ПопулярнеРедакціяСвіже
КращеОбговорюване

Что такое кометы и откуда они появляются?

Этот текст также доступен на русском языке
Несмотря на скромный размер чуть более чем в 4 километра, комета Чурюмова – Герасименко богата скалами, валунами, ямами и выбоинами. Фото: ESA | Rosetta | MPS for OSIRIS Team | Justin Cowart

В 2022 году исполнилось ровно 30 лет с того момента, как астрономы Дэвид Джуитта и Джейн Лу обнаружили первый объект пояса Койпера – 1992 QB1. Открытие этого мира немногим более ста километров в поперечнике не было неожиданным: ирландский астроном Кеннет Эджворт сделал предположение о существовании таких объектов за пределами Нептуна пятьюдесятью годами ранее. Тем не менее, это было впечатляющее достижение, образец сочетания настойчивости и технического мастерства.

Также это стало поворотным моментом в изучении комет. Последние три десятилетия принесли поток новых открытий, которые изменили наше понимание того, где находятся кометные тела, как они туда попали и как эволюционируют.

Комета Чурюмова-Герасименко выбрасывает в космос потоки газа и пыли. Снимок (в ложных цветах) получен европейским космическим аппаратом Rosetta. Фото: ESA | Rosetta. Обработка: Giuseppe Conzo

Последние 20 лет стали золотым веком исследования комет при помощи космических аппаратов. С тех пор как Deep Space 1 пролетел мимо кометы Борелли в 2001 году, у нас были близкие встречи с шестью кометными телами. Среди них –  миссия NASA Deep Impact, в рамках которой на поверхность кометы Темпеля-1 был сброшен зонд весом 370 кг, космический аппарат Европейского космического агентства Rosetta, который два года исследовал комету Чурюмова-Герасименко и миссия NASA New Horizons, которая спустя четыре года после пролёта Плутона достигла одного из объектов пояса Койпера – Аррокота. Эти встречи показали, что ледяные планетезимали представляют собой удивительно сложные миры, которые различаются по форме, геологии и активности – среди них не найдёшь двух полностью одинаковых объектов.

Эти достижения были подкреплены научными инструментами, способными идентифицировать более сложные газы в комах — нечётких атмосферах, окружающей кометы, которые образуется благодаря выбрасываемым и испаряющимся газам. А с 2011 года комплекс радиотелескопов ALMA в Чили собирает изображения протопланетных дисков вокруг других звёзд, что даёт дополнительный контекст к истории этих маленьких ледяных тел.

Может показаться, что с момента открытия QB1 мы ответили на все самые важные вопросы о кометах. И всё же многие ключевые их свойства остаются загадкой. Кометы представляют собой остатки строительного материала, из которого возникла Солнечная система – и их изучение является наилучшим доступным способом понимания её происхождения. Учитывая всё это, в статье приведены лишь несколько вопросов, на которые ещё предстоит ответить.

Благодаря расширяющейся сети всё более мощных телескопов мы смогли идентифицировать несколько тысяч объектов пояса Койпера, а также сотни кентавров — кометных тел, занимающих нестабильные орбиты, блуждающие среди планет-гигантов. Иногда эти объекты отправляются во внутреннюю часть Солнечной системы; нагреваемые светом звезды, они превращаются в то, что мы на Земле называем кометами. В настоящее время исследователи регулярно наблюдают кометы из внешних областей Солнечной системы: учёные отслеживают их поведение по мере приближения к светилу и удаления от него.

В фрагментарной модели кометного ядра его компоненты удерживаются вместе лишь благодаря чрезвычайно слабому притяжению между ними. Эти фрагменты могут иметь как разный (слева), так и примерно одинаковый размер (в центре). В этих моделях ядра комет могут образовываться только в результате очень мягких столкновений. Альтернативный вариант появления (справа) – столкновения на высоких скоростях, в результате которых фрагменты сплющиваются, образуя слои, называемые тальпами. Изображение: Astronomy  | Roen Kelly

Из чего состоят кометы?

Первое современное описание ядра кометы было предложено Фредом Уипплом в 1950-х годах. В его модели комета представляла собой более-менее однородное тело, которое он назвал «ледяным конгломератом», состоящим из различных льдов, смешанных с пылью. Пресса окрестила её гипотезой «грязного снежка». Хотя она и могла бы объяснить кометную активность, это не соответствовало нашему зарождающемуся пониманию комет как тел, практически лишённых высокой внутренней прочности, буквально готовых развалиться на части под лучами Солнца.

В 1986 году Пол Вайсман предположил, что кометы представляют собой «кучи щебня» из слабо связанных мелких тел различных размеров. Чтобы не стереть друг друга в пыль при столкновениях, фрагменты должны находиться на близких орбитах и сближаться на очень низких скоростях.

Современные модели образования комет основаны на одной из двух идей. Согласно первой, во времена зарождения Солнца в окружающем его протопланетном диске возникли нестабильности. Они могли быть вызваны различными процессами, но в конечном счёте привели к появлению карманов высокой плотности, в которых скопления более мелких объектов гравитационно притягиваются друг к другу и соединяются.

Вторая же идея – радиальный дрейф. Он возникал по мере того, как формирующиеся объекты достигали метровых размеров. В этот момент гравитационное притяжение заставляло их медленно дрейфовать внутрь к Солнцу, сталкиваясь на этом пути с другими малыми телами.

Оба этих механизма объясняют формирование комет с теми свойствами, которые мы наблюдаем: низкая средняя плотность и внутренняя прочность. Однако свойства фрагментов кометных ядер зависят от условий, в которых они сформировались. Некоторые модели предсказывают ядро, состоящее из однородной смеси более мелких частиц одинакового размера, в то время как другие подразумевают различные частицы, от одного до сотен метров в диаметре. Согласно ещё одной модели, ядра комет образуются в ходе высокоскоростных столкновений, представляя собой нагромождение слоёв материала, а не груду щебня. 

К сожалению, трудно отдать предпочтение какой-либо из моделей формирования, даже несмотря на то, что многие кометы изучены нами вблизи. Однако время от времени мы получаем подсказки, которые пытаемся интерпретировать. В 1992 году комета Шумейкера-Леви 9 столкнулась с Юпитером: приливные силы гиганта разорвали её на 21 фрагмент, которые два года спустя вновь столкнулись с планетой. Всё это время мы могли наблюдать, как фрагменты разлетаются по орбите кометы. Их размеры значительно различались: предполагаемый диаметр колебался от 100 метров до 4 километров. Это могло свидетельствовать о первоначальном составе кометы. Однако не исключено, что фрагменты возникли в результате другого процесса, связанного с приливным разрушением.

Последующие миссии к кометам Хартли (103P/Хартли) и Чурюмова-Герасименко, по всей видимости, выявили доказательства другого процесса формирования. Многочисленный ореол обломков, окружающий 103P, содержал объекты размером до 30 сантиметров в диаметре. Некоторые исследователи предположили, что они представляют собой мелкие камешки, из которых собрано ядро кометы. Rosetta обнаружила похожую ситуацию на комете Чурюмова-Герасименко, где метровые «мурашки» на стенах эродированных ям на поверхности, по-видимому, являются примерами строительного материала, из которого состоит комета. Также при изучении Чурюмова-Герасименко наблюдатели нанесли на карту то, что, вероятно, представляло собой последовательность слоёв на поверхности, которые обнажались по мере эволюции кометы. Некоторые учёные предположили, что они были свидетельством её образования в результате компрессии от столкновений.

В конце концов, единственный окончательный способ узнать строение недр кометы — это непосредственно изучить её. Если не считать сверления, наш лучший способ сделать это — картографировать ядро с помощью радара. Орбитальный космический аппарат Rosetta имел отделяемый посадочный модуль Philae, который должен был служить частью эксперимента по радиолокационному изучению недр. К сожалению, эта возможность была упущена, когда он опустился на поверхность в затенённом месте, где не смог перезарядить свои батареи. Было сделано всего одно измерение, прежде чем посадочный модуль потерял весь свой заряд.

Несмотря на это, мы не сдались. Учёные продолжают разрабатывать новые радиолокационные эксперименты, которые, как мы надеемся, когда-нибудь удастся провести на другой комете.

Снимок кометы Чурюмова – Герасименко, сделанный космическим аппаратом Rosetta с расстояния в 154 километра. Фото: ESA | Rosetta

Почему у комет возникают вспышки?

В 2007 году комета Холмса продемонстрировала наблюдателям удивительное зрелище, когда за 42 часа внезапно увеличила свою яркость на 14 звёздных величин (почти в 500 000 раз!) и превратилась в видимый невооружённым глазом объект, который медленно исчезал в течение следующих нескольких месяцев. Это событие было крайним примером кометной вспышки – взрыва активности, высвобождающего огромное количество пыли и газа из ядра.

Подобные вспышки происходят, по-видимому, случайным образом: некоторые кометы переживают такие события в нескольких точках своей орбиты, в то время как другие пролетают мимо Солнца в состоянии покоя. Столь переменчивая природа очень затрудняет изучение вспышек. Ни один из космических аппаратов ещё не присутствовал во время большой вспышки, хотя Rosetta и Deep Impact наблюдали несколько небольших вспышек во время их встреч с кометами Чурюмова-Герасименко и Темпель-1 соответственно. Это говорит о том, что вспышки могут быть более распространёнными, чем мы думали.

Однако их первопричины всё ещё остаются загадкой. Ученые предложили различные механизмы возникновения вспышек, в том числе крупномасштабные геологические события, такие как оползни, подземные газовые карманы и химические реакции, которые быстро высвобождают накопленную внутреннюю энергию. Вполне возможно, что все они приводят ко вспышкам в различных ситуациях. Однако именно высвобождение химической энергии может лучше всего объяснить самые крупные из них, вроде вспышки кометы Холмса.

Наиболее часто упоминаемый химический процесс — это переход водяного льда из аморфного состояния в кристаллическое. Аморфный водяной лёд конденсировался на пылинках в самых холодных частях ранней Солнечной системы, где температура была ниже -233 градусов по Цельсию. При таких температурах у воды недостаточно энергии, чтобы превратиться в организованный кристалл, поэтому она принимает неорганизованную форму, в которой способна удерживать большое количество газа. Аморфное состояние стабильно в холодной внешней Солнечной системе за пределами Нептуна, но когда комета мигрирует к Солнцу, она начинает нагреваться до тех пор, пока её вода не сможет реорганизоваться в кристаллическую форму льда, с которой мы все знакомы.

Когда это происходит, случаются две вещи. Во-первых, большая часть газов, захваченных аморфным льдом, высвобождается, потому что в кристаллическом состоянии меньше места для их удержания. Во-вторых, переход к кристаллическому льду является экзотермическим процессом, то есть в ходе него выделяется энергия. Её количество зависит от чистоты льда, но этого может быть достаточно, чтобы нагреть аморфный лёд и вызвать каскадную волну кристаллизации, провоцирующую взрывной выброс газа и пыли. Как только волна кристаллизации затухает, остатки льда становятся стабильными, и комета возвращается к нормальной активности.

Лучший способ проверить гипотезы о большой вспышке — физически присутствовать при ней. Их случайный характер делает это сложной задачей, но есть некоторые объекты, где мы, вероятно, добьёмся успеха — например, комета Швассмана — Вахмана 1, которая находится на почти круговой орбите сразу за Юпитером и производит крупные вспышки примерно семь раз в год.

Посадочный модуль Philae имеет размер около метра: он сопровождал космический аппарат Rosetta на пути к комете Чурюмова – Герасименко и совершил высадку на её поверхность 12 ноября 2014 года. К сожалению, связь с ним была быстро утеряна – он не смог эффективно зарядить свои батареи. В последний месяц своей миссии Rosetta, наконец, определила место высадки Philae: аппарат был зажат глубоко в трещине, без доступа к солнечному свету. Изображение: ESA | Rosetta | MPS for OSIRIS Team

Короткопериодические и долгопериодические кометы

Менее очевидная веха в изучении комет наступила всего через три года после открытия QB1, когда 51 Пегаса b стала первой подтверждённой планетой вокруг другой солнцеподобной звезды. Теперь мы знаем почти о 4000 звёзд, у которых имеется по крайней мере одна планета. А количество систем-кандидатов, пристально исследуемых астрономами, и того больше.

Эти системы чрезвычайно разнообразны: многие планеты находятся на странных орбитах, что было трудно согласовать с общепринятым мнением начала 1990-х годов о том, как сформировалась Солнечная система. 51 Пегаса b был первым примером того, что мы сейчас называем горячими юпитерами — планетами размером с Юпитер, которые обращаются у своих звёзд по более тесным орбитам, чем меркурианская. Горячие юпитеры продемонстрировали, что планеты могут формироваться в одном месте своей системы, но со временем мигрировать в совершенно другую область.

Значение кометной миграции впервые обсуждалось десятилетием ранее. В 1984 году в журнале Icarus вышла статья за авторством Хулио Фернандеса и Вин-Хуэн Ипа, в которой они предположили, что когда кометы возмущаются внешними планетами и рассеиваются по Солнечной системе, результирующая передача углового момента заставляет планеты-гиганты смещаться по своим орбитам.

В 1993 году Рену Малхотра выдвинула эту модель на передний план, продемонстрировав, что миграция Нептуна наружу, вероятно, привела Плутон к его нынешнему орбитальному резонансу с ледяным гигантом. Её более поздняя работа правильно предсказала, что Нептун был ключом ко всей организации пояса Койпера. Его движение и гравитационное воздействие сформировали рассеянный диск из небольших тел, которые были вытеснены наружу миграцией, и сгруппировали объекты пояса Койпера в орбитальном резонансе.

Динамический класс кометы относится к «резервуару», из которого она мигрирует во внутреннюю Солнечную систему. Двумя основными группами являются короткопериодические кометы с периодом обращения примерно до 200 лет и долгопериодические кометы с периодом от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч лет. Короткопериодические кометы происходят из пояса Койпера. Источником же долгопериодических являются внешние области облака Оорта –  равномерного распределения малых тел, которое простирается за пределами пояса Койпера на многие тысячи астрономических единиц. Считается, что оба этих «резервуара» предстают перед нами в своём нынешнем виде благодаря гравитационному влиянию планет-гигантов.

Вот что делает кометы такими полезными для понимания истории Солнечной системы: их свойства зависят от условий внутри первичного протопланетного диска, где они сформировались, а также от того, как они были рассеяны до своего современного местоположения. Когда кометы приближаются к Солнцу, физические свойства выделяемых ими пыли и газа дают представление о бурной ранней истории Солнечной системы.

Например, открытие комет главного пояса — динамического класса почти бездействующих богатых льдом тел, которые находятся в поясе астероидов — предполагает, что Юпитер загнал ледяные тела внутрь Солнечной системы. Это также означает и противоположный процесс: Юпитер рассеивал астероиды в облаке Оорта. Фактически, некоторые модели предсказывают, что до нескольких процентов небесных тел облака Оорта изначально могли быть астероидами. Это подтвердилось в 2016 году, когда группа под руководством Карен Мич из Гавайского университета сообщила, что C/2014 S3 (PanSTARRS) был неактивным объектом с короткопериодической орбитой, но составом астероида.

Некоторые учёные считают, что текстура «мурашек» на внутренней стенке этой эрозионной ямы на комете Чурюмова – Герасименко является доказательством того, что кометы состоят из фрагментов одинакового размера. Фото: ESA | Rosetta | MPS for OSIRIS Team

Продолжаем наблюдение за кометами

В ближайшие годы мы увидим множество достижений в области изучения комет.

Темпы открытия короткопериодических комет не показывают никаких признаков замедления, и оснащённая 8-метровым телескопом обсерватория им. Веры Рубин в Чили, которая должна начать работу в 2024 году, скорее всего обнаружит множество более мелких и удалённых объектов.

Космические аппараты также продолжат полёты к кометам. Миссия NASA Lucy, запущенная в 2021 году, направляется к троянским астероидам, которые вращаются на орбите Юпитера и считаются захваченными объектами пояса Койпера. В 2022 году планетарное научное сообщество рекомендовало NASA уделить первоочередное внимание миссии посадочного модуля Centaur, а также предложило концепции посещения кометы Швассмана – Вахмана 1. А Европейское Космическое Агентство разрабатывает миссию Comet Interceptor, которая будет запущена в конце этого десятилетия и станет ждать появления первозданной долгопериодической кометы — возможно, даже межзвёздного гостя, такого как Оумуамуа или комета Борисова.

По мере реализации этих инициатив неизбежны различные сюрпризы. Одна из банальностей исследования Солнечной системы заключается в том, что пристальное изучение детальных изображений соседних планет вызывает столько же вопросов, сколько и ответов, часто переворачивая общепринятые представления. Это, безусловно, верно и для комет — и, вероятно, будет относиться к ним впредь.

Источник

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

6

Друзі, цей матеріал було написано редакцією Альфа Центавра.


Ми завжди спиралися насамперед на власну аудиторію. Якщо вам подобається те, що ми робимо, якщо ви поділяєте наші цінності та готові підтримати наш проєкт матеріально на будь-яку суму, ми будемо неймовірно раді такій підтримці. Всі способи відправити нам донат можна знайти на цій сторінці, проте найзручнішими для нас і вас є сервіси Patreon, Buy Me a Coffee та пожертва в системі PayPal.


Сайт Alpha Centauri завжди залишиться куточком комфорту для любителів космосу. Наші та ваші зусилля дозволять нам усім стати ближчими до зірок.

Павло Поцелуєв, керівник АЦ.


Увійдіть, щоб читати ще 3 коментаря, брати участь в обговореннях та не бачити рекламу.
Сумний Джон Інспракер
Вечность назад

Обошли стороной околосолнечные кометы, да и причинам нынешнего расположению уделили пару абзацев. Из интересного - со временем грань между астероидами и кометами постепенно стирается, кентавры тому пример. И возможно нынешний дом для комет (Койпер, Оорта) окажется заполнен в том числе и астероидами.

Чарівний Іншопланетянин
Вечность назад

Интересная статья. Спасибо. Однако, исследование пояса астероидов будет ещё интереснее. Вдруг получится цивилизация, как в цикле Пространство?)

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Повідомити про помилку

Текст, який буде надіслано нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зареєструйтесь на сайті щоб не бачити рекламу, створювати та відслідковувати теми, зберігати статті в особисті закладки і брати участь в обговореннях
Якщо не виходить увійти тут, спробуйте за посиланням.