"Техника-молодежи" 1978 г №9, с.24-27

ВЛАДИМИР КОВАЛЬ,
заведующий отделом
планет МО ВАГО

Средневековые маги не знали, к какому разряду — атмосферных или «подлунных» — явлений отнести кометы. Но как радуга неизменно связана с дождем и солнцем, так, по их мнению, кометы всегда были связаны с великими и ужасными событиями. Только с развитием науки устанавливались объективные взгляды на природу комет. Оказалось, что сквозь грандиозные кометные хвосты легко просматриваются даже слабые звезды, что состоят они из чрезвычайно разреженных светящихся газов и пыли, и потому прохождение Земли через такой шлейф ничем не угрожает планете. Более того, массы самих твердых ядер оказались настолько ничтожными по сравнению с размерами газопылевого шара, что за ними укрепилось название «видимое ничто». К тому же кометы оказались самыми молодыми и короткоживущими членами солнечной системы — астрономы неоднократно наблюдали распадение комет на части и даже их исчезновение. Известная комета Биэла, наблюдавшаяся неоднократно и вызвавшая переполох в 1832 году из-за предполагавшегося столкновения с Землей, должна была вновь близко подойти к ней в 1856 году, но внезапно пропала. Когда же Земля снова подходила к точке встречи с кометой, то дважды, в 1872 и 1885 годах, наблюдались необыкновенные звездные дожди (в минуту один наблюдатель мог увидеть невооруженным глазом около трехсот ярких «падающих звезд» — метеоров).

Современные данные во многом рассеяли ореол загадочности окружающий кометы. Изучены сотни кометных орбит, в спектрах комет обнаружены известные на Земле углеводородные соединения. Разработана газопылевая модель кометных ядер.

 

Древние рисунки комет. Два первых носят явно суеверный характер, три последующих более объективны. Физическое строение кометы.

В хороший телескоп можно увидеть, что внутри головы кометы почти всегда просматривается звездообразное сгущение — ядро, из которого идут и импульсные излияния, образующие атмосферу головы кометы, и ее газовые и пылевые хвосты. Спектры комет состоят из непрерывного фона и эмиссионных линий молекулярных полос. Сплошной спектр обусловлен рассеянием солнечного света ядром кометы, пылевыми частицами размерами около 0,5 мк, молекулами атмосферы и свободными электронами. Наблюдается он главным образом в центральной части головы кометы и в пылевых хвостах 2-го и 3-го типов. Эмиссионные линии указывали на наличие в голове кометы молекул углерода (С₂), угарного газа (СО), CN, СН, С₃ОН, NH, а в хвостах 1-го типа СО₂, СН. Кроме того, в спектрах, полученных на современных обсерваториях, обнаружены многочисленные линии железа, никеля, кобальта, кальция и натрия, что подтверждает мнение о присутствии в ядрах не только ледяных, но и метеоритных масс. Основной механизм свечения кометных газов — резонансная флюоресценция под действием солнечного излучения. Причем сами молекулы появляются в результате распада и диссоциации первичных массивных углеводородных «родительских» молекул. Наблюдаемые в ядре и голове кометы доплеровские смещения спектральных линий говорят о значительных начальных скоростях частиц, приобретаемых ими в результате распада исходных молекул.

В настоящее время для объяснения всех особенностей строения и состава кометных атмосфер принята модель ядра, состоящего из конгломерата льдов различной химической природы, каменистых метеоритных масс и частиц (смесь «загрязненных льдов»). Эта модель позволяет объяснить особенности и различия между «старыми» и «молодыми» кометами. У «молодых» комет, совершивших несколько прохождений вблизи Солнца, поверхность покрыта свободными льдами, отделение газов идет очень бурно — путем непосредственной сублимации из твердой фазы. При этом вместе с газом ядро покидают и пылевые частицы. В спектрах таких комет преобладает отраженный солнечный свет. У «старых» комет на поверхности постепенно формируется защитный каменистый слой, как на многих земных и марсианских ледниках, истечение газа, проходящего через эту твердую пористую кору, ослабевает. Внешние или внутренние причины иногда приводят к механическим повреждениям коры, и тогда происходит вспышка блеска. В спектре появляются характерные признаки метеоритных частиц и пылевого материала, выброшенных при вспышке. Этим же объясняется и быстрое падение яркости в конце срока жизни кометы. Запаса льдов в средней комете с массой в 10¹⁴ г хватает приблизительно на 200 прохождений через перигелий. Поэтому-то так недолговечны короткопериодические кометы, время оборота которых вокруг Солнца составляет 5-8 лет.

Молекулы и частицы хвоста кометы отгоняются прочь от Солнца отталкивающей силой, которая противодействует силе всемирного тяготения и количественно превосходит ее. Как показал Лебедев в 1900 году, этой силой может быть лучевое давление. Различие между газовыми и пылевыми хвостами обусловлено суммой действующих сил. Кроме гравитационного взаимодействия, большую роль здесь играет взаимодействие солнечного ветра с материалом кометы в гравитационном поле Солнца.

Правда, каждая комета уникальна, и, как говорят астрономы, для них невозможно установить ни одного правила, которое не знало бы исключений. Но самым загадочным и нерешенным до настоящего времени остается вопрос о происхождении ледяных кометных ядер. Ведь в отличие от других членов солнечной системы семейство комет находится в неравновесном состоянии. Короткопериодические и периодические кометы являются быстрораспадающимися объектами с малым «временем жизни» и потому очень молодыми. Ежегодно земляне открывают около семи новых комет, но кометы наблюдали издревле! И если понятно, как они исчезают — превращаясь в метеорные рои, то как узнать, откуда приходят эти «призраки космоса»? Остаются лишь предположения, более или менее удачно объясняющие все наблюдаемые особенности. Сразу отметим, что ни одна из гипотез не нашла всеобщей поддержки у астрономов и не смогла объяснить всех особенностей движения, строения и состава комет, и потому вопрос об их происхождении до настоящего времени считается нерешенным.

Голландский ученый Оорт предполагал, что где-то за орбитой Плутона существует целый кометный пояс, подобный поясу астероидов между Марсом и Юпитером. Изредка из-за возмущающего действия планетного и звездного тяготения отдельные фрагменты пояса меняют свои орбиты и попадают в глубь солнечной системы.

Советский астроном Всехсвятский, известный исследователь комет, развивает гипотезу о происхождении комет в результате выбросов при мощных вулканических извержениях на планетах группы Юпитера.

Статистический анализ данных о движении комет показывает, что они тесно связаны с системами планет-гигантов. Орбиты большинства из этих комет имеют общую точку с орбитой одной из гигантских планет.

Рассматривая механизм образования комет, необходимо было объяснить как особенности их орбит — сильную вытянутость и всевозможные углы наклона плоскостей движения, так и особенности их строения, состава — низкую плотность, наличие в легкоплавких углеводородных льдах тугоплавких метеоритных частиц. Такой механизм в солнечной системе есть, и действует он исправно вот уже в течение миллионов лет. Следы этого воздействия особенно хорошо сохранились на поверхности планет земной группы и их спутниках. Речь идет о метеоритной бомбардировке. По данным автоматических межпланетных станций метеоритные кратеры оказались характерной чертой рельефа не только Луны, но и Меркурия, Венеры, Марса. А ведь при ударе метеоритов о поверхности планет и спутников происходит мощный взрыв и выделяется колоссальная энергия, способная придать отдельным, даже очень крупным фрагментам громадные скорости. И действительно, молодые кратеры на Луне — Тихо и Коперник — имеют протяженную и четко выраженную лучистую структуру. Подобные «лучи» образуются выброшенными под небольшими углами к поверхности крупными фрагментами пород у всех взрывных кратеров на Меркурии, Земле или Марсе. Осколки же, выброшенные более круто, навсегда покидают даже такие крупные тела, как Луна и Меркурий. Что же касается метеоритной бомбардировки спутников, то наиболее красноречивым свидетельством ее является поверхность двух маленьких спутников Марса — Фобоса и Деймоса, которые, несмотря на малую площадь поверхности, сплошь усеяны кратерами.

Таким образом, остается лишь найти в солнечной системе ледяную и не очень массивную мишень, с тем чтобы осколкам было легче преодолеть силы тяготения и обрести самостоятельное существование. А лед и твердая углекислота — «сухой лед» обнаружены на Марсе, есть лед и в кольцах Сатурна, мощной ледяной броней, по-видимому, покрыт и Плутон. Но самое главное — астрономам удалось установить наличие замерзших газов и льда на поверхности спутников планет-гигантов. В отношении больших спутников Юпитера — Европы и Ганимеда это доказано двумя независимыми методами: инфракрасной спектроскопией и радиолокацией. Обнаружена атмосфера у спутника Сатурна — Титана. Химический состав всех этих газов, замерзших газов и льдов, сходен с газовым составом кометного вещества!

Если учесть, что большинство астероидно-метеоритных масс движется по планетарным орбитам (пояс астероидов находится как раз в непосредственной близости от Юпитера с его многочисленными спутниками), то продукты взрыва при лобовых и касательных столкновениях могут за счет изменения вектора скорости получить сильно вытянутые орбиты, лежащие в различных плоскостях. Расчеты показывают, что для перехода на кометную орбиту ледяной глыбе достаточно немного отстать от Юпитера в его неторопливом беге вокруг Солнца. А для того, чтобы навсегда покинуть даже самый массивный из спутников Юпитера, требуется скорость менее 3 км/с.

Фотография спутника Марса — Фобоса. Этот небольшой спутник поперечником 18x22 км весь покрыт метеоритными кратерами. Ни о каком вулканизме на Фобосе не может быть и речи. Фотография взрывного метеоритного кратера со светлыми лучами, образованными выброшенными фрагментами пород. Подобными гигантскими кратерами усеяны поверхности Меркурия. Луны, Марса. Фотография яркой кометы Беннета (1970 г.). Светящееся газопылевое облако скрывает от наблюдателя ядро кометы.

Предлагаемой гипотезой можно объяснить и наличие в кометных льдах пылевой и газовой составляющих. Ведь при мощном процессе кратерообразования выбрасываются поверхностные льды, подвергавшиеся длительной метеоритной бомбардировке, в различной степени перекристаллизованные и засоренные осколками «снарядов» — метеоритов. Именно эти выброшенные по неправильным параболическим траекториям фрагменты ледяного реголита различной химической природы, обогащенные тугоплавкой каменистой составляющей, становятся ядрами — конгломератами комет. А среди метеоритов, падающих на Землю, могут оказаться и экзотические — осколки пород с поверхности спутников планет, а не только «обычные» из пояса астероидов.

Этот механизм позволяет объяснить и многие индивидуальные особенности химического состава комет, ибо каждый случай кометного кратерообразования уникален как по составу пород «мишени» — поверхности одного из спутников, так и по составу «снарядов» — астероидно-метеоритной массы.

Падение крупных метеоритов на ледяную поверхность спутников — кометное кратерообразование — может приводить и к некоторым структурным особенностям выброшенных пород — «пракомет». Известно, что при кратерообразовании в результате взрыва в породах образуются различные ударные модификации минералов. Так, доломиты превращаются в доломитную муку, кварцы — в особую разновидность переплавленных пород — лешательерит, пузыристый кварц. По существу, это пенопласт из кварца — пенокварц, который за счет пористости приобретает незначительный удельный вес и легко плавает в воде! Среди импактитов есть и пузыристые стекла.

Эксперименты со взрывами в ледяных мишенях показывают, что в них образуется ледяная мука, которая, быстро смерзаясь, превращается в своеобразный непрозрачный порошковый лед с меньшим, чем у монолитного льда, удельным весом.

Возможное возникновение при кометном кратерообразовании специфического пенольда — пористого льда с газовыми полостями и тугоплавкими каменными и металлическими частицами, — имеющего плохую теплопроводность и низкую плотность, поможет объяснить многие наблюдаемые особенности образования кометных хвостов и вспышек вблизи от Солнца, а также особенность сгорания в атмосфере Земли многочисленных ярких болидов (не оканчивающихся выпадением метеоритов). Ведь не только крупные фрагменты льда выбрасываются при взрыве, целый океан мелких ледяных брызг-осколков должен заполнять межпланетное пространство. Подтверждает это и статистика — сейчас открывается много очень слабых, зачастую бесхвостых телескопических комет. Ну а самые мелкие кусочки мы видим при встречах их с Землей в виде ярких метеоров и болидов, сгорающих высоко в атмосфере. Несомненно, что только более твердые виды космического пенольда могут преодолеть броню атмосферы, а более рыхлые обречены на разрушение. Атмосферная сепарация не позволяет попасть в музейные коллекции этим микрофрагментам кометного вещества.