Кометы

Коме́ты (от греч. κομήτης – волосатый), небольшие по размеру и массе небесные тела Солнечной системы, обращающиеся вокруг Солнца по сильно вытянутым орбитам и резко повышающие свою яркость при сближении с Солнцем. Вблизи Солнца кометы выглядят на небе как светящиеся шары, за которыми тянется длинный хвост (рис. 1). Рис. 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 рассеянием 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 космических аппаратов.

Общие сведения о кометах

Кометы вместе с астероидами, метеороидами и метеорной пылью относятся к малым телам Солнечной системы. Общее число комет в Солнечной системе чрезвычайно велико, оно оценивается величиной не менее 10¹². Кометы подразделяются на 2 основных класса: короткопериодические и долгопериодические с периодом обращения соответственно менее и более 200 лет. Общее число комет, наблюдавшихся в историческое время (в том числе на параболических и гиперболических орбитах), близко к 1000. Из них известно около 100 короткопериодических комет, регулярно сближающихся с Солнцем. 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 семейство Юпитера, 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 комета Галлея.

Основные резервуары, содержащие ядра комет, расположены на периферии Солнечной системы. Это пояс Койпера в форме диска, находящийся вблизи плоскости эклиптики непосредственно за орбитой Нептуна в пределах 30–100 астрономических единиц (а. е.) от Солнца, и сферическое по форме облако Оорта, расположенное примерно на половине расстояния до ближайших звёзд (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 тора 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 светового года, что примерно соответствует сфере Хилла 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 межзвёздных газово-пылевых облаков и галактического диска, а также от случайных сближений со звёздами. Некоторые кометы могут пересекать эту границу и уходить из облака в межзвёздную среду, но в то же время кометные тела из ближайшего галактического окружения могут заходить внутрь гелиосферы. 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.

Рис. 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 Оумуамуа (1I/Oumuamua) на гиперболической орбите (с эксцентриситетом $e\!=\!1,\!19951$), который является скорее астероидом, чем кометой, а в 2019 г. была открыта комета Борисова, о межзвёздном происхождении которой ещё более определённо свидетельствуют эксцентриситет её орбиты ($e\!=\!3,\!35$), 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 орбитам с большим эксцентриситетом и наклонением к плоскости эклиптики. Движение происходит и в прямом (как у планет, кроме Венеры и Урана), и в обратном направлении. Кометы испытывают сильные приливные возмущения при прохождении вблизи планет, что приводит к существенному изменению их орбит (и, соответственно, сложностям прогноза движений комет и точного определения эфемерид). Вследствие этих изменений орбит многие кометы выпадают на Солнце и их называют Sun grazing – «царапающие Солнце».

Результаты вычислений элементов орбит 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 блеск комет изменяется на несколько порядков, достигая максимума вскоре после прохождения перигелия и минимума в афелии. Абсолютная звёздная величина комет в первом приближении обратно пропорциональна $R^{4},$ где $R$ – расстояние от Солнца. Как правило, короткопериодические кометы из-за потери массы при прохождении вблизи Солнца 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 астероиду, 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).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 астероидно-кометной опасности. Столкновением Земли с осколком ядра кометы, возможно, было вызвано Тунгусское событие 1908 г. В 1994 г. наблюдалось выпадение на Юпитер (рис. 3) более 20 фрагментов кометы Шумейкеров – Леви 9 (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 ядра, атмосферы (комы) и хвоста. Ядра нерегулярной формы имеют небольшие размеры – от единиц до десятков километров и, соответственно, очень малую массу, не оказывающую заметного гравитационного влияния на планеты и другие небесные тела. Ядра комет вращаются относительно оси, почти перпендикулярной плоскости их орбиты, с периодом от нескольких единиц до нескольких десятков часов. Для ядер комет характерна низкая отражательная способность (альбедо 0,03–0,04), поэтому вдали от Солнца кометы не видны. Исключение составляет комета Энке: 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 перигелия орбиты за счёт сублимации 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 реактивную силу; этот негравитационный эффект в движении кометы оказывает влияние на нерегулярность кометных орбит.Рис. 4. Ядра комет, исследованные космическими аппаратами. Для каждой кометы указаны название, размеры ядра, название аппарата и год снимка.Ядра комет обладают очень низкой средней плотностью, 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 силикаты, графит, металлы, углеводороды 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 Солнечной системе (и, по-видимому, в других планетных системах). Вместе с тем новые данные, прежде всего измерения, проведённые при сближении с кометами космических аппаратов, свидетельствуют о значительно более сложной структуре ядра по сравнению с упрощённой моделью «грязного снежного кома», предложенной в середине 20 в. Ф. Л. Уипплом.

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 люминесценции. Она частично ионизована коротковолновым солнечным излучением, создающим ионы OH⁺, СО⁺, CH⁺ и др. При взаимодействии этих ионов с плазмой солнечного ветра возникает наблюдаемое излучение в 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. Ф. А. Бредихиным, 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. С. В. Орлов 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 светового давления, 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.

Рис. 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 адиабатического расширения газа в межпланетный вакуум поверхности температура составляет несколько кельвинов 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 кометы Галлея, полученном при пролёте вблизи него космического аппарата «Джотто», 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 ISEE-3, первоначально запущенный на гало-орбиту в точке Лагранжа L1 между Землёй и Солнцем и затем направленный к комете Джакобини – Циннера, с которой связан известный метеорный поток Дракониды. Метеорные потоки образуются в результате интенсивного выделения пыли короткопериодических комет, создающих пылевые торы вдоль её орбиты. Эти торы периодически пересекает Земля в своём движении по орбите.

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 Deep Impact, запущенного NASA в 2005 г. При сближении с кометой Темпеля 1 (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. Рис. 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 кометы Хартли 2, 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.

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 «Розетта» к комете Чурюмова – Герасименко. 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.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 дейтерием 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 облака Оорта (рис. 10).Рис. 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 поясу Койпера. 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 планет. Они образуются за снеговой линией 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 Солнечной системы. Кометы представляют большой научный интерес прежде всего с точки зрения космохимии, поскольку содержат первичное вещество, из которого образовалась Солнечная система. Считается, что кометы и наиболее примитивный класс астероидов (углистые хондриты) сохранили в своём составе частицы протопланетного облака и газово-пылевого аккреционного диска. В качестве реликтов формирования планет (планетезималей) кометы претерпели наименьшие изменения в процессе эволюции. Поэтому информация о составе комет позволяет наложить достаточно строгие ограничения на диапазон параметров, используемых при разработке космогонических 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 Венера и Марс, 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.