Кометы и их природа

ПЛАН

Введение

1 Ядро и хвост кометы

2 Природа комет и их происхождение

3 Кометные орбиты

4 Причина свечения комет и их химический состав

5 Столкновение земли с кометой

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Люди замечали их с незапамятных времен - летописи, исторические хроники, устные сказания донесли до нас сведения об их появлении на небе в самых разных странах света. Яркие кометы - это редкое событие - они появляются три-четыре раза в столетие.

Древние летописцы передают лишь состояние ужаса, которое охватывало наших далеких пращуров перед непонятным явлением. Более спокойные и детальные описания комет, даже некоторые измерения их дошли до нас в записях древних и средневековых астрономов. Но там нет никаких объяснений природы этого явления. Предполагалось, что кометы появлялись неспроста, они предшествовали различным бедствиям, которые обрушивались на людей: войнам, голоду, наводнениям, засухе и т. п. Поскольку в человеческой истории такие испытания не были редкостью, то зачастую, действительно в год, когда появлялась какая-нибудь комета, происходили памятные события. Это еще больше укрепляло в людях убеждение, что кометы проходят достаточно близко от места бедствия.

Современные астрономы и даже любители астрономии, занимающиеся исследованием этих небесных тел, могут рассказать о природе и поведении комет уже довольно много: откуда появляются кометы, чем объясняется их необычный облик и даже предскажут, когда и где можно будет наблюдать какую-нибудь из них.

1 ЯДРО И ХВОСТ КОМЕТЫ

В отличие от мерцающих звезд и четко очерченных планет комета выглядит как туманное светящееся пятнышко. Это пятнышко называют головой кометы. Есть кометы очень яркие и их без труда можно наблюдать невооруженным глазом, они всегда имеют светящиеся длинные хвосты. Именно поэтому их назвали «кометы», что в переводе с греческого языка означает «хвостатые звезды».

Слабые кометы, едва различимые глазом или практически невидимые, можно установить, анализируя их фотографии, полученные с помощью больших телескопов. Эти кометы также имеют едва заметные короткие хвостики. Однако все кометы, и яркие, и слабые, когда уходят очень далеко от Солнца, выглядят как едва заметные туманные пятнышки с размытыми краями. Хвосты на таких огромных расстояниях не удается различить даже на фотографиях.

Голова или, как еще называют, кома - самая яркая часть кометы. Внутри ее предполагается твердое ядро.

«Основа» любой кометы - ее ядро - огромный ком космической пыли, камней, замерзших газов и сложных химических соединений, накрепко спаянных космическим холодом. Его размеры по космическим масштабам просто ничтожны - километры или десятки километров. Массы комет невелики: они не превышают одной миллионной доли массы Земли.

Предполагается, что на больших расстояниях от Солнца, кометы представляют собой голые ядра, т.е. глыбы твердого вещества, состоящего из обыкновенного водяного льда и льда из метана и аммиака. В лед вморожены каменные и металлические пылинки и песчинки. При приближении к Солнцу этот очень грязный лед начинает испаряться, создавая вокруг ядра огромную газопылевую оболочку. Под действием давления солнечного света часть газов оболочки отталкивается в сторону, противоположную Солнцу, образуя хвост. У некоторых комет эти процессы протекают настолько интенсивно, что оболочка и хвост достигают чудовищных размеров. Так, например, диаметр оболочки сверх гигантской кометы Холмса в 1882 году был равен 1,5 миллиона километров, а длина ее хвоста достигала 300 миллионов километров!

Плотность и комы, и особенно хвоста, чрезвычайно мала. Хвост у кометы бывает прямой или изогнутый и направлен от ядра в сторону, противоположную Солнцу. Поэтому когда комета из межпланетного пространства приближается к нашему светилу, то движется она головой вперед. А вот когда, обогнув Солнце, комета удаляется от него, то хвост движется впереди головы. Голова и хвост кометы светятся: пылевые частицы просто отражают свет Солнца, а атомы молекул и газов переизлучают поглощенные ими кванты солнечного света. Кометное ядро «превращается» в доступную для наблюдений комету.

Форма и протяженность хвостов различны. Текущий рекорд длины хвоста кометы - это хвост Великой кометы 1843. Её хвост имел длину не менее 300 млн. км. (диаметр головы ее несколько превышал диаметр Солнца). Это значит, что если мысленно поместить саму комету в центр Солнца, то хвост пересек бы орбиту Марса.

Классификацию кометных хвостов предложил в XIX в. замечательный русский астроном Ф.А. Бредихин:

I тип хвостов - прямые, направленные от Солнца. Они образованы ионизированными молекулами кометной атмосферы, которые солнечным ветром уносятся прочь от ядра;

II тип - это изогнутые хвосты и по отношению к орбите кометы отклоняются назад. Образуются они непрерывно истекающими из ядра частичками пыли;

III тип - это короткие хвосты, почти прямые, заметно отклоняющиеся от линии «Солнце - ядро кометы». Такие хвосты образуются при единовременных «извержениях» из ядра целого облака пылинок различных размеров, растягивающихся, поэтому в полоску под действием светового давления.

Интерес ученых к кометам связан главным образом с желанием изучить их состав. Многие полагают, что это - своеобразный “строительный мусор”, оставшийся после образования планет Солнечной системы из первоначального газопылевого облака.

Наблюдение комет может дать представление о первичной материи, из которой сформировались их тела, причем эта материя дошла до нас в «законсервированном » виде, сохраняется без изменений, возможно, около 10 миллиардов лет! Благодаря космическому эксперименту ученые впервые увидели кометное ядро, которое оказалось очень похожим на спутники Марса Фобос и Деймос, а также на малые спутники Сатурна и Урана. А это свидетельствует о том, что на заре формирования Солнечной системы кометные ядра могли образовываться в сравнительной близости от Солнца приблизительно в районе между орбитами планет-гигантов Юпитера и Нептуна.

Советская астрофизическая станция «Астрон» вела космические наблюдения кометы Галлея (комета названа по имени английского астронома, дипломата и переводчика Эдмунда Галлея) почти восемь месяцев с декабря 1985года по июль 1986 года. Был исследован газовый состав головы кометы, сфотографировано несколько спектров, был получен ответ на вопрос, как быстро теряет свою массу кометное ядро в зависимости от расстояния до Солнца. Оказалось, что каждый раз, когда комета сближается с Солнцем (через каждые 75 лет), ядро кометы теряет 370 миллионов тонн своей массы. Это не так уж много, если учесть, что по современным оценкам масса ядра кометы Галлея составляет примерно 10 миллиардов тонн.

Однако через несколько десятков сближений кометы с Солнцем ее ядро полностью потеряет запас льда и превратится в «высохшую комету», похожую на астероид. Тогда ядро уже не будет иметь светящейся головы и хвоста, а будет выглядеть как очень слабенькая звездочка, найти которую на небе можно будет в очень мощный телескоп.

2 ПРОИСХОЖДЕНИЕ КОМЕТ И ИХ ПРИРОДА

За обозримое прошлое человечества было открыто много комет. Каждая из них имеет свои особенности. На первых порах серьезного изучения комет никому не приходила в голову мысль, что они принадлежат Солнечной системе.

Раньше предполагалось, что таинственные небесные странницы приходят к нам из далеких безвестных глубин межзвездного пространства. Они подходят к Солнцу на расстояние в несколько десятков или сотен миллионов километров и затем пускаются в обратный путь. При этом, чем дальше кометы уходили от Солнца, тем сильнее ослабевал их блеск, пока совсем не пропадал. Большинство астрономов предполагали в прошлые времена, что каждая комета приходит к Солнцу лишь один раз и затем навсегда покидает его окрестности.

Однако эта мысль утвердилась не сразу. Еще Аристотель - могучий авторитет среди научного мира, задумываясь о природе комет, выдвинул гипотезу, что кометы имеют земное происхождение. Они, якобы, порождаются в атмосфере Земли, «висят» на сравнительно небольшой высоте, медленно проплывая по небу.

Удивительно, что точка зрения Аристотеля господствовала около двух тысячелетий, и никакие попытки поколебать ее не давали положительного результата. Хотя некоторые ученые склонны были думать, что кометы все-таки приходят из каких-то далеких, неведомых нам глубин космического пространства. Только в конце XVI века идея Аристотеля была опровергнута.

В конце XVI века астрономы наблюдали яркую комету с двух наблюдательных пунктов, очень удаленных друг от друга. Если бы комета находилась в атмосфере, т.е. недалеко от наблюдателей, то должен был бы наблюдаться параллакс: с одного пункта комета должна быть видна на фоне одних звезд, а с другого - на фоне других. Однако наблюдения показали, что никакого параллакса не было, и, значит, комета находилась гораздо дальше, чем Луна. Земная природа комет была опровергнута, что сделало их еще более таинственными. Одна тайна сменилась другой, еще более заманчивой и недоступной.

У многих астрономов сложилось мнение, что кометы приходят к нам из межзвездных глубин, т.е. не являются членами Солнечной системы. В какой-то момент даже предполагалось, что кометы приходят к Солнцу по прямолинейным траекториям и по таким же прямолинейным траекториям уходят от него.

Трудно сказать, сколько времени продолжалось бы такое положение, если бы не одно важнейшее событие в истории человечества.

Гениальный естествоиспытатель, великий физик и математик Исаак Ньютон завершил выдающийся научный труд, связанный с анализом движения планет вокруг Солнца, и сформулировал закон всемирного тяготения: сила взаимного притяжения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату между ними.

Согласно этому закону природы все планеты движутся вокруг Солнца не произвольным образом, а строго по определенным орбитам. Орбиты эти представляют собой замкнутые линии.

Но даже сейчас обработка данных, полученных в результате космического эксперимента и наземных наблюдений, продолжается.

Кометы, которые нам удается наблюдать, приходят к нам с далеких окраин Солнечной системы. По сегодняшним представлениям более 100 миллиардов кометных ядер населяют эти окраины.

Есть предположение, что кометные ядра образовались в одно время со всей Солнечной системой и поэтому могут являть собой образцы того первичного вещества, из которого впоследствии образовались планеты и их спутники. Свои первозданные свойства ядра могли сохранить благодаря своему «постоянному месту» вдали от Солнца и больших планет, оказывающих огромное влияние на ближайшее окружение.

Существуют гипотезы захвата комет из межзвездного пространства и их вулканического происхождения. Однако в 1950 году они были сильно потеснены одной старой идеей в новом оформлении.

Еще в 1932 году один из выдающихся астрономов, Эрнст Эпик, высказал идею о возможной концентрации большого количества облаков кометных и метеоритных тел, «подчиняющихся» Солнцу, несмотря на то, что размещались они на расстоянии четырех световых дней от него.

В 1950 году голландский астроном Ян Оорт, исследуя ряд долгопериодических комет, обнаружил, что их афелии (наиболее удаленные от Солнца точки орбит) концентрируются вблизи границы Солнечной системы. Можно было бы посчитать этот результат мало примечательным, тем более, что количество комет было совсем небольшим - 19. Однако Оорт увидел за этим явление большого масштаба. Он возродил к жизни идею Эпика о хранилище кометных ядер на «задворках» Солнечной системы. Из его исследований вытекало, что зона, оккупированная кометами, простирается в поясе от 30 до 100 тыс. а. е. от Солнца.

Сам Оорт полагал на первых порах, что кометы образовались в процессе взрыва Фаэтона. Взрыв, по его мнению, был настолько силен, что большая часть мелких осколков была заброшена так далеко, что попала под косвенное влияние соседних звезд, да так и осталась на окраинах Солнечной системы.

И хотя красивая гипотеза о Фаэтоне оказалась несостоятельной, идея забрасывания вещества из внутренних областей Солнечной системы во внешние, в дальнейшем получила подтверждение.

Сегодня механизм образования облака Эпика - Оорта выглядит приблизительно так. В эпоху гравитационного «склеивания» планет из газопылевого облака формировалось большое количество сгустков вещества или так называемых зародышей. Все, что эти планеты не в силах были поглотить, они выталкивали своим гравитационным полем далеко от своих «участков». Главной помехой в этой выталкивающей деятельности было Солнце, старавшееся удержать даже любую мелочь на ее орбитах. Но чем дальше от Солнца формировалась планета-гигант, тем легче ей было проявлять самостоятельность и по-своему вершить судьбы более мелких тел. Поэтому основным поставщиком кометных ядер в облако Эпика - Оорта был Нептун.

3 КОМЕТНЫЕ ОРБИТЫ

Согласно результатам исследований Ньютона, кометы движутся либо по эллиптическим, либо по параболическим, либо по гиперболическим орбитам, причем в фокусе каждой орбиты находится Солнце.

Астрономам достаточно вычислить орбиту кометы, и эта орбита сама «скажет», вернется ли комета к Солнцу, или навсегда покинет его. Если комета окажется параболической или гиперболической, т.е. незамкнутой, то она уже никогда не вернется к Солнцу.

Как полагают многие ученые, ядра комет, имеющих параболическую или гиперболическую орбиту, удаляясь от Солнца с все уменьшающейся скоростью, на расстоянии порядка 150 тысяч астрономических единиц от него почти останавливаются. Постепенно там образовался огромный рой, миллиарды кометных ядер - так называемое облако Оорта (по имени голландского ученого А. Оорта, который выдвинул эту гипотезу). Поскольку тяготение Солнца на столь больших расстояниях ничтожно, ядра могут оставаться там почти без движения бесконечно долго. Лишь изредка, испытав гравитационное возмущение, к примеру, от проходящей недалеко звезды, часть ядер в облаке начинает перемещаться, некоторые из них, возможно, в сторону Солнца.

Совсем другое дело, если орбита окажется эллиптической. Поскольку эллипс - линия замкнутая, комета должна обязательно вернуться в ту точку пространства, в которой ее уже наблюдали с Земли.

Сколько же времени нужно комете, движущейся по эллипсу, чтобы сделать один оборот? Это зависит от различных параметров эллипса, в частности от расстояния между его фокусами. Чем меньше это расстояние, тем быстрее комета совершит оборот вокруг Солнца.

Для некоторых комет период обращения вокруг Солнца может составлять миллионы и десятки миллионов лет.

4 ПРИЧИНА СВЕЧЕНИЯ КОМЕТ И ИХ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

Во времена Ломоносова еще ничего не было известно о законе изменения блеска комет и тем более об их спектрах. Михаил Васильевич Ломоносов охарактеризовал свечение комет с точки зрения, близкой к современной: «Комет бледного сияния и хвостов причина недовольно еще изведана, которую я без сомнения в электрической силе полагаю...»

Комета светится отраженным светом. Это подтверждается характером спектра ядра. Но когда ядро кометы приближается к Солнцу, то в его спектре появляются яркие линии излучения натрия. В спектре ядра кометы 1882 г., подошедшей чрезвычайно близко к Солнцу, были обнаружены даже яркие линии железа и никеля, пропавшие, когда комета от него удалилась. Потом исчезли и линии натрия. Все это нужно объяснить тем, что твердое ядро кометы, когда оно подходит очень близко к Солнцу, нагревается настолько, что начинает испаряться, превращаясь в раскаленный, светящийся пар.

Блеск головы кометы меняется с приближением к Солнцу очень быстро. Поведение блеска комет меняется не только от кометы к комете, но и у одной кометы на ее пути вокруг Солнца. Это говорит, безусловно, о неустойчивости кометного ядра, о возможности быстрых изменений на его поверхности.

Некоторые молекулы кометного газа поглощают солнечный свет, и затем снова его же излучают в той же длине волны. Такое излучение физики называют резонансным. Другие молекулы поглощают энергию Солнца в виде ультрафиолетовых лучей, но излучают их в виде лучей с другой длиной волны, видимых глазу. Такое свечение физики называют флуоресценцией.

Спектр головы кометы показывает, что она состоит из молекул, т. е. химических соединений, излучающих широкие полосы. Химический состав этих газов удалось выяснить подробнее лишь в течение последних лет. Оказалось, что голова кометы состоит из молекул углерода (Сз), циана (СК), углеводорода (СН). Недавно были обнаружены гидрид азота, гидроксил (ОН).

В спектре головы кометы, кроме ярких полос, присутствует и непрерывный спектр, который, возможно, также принадлежит молекулам газа и не является спектром света, отраженного от Солнца. Однако большинство ученых полагает, что пыль в голове кометы все же должна быть и что из нее же состоят изогнутые хвосты, так как у них тоже наблюдается непрерывный спектр. Если бы в этом спектре удалось обнаружить и темные линии, имеющиеся в спектре Солнца, наличие пыли в хвостах комет было бы доказанным.

Хвост кометы, когда он широкий и яркий, иногда обнаруживает непрерывный спектр, свидетельствующий о наличии в нем пыли. По большей части, однако, спектр хвоста кометы газовый, обнаруживающий наличие ионизованных углекислоты СО2, окиси углерода СО, молекул азота N2. Как известно, окись углерода (СО) образуется в печах при неполном сгорании топлива и тоже ядовита, хотя и не так, как циан. Ее называют угарным газом.

5 СТОЛКНОВЕНИЕ ЗЕМЛИ С КОМЕТОЙ

Столкновения Земли с кометой - вот чего стали бояться люди, перестав видеть в кометах предвестниц войн. Если говорить о столкновении Земли с твердым ядром кометы, то одно такое ядро, приблизившись к Солнцу на расстояние Земли от Солнца, имеет один шанс из 400000000 столкнуться с Землей.

Поскольку в год на этом расстоянии от Солнца проходит около пяти комет в среднем, то ядро какой-либо кометы может столкнуться с Землей в среднем один раз за 80000000 лет. Ни сдвинуть Землю с ее пути, ни даже изуродовать ее кометный хвост не сможет. Но не можем ли мы отравиться ядовитыми газами - цианом или окисью углерода, имеющимися в комете?

Зная ничтожно малую, почти неосуществимую искусственно в лаборатории плотность комет, что примесь кометных газов к воздуху Земли будет совершенно неощутима. Вероятно, ее даже не удастся обнаружить современными методами химии. В голове или в хвосте кометы при большой скорости движения небесных тел Земля может пробыть не дольше нескольких часов. Кометные газы ничтожной плотности примешиваются только к наиболее высоким слоям земной атмосферы. Лишь немногие молекулы сумеют за долгий срок, быть может, за годы, добраться до нижних слоев воздуха. К тому же еще неизвестно, уцелеют ли они на таком пути, испытывая множество столкновений и химических соединений с молекулами воздуха?

Насколько можно судить по вычислениям, Земля в свое время пересекла хвост кометы 1861 II. Комета Галлея 19 мая 1910 г. была на расстоянии 24 миллионов км от Земли, между нами и Солнцем. Хвост же кометы в эти дни тянулся на 30 миллионов км и, по-видимому, коснулся Земли 19 мая. В этот период не только не произошло ничего особенного, но даже точнейшие химические анализы, как и в 1861 г., не обнаружили никакой примеси посторонних газов в воздухе.

Таким образом, «столкновение» Земли с хвостом кометы, содержащим угарный газ, безопасно для всей Земли.

Но что будет, если с Землей все-таки столкнется ядро кометы? Масса кометных ядер, как мы знаем, ничтожно мала в сравнении с Землей. Исследования показали, что твердое вещество в ядре, если оно сплошь каменное, то раздроблено на множество кусков, так что, вероятно, даже самые крупные из них будут размером не больше, чем какая-нибудь «избушка на курьих ножках». Если принять, что ядро состоит из смеси льда и пыли, то при полете сквозь атмосферу лед сразу испарится, а пылинки принесут еще меньше вреда, чем при гипотезе о ядре, состоящем из небольших каменных кусков.

Большинство же таких кусочков, составляющих ядро кометы, должно быть еще мельче, иначе поверхность ядра была бы недостаточна, чтобы выделять газы с той скоростью, как это наблюдается. Для Земли дробное строение каменных ядер предпочтительнее при встрече с ними. К тому же сопротивление атмосферы сильнее затормозит движение мелких твердых кусков, чем крупных, и ослабит их ударную силу. Куски эти при падении на Землю рассредоточатся и выпадут на расстоянии десятков километров или даже сотен километров друг от друга, а не кучей.

Что же может произойти в результате? В худшем случае легкие местные землетрясения и разрушения на отдельных площадях размером в несколько километров.

Вероятность попадания осколков кометного ядра в какой-либо город очень мала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В эпоху, когда астрономия как наука переживала период своего становления, люди изучали небо невооруженным глазом. Поэтому все открываемые в ту пору «хвостатые звезды» были довольно яркими. Когда на помощь астрономам пришел телескоп (с XVII века), кометы стали открывать чаще. Сначала далекие, слабые кометы обнаруживали случайно, при наблюдении других небесных объектов. Потом появились астрономы, упорно обшаривавшие небо в поисках чего-то нового. Через десятки лет на счету таких наблюдателей оказывалось по 5-10, а иногда и больше открытых ими комет. А после того как телескопы стали доступны большому кругу людей, увлекающихся астрономией, появилась целая армия «охотников за кометами» - бескорыстных и преданных сподвижников науки. Эти любители астрономии внесли огромный вклад в науку о кометах. Так, Ж. Понс, всю свою жизнь прослуживший сторожем на Марсельской обсерватории, открыл за тридцать лет 26 комет (его рекорд держался 165 лет!).

В 1892 году американский ученый Э. Барнард впервые открыл комету на фотопластинке. Это был важный шаг в техническом развитии астрономии, после чего очень скоро фотография окончательно отучила астрономов-профессионалов от визуальных наблюдений. Появившиеся затем новые светосильные фотографические телескопы-фотокамеры оказались очень удобными для поиска слабых небесных объектов. Таким образом, произошло разграничение сфер деятельности между профессионалами и любителями: ученые переключились на фотографический поиск и при этом стали открывать слабые, ранее недоступные для наблюдений объекты. А любители продолжали обшаривать небо с помощью своих скромных телескопов.

Казалось бы, в наше время, когда вводятся в строй все новые и новые фотографические инструменты, любители должны оставаться «не у дел». Но этого не происходит, и число открытий, сделанных любителями, остается весьма значительным. В 1974 году из пяти новых комет две открыты любителями, в 1987 из семнадцати вновь открытых - семь, в 1988 из пятнадцати - четыре, в 1989 из двадцати - шесть, в 1990 из девяти - две, в 1991 «вольные охотники» обнаружили три новых (из девятнадцати). Таким образом, как столетие назад, так и в наши дни, любители по-прежнему обнаруживают 20-40 процентов новых комет. И, по всей видимости, до конца эпохи любительства в астрономии еще далеко.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гетман В.С. Внуки солнца: Астероиды, кометы, метеоритные тела. - М.: Наука, 1989.

2. Емельяненко В.В. Движение почти параболических комет под воздействием малых кометных возмущений // Письма в Астрономический журнал. - 1990. Т.16, №8.

3. Каймаков Е.А. и др. Кометы на Земле. - Л.: «Знание» РСФСР, 1986.

4. Ковшун И.Н. И отторгались звезды от неба и падали на землю - Киев: Наука, 1990.

5. Кометы и происхождение жизни: сб. статей под ред. С. Понпамперумы; Пер. с англ. Д.Б. Кирпонина, В.В. Рябина - М.: Мир, 1984.

6. Марочник Л.С. Свидание с кометой. - М.: Наука, 1985.

7. Мороз О.П. Свидание с кометой. - М.: Сов. Россия, 1983.

8. Наука и жизнь. - М.: «Пресса», №9, 1992.

9. Воронцов-Вельяминов Б.А. Очерки о вселенной. М.: «Наука», 1980.