Торік, у 2022 році, виповнилося 30 років з моменту знахідки астрономами Девідом Джуїтом і Джейн Лу першого об’єкта Поясу Койпера після Плутона (мова про 1992 QB1). Відкриття цього крихітного світу, завширшки приблизно 100 кілометрів, не стало повною несподіванкою: ірландський астроном Кеннет Еджворт майже 50 років до того вже припустив, що популяція таких об’єктів може існувати далі за орбітою Нептуна. Однак, саме собою відкриття стало подвигом виняткової наполегливості й технічної майстерності.

Ба більше, воно стало поворотним моментом у вивченні комет. Останні три десятиліття були багаті на нові відкриття, які змінили наше уявлення щодо розташування кометних тіл, а також того, як вони потрапили на свої орбіти і як триває їхня еволюція.

Останні 20 років стали для світової астрономії золотою добою дослідження комет космічними апаратами. З часу прольоту Deep Space 1 повз 19P/Borrelly у 2001 році космічні апарати «face to face» перетинатися із шістьма кометними тілами. Мова зокрема про місію NASA Deep Impact, яка влучила в поверхню Темпеля 1 (9P/Tempel) ударним блоком вагою 370 кілограмів; космічний апарат Європейського космічного агентства (ЄКА) Розетта, який два роки досліджував 67P/Чурюмова-Герасименко; і місію NASA New Horizons, яка після прольоту поблизу Плутона у 2015 році пройшла повз Аррокот, – об’єкт Поясу Койпера (ОПК), у 2019 році. Ці місії виявили, що крижані планетезималі є напрочуд різноманітними світами, які відрізняються формою, геологією та активністю, і серед них не існує двох тіл, повністю ідентичних одне до одного.

Досягнення науковців підкріпили й інструменти, які тепер можуть виявляти складніші гази в розріджених атмосферах комет, що формуються внаслідок їхнього випаровування. А з 2011 року Великий міліметровий/субміліметровий радіотелескоп Атакама в Чилі отримує зображення планетних дисків навколо інших зірок, що дає нам змогу поглянути на еволюцію цих маленьких крижаних тіл під дещо іншим кутом.

Здавалося б, весь масив інформації, що ми дізналися після відкриття QB1, дає відповіді на найважливіші питання щодо комет. І все ж, багато ключових властивостей комет досі лишаються загадкою. Оскільки вони є первісними рештками формування нашої планетарної системи, вони водночас стають найкращим доступним джерелом для розуміння її витоків. Беручи це до уваги, далі викладені лише деякі з питань, на які у майбутньому нам належить знайти відповіді.

Завдяки розширенню мережі дедалі потужніших телескопів і триваліших спостережень, вчені виявили кілька тисяч об’єктів Поясу Койпера (ОПК), а також сотні кентаврів (Centaur) – кометних тіл на нестабільних орбітах, які нишпорять поміж планет-гігантів. Коли ці об’єкти втрачають свою стабільну орбіту та прямують у внутрішню частину Сонячної системи, вони нагріваються Сонцем і трансформуються у дивовижні факели на зоряному небі, які ми називаємо кометами. Сучасні спостереження регулярно відкривають комети, які проходять ще тільки через зовнішні області Сонячної системи, і відстежують їхню еволюцію, коли вони досягають внутрішньої частини нашої планетної системи, а потім залишають її.

У моделі ядер комет, які формують купи щебню (прим. перекладача – тип небесного тіла немонолітної структури), їх фрагменти збираються під дією надзвичайно слабкої гравітації. Ці фрагменти можуть бути різного розміру (ліворуч) або мати схожий, характерний розмір (в центрі). За такої моделі утворення ядра комети можливе лише в процесі дуже слабких зіткнень. Крім того, дрібні фрагменти льоду і пилу можуть зіштовхуватися на більшій швидкості, як результат – сплющення цих фрагментів та формування прошарків, які називаються тальпами (праворуч).

З чого зроблені комети?

Перший сучасний опис кометного ядра запропонував Фред Віппл у 1950-х роках. За його моделлю, комета була більш-менш однорідним тілом, яке він назвав «крижаним конгломератом», що складається з різних видів льоду, перемішаних з пилом. Преса охрестила її гіпотезою «брудного сніжка». Попри те, що вона могла пояснити кометну активність загалом, вона не відповідала нашим уявленням щодо комет як тіл, майже позбавлених внутрішньої сили (міцності), які час від часу саморозпадаються, просто під сонячними променями.

У 1986 році Пол Уайзман припустив, що насправді комети – це «купи уламків», слабко зв’язані між собою дрібні фрагменти різного розміру. Щоб не знищити одне одного, ці уламки мали б зіштовхуватися на дуже низьких швидкостях і перебувати на практично однакових орбітах.

Сучасні моделі утворення комет базуються на одній з двох гіпотез. Перша полягає в тому, що коли Сонце ще формувалося, в навколишньому диску з твердих елементів виникла нестабільність. Такі нестабільності можуть виникати внаслідок різноманітних процесів, але кінцевим результатом стають області високої концентрації, куди гравітація притягує малі об’єкти й надалі об’єднує їх у більші утворення.

Друга модель – це радіальний дрейф, який починається, коли сформовані об’єкти виростають до метрів у діаметрі. Тоді під дією сили тяжіння вони повільно дрейфують до Сонця, притягуючись до інших дрібних тіл.

Обидва ці механізми можуть формувати кометні ядра з властивостями, які наразі ми вже виявили, зокрема низькою загальною (об’ємною) густиною і структурою з фрагментів, які практично не поєднані між собою. Однак властивості таких елементів залежать від наших уявлень щодо умов, за яких вони формувалися. Наприклад, деякі моделі передбачають, що ядро формується з однорідної суміші дрібних частинок однакового розміру, інші, що там переважають фрагменти діаметром від 1 до сотень метрів. Третя модель передбачає, що ядро комети утворюється, в процесі накопичення швидкісних зіткнень, які розпластують фрагменти, що стикаються, утворюючи шарувату, а не уламкову внутрішню структуру.

На жаль, нам важко розпізнати різні моделі утворення, навіть якщо ми спостерігаємо комету зблизька. Однак час від часу ми отримуємо підказки, які вчені намагаються розшифрувати. У 1992 році комета Шумейкерів-Леві 9 зазнала опосередкованого зіткнення з Юпітером, коли приливні сили розірвали її на 21 менший фрагмент, які два роки по тому все ж зіткнулися з Юпітером. Але за цей час ми змогли спостерігати, як уламки комети розлетілися вздовж її орбіти. Розміри фрагментів значно відрізнялися, а їхній діаметр коливався від 100 метрів до 4 кілометрів. Такий діапазон уламків може бути пов’язаним з особливістю внутрішньої будови комети. Однак не можна виключати, що вони утворилися внаслідок іншого процесу, пов’язаного з приливним руйнуванням.

Наступні місії до комет Гартлі 2 (103P/Hartley) і 67P/Чурюмова-Герасименко, можливо, знайшли докази іншого механізму утворення комет. Скупчення уламків довкола 103P містило об’єкти діаметром до 30 см; деякі дослідники припускають, що з подібних дрібних камінців зібране і ядро комети. Rosetta виявила схожу ситуацію на Чурюмова-Герасименко, де метрові уламки встеляють стінки впадин, що зазнали певної ерозії. Загалом такі поверхні нагадують «мурах» на тілі людини (так звану, гусяча шкіра), і є радше за все первинними фрагментами, які сформували комету. Також на Чурюмова-Герасименко дослідники картографували те, що виглядає як ланцюжок шарів, які оголювались протягом еволюції комети, наводячи деяких вчених на думку, що перед нами докази формування цієї комети шляхом стискаючих зіткнень.

Зрештою, єдиний достеменний спосіб зрозуміти внутрішню будову комети – дослідити її напряму. Якщо відкинути складний метод буріння, то найкращий спосіб – скласти карту ядра шляхом радіолокації. Насправді дослідники практично реалізували це в місії до комети Чурюмова-Герасименка. На борту апарату Rosetta був відокремлюваний зонд Philae (прим. перек. Філе, на честь острова на Нілі), який мав стати половиною експерименту з бістатичного радіолокаційного картографування. На жаль, така можливість була втрачена, коли Philae опустився на поверхню в затіненому місці, де не зміг підзарядити свої батареї. Вдалося зробити лише один замір, доки апарат не втратив живлення.

Попри це, людство не здається. Вчені продовжують розробляти нові радіолокаційні прилади, які, як ми сподіваємося, одного дня вирушать до іншої комети.

Чому комети спалахують?

У 2007 році комета 17P/Голмса вразила спостерігачів неймовірним дійством: за 42 години вона раптово стала яскравішою на 14 зоряних величин (майже у 500 000 разів!) і перетворилася на об’єкт, видимий неозброєним оком, а потім повільно згасала впродовж наступних кількох місяців. Ця подія була яскравим прикладом спалаху комети – вибуху активності, коли з ядра вивільняється величезна кількість пилу і газу.

Такі потужні спалахи відбуваються, здавалося б, випадково: деякі комети переживають серйозні активності в кількох місцях вздовж своєї орбіти, тоді як інші пролітають повз Сонце у спокої. Така непостійна природа спалахів ускладнює їхнє вивчення. Жоден з космічних апаратів, що впритул наблизився до комет, ще не фіксував великі спалахи, хоча Rosetta і Deep Impact спостерігали кілька невеликих спалахів під час прольотів біля комет Чурюмова-Герасименко і Темпеля 1 (9P/Tempel), відповідно. Це свідчить про те, що спалахи можуть бути частішими явищами, ніж ми раніше припускали.

Утім, передумови їх виникнення залишаються загадкою. Вчені висувають різні теорії, зокрема щодо великомасштабних геологічних подій, як-от зсувів, підземних газових мішків, що прориваються на поверхню, та хімічних реакцій, які швидко вивільняють приховану внутрішню енергію. Цілком можливо, що всі ці фактори зумовлюють спалахи в різних ситуаціях, але саме вивільнення хімічної енергії дає найкраще пояснення дуже великим явищам, на кшталт того, що сталося з кометою Голмса. Тоді спалах стався далеко від Сонця, але кількість вивільненої енергії внаслідок цієї події була значно більшою, ніж міг спровокувати сонячний вплив.

Хімічним процесом, який найчастіше припускають вчені – перетворення водяного льоду з аморфного в кристалічний стан. Аморфний водяний лід конденсувався на піщинках у найхолодніших частинах ранньої Сонячної системи, де температура була нижчою за -233 градуси за Цельсієм. За таких температур воді не вистачає енергії, щоб перетворитися на організований кристал, тому вона набуває дезорганізованої форми, а всередині здатна утримувати велику кількість газу. Аморфний стан залишається стабільним у холодній зовнішній Сонячній системі далі орбіти Нептуна, але коли комета рухається до Сонця, вона починає нагріватися аж поки вода в ній не зможе реорганізуватися в знайому нам кристалічну ґратку льоду.

У цей момент відбуваються дві речі. По-перше, більша частина газів, замкнених в аморфному льоді, вивільняється, оскільки в кристалічному стані залишається менше місця аби їх утримувати. По-друге, перехід до кристалічного льоду є екзотермічним процесом, тобто починається вивільнення енергії. Її кількість залежить від чистоти льоду, але її може бути достатньо, щоб нагріти аморфний лід і запустити каскадну хвилю кристалізації, яка призводить до вибухового викиду газу і пилу. Коли кристалізаційна хвиля згасає, залишки льоду стають стабільними, і тоді відновлюється нормальна кометна активність.

Найкращий спосіб перевірити гіпотези щодо масштабної спалахової активності – фізичне спостереження цієї події. Непередбачуваний характер спалахів ускладнює це завдання, але є певні об’єкти, де ми маємо всі шанси на успіх, наприклад, Центавр 29P/Швассмана-Вахмана 1, яка обертається по майже круговій орбіті одразу за Юпітером і демонструє близько семи потужних спалахів на рік.

Philae (внизу праворуч) – невеликий посадковий апарат завширшки трохи більше одного метра, який відокремився від апарату Rosetta біля 67P/Чурюмова-Герасименко й приземлився 12 листопада 2014 року. На жаль, він не зміг ефективно зарядити свої батареї й швидко перестав виходити на планові сеанси зв’язку. В останній місяць місії Rosetta нарешті знайшла місце, де приземлився Philae: він застряг глибоко в ущелині, куди не потрапляло сонячне світло.

Короткоперіодичні та довгоперіодичні комети

Менш очевидна віха у вивченні комет почалася лише через три роки після відкриття Альбіона (1992 QB1), коли 51 Пегаса b стала першою підтвердженою планетою навколо іншої зорі, подібної до Сонця. Зараз їх називають екзопланетами й ми знаємо близько 4000 зірок, які мають принаймні одну планету, а ще кілька тисяч потенційних планетарних систем наразі вивчають.

Ці системи демонструють неймовірну різноманітність, з багатьма планетами на незвичайних орбітах, які важко було узгодити із загальноприйнятими на початку 1990-х років уявленнями про те, як формувалася наша Сонячна система. 51 Пегаса b була першим прикладом того, що ми сьогодні називаємо «гарячим Юпітером» – планетою з масою Юпітера або більшою, яка обертається навколо своєї зірки по орбіті нижчій за орбіту Меркурія. Гарячі Юпітери доводять, що планети можуть формуватися в одному місці своєї системи, але з часом мігрувати в зовсім іншу область.

Вперше про важливість міграції планет в області утворення комет заговорили за десять років до цього Хуліо Фернандес і Вінг-Хуен Іп у статті в журналі Icarus за 1984 рік. Вони припустили, що комети піддаються збуренням з боку інших планет і розлітаються по Сонячній системі. Внаслідок таких взаємодій відбувається передача кутового моменту, що призводить до зсуву планет-гігантів зі своїх орбіт.

У 1993 році Рену Мальхотра внесла таку модель до кола наукових обговорень, демонструючи, що зовнішня міграція Нептуна, ймовірно, спричинила збурення Плутона та викликала його нинішній орбітальний резонанс із крижаним гігантом. Її пізніші роботи вірно прогнозували, що Нептун був запорукою всієї структури Поясу Койпера. Його рух і гравітаційний вплив сформували розсіяний диск малих тіл, які внаслідок міграції перемістилися назовні й скупчилися в орбітальних резонансах, де ми наразі знаходимо об’єкти Поясу Койпера (ОПК).

Саме це робить комети такими корисними для розуміння історії нашої Сонячної системи: характеристики комети залежать від умов у первісному планетному диску, де вона сформувалася, а також від того, як вони були розкидані до свого сучасного місця розташування. Коли вони повертаються до Сонця у вигляді комет, фізичні властивості пилу і газу, які вони вивільняють, дають підказки щодо бурхливої ранньої історії Сонячної системи.

Наприклад, відкриття комет головного поясу – динамічного класу майже неактивних крижаних тіл, які знаходяться в поясі астероїдів, дозволило припустити, що Юпітер заштовхував крижані тіла у внутрішню частину Сонячної системи. Це водночас не виключає протилежного процесу: Юпітер розсіював астероїди у Хмару Оорта. Насправді деякі моделі передбачають, що до кількох відсотків Хмари Оорта спочатку могли бути астероїдами. Це було підтверджено у 2016 році, коли команда під керівництвом Карен Міч з Гавайського університету повідомила, що C/2014 S3 (PanSTARRS) є неактивним об’єктом з орбітою ДПК, але складом схожий астероїд, а не комету.

Деякі вчені вважають, що текстура «гусячої шкіри», нагромадження уламків, які встеляють стінки впадин, що піддалися певній ерозії в кометі 67P/Чурюмова-Герасименко, є свідченням того, що комети складаються з каміння (гальки) однакового розміру.

Слідкуйте за кометами у 2023 році й надалі

Прийдешні роки обіцяють бути багатими на відкриття нових комет.

Темпи відкриття ОПК навряд уповільниться, а 8,4-метрова обсерваторія ім. Віри К. Рубін у Чилі, яка має запрацювати в 2024 році, обіцяє виявляти дедалі менші та більш віддалені об’єкти.

Космічні апарати й надалі літатимуть до комет. Місія NASA Lucy, запущена у 2021 році, прямує до астероїдів Троянів, які обертаються поблизу Юпітера і, як вважають, є захопленими ОПК. У 2022 році планетарна наукова спільнота рекомендувала NASA визначити як пріоритету місію з посадкою на Центавр, а також були запропоновані концепції польоту до 29P/Швассмана-Вахмана. Також ЄКА розробляє місію перехоплювача комет, яка буде запущена наприкінці цього десятиліття і чекатиме на появу нової довгоперіодичної комети, можливо, навіть міжзоряного гостя на кшталт Оумуамуа або міжзоряної комети Борисова.

У міру того, як ці ініціативи реалізовуватимуться, на нас неодмінно чекатимуть сюрпризи. Одна з істин дослідження Сонячної системи полягає в тому, що вивчення наших ближніх сусідів дає нам стільки ж відповідей, стільки ставить нових запитань, часто (часто-густо) перевертаючи наші традиційні уявлення. Це, безумовно, стосується і комет, ймовірно, така тенденція збережеться й надалі.

За авторством Волта Гарріса

Джерело