Эти загадочные кометы

Министерство образования науки, культуры и молодежной политики

Выполнил:

Храпатов Дмитрий А.

Содержание:

Предисловие

1. Исторические факты, начало исследования комет

2. Природа комет, их рождение, жизнь и смерть

3. Современные исследования

Предисловие.

Кометы являются одним из самых эффектных тел в Солнечной системе. Это своеобразные космические айсберги, состоящие из замороженных газов сложного химического состава, водяного льда и тугоплавкого минерального вещества в виде пыли и более крупных фрагментов. Ежегодно открывают 5-7 новых комет и, довольно часто, один раз в 2-3 года вблизи Земли и Солнца проходит яркая комета с большим хвостом. Кометы интересуют не только астрономов, но и многих других ученых: физиков, химиков, биологов, историков… Постоянно проводятся достаточно сложные и дорогостоящие исследования. Чем же вызван такой живой интерес к этому явлению?

Исторические факты, начало исследования комет.

Когда же люди впервые задумались о ярких хвостатых «звездах» на ночном небе? Первое письменное упоминание о появление кометы датируется 2296 годом до нашей эры. Движение комет по созвездиям тщательно наблюдалось китайскими астрономами. Древним китайцам небо представлялось огромной страной, где яркие планеты были правителями, а звезды - органами власти. Поэтому постоянно перемещающуюся комету древние астрономы считали гонцом, курьером, доставляющим депеши. Считалось, что любое событие на звездном небе предварялось указом небесного императора, доставляемым кометой-гонцом.

Древние люди панически боялись комет, предписывая им многие земные катаклизмы и несчастья: мор, голод, стихийные бедствия… Комет боялись потому, что не могли найти достаточно понятного и логического объяснения этому явлению. Отсюда появляются многочисленные мифы о кометах. Древним грекам головой с распущенными волосами представлялась любая достаточно яркая и видимая невооруженным глазом комета. Отсюда образовалось и название: «комета» происходит от древнегреческого «кометис», что в переводе означает « волосатый».

Научно обосновать явление первым попытался Аристотель. Не замечая никакой закономерности в появлении и движении комет, он предложил считать их воспламеняющимися атмосферными испарениями. Мнение Аристотеля стало общепризнанным. Однако римский ученый Сенека попытался опровергнуть учение Аристотеля. Он писал, что «комета имеет собственное место между небесными телами, она описывает свой путь и не гаснет, а только удаляется». Но его проницательные предположения сочли безрассудными, так как слишком был высок авторитет Аристотеля.

Но в силу неопределенности, отсутствия единого мнения и объяснения феномену «хвостатых звезд» люди еще долго продолжали считать их чем-то сверхъестественным. В кометах видели огненные мечи, кровавые кресты, горящие кинжалы, драконов, отрубленные голов. Впечатления от появления ярких комет были настолько сильны, что предрассудкам поддавались даже просвещенные люди, ученные: например, известный математик Бернулли говорил, сто хвост кометы является знамением гнева Божья.

В эпоху средневековья вновь появился научный интерес к явлению. Один из выдающихся ученных той эпохи Региомонтан отнесся к кометам, как к объектам научного исследования. Регулярно наблюдая все появлявшиеся светила, он первым описал траекторию движения и направления хвоста. В 16 веке астроном Апиан, проводя похожие наблюдения, пришел к выводу, что хвост кометы всегда направлен противоположную Солнцу сторону. Чуть позже стал наблюдать движение комет с наивысшей для того времени точностью датский астроном Тихо Браге. В результате своих исследований он доказал, что кометы - небесные тела, более далекие, чем Луна, и тем самым опроверг учение Аристотеля об атмосферных испарениях.

Но, несмотря на исследования, избавление от предрассудков шло очень медленно: например, Людовик 14 очень опасался кометы 1680 года, так как считал ее предвестницей своей гибели.

Наибольший вклад в изучение истинной природы комет был сделан Эдмондом Галлеем. Главным его открытием было установление периодичности появления одной и той же кометы: в 1531 г., в 1607 г., в 1682 г. Увлеченный астрономическими исследованиями, Галлей заинтересовался движением кометы 1682 г. и занялся вычислением ее орбиты. Его интересовал путь ее движения, а так как Ньютон уже проводил подобные вычисления, Галлей обратился к нему. Ученый сразу дал ответ: комета будет двигаться по эллиптической орбите. По просьбе Галлея Ньютон изложил свои вычисления и теоремы в трактате «De Motu», то есть «О движении». Получив помощь Ньютона, он занялся вычислением кометных орбит по астрономическим наблюдениям. Ему удалось собрать сведения о 24 кометах. Таким образом, появился первый каталог кометных орбит. В своем каталоге Галлей обнаружил, что три кометы очень похожи по своим характеристикам, из чего он сделал вывод, что это не три разные кометы, а периодические появления одной и той же кометы. Период ее появления оказался равным 75,5 лет. Впоследствии она была названа кометой Галлея.

Наиболее точным и надежным каталогом движения комет считался каталог Б. Марсдена изданный в 1972 году.

Природа комет, их рождение, жизнь и смерть.

Еще в 18 веке Гершель, наблюдая туманности, предположил, что кометы - небольшие туманности, движущиеся в межзвездном пространстве. В 1796 году Лаплас в своей книге «изложение системы мира» высказал первую научную гипотезу о происхождении комет. Лаплас считал их обрывками межзвездных туманностей, что неверно из-за различий в химическом составе тех и других. Однако его предположение о том, что эти объекты имеют межзвездное происхождение, подтверждалось наличием комет с почти параболическими орбитами.

Коротко периодические кометы Лаплас считал также пришедшими из межзвездного пространства, но некогда захваченными притяжением Юпитера и переведенные им короткопериодические орбиты. Теория Лапласа имеет сторонников и в настоящее время.

В 50-е годы голландский астроном Я. Оорт предложил гипотезу о существовании кометного облака на расстоянии 150 000 а.е. от Солнца, образовавшегося в результате взрыва 10_й планеты Солнечной системы - Фаэтона, некогда существовавшей между орбитами Марса и Юпитера. По мнению академика В.Г. Фесенкова взрыв произошел в результате слишком сильного сближения Фаэтона и Юпитера, так как при таком сближении, вследствие действия колоссальных сил, возник сильный внутренний перегрев Фаэтона. Сила взрыва была огромна. В доказательство теории можно привести расчеты Ван Фландерна, изучившего распределение элементов 60 долгопериодических комет и пришедшего к выводу, что 5 миллионов лет назад между орбитами Юпитера и Марса взорвалась планета массой в 90 земных масс (сравнимая по массе с Сатурном). В результате такого взрыва большая часть вещества в виде ядер комет (обломков ледяной коры), астероидов и метеоритов покинула пределы Солнечной систем, часть задержалась на ее периферии в виде облака Орта, часть вещества осталась на прежней орбите Фаэтона, где она и сейчас циркулирует в виде астероидов, кометных ядер и метеоритов.

Некоторые кометные ядра сохранили реликтовый лед под рыхлым теплоизоляционным слоем тугоплавкой компоненты, и еще до сих пор в поясе астероидов иногда открывают короткопериодические кометы, движущиеся по почти круговым орбитам. Примером такой кометы может быть комета Смирновой - Черных, открытая в 1975 году.

Строение, состав комет.

Маленькое ядро кометы является единственной ее твердой частью, в нем сосредоточена почти вся ее масса. Поэтому ядро - первопричина всего остального комплекса кометных явлений. Ядра комет до сих пор все еще недоступны телескопическим наблюдениям, так как они вуалируются окружающих их светящийся материей, непрерывно истекающих из ядер. Применяя большие увеличения, можно заглянуть в более глубокие слои светящийся газопылевой оболочки, но и то, что останется, будет по своим размерам все еще значительно превышать истинные размеры ядра. Центральное сгущение, видимое в атмосфере кометы визуально и на фотографиях, называется фотометрическим ядром. Считается, что в нутрии его находится собственно ядро кометы, то есть располагается центр масс. Однако, как показал советский астроном Д.О. Мохнач, центр масс может не совпадать с наиболее яркой областью фотометрического ядра. Это явление носит название эффекта Мохнача. Туманная атмосфера, окружающая фотометрическое ядро, называется комой. Кома вместе с ядром составляют голову кометы - газовую оболочку, которая образуется в результате прогревания ядра при приближении к Солнцу. Вдали от Солнца голова выглядит симметричной, но с приближением к нему она постепенно становится овальной, затем удлиняется еще сильнее и в противоположной от солнца стороне из нее развивается хвост, состоящий из газа и пыли, входящих в состав головы.

Ядро - самая главная часть кометы. Однако до сих пор нет единодушного мнения, что оно представляет собой на самом деле. Еще во времена Лапласа существовало мнение, что ядро кометы - твердое тело, состоящее из легко испаряющихся веществ типа льда или снега, быстро превращающихся в газ под воздействием солнечного тепла. Эта классическая ледяная модель кометного ядра была существенно дополнена в последнее время. Наибольшим признанием пользуется разработанная Уиплом модель ядра - конгломерата из тугоплавких каменистых частиц и замороженной летучей компоненты (метана, углекислого газа, воды и др.). в таком ядре ледяные слои из замороженных газов чередуются с пылевыми слоями. По мере прогревания газы, испаряясь, увлекают за собой облака пыли. Это позволяет объяснить образование газовых и пылевых хвостов у комет, а также способность небольших ядер к газовыделению.

Согласно Уиплу, механизм истечения вещества из ядра объясняется следующим образом. У комет, совершивших небольшое число прохождений через перигелий - так называемых «молодых» комет - поверхностная защитная корка еще не успела образоваться, и поверхность ядра покрыта льдами, поэтому газовыделение протекает интенсивно путем прямого испарения. В спектре такой кометы преобладает отраженный солнечный свет, что позволяет спектрально отличать «старые» кометы от «молодых». Обычно «молодыми» называются кометы, имеющие большие полуоси орбит, так как предполагается, что они впервые проникают во внутренние области Солнечной системы. «Старые» кометы - это кометы с коротким периодом обращения вокруг Солнца, многократно проходившие свой перигелий. У «старых» комет на поверхности образуется тугоплавкий экран, так как при повторных возвращениях к Солнцу поверхностный лед, подтаивая, «загрязняется». Этот экран хорошо защищает находящийся под ним лед от воздействия солнечного света.

Модель Уипла объясняет многие кометные явления: обильное газовыделение из маленьких ядер, причину негравитационных сил, отклоняющих комету от расчетного пути. Потоки, истекающие из ядра, создают реактивные силы, которые и приводят к вековым ускорениям или замедлениям в движении короткопериодических комет. Существуют также другие модели, отрицающие наличие монолитного ядра: одна представляет ядро как рой снежинок, другая - как скопление каменно-ледяных глыб, третья - говорит о том, что ядро периодически конденсируется из частиц метеорного роя под действием гравитации планет. Все же наиболее правдоподобной считается модель Уипла.

Масса ядер комет в настоящее время определяются неуверенно, поэтому можно говорить о вероятном диапазоне масс: от нескольких тонн до нескольких сотен, а возможно, и тысячи и более тонн.

Кома кометы окружает ядро в виде туманной атмосферы. У большинства комет кома состоит из трех основных частей, заметно отличающихся своими физическими параметрами:

наиболее близкая, прилегающая к ядру область - внутренняя, молекулярная, химическакя и фотохимическая кома.

Видимая кома, или кома радикалов.

Ультрафиолетовая, или атомная кома.

На расстоянии в 1 а.е. от Солнца средний диаметр внутренней комы D=10 км, видимый D=10-10 км и ультрафиолетовой D=10 км.

Во внутренней коме происходят наиболее интенсивные физико-химические процессы: химические реакции, диссоциация и ионизация нейтральных молекул. В видимой коме, состоящей в основном из радикалов (химически активных молекул) (CN, OH, NH и др.), процесс диссоциации и возбуждения этих молекул под действием солнечной радиации продолжается, но уже менее интенсивно, чем во внутренней коме.

Л.М. Шульман на основании динамических свойств вещества предложил делить кометную атмосферу на следующие зоны:

1) пристеночный слой (область испарения и конденсации частиц на ледяной поверхности);

2) околоядерную область (область газодинамического движения вещества);

3) переходную область;

4) область свободно-молекулярного разлета кометных частиц в межпланетное пространство.

Но не для всякой кометы должно быть обязательным наличие всех перечисленных атмосферных областей. По мере приближения кометы к Солнцу диаметр видимой головы день ото дня растет, после прохождения перигелия ее орбиты голова снова растет и достигает максимальных размеров между орбитами Земли и Марса. В целом для всей совокупности комет диаметры голов заключены в широких пределах: от 6000 км до 1 млн. км.

Головы комет при движении кометы по орбите принимают разнообразные формы. Вдали от Солнца они круглые, но по мере приближения к Солнцу, под воздействием солнечного давления, голова принимает вид параболы или цепной линии.

С.В. Орлов предложил классификацию кометных голов, учитывающую их форму и внутреннюю структуру:

1) тип E; - наблюдается у комет с яркими комами, обрамленными со стороны Солнца светящимися параболическими оболочками, фокус которых лежит в ядре кометы.

2) тип С; - наблюдается у комет, головы которых в 4 раза слабее голов типа Е и по внешнему виду напоминают луковицу.

3) тип N; - наблюдается у комет, у которых отсутствует и кома и оболочки.

4) тип Q; - наблюдается у комет, имеющих слабый выступ в сторону Солнца, то есть аномальный хвост.

5) тип h; - наблюдается у комет, в голове которых генерируются равномерно расширяющиеся кольца - галосы с центром в ядре.

Наиболее впечатляющая часть кометы - ее хвост. Хвосты почти всегда направлены в противоположную от Солнца сторону. Хвосты состоят из пыли, газа и ионизированных частиц. Поэтому в зависимости от состава частицы хвостов отталкиваются в противоположную от Солнца сторону силами, исходящими из Солнца.

Ф. Бессель, исследуя форму хвоста кометы Галлея, впервые объяснил ее действием отталкивающих сил, исходящих из Солнца. Впоследствии Ф. А. Бредихин разработал более совершенную механическую теорию кометных хвостов и предложил разбить их на три обособленные группы, в зависимости от величины отталкивающего ускорения. Механизм свечения кометных молекул был расшифрован в 1911 году К. Шварцшильдом и Е. Кроном, которые пришли к выводу, что это механизм флуоресценции, то есть переизлучения солнечного света.

Иногда в кометах наблюдаются необычные структуры: лучи, выходящие под различными углами из ядра и образующие в совокупности лучистый хвост; галосы - системы расширяющихся концентрических колец; сжимающиеся оболочки - появление нескольких оболочек, постоянно двигающихся к ядру; облачные образования; омегообразные изгибы хвостов, появляющиеся при неоднородностях солнечного ветра.

Также существуют и нестационарные процессы в головах комет: вспышки яркости, связанные с усилением коротковолновой радиации и корпускурных потоков; разделение ядер на вторичные фрагменты.

Современные исследования.

Наиболее интересными событиями за последние годы стали: появление кометы Хейла-Боппа и падение кометы Шумейкера-Леви 9 на Юпитер.

Комета Хейла-Боппа появилась на небе весной 1997 когда. Ее период составляет 5900 лет. С этой кометой связанны некоторые интересные факты. Осенью 1996 года американский астроном-любитель Чак Шрамек передал во всемирную сеть Интернет фотографию кометы, на которой отчетливо был виден яркий белый объект неизвестного происхождения, слегка сплюснутый по горизонтали. Шрамек назвал его @Saturn-like object» (сатурнообразный объект, сокращенно - «SLO»). Размеры объекта в несколько раз превосходили размеры Земли.

Реакция официальных научных представителей была странной. Снимок Шрамека был объявлен подделкой, а сам астроном - мистификатором, но вразумительного объяснения характера SLO не было предложено. До сих пор не ясно, что это был за объект, какова его природа.

Другим нашумевшим событием стало падение в июле 1994 года короткопериодической кометы Шумейкера-Леви 9 на Юпитер. Ядро кометы в июле 1992 года в результате сближения с Юпитером разделилось на фрагменты, которые впоследствии столкнулись с планетой-гигантом. В связи с тем, что столкновения происходили на ночной стороне Юпитера, земные исследователи могли наблюдать лишь вспышки, отраженные спутниками планеты. Анализ показал, что диаметр фрагментов от одного до нескольких километров. На Юпитер упали 20 кометных осколков.

Ученые утверждают, что распад кометы на части - редкое событие, захват кометы Юпитером - еще более редкое происшествие, а столкновение большой кометы с планетой - экстраординарное космическое событие.

Таким образом, несмотря на тщательное их изучение, кометы таят в себе еще много загадок.