения показано на рис. 7. Комета Темпеля 1 (9Р/Tempel 1). Вид с космического аппарата «Deep Impact» в момент соударения с ней выпущенного снарядаРис. 7. Комета Темпеля 1 (9Р/Tempel 1). Вид с космического аппарата «Deep Impact» в момент соударения с ней выпущенного снаряда 4 июля 2005.Позднее, в 2010 г., этот космический аппарат пролетел мимо , обнаружив в её окрестности своего рода снежно-ледяную метель и углекислые струи газа, а затем, в 2013 г., передал изображения долгопериодической кометы C/2012 S1 (ISON) перед прохождением ею перигелия (рис. 8). Астрономы ожидали увидеть все фазы встречи с Солнцем этой яркой кометы. Однако в ноябре 2013 г., не достигнув перигелия, комета C/2012 S1 (ISON) разрушилась и появилась из-за Солнца в виде диффузного облака пыли.

Яркая долгопериодическая комета C/2012 S1 (ISON)Рис. 8. Яркая долгопериодическая комета C/2012 S1 (ISON), разрушившаяся при сближении с Солнцем в ноябре 2013 г. и появившаяся из-за Солнца как диффузное облако пыли. NASA.Современные представления о кометах дополнительно расширили результаты космической миссии Европейского космического агентства к . В 2014 г. он вышел на орбиту вокруг ядра кометы, и вскоре была совершена посадка спускаемого аппарата «Филы» на его поверхность. Детальные изображения кометы Чурюмова – Герасименко (рис. 9) позволили получить значительно более полную информацию о свойствах поверхности и геологии ядер комет.Изображения ядра кометы 67P/Чурюмова – Герасименко, полученные космическим аппаратом «Розетта»Рис. 9. Изображения ядра кометы 67P/Чурюмова – Герасименко, полученные космическим аппаратом «Розетта»: а: ESA / Rosetta / MPS for OSIRIS Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA; б, в, г: ESA / Rosetta / NavCam. CC BY-SA IGO 3.0 Спектральные исследования комы показали, что водяной пар значительно обогащён по сравнению с океанической водой на Земле. Подобное различие обнаружено и у других комет, причём у кометы Чурюмова – Герасименко оно совершенно неожиданно оказалось самым высоким, близким к долгопериодическим кометам (рис. 10).Соотношение дейтерия и водорода в Солнечной системеРис. 10. Соотношение дейтерия и водорода в Солнечной системе. Data from Altwegg et al. 2014 and references therein. В то же время у двух комет семейства Юпитера, в том числе кометы Хартли 2, отношение содержаний дейтерия и водорода (D/H) почти полностью совпадает с земным. Различие в D/H у комет Чурюмова – Герасименко и Хартли 2 удивительно, если учесть, что, как предполагается, обе кометы изначально принадлежали транснептуновому . Оно остро ставит вопрос о происхождении комет и возможных причинах изменения их состава в процессе эволюции.

Значение комет для космогонии

Кометы считаются самыми древними телами, реликтами формирования внешних газово-ледяных . Они образуются за путём слипания ледяных кристаллов с частицами пыли и постепенного роста до тел километровых и бо́льших размеров. Происхождение комет, вероятно, связано с гравитационным выбросом таких пыле-ледяных тел из зон питания планет-гигантов, не вошедших в их состав. Поэтому исследования комет способствуют решению фундаментальных проблем происхождения и эволюции . Кометы представляют большой научный интерес прежде всего с точки зрения , поскольку содержат первичное вещество, из которого образовалась Солнечная система. Считается, что кометы и наиболее примитивный класс (углистые хондриты) сохранили в своём составе частицы протопланетного облака и газово-пылевого . В качестве реликтов формирования планет () кометы претерпели наименьшие изменения в процессе эволюции. Поэтому информация о составе комет позволяет наложить достаточно строгие ограничения на диапазон параметров, используемых при разработке моделей.

В то же время, по современным представлениям, сами кометы могли сыграть важную роль в эволюции Земли и других планет земной группы в качестве источника летучих элементов и их соединений (в первую очередь воды). Как показали результаты математического моделирования миграционных процессов, за счёт этого источника Земля могла получить количество воды, сопоставимое с объёмом её гидросферы. Примерно такие же количества воды могли получить и , что говорит в пользу гипотезы о существовании на них древних океанов, потерянных в ходе последующей эволюции. Кометы также рассматриваются как возможные носители первичных форм жизни. Проблема возникновения жизни на планетах связывается, в частности, с переносом вещества внутри и вне пределов Солнечной системы и миграционно-столкновительными процессами, ключевую роль в которых играют кометы.

  • Физические характеристики небесных объектов
  • Состав и строение ядер комет
  • Кометная астрономия
  • Межзвёздные кометы
  • Движение небесных тел
  • Наблюдаемые характеристики небесных объектов