Кометы. Странники Солнечной системы
Кометы. Странники Солнечной системы
Леонид Владимирович Еленин
Подпишись на науку. Книги российских популяризаторов науки
Книга Леонида Еленина погружает читателя в тысячелетний путь человечества в познании самых загадочных и прекрасных объектов Солнечной системы – комет. Вы станете свидетелями захватывающей истории разгадки тайны небесных странников: пройдете путь от страшных знамений богов до исследования комет космическими аппаратами, открывшими нам их истинную природу Перед вами раскроются истории самых знаменитых охотников за кометами, вы узнаете, как их открывают в наши дни, а может быть, и сами попробуете найти одну их косматых странниц! А еще мы обсудим роль комет в зарождении жизни на Земле и ответим на вопрос: могут ли они сейчас представлять угрозу для нашей планеты?
Леонид Еленин
Кометы. Странники Солнечной системы
Научная редактура Владимира Сурдина, канд. физ. – мат. наук, старшего научного сотрудника Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга, доцента физического факультета МГУ, лауреата Беляевской премии и премии «Просветитель», российского астронома.
Во внутреннем оформлении использованы фотографии:
© piemags / Legion-Media;
© Walter Dawn / Science Source / Diomedia;
© Jack Fields / Science Source / Diomedia;
© Nasa / Science Source / Diomedia;
© Jerry Lodriguss / Science Source / Diomedia;
© Universal History Archive / Diomedia;
© TASS Archive / Diomedia;
© Granger / Diomedia;
© Lorand Fenyes / Stocktrekimages RF / Diomedia;
© VW PICS / Universal Images Group / Diomedia;
© Science Source / NASA, ESA, and D.Jewitt (UCLA), J.Agarwal (MPS), H.Weaver (JHU/APL), M.Mutchler (STScI), and S.Larson (University of Arizona) / Diomedia;
© LASCO / SOHO / ESA / NASA / Science Source / Diomedia;
© Roger Lynds / NOAO / AURA / NSF / Science Source / Diomedia;
© Universal Images Group / Diomedia;
© NAVCAM / Rosetta / ESA / Science Source / Diomedia;
© Heritage Images / Heritage Space / Diomedia;
© Mary Evans / Diomedia;
© ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team; MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA / Science Source / Diomedia, а также фотографии Суркова А. В., Плясова Д. Л. и Дудина Н. А.
© Леонид Еленин, текст, иллюстрации, 2023
© ООО «Издательство «Эксмо», 2024
От автора
Книга, которую вы держите в руках, не претендует на полноту энциклопедии или системность учебника. Вовсе нет. Это рассказ о долгом пути человечества в понимании одних из красивейших объектов космоса – комет. Перед вами развернется история Древнего Египта, античной Греции, эпохи Возрождения, Нового времени и современных головокружительных космических миссий. В этой книге не будет ни одной математической формулы, но вы узнаете много деталей и подробностей из более чем семи десятков самых современных научных статей, собранных в легкую и увлекательную историю, которая, я надеюсь, будет интересна всем читателям. Даже тем, кто знакомится с кометами впервые.
На протяжении десяти глав я расскажу вам о том, откуда берутся кометы, что они собой представляют и из чего состоят. Являются ли они злом или добром и как они повлияли на судьбу Солнечной системы. Вы познакомитесь с захватывающими историями ярчайших комет прошедшего столетия и самых знаменитых охотников за кометами. И конечно же, я расскажу о том, как попытаться открыть свою собственную комету и как это однажды удалось мне. Поверьте – нужно лишь по-настоящему захотеть!
Мой путь в астрономию тоже начался с книги, и я хочу надеяться, что и моя книга, в свою очередь, послужит для кого-то той путеводной звездой, что приведет его к новым знаниям и открытиям. Я по-доброму завидую вам, ведь у вас впереди интереснейшее путешествие в мир древних и загадочных странников Солнечной системы. Переверните страницу, и я начну свой рассказ…
I. Странники Солнечной системы
Осенней ночью взгляните на небо. Уже прохладно и зябко, земля быстро остывает, а над головой, из-за восходящих теплых воздушных потоков, мерцают и переливаются звезды. Представьте, что там, невидимые вашему глазу, в темноте космоса, крадучись, летят по своим орбитам главные странники Солнечной системы – кометы. Наш общий дом, наша планетная система во главе с Солнцем – очень неспокойное место, хотя мы, люди, этого не замечаем. Вокруг нас крутятся миллионы и миллионы комет и астероидов, преодолевая за один миг десятки километров, и кажется, что их путешествие будет продолжаться вечно. Так почему же именно кометы являются главными странниками Солнечной системы?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассказать, откуда вообще берутся кометы, ведь многие из них, те, что мы можем наблюдать в телескопы сейчас, давным-давно отправились в свое великое странствие в глубь Солнечной системы – навстречу планетам-гигантам, Земле и пламенеющему Солнцу. Сейчас мы знаем, что место жительства комет – это окраины Солнечной системы. Эту область мы называем облаком Оорта, в честь нидерландского астронома Яна Хедрика Оорта[1 - Ян Хендрик Оорт (нид. Jan Hendrik Oort; 1900–1992) – нидерландский астроном, основные научные работы которого посвящены исследованию строения и динамики Галактики, а также вопросам космогонии. Автор теории протяженного кометного облака, которое является источником наблюдаемых комет. В его честь назван кратер Оорт на Плутоне и астероид (1691) Oort.], предсказавшего ее существование, и лишь немногие называют ее облаком Эпика—Оорта, отдавая дань эстонскому астроному Эрнсту Юлиусу Эпику[2 - Эрнст Юлиус Эпик (эст. Ernst Julius ?pik; 1893–1985) – эстонский астроном, одним из первых предсказавший существование облака планетезималей на периферии Солнечной системы и первым определивший расстояние до галактики Андромеды. Внес заметный вклад в исследование малых тел Солнечной системы. В честь его назван астероид (2099) Opik.], который впервые высказал гипотезу о гигантской сферической структуре, окружающей нашу планетную систему.
Эрнст Эпик родился 23 октября 1893 года на севере Эстонии, в городе Кунда. В 1912–1916 годах он учился в государственном Московском университете, позже заведовал обсерваторией в Ташкенте, после чего, в 1921 году, устроился в обсерваторию Тартуского университета, где и проработал долгие годы. В 1932 году Эрнст Эпик, в то время активно занимавшийся метеорной астрономией и проходивший стажировку в Гарварде, выдвинул предположение, что вдали от Солнца, на расстоянии от 50 до 100 тысяч астрономических единиц[3 - Астрономическая единица (а. е.) – единица измерения расстояний в астрономии, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца и составляющая около 150 млн км.], может находиться некое облако – источник метеороидов[4 - Метеороид – неофициальное название астероидов размером менее 10 м.] и комет. К сожалению, эта работа осталась практически незамеченной, а сам ученый не стал ее в дальнейшем развивать. Она осталась ждать другого автора – такого, который сделает ее общепризнанной и именем которого и назовут внешние области Солнечной системы.
В 1950 году уже известный астроном Ян Оорт, занимавшийся на тот момент в основном галактической астрономией, опубликовал двадцатистраничную статью «Структура кометного облака, окружающего Солнечную систему, и гипотеза о его происхождении», где и высказал предположение, основанное на систематизации и анализе известных на тот момент данных об орбитах комет. По сути, как часто бывает, великое открытие лежало у всех перед глазами, но лишь Оорт смог собрать все данные воедино, правильно их интерпретировать и, что немаловажно, довести свою задумку до логического завершения – научной публикации. Отчасти это открытие схоже с открытием атмосферы Венеры Михаилом Васильевичем Ломоносовым[5 - Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) – первый крупный русский ученый-естествоиспытатель, физик, химик, основоположник научного мореплавания и физической химии; заложил основы науки о стекле. Астроном – первооткрыватель атмосферы Венеры, приборостроитель, географ, металлург, геолог. Сыграл основополагающую роль в формировании русского литературного языка. Художник, генеалог, историограф; поборник развития отечественных наук, экономики, образования (разработал проект Московского университета, впоследствии названного в его честь). Его имя носят кратеры на Луне и Марсе, астероид (1379) Lomonosowa.] в 1761 году. Многие ученые видели то же, что и Ломоносов, но лишь его острый ум правильно интерпретировал наблюдательные данные.
Итак, что же такого странного заметил нидерландский астроном? На самом деле парадокс, связанный с кометами, был известен и до гипотезы Оорта. Ученые, занимающиеся небесной механикой, давно пришли к выводу, что конечный итог всех орбитальных эволюций астероидов и комет таков: объект или упадет на Солнце (менее вероятный вариант – столкнется с планетой), или будет выброшен из Солнечной системы. Зная возраст нашей планетной системы и то, что кометы сформировались вместе с ней, можно предположить, что за это время все кометы должны были либо погибнуть, либо быть выброшенными в межзвездное пространство. А это утверждение идет вразрез с тем, что мы наблюдаем своими глазами.
Оорт взялся разгадать эту загадку и, стоит отдать ему должное, зная о работе Эпика, сослался в своей статье на исследования эстонского ученого. Итак, взяв выборку из тридцати долгопериодических комет с хорошо определенными орбитами, Оорт рассчитал элементы их орбит до сближения с планетами-гигантами Солнечной системы, которые своим гравитационным воздействием искажают изначальную орбиту кометы. А сделать это в те годы было намного тяжелее, чем сейчас, ведь современных компьютеров и программ еще не существовало. Получив данные, Оорт обратил внимание на то, что в большинстве своем рассмотренные кометы пришли в центральную область Солнечной системы с расстояния в десятки тысяч астрономических единиц от Солнца. Между тем эти кометы абсолютно точно принадлежали Солнечной системе, так как они были гравитационно связаны с нашей звездой. На тот же вывод указывала и научная работа норвежского астронома Эрика Синдинга «Определение первоначального облика околопараболических орбит комет», которую он написал в 1937 году, а также работы датских астрономов Бенгта Стрёмгрена (1947) и Адриана ван Веркома (1948). Как видим, эта тема уже тогда всерьез занимала умы ученых.
Основываясь на собранных данных, а также на другом свойстве комет – изотропности, то есть случайном распределении наклонений их орбит, а проще говоря, направлений, откуда они прилетают, Оорт сделал главный вывод – большинство «новых» долгопериодических комет приходят из областей, лежащих на расстояниях от 25 до 250 тысяч астрономических единиц от Солнца, из гигантского сферического облака, окружающего нашу Солнечную систему и принадлежащего ей. По его расчетам, в этом облаке должно было находиться, по крайней мере, два триллиона комет, общая масса которых составляет от одной сотой до одной десятой масс Земли. В настоящее время модель популяции тел, наполняющих облако Оорта, уточнена, и общая масса оценивается в три массы Земли, или 3?10
тонн, а общее количество населяющих его объектов – более десяти триллионов! Немного, скажете вы? Область, объем которой равен сотням триллионов кубических астрономических единиц, вмещающая в себя триллионы комет, по массе равна всего нескольким планетам, подобным Земле? Это так, ведь и сами кометы иногда называют «видимым ничем» из-за их сверхмалой плотности, причем это утверждение ра?вно справедливо как для кометных ядер, так и для их газово-пылевых оболочек. Но об этом мы более подробно поговорим в следующих главах.
В 1951 году Ян Оорт и Мартен Шмидт в своей статье официально вводят научное понятие «динамически новой кометы» – небесной странницы, впервые посещающей внутренние области Солнечной системы. Поведение этих комет, в отличие от тех, которые уже многократно сближались с Солнцем, различно, и об этом мы тоже еще будем говорить в дальнейшем.
Спустя тридцать один год после опубликования статьи Оорта еще один американский астроном – Джек Хиллс – в своей работе «Кометные дожди и стационарное падение комет из облака Оорта» 1981 года предположил, что помимо изотропного облака Оорта существует меньшая по размеру область, простирающаяся от 200 до 20 000 астрономических единиц и имеющая форму тора. Иногда эту область называют внутренней частью облака Оорта, и это тоже верно, так как сам Хиллс не рассматривал свой тор в отрыве от классического облака Оорта, а писал, что данная область является его внутренней частью. Далее, говоря об облаке Оорта, для упрощения я буду подразумевать общую область, вмещающую в себя облака Хиллса и Оорта. У читателя может возникнуть вопрос, а почему же классическое облако Оорта является сферой, а внутренняя часть – тором, то есть более уплощенной структурой? Все дело в расстоянии от Солнца, а если говорить точнее – в более сильном гравитационном воздействии его притяжения на внутреннюю область. В пример можно привести внутреннюю, «планетную» часть Солнечной системы, где практически все объекты обращаются в одной плоскости – плоскости эклиптики – и имеют относительно малое наклонение орбит относительно нее. Для планет среднее наклонение составляет всего 2,3 градуса (самое большое наклонение имеет Меркурий – 7 градусов), для астероидов Главного пояса – 8 градусов, а для короткопериодических комет семейства Юпитера – 14,9 градуса.
Рассказав о внешних областях Солнечной системы, нельзя не упомянуть и еще один «кометный резервуар» – пояс Эджворта – Койпера. Об этом гипотетическом новом поясе в своей научной работе 1943 года «Эволюция нашей планетной системы» высказался ирландский астроном, инженер и экономист Кеннет Эджворт. Он предположил, что на периферии Солнечной системы (напомню, что тогда облака Оорта еще «не существовало») находятся малые объекты, представляющие собой первичные элементы протопланетной туманности, которые из-за их малой плотности в пространстве не смогли «уплотниться» в планеты. В 1949 году выходит еще одна его фундаментальная статья «Происхождение и эволюция Солнечной системы», в которой он продолжает развивать свои научные идеи. Помимо вопросов строения и эволюции нашей планетной системы, Эджворт предполагает, что время от времени, по каким-то пока непонятным нам причинам, описанные им объекты теряют свое орбитальное равновесие и устремляются к Солнцу – а мы наблюдаем их как кометы. Блестящее предположение!
Джерард Койпер
В начале пятидесятых годов прошлого века, во многом переломных для наших знаний о строении Солнечной системы и природе комет, американский астроном нидерландского происхождения Джерард Койпер публикует свою научную статью в специальном номере журнала Astrophysics, посвященном исследованиям, представленным на астрономическом симпозиуме. В своей работе он пишет о том, что такой диск существовал в прошлом, но, скорее всего, в результате эволюции и гравитационного воздействия таких его крупных представителей, как Плутон (а тогда считалось, что его масса сопоставима с массой Земли), подавляющее число населявших его объектов были выброшены либо в недавно открытое облако Оорта, либо и вовсе прочь из Солнечной системы. Интересен и тот факт, что Койпер не сослался на работы Эджворта, что, как мне кажется, неэтично с его стороны. Но история, как мы знаем, не имеет сослагательного наклонения и пояс за орбитой Нептуна, который сам ученый признал в своей статье «ныне не существующим», по иронии судьбы чаще всего называют именно его именем. Вот такой научный парадокс.
Впрочем, мне кажется, здесь все же не хватает третьего имени: американского астронома Фредерика Леонарда, который еще в 1930 году, сразу после открытия Клайдом Томбо Плутона, писал: «Возможно, что Плутон лишь первое из семейства тел за орбитой Нептуна, остальные члены которого все еще ожидают своего открытия, но которым в конечном итоге суждено быть обнаруженными». К сожалению, он, как и Эрнст Эпик, не стал развивать свою верную догадку в научных работах и в итоге его имя затерялось в истории.
18 октября 1977 года американский астроном Чарльз Коваль из Паломарской обсерватории с помощью 122-сантиметрового телескопа Шмидта открыл первый объект неизвестного на тот момент семейства. Его вытянутая орбита лежала вдали от Главного пояса астероидов – между орбитами Юпитера и Урана. Этот странный астероид получил номер и собственное имя – (2060) Chiron (Хирон)[6 - Назван в честь кентавра Хирона из древнегреческой мифологии.], став первым из нового класса кентавров. Справедливости ради необходимо упомянуть, что все же первым кентавром, как мы теперь знаем, стал открытый 31 октября 1920 года немецким астрономом Вальтером Бааде на Гамбургской обсерватории (Бергедорф, Германия) астероид, впоследствии получивший номер и имя (944) Hidalgo (Идальго)[7 - Назван в честь Мигеля Идальго, мексиканского католического священника, лидера революционной борьбы за независимость Мексики.], но тогда ученые не проявили к этому открытию особого интереса. К концу XX века было обнаружено большое количество подобных объектов, и, изучая их орбитальную эволюцию, ученые пришли к выводу, что эти объекты находятся на очень нестабильных орбитах, среднее время пребывания на которых составляет всего несколько миллионов лет, а значит – их популяцию постоянно подпитывает некий неизвестный источник. На его роль отлично подходил гипотетический пояс Эджворта – Койпера. В 1988 году у Хирона была открыта кометная активность, и он получил второе, уже кометное обозначение – 95P/Chiron. Это косвенно говорило и о том, что ученые все ближе к разгадке «кометного резервуара», пока скрытого от прямых наблюдений.
В 1980 году уругвайский астроном Хулио Анхель Фернандес публикует статью в престижном научном журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), где приводит результаты своих расчетов. Исходя из наблюдательных данных о кометах, он предполагает, что должен существовать достаточно анизотропный источник (диск или пояс), лежащий в 35–50 астрономических единицах от Солнца. Это уже была какая-никакая конкретика! Оценив средний предполагаемый размер объектов, населяющих эту, пока гипотетическую, область, и их среднее альбедо, можно было оценить и возможность их обнаружения с помощью мощных оптических телескопов, тем более что именно в то время как нельзя кстати случилась революция фотоприемных устройств – переход от аналоговых фотопластинок к цифровым ПЗС-камерам.
В 1988 году группа канадских астрономов, в которую входили Мартин Дункан, Томас Куин и Скот Тремейн, провела численное моделирование движения и орбитальной эволюции роя «виртуальных» комет. Главной задачей расчетов было определение источника короткопериодических комет, которым ранее считалось только облако Оорта. По результатам их научного исследования стало ясно, что модель, основанная лишь на сверхдальнем изотропном источнике кометных тел, не совпадает с реальными наблюдениями. Но когда они добавили в модель плоский диск с параметрами, которые привел Фернандес, – пазл сложился! С большой вероятностью этот пояс действительно существовал, и, по крайней мере, самые крупные его объекты можно было попытаться открыть, что до сих пор было абсолютно невозможным для тел, населяющих далекое облако Оорта.
Годом ранее за поиск подобных объектов взялся американский астроном Дэвид Джуитт. Он и его помощница, американский астроном вьетнамского происхождения Джейн Луу, начали свою поисковую программу на телескопах обсерватории Серро-Тололо и Китт-Пик, которые еще не были оснащены цифровыми фотоприемниками. Поэтому работать приходилось по старинке, ровно так же, как в свое время это делал Клайд Томбо. Техника была «простой» – ученые получали на фотопластинках пару часовых экспозиций определенного участка неба вблизи эклиптики, тем самым убивая сразу двух зайцев – накапливали сигнал (увеличение проницания) и фильтровали обнаруживаемые объекты. Если даже еще не известный астероид Главного пояса, который их абсолютно не интересовал, за час экспонирования «вытягивался» в достаточно длинный штрих, то объекты, которые ученые искали, должны были обладать намного меньшим собственным движением по небесной сфере и оставаться звездоподобными (точечными). В своих воспоминаниях Дэвид шутил, что, видя такие неизвестные астероиды, он думал: «А ведь когда-нибудь их кто-то «откроет»…» А чтобы отличить дальние объекты Солнечной системы от звезд, как раз и использовался второй кадр, на котором можно было зафиксировать их пусть медленное, но все же движение на фоне неподвижных звезд.
Работа с фотопластинками оказалась не очень эффективной, на западных обсерваториях уже начали появляться приборы с зарядовой связью (ПЗС), изображения с которых можно было сразу обрабатывать на компьютере. Первый опыт работы с ними на 130-сантиметровом телескопе обсерватории Китт-Пик был неудачным. Разрешение фотоприемника составляло всего 276 на 242 пикселя, что давало очень узкое поле зрения площадью всего двадцать пять тысячных квадратного градуса, и это после пятиградусного поля, получаемого на фотопластинках! Конечно, такой инструмент не подходил для сколь-нибудь серьезного поиска. В 1988 году Джуитт и Луу переходят на работу в университет Гавайев (University of Hawaii), где продолжают свои обзорные наблюдения на уже переоборудованном 88-дюймовом телескопе (224 см), который все сокращенно называли «UH88» («Университет Гавайев 88»). И хотя этот телескоп уже был оснащен одной из самых современных на тот момент цифровых камер, но, чтобы сравниться с одним «аналоговым» полем телескопа Шмидта, Дэвиду и Джейн приходилось использовать двадцать шесть площадок, которые они снимали по одному разу на протяжении трех ночей. Новые ПЗС-камеры устанавливались на телескоп практически каждый год – шло их бурное развитие, и к лету 1992 года на «UH88» стоял уже четырехмегапиксельный фотоприемник.
Трудолюбие и самоотверженность, которые на протяжении пяти долгих лет сохраняла эта маленькая команда целеустремленных людей, хотя над ними уже стали посмеиваться, привели их к революционному открытию, которого они так ждали. В ночь с 30 на 31 августа 1992 года они открыли первый транснептуновый объект (блеск на момент открытия 22,8
), который уже 2 сентября получил официальное обозначение 1992 QB1, а сейчас мы знаем его как (15760) Albion (Альбион)[8 - В мифологии Уильяма Блейка Альбион – древний, первобытный, или изначальный человек, великан, вмещающий в себя не только Англию, символом которой он является, но и все народы, все человечество от его зарождения до конца истории. Это также Богочеловек, или Вечный Человек.]. Дверь в мир новых открытий была распахнута!
Через полгода Джуитт и Луу открывают второй объект – (181708) 1993 FW, и с каждым годом этих открытий становится все больше и больше. Наконец-то человек наблюдает космические тела, населяющие предсказанный гипотетический пояс, страсти об именовании которого не утихают и по сей день. В 2005 году астрономы открыли три крупных – сопоставимых по размеру с Плутоном транснептуновых объекта: (136199) Eris (Эрида, диаметр 2326 км)[9 - По данным, полученным АМС «Новые горизонты», экваториальный диаметр Плутона составляет 2377 км.], 136472 Makemake (Макемаке, диаметр 1502 км) и (136108) Haumea (Хаумеа, вытянутый объект размером 1704 на 1138 км). А в 2006 году решением Международного астрономического союза (IAU) Плутон был лишен статуса планеты, став лишь Primus inter pares[10 - «Первый среди равных» (лат.)].
Объектов транснептунового пояса становилось все больше. К лету 2008 года их было известно уже 1077, а на момент написания этих строк (октябрь 2022 года) – 4209! Исходя из анализа орбит, они были разделены на три группы, одна из которых, а именно объекты рассеянного диска (Scattered disc), как раз и является тем источником короткопериодических комет, который так искали астрономы. Внутренняя граница этого диска пересекается с классическим поясом Койпера в области 30–50 астрономических единиц, а вот внешняя лежит намного дальше. К примеру, у самого известного объекта рассеянного диска – 90377 Sedna – Седна) – афелий[11 - Афелий – наиболее удаленная от Солнца точка орбиты планеты или иного небесного тела Солнечной системы.] находится на расстоянии 966 астрономических единиц, а у тела с труднопроизносимым названием (541132) Leleakuhonua[12 - Лелеакухонуа – форма жизни, упомянутая в гавайском песнопении о сотворении мира Кумулипо.] (Лелеакухонуа) и ранее известным в узких кругах как Гоблин – 2600 астрономических единиц! Так почему же астрономы решили, что короткопериодические кометы приходят внутрь Солнечной системы именно из рассеянного диска?
Эволюция Солнечной системы
Конечно, даже через самые мощные оптические телескопы мы не можем получить прямого изображения этих объектов и понять, какие из них являются «спящими» кометами. Здесь на помощь астрономам пришли математики. Они смоделировали гравитационную задачу N-тел и сделали вывод, что объекты классического пояса Койпера намного более стабильны на своих орбитах, и если бы источником комет был он, то мы бы наблюдали значительно меньше короткопериодических комет семейства Юпитера, чем есть на самом деле. А вот объекты рассеянного диска, напротив, находятся на нестабильных сильно наклоненных орбитах и их легко вывести из равновесия, отправив как в сторону Солнца, так и к облаку Оорта или даже прочь из Солнечной системы. Численное моделирование таких процессов хорошо согласуется с наблюдательными данными. Безусловно нельзя однозначно говорить, что если мы наблюдаем короткопериодическую комету, то ее родной дом – рассеянный диск. Теоретически переход на подобные типы орбит возможен при определенных обстоятельствах и для комет из облака Оорта. К примеру, ученые пока так и не смогли однозначно ответить на вопрос, откуда изначально прилетела самая известная из комет – Галлея. Вычисления говорят о том, что теоретически ее домом могли быть обе области, населенные ледяными телами. Эта комета, как никакая другая, внесла неоценимый вклад в понимание человеком кометной природы, и мы обязательно к ней не раз еще вернемся. Итак, за несколько десятилетий человечество поняло, откуда берутся кометы и где их дом – это и далекое облако Оорта, и рассеянный диск. Но как они там оказались изначально? На этот вопрос астрономы постарались ответить уже в начале XXI века.
Модель Ниццы – научный триптих о сценарии динамической эволюции Солнечной системы, опубликованный в 2005 году в престижнейшем журнале Nature. Его авторы – Родни Гомес, Харольд Левисон, Алессандро Морбиделли и Клеоменис Циганис – попытались математически описать сценарий развития Солнечной системы из протопланетного диска до того состояния и конфигурации, которую мы наблюдаем теперь. Да, безусловно, подобные работы проводились и в прошлом, но обычно они описывали разрозненные структуры на конечных временны?х интервалах, не пытаясь создать общую и неразрывную модель. Для этого были необходимы большие вычислительные мощности, которые лишь сравнительно недавно появились в распоряжении ученых. Работа началась в обсерватории Лазурного берега в Ницце (Франция), отсюда и такое странное название опубликованной модели. Но давайте уже перейдем к тому, о чем нам поведали результаты расчетов.
Первый и самый важный вывод: планеты-гиганты интенсивно мигрировали. Это во многом и повлияло на формирование нынешнего облика Солнечной системы. После рассеивания протопланетного диска сформировавшиеся планеты-гиганты находились на почти круговых орбитах, намного ближе к Солнцу, чем теперь, – на расстоянии от 5,5 до 17 астрономических единиц (напомню, что сейчас большие полуоси орбит гигантов лежат в пределах от 5,2 до 30,1 астрономической единицы). За орбитой крайней планеты простирался достаточно плотный диск из неиспользованного материала – каменных и ледяных планетезималей[13 - Планетезималь (англ. planet – планета и infinitesimal – бесконечно малая) – небесное тело на орбите вокруг протозвезды, образующееся в результате постепенного объединения более мелких тел, состоящих из частиц пыли протопланетного диска.] общей массой до тридцати пяти масс Земли. Для сравнения можно привести текущие оценки массы современного пояса Койпера: от 1/10 до 1/25, а по некоторым оценкам даже до 1/50 массы нашей планеты. Так что тот диск был не чета нынешнему, но что же с ним произошло?
Как я уже писал, главным процессом динамической эволюции молодой Солнечной системы была миграция планет-гигантов. Конечно, мы не можем точно определить ее физические причины, но есть достаточно достоверное обоснование, которое и легло в основу модели Ниццы. Постараюсь описать этот процесс максимально просто. Помимо массивного пояса планетезималей, расположенного на периферии нашей молодой планетной системы, их достаточно крупная популяция присутствовала и в той области, где сформировались планеты-гиганты. Безусловно в таком хаосе происходили постоянные тесные сближения этих малых объектов с планетами. Хотя каменные и ледяные глыбы не знали третьего закона Ньютона, того самого, где «каждому действию всегда есть равное и противоположное противодействие», но физику не обманешь: три внешних газовых гиганта выталкивали сближающиеся с ними планетезимали внутрь Солнечной системы, а сами получали практически незаметный импульс в противоположном направлении. Подобных сближений, а по сути – гравитационных маневров, было очень много и «вода точила камень…». Сатурн, Уран и Нептун очень медленно мигрировали во внешние области нашей системы, все дальше от Солнца. Напротив, Юпитер, находившийся у внутренней границы этой области, выталкивал планетезимали вовне, в том числе и прочь из Солнечной системы, если мог передать необходимый импульс, и планетезималь, превысив третью космическую скорость[14 - Третья космическая скорость – минимальная скорость, которую необходимо придать небесному телу, чтобы оно могло преодолеть гравитационное притяжение Солнца и покинуть пределы Солнечной системы. Примерно равна 16,65 км/с.], становилась межзвездным скитальцем. При этом, как вы уже догадались, сама планета двигалась в противоположную сторону – внутрь Солнечной системы.
Через несколько миллионов лет своего медленного движения в разных направлениях, Юпитер и Сатурн приходят к резонансу 1:2, то есть на одно обращение вокруг барицентра Солнечной системы первого гиганта приходится два обращения второго. В моменты соединения, когда обе планеты оказывались на одной линии с Солнцем (пренебрежем небольшим наклонением их орбит), оба гиганта, как два мощных борца сумо, пытались вытолкнуть друг друга, но силы были неравны, ведь Юпитер более чем втрое превосходит Сатурн в массе. Подобные резонансы – это сильные «генераторы» орбитальных нестабильностей и, безусловно, это не могло не сказаться на дальнейшей эволюции всей нашей звездной системы – она буквально пошла вразнос. Юпитер вытолкнул Сатурн на ту орбиту, где тот находится и по сей день, а тот, по известному всем принципу домино, начал выталкивать Уран и Нептун, которые, в свою очередь, перемещаясь все дальше от Солнца, начали гравитационно возмущать первичный диск планетезималей. В результате этого космического кегельбана конфигурация Солнечной системы стала похожей на ту, что мы наблюдаем в нашу эпоху, а плотный планетезимальный диск потерял около 99 % своей первоначальной массы. В ту пору трудно пришлось и планетам земной группы – часть планетезималей были выброшены не вовне, а наоборот, внутрь Солнечной системы – это была легендарная Поздняя тяжелая бомбардировка.
По модели Ниццы, в период с 4,1 до 3,8 миллиарда лет назад, Солнечная система представляла собой разворошенный улей. Повсюду летали планетезимали, непрерывно сталкиваясь со всем, что оказывалось у них на пути. В 1970-х, когда ученые пристально изучали лунный грунт, доставленный на Землю экспедициями «Аполлон»-15, -16 и -17, они обнаружили аномалию, относящуюся к тому геологическому периоду – оплавленную породу, причем произойти это столкновение должно было в достаточно узком интервале времени.
Детективный след в деле о Поздней тяжелой бомбардировке продолжал раскручиваться. В образцах метеоритов, местом происхождения которых была обратная сторона Луны, также обнаружились следы ударных расплавов. И, что интересно, пока не было найдено ни одного метеорита старше 3,9 миллиарда лет. Правда, стоит отметить и тот факт, что более молодых лунных метеоритов, не относящихся к изучаемому временно?му периоду, было найдено немало. А самые молодые из них имеют датировку в 2,5 миллиарда лет. Астероидное метеоритное вещество также подбросило интересную информацию для размышления. Выяснилось, что более старые находки, датированные 4,5 миллиарда лет, имели меньшую скорость столкновения с нашей планетой, чем те, что датированы 3,4–4,1 миллиарда лет. Причем усредненная расчетная скорость столкновения изменилась не на проценты, а вдвое: с 5 до 10 км/с! А это значимый результат, который уже сложно объяснить просто погрешностями оценок. Подобное увеличение скоростей может косвенно говорить об изменении эксцентриситетов и наклонений орбит объектов, сближавшихся в то время с Землей. То есть как раз о том, что и предсказывала гипотеза о Поздней тяжелой бомбардировке.
Если статистические данные по ударным кратерам на поверхности Луны экстраполировать на Землю, где их следы давным-давно стерты временем, то можно оценить урон, нанесенный нашей планете: более двадцати двух тысяч ударных кратеров диаметром более двадцати километров, около сорока астроблем[15 - Астроблема, или ударный кратер, – кольцевой кратер, возникший на поверхности небесного тела при столкновении с другим космическим телом меньшего размера.] с поперечником более чем в тысячу километров и несколько циклопических ударных структур размером более пяти тысяч километров. Да, это была настоящая суровая бомбардировка.
Данные автоматической межпланетной станции «Маринер-10» подлили еще больше масла в огонь – на поверхности Меркурия были выявлены ударные структуры, поразительно похожие на обнаруженные ранее на Луне. Баллистики подтвердили – прогениторами[16 - Прогенитор – прародитель, основатель рода, предшественник, создатель, источник.] следов подобных столкновений могли быть семейства – группы объектов со схожими параметрами орбит. Космическая шрапнель, «выстрелянная» из одной и той же области Солнечной системы. В целом улик было много, и модель Ниццы смогла ответить на многие вопросы. Хотя, как это всегда бывает в науке, существует и другая точка зрения, приверженцы которой считают и саму модель, и предсказание Поздней тяжелой бомбардировки неверными.
Ряд ученых не без основания говорят о том, что данные экспедиций «Аполлон» обладают эффектом наблюдательной селекции и не репрезентативны – вывод сделан по небольшой выборке данных, полученных в достаточно локализированной области. К примеру, выбросы из самого молодого Моря Дождей (места посадки «Аполлона-15») могли рассеяться на огромной территории, где они и были повторно обнаружены другими лунными миссиями. В 2022 году вышла статья с анализом двух метеоритов, прародителями которых считается астероид (4) Vesta (Веста). Лазерный абляционный анализ не выявил никаких следов кластеризации расплава вещества в предполагаемый период Поздней тяжелой бомбардировки, а значит, поверхность самого массивного астероида, скорее всего, не испытывала никакого мощнейшего ударного воздействия, что безусловно ставит под сомнение эту гипотезу. Как мы видим, пока учеными не поставлена точка в летописи истории Солнечной системы, и эта тема ждет новых пытливых умов, сложнейших расчетов и моделирований.
Но давайте вернемся к вопросу формирования ныне существующих кометных резервуаров. Как я уже говорил, Уран и Нептун постепенно смещались все дальше от Солнца, «выметая» объекты, находящиеся перед ними. В результате этого процесса было сформировано современное транснептуновое облако, и на протяжении миллиардов лет оно служило главным источником короткопериодических комет, семейства которых, исходя из дистанции афелия, названы в честь планет-гигантов. И самым многочисленным, конечно, стало семейство Юпитера, сила гравитационного воздействия которого на порядок больше, чем у второй по массе планеты – Сатурна. Объекты пояса Койпера можно разделить на «горячие» и «холодные» (или же «красные» и «синие»), причем ядрами будущих комет могут быть и те и другие. С первой популяцией все ясно – они сформировались в окрестностях Юпитера (ближе к Солнцу, а значит, в более теплых условиях), а после были выметены на периферию, и этот процесс достаточно хорошо описан в модели Ниццы. Эти объекты имеют относительно высокие наклонения и более хаотичные орбиты. Но процесс формирования «холодного» населения пояса Койпера пока малопонятен. Спектрально это совсем другие объекты, которые, скорее всего, сформировались примерно там, где и находятся сейчас. Но есть одна загадка – их орбиты лежат в плоскости эклиптики и среди них есть большая доля гравитационно слабосвязанных двойных систем. Не похоже, что они когда-либо испытывали сильное возмущающее воздействие со стороны Нептуна; на этот вопрос может дать ответ усовершенствованная модель Ниццы.
В 2011 году чешский астроном Дэвид Несворны предположил, что в юной Солнечной системе было не четыре, а пять газовых гигантов! Примерно четыре миллиарда лет назад Юпитер вытолкнул эту гипотетическую планету из Солнечной системы. При этом обратным воздействием он быстро, «прыжком», был переброшен на свое текущее положение, не оказав катастрофического влияния на планеты земной группы. В свою очередь, безымянный гигант выбросил Нептун, который в то время мог находиться вблизи Юпитера и Сатурна, на периферию, за орбиту Урана. Такая быстрая, скачкообразная перестройка могла сохранить нетронутой «холодную» часть популяции современного транснептунового пояса. Участь самого таинственного гиганта оказалась печальной – по расчетам Несворны, он был навсегда выброшен из нашей планетной системы, став планетой-сиротой. Подобные объекты уже открыты, а их общее количество только в нашей галактике оценивается в несколько десятков миллиардов! Так что подобные сценарии не что-то исключительное, а вполне естественный процесс эволюции молодых и еще нестабильных планетных систем.
Как вы можете видеть, подобные вычисления содержат серьезные допущения. И это действительно так. Ученым известны проблемы, с которыми они могут столкнуться при таких расчетах (к примеру – проблема округления), поэтому процесс модернизации математического аппарата не стоит на месте, и я уверен, что текущая модель формирования Солнечной системы, со всеми ее дополнениями, не догма, а лишь приглашение к дальнейшему обсуждению.
Что касается облака Оорта, то с ним все проще. Здесь хорошо применимо давнее высказывание из книги Экклезиаста: «Многие знания – многие печали». В отличие от транснептунового пояса, эта область, при всех наших научных и технических достижениях, все еще остается абсолютной терра инкогнита. Да, мы знаем, что оттуда прилетают кометы, орбиты которых изотропны, а значит, скорее всего, их источник – сферическое облако. Населяющие его тела, по модели Ниццы, были выброшены из внутренних областей Солнечной системы гравитацией Урана и Нептуна. Приданный им импульс был не столь велик, как у тел, навсегда выброшенных прочь более массивными Юпитером и Сатурном, и на огромном расстоянии от Солнца, исчисляемым десятками тысяч астрономических единиц, они, как канатоходец, аккуратно ступающий по тонкой нити, все же нашли хрупкое равновесие между притяжением Солнца и окружающих нас звезд, а также влиянием галактических приливных сил.
Говоря о местах постоянного обитания комет, не стоит забывать и о Главном поясе астероидов. В конце XX века и в нем было обнаружено несколько объектов, демонстрирующих кометную активность – кому[17 - Кома (от лат. coma, от др. – греч. ????/???? – «волосы») – облако из пыли и газа, окружающее ядро кометы. – Прим. ред.] и хвост. Но природа такого поведения у этих уникальных объектов различна. Первым из них стал астероид 1979 OW7, который в итоге был утерян и случайно переоткрыт лишь спустя семнадцать лет. И вот тут-то началось самое интересное! Бельгийский астроном Эрик Эльст, изучая фотопластинки, полученные его чилийским коллегой Гвидо Писарро на метровом телескопе обсерватории Ла-Силья (Чили), обнаружил ранее неизвестную комету с небольшим, но хорошо различимым хвостом. И каково же было удивление Эльста, когда он понял, что перед ним не что иное, как астероид, открытый еще в 1979 году. Несмотря на заявления об обнаруженной кометной природе, основываясь на абсолютно «астероидной» орбите странного объекта, Центр малых планет дал новому объекту «астероидное» обозначение – 1996 N2.
Возникла дилемма: новый объект демонстрировал как астероидную природу (орбита), так и кометную (активность). Но по принятой на тот момент теории эволюции Солнечной системы, в Главном поясе астероидов, так близко к Солнцу, не могло остаться объектов, сохранивших запасы замороженных летучих веществ. Исключение делалось лишь для самого крупного астероида – Цереры (и это предположение подтвердилось), но в случае 1996 N2 мы имели дело с небольшим, самым обычным астероидом Главного пояса, диаметром чуть более трех километров. Тогда ученые решили проверить, а не мог ли он быть «засланцем» из внешних областей Солнечной системы? Был выполнен огромный объем вычислений, которые показали, что переход объекта на подобную орбиту практически невозможен, а значит, «странный» астероид, с большой долей вероятности, является коренным жителем Главного пояса.
Ученые продолжали ломать голову над этой проблемой. Было выдвинуто предположение о недавнем (конечно, по астрономическим меркам) распаде крупного тела, в недрах которого могли еще оставаться запасы льда; но тогда мы наблюдали бы намного больше подобных объектов и они не были бы столь уникальными. Между тем «астероид» 1996 N2 наблюдался при прохождении им трех перигелиев и каждый раз он демонстрировал повторяемость своей кометной активности. Лишь спустя десять лет после открытия он был признан объектом двойной классификации, получив как астероидный номер и имя (7968) Elst-Pizarro, так и кометное обозначение – 133P/Elst-Pizarro. Этот объект и стал первой кометой Главного пояса астероидов.
В 2010 году в Главном поясе были открыты еще две кометы, но их внешний вид заставил ученых задуматься, а кометы ли это на самом деле? Да, и у кометы P/2010 A2 (LINEAR), и у астероида (596) Scheila наблюдался хвост и кома, но странной ассиметричной формы. Компьютерное моделирование подсказало ответ – большая часть вещества была выброшена за короткий промежуток времени, практически одномоментно, и, скорее всего, это событие стало результатом удара – космического столкновения. Причем в случае с кометой P/2010 A2 (LINEAR), которой позже был присвоен постоянный номер 354P/LINEAR, на снимках, полученных на 350-сантиметровом телескопе «WIYN», отчетливо виден точечный источник – тот самый уцелевший астероид, по которому и пришелся удар. В 2022 году схожую форму хвоста наблюдали и у астероида Диморф, искусственно «торпедированного» в ходе космической миссии DART[18 - DART (англ. Double Asteroid Redirection Test, «Испытания перенаправления двойного астероида») – первый в истории проект по изменению траектории астероидов. 26 сентября 2022 г. кинетический ударник произвел столкновение с компонентом двойной системы – астероидом Dimorphos (Диморф), естественным спутником околоземного астероида (65803) Didymos (Дидим).]. С этим классом комет Главного пояса все понятно – внешне они схожи с ледяными странниками, но по своей истинной природе не являются ими.
Помимо редкого события – космического столкновения двух тел, «кометную» активность может вызвать и разрушение астероида из-за вращательной нестабильности, о которой мы еще обязательно поговорим, когда доберемся до рассказа о ядрах комет. Процесс полной дезинтеграции ядра ученые могли изучать, наблюдая за пылевым шлейфом «комет» P/2013 P5 (PANSTARRS), P/2012 F5 (Gibbs) и P/2013 R3 (Catalina-PANSTARRS). И это далеко не полный список подобных объектов, конечно, не являющихся кометами в общем понимании этого слова, хотя и носящих кометные обозначения; все они – лишь результат космических катаклизмов.
А что же 133P/Elst-Pizarro? По всей видимости, это настоящая комета, но пребывавшая до определенной поры в «спячке». В 2013 году были получены детальные данные с инфракрасных космических телескопов Spitzer[19 - Spitzer Space Telescope (Космический телескоп «Спитцер») – космический телескоп NASA, предназначенный для наблюдения космоса в инфракрасном диапазоне. Запущен 25 августа 2003 г, научная миссия была завершена 30 января 2020 г.] и WISE[20 - WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer, «Широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь») – инфракрасный космический телескоп NASA, запущенный на околоземную орбиту 14 декабря 2009 г. Расширенная научная миссия по обнаружению малых тел Солнечной системы NEOWISE продлена как минимум до июня 2023 г.], показавшие, что активной областью ядра этой кометы является небольшое светлое образование, диаметром около двухсот метров. Скорее всего, это ударный кратер возрастом не более ста миллионов лет. Столкновение с небольшим телом «вскрыло» подповерхностный резервуар летучих веществ и оголило залежи поверхностного льда, ранее прикрытого слоем пыли. И эти источники кометной активности расходуются при каждом сближении кометы с Солнцем.
Настоящих комет третьего, самого крошечного обиталища, если брать их число в сравнении с количеством ледяных глыб пояса Койпера и облака Оорта – исчезающе мало. Но все же они есть, и от них уже нельзя просто отмахнуться. Возможно, именно эти тела все еще сохранили образцы первобытных летучих веществ планет земной группы, то, из чего когда-то сформировался первичный океан Земли. По последним данным, именно водяной лед подобных объектов максимально схож по своему изотопному составу с водой наших океанов, но более подробно я расскажу об этом в отдельной главе.
Эти объекты – память, естественный музей далекого прошлого четырех небольших каменных планет, на одной из которых мы живем. В 2025 году к комете 133P/Elst-Pizarro планировали отправить китайскую автоматическую межпланетную станцию «Тяньвэнь-2»[21 - «Тяньвэнь-2» – перспективная космическая миссия Китая для исследования околоземного астероида (469219) Kamo?oalewa, являющегося квази-спутником нашей планеты, с доставкой на Землю образцов его грунта и исследования кометы 311/P (PANSTARRS). Запуск запланирован на 2025 г., расчетная продолжительность миссии 10 лет.], которая должна будет выйти на ее орбиту и изучать уникальный объект на протяжении минимум года. В начале 2023 года Китайское национальное космическое управление (CNSA) изменило первоначальные планы, и теперь космический аппарат должен будет отправиться к «комете» 311/P (PANSTARRS), которую ранее мы знали как P/2013 P5 (PANSTARRS), – тому самому разрушившемуся астероиду, который я уже упоминал. Объяснений этой замены нет, но, скорее всего, она связана с оптимизацией полета – новая цель оказалась легче достижима. В целом, как мне кажется, это неравноценная замена, так как 311P не является кометой в полном смысле этого слова, и я очень надеюсь, что комета Главного пояса 133P/Elst-Pizarro все же будет изучена в будущем.
Теперь, когда мы разобрались с внешними границами Солнечной системы, давайте поговорим о том, как же кометы из главных резервуаров – облака Оорта и транснептунового пояса, – попадают во внутреннюю область нашей планетной системы, уменьшая свои перигелии[22 - Перигелий – ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты или иного небесного тела Солнечной системы.] в десятки миллионов раз! Кстати, теперь вы сами можете решить, покинула ли автоматическая межпланетная станция «Вояджер-1» пределы Солнечной системы, преодолев рубеж всего в 100 астрономических единиц, или все же нет?
Мы уже знаем, что в основном кометы обитают на окраине Солнечной системы, в облаке Оорта, вдали от испепеляющего жара нашей звезды, там, где температура не превышает 50 кельвинов[23 - Кельвин – единица температуры в Международной системе единиц (СИ). 50 кельвинов равно –223 градусам Цельсия.]. Но что же заставляет их изменить свою орбиту и отправиться навстречу Солнцу или же, наоборот, навсегда покинуть нашу планетную систему? Когда Ян Оорт писал свою фундаментальную статью, он предположил, что из хрупкого гравитационного равновесия ледяные тела может вывести воздействие близких звезд. Но Солнце находится в достаточно разреженном пространстве Галактики[24 - Галактика, или Млечный Путь – спиральная галактика с перемычкой (баром), которой принадлежит Солнце, содержит от 100 до 400 миллиардов звезд.]. В конце XX – начале XXI века, когда у астрономов появились новые, более полные и точные звездные каталоги, они смогли рассчитать, что за прошедший миллион лет Солнечная система сближалась всего с двенадцатью звездами до расстояния в один парсек[25 - Парсек – внесистемная единица измерения расстояний в астрономии, равная 3,2616 светового года.], причем две трети из этих звезд составляли красные и коричневые карлики, обладающие массой до половины солнечной. Такие сближения не могли вызвать «кометного цунами», ими нельзя объяснить наблюдаемое число долгопериодических комет во внутренней области Солнечной системы.
На протяжении тридцати лет этот вопрос оставался без ответа, пока в 1978 году не вышла научная статья немецкого астронома Людвига Бирмана «Плотные межзвездные облака и кометы». В своей работе ученый предположил, что гигантские молекулярные облака гравитационно воздействуют на кометы, которые все еще принадлежат Солнечной системе, то есть еще испытывают пусть и очень слабое, но все же доминирующее влияние гравитации Солнца. В таком состоянии слабого равновесия нужна совсем небольшая сила, чтобы изменить орбиту объекта и его дальнейшую судьбу. И эта сила, пусть и у разреженных, но поистине исполинских образований газа и пыли, есть, ведь их масса может достигать миллиона масс Солнца! Это была новая интересная идея, ведь до семидесятых годов XX века человечество ничего не знало о подобных структурах. В последующие годы эта теория прорабатывалась многими учеными, которые пришли к выводу, что случаи тесных сближений со «сгустками» или, как их называют астрономы, – ядрами гигантских молекулярных облаков, достаточно редки, а их общее воздействие на кометы облака Оорта примерно равно тому, что оказывают ближайшие звезды. Математические модели показывали, что оба этих сценария не объясняют наблюдательных данных. Нужно было искать что-то еще…
В 1983 году американский астрофизик Джон Бил, основным научным интересом которого была галактическая астрономия, опубликовал статью «Влияние галактических возмущений на околопараболические кометные орбиты», где впервые предположил, что гравитационно слабосвязанные кометные тела во внешних областях Солнечной системы могут испытывать приливное воздействие… Галактики. Вблизи Солнца это влияние пренебрежимо мало, и мы его даже не в силах зафиксировать. Для Земли оно составляет примерно одну триллионную солнечного приливного воздействия. Если приливное воздействие Луны на Землю поднимает уровень моря на полметра, то приливное воздействие Галактики – всего на 10 пикометров[26 - Пикометр – единица измерения длины в Международной системе единиц (СИ), равная одной триллионной части метра.], что меньше размера атома[27 - Самый маленький атом – это атом гелия, имеющий радиус 32 пикометра.]! Но это на дистанции в одну астрономическую единицу от нашей звезды, а на расстоянии в один световой год[28 - Световой год – единица измерения расстояния в астрономии, равная расстоянию, которое электромагнитные волны (свет) проходят в вакууме, не испытывая влияния гравитационных полей, за один юлианский год.] все совсем по-другому. В 1985 году Харрингтон и в 1986 году сам Бил установили, что главное возмущающее воздействие на кометы облака Оорта оказывает приливное влияние галактического диска. Все встало на свои места. Причем возмущающий импульс от галактических приливов способствует проникновению комет сквозь динамические барьеры Юпитера и Сатурна. Поэтому можно говорить, что большинство динамически новых комет, которые мы видим вблизи Солнца, посланы нам самой Галактикой!
В наибольшей степени воздействие извне влияет на внешнюю область облака Оорта. По расчетам ученых, за время существования облака оно могло потерять до 95 % своих тел. Астрономы предполагают, что существует работающий механизм, «подпитывающий» внешние области кометного облака объектами из его внутренней части. Как один из источников подобной «регенерации» рассматривался и захват межзвездных комет, но проведенные расчеты показали, что такой сценарий маловероятен.
Итак, в общих чертах я рассказал о том, как долгопериодические кометы попадают в ближайшие окрестности Солнца, а теперь предлагаю перейти к короткопериодическим кометам из транснептунового пояса.
Как мы уже знаем, в 1990-х годах начали массово открывать малые тела за орбитой Нептуна. В 1997 году американские астрономы Мартин Дункан и Гарольд Левисон предприняли попытку компьютерного моделирования орбитальной эволюции подобных объектов. Были взяты 2200 «виртуальных» тел, и смоделирована их история на протяжении миллиарда лет. Расчет показал, что большую часть времени, медленно дрейфуя во внутреннюю часть пояса Койпера, эти объекты находятся под гравитационным воздействием лишь одной планеты – Нептуна. При сближении с ним ледяные тела могут быть выброшены как вовне, так и внутрь Солнечной системы, при этом средний эксцентриситет орбиты остается умеренным и составляет 0,25. Дальше эти кометы ждет встреча с Юпитером и Сатурном, которые вновь «просеивают» их, выбрасывая часть объектов вовне. И лишь те, что минуют этот барьер, увеличивают эксцентриситет своей орбиты и получают шанс предстать перед глазами землян настоящей хвостатой кометой. На это у них уходит несколько тысяч лет. Юпитер и в меньшей степени Сатурн преобразуют их орбиты так, чтобы «контролировать» их афелии, которые лежат вблизи орбит этих гигантов. И вот около 30 % из тех объектов, которые отправились в путь из областей, расположенных далеко за орбитой Нептуна, становятся видимыми нам как короткопериодические кометы семейств Юпитера и Сатурна (часто эти семейства не разделяют, называя все эклиптические кометы семейством Юпитера). Расчеты показывают, что медианное время жизни подобных комет, – от их первого сближения с Нептуном до вылета в облако Оорта или же за пределы Солнечной системы, а порой и до столкновения с Солнцем или планетой, – составляет 45 миллионов лет.
Ученые пришли к выводу, что опубликованные модели эволюции «холодных», не наклоненных транснептуновых объектов и превращения их в короткопериодические кометы, обладают изъяном – в действительности мы наблюдаем больше подобных комет, чем может обеспечить «классический» пояс Койпера, а значит, есть и другие их источники. В 1983 году астрономы Хулио Анхель Фернандес, Винг Хуэн Ип и, в 1988 году, Майкл Торбетт предсказали существование рассеянного диска, населенного транснептуновыми объектами на сильно вытянутых орбитах, но все же гравитационно связанными со своим «пастухом» – Нептуном. Спустя год после первой статьи Дункан и Левисон публикуют ее логическое продолжение, рассматривая как источник эклиптических комет полностью гипотетический на тот момент рассеянный диск. (Первый подобный объект – 1996 TL66, откроют спустя несколько месяцев после выхода их статьи.) Астрономы предположили, что, хотя объекты рассеянного диска обладают сильно вытянутыми орбитами, но при прохождении определенных перигелиев они все еще могут испытывать достаточно сильное влияние Нептуна и быть захваченными в цикличный процесс смены орбитальных резонансов (3:13, 4:7, 3:5), который в итоге может привести их на классическую орбиту комет семейства Юпитера. Расчеты показали, что для согласования с наблюдательными данными таких объектов может быть в тысячу раз меньше, чем в модели классического пояса Койпера. Число тел диаметром более километра оценивается от 2 до 6 миллиардов – это вполне достаточный источник даже при том, что медианное время жизни подобных объектов на нестабильных орбитах значительно уступает срокам спокойной и размеренной жизни «холодных» транснептуновых объектов. В 2004 году итальянский астроном Алессандро Морбиделли и его американский коллега Майкл Браун опубликовали еще одну фундаментальную статью «Пояс Койпера и первичная эволюция Солнечной системы», в которой они также пришли к выводу, что основным источником комет семейства Юпитера и кентавров является именно рассеянный диск.
Помимо комет семейств планет-гигантов, выделяют интересное семейство Энке, названное в честь первой подобной кометы – 2P/Encke. Можно сказать, что это «сверхкороткопериодические» кометы, орбиты которых полностью лежат внутри орбиты Юпитера. Подобных тел немного: пока их известно около семи десятков. К этому же типу объектов можно отнести и некоторые астероиды, которые с большой вероятностью могут оказаться не чем иным как неактивными ядрами уже мертвых комет. Многочисленные расчеты показали, что по законам небесной механики выход на подобные орбиты невозможен под действием только лишь гравитационных сил. Для этого требуются значительные негравитационные силы, вызванные активностью самой кометы.
Пока не решен вопрос, откуда берутся кометы, подобные великой комете Галлея. Считается, что дополнительным источником таких комет может быть внутренняя область облака Оорта, но имеющиеся модели противоречивы и не дают полного объяснения этого процесса. К примеру, неясно, как эти объекты выходят на ретроградные орбиты[29 - Ретроградное движение – движение в направлении, противоположном направлению прямого движения. Для Солнечной системы это обращение вокруг ее барицентра по часовой стрелке, в отличие от всех планет и большей части малых тел.], подобные той, на которой находится сама комета Галлея. Компьютерное моделирование показало, что лишь небольшая часть таких комет может приходить из транснептуновой области, а значит, где-то есть их источник, который должен быть достаточно «плоским», хотя само облако Оорта считается почти сферическим. Возможно, домом этих комет может являться то самое гипотетическое тороидальное облако Хиллса, о котором мы уже говорили. Но пока у ученых нет понимания процессов миграции населяющих его тел во внутреннюю часть Солнечной системы, которая все еще хранит огромное число загадок и тайн для будущих пытливых исследователей!
II. Как изучают кометы
Я уже рассказал о том, где живут кометы и откуда прилетают, а в следующей главе мы поговорили об их природе – что они представляют собой на самом деле. А сейчас самое время рассказать о длинном и тернистом пути их познания и изучения. Человечество на всем протяжении задокументированной истории уделяло кометам особое внимание и приписывало им важную роль. Тысячелетиями люди ассоциировали эти небесные тела с грядущими войнами и смертями, и во многом благодаря подобной дурной славе мы знаем так много исторических, а не чисто астрономических записей наблюдения комет. Я начну свой рассказ с древних времен, когда над египетской пустыней возвышались еще белоснежные пирамиды…
В Древнем Египте астрономии придавали огромное значение. Египетские жрецы были одними из первых астрономов-наблюдателей. Они не знали «почему», они знали лишь, что так должно происходить. Когда на небе впервые замечали яркий Сириус – приходило время разлива Нила, земного отражения небесной реки Млечного Пути. С созвездиями, звездами и планетами самым тесным образом был связан как религиозный, так и сельскохозяйственный календарь. Египтяне уже знали пять планет, и именно эти знания об их движении в Древнюю Грецию привез Евдокс Книдский. И конечно же они видели странные звезды, иногда появляющиеся на небе. Одним из документальных подтверждений этому являются иероглифические надписи внутри пирамиды фараона VI династии Древнего Царства Пепи (Пиопи) II. В загробный мир его ведет именно «длинноволосая звезда». Примечательно, что сейчас мы знаем имя его проводника – с большой долей вероятности это была знаменитая комета Хейла – Боппа, открытая в 1995 году. Вот такая завораживающая связь времен! Многие из нас видели эту космическую странницу на весеннем небе в 1997 году, а в прошлое появление ее наблюдали древние египтяне, жизнь которых давно превратилась для нас в мифы и легенды. Это, кстати, один из первых документально подтвержденных примеров наблюдения комет в истории человечества.
Отдельный вопрос, на который пока нет точного ответа, какие из документально подтвержденных наблюдений считать самыми первыми. В конце XVIII века Александр Гуа Пингре писал, что первое подобное наблюдение состоялось в 2349 году до нашей эры. Клим Иванович Чурюмов в своей книге «Кометы и их наблюдение» приводит данные Уильяма Уистона, опубликованные в том же веке, о том, что одно из первых документально подтвержденных наблюдений комет датируется 2296 годом до нашей эры. Более современные исследования середины прошлого века, проведенные Балдетом, говорят, что первой может быть комета 2315 года до нашей эры. В целом все эти кометы можно считать в большей степени мифическими. Возможно, первые документально подтвержденные наблюдения косматых странников записаны на древневавилонских каменных табличках, хранящихся сейчас в Британском музее, и рассказывающих о комете 674 года до нашей эры. Как раз в этом веке, хотя и немного позже, начинается регулярная регистрация новых комет древнекитайскими астрономами, которые внесли неоценимый, я бы сказал недооцененный, вклад в изучение этих объектов. Итак, достоверно известно, что до нас дошли записи об исторических наблюдениях с VII века до нашей эры из Вавилона и Китая. Записи китайских астрономов поражают своей обширностью: на регулярной основе они велись до XVII века нашей эры и содержат данные о более чем трехстах кометах! Древние китайцы называли кометы «звездами-метлами» (хуэй син) и, как и прочие народы, считали их плохим предзнаменованием. Кстати, именно китайские наблюдатели комет одними из первых подметили, что хвост-метла всегда направлен в противоположную от Солнца сторону, хотя дальнейшего развития эта идея не получила. В одном из ранних документов, относящемся к 612 году до нашей эры, возможно, описана самая известная из всех косматых странниц – комета Галлея. Хотя, скорее всего, это неверная привязка, так как комета должна была пройти свой перигелий несколькими годами ранее. Зато мы знаем точно, что древнекитайские астрономы фиксировали все появления этой кометы с 240 года до нашей эры вплоть до 1607 года, на закате эпохи Мин – более 1300 лет! Их европейские коллеги впервые увидят эту комету или, что более вероятно, задокументируют свои наблюдения, значительно позже – лишь в 66 году нашей эры. Первые упоминания о кометах в русских летописях датируются 912 годом (Лаврентьевская летопись), и это была та же самая комета Галлея. Безусловно она заслуживает отдельного рассказа, ведь именно она перевернула многие наши представления о подобных космических странниках.
А пока на дворе IV век до нашей эры и в науке о кометах доминирует непререкаемое мнение великого Аристотеля, учителя самого Александра Македонского, о том, что кометы не более чем атмосферные испарения, поднимающиеся в область небесного огня и горящие там гигантскими факелами, видимыми по всей Земле. То есть он не причислял кометы к объектам космоса, равным планетам и звездам. Непререкаемый авторитет ученого пагубно повлиял на процесс изучения комет, который стагнировал. Даже создатель великого астрономического научного труда – «Альмагеста» – Клавдий Птолемей не уделил кометам никакого внимания, полагаясь на то, что эта тема уже полностью раскрыта. Кометы все также оставались «сигнальными кострами», зажигаемыми богами. И люди, хотевшие в это верить, трактовали эти знаки так, как им было нужно. Комета 371 года до нашей эры, нависшая над спящими военными лагерями Фив и Спарты, ознаменовала победу первых в битве при Левктрах и забвение вторых. Кстати, эта комета могла относиться к семейству околосолнечных комет, о которых мы поговорим в отдельной главе.
Кометы не только «предвещали» войны, смерть и вселенский мор, они являлись знаками для властителей судеб. По их цвету и форме ученые мужи, жрецы и неравнодушные граждане строили свои предсказания будущего. Особо в этом деле преуспел Плиний Старший[30 - Гай Плиний Секунд (22–24 гг. н. э. – 24 или 25 августа 79 г. н. э.) – древнеримский писатель и ученый, автор труда «Естественная история». – Прим. ред.], который классифицировал все кометы по двенадцати типам, где они представлялись в виде сабель, дротиков и копий, бородатыми, косматыми и даже в виде лошадиной гривы. Некоторые ученые считали, что кометы – это рой близких звезд, огонь которых соединен воедино. Весной 44 года нашей эры, сразу после мартовских ид[31 - Иды (лат. Idus, от этрусск. iduare, «делить») – в римском календаре так назывался день в середине месяца. На 15-й день месяца иды приходятся в марте, мае, июле и октябре; на 13-й – в остальных восьми месяцах.], на которых был жестоко убит Гай Юлий Цезарь, на небе в течение недели горела комета, которую посчитали чудесным явлением убитого императора, истинно взошедшего на небеса, к звездам и богам. Это событие спешно увековечили в статуе. Спустя шестнадцать лет, в 60 году, над Землей снова вспыхнул хвост кометы, и римляне решили, что это нехороший знак для ненавистного многим императора Нерона. Тот, услышав подобную молву, решил по-своему обмануть судьбу – просто уничтожить всех тех, кто, по его мнению, мог быть причастным к его свержению и убийству. Комета летела высоко в небесах, а на Земле лилась кровь. И так в истории человечества будет происходить не единожды.
На изломе тысячелетий начали появляться светлые умы, которые не хотели слепо верить тому, что, казалось бы, давно объяснено. Древнеримский философ, поэт и государственный деятель Луций Анней Сенека, помимо всего прочего, устремил свой ищущий взгляд и на кометы. В своей седьмой книге «О природе» он поднимает вопросы, которые на столетия опередят свое время. Сенека вполне резонно замечает, что кометы не «висят» на одном и том же месте над головой, а, как и ночные светила, восходят и заходят. Он революционно заявляет, что для разгадки тайны этих объектов необходимо собрать все сведения о прежних их появлениях: быть может, часть из них мы уже видели ранее, а тогда их природа более подобна планетам, обращающимся по своим орбитам вокруг неподвижной земной тверди. Он не признает идею Аристотеля, умело аргументируя свои возражения признанному столпу науки. К примеру, в 146 году до нашей эры, незадолго до Ахейской войны, которая поставила точку в независимости Греции, и та была полностью подчинена великому Риму, на небе вновь пылала комета, «не уступавшая в размерах Солнцу». Но сколько же нужно соединить звезд, чтобы превзойти само Солнце? – резонно вопрошал Сенека. Теория и наблюдательная практика явно не согласовывались между собой и, конечно, это видел не он один. Артемидор из Эфеса и Аполлоний из Минда также считали, что каждая из комет есть планета, но видимая только небольшую часть времени, так как в остальное время «свет их темен», либо же мы можем видеть эти объекты лишь в определенных крайних точках их орбит. Человеческая мысль шла вперед, но понадобится еще полторы тысячи лет, чтобы люди наконец-то раскрыли тайну комет.
А мы, пропустив Темные века, переносимся в эпоху Возрождения. 1577 год. Известный астроном и астролог Тихо Браге приступает к возведению своей обсерватории «Ураниборг» («Замок Урании[32 - Урания (др. – греч. ???????, лат. Urania, Uranie) – муза астрономии в древнегреческой мифологии. Дочь Зевса и Мнемозины, рождена в Пиерии.]») на пожалованном ему королем Фредериком II в вечное пользование острове Вен, что лежит в двадцати километрах от Копенгагена. Осень украшена потрясающим зрелищем – Великой кометой 1577 года[33 - Великая комета 1577 года (С/1577 V1) – яркая долгопериодическая комета, по некоторым данным достигшая яркости –7
, хвост которой простирался более чем на 60 градусов.], и Браге начинает наблюдения этой небесной гостьи. В немецком Граце комету наблюдает и шестилетний Иоганн Кеплер, держа за руку свою маму. Они еще поработают вместе, полностью и окончательно перевернув знания человечества о Солнечной системе, но это будет нескоро. А пока Браге педантично записывает данные о положении кометы на протяжении семидесяти четырех дней. Собрав все записи воедино, как свои, так и астронома Тадеаша Гаека[34 - Тадеаш Гаек (чеш. Tadeа? Hаjek, 1525–1600) – чешский астроном, алхимик и астролог, личный врач императора Рудольфа II. Один из сторонников системы мира Коперника. Основатель меридианной астрономии.] из Праги, и убедившись в отсутствии значимого параллакса[35 - Параллакс – изменение видимого положения объекта относительно бесконечно удаленного фона в зависимости от положения наблюдателя.] наблюдений, который присутствовал даже при наблюдениях Луны, Тихо Браге делает вывод – кометы не могут являться образованиями в атмосфере Земли, они находятся далеко, много дальше Луны, там, где обращаются планеты.
Да, говоря об открытии Браге, стоит упомянуть и другого астронома – Иоганна Мюллера[36 - Иоганн Мюллер (нем. Johannes M?ller, 1436–1476) – выдающийся немецкий астроном, математик и астролог. Имя Региомонтан (лат. Regiomontanus) образовано от латинизированного названия родного города ученого (лат. Regiomontium = нем. K?nigsberg).], более известного как Региомонтан. За сто лет до описываемых событий он следил за движением Великой кометы 1472 года, аккуратно зарисовывая ее положение относительно звезд и отмечая изменения направления ее хвоста. К сожалению, он так и не понял причин изменения его ориентации, всегда направленной против Солнца, и не довел свои исследования движения комет до конца, скончавшись в возрасте сорока лет. Открытие космической природы комет откладывалось еще на сто лет.
Но вернемся к Тихо Браге, который до конца отстаивал геоцентрическую модель мира, отрицая гелиоцентрическую систему Николая Коперника[37 - Николай Коперник (польск. Mikolaj Kopernik, нем. Niklas Koppernigk; 1473–1543) – польский и немецкий астроном, математик, механик. Наиболее известен как автор фундаментального научного труда «О вращении небесных сфер» и гелиоцентрической системы мира, положившей начало первой научной революции.], хотя, казалось бы, у него на руках были неопровержимые наблюдательные данные. При этом он твердо стоял за право комет быть космическими жителями нашей планетной системы. В научном мире все еще главенствовал постулат великого Аристотеля, казавшийся незыблемым на протяжении стольких веков! Даже Галилео Галилей[38 - Галилео Галилей (итал. Galileo Galilei; 1564–1642) – итальянский физик, механик, астроном, философ, математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Стал первым ученым, который начал использовать зрительные трубы для изучения космических объектов. Сторонник гелиоцентрической модели мира.] не смог принять революционного открытия датского астронома, объяснив отсутствие параллакса тем, что кометы есть оптический эффект, иллюзия, а у подобных «нефизических» объектов не может быть и параллакса. Да, печальный пример Джордано Бруно[39 - Джордано Бруно (итал. Giordano Bruno; 1548–1600) – итальянский католический священник, монах-доминиканец, философ-пантеист и поэт, активный сторонник гелиоцентрической модели Коперника и теории бесконечности Вселенной. Признан инквизиционным трибуналом «нераскаявшимся, упорным и непреклонным еретиком» и сожжен на костре 17 февраля 1600 г.], взошедшего на костер на площади Цветов в Риме, хорошо отрезвлял. И все же авторитета Тихо Браге хватило, чтобы постепенно сломать прежнее, уже окаменелое, представление о кометах как огнях в небесах. Их признали полноправными жителями космического пространства, и уже совсем скоро люди научатся определять и их кеплеровы орбиты[40 - Кеплерова орбита – путь движения одного тела относительно другого в виде эллипса, параболы или гиперболы, описывается шестью элементами орбиты, определяющими положение небесного тела в пространстве в задаче двух тел.].
На протяжении десяти лет, с 1609 по 1619 год, преемник великого Тихо Браге – Иоганн Кеплер – публикует эмпирически выведенные им на основе наблюдений Тихо законы, но на гелиоцентрическую систему мира пока наложено табу. В 1664 году была открыта первая Великая комета эпохи Просвещения – C/1664 W1, или Великая комета 1665 года. Только представьте себе список ученых, которые наблюдали ее: Исаак Ньютон, Эдмунд Галлей, Роберт Гук, Ян Гевелий, Джованни Кассини. Ее яркость и внешний вид будоражат всех – от простого горожанина до «короля-солнца»[41 - Людовик XIV де Бурбон, «король-солнце» (фр. Louis XIV Le Roi Soleil) – король Франции и Наварры с 1643 по 1715 гг. Один из самых влиятельных монархов Франции за всю историю, сторонник абсолютизма. – Прим. ред.]. Кстати, именно эта комета побудила будущего отца классической механики, который наблюдал ее будучи студентом Кембриджа, увлечься астрономией. Конечно, и эта «хвостатая» была уличена в появлении Великой эпидемии чумы в Лондоне и, чтобы два раза не ходить, – еще и в Великом пожаре следующего года. Король Португалии Афонсу VI, посчитавший, что комета грозит лично ему, даже пытался стрелять в нее из пистолета. Интерес к кометам был, и был он огромным. Дошло до того, что король Франции Людовик XIV созывает в Париже первое в истории собрание ученых, посвященное кометам, чтобы те наконец-то объяснили, что же это за объекты. До понимания их физической природы было еще далеко, но астрономы уже склонялись к тому, что, скорее всего, это тела, пересекающие Солнечную систему по незамкнутым параболическим траекториям.
Великая комета 1664 года
В 1665 году маленькому мальчику Эдмунду Галлею еще девять лет, но именно он внесет неоценимый и революционный вклад в исследования комет. Спустя двенадцать лет, будучи студентом третьего курса Оксфорда, Галлей публикует научную работу «Об орбитах планет» и отправляется на остров Святой Елены для изучения южного неба. Результатом этой работы станет публикация «Каталога южного неба» в 1679 году, после чего Галлей переключится на новую задачу – исследование силы, которая управляет движением планет. В 1680 году германский астроном Готфрид Кирх впервые открывает комету с помощью нового научного инструмента – телескопа. Именно на этой комете Ньютон будет оттачивать свои расчеты. В 1682 году на небе загорается новая яркая странница, и Галлей берется за определение ее орбиты, но сталкивается с трудностями и обращается к Ньютону, зная, что тот уже долгое время работает над этой задачей, но не рассказывает о своих научных результатах. Именно по просьбе Галлея в ноябре 1684 года Ньютон публикует научный трактат «О движении», который станет предтечей его революционной работы «Математические начала натуральной философии» 1687 года. В этой работе Исаак Ньютон постулирует свой закон Всемирного тяготения – фундаментальный закон классической механики, который провозглашает приход нового, гелиоцентрического миропорядка. Но давайте вернемся к Галлею…
Эдмунд Галлей
Вооружившись новейшим математическим аппаратом Ньютона и архивными наблюдательными данными с 1337 по 1698 год, в том числе и наблюдениями Тихо Браге, Эдмунд садится за определение орбит двадцати четырех комет, по которым собраны длинные ряды измерений. После долгой работы, в 1705 году, он публикует фундаментальный труд «Краткий обзор астрономии комет», главной целью которого считает подтверждение закона всемирного тяготения, а также проверку гипотезы Ньютона, что кометы совершают обращение вокруг Солнца по чрезвычайно вытянутым, но все же замкнутым эллиптическим орбитам. Именно в этой работе он впервые отмечает, что орбиты комет 1531, 1607 и 1682 годов очень схожи между собой и все их измерения можно объединить в одну общую орбиту со средним периодом обращения вокруг Солнца равным 75,5 года! А зная период обращения, опять же по закону Ньютона можно легко определить большую полуось орбиты и ее эксцентриситет. И эти параметры с большой точностью совпадают с современными расчетами на эпоху 1682 года. Вот так кометы из бездомных странников превратились в жителей Солнечной системы. Выполнив расчеты с учетом простейшего возмущения кометной орбиты гравитацией Юпитера и Сатурна, Галлей предположил, что в следующий раз небесная странница 1682 года должна прилететь в 1758 году.
Сам Эдмунд Галлей, хотя и прожил долгую и насыщенную жизнь, так и не увидел триумфального возвращения кометы, которая пока еще не носила его имени – он скончался в 1742 году, в возрасте восьмидесяти пяти лет. Шли годы – и вот время настало! Астрономы внимательно следили за небом в ожидании возвращения уже знаменитой кометы. Этим занимался и молодой Шарль Мессье, о котором я еще обязательно расскажу отдельно. Прошло лето, а за ним осень – кометы не было. Неужели ошибка и крушение такой стройной и элегантной теории? За расчеты садятся французские математики и астрономы: Алексис Клод Клеро, Жозеф Жером Лефрансуа де Лаланд и первая французская женщина-математик – Николь-Рейн Лепот. Плодом их титанических усилий станет уточнение орбиты кометы и расчетов даты прохождения перигелия – при более точном учете гравитационных возмущений дата сдвигалась на 13 апреля 1759 года. Комета должна была прилететь, но немного «запаздывала» относительно расчетов самого Галлея. Но все же она будет открыта в 1758 году, точно в канун католического Рождества. И сделает это немецкий астроном-любитель Иоганн Георг Палич[42 - Иоганн Георг Палич (нем. Johann Georg Palitzsch; 1723–1788) – немецкий естествоиспытатель, астроном-любитель, первым переоткрывший комету Галлея в 1758 г. Помимо этого, занимался наблюдением переменных звезд. В его честь назван один из лунных кратеров и астероид (11970) Palitzsch.]. Комета пройдет перигелий 13 марта 1759 года – французские ученые ошибутся всего на месяц. И в том же году французский астроном Никола-Луи де Лакайль впервые назовет эту комету именем Галлея. А годом позже Алекси Клеро опишет свои методы расчета движения комет (эфемериды) и приближенного решения задачи трех тел в научном труде «Теория комет».
В следующий раз комету ожидали в 1835 году. Более точные расчеты немецкого астронома Отто Августа Розенбергера, учитывающие гравитационные возмущения от открытой к тому времени планеты Уран[43 - Уран – седьмая планета Солнечной системы, третья по диаметру и четвертая по массе. Открыта в 1781 г. английским астрономом Уильямом Гершелем и названа в честь греческого бога неба Урана.], дали ошибку определения даты прохождения перигелия всего в четверо суток. А первое прохождение перигелия в XX веке, намеченное на 20 апреля 1910 года, было с высокой точностью предсказано в 1907 году английскими астрономами Филипом Гербертом Коуэллсом и Эндрю Клодом де ля Шеруа Кроммелином с помощью новейшего математического аппарата – численных методов интегрирования движения небесных тел, основные принципы которого современные астрономы используют и по сей день. В этих расчетах, разумеется, учитывались все восемь[44 - Планета Нептун открыта 23 сентября 1846 г. Восьмая и самая дальняя от Солнца планета Солнечной системы, четвертая по диаметру и третья по массе.] планет Солнечной системы, о которых мы знаем. По иронии судьбы, планета Нептун также была открыта благодаря математическим расчетам. В начале XX века ученым наконец-то удалось «связать» воедино все разрозненные наблюдения кометы Галлея начиная с 240 года до нашей эры, тем самым ее наблюдательная дуга превысила 2200 лет! Последний перигелий комета Галлея прошла 8 февраля 1986 года. Именно тогда, впервые в истории человечества, комету изучали несколько космических аппаратов, выводя исследования космических странников Солнечной системы на абсолютно новый уровень. Об этом мы поговорим в конце главы, а пока давайте вернемся на Землю.
На протяжении тысячелетий люди наблюдали кометы визуально, сначала используя лишь зрение, а позже применяя оптические инструменты, которые расширили наши возможности. В 1680 году впервые была открыта комета с помощью телескопа – комета Кирха или, как ее еще называли, комета Ньютона. А спустя 178 лет, в сентябре 1858 года, комету впервые запечатлели на фотографии. Это стало началом новой эры изучения хвостатых странниц – фотографического наблюдения и исследования. Первой в истории космической фотомоделью стала комета Донати (C/1858 L1), открытая итальянским астрономом Джованни Баттиста Донати 2 июня 1858 года. Ее семисекундный снимок был получен 27 сентября в Уолтоне-на-Холме английским фотографом-портретистом Уильямом Ашервудом с помощью объектива диаметром 82 мм и фокусным расстоянием 305 мм. К сожалению, эта историческая фотография не сохранилась. А первую фотографию, полученную через телескоп, сделал на следующую ночь американский астроном Джордж Филлипс Бонд в обсерватории Гарвардского колледжа. Это был тот самый ученый, который получил первую фотографию звезды – ею стала Вега – и первый фотоснимок двойной звезды – известного всем Мицара из ручки Ковша Большой Медведицы. С этого момента все яркие кометы, появлявшиеся на земном небе, активно фотографировали, и ученые уже могли скрупулезно изучать морфологию как головы кометы, так и ее хвостов.
Как раз в 1858 году выдающийся российский астроном Федор Александрович Бредихин занялся исследованием строения хвостов комет. Немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель первым сделал вывод о том, что динамика частиц кометного хвоста вызвана отталкивающими силами, исходящими от Солнца и изменяющимися обратно пропорционально квадрату гелиоцентрического расстояния[45 - Гелиоцентрическое расстояние – расстояние от небесного тела (планеты, кометы, астероида и др.) до центра Солнца.]. Опираясь на его труды по исследованию хвоста кометы Галлея при ее появлении в 1835 году, Бредихин создал максимально точную на то время «механическую теорию кометных форм». Его математическая модель позволила описать поведение вещества – малых пылевых частичек – как в голове кометы, так и внутри ее хвоста. Пыль, выброшенная из ядра кометы, начинает двигаться не только под действием притяжения к Солнцу, но и отталкиваясь от него вследствие давления солнечного света. Что же касается газового или, как его еще называют, ионного хвоста кометы, который «развевается» в потоке солнечного ветра, то до открытия этого плазменного эффекта и даже появления самого термина «солнечный ветер», введенного американским астрофизиком Юджином Паркером, оставалось еще сто лет. В 1877 году в свет вышла классификация кометных хвостов, в которой Бредихин изначально разделил их на три типа: прямолинейные, в виде изогнутого конуса и короткие прямые хвосты. В 1884 году он добавил и четвертый тип – аномальный хвост, направленный к Солнцу. Но более подробно об украшениях комет – их хвостах, а также структуре их ядер, газово-пылевой оболочке и физических свойствах мы поговорим в следующей главе, а здесь продолжим повествование о развитии наших знаний о кометах.
Итак, первые фотоснимки комет были получены; следующим этапом стали спектроскопические исследования. Ими занялся все тот же астроном, в честь которого была названа первая сфотографированная комета – Джованни Донати. Идея одновременной регистрации всей ширины электромагнитного спектра была реализована немецким ученым Йозефом Фраунгофером еще в начале XIX века. В его первом приборе – спектроскопе – луч света, прошедший через специальные щели и линзы, превращался в узкий пучок параллельных лучей, которые, падая на призму, расщеплялись, и волны разной длины отклонялись на разные углы. Изображение наблюдали через специальную трубку с нанесенной на нее шкалой для измерений. Изобретение фотографии многое поменяло не только в повседневной жизни, но и в различных областях науки. Вместо трубки стали использовать фотокамеру, и спектры стали проецировать на фотопластинку для их дальнейшего анализа.
В 1862 году Донати опубликовал работу о возможности определения физических свойств звезд по их спектрам. А в 1864 году ученый, уже имевший опыт получения спектров Солнца и ярких звезд, впервые провел спектроскопические наблюдения яркой кометы C/1864 N1 (Tempel), или 1864 II по старой номенклатуре. Заметим, что спектроскопические измерения голов комет отличаются от исследования звезд. В большей степени газово-пылевые оболочки комет «светят» отраженным солнечным светом, то есть их спектр ничего не говорит нам о химических элементах в составе головы кометы. Чем активнее комета, тем выше вероятность зафиксировать эмиссионные линии – линии излучения веществ, входящих в состав окружающей ядро газово-пылевой оболочки. Но состав самого ядра все равно от нас скрыт.
Донати повезло: на фоне отраженного солнечного спектра он увидел несколько эмиссионных линий, хотя и не смог их идентифицировать. Спустя четыре года ему помог с этим английский астроном-любитель Уильям Хаггинс, первым установивший, что это свечение принадлежит молекулам двухатомного углерода (C
). В 1881 году уже сам Хаггинс, который построил частную обсерваторию и всерьез занялся новым направлением в астрономии, с помощью щелевого спектрографа обнаружил эмиссионные линии активного радикала циана CN, а также молекулы трехатомного углерода (C
) в газово-пылевой оболочке кометы Теббатта (C/1881 K1), или Великой кометы 1881 года. Независимо ее спектр изучал и другой гениальный самоучка – американский врач и астроном-любитель Генри Дрейпер (Дрэпер). Кстати, именно он получил первый широкоугольный снимок кометного хвоста. Спектроскопия комет стала научной обыденностью, но продолжила совершенствоваться.
Наступил XX век. В 1909 году мир ждал нового пролета кометы Галлея. Во-первых, это было ее первым появлением с момента изобретения фотографии, а во-вторых, ученые уже были вооружены и другим научным новшеством – спектроскопией. Комета была обнаружена, или, как говорят астрономы, переоткрыта, 11 сентября 1909 года немецким астрономом Максимилианом Вольфом в Гейдельбергской обсерватории с помощью 72-сантиметрового телескопа-рефлектора как объект 16–17 звездной величины. 20 апреля 1910 года она прошла перигелий, а 18 мая ее ядро оказалось точно на фоне диска Солнца. В этот момент Земля погрузилась в ее протяженный хвост, из-за чего, конечно же, началась паника, но об этом я более подробно расскажу в другой главе. За этим историческим транзитом следили многие обсерватории по всему миру, в том числе и в Москве. Наблюдения проводили Витольд Карлович Цераский и Павел Карлович Штернберг. Они не смогли, как и их зарубежные коллеги, зафиксировать ядро кометы и на основании этого дали верхнюю оценку диаметра ядра – не более двадцати километров, что подтвердилось при следующем пролете кометы в 1986 году.
Комета Донати
В ходе сближения кометы Галлея с Землей в 1910 году было получено свыше полутысячи фотоснимков и около сотни спектрограмм. В ее хвосте были обнаружены смертельно опасные для человека циан (C
N
) и угарный газ (CO). Конечно, вещество в хвосте кометы настолько разрежено, что оно не могло нанести вреда нашей планете и ее населению. Накопленные научные данные позволили немецкому астроному и физику Карлу Шварцшильду и химику Ричарду Крону в 1911 году понять механизм свечения кометных молекул, а советскому астроному Сергею Владимировичу Орлову, внесшему большой вклад в исследования комет, создать теорию формирования и эволюции кометных голов.
В 1930-х годах советский астроном и известный исследователь комет Сергей Константинович Всехсвятский, автор фундаментального научного труда «Физические характеристики комет», пытается развить гипотезу французского математика и астронома Жозефа-Луи Лагранжа, предложенную им еще в 1812 году, говорящую о том, что кометы – это выбросы вещества с поверхности планет и спутников. Но это был ошибочный путь. В начале 1940-х годов советский ученый Отто Юльевич Шмидт предлагает новую концепцию формирования планетных систем – из протопланетного диска путем аккумуляции (объединения) малых тел. Эта теория впервые объяснила деление планет Солнечной системы по массе и химическому составу, а позже была дополнена теорией гравитационной аккреции вещества.
Комета Галлея в 1910 году
Начало 1950-х годов выдалось революционным в области изучения комет. В 1950 году американский астроном Фред Лоуренс Уиппл[46 - Фред Лоуренс Уиппл (англ. Fred Lawrence Whipple, 1906–2004) – американский астроном, исследователь комет, метеоров, планетарных туманностей, проблем эволюции звезд и Солнечной системы. Открыл 6 комет.] в серии статей предлагает общепринятую теперь концепцию строения кометных ядер: они состоят из смеси льдов (замороженных летучих веществ) и тугоплавкого каменистого метеоритного вещества. Данная теория «грязного снежка» была подтверждена космическими миссиями, о которых я расскажу совсем скоро, а о теории формирования кометных ядер мы поговорим уже в следующей главе. В том же переломном для наших знаний о кометах году Ян Оорт предлагает научному миру свое видение основного источника долгопериодических комет, о чем мы уже подробно говорили в первой главе. Спустя год немецкий астроном Людвиг Бирман впервые дает верное объяснение динамики плазменных кометных хвостов, изменения в которых вызваны взаимодействием с потоком заряженных частиц, исходящих от Солнца – с еще не открытым тогда солнечным ветром.
На протяжении столетий кометы наблюдали в видимой области электромагнитного спектра, а во второй половине XX века ученые наконец-то смогли изучать кометы и в других диапазонах длин волн. В 1973 году были предприняты первые попытки зафиксировать радиоизлучение комет. Для этой цели выбрали потенциальную «комету столетия» – C/1973 E1 (Kohoutek)[47 - Долгопериодическая комета, открытая чешским астрономом Лубошем Кохоутеком 7 марта 1973 г. в Гамбургской обсерватории (Германия).], которая, правда, как это часто бывает с косматыми странниками, не оправдала возложенных на нее надежд. Радионаблюдения комет в непрерывном спектре могут дать уникальную информацию о внутренней коме, а оптические и спектральные данные, наоборот, о внешней составляющей головы кометы и ее хвосте. Радиоизлучение впервые наблюдали в декабре 1973 года на волне длиной 1,4 мм и в январе 1974 года на волне 3,71 см. Источником этого излучения считается облако ледяных частичек, находящееся в непосредственной близости от кометного ядра; размер облака оценивается в 850 километров. Но никакого точечного источника зафиксировано не было. Также не удалось получить отраженный сигнал (эхо) от ядра кометы в ходе ее радиолокации с помощью 37-метрового радиотелескопа Хэйстэк (Вестфорд, Массачусетс). Негативный результат в науке тоже важен; в данном случае он позволил сделать верхнюю оценку размера ядра кометы – не более 2,1 километра.
Комета Кохоутека
С другой стороны, беспрецедентные мультиспектральные наблюдения кометы Кохоутека, самой «наблюдаемой» до возвращения кометы Галлея в 1986 году, дали ученым новые знания. Впервые в кометах были обнаружены метилцианид, цианистый водород и кремний, а также наконец-то можно было утверждать, что в их составе присутствует вода. Обобщенный анализ данных показал состоятельность модели «грязного снежка» Уиппла, а идея «песчаной отмели», которую параллельно развивал британский астроном Реймонд Литлтон, представлявший ядро кометы как рыхлые, слабосвязанные между собой скопления частиц пыли с незначительным количеством льда, ушла с научной сцены и была забыта.
Начало 1980-х годов ознаменовалось подготовкой человечества к юбилейному, тридцатому визиту кометы Галлея. И в этот раз ее появление зафиксировали уже не на фотопленку, а на сверхсовременный тип детектора – прибор с зарядовой связью (ПЗС). Переоткрыли комету 16 октября 1982 года американские астрономы Дэвид Джуитт и Эдвард Дэниелсон на цифровых снимках с 5,1-метрового телескопа «Хейл» (Маунт Паломар, Калифорния, США). Пролет 1986 года стал поистине вехой в принципиально новом направлении исследования комет – в непосредственной близости (in situ), из космоса. Да, комета Галлея не стала первым объектом, который наблюдали вне пределов земной атмосферы. Первой стала комета C/1969 T1 (Tago-Sato-Kosaka), которую наблюдала «Орбитальная астрономическая обсерватория 2» (ОАО-2): вторая из серии космических обсерваторий-спутников, позволявших проводить наблюдения в ультрафиолетовой, рентгеновской и гамма-областях электромагнитного излучения, которые не пропускает земная атмосфера. Для изучения Вселенной было необходимо вынести детекторы в космос. Первый спутник ОАО-1, запущенный 8 апреля 1966 года, проработал всего три дня, после чего связь с ним была утеряна. А вот второй аппарат, который отправился в космос 7 декабря 1968 года, помог ученым сделать новые потрясающие открытия, в том числе и о кометах.
В 1960-х годах высказывалось предположение, что головы комет могут быть окружены исполинскими облаками водорода, которые можно зафиксировать на волне 121,5 нанометра (?-линия Лаймана), но подтвердить или опровергнуть эту идею можно было лишь с использованием ультрафиолетового телескопа. Ответить на этот вопрос удалось 14 января 1970 года. Область рассеянного свечения обнаруженного водородного облака кометы C/1969 T1 простиралась на 800 тысяч километров. Но эти размеры не идут ни в какое сравнение с водородной атмосферой, обнаруженной у одной из самых ярких комет 1970-х – кометы Беннетта (C/1969 Y1), у которой облако протянулось на 20 миллионов километров, многократно превысив диаметр Солнца! Масса водорода, содержавшаяся в нем, оценивается в несколько миллионов тонн. Появились и первые оценки массы воды, теряемой кометой в ходе пролета внутренней области Солнечной системы – более двухсот миллионов тонн.
12 августа 1978 года в космос отправилась революционная миссия, история которой продлится более тридцати шести лет! International Sun-Earth Explorer-3 («Международный исследователь Солнца и Земли» или ISEE-3) стал первым космическим аппаратом, запущенным в точку Лагранжа L1 системы Солнце—Земля. На первом этапе научными задачами ISEE-3 были изучение солнечного ветра и его взаимодействия с магнитосферой Земли, а также космических лучей. В области L1 аппарат успешно проработал практически три года, что дало ученым-баллистикам бесценный опыт, который позже был использован, в том числе, для управления спутником SOHO – героем следующих глав. 10 июня 1982 года космический аппарат перевели на гомановскую переходную орбиту[48 - Го?мановская орбита – в небесной механике эллиптическая орбита, используемая для перехода между двумя другими орбитами, обычно находящимися в одной плоскости. Описана немецким инженером Вальтером Гоманом (1880–1945).]. После серии нетривиальных гравитационных маневров вблизи Земли и Луны космический аппарат был выведен на гелиоцентрическую орбиту, а сама миссия переименована в International Cometary Explorer (ICE), или «Международный кометный исследователь». 11 сентября 1985 года впервые в истории человечества космический аппарат прошел свозь ионный хвост кометы 21P/Giacobini-Zinner всего в 7800 километрах от ее ядра. К сожалению, на аппарате отсутствовала камера, так что снимков ядра кометы с близкого расстояния пришлось ждать еще полгода.
Комета Беннетта
23 марта 1983 года на высокоэллиптическую орбиту была выведена советская космическая ультрафиолетовая обсерватория «Астрон». Космический аппарат массой более трех тонн нес на борту 80-сантиметровый телескоп и комплекс рентгеновских спектрографов. Вместо запланированного года работы спутник проработал шесть лет, дождавшись очередного прилета кометы Галлея. В декабре 1985 года по данным, полученным «Астро?ном», советские ученые под руководством будущего директора Института астрономии РАН Александра Алексеевича Боярчука[49 - Александр Алексеевич Боярчук (1931–2015) – советский и российский физик и астроном. Академик РАН (с 1987 г.). Научный руководитель Института астрономии РАН. Внес весомый вклад в исследование физики звезд. Под его руководством был создан космический ультрафиолетовый телескоп «Астрон».] создали более точную и комплексную модель кометной комы. Космическая обсерватория успела пронаблюдать и вспышку сверхновой звезды 1987 года (SN 1987A) в соседней галактике-спутнике Млечного Пути – Большом Магеллановом Облаке.
Политически поляризованный научный мир готовил две независимые научные космические программы по изучению знаменитейшей кометы. В СССР это была программа «СоПроГ» («Советская программа исследований кометы Галлея»), а международная программа называлась The International Halley Watch (IHW). За несколько лет к комете направился целый флот из пяти автоматических межпланетных станций, за которыми закрепилось неофициальное название «Армада Галлея». От Советского Союза ядро кометы исследовали две космические миссии, «Вега-1» и «Вега-2», переключившиеся на комету после изучения облачной сестры Земли – Венеры. Само название аппаратов никак не было связано со знаменитой звездой, а расшифровывалось как «Венера-Галлея». Первый космический аппарат начал передавать изображения кометы 4 марта 1986 года с расстояния 14 миллионов километров, а уже 6 марта пролетел всего в 8879 километрах от ее ядра. Это были первые в истории человечества изображения сердца кометы – ее ядра, той тайны, что так долго скрывали космические странники под непроницаемым пологом своей газово-пылевой оболочки. Проходя сквозь поток кометных частиц, аппарат уцелел, но мощность его солнечных батарей упала практически вдвое. Спустя три дня, 9 марта 1986 года, «Вега-2» пролетела еще ближе – всего в 8045 километрах. Скорость сближения обоих аппаратов с ядром кометы составляла внушительные 73 километра в секунду; несмотря на это, аппараты успешно передали на Землю семьдесят детальных изображений кометного ядра, а общее число снимков кометы превысило полторы тысячи. Их анализ позволил с высокой, невиданной ранее точностью напрямую измерить размер ядра кометы: 8?8?16 километров, оценить альбедо, которое составило классические для ядер комет 4 %, зафиксировать динамику выбросов вещества и наличие небольших ударных кратеров на поверхности кометного ядра. Это был безусловный успех! СССР снова был впереди всех в космосе!
8 и 11 марта окрестности кометы посетили два небольших японских зонда-близнеца, построенных на единой платформе, но с разным набором научного оборудования. Первым в 150 тысячах километров от ядра пролетел космический аппарат «Суйсэй» («Комета»). Да, не близко, но его главной задачей были не детальные снимки ядра, а изучение водородной головы кометы с помощью ультрафиолетового детектора, а также солнечного ветра в окрестностях кометы. Второй аппарат, который на самом деле был запущен первым, что отражено в его имени – «Сакигакэ» («Пионер»), поскольку это был первый межпланетный зонд, созданный и запущенный не СССР и США, пролетел мимо головы кометы 11 марта на расстоянии около 7 миллионов километров. Его главной задачей было уточнение орбиты кометы и наведение «Суйсэй» на цель. Помимо этого, «Сакигакэ» изучал космическую плазму и магнитное поле в межпланетном пространстве. Их миссия была успешной, после чего у ученых появились новые планы по изучению кометы Джакобини – Циннера (21P/Giacobini-Zinner), но из-за нехватки топлива на обоих аппаратах от них пришлось отказаться.
Стоит отметить, что, несмотря на напряженную политическую ситуацию в мире, разделенном на два лагеря, научное сотрудничество все же имело место. К примеру, данные с «Веги-1» и «Веги-2» были использованы для уточнения баллистических расчетов и коррекции орбиты космического аппарата Европейского космического агентства «Джотто»[50 - Международная научная программа «Лоцман».], ведь ему предстоял сверхтесный пролет – всего в нескольких сотнях километров над поверхностью ядра кометы Галлея. Свое название космический аппарат получил в честь великого итальянского художника эпохи Возрождения Джотто ди Бондоне, изобразившего на фреске «Поклонение волхвов» именно эту знаменитую комету.
Когда цель была совсем близка и до нее оставалось всего 1200 километров, «Джотто», по-видимому, столкнулся с крупным фрагментом кометы – его камера и часть оборудования вышли из строя, а сам космический аппарат временно потерял управление. 14 марта он пролетел (по баллистическим расчетам) всего в шестистах километрах от ядра, но впереди его ждал визит к другому ледяному страннику. В апреле 1990 года «Джотто» был выведен из состояния гибернации и направлен к комете 26P/Grigg-Skjellerup[51 - Короткопериодическая комета семейства Юпитера, которая была открыта 23 июля 1902 г. новозеландским астрономом Джоном Григгом. Вскоре после открытия комета была потеряна и переоткрыта через 20 лет австралийский любителем астрономии Джоном Скьеллерупом.]. Их встреча состоялась 10 июля 1992 года, причем в этот раз отважный космический аппарат пролетел еще ближе к ядру кометы – всего в двухстах километрах от его поверхности! К большому сожалению, у нас нет снимков этого потрясающего события, так как камера «Джотто» была повреждена еще во время пролета ядра кометы Галлея. Но вернемся немного назад…
В конце марта 1986 года, вслед за «Армадой Галлея», наш старый знакомый – «Международный кометный исследователь» прошел сквозь хвост знаменитой кометы на расстоянии около 28 миллионов километров от ее ядра, после чего ICE занялся изучением Солнца. В последний раз связь с ним была успешно установлена в июле 2014 года. Более того, тогда же, впервые с 1987 года, удалось запустить и его двигатели. К сожалению, на эту операцию ушли последние запасы топлива, и 16 сентября того же года связь с аппаратом была окончательно потеряна.
Технический прогресс достиг того, что современные ученые могут наблюдать комету Галлея в любой точке ее орбиты – самые крупные наземные и космические телескопы дают нам такую возможность. Астрономы могут изучать динамику изменения активности кометы в широком диапазоне гелиоцентрических расстояний, по сути, от орбиты Плутона до орбиты Меркурия. Совсем скоро, в декабре 2023 года, комета Галлея пройдет афелий и снова устремится навстречу Солнцу. Свой очередной перигелий она пройдет 28 июля 2061 года. Интересно, какими техническими новинками ученые встретят ее тогда? Я думаю, что будет предпринята попытка посадки космического аппарата с забором кометного вещества, а возможно, даже организована пилотируемая миссия. Продолжится и детальное картографирование поверхности ядра кометы. Так что мы продолжим двухтысячелетнюю летопись этой космической странницы.
Девяностые годы XX века подарили нам две потрясающие кометы: Хейла – Боппа (C/1995 O1) и Хякутакэ (C/1996 B2). Про них я еще расскажу отдельно, а здесь остановлюсь лишь на новых методах исследования и их кратких результатах. Одним из основных достижений ученых стало наблюдение комет в субмиллиметровом диапазоне волн – длиной от нескольких сотен микрометров до миллиметра. Как я уже говорил, для таких наблюдений с поверхности Земли нам сильно мешает наш планетарный щит – атмосфера. На Земле есть лишь несколько мест, где возможны субмиллиметровые наблюдения. Как только человечество смогло выводить научные приборы в космос, эта проблема начала решаться. Первым космическим субмиллиметровым детектором стал «Бортовой субмиллиметровый телескоп БСТ-1М», размещенный вместе с другими научными приборами на борту советской орбитальной станции «Салют-6», запущенной в космос 29 сентября 1977 года и затопленной спустя пять лет. Ей не повезло – она так и не дождалась подходящей кометы для исследования.
В 1987 году на гавайском вулкане Мауна-Кеа «первый свет» увидел циклопический 15-метровый телескоп «Джеймс Кларк Максвелл» субмиллиметрового диапазона, конструкция которого позволяет наблюдать даже Солнце. Помимо субмиллиметровой, в 1980-х бурно развивалась и инфракрасная астрономия, закрывшая промежуток электромагнитного спектра между видимым и субмиллиметровым диапазонами длин волн. Итак, человечество было во всеоружии, и мультиспектральные наблюдения двух ярких комет в 1996 и 1997 годах позволили сразу открыть более двух десятков химических элементов, входящих в состав кометных голов и хвостов. Эти данные, к примеру, позволили по-другому взглянуть на проблему появления воды на Земле. К новому тысячелетию мы уже много знали о строении и химическом составе газово-пылевых кометных оболочек и красивейших хвостов, и все больший научный интерес вызывало прямое исследование самих кометных ядер, скрытых от посторонних глаз. А, как известно, раз гора не идет к Магомету, то Магомет идет к горе…
Первой экспериментальной миссией стала Deep Space 1 («Дальний космос 1»), которая должна была протестировать новые научные и технические решения: ионный двигатель, автономную систему навигации, комплекс программного обеспечения, позволяющий самовосстанавливаться после сбоев в работе, миниатюрные научные приборы и системы связи. Зонд был запущен 24 октября 1998 года и в целом показал хорошую работоспособность, за исключением выхода из строя системы ориентации. Когда его основная задача была выполнена, космический аппарат направили на сближение с астероидом (9969) Брайль, пересекающим орбиту Марса (так называемый марс-кроссер) и к короткопериодической комете Борелли (19P/Borrelly), открытой 28 декабря 1904 года французским астрономом Альфонсом Борелли в знаменитой Марсельской обсерватории. 22 сентября 2001 года автоматическая межпланетная станция пролетела всего в 2170 километрах от ядра кометы и, несмотря на технические неполадки, все же смогла передать на Землю ценные научные данные, включая фотоснимки кометного ядра с лучшим на тот момент разрешением. Ученые увидели гигантский гейзер, вырывающийся из-под поверхности кометы на 60 километров. На более близких и детальных снимках стало очевидно, что это не одна, а три струи, бившие из ярких «пятен» на поверхности кометы. Это был несомненный научный успех и шаг вперед.
Менее чем через полгода после запуска Deep Space 1, 7 февраля 1999 года, на встречу с кометой Вильда 2 (81P/Wild), открытой 6 января 1978 года швейцарским астрономом Паулем Вильдом на обсерватории Циммервальда Астрономического института университета Берна (Швейцария), была отправлена новая кометная миссия Stardust («Звездная пыль»). Как видно из названия, ее основной целью был сбор твердых частиц из кометной комы и хвоста. Это был компромиссный, простой и намного более дешевый вариант, давший возможность прямого изучения вещества кометного ядра без необходимости сажать на него космический аппарат, чтобы взять пробы грунта и доставить их на Землю.
«Ловушка» для кометных частичек, похожая на теннисную ракетку диаметром около 40 сантиметров, состояла из 132 сегментов, заполненных специальным веществом – аэрогелем, позволявшим эффективно затормозить частицы и предотвратить их перегрев и расплавление при достаточно низкой, конечно по космическим меркам, относительной скорости сближения и удара – около шести километров в секунду. 2 января 2004 года Stardust прошел всего в 237 километрах от ядра кометы, параллельно со сбором пыли делая и ее фотоснимки. 15 января 2006 года капсула с образцами кометного вещества благополучно вернулась на Землю, а дальше начался долгий и сложный процесс исследования содержимого «ловушки». Для этого была создана Stardust@Home – коллективная распределенная система исследования миллионов снимков микросрезов аэрогеля, полученных с помощью микроскопа. На этих снимках обычные люди искали как сами частицы, так и следы их торможения (треки). Я тоже принимал в этом участие и даже нашел несколько проплавленных треков в аэрогеле. Данные объединялись, и к ученым поступала статистическая информация, на каких снимках, скорее всего, присутствует что-то по-настоящему интересное. Результатом этой совместной работы стало обнаружение трех десятков частичек, среди которых был и образец межзвездной пыли. Классификация проводилась по длине трека торможения, а значит, по скорости частицы и по направлению ее движения. Заметил частицу межзвездной пыли Брюс Хадсон из Канады в 2010 году, и она даже получила собственное имя – «Орион». В финальном пресс-релизе, выпущенном после завершения работы Stardust@Home в 2014 году, говорилось уже об обнаружении семи подобных частиц.
Миссия Stardust была успешной, но на этом она не завершилась. На борту космического аппарата оставались значительные запасы топлива, и было решено задействовать его в новой научной программе – New Exploration of Tempel 1 («Новое исследование Темпель 1»). Но сначала мне нужно рассказать о другой космической миссии, которая продлила жизнь зонда Stardust на долгие пять лет.
Когда ученые все еще ждали прибытия на Землю капсулы с кометным веществом, с мыса Канаверал стартовала новая межпланетная космическая станция Deep Impact («Глубокое воздействие»). 12 января 2005 года ракета-носитель «Дельта-2» унесла в космос шестисоткилограммовый аппарат, большую часть массы которого составлял кинетический ударник. Это была не просто 372-килограммовая болванка, а, по сути, еще один космический аппарат. У него имелись свои маневровые двигатели, бортовая вычислительная система и оптическая система навигации с телескопом диаметром 120 мм, дающим предельное разрешение изображения в 20 сантиметров на пиксель с расстояния в 20 километров. Сама «ударная» часть – 113 килограммов медных пластин, служила для образования заметного кратера на поверхности, который в будущем надеялись зафиксировать фотографически.
3 июля 2005 года в 6 часов утра по всемирному времени кинетический ударник отделился от космического аппарата, который начал выполнять торможение и маневр уклонения, чтобы пройти мимо ядра кометы на безопасном расстоянии. А ударник двигался к цели на протяжении практически суток, совершив несколько корректирующих маневров за пару часов до столкновения. 4 июля в 5 часов 52 минуты по всемирному времени, в День независимости США, космический снаряд на скорости 10,2 километра в секунду врезался в ядро кометы, вызвав энерговыделение, сопоставимое со взрывом 4,8 тонн тротила. Ученые на Земле узнали о том, что миссия успешно завершена, лишь спустя пять долгих и мучительных минут. Интересный факт: любой желающий мог отправить свое имя, которое было записано на мини-CD-диск, прикрепленный к ударнику. Мое имя, как и 625 тысяч других имен, тоже есть на этом диске.
Конечно, за столкновением следило большое число наземных и космических телескопов, включая космическую обсерваторию Swift. Анализ полученных данных показал, что в результате удара в космос было выброшено более пяти тысяч тонн воды и от десяти до двадцати пяти тысяч тонн пыли и твердых частиц кометного ядра. Интересен и состав этого материала. Были обнаружены минералы, способные формироваться лишь при температурах свыше 1100 кельвинов (827 °C), и летучие вещества, стабильные лишь при температуре ниже 100 кельвинов (–173 °C), а значит, ядро кометы состоит из веществ, которые образовались в разных областях Солнечной системы и, возможно, даже в разные эпохи ее эволюции. Эксперимент подтвердил предположение о том, что ядра комет обладают очень пористой структурой. Исходя из анализа данных, более трех четвертей внутреннего объема кометного ядра занимают полости, содержащие летучее вещество. Можно сказать, что кометы являются «космическими цистернами» с замерзшим газом, в том числе и ядовитым. А вот сам кратер, к большому сожалению ученых, обнаружить так и не удалось. Всему виной тот выброс вещества и пыль, которая была поднята ударом. Deep Impact улетел, и нужен был новый аппарат, который позволил бы зафиксировать последствия космического столкновения.
Момент столкновения кинетического ударника КА Deep Impact с ядром кометы Темпеля
И здесь на сцену вновь выходит космический аппарат Stardust, движущийся по гелиоцентрической орбите и обладающий достаточными запасами топлива. 2 июля 2007 года миссию переименовывают в NExT (New Exploration of Tempel 1, «Новое исследование Темпеля 1») и переводят на орбиту сближения с «торпедированной» кометой. 15 февраля 2011 года зонд пролетает всего в 182 километрах от ее ядра и получает 72 снимка, которые ученые ждали на протяжении без малого шести лет. Данные принимает сеть Дальней космической связи, и астрономы берут их в обработку. В тот же день они выступают с заявлением, что кратер от удара обнаружен! Его размер оценивается в 100–150 метров при глубине порядка 30 метров. Таким образом, долгая миссия «ловца кометной пыли» успешно завершилась. 24 марта 2011 года на борт аппарата Stardust, находящегося в 312 миллионах километров от Земли, была передана команда на выполнение последнего запуска двигателя для полного сжигания того мизерного количества топлива, что еще находилось в его баках и которого не хватило бы на выполнение новых научных задач. После чего, не имея возможности поддерживать ориентацию антенны на Землю, космический аппарат замолчал навсегда.
После успешного выполнения миссии Deep Impact в очередной раз было принято решение использовать частично работоспособный аппарат для других научных задач. Вернуться к своей первой цели и отснять результаты столкновения он не мог из-за огромных затрат топлива, ведь нужно иметь в виду, что движение в космосе происходит совсем не так, как мы ездим по дорогам на автомобилях – невозможно резко развернуться и поехать назад или в сторону. В июле 2005 года команда космического аппарата выбрала новую цель – короткопериодическую комету Боэтин (85D/Boethin)[52 - Короткопериодическая комета семейства Юпитера 85P/Boethin, ныне 85D/Boethin. Была открыта 4 января 1975 г. филиппинским астрономом-любителем Лео Боэтином. Наблюдалась в двух появлениях 1975 и 1986 г, после чего была утеряна. В 2017 г. официально признана разрушившейся.], сближающуюся с Землей. Для этого зонду необходимо было совершить гравитационный маневр вблизи Земли в декабре 2007 года, чтобы уже в следующем декабре пролететь всего в 700 километрах от ядра кометы. По традиции меняется и название миссии, теперь это EPOXI (Extrasolar Planet Observation and Deep Impact Extended Investigation, или «Наблюдение экзопланет и расширенное исследование миссии Deep Impact»). Да, название может сбить с толку. На самом деле дальнейшая научная программа была симбиозом двух предложенных научных задач по наблюдению и исследованию экзопланет из космоса (EPOCh) и сближению и изучению новых комет (DIXI).
Время «Икс» приближалось, но астрономы никак не могли отыскать свою цель: комета Боэтин не была видна с марта 1986 года, хотя ученые с высокой точностью знали ее орбиту, ведь наблюдательная дуга составляла 11 лет и комета наблюдалась уже в двух появлениях. В итоге ученым-баллистикам пришлось быстро искать новую цель, и за месяц до назначенного гравитационного маневра ею становится короткопериодическая комета Хартли (103P/Hartley). Такое решение было вынужденным и предполагало увеличение времени полета к комете до двух лет, с двумя гравитационными маневрами вместо одного. В итоге 4 ноября 2010 года космический аппарат успешно достиг своей цели, пролетел на расстоянии 700 километров от ядра кометы и передал на Землю потрясающие фотографии, на которых отчетливо видны величественные плюмажи выбросов от сублимации реликтовой углекислоты (CO
), образовавшейся еще на заре формирования нашей Солнечной системы. В 2012 году на своем пути к околоземному астероиду (163249) 2002 GT, которого он должен был достичь в начале 2020 года, зонд с большого расстояния провел наблюдения долгопериодической кометы C/2009 P1 (Garradd). К сожалению, намеченным планам не суждено было сбыться из-за потери связи в середине августа 2013 года, а 20 сентября того же года миссия была официально признана потерянной.
Ученые уже получили подробные сведения о внешнем виде и строении кометных ядер, проникнув своими космическими аппаратами за занавес кометной комы – но оставалась еще одна пока не решенная задача – посадка на поверхность кометы и прямое изучение ее грунта. Опыт уже был – в 2001 году автоматическая межпланетная станция NEAR Shoemaker произвела успешную мягкую посадку на поверхность околоземного астероида Эрос, а в 2005 году японский космический аппарат Hayabusa («Сапсан») совершил несколько попыток забора частичек грунта с околоземного астероида (25143) Итокава. Миссию преследовали постоянные технические проблемы, перипетии которых выходят за рамки этой книги, но в итоге, впервые в истории человечества, спускаемая капсула доставила астероидный грунт на Землю в 2010 году. Всего было собрано менее одного грамма вещества, но и его анализ дал новые научные результаты. Причем это вещество стало одним из самых дорогих на Земле, ведь его грамм стоил более 112 миллионов долларов США (стоимость космической миссии).
Работа над новым амбициозным «кометным» проектом в Европейском космическом агентстве (ЕКА) началась после успешного изучения кометы Галлея в ходе ее пролета 1986 года. Пять космических аппаратов получили множество научных данных, но все же они не ответили на вопрос о химическом составе ядра. В 1992 году пришло понимание, что задуманную миссию с доставкой образцов грунта на Землю из-за ограниченности бюджета ЕКА в одиночку не выполнить. Решение работать вместе было логичным. СССР распался, а его преемнику – Российской Федерации было явно не до этого, так что можно было не торопиться. В итоге новая космическая миссия была разделена с NASA, которое взялось за программу Comet Rendezvous Asteroid Flyby (CRAF, «Сближение с кометой и пролет астероида»). В ходе выполнения программы, как ясно из ее названия, предполагался близкий пролет одного из астероидов и сближение с кометой с выходом на орбиту вокруг ее ядра, а ЕКА занялось посадкой, взятием грунта и доставкой его на Землю – программа Comet Nucleus Sample Return (CNSR, «Возвращение образца ядра кометы»). Но в 1993 году как гром среди ясного неба прозвучало заявление NASA о выходе из программы из-за секвестирования бюджета, и европейцы вновь остались одни…
Они принимают решение упростить план будущей миссии: сблизиться с одним астероидом, после чего, впервые в истории, выйти на орбиту вокруг ядра кометы, но не доставлять грунт на Землю, а совершить мягкую посадку спускаемого аппарата на поверхность кометного ядра для его анализа на месте. Сам космический аппарат планировалось столкнуть с кометой – некий аналог миссии Deep Impact. Новая исследовательская программа получает имя Rosetta («Розетта»), в честь Розеттского камня, позволившего Жан-Франсуа Шампольону расшифровать древнеегипетские иероглифы. Небольшой спускаемый аппарат тоже получил собственное имя – Philae («Филы»), в честь острова на Ниле, на котором был найден древний обелиск с иероглифической надписью, также сыгравший большую роль в изучении наследия Древнего Египта.
Первоначальный план миссии предполагал сближение и исследование короткопериодической кометы Виртанена (46P/Wirtanen), открытой 7 января 1948 года американским астрономом Карлом Виртаненом в Ликской обсерватории (Калифорния, США), а старт был запланирован на 12 января 2003 года. В декабре 2002 года, когда все уже было готово, при запуске другого спутника произошел отказ двигателей ракеты-носителя «Ариан-5», аналогичной той, которая через несколько недель должна была выводить «Розетту» в космос. После обсуждений было решено не рисковать дорогостоящим космическим аппаратом, на который ушло не только много денег, но и времени. Старт отложили на год, а значит, необходимо было менять план всей миссии, поскольку полет к комете Виртанена уже стал невозможен из-за ее неудобного расположения. Исходя из баллистических расчетов и оптимизации полетной программы, новый выбор пал на комету Чурюмова – Герасименко (67P/Churyumov-Gerasimenko), открытую 20 сентября 1969 года советскими астрономами Климом Ивановичем Чурюмовым и Светланой Ивановной Герасименко на обсерватории «Каменское плато» (Алма-Ата, СССР, ныне Казахстан). Я лично познакомился с Климом Ивановичем летом 2014 года на конференции «Asteroids, Comets and Meteors 2014», проходящей в Хельсинки, когда до кульминации миссии оставались считаные месяцы и, безусловно, комета Чурюмова – Герасименко стала самой обсуждаемой темой симпозиума.
На поверхности кометы Чурюмова – Герасименко
Автоматическая межпланетная станция «Розетта» отправилась в космос 2 марта 2004 года – впереди ее ждал долгий путь длиной более десяти лет: три гравитационных маневра – два вблизи Земли и один у Марса, пролет астероида (2867) Штейнс в 2008 году, встреча с астероидом (21) Лютеция в 2010 году и прибытие к самой комете в первой половине 2014 года. В 2007-м произошел курьезный случай – «Розетту», сближавшуюся во второй раз с Землей, обнаружил телескоп обзора «Каталина», и ее приняли за новый околоземной астероид. Это открытие было подтверждено, и новому объекту даже успели присвоить астероидное обозначение 2007 VN84. Спустя двое суток российский ученый и популяризатор науки Денис Денисенко первым предположил, что новый объект есть не что иное, как выполняющая гравитационный маневр «Розетта». Но вернемся в 2014 год…
В августе космический аппарат сблизился с кометой и начал выход на орбиту вокруг своей цели. К 10 сентября этот процесс был успешно завершен – «Розетта» обращалась вокруг кометного ядра на удалении около 30 километров. Ученые начали выбирать место посадки и уточнять баллистические расчеты для спускаемого аппарата. 12 ноября «Филы» отделился от «Розетты» и медленно, со скоростью порядка одного метра в секунду – медленнее пешехода, отправился к своей terra incognita. Спуск или, точнее, сближение заняло семь часов, и вот небольшой аппарат наконец-то коснулся древней тверди космического тела. В этот момент, чтобы зафиксировать спускаемый аппарат на поверхности ядра, когда первая космическая скорость для него составляла всего один метр в секунду, должен был сработать прижимной двигатель. Трем бурам, размещенным в посадочных опорах, необходимо было углубиться в тело кометы, а помимо этого, для уверенной фиксации на поверхности, предусматривался выстрел двух гарпунов на двухметровых тросах. Все было продумано до мелочей, многократно тестировалось и перепроверялось на Земле. Но в самый важный момент все пошло не так. Прижимной двигатель не сработал, гарпуны не выстрелили… «Филы» два раза отскочил от поверхности и через два часа после первого контакта замер в тени огромной отвесной скалы, а значит, его солнечные батареи не вырабатывали энергию. Запаса аккумуляторов хватило на двое суток работы всех десяти научных приборов, в том числе на получение потрясающих снимков с поверхности космического странника – настоящего реликта Солнечной системы, и передачу полученных данных на «Розетту», которая, выступая в качестве ретранслятора, отправляла их на Землю.
Летом 2015 года «Филы» снова вышел на связь – свою роль сыграло изменение ориентации ядра кометы относительно Солнца и расстояние до источника энергии (комета прошла перигелий 13 августа 2015 года), но менее чем через месяц связь вновь была потеряна и теперь уже навсегда. 2 сентября 2016 года на кадрах высокого разрешения, полученных с борта «Розетты», которая продолжала свою научную программу на орбите вокруг ядра кометы, в том числе по картографированию поверхности, был обнаружен метровый корпус «Филы». Выяснилось, что спускаемый аппарат не только попал в трещину, но и лежит на боку.
К концу сентября все поставленные перед «Розеттой» научные задачи были успешно выполнены, а комета удалялась от Солнца в темноту дальнего космоса, где космический аппарат с солнечными батареями не может выжить. У команды ученых появилась идея ввести аппарат в спящий режим и попытаться связаться с ним через шесть лет, когда комета Чурюмова – Герасименко в очередной раз приблизится к перигелию, но были большие сомнения, что «Розетта» сможет перенести экстремальные условия дальнего космоса. В итоге было принято решение следовать первоначальному плану и отправить космическую станцию в последний полет – к ядру исследуемой кометы. 30 сентября 2016 года двигатели «Розетты» выдали импульс, и космический аппарат, разогнавшись до трех метров в секунду, пошел на сближение. Вплоть до самого удара о поверхность станция передавала снимки и научные данные о кометных гейзерах, вырывающихся из ядра. «Розетта» купалась в них, а они, как сирены, манили ее к себе…
Миссия «Розетты» и «Филы» до сих пор является вершиной научной программы по изучению комет. Она собрала огромный массив данных, которые все еще анализируются и применяются в новых статьях, моделях и теориях. Впервые у кометы было открыто магнитное поле, но «Филы» не смог обнаружить его непосредственно на поверхности кометы. Из этого ученые сделали вывод, что магнитное поле генерируется не ядром, а потоками солнечного ветра, обтекающими его. Было точно установлено, что вода, содержащаяся в комете, совсем не похожа на воду земных океанов, а значит, эти данные поднимают новые вопросы о появлении воды на юной Земле. Об этом мы еще обязательно поговорим. «Розетта» и «Филы» получили наиболее детальные и, безусловно, самые потрясающие снимки кометного ядра. Теперь мы знаем о нем пусть не все, но уже многое. Человечество прошло длинный путь понимания природы комет – от небесного огня до снимков с поверхности кометы. Оно смогло дотянуться, пусть пока манипуляторами роботов, до других космических миров. И это заслуживает уважения!
III. Природа комет
Я рассказал о долгом тысячелетнем пути, который человечество прошло прежде, чем приблизилось к пониманию природы комет. Что же они такое на самом деле? Именно об этом мы более детально поговорим в этой главе. И начнем с самого загадочного и важного элемента – кометного ядра. О хвостах комет люди знают уже тысячи лет, в то время как об астероидах всего лишь чуть более двухсот[53 - Первый астероид – Церера (ныне карликовая планета), был открыт итальянским астрономом Джузеппе Пьяцци в Палермской астрономической обсерватории 1 января 1801 г.]. Но комета – это ее ядро, а все остальное – кома и хвост – лишь следствие его активности. По иронии природы человечество увидело ядро кометы лишь недавно. Это произошло в 1986 году, когда флот космических кораблей изучал Великую комету Галлея. За последние десятилетия произошел огромный скачок в изучении этих тел, и я расскажу о том, что мы знаем о них сегодня. Итак, давайте погрузимся в глубь газово-пылевой оболочки, туда, где от посторонних глаз скрыт настоящий реликт Солнечной системы – кометное ядро.
Как я уже писал в предыдущей главе, общее понимание того, чем является крохотное, по сравнению с комой и хвостом, кометное ядро, появилось в начале 1950-х годов. Да, отдельные и в целом верные идеи о том, что собой представляет «сердце» кометы, возникали и ранее. В 1927 году французский астроном Фернан Бальде и его американский коллега Эрл Слайфер[54 - Его брат Весто Слайфер впервые выполнил измерения лучевых скоростей галактик и первым связал красное смещение со скоростью.], изучая комету 7P/Pons-Winnecke, высказали предположение, что ее ядро – совсем небольшой, диаметром в две-три мили, монолитный объект. Напомню, что в то время активно продвигалась теория «песчаной горы» или «отмели», описывающей кометное ядро как облако или рой гравитационно связанных между собой мелких частиц, содержащих адсорбированные газы[55 - Адсорбция – самопроизвольный процесс поглощения твердым телом либо жидкостью различных веществ из окружающей среды.]
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=69894946?lfrom=390579938) на Литрес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
notes
Примечания
1
Ян Хендрик Оорт (нид. Jan Hendrik Oort; 1900–1992) – нидерландский астроном, основные научные работы которого посвящены исследованию строения и динамики Галактики, а также вопросам космогонии. Автор теории протяженного кометного облака, которое является источником наблюдаемых комет. В его честь назван кратер Оорт на Плутоне и астероид (1691) Oort.
2
Эрнст Юлиус Эпик (эст. Ernst Julius ?pik; 1893–1985) – эстонский астроном, одним из первых предсказавший существование облака планетезималей на периферии Солнечной системы и первым определивший расстояние до галактики Андромеды. Внес заметный вклад в исследование малых тел Солнечной системы. В честь его назван астероид (2099) Opik.
3
Астрономическая единица (а. е.) – единица измерения расстояний в астрономии, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца и составляющая около 150 млн км.
4
Метеороид – неофициальное название астероидов размером менее 10 м.
5
Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) – первый крупный русский ученый-естествоиспытатель, физик, химик, основоположник научного мореплавания и физической химии; заложил основы науки о стекле. Астроном – первооткрыватель атмосферы Венеры, приборостроитель, географ, металлург, геолог. Сыграл основополагающую роль в формировании русского литературного языка. Художник, генеалог, историограф; поборник развития отечественных наук, экономики, образования (разработал проект Московского университета, впоследствии названного в его честь). Его имя носят кратеры на Луне и Марсе, астероид (1379) Lomonosowa.
6
Назван в честь кентавра Хирона из древнегреческой мифологии.
7
Назван в честь Мигеля Идальго, мексиканского католического священника, лидера революционной борьбы за независимость Мексики.
8
В мифологии Уильяма Блейка Альбион – древний, первобытный, или изначальный человек, великан, вмещающий в себя не только Англию, символом которой он является, но и все народы, все человечество от его зарождения до конца истории. Это также Богочеловек, или Вечный Человек.
9
По данным, полученным АМС «Новые горизонты», экваториальный диаметр Плутона составляет 2377 км.
10
«Первый среди равных» (лат.)
11
Афелий – наиболее удаленная от Солнца точка орбиты планеты или иного небесного тела Солнечной системы.
12
Лелеакухонуа – форма жизни, упомянутая в гавайском песнопении о сотворении мира Кумулипо.
13
Планетезималь (англ. planet – планета и infinitesimal – бесконечно малая) – небесное тело на орбите вокруг протозвезды, образующееся в результате постепенного объединения более мелких тел, состоящих из частиц пыли протопланетного диска.
14
Третья космическая скорость – минимальная скорость, которую необходимо придать небесному телу, чтобы оно могло преодолеть гравитационное притяжение Солнца и покинуть пределы Солнечной системы. Примерно равна 16,65 км/с.
15
Астроблема, или ударный кратер, – кольцевой кратер, возникший на поверхности небесного тела при столкновении с другим космическим телом меньшего размера.
16
Прогенитор – прародитель, основатель рода, предшественник, создатель, источник.
17
Кома (от лат. coma, от др. – греч. ????/???? – «волосы») – облако из пыли и газа, окружающее ядро кометы. – Прим. ред.
18
DART (англ. Double Asteroid Redirection Test, «Испытания перенаправления двойного астероида») – первый в истории проект по изменению траектории астероидов. 26 сентября 2022 г. кинетический ударник произвел столкновение с компонентом двойной системы – астероидом Dimorphos (Диморф), естественным спутником околоземного астероида (65803) Didymos (Дидим).
19
Spitzer Space Telescope (Космический телескоп «Спитцер») – космический телескоп NASA, предназначенный для наблюдения космоса в инфракрасном диапазоне. Запущен 25 августа 2003 г, научная миссия была завершена 30 января 2020 г.
20
WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer, «Широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь») – инфракрасный космический телескоп NASA, запущенный на околоземную орбиту 14 декабря 2009 г. Расширенная научная миссия по обнаружению малых тел Солнечной системы NEOWISE продлена как минимум до июня 2023 г.
21
«Тяньвэнь-2» – перспективная космическая миссия Китая для исследования околоземного астероида (469219) Kamo?oalewa, являющегося квази-спутником нашей планеты, с доставкой на Землю образцов его грунта и исследования кометы 311/P (PANSTARRS). Запуск запланирован на 2025 г., расчетная продолжительность миссии 10 лет.
22
Перигелий – ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты или иного небесного тела Солнечной системы.
23
Кельвин – единица температуры в Международной системе единиц (СИ). 50 кельвинов равно –223 градусам Цельсия.
24
Галактика, или Млечный Путь – спиральная галактика с перемычкой (баром), которой принадлежит Солнце, содержит от 100 до 400 миллиардов звезд.
25
Парсек – внесистемная единица измерения расстояний в астрономии, равная 3,2616 светового года.
26
Пикометр – единица измерения длины в Международной системе единиц (СИ), равная одной триллионной части метра.
27
Самый маленький атом – это атом гелия, имеющий радиус 32 пикометра.
28
Световой год – единица измерения расстояния в астрономии, равная расстоянию, которое электромагнитные волны (свет) проходят в вакууме, не испытывая влияния гравитационных полей, за один юлианский год.
29
Ретроградное движение – движение в направлении, противоположном направлению прямого движения. Для Солнечной системы это обращение вокруг ее барицентра по часовой стрелке, в отличие от всех планет и большей части малых тел.
30
Гай Плиний Секунд (22–24 гг. н. э. – 24 или 25 августа 79 г. н. э.) – древнеримский писатель и ученый, автор труда «Естественная история». – Прим. ред.
31
Иды (лат. Idus, от этрусск. iduare, «делить») – в римском календаре так назывался день в середине месяца. На 15-й день месяца иды приходятся в марте, мае, июле и октябре; на 13-й – в остальных восьми месяцах.
32
Урания (др. – греч. ???????, лат. Urania, Uranie) – муза астрономии в древнегреческой мифологии. Дочь Зевса и Мнемозины, рождена в Пиерии.
33
Великая комета 1577 года (С/1577 V1) – яркая долгопериодическая комета, по некоторым данным достигшая яркости –7
, хвост которой простирался более чем на 60 градусов.
34
Тадеаш Гаек (чеш. Tadeа? Hаjek, 1525–1600) – чешский астроном, алхимик и астролог, личный врач императора Рудольфа II. Один из сторонников системы мира Коперника. Основатель меридианной астрономии.
35
Параллакс – изменение видимого положения объекта относительно бесконечно удаленного фона в зависимости от положения наблюдателя.
36
Иоганн Мюллер (нем. Johannes M?ller, 1436–1476) – выдающийся немецкий астроном, математик и астролог. Имя Региомонтан (лат. Regiomontanus) образовано от латинизированного названия родного города ученого (лат. Regiomontium = нем. K?nigsberg).
37
Николай Коперник (польск. Mikolaj Kopernik, нем. Niklas Koppernigk; 1473–1543) – польский и немецкий астроном, математик, механик. Наиболее известен как автор фундаментального научного труда «О вращении небесных сфер» и гелиоцентрической системы мира, положившей начало первой научной революции.
38
Галилео Галилей (итал. Galileo Galilei; 1564–1642) – итальянский физик, механик, астроном, философ, математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Стал первым ученым, который начал использовать зрительные трубы для изучения космических объектов. Сторонник гелиоцентрической модели мира.
39
Джордано Бруно (итал. Giordano Bruno; 1548–1600) – итальянский католический священник, монах-доминиканец, философ-пантеист и поэт, активный сторонник гелиоцентрической модели Коперника и теории бесконечности Вселенной. Признан инквизиционным трибуналом «нераскаявшимся, упорным и непреклонным еретиком» и сожжен на костре 17 февраля 1600 г.
40
Кеплерова орбита – путь движения одного тела относительно другого в виде эллипса, параболы или гиперболы, описывается шестью элементами орбиты, определяющими положение небесного тела в пространстве в задаче двух тел.
41
Людовик XIV де Бурбон, «король-солнце» (фр. Louis XIV Le Roi Soleil) – король Франции и Наварры с 1643 по 1715 гг. Один из самых влиятельных монархов Франции за всю историю, сторонник абсолютизма. – Прим. ред.
42
Иоганн Георг Палич (нем. Johann Georg Palitzsch; 1723–1788) – немецкий естествоиспытатель, астроном-любитель, первым переоткрывший комету Галлея в 1758 г. Помимо этого, занимался наблюдением переменных звезд. В его честь назван один из лунных кратеров и астероид (11970) Palitzsch.
43
Уран – седьмая планета Солнечной системы, третья по диаметру и четвертая по массе. Открыта в 1781 г. английским астрономом Уильямом Гершелем и названа в честь греческого бога неба Урана.
44
Планета Нептун открыта 23 сентября 1846 г. Восьмая и самая дальняя от Солнца планета Солнечной системы, четвертая по диаметру и третья по массе.
45
Гелиоцентрическое расстояние – расстояние от небесного тела (планеты, кометы, астероида и др.) до центра Солнца.
46
Фред Лоуренс Уиппл (англ. Fred Lawrence Whipple, 1906–2004) – американский астроном, исследователь комет, метеоров, планетарных туманностей, проблем эволюции звезд и Солнечной системы. Открыл 6 комет.
47
Долгопериодическая комета, открытая чешским астрономом Лубошем Кохоутеком 7 марта 1973 г. в Гамбургской обсерватории (Германия).
48
Го?мановская орбита – в небесной механике эллиптическая орбита, используемая для перехода между двумя другими орбитами, обычно находящимися в одной плоскости. Описана немецким инженером Вальтером Гоманом (1880–1945).
49
Александр Алексеевич Боярчук (1931–2015) – советский и российский физик и астроном. Академик РАН (с 1987 г.). Научный руководитель Института астрономии РАН. Внес весомый вклад в исследование физики звезд. Под его руководством был создан космический ультрафиолетовый телескоп «Астрон».
50
Международная научная программа «Лоцман».
51
Короткопериодическая комета семейства Юпитера, которая была открыта 23 июля 1902 г. новозеландским астрономом Джоном Григгом. Вскоре после открытия комета была потеряна и переоткрыта через 20 лет австралийский любителем астрономии Джоном Скьеллерупом.
52
Короткопериодическая комета семейства Юпитера 85P/Boethin, ныне 85D/Boethin. Была открыта 4 января 1975 г. филиппинским астрономом-любителем Лео Боэтином. Наблюдалась в двух появлениях 1975 и 1986 г, после чего была утеряна. В 2017 г. официально признана разрушившейся.
53
Первый астероид – Церера (ныне карликовая планета), был открыт итальянским астрономом Джузеппе Пьяцци в Палермской астрономической обсерватории 1 января 1801 г.
54
Его брат Весто Слайфер впервые выполнил измерения лучевых скоростей галактик и первым связал красное смещение со скоростью.
55
Адсорбция – самопроизвольный процесс поглощения твердым телом либо жидкостью различных веществ из окружающей среды.
Леонид Владимирович Еленин
Подпишись на науку. Книги российских популяризаторов науки
Книга Леонида Еленина погружает читателя в тысячелетний путь человечества в познании самых загадочных и прекрасных объектов Солнечной системы – комет. Вы станете свидетелями захватывающей истории разгадки тайны небесных странников: пройдете путь от страшных знамений богов до исследования комет космическими аппаратами, открывшими нам их истинную природу Перед вами раскроются истории самых знаменитых охотников за кометами, вы узнаете, как их открывают в наши дни, а может быть, и сами попробуете найти одну их косматых странниц! А еще мы обсудим роль комет в зарождении жизни на Земле и ответим на вопрос: могут ли они сейчас представлять угрозу для нашей планеты?
Леонид Еленин
Кометы. Странники Солнечной системы
Научная редактура Владимира Сурдина, канд. физ. – мат. наук, старшего научного сотрудника Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга, доцента физического факультета МГУ, лауреата Беляевской премии и премии «Просветитель», российского астронома.
Во внутреннем оформлении использованы фотографии:
© piemags / Legion-Media;
© Walter Dawn / Science Source / Diomedia;
© Jack Fields / Science Source / Diomedia;
© Nasa / Science Source / Diomedia;
© Jerry Lodriguss / Science Source / Diomedia;
© Universal History Archive / Diomedia;
© TASS Archive / Diomedia;
© Granger / Diomedia;
© Lorand Fenyes / Stocktrekimages RF / Diomedia;
© VW PICS / Universal Images Group / Diomedia;
© Science Source / NASA, ESA, and D.Jewitt (UCLA), J.Agarwal (MPS), H.Weaver (JHU/APL), M.Mutchler (STScI), and S.Larson (University of Arizona) / Diomedia;
© LASCO / SOHO / ESA / NASA / Science Source / Diomedia;
© Roger Lynds / NOAO / AURA / NSF / Science Source / Diomedia;
© Universal Images Group / Diomedia;
© NAVCAM / Rosetta / ESA / Science Source / Diomedia;
© Heritage Images / Heritage Space / Diomedia;
© Mary Evans / Diomedia;
© ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team; MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA / Science Source / Diomedia, а также фотографии Суркова А. В., Плясова Д. Л. и Дудина Н. А.
© Леонид Еленин, текст, иллюстрации, 2023
© ООО «Издательство «Эксмо», 2024
От автора
Книга, которую вы держите в руках, не претендует на полноту энциклопедии или системность учебника. Вовсе нет. Это рассказ о долгом пути человечества в понимании одних из красивейших объектов космоса – комет. Перед вами развернется история Древнего Египта, античной Греции, эпохи Возрождения, Нового времени и современных головокружительных космических миссий. В этой книге не будет ни одной математической формулы, но вы узнаете много деталей и подробностей из более чем семи десятков самых современных научных статей, собранных в легкую и увлекательную историю, которая, я надеюсь, будет интересна всем читателям. Даже тем, кто знакомится с кометами впервые.
На протяжении десяти глав я расскажу вам о том, откуда берутся кометы, что они собой представляют и из чего состоят. Являются ли они злом или добром и как они повлияли на судьбу Солнечной системы. Вы познакомитесь с захватывающими историями ярчайших комет прошедшего столетия и самых знаменитых охотников за кометами. И конечно же, я расскажу о том, как попытаться открыть свою собственную комету и как это однажды удалось мне. Поверьте – нужно лишь по-настоящему захотеть!
Мой путь в астрономию тоже начался с книги, и я хочу надеяться, что и моя книга, в свою очередь, послужит для кого-то той путеводной звездой, что приведет его к новым знаниям и открытиям. Я по-доброму завидую вам, ведь у вас впереди интереснейшее путешествие в мир древних и загадочных странников Солнечной системы. Переверните страницу, и я начну свой рассказ…
I. Странники Солнечной системы
Осенней ночью взгляните на небо. Уже прохладно и зябко, земля быстро остывает, а над головой, из-за восходящих теплых воздушных потоков, мерцают и переливаются звезды. Представьте, что там, невидимые вашему глазу, в темноте космоса, крадучись, летят по своим орбитам главные странники Солнечной системы – кометы. Наш общий дом, наша планетная система во главе с Солнцем – очень неспокойное место, хотя мы, люди, этого не замечаем. Вокруг нас крутятся миллионы и миллионы комет и астероидов, преодолевая за один миг десятки километров, и кажется, что их путешествие будет продолжаться вечно. Так почему же именно кометы являются главными странниками Солнечной системы?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассказать, откуда вообще берутся кометы, ведь многие из них, те, что мы можем наблюдать в телескопы сейчас, давным-давно отправились в свое великое странствие в глубь Солнечной системы – навстречу планетам-гигантам, Земле и пламенеющему Солнцу. Сейчас мы знаем, что место жительства комет – это окраины Солнечной системы. Эту область мы называем облаком Оорта, в честь нидерландского астронома Яна Хедрика Оорта[1 - Ян Хендрик Оорт (нид. Jan Hendrik Oort; 1900–1992) – нидерландский астроном, основные научные работы которого посвящены исследованию строения и динамики Галактики, а также вопросам космогонии. Автор теории протяженного кометного облака, которое является источником наблюдаемых комет. В его честь назван кратер Оорт на Плутоне и астероид (1691) Oort.], предсказавшего ее существование, и лишь немногие называют ее облаком Эпика—Оорта, отдавая дань эстонскому астроному Эрнсту Юлиусу Эпику[2 - Эрнст Юлиус Эпик (эст. Ernst Julius ?pik; 1893–1985) – эстонский астроном, одним из первых предсказавший существование облака планетезималей на периферии Солнечной системы и первым определивший расстояние до галактики Андромеды. Внес заметный вклад в исследование малых тел Солнечной системы. В честь его назван астероид (2099) Opik.], который впервые высказал гипотезу о гигантской сферической структуре, окружающей нашу планетную систему.
Эрнст Эпик родился 23 октября 1893 года на севере Эстонии, в городе Кунда. В 1912–1916 годах он учился в государственном Московском университете, позже заведовал обсерваторией в Ташкенте, после чего, в 1921 году, устроился в обсерваторию Тартуского университета, где и проработал долгие годы. В 1932 году Эрнст Эпик, в то время активно занимавшийся метеорной астрономией и проходивший стажировку в Гарварде, выдвинул предположение, что вдали от Солнца, на расстоянии от 50 до 100 тысяч астрономических единиц[3 - Астрономическая единица (а. е.) – единица измерения расстояний в астрономии, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца и составляющая около 150 млн км.], может находиться некое облако – источник метеороидов[4 - Метеороид – неофициальное название астероидов размером менее 10 м.] и комет. К сожалению, эта работа осталась практически незамеченной, а сам ученый не стал ее в дальнейшем развивать. Она осталась ждать другого автора – такого, который сделает ее общепризнанной и именем которого и назовут внешние области Солнечной системы.
В 1950 году уже известный астроном Ян Оорт, занимавшийся на тот момент в основном галактической астрономией, опубликовал двадцатистраничную статью «Структура кометного облака, окружающего Солнечную систему, и гипотеза о его происхождении», где и высказал предположение, основанное на систематизации и анализе известных на тот момент данных об орбитах комет. По сути, как часто бывает, великое открытие лежало у всех перед глазами, но лишь Оорт смог собрать все данные воедино, правильно их интерпретировать и, что немаловажно, довести свою задумку до логического завершения – научной публикации. Отчасти это открытие схоже с открытием атмосферы Венеры Михаилом Васильевичем Ломоносовым[5 - Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) – первый крупный русский ученый-естествоиспытатель, физик, химик, основоположник научного мореплавания и физической химии; заложил основы науки о стекле. Астроном – первооткрыватель атмосферы Венеры, приборостроитель, географ, металлург, геолог. Сыграл основополагающую роль в формировании русского литературного языка. Художник, генеалог, историограф; поборник развития отечественных наук, экономики, образования (разработал проект Московского университета, впоследствии названного в его честь). Его имя носят кратеры на Луне и Марсе, астероид (1379) Lomonosowa.] в 1761 году. Многие ученые видели то же, что и Ломоносов, но лишь его острый ум правильно интерпретировал наблюдательные данные.
Итак, что же такого странного заметил нидерландский астроном? На самом деле парадокс, связанный с кометами, был известен и до гипотезы Оорта. Ученые, занимающиеся небесной механикой, давно пришли к выводу, что конечный итог всех орбитальных эволюций астероидов и комет таков: объект или упадет на Солнце (менее вероятный вариант – столкнется с планетой), или будет выброшен из Солнечной системы. Зная возраст нашей планетной системы и то, что кометы сформировались вместе с ней, можно предположить, что за это время все кометы должны были либо погибнуть, либо быть выброшенными в межзвездное пространство. А это утверждение идет вразрез с тем, что мы наблюдаем своими глазами.
Оорт взялся разгадать эту загадку и, стоит отдать ему должное, зная о работе Эпика, сослался в своей статье на исследования эстонского ученого. Итак, взяв выборку из тридцати долгопериодических комет с хорошо определенными орбитами, Оорт рассчитал элементы их орбит до сближения с планетами-гигантами Солнечной системы, которые своим гравитационным воздействием искажают изначальную орбиту кометы. А сделать это в те годы было намного тяжелее, чем сейчас, ведь современных компьютеров и программ еще не существовало. Получив данные, Оорт обратил внимание на то, что в большинстве своем рассмотренные кометы пришли в центральную область Солнечной системы с расстояния в десятки тысяч астрономических единиц от Солнца. Между тем эти кометы абсолютно точно принадлежали Солнечной системе, так как они были гравитационно связаны с нашей звездой. На тот же вывод указывала и научная работа норвежского астронома Эрика Синдинга «Определение первоначального облика околопараболических орбит комет», которую он написал в 1937 году, а также работы датских астрономов Бенгта Стрёмгрена (1947) и Адриана ван Веркома (1948). Как видим, эта тема уже тогда всерьез занимала умы ученых.
Основываясь на собранных данных, а также на другом свойстве комет – изотропности, то есть случайном распределении наклонений их орбит, а проще говоря, направлений, откуда они прилетают, Оорт сделал главный вывод – большинство «новых» долгопериодических комет приходят из областей, лежащих на расстояниях от 25 до 250 тысяч астрономических единиц от Солнца, из гигантского сферического облака, окружающего нашу Солнечную систему и принадлежащего ей. По его расчетам, в этом облаке должно было находиться, по крайней мере, два триллиона комет, общая масса которых составляет от одной сотой до одной десятой масс Земли. В настоящее время модель популяции тел, наполняющих облако Оорта, уточнена, и общая масса оценивается в три массы Земли, или 3?10
тонн, а общее количество населяющих его объектов – более десяти триллионов! Немного, скажете вы? Область, объем которой равен сотням триллионов кубических астрономических единиц, вмещающая в себя триллионы комет, по массе равна всего нескольким планетам, подобным Земле? Это так, ведь и сами кометы иногда называют «видимым ничем» из-за их сверхмалой плотности, причем это утверждение ра?вно справедливо как для кометных ядер, так и для их газово-пылевых оболочек. Но об этом мы более подробно поговорим в следующих главах.
В 1951 году Ян Оорт и Мартен Шмидт в своей статье официально вводят научное понятие «динамически новой кометы» – небесной странницы, впервые посещающей внутренние области Солнечной системы. Поведение этих комет, в отличие от тех, которые уже многократно сближались с Солнцем, различно, и об этом мы тоже еще будем говорить в дальнейшем.
Спустя тридцать один год после опубликования статьи Оорта еще один американский астроном – Джек Хиллс – в своей работе «Кометные дожди и стационарное падение комет из облака Оорта» 1981 года предположил, что помимо изотропного облака Оорта существует меньшая по размеру область, простирающаяся от 200 до 20 000 астрономических единиц и имеющая форму тора. Иногда эту область называют внутренней частью облака Оорта, и это тоже верно, так как сам Хиллс не рассматривал свой тор в отрыве от классического облака Оорта, а писал, что данная область является его внутренней частью. Далее, говоря об облаке Оорта, для упрощения я буду подразумевать общую область, вмещающую в себя облака Хиллса и Оорта. У читателя может возникнуть вопрос, а почему же классическое облако Оорта является сферой, а внутренняя часть – тором, то есть более уплощенной структурой? Все дело в расстоянии от Солнца, а если говорить точнее – в более сильном гравитационном воздействии его притяжения на внутреннюю область. В пример можно привести внутреннюю, «планетную» часть Солнечной системы, где практически все объекты обращаются в одной плоскости – плоскости эклиптики – и имеют относительно малое наклонение орбит относительно нее. Для планет среднее наклонение составляет всего 2,3 градуса (самое большое наклонение имеет Меркурий – 7 градусов), для астероидов Главного пояса – 8 градусов, а для короткопериодических комет семейства Юпитера – 14,9 градуса.
Рассказав о внешних областях Солнечной системы, нельзя не упомянуть и еще один «кометный резервуар» – пояс Эджворта – Койпера. Об этом гипотетическом новом поясе в своей научной работе 1943 года «Эволюция нашей планетной системы» высказался ирландский астроном, инженер и экономист Кеннет Эджворт. Он предположил, что на периферии Солнечной системы (напомню, что тогда облака Оорта еще «не существовало») находятся малые объекты, представляющие собой первичные элементы протопланетной туманности, которые из-за их малой плотности в пространстве не смогли «уплотниться» в планеты. В 1949 году выходит еще одна его фундаментальная статья «Происхождение и эволюция Солнечной системы», в которой он продолжает развивать свои научные идеи. Помимо вопросов строения и эволюции нашей планетной системы, Эджворт предполагает, что время от времени, по каким-то пока непонятным нам причинам, описанные им объекты теряют свое орбитальное равновесие и устремляются к Солнцу – а мы наблюдаем их как кометы. Блестящее предположение!
Джерард Койпер
В начале пятидесятых годов прошлого века, во многом переломных для наших знаний о строении Солнечной системы и природе комет, американский астроном нидерландского происхождения Джерард Койпер публикует свою научную статью в специальном номере журнала Astrophysics, посвященном исследованиям, представленным на астрономическом симпозиуме. В своей работе он пишет о том, что такой диск существовал в прошлом, но, скорее всего, в результате эволюции и гравитационного воздействия таких его крупных представителей, как Плутон (а тогда считалось, что его масса сопоставима с массой Земли), подавляющее число населявших его объектов были выброшены либо в недавно открытое облако Оорта, либо и вовсе прочь из Солнечной системы. Интересен и тот факт, что Койпер не сослался на работы Эджворта, что, как мне кажется, неэтично с его стороны. Но история, как мы знаем, не имеет сослагательного наклонения и пояс за орбитой Нептуна, который сам ученый признал в своей статье «ныне не существующим», по иронии судьбы чаще всего называют именно его именем. Вот такой научный парадокс.
Впрочем, мне кажется, здесь все же не хватает третьего имени: американского астронома Фредерика Леонарда, который еще в 1930 году, сразу после открытия Клайдом Томбо Плутона, писал: «Возможно, что Плутон лишь первое из семейства тел за орбитой Нептуна, остальные члены которого все еще ожидают своего открытия, но которым в конечном итоге суждено быть обнаруженными». К сожалению, он, как и Эрнст Эпик, не стал развивать свою верную догадку в научных работах и в итоге его имя затерялось в истории.
18 октября 1977 года американский астроном Чарльз Коваль из Паломарской обсерватории с помощью 122-сантиметрового телескопа Шмидта открыл первый объект неизвестного на тот момент семейства. Его вытянутая орбита лежала вдали от Главного пояса астероидов – между орбитами Юпитера и Урана. Этот странный астероид получил номер и собственное имя – (2060) Chiron (Хирон)[6 - Назван в честь кентавра Хирона из древнегреческой мифологии.], став первым из нового класса кентавров. Справедливости ради необходимо упомянуть, что все же первым кентавром, как мы теперь знаем, стал открытый 31 октября 1920 года немецким астрономом Вальтером Бааде на Гамбургской обсерватории (Бергедорф, Германия) астероид, впоследствии получивший номер и имя (944) Hidalgo (Идальго)[7 - Назван в честь Мигеля Идальго, мексиканского католического священника, лидера революционной борьбы за независимость Мексики.], но тогда ученые не проявили к этому открытию особого интереса. К концу XX века было обнаружено большое количество подобных объектов, и, изучая их орбитальную эволюцию, ученые пришли к выводу, что эти объекты находятся на очень нестабильных орбитах, среднее время пребывания на которых составляет всего несколько миллионов лет, а значит – их популяцию постоянно подпитывает некий неизвестный источник. На его роль отлично подходил гипотетический пояс Эджворта – Койпера. В 1988 году у Хирона была открыта кометная активность, и он получил второе, уже кометное обозначение – 95P/Chiron. Это косвенно говорило и о том, что ученые все ближе к разгадке «кометного резервуара», пока скрытого от прямых наблюдений.
В 1980 году уругвайский астроном Хулио Анхель Фернандес публикует статью в престижном научном журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), где приводит результаты своих расчетов. Исходя из наблюдательных данных о кометах, он предполагает, что должен существовать достаточно анизотропный источник (диск или пояс), лежащий в 35–50 астрономических единицах от Солнца. Это уже была какая-никакая конкретика! Оценив средний предполагаемый размер объектов, населяющих эту, пока гипотетическую, область, и их среднее альбедо, можно было оценить и возможность их обнаружения с помощью мощных оптических телескопов, тем более что именно в то время как нельзя кстати случилась революция фотоприемных устройств – переход от аналоговых фотопластинок к цифровым ПЗС-камерам.
В 1988 году группа канадских астрономов, в которую входили Мартин Дункан, Томас Куин и Скот Тремейн, провела численное моделирование движения и орбитальной эволюции роя «виртуальных» комет. Главной задачей расчетов было определение источника короткопериодических комет, которым ранее считалось только облако Оорта. По результатам их научного исследования стало ясно, что модель, основанная лишь на сверхдальнем изотропном источнике кометных тел, не совпадает с реальными наблюдениями. Но когда они добавили в модель плоский диск с параметрами, которые привел Фернандес, – пазл сложился! С большой вероятностью этот пояс действительно существовал, и, по крайней мере, самые крупные его объекты можно было попытаться открыть, что до сих пор было абсолютно невозможным для тел, населяющих далекое облако Оорта.
Годом ранее за поиск подобных объектов взялся американский астроном Дэвид Джуитт. Он и его помощница, американский астроном вьетнамского происхождения Джейн Луу, начали свою поисковую программу на телескопах обсерватории Серро-Тололо и Китт-Пик, которые еще не были оснащены цифровыми фотоприемниками. Поэтому работать приходилось по старинке, ровно так же, как в свое время это делал Клайд Томбо. Техника была «простой» – ученые получали на фотопластинках пару часовых экспозиций определенного участка неба вблизи эклиптики, тем самым убивая сразу двух зайцев – накапливали сигнал (увеличение проницания) и фильтровали обнаруживаемые объекты. Если даже еще не известный астероид Главного пояса, который их абсолютно не интересовал, за час экспонирования «вытягивался» в достаточно длинный штрих, то объекты, которые ученые искали, должны были обладать намного меньшим собственным движением по небесной сфере и оставаться звездоподобными (точечными). В своих воспоминаниях Дэвид шутил, что, видя такие неизвестные астероиды, он думал: «А ведь когда-нибудь их кто-то «откроет»…» А чтобы отличить дальние объекты Солнечной системы от звезд, как раз и использовался второй кадр, на котором можно было зафиксировать их пусть медленное, но все же движение на фоне неподвижных звезд.
Работа с фотопластинками оказалась не очень эффективной, на западных обсерваториях уже начали появляться приборы с зарядовой связью (ПЗС), изображения с которых можно было сразу обрабатывать на компьютере. Первый опыт работы с ними на 130-сантиметровом телескопе обсерватории Китт-Пик был неудачным. Разрешение фотоприемника составляло всего 276 на 242 пикселя, что давало очень узкое поле зрения площадью всего двадцать пять тысячных квадратного градуса, и это после пятиградусного поля, получаемого на фотопластинках! Конечно, такой инструмент не подходил для сколь-нибудь серьезного поиска. В 1988 году Джуитт и Луу переходят на работу в университет Гавайев (University of Hawaii), где продолжают свои обзорные наблюдения на уже переоборудованном 88-дюймовом телескопе (224 см), который все сокращенно называли «UH88» («Университет Гавайев 88»). И хотя этот телескоп уже был оснащен одной из самых современных на тот момент цифровых камер, но, чтобы сравниться с одним «аналоговым» полем телескопа Шмидта, Дэвиду и Джейн приходилось использовать двадцать шесть площадок, которые они снимали по одному разу на протяжении трех ночей. Новые ПЗС-камеры устанавливались на телескоп практически каждый год – шло их бурное развитие, и к лету 1992 года на «UH88» стоял уже четырехмегапиксельный фотоприемник.
Трудолюбие и самоотверженность, которые на протяжении пяти долгих лет сохраняла эта маленькая команда целеустремленных людей, хотя над ними уже стали посмеиваться, привели их к революционному открытию, которого они так ждали. В ночь с 30 на 31 августа 1992 года они открыли первый транснептуновый объект (блеск на момент открытия 22,8
), который уже 2 сентября получил официальное обозначение 1992 QB1, а сейчас мы знаем его как (15760) Albion (Альбион)[8 - В мифологии Уильяма Блейка Альбион – древний, первобытный, или изначальный человек, великан, вмещающий в себя не только Англию, символом которой он является, но и все народы, все человечество от его зарождения до конца истории. Это также Богочеловек, или Вечный Человек.]. Дверь в мир новых открытий была распахнута!
Через полгода Джуитт и Луу открывают второй объект – (181708) 1993 FW, и с каждым годом этих открытий становится все больше и больше. Наконец-то человек наблюдает космические тела, населяющие предсказанный гипотетический пояс, страсти об именовании которого не утихают и по сей день. В 2005 году астрономы открыли три крупных – сопоставимых по размеру с Плутоном транснептуновых объекта: (136199) Eris (Эрида, диаметр 2326 км)[9 - По данным, полученным АМС «Новые горизонты», экваториальный диаметр Плутона составляет 2377 км.], 136472 Makemake (Макемаке, диаметр 1502 км) и (136108) Haumea (Хаумеа, вытянутый объект размером 1704 на 1138 км). А в 2006 году решением Международного астрономического союза (IAU) Плутон был лишен статуса планеты, став лишь Primus inter pares[10 - «Первый среди равных» (лат.)].
Объектов транснептунового пояса становилось все больше. К лету 2008 года их было известно уже 1077, а на момент написания этих строк (октябрь 2022 года) – 4209! Исходя из анализа орбит, они были разделены на три группы, одна из которых, а именно объекты рассеянного диска (Scattered disc), как раз и является тем источником короткопериодических комет, который так искали астрономы. Внутренняя граница этого диска пересекается с классическим поясом Койпера в области 30–50 астрономических единиц, а вот внешняя лежит намного дальше. К примеру, у самого известного объекта рассеянного диска – 90377 Sedna – Седна) – афелий[11 - Афелий – наиболее удаленная от Солнца точка орбиты планеты или иного небесного тела Солнечной системы.] находится на расстоянии 966 астрономических единиц, а у тела с труднопроизносимым названием (541132) Leleakuhonua[12 - Лелеакухонуа – форма жизни, упомянутая в гавайском песнопении о сотворении мира Кумулипо.] (Лелеакухонуа) и ранее известным в узких кругах как Гоблин – 2600 астрономических единиц! Так почему же астрономы решили, что короткопериодические кометы приходят внутрь Солнечной системы именно из рассеянного диска?
Эволюция Солнечной системы
Конечно, даже через самые мощные оптические телескопы мы не можем получить прямого изображения этих объектов и понять, какие из них являются «спящими» кометами. Здесь на помощь астрономам пришли математики. Они смоделировали гравитационную задачу N-тел и сделали вывод, что объекты классического пояса Койпера намного более стабильны на своих орбитах, и если бы источником комет был он, то мы бы наблюдали значительно меньше короткопериодических комет семейства Юпитера, чем есть на самом деле. А вот объекты рассеянного диска, напротив, находятся на нестабильных сильно наклоненных орбитах и их легко вывести из равновесия, отправив как в сторону Солнца, так и к облаку Оорта или даже прочь из Солнечной системы. Численное моделирование таких процессов хорошо согласуется с наблюдательными данными. Безусловно нельзя однозначно говорить, что если мы наблюдаем короткопериодическую комету, то ее родной дом – рассеянный диск. Теоретически переход на подобные типы орбит возможен при определенных обстоятельствах и для комет из облака Оорта. К примеру, ученые пока так и не смогли однозначно ответить на вопрос, откуда изначально прилетела самая известная из комет – Галлея. Вычисления говорят о том, что теоретически ее домом могли быть обе области, населенные ледяными телами. Эта комета, как никакая другая, внесла неоценимый вклад в понимание человеком кометной природы, и мы обязательно к ней не раз еще вернемся. Итак, за несколько десятилетий человечество поняло, откуда берутся кометы и где их дом – это и далекое облако Оорта, и рассеянный диск. Но как они там оказались изначально? На этот вопрос астрономы постарались ответить уже в начале XXI века.
Модель Ниццы – научный триптих о сценарии динамической эволюции Солнечной системы, опубликованный в 2005 году в престижнейшем журнале Nature. Его авторы – Родни Гомес, Харольд Левисон, Алессандро Морбиделли и Клеоменис Циганис – попытались математически описать сценарий развития Солнечной системы из протопланетного диска до того состояния и конфигурации, которую мы наблюдаем теперь. Да, безусловно, подобные работы проводились и в прошлом, но обычно они описывали разрозненные структуры на конечных временны?х интервалах, не пытаясь создать общую и неразрывную модель. Для этого были необходимы большие вычислительные мощности, которые лишь сравнительно недавно появились в распоряжении ученых. Работа началась в обсерватории Лазурного берега в Ницце (Франция), отсюда и такое странное название опубликованной модели. Но давайте уже перейдем к тому, о чем нам поведали результаты расчетов.
Первый и самый важный вывод: планеты-гиганты интенсивно мигрировали. Это во многом и повлияло на формирование нынешнего облика Солнечной системы. После рассеивания протопланетного диска сформировавшиеся планеты-гиганты находились на почти круговых орбитах, намного ближе к Солнцу, чем теперь, – на расстоянии от 5,5 до 17 астрономических единиц (напомню, что сейчас большие полуоси орбит гигантов лежат в пределах от 5,2 до 30,1 астрономической единицы). За орбитой крайней планеты простирался достаточно плотный диск из неиспользованного материала – каменных и ледяных планетезималей[13 - Планетезималь (англ. planet – планета и infinitesimal – бесконечно малая) – небесное тело на орбите вокруг протозвезды, образующееся в результате постепенного объединения более мелких тел, состоящих из частиц пыли протопланетного диска.] общей массой до тридцати пяти масс Земли. Для сравнения можно привести текущие оценки массы современного пояса Койпера: от 1/10 до 1/25, а по некоторым оценкам даже до 1/50 массы нашей планеты. Так что тот диск был не чета нынешнему, но что же с ним произошло?
Как я уже писал, главным процессом динамической эволюции молодой Солнечной системы была миграция планет-гигантов. Конечно, мы не можем точно определить ее физические причины, но есть достаточно достоверное обоснование, которое и легло в основу модели Ниццы. Постараюсь описать этот процесс максимально просто. Помимо массивного пояса планетезималей, расположенного на периферии нашей молодой планетной системы, их достаточно крупная популяция присутствовала и в той области, где сформировались планеты-гиганты. Безусловно в таком хаосе происходили постоянные тесные сближения этих малых объектов с планетами. Хотя каменные и ледяные глыбы не знали третьего закона Ньютона, того самого, где «каждому действию всегда есть равное и противоположное противодействие», но физику не обманешь: три внешних газовых гиганта выталкивали сближающиеся с ними планетезимали внутрь Солнечной системы, а сами получали практически незаметный импульс в противоположном направлении. Подобных сближений, а по сути – гравитационных маневров, было очень много и «вода точила камень…». Сатурн, Уран и Нептун очень медленно мигрировали во внешние области нашей системы, все дальше от Солнца. Напротив, Юпитер, находившийся у внутренней границы этой области, выталкивал планетезимали вовне, в том числе и прочь из Солнечной системы, если мог передать необходимый импульс, и планетезималь, превысив третью космическую скорость[14 - Третья космическая скорость – минимальная скорость, которую необходимо придать небесному телу, чтобы оно могло преодолеть гравитационное притяжение Солнца и покинуть пределы Солнечной системы. Примерно равна 16,65 км/с.], становилась межзвездным скитальцем. При этом, как вы уже догадались, сама планета двигалась в противоположную сторону – внутрь Солнечной системы.
Через несколько миллионов лет своего медленного движения в разных направлениях, Юпитер и Сатурн приходят к резонансу 1:2, то есть на одно обращение вокруг барицентра Солнечной системы первого гиганта приходится два обращения второго. В моменты соединения, когда обе планеты оказывались на одной линии с Солнцем (пренебрежем небольшим наклонением их орбит), оба гиганта, как два мощных борца сумо, пытались вытолкнуть друг друга, но силы были неравны, ведь Юпитер более чем втрое превосходит Сатурн в массе. Подобные резонансы – это сильные «генераторы» орбитальных нестабильностей и, безусловно, это не могло не сказаться на дальнейшей эволюции всей нашей звездной системы – она буквально пошла вразнос. Юпитер вытолкнул Сатурн на ту орбиту, где тот находится и по сей день, а тот, по известному всем принципу домино, начал выталкивать Уран и Нептун, которые, в свою очередь, перемещаясь все дальше от Солнца, начали гравитационно возмущать первичный диск планетезималей. В результате этого космического кегельбана конфигурация Солнечной системы стала похожей на ту, что мы наблюдаем в нашу эпоху, а плотный планетезимальный диск потерял около 99 % своей первоначальной массы. В ту пору трудно пришлось и планетам земной группы – часть планетезималей были выброшены не вовне, а наоборот, внутрь Солнечной системы – это была легендарная Поздняя тяжелая бомбардировка.
По модели Ниццы, в период с 4,1 до 3,8 миллиарда лет назад, Солнечная система представляла собой разворошенный улей. Повсюду летали планетезимали, непрерывно сталкиваясь со всем, что оказывалось у них на пути. В 1970-х, когда ученые пристально изучали лунный грунт, доставленный на Землю экспедициями «Аполлон»-15, -16 и -17, они обнаружили аномалию, относящуюся к тому геологическому периоду – оплавленную породу, причем произойти это столкновение должно было в достаточно узком интервале времени.
Детективный след в деле о Поздней тяжелой бомбардировке продолжал раскручиваться. В образцах метеоритов, местом происхождения которых была обратная сторона Луны, также обнаружились следы ударных расплавов. И, что интересно, пока не было найдено ни одного метеорита старше 3,9 миллиарда лет. Правда, стоит отметить и тот факт, что более молодых лунных метеоритов, не относящихся к изучаемому временно?му периоду, было найдено немало. А самые молодые из них имеют датировку в 2,5 миллиарда лет. Астероидное метеоритное вещество также подбросило интересную информацию для размышления. Выяснилось, что более старые находки, датированные 4,5 миллиарда лет, имели меньшую скорость столкновения с нашей планетой, чем те, что датированы 3,4–4,1 миллиарда лет. Причем усредненная расчетная скорость столкновения изменилась не на проценты, а вдвое: с 5 до 10 км/с! А это значимый результат, который уже сложно объяснить просто погрешностями оценок. Подобное увеличение скоростей может косвенно говорить об изменении эксцентриситетов и наклонений орбит объектов, сближавшихся в то время с Землей. То есть как раз о том, что и предсказывала гипотеза о Поздней тяжелой бомбардировке.
Если статистические данные по ударным кратерам на поверхности Луны экстраполировать на Землю, где их следы давным-давно стерты временем, то можно оценить урон, нанесенный нашей планете: более двадцати двух тысяч ударных кратеров диаметром более двадцати километров, около сорока астроблем[15 - Астроблема, или ударный кратер, – кольцевой кратер, возникший на поверхности небесного тела при столкновении с другим космическим телом меньшего размера.] с поперечником более чем в тысячу километров и несколько циклопических ударных структур размером более пяти тысяч километров. Да, это была настоящая суровая бомбардировка.
Данные автоматической межпланетной станции «Маринер-10» подлили еще больше масла в огонь – на поверхности Меркурия были выявлены ударные структуры, поразительно похожие на обнаруженные ранее на Луне. Баллистики подтвердили – прогениторами[16 - Прогенитор – прародитель, основатель рода, предшественник, создатель, источник.] следов подобных столкновений могли быть семейства – группы объектов со схожими параметрами орбит. Космическая шрапнель, «выстрелянная» из одной и той же области Солнечной системы. В целом улик было много, и модель Ниццы смогла ответить на многие вопросы. Хотя, как это всегда бывает в науке, существует и другая точка зрения, приверженцы которой считают и саму модель, и предсказание Поздней тяжелой бомбардировки неверными.
Ряд ученых не без основания говорят о том, что данные экспедиций «Аполлон» обладают эффектом наблюдательной селекции и не репрезентативны – вывод сделан по небольшой выборке данных, полученных в достаточно локализированной области. К примеру, выбросы из самого молодого Моря Дождей (места посадки «Аполлона-15») могли рассеяться на огромной территории, где они и были повторно обнаружены другими лунными миссиями. В 2022 году вышла статья с анализом двух метеоритов, прародителями которых считается астероид (4) Vesta (Веста). Лазерный абляционный анализ не выявил никаких следов кластеризации расплава вещества в предполагаемый период Поздней тяжелой бомбардировки, а значит, поверхность самого массивного астероида, скорее всего, не испытывала никакого мощнейшего ударного воздействия, что безусловно ставит под сомнение эту гипотезу. Как мы видим, пока учеными не поставлена точка в летописи истории Солнечной системы, и эта тема ждет новых пытливых умов, сложнейших расчетов и моделирований.
Но давайте вернемся к вопросу формирования ныне существующих кометных резервуаров. Как я уже говорил, Уран и Нептун постепенно смещались все дальше от Солнца, «выметая» объекты, находящиеся перед ними. В результате этого процесса было сформировано современное транснептуновое облако, и на протяжении миллиардов лет оно служило главным источником короткопериодических комет, семейства которых, исходя из дистанции афелия, названы в честь планет-гигантов. И самым многочисленным, конечно, стало семейство Юпитера, сила гравитационного воздействия которого на порядок больше, чем у второй по массе планеты – Сатурна. Объекты пояса Койпера можно разделить на «горячие» и «холодные» (или же «красные» и «синие»), причем ядрами будущих комет могут быть и те и другие. С первой популяцией все ясно – они сформировались в окрестностях Юпитера (ближе к Солнцу, а значит, в более теплых условиях), а после были выметены на периферию, и этот процесс достаточно хорошо описан в модели Ниццы. Эти объекты имеют относительно высокие наклонения и более хаотичные орбиты. Но процесс формирования «холодного» населения пояса Койпера пока малопонятен. Спектрально это совсем другие объекты, которые, скорее всего, сформировались примерно там, где и находятся сейчас. Но есть одна загадка – их орбиты лежат в плоскости эклиптики и среди них есть большая доля гравитационно слабосвязанных двойных систем. Не похоже, что они когда-либо испытывали сильное возмущающее воздействие со стороны Нептуна; на этот вопрос может дать ответ усовершенствованная модель Ниццы.
В 2011 году чешский астроном Дэвид Несворны предположил, что в юной Солнечной системе было не четыре, а пять газовых гигантов! Примерно четыре миллиарда лет назад Юпитер вытолкнул эту гипотетическую планету из Солнечной системы. При этом обратным воздействием он быстро, «прыжком», был переброшен на свое текущее положение, не оказав катастрофического влияния на планеты земной группы. В свою очередь, безымянный гигант выбросил Нептун, который в то время мог находиться вблизи Юпитера и Сатурна, на периферию, за орбиту Урана. Такая быстрая, скачкообразная перестройка могла сохранить нетронутой «холодную» часть популяции современного транснептунового пояса. Участь самого таинственного гиганта оказалась печальной – по расчетам Несворны, он был навсегда выброшен из нашей планетной системы, став планетой-сиротой. Подобные объекты уже открыты, а их общее количество только в нашей галактике оценивается в несколько десятков миллиардов! Так что подобные сценарии не что-то исключительное, а вполне естественный процесс эволюции молодых и еще нестабильных планетных систем.
Как вы можете видеть, подобные вычисления содержат серьезные допущения. И это действительно так. Ученым известны проблемы, с которыми они могут столкнуться при таких расчетах (к примеру – проблема округления), поэтому процесс модернизации математического аппарата не стоит на месте, и я уверен, что текущая модель формирования Солнечной системы, со всеми ее дополнениями, не догма, а лишь приглашение к дальнейшему обсуждению.
Что касается облака Оорта, то с ним все проще. Здесь хорошо применимо давнее высказывание из книги Экклезиаста: «Многие знания – многие печали». В отличие от транснептунового пояса, эта область, при всех наших научных и технических достижениях, все еще остается абсолютной терра инкогнита. Да, мы знаем, что оттуда прилетают кометы, орбиты которых изотропны, а значит, скорее всего, их источник – сферическое облако. Населяющие его тела, по модели Ниццы, были выброшены из внутренних областей Солнечной системы гравитацией Урана и Нептуна. Приданный им импульс был не столь велик, как у тел, навсегда выброшенных прочь более массивными Юпитером и Сатурном, и на огромном расстоянии от Солнца, исчисляемым десятками тысяч астрономических единиц, они, как канатоходец, аккуратно ступающий по тонкой нити, все же нашли хрупкое равновесие между притяжением Солнца и окружающих нас звезд, а также влиянием галактических приливных сил.
Говоря о местах постоянного обитания комет, не стоит забывать и о Главном поясе астероидов. В конце XX века и в нем было обнаружено несколько объектов, демонстрирующих кометную активность – кому[17 - Кома (от лат. coma, от др. – греч. ????/???? – «волосы») – облако из пыли и газа, окружающее ядро кометы. – Прим. ред.] и хвост. Но природа такого поведения у этих уникальных объектов различна. Первым из них стал астероид 1979 OW7, который в итоге был утерян и случайно переоткрыт лишь спустя семнадцать лет. И вот тут-то началось самое интересное! Бельгийский астроном Эрик Эльст, изучая фотопластинки, полученные его чилийским коллегой Гвидо Писарро на метровом телескопе обсерватории Ла-Силья (Чили), обнаружил ранее неизвестную комету с небольшим, но хорошо различимым хвостом. И каково же было удивление Эльста, когда он понял, что перед ним не что иное, как астероид, открытый еще в 1979 году. Несмотря на заявления об обнаруженной кометной природе, основываясь на абсолютно «астероидной» орбите странного объекта, Центр малых планет дал новому объекту «астероидное» обозначение – 1996 N2.
Возникла дилемма: новый объект демонстрировал как астероидную природу (орбита), так и кометную (активность). Но по принятой на тот момент теории эволюции Солнечной системы, в Главном поясе астероидов, так близко к Солнцу, не могло остаться объектов, сохранивших запасы замороженных летучих веществ. Исключение делалось лишь для самого крупного астероида – Цереры (и это предположение подтвердилось), но в случае 1996 N2 мы имели дело с небольшим, самым обычным астероидом Главного пояса, диаметром чуть более трех километров. Тогда ученые решили проверить, а не мог ли он быть «засланцем» из внешних областей Солнечной системы? Был выполнен огромный объем вычислений, которые показали, что переход объекта на подобную орбиту практически невозможен, а значит, «странный» астероид, с большой долей вероятности, является коренным жителем Главного пояса.
Ученые продолжали ломать голову над этой проблемой. Было выдвинуто предположение о недавнем (конечно, по астрономическим меркам) распаде крупного тела, в недрах которого могли еще оставаться запасы льда; но тогда мы наблюдали бы намного больше подобных объектов и они не были бы столь уникальными. Между тем «астероид» 1996 N2 наблюдался при прохождении им трех перигелиев и каждый раз он демонстрировал повторяемость своей кометной активности. Лишь спустя десять лет после открытия он был признан объектом двойной классификации, получив как астероидный номер и имя (7968) Elst-Pizarro, так и кометное обозначение – 133P/Elst-Pizarro. Этот объект и стал первой кометой Главного пояса астероидов.
В 2010 году в Главном поясе были открыты еще две кометы, но их внешний вид заставил ученых задуматься, а кометы ли это на самом деле? Да, и у кометы P/2010 A2 (LINEAR), и у астероида (596) Scheila наблюдался хвост и кома, но странной ассиметричной формы. Компьютерное моделирование подсказало ответ – большая часть вещества была выброшена за короткий промежуток времени, практически одномоментно, и, скорее всего, это событие стало результатом удара – космического столкновения. Причем в случае с кометой P/2010 A2 (LINEAR), которой позже был присвоен постоянный номер 354P/LINEAR, на снимках, полученных на 350-сантиметровом телескопе «WIYN», отчетливо виден точечный источник – тот самый уцелевший астероид, по которому и пришелся удар. В 2022 году схожую форму хвоста наблюдали и у астероида Диморф, искусственно «торпедированного» в ходе космической миссии DART[18 - DART (англ. Double Asteroid Redirection Test, «Испытания перенаправления двойного астероида») – первый в истории проект по изменению траектории астероидов. 26 сентября 2022 г. кинетический ударник произвел столкновение с компонентом двойной системы – астероидом Dimorphos (Диморф), естественным спутником околоземного астероида (65803) Didymos (Дидим).]. С этим классом комет Главного пояса все понятно – внешне они схожи с ледяными странниками, но по своей истинной природе не являются ими.
Помимо редкого события – космического столкновения двух тел, «кометную» активность может вызвать и разрушение астероида из-за вращательной нестабильности, о которой мы еще обязательно поговорим, когда доберемся до рассказа о ядрах комет. Процесс полной дезинтеграции ядра ученые могли изучать, наблюдая за пылевым шлейфом «комет» P/2013 P5 (PANSTARRS), P/2012 F5 (Gibbs) и P/2013 R3 (Catalina-PANSTARRS). И это далеко не полный список подобных объектов, конечно, не являющихся кометами в общем понимании этого слова, хотя и носящих кометные обозначения; все они – лишь результат космических катаклизмов.
А что же 133P/Elst-Pizarro? По всей видимости, это настоящая комета, но пребывавшая до определенной поры в «спячке». В 2013 году были получены детальные данные с инфракрасных космических телескопов Spitzer[19 - Spitzer Space Telescope (Космический телескоп «Спитцер») – космический телескоп NASA, предназначенный для наблюдения космоса в инфракрасном диапазоне. Запущен 25 августа 2003 г, научная миссия была завершена 30 января 2020 г.] и WISE[20 - WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer, «Широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь») – инфракрасный космический телескоп NASA, запущенный на околоземную орбиту 14 декабря 2009 г. Расширенная научная миссия по обнаружению малых тел Солнечной системы NEOWISE продлена как минимум до июня 2023 г.], показавшие, что активной областью ядра этой кометы является небольшое светлое образование, диаметром около двухсот метров. Скорее всего, это ударный кратер возрастом не более ста миллионов лет. Столкновение с небольшим телом «вскрыло» подповерхностный резервуар летучих веществ и оголило залежи поверхностного льда, ранее прикрытого слоем пыли. И эти источники кометной активности расходуются при каждом сближении кометы с Солнцем.
Настоящих комет третьего, самого крошечного обиталища, если брать их число в сравнении с количеством ледяных глыб пояса Койпера и облака Оорта – исчезающе мало. Но все же они есть, и от них уже нельзя просто отмахнуться. Возможно, именно эти тела все еще сохранили образцы первобытных летучих веществ планет земной группы, то, из чего когда-то сформировался первичный океан Земли. По последним данным, именно водяной лед подобных объектов максимально схож по своему изотопному составу с водой наших океанов, но более подробно я расскажу об этом в отдельной главе.
Эти объекты – память, естественный музей далекого прошлого четырех небольших каменных планет, на одной из которых мы живем. В 2025 году к комете 133P/Elst-Pizarro планировали отправить китайскую автоматическую межпланетную станцию «Тяньвэнь-2»[21 - «Тяньвэнь-2» – перспективная космическая миссия Китая для исследования околоземного астероида (469219) Kamo?oalewa, являющегося квази-спутником нашей планеты, с доставкой на Землю образцов его грунта и исследования кометы 311/P (PANSTARRS). Запуск запланирован на 2025 г., расчетная продолжительность миссии 10 лет.], которая должна будет выйти на ее орбиту и изучать уникальный объект на протяжении минимум года. В начале 2023 года Китайское национальное космическое управление (CNSA) изменило первоначальные планы, и теперь космический аппарат должен будет отправиться к «комете» 311/P (PANSTARRS), которую ранее мы знали как P/2013 P5 (PANSTARRS), – тому самому разрушившемуся астероиду, который я уже упоминал. Объяснений этой замены нет, но, скорее всего, она связана с оптимизацией полета – новая цель оказалась легче достижима. В целом, как мне кажется, это неравноценная замена, так как 311P не является кометой в полном смысле этого слова, и я очень надеюсь, что комета Главного пояса 133P/Elst-Pizarro все же будет изучена в будущем.
Теперь, когда мы разобрались с внешними границами Солнечной системы, давайте поговорим о том, как же кометы из главных резервуаров – облака Оорта и транснептунового пояса, – попадают во внутреннюю область нашей планетной системы, уменьшая свои перигелии[22 - Перигелий – ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты или иного небесного тела Солнечной системы.] в десятки миллионов раз! Кстати, теперь вы сами можете решить, покинула ли автоматическая межпланетная станция «Вояджер-1» пределы Солнечной системы, преодолев рубеж всего в 100 астрономических единиц, или все же нет?
Мы уже знаем, что в основном кометы обитают на окраине Солнечной системы, в облаке Оорта, вдали от испепеляющего жара нашей звезды, там, где температура не превышает 50 кельвинов[23 - Кельвин – единица температуры в Международной системе единиц (СИ). 50 кельвинов равно –223 градусам Цельсия.]. Но что же заставляет их изменить свою орбиту и отправиться навстречу Солнцу или же, наоборот, навсегда покинуть нашу планетную систему? Когда Ян Оорт писал свою фундаментальную статью, он предположил, что из хрупкого гравитационного равновесия ледяные тела может вывести воздействие близких звезд. Но Солнце находится в достаточно разреженном пространстве Галактики[24 - Галактика, или Млечный Путь – спиральная галактика с перемычкой (баром), которой принадлежит Солнце, содержит от 100 до 400 миллиардов звезд.]. В конце XX – начале XXI века, когда у астрономов появились новые, более полные и точные звездные каталоги, они смогли рассчитать, что за прошедший миллион лет Солнечная система сближалась всего с двенадцатью звездами до расстояния в один парсек[25 - Парсек – внесистемная единица измерения расстояний в астрономии, равная 3,2616 светового года.], причем две трети из этих звезд составляли красные и коричневые карлики, обладающие массой до половины солнечной. Такие сближения не могли вызвать «кометного цунами», ими нельзя объяснить наблюдаемое число долгопериодических комет во внутренней области Солнечной системы.
На протяжении тридцати лет этот вопрос оставался без ответа, пока в 1978 году не вышла научная статья немецкого астронома Людвига Бирмана «Плотные межзвездные облака и кометы». В своей работе ученый предположил, что гигантские молекулярные облака гравитационно воздействуют на кометы, которые все еще принадлежат Солнечной системе, то есть еще испытывают пусть и очень слабое, но все же доминирующее влияние гравитации Солнца. В таком состоянии слабого равновесия нужна совсем небольшая сила, чтобы изменить орбиту объекта и его дальнейшую судьбу. И эта сила, пусть и у разреженных, но поистине исполинских образований газа и пыли, есть, ведь их масса может достигать миллиона масс Солнца! Это была новая интересная идея, ведь до семидесятых годов XX века человечество ничего не знало о подобных структурах. В последующие годы эта теория прорабатывалась многими учеными, которые пришли к выводу, что случаи тесных сближений со «сгустками» или, как их называют астрономы, – ядрами гигантских молекулярных облаков, достаточно редки, а их общее воздействие на кометы облака Оорта примерно равно тому, что оказывают ближайшие звезды. Математические модели показывали, что оба этих сценария не объясняют наблюдательных данных. Нужно было искать что-то еще…
В 1983 году американский астрофизик Джон Бил, основным научным интересом которого была галактическая астрономия, опубликовал статью «Влияние галактических возмущений на околопараболические кометные орбиты», где впервые предположил, что гравитационно слабосвязанные кометные тела во внешних областях Солнечной системы могут испытывать приливное воздействие… Галактики. Вблизи Солнца это влияние пренебрежимо мало, и мы его даже не в силах зафиксировать. Для Земли оно составляет примерно одну триллионную солнечного приливного воздействия. Если приливное воздействие Луны на Землю поднимает уровень моря на полметра, то приливное воздействие Галактики – всего на 10 пикометров[26 - Пикометр – единица измерения длины в Международной системе единиц (СИ), равная одной триллионной части метра.], что меньше размера атома[27 - Самый маленький атом – это атом гелия, имеющий радиус 32 пикометра.]! Но это на дистанции в одну астрономическую единицу от нашей звезды, а на расстоянии в один световой год[28 - Световой год – единица измерения расстояния в астрономии, равная расстоянию, которое электромагнитные волны (свет) проходят в вакууме, не испытывая влияния гравитационных полей, за один юлианский год.] все совсем по-другому. В 1985 году Харрингтон и в 1986 году сам Бил установили, что главное возмущающее воздействие на кометы облака Оорта оказывает приливное влияние галактического диска. Все встало на свои места. Причем возмущающий импульс от галактических приливов способствует проникновению комет сквозь динамические барьеры Юпитера и Сатурна. Поэтому можно говорить, что большинство динамически новых комет, которые мы видим вблизи Солнца, посланы нам самой Галактикой!
В наибольшей степени воздействие извне влияет на внешнюю область облака Оорта. По расчетам ученых, за время существования облака оно могло потерять до 95 % своих тел. Астрономы предполагают, что существует работающий механизм, «подпитывающий» внешние области кометного облака объектами из его внутренней части. Как один из источников подобной «регенерации» рассматривался и захват межзвездных комет, но проведенные расчеты показали, что такой сценарий маловероятен.
Итак, в общих чертах я рассказал о том, как долгопериодические кометы попадают в ближайшие окрестности Солнца, а теперь предлагаю перейти к короткопериодическим кометам из транснептунового пояса.
Как мы уже знаем, в 1990-х годах начали массово открывать малые тела за орбитой Нептуна. В 1997 году американские астрономы Мартин Дункан и Гарольд Левисон предприняли попытку компьютерного моделирования орбитальной эволюции подобных объектов. Были взяты 2200 «виртуальных» тел, и смоделирована их история на протяжении миллиарда лет. Расчет показал, что большую часть времени, медленно дрейфуя во внутреннюю часть пояса Койпера, эти объекты находятся под гравитационным воздействием лишь одной планеты – Нептуна. При сближении с ним ледяные тела могут быть выброшены как вовне, так и внутрь Солнечной системы, при этом средний эксцентриситет орбиты остается умеренным и составляет 0,25. Дальше эти кометы ждет встреча с Юпитером и Сатурном, которые вновь «просеивают» их, выбрасывая часть объектов вовне. И лишь те, что минуют этот барьер, увеличивают эксцентриситет своей орбиты и получают шанс предстать перед глазами землян настоящей хвостатой кометой. На это у них уходит несколько тысяч лет. Юпитер и в меньшей степени Сатурн преобразуют их орбиты так, чтобы «контролировать» их афелии, которые лежат вблизи орбит этих гигантов. И вот около 30 % из тех объектов, которые отправились в путь из областей, расположенных далеко за орбитой Нептуна, становятся видимыми нам как короткопериодические кометы семейств Юпитера и Сатурна (часто эти семейства не разделяют, называя все эклиптические кометы семейством Юпитера). Расчеты показывают, что медианное время жизни подобных комет, – от их первого сближения с Нептуном до вылета в облако Оорта или же за пределы Солнечной системы, а порой и до столкновения с Солнцем или планетой, – составляет 45 миллионов лет.
Ученые пришли к выводу, что опубликованные модели эволюции «холодных», не наклоненных транснептуновых объектов и превращения их в короткопериодические кометы, обладают изъяном – в действительности мы наблюдаем больше подобных комет, чем может обеспечить «классический» пояс Койпера, а значит, есть и другие их источники. В 1983 году астрономы Хулио Анхель Фернандес, Винг Хуэн Ип и, в 1988 году, Майкл Торбетт предсказали существование рассеянного диска, населенного транснептуновыми объектами на сильно вытянутых орбитах, но все же гравитационно связанными со своим «пастухом» – Нептуном. Спустя год после первой статьи Дункан и Левисон публикуют ее логическое продолжение, рассматривая как источник эклиптических комет полностью гипотетический на тот момент рассеянный диск. (Первый подобный объект – 1996 TL66, откроют спустя несколько месяцев после выхода их статьи.) Астрономы предположили, что, хотя объекты рассеянного диска обладают сильно вытянутыми орбитами, но при прохождении определенных перигелиев они все еще могут испытывать достаточно сильное влияние Нептуна и быть захваченными в цикличный процесс смены орбитальных резонансов (3:13, 4:7, 3:5), который в итоге может привести их на классическую орбиту комет семейства Юпитера. Расчеты показали, что для согласования с наблюдательными данными таких объектов может быть в тысячу раз меньше, чем в модели классического пояса Койпера. Число тел диаметром более километра оценивается от 2 до 6 миллиардов – это вполне достаточный источник даже при том, что медианное время жизни подобных объектов на нестабильных орбитах значительно уступает срокам спокойной и размеренной жизни «холодных» транснептуновых объектов. В 2004 году итальянский астроном Алессандро Морбиделли и его американский коллега Майкл Браун опубликовали еще одну фундаментальную статью «Пояс Койпера и первичная эволюция Солнечной системы», в которой они также пришли к выводу, что основным источником комет семейства Юпитера и кентавров является именно рассеянный диск.
Помимо комет семейств планет-гигантов, выделяют интересное семейство Энке, названное в честь первой подобной кометы – 2P/Encke. Можно сказать, что это «сверхкороткопериодические» кометы, орбиты которых полностью лежат внутри орбиты Юпитера. Подобных тел немного: пока их известно около семи десятков. К этому же типу объектов можно отнести и некоторые астероиды, которые с большой вероятностью могут оказаться не чем иным как неактивными ядрами уже мертвых комет. Многочисленные расчеты показали, что по законам небесной механики выход на подобные орбиты невозможен под действием только лишь гравитационных сил. Для этого требуются значительные негравитационные силы, вызванные активностью самой кометы.
Пока не решен вопрос, откуда берутся кометы, подобные великой комете Галлея. Считается, что дополнительным источником таких комет может быть внутренняя область облака Оорта, но имеющиеся модели противоречивы и не дают полного объяснения этого процесса. К примеру, неясно, как эти объекты выходят на ретроградные орбиты[29 - Ретроградное движение – движение в направлении, противоположном направлению прямого движения. Для Солнечной системы это обращение вокруг ее барицентра по часовой стрелке, в отличие от всех планет и большей части малых тел.], подобные той, на которой находится сама комета Галлея. Компьютерное моделирование показало, что лишь небольшая часть таких комет может приходить из транснептуновой области, а значит, где-то есть их источник, который должен быть достаточно «плоским», хотя само облако Оорта считается почти сферическим. Возможно, домом этих комет может являться то самое гипотетическое тороидальное облако Хиллса, о котором мы уже говорили. Но пока у ученых нет понимания процессов миграции населяющих его тел во внутреннюю часть Солнечной системы, которая все еще хранит огромное число загадок и тайн для будущих пытливых исследователей!
II. Как изучают кометы
Я уже рассказал о том, где живут кометы и откуда прилетают, а в следующей главе мы поговорили об их природе – что они представляют собой на самом деле. А сейчас самое время рассказать о длинном и тернистом пути их познания и изучения. Человечество на всем протяжении задокументированной истории уделяло кометам особое внимание и приписывало им важную роль. Тысячелетиями люди ассоциировали эти небесные тела с грядущими войнами и смертями, и во многом благодаря подобной дурной славе мы знаем так много исторических, а не чисто астрономических записей наблюдения комет. Я начну свой рассказ с древних времен, когда над египетской пустыней возвышались еще белоснежные пирамиды…
В Древнем Египте астрономии придавали огромное значение. Египетские жрецы были одними из первых астрономов-наблюдателей. Они не знали «почему», они знали лишь, что так должно происходить. Когда на небе впервые замечали яркий Сириус – приходило время разлива Нила, земного отражения небесной реки Млечного Пути. С созвездиями, звездами и планетами самым тесным образом был связан как религиозный, так и сельскохозяйственный календарь. Египтяне уже знали пять планет, и именно эти знания об их движении в Древнюю Грецию привез Евдокс Книдский. И конечно же они видели странные звезды, иногда появляющиеся на небе. Одним из документальных подтверждений этому являются иероглифические надписи внутри пирамиды фараона VI династии Древнего Царства Пепи (Пиопи) II. В загробный мир его ведет именно «длинноволосая звезда». Примечательно, что сейчас мы знаем имя его проводника – с большой долей вероятности это была знаменитая комета Хейла – Боппа, открытая в 1995 году. Вот такая завораживающая связь времен! Многие из нас видели эту космическую странницу на весеннем небе в 1997 году, а в прошлое появление ее наблюдали древние египтяне, жизнь которых давно превратилась для нас в мифы и легенды. Это, кстати, один из первых документально подтвержденных примеров наблюдения комет в истории человечества.
Отдельный вопрос, на который пока нет точного ответа, какие из документально подтвержденных наблюдений считать самыми первыми. В конце XVIII века Александр Гуа Пингре писал, что первое подобное наблюдение состоялось в 2349 году до нашей эры. Клим Иванович Чурюмов в своей книге «Кометы и их наблюдение» приводит данные Уильяма Уистона, опубликованные в том же веке, о том, что одно из первых документально подтвержденных наблюдений комет датируется 2296 годом до нашей эры. Более современные исследования середины прошлого века, проведенные Балдетом, говорят, что первой может быть комета 2315 года до нашей эры. В целом все эти кометы можно считать в большей степени мифическими. Возможно, первые документально подтвержденные наблюдения косматых странников записаны на древневавилонских каменных табличках, хранящихся сейчас в Британском музее, и рассказывающих о комете 674 года до нашей эры. Как раз в этом веке, хотя и немного позже, начинается регулярная регистрация новых комет древнекитайскими астрономами, которые внесли неоценимый, я бы сказал недооцененный, вклад в изучение этих объектов. Итак, достоверно известно, что до нас дошли записи об исторических наблюдениях с VII века до нашей эры из Вавилона и Китая. Записи китайских астрономов поражают своей обширностью: на регулярной основе они велись до XVII века нашей эры и содержат данные о более чем трехстах кометах! Древние китайцы называли кометы «звездами-метлами» (хуэй син) и, как и прочие народы, считали их плохим предзнаменованием. Кстати, именно китайские наблюдатели комет одними из первых подметили, что хвост-метла всегда направлен в противоположную от Солнца сторону, хотя дальнейшего развития эта идея не получила. В одном из ранних документов, относящемся к 612 году до нашей эры, возможно, описана самая известная из всех косматых странниц – комета Галлея. Хотя, скорее всего, это неверная привязка, так как комета должна была пройти свой перигелий несколькими годами ранее. Зато мы знаем точно, что древнекитайские астрономы фиксировали все появления этой кометы с 240 года до нашей эры вплоть до 1607 года, на закате эпохи Мин – более 1300 лет! Их европейские коллеги впервые увидят эту комету или, что более вероятно, задокументируют свои наблюдения, значительно позже – лишь в 66 году нашей эры. Первые упоминания о кометах в русских летописях датируются 912 годом (Лаврентьевская летопись), и это была та же самая комета Галлея. Безусловно она заслуживает отдельного рассказа, ведь именно она перевернула многие наши представления о подобных космических странниках.
А пока на дворе IV век до нашей эры и в науке о кометах доминирует непререкаемое мнение великого Аристотеля, учителя самого Александра Македонского, о том, что кометы не более чем атмосферные испарения, поднимающиеся в область небесного огня и горящие там гигантскими факелами, видимыми по всей Земле. То есть он не причислял кометы к объектам космоса, равным планетам и звездам. Непререкаемый авторитет ученого пагубно повлиял на процесс изучения комет, который стагнировал. Даже создатель великого астрономического научного труда – «Альмагеста» – Клавдий Птолемей не уделил кометам никакого внимания, полагаясь на то, что эта тема уже полностью раскрыта. Кометы все также оставались «сигнальными кострами», зажигаемыми богами. И люди, хотевшие в это верить, трактовали эти знаки так, как им было нужно. Комета 371 года до нашей эры, нависшая над спящими военными лагерями Фив и Спарты, ознаменовала победу первых в битве при Левктрах и забвение вторых. Кстати, эта комета могла относиться к семейству околосолнечных комет, о которых мы поговорим в отдельной главе.
Кометы не только «предвещали» войны, смерть и вселенский мор, они являлись знаками для властителей судеб. По их цвету и форме ученые мужи, жрецы и неравнодушные граждане строили свои предсказания будущего. Особо в этом деле преуспел Плиний Старший[30 - Гай Плиний Секунд (22–24 гг. н. э. – 24 или 25 августа 79 г. н. э.) – древнеримский писатель и ученый, автор труда «Естественная история». – Прим. ред.], который классифицировал все кометы по двенадцати типам, где они представлялись в виде сабель, дротиков и копий, бородатыми, косматыми и даже в виде лошадиной гривы. Некоторые ученые считали, что кометы – это рой близких звезд, огонь которых соединен воедино. Весной 44 года нашей эры, сразу после мартовских ид[31 - Иды (лат. Idus, от этрусск. iduare, «делить») – в римском календаре так назывался день в середине месяца. На 15-й день месяца иды приходятся в марте, мае, июле и октябре; на 13-й – в остальных восьми месяцах.], на которых был жестоко убит Гай Юлий Цезарь, на небе в течение недели горела комета, которую посчитали чудесным явлением убитого императора, истинно взошедшего на небеса, к звездам и богам. Это событие спешно увековечили в статуе. Спустя шестнадцать лет, в 60 году, над Землей снова вспыхнул хвост кометы, и римляне решили, что это нехороший знак для ненавистного многим императора Нерона. Тот, услышав подобную молву, решил по-своему обмануть судьбу – просто уничтожить всех тех, кто, по его мнению, мог быть причастным к его свержению и убийству. Комета летела высоко в небесах, а на Земле лилась кровь. И так в истории человечества будет происходить не единожды.
На изломе тысячелетий начали появляться светлые умы, которые не хотели слепо верить тому, что, казалось бы, давно объяснено. Древнеримский философ, поэт и государственный деятель Луций Анней Сенека, помимо всего прочего, устремил свой ищущий взгляд и на кометы. В своей седьмой книге «О природе» он поднимает вопросы, которые на столетия опередят свое время. Сенека вполне резонно замечает, что кометы не «висят» на одном и том же месте над головой, а, как и ночные светила, восходят и заходят. Он революционно заявляет, что для разгадки тайны этих объектов необходимо собрать все сведения о прежних их появлениях: быть может, часть из них мы уже видели ранее, а тогда их природа более подобна планетам, обращающимся по своим орбитам вокруг неподвижной земной тверди. Он не признает идею Аристотеля, умело аргументируя свои возражения признанному столпу науки. К примеру, в 146 году до нашей эры, незадолго до Ахейской войны, которая поставила точку в независимости Греции, и та была полностью подчинена великому Риму, на небе вновь пылала комета, «не уступавшая в размерах Солнцу». Но сколько же нужно соединить звезд, чтобы превзойти само Солнце? – резонно вопрошал Сенека. Теория и наблюдательная практика явно не согласовывались между собой и, конечно, это видел не он один. Артемидор из Эфеса и Аполлоний из Минда также считали, что каждая из комет есть планета, но видимая только небольшую часть времени, так как в остальное время «свет их темен», либо же мы можем видеть эти объекты лишь в определенных крайних точках их орбит. Человеческая мысль шла вперед, но понадобится еще полторы тысячи лет, чтобы люди наконец-то раскрыли тайну комет.
А мы, пропустив Темные века, переносимся в эпоху Возрождения. 1577 год. Известный астроном и астролог Тихо Браге приступает к возведению своей обсерватории «Ураниборг» («Замок Урании[32 - Урания (др. – греч. ???????, лат. Urania, Uranie) – муза астрономии в древнегреческой мифологии. Дочь Зевса и Мнемозины, рождена в Пиерии.]») на пожалованном ему королем Фредериком II в вечное пользование острове Вен, что лежит в двадцати километрах от Копенгагена. Осень украшена потрясающим зрелищем – Великой кометой 1577 года[33 - Великая комета 1577 года (С/1577 V1) – яркая долгопериодическая комета, по некоторым данным достигшая яркости –7
, хвост которой простирался более чем на 60 градусов.], и Браге начинает наблюдения этой небесной гостьи. В немецком Граце комету наблюдает и шестилетний Иоганн Кеплер, держа за руку свою маму. Они еще поработают вместе, полностью и окончательно перевернув знания человечества о Солнечной системе, но это будет нескоро. А пока Браге педантично записывает данные о положении кометы на протяжении семидесяти четырех дней. Собрав все записи воедино, как свои, так и астронома Тадеаша Гаека[34 - Тадеаш Гаек (чеш. Tadeа? Hаjek, 1525–1600) – чешский астроном, алхимик и астролог, личный врач императора Рудольфа II. Один из сторонников системы мира Коперника. Основатель меридианной астрономии.] из Праги, и убедившись в отсутствии значимого параллакса[35 - Параллакс – изменение видимого положения объекта относительно бесконечно удаленного фона в зависимости от положения наблюдателя.] наблюдений, который присутствовал даже при наблюдениях Луны, Тихо Браге делает вывод – кометы не могут являться образованиями в атмосфере Земли, они находятся далеко, много дальше Луны, там, где обращаются планеты.
Да, говоря об открытии Браге, стоит упомянуть и другого астронома – Иоганна Мюллера[36 - Иоганн Мюллер (нем. Johannes M?ller, 1436–1476) – выдающийся немецкий астроном, математик и астролог. Имя Региомонтан (лат. Regiomontanus) образовано от латинизированного названия родного города ученого (лат. Regiomontium = нем. K?nigsberg).], более известного как Региомонтан. За сто лет до описываемых событий он следил за движением Великой кометы 1472 года, аккуратно зарисовывая ее положение относительно звезд и отмечая изменения направления ее хвоста. К сожалению, он так и не понял причин изменения его ориентации, всегда направленной против Солнца, и не довел свои исследования движения комет до конца, скончавшись в возрасте сорока лет. Открытие космической природы комет откладывалось еще на сто лет.
Но вернемся к Тихо Браге, который до конца отстаивал геоцентрическую модель мира, отрицая гелиоцентрическую систему Николая Коперника[37 - Николай Коперник (польск. Mikolaj Kopernik, нем. Niklas Koppernigk; 1473–1543) – польский и немецкий астроном, математик, механик. Наиболее известен как автор фундаментального научного труда «О вращении небесных сфер» и гелиоцентрической системы мира, положившей начало первой научной революции.], хотя, казалось бы, у него на руках были неопровержимые наблюдательные данные. При этом он твердо стоял за право комет быть космическими жителями нашей планетной системы. В научном мире все еще главенствовал постулат великого Аристотеля, казавшийся незыблемым на протяжении стольких веков! Даже Галилео Галилей[38 - Галилео Галилей (итал. Galileo Galilei; 1564–1642) – итальянский физик, механик, астроном, философ, математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Стал первым ученым, который начал использовать зрительные трубы для изучения космических объектов. Сторонник гелиоцентрической модели мира.] не смог принять революционного открытия датского астронома, объяснив отсутствие параллакса тем, что кометы есть оптический эффект, иллюзия, а у подобных «нефизических» объектов не может быть и параллакса. Да, печальный пример Джордано Бруно[39 - Джордано Бруно (итал. Giordano Bruno; 1548–1600) – итальянский католический священник, монах-доминиканец, философ-пантеист и поэт, активный сторонник гелиоцентрической модели Коперника и теории бесконечности Вселенной. Признан инквизиционным трибуналом «нераскаявшимся, упорным и непреклонным еретиком» и сожжен на костре 17 февраля 1600 г.], взошедшего на костер на площади Цветов в Риме, хорошо отрезвлял. И все же авторитета Тихо Браге хватило, чтобы постепенно сломать прежнее, уже окаменелое, представление о кометах как огнях в небесах. Их признали полноправными жителями космического пространства, и уже совсем скоро люди научатся определять и их кеплеровы орбиты[40 - Кеплерова орбита – путь движения одного тела относительно другого в виде эллипса, параболы или гиперболы, описывается шестью элементами орбиты, определяющими положение небесного тела в пространстве в задаче двух тел.].
На протяжении десяти лет, с 1609 по 1619 год, преемник великого Тихо Браге – Иоганн Кеплер – публикует эмпирически выведенные им на основе наблюдений Тихо законы, но на гелиоцентрическую систему мира пока наложено табу. В 1664 году была открыта первая Великая комета эпохи Просвещения – C/1664 W1, или Великая комета 1665 года. Только представьте себе список ученых, которые наблюдали ее: Исаак Ньютон, Эдмунд Галлей, Роберт Гук, Ян Гевелий, Джованни Кассини. Ее яркость и внешний вид будоражат всех – от простого горожанина до «короля-солнца»[41 - Людовик XIV де Бурбон, «король-солнце» (фр. Louis XIV Le Roi Soleil) – король Франции и Наварры с 1643 по 1715 гг. Один из самых влиятельных монархов Франции за всю историю, сторонник абсолютизма. – Прим. ред.]. Кстати, именно эта комета побудила будущего отца классической механики, который наблюдал ее будучи студентом Кембриджа, увлечься астрономией. Конечно, и эта «хвостатая» была уличена в появлении Великой эпидемии чумы в Лондоне и, чтобы два раза не ходить, – еще и в Великом пожаре следующего года. Король Португалии Афонсу VI, посчитавший, что комета грозит лично ему, даже пытался стрелять в нее из пистолета. Интерес к кометам был, и был он огромным. Дошло до того, что король Франции Людовик XIV созывает в Париже первое в истории собрание ученых, посвященное кометам, чтобы те наконец-то объяснили, что же это за объекты. До понимания их физической природы было еще далеко, но астрономы уже склонялись к тому, что, скорее всего, это тела, пересекающие Солнечную систему по незамкнутым параболическим траекториям.
Великая комета 1664 года
В 1665 году маленькому мальчику Эдмунду Галлею еще девять лет, но именно он внесет неоценимый и революционный вклад в исследования комет. Спустя двенадцать лет, будучи студентом третьего курса Оксфорда, Галлей публикует научную работу «Об орбитах планет» и отправляется на остров Святой Елены для изучения южного неба. Результатом этой работы станет публикация «Каталога южного неба» в 1679 году, после чего Галлей переключится на новую задачу – исследование силы, которая управляет движением планет. В 1680 году германский астроном Готфрид Кирх впервые открывает комету с помощью нового научного инструмента – телескопа. Именно на этой комете Ньютон будет оттачивать свои расчеты. В 1682 году на небе загорается новая яркая странница, и Галлей берется за определение ее орбиты, но сталкивается с трудностями и обращается к Ньютону, зная, что тот уже долгое время работает над этой задачей, но не рассказывает о своих научных результатах. Именно по просьбе Галлея в ноябре 1684 года Ньютон публикует научный трактат «О движении», который станет предтечей его революционной работы «Математические начала натуральной философии» 1687 года. В этой работе Исаак Ньютон постулирует свой закон Всемирного тяготения – фундаментальный закон классической механики, который провозглашает приход нового, гелиоцентрического миропорядка. Но давайте вернемся к Галлею…
Эдмунд Галлей
Вооружившись новейшим математическим аппаратом Ньютона и архивными наблюдательными данными с 1337 по 1698 год, в том числе и наблюдениями Тихо Браге, Эдмунд садится за определение орбит двадцати четырех комет, по которым собраны длинные ряды измерений. После долгой работы, в 1705 году, он публикует фундаментальный труд «Краткий обзор астрономии комет», главной целью которого считает подтверждение закона всемирного тяготения, а также проверку гипотезы Ньютона, что кометы совершают обращение вокруг Солнца по чрезвычайно вытянутым, но все же замкнутым эллиптическим орбитам. Именно в этой работе он впервые отмечает, что орбиты комет 1531, 1607 и 1682 годов очень схожи между собой и все их измерения можно объединить в одну общую орбиту со средним периодом обращения вокруг Солнца равным 75,5 года! А зная период обращения, опять же по закону Ньютона можно легко определить большую полуось орбиты и ее эксцентриситет. И эти параметры с большой точностью совпадают с современными расчетами на эпоху 1682 года. Вот так кометы из бездомных странников превратились в жителей Солнечной системы. Выполнив расчеты с учетом простейшего возмущения кометной орбиты гравитацией Юпитера и Сатурна, Галлей предположил, что в следующий раз небесная странница 1682 года должна прилететь в 1758 году.
Сам Эдмунд Галлей, хотя и прожил долгую и насыщенную жизнь, так и не увидел триумфального возвращения кометы, которая пока еще не носила его имени – он скончался в 1742 году, в возрасте восьмидесяти пяти лет. Шли годы – и вот время настало! Астрономы внимательно следили за небом в ожидании возвращения уже знаменитой кометы. Этим занимался и молодой Шарль Мессье, о котором я еще обязательно расскажу отдельно. Прошло лето, а за ним осень – кометы не было. Неужели ошибка и крушение такой стройной и элегантной теории? За расчеты садятся французские математики и астрономы: Алексис Клод Клеро, Жозеф Жером Лефрансуа де Лаланд и первая французская женщина-математик – Николь-Рейн Лепот. Плодом их титанических усилий станет уточнение орбиты кометы и расчетов даты прохождения перигелия – при более точном учете гравитационных возмущений дата сдвигалась на 13 апреля 1759 года. Комета должна была прилететь, но немного «запаздывала» относительно расчетов самого Галлея. Но все же она будет открыта в 1758 году, точно в канун католического Рождества. И сделает это немецкий астроном-любитель Иоганн Георг Палич[42 - Иоганн Георг Палич (нем. Johann Georg Palitzsch; 1723–1788) – немецкий естествоиспытатель, астроном-любитель, первым переоткрывший комету Галлея в 1758 г. Помимо этого, занимался наблюдением переменных звезд. В его честь назван один из лунных кратеров и астероид (11970) Palitzsch.]. Комета пройдет перигелий 13 марта 1759 года – французские ученые ошибутся всего на месяц. И в том же году французский астроном Никола-Луи де Лакайль впервые назовет эту комету именем Галлея. А годом позже Алекси Клеро опишет свои методы расчета движения комет (эфемериды) и приближенного решения задачи трех тел в научном труде «Теория комет».
В следующий раз комету ожидали в 1835 году. Более точные расчеты немецкого астронома Отто Августа Розенбергера, учитывающие гравитационные возмущения от открытой к тому времени планеты Уран[43 - Уран – седьмая планета Солнечной системы, третья по диаметру и четвертая по массе. Открыта в 1781 г. английским астрономом Уильямом Гершелем и названа в честь греческого бога неба Урана.], дали ошибку определения даты прохождения перигелия всего в четверо суток. А первое прохождение перигелия в XX веке, намеченное на 20 апреля 1910 года, было с высокой точностью предсказано в 1907 году английскими астрономами Филипом Гербертом Коуэллсом и Эндрю Клодом де ля Шеруа Кроммелином с помощью новейшего математического аппарата – численных методов интегрирования движения небесных тел, основные принципы которого современные астрономы используют и по сей день. В этих расчетах, разумеется, учитывались все восемь[44 - Планета Нептун открыта 23 сентября 1846 г. Восьмая и самая дальняя от Солнца планета Солнечной системы, четвертая по диаметру и третья по массе.] планет Солнечной системы, о которых мы знаем. По иронии судьбы, планета Нептун также была открыта благодаря математическим расчетам. В начале XX века ученым наконец-то удалось «связать» воедино все разрозненные наблюдения кометы Галлея начиная с 240 года до нашей эры, тем самым ее наблюдательная дуга превысила 2200 лет! Последний перигелий комета Галлея прошла 8 февраля 1986 года. Именно тогда, впервые в истории человечества, комету изучали несколько космических аппаратов, выводя исследования космических странников Солнечной системы на абсолютно новый уровень. Об этом мы поговорим в конце главы, а пока давайте вернемся на Землю.
На протяжении тысячелетий люди наблюдали кометы визуально, сначала используя лишь зрение, а позже применяя оптические инструменты, которые расширили наши возможности. В 1680 году впервые была открыта комета с помощью телескопа – комета Кирха или, как ее еще называли, комета Ньютона. А спустя 178 лет, в сентябре 1858 года, комету впервые запечатлели на фотографии. Это стало началом новой эры изучения хвостатых странниц – фотографического наблюдения и исследования. Первой в истории космической фотомоделью стала комета Донати (C/1858 L1), открытая итальянским астрономом Джованни Баттиста Донати 2 июня 1858 года. Ее семисекундный снимок был получен 27 сентября в Уолтоне-на-Холме английским фотографом-портретистом Уильямом Ашервудом с помощью объектива диаметром 82 мм и фокусным расстоянием 305 мм. К сожалению, эта историческая фотография не сохранилась. А первую фотографию, полученную через телескоп, сделал на следующую ночь американский астроном Джордж Филлипс Бонд в обсерватории Гарвардского колледжа. Это был тот самый ученый, который получил первую фотографию звезды – ею стала Вега – и первый фотоснимок двойной звезды – известного всем Мицара из ручки Ковша Большой Медведицы. С этого момента все яркие кометы, появлявшиеся на земном небе, активно фотографировали, и ученые уже могли скрупулезно изучать морфологию как головы кометы, так и ее хвостов.
Как раз в 1858 году выдающийся российский астроном Федор Александрович Бредихин занялся исследованием строения хвостов комет. Немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель первым сделал вывод о том, что динамика частиц кометного хвоста вызвана отталкивающими силами, исходящими от Солнца и изменяющимися обратно пропорционально квадрату гелиоцентрического расстояния[45 - Гелиоцентрическое расстояние – расстояние от небесного тела (планеты, кометы, астероида и др.) до центра Солнца.]. Опираясь на его труды по исследованию хвоста кометы Галлея при ее появлении в 1835 году, Бредихин создал максимально точную на то время «механическую теорию кометных форм». Его математическая модель позволила описать поведение вещества – малых пылевых частичек – как в голове кометы, так и внутри ее хвоста. Пыль, выброшенная из ядра кометы, начинает двигаться не только под действием притяжения к Солнцу, но и отталкиваясь от него вследствие давления солнечного света. Что же касается газового или, как его еще называют, ионного хвоста кометы, который «развевается» в потоке солнечного ветра, то до открытия этого плазменного эффекта и даже появления самого термина «солнечный ветер», введенного американским астрофизиком Юджином Паркером, оставалось еще сто лет. В 1877 году в свет вышла классификация кометных хвостов, в которой Бредихин изначально разделил их на три типа: прямолинейные, в виде изогнутого конуса и короткие прямые хвосты. В 1884 году он добавил и четвертый тип – аномальный хвост, направленный к Солнцу. Но более подробно об украшениях комет – их хвостах, а также структуре их ядер, газово-пылевой оболочке и физических свойствах мы поговорим в следующей главе, а здесь продолжим повествование о развитии наших знаний о кометах.
Итак, первые фотоснимки комет были получены; следующим этапом стали спектроскопические исследования. Ими занялся все тот же астроном, в честь которого была названа первая сфотографированная комета – Джованни Донати. Идея одновременной регистрации всей ширины электромагнитного спектра была реализована немецким ученым Йозефом Фраунгофером еще в начале XIX века. В его первом приборе – спектроскопе – луч света, прошедший через специальные щели и линзы, превращался в узкий пучок параллельных лучей, которые, падая на призму, расщеплялись, и волны разной длины отклонялись на разные углы. Изображение наблюдали через специальную трубку с нанесенной на нее шкалой для измерений. Изобретение фотографии многое поменяло не только в повседневной жизни, но и в различных областях науки. Вместо трубки стали использовать фотокамеру, и спектры стали проецировать на фотопластинку для их дальнейшего анализа.
В 1862 году Донати опубликовал работу о возможности определения физических свойств звезд по их спектрам. А в 1864 году ученый, уже имевший опыт получения спектров Солнца и ярких звезд, впервые провел спектроскопические наблюдения яркой кометы C/1864 N1 (Tempel), или 1864 II по старой номенклатуре. Заметим, что спектроскопические измерения голов комет отличаются от исследования звезд. В большей степени газово-пылевые оболочки комет «светят» отраженным солнечным светом, то есть их спектр ничего не говорит нам о химических элементах в составе головы кометы. Чем активнее комета, тем выше вероятность зафиксировать эмиссионные линии – линии излучения веществ, входящих в состав окружающей ядро газово-пылевой оболочки. Но состав самого ядра все равно от нас скрыт.
Донати повезло: на фоне отраженного солнечного спектра он увидел несколько эмиссионных линий, хотя и не смог их идентифицировать. Спустя четыре года ему помог с этим английский астроном-любитель Уильям Хаггинс, первым установивший, что это свечение принадлежит молекулам двухатомного углерода (C
). В 1881 году уже сам Хаггинс, который построил частную обсерваторию и всерьез занялся новым направлением в астрономии, с помощью щелевого спектрографа обнаружил эмиссионные линии активного радикала циана CN, а также молекулы трехатомного углерода (C
) в газово-пылевой оболочке кометы Теббатта (C/1881 K1), или Великой кометы 1881 года. Независимо ее спектр изучал и другой гениальный самоучка – американский врач и астроном-любитель Генри Дрейпер (Дрэпер). Кстати, именно он получил первый широкоугольный снимок кометного хвоста. Спектроскопия комет стала научной обыденностью, но продолжила совершенствоваться.
Наступил XX век. В 1909 году мир ждал нового пролета кометы Галлея. Во-первых, это было ее первым появлением с момента изобретения фотографии, а во-вторых, ученые уже были вооружены и другим научным новшеством – спектроскопией. Комета была обнаружена, или, как говорят астрономы, переоткрыта, 11 сентября 1909 года немецким астрономом Максимилианом Вольфом в Гейдельбергской обсерватории с помощью 72-сантиметрового телескопа-рефлектора как объект 16–17 звездной величины. 20 апреля 1910 года она прошла перигелий, а 18 мая ее ядро оказалось точно на фоне диска Солнца. В этот момент Земля погрузилась в ее протяженный хвост, из-за чего, конечно же, началась паника, но об этом я более подробно расскажу в другой главе. За этим историческим транзитом следили многие обсерватории по всему миру, в том числе и в Москве. Наблюдения проводили Витольд Карлович Цераский и Павел Карлович Штернберг. Они не смогли, как и их зарубежные коллеги, зафиксировать ядро кометы и на основании этого дали верхнюю оценку диаметра ядра – не более двадцати километров, что подтвердилось при следующем пролете кометы в 1986 году.
Комета Донати
В ходе сближения кометы Галлея с Землей в 1910 году было получено свыше полутысячи фотоснимков и около сотни спектрограмм. В ее хвосте были обнаружены смертельно опасные для человека циан (C
N
) и угарный газ (CO). Конечно, вещество в хвосте кометы настолько разрежено, что оно не могло нанести вреда нашей планете и ее населению. Накопленные научные данные позволили немецкому астроному и физику Карлу Шварцшильду и химику Ричарду Крону в 1911 году понять механизм свечения кометных молекул, а советскому астроному Сергею Владимировичу Орлову, внесшему большой вклад в исследования комет, создать теорию формирования и эволюции кометных голов.
В 1930-х годах советский астроном и известный исследователь комет Сергей Константинович Всехсвятский, автор фундаментального научного труда «Физические характеристики комет», пытается развить гипотезу французского математика и астронома Жозефа-Луи Лагранжа, предложенную им еще в 1812 году, говорящую о том, что кометы – это выбросы вещества с поверхности планет и спутников. Но это был ошибочный путь. В начале 1940-х годов советский ученый Отто Юльевич Шмидт предлагает новую концепцию формирования планетных систем – из протопланетного диска путем аккумуляции (объединения) малых тел. Эта теория впервые объяснила деление планет Солнечной системы по массе и химическому составу, а позже была дополнена теорией гравитационной аккреции вещества.
Комета Галлея в 1910 году
Начало 1950-х годов выдалось революционным в области изучения комет. В 1950 году американский астроном Фред Лоуренс Уиппл[46 - Фред Лоуренс Уиппл (англ. Fred Lawrence Whipple, 1906–2004) – американский астроном, исследователь комет, метеоров, планетарных туманностей, проблем эволюции звезд и Солнечной системы. Открыл 6 комет.] в серии статей предлагает общепринятую теперь концепцию строения кометных ядер: они состоят из смеси льдов (замороженных летучих веществ) и тугоплавкого каменистого метеоритного вещества. Данная теория «грязного снежка» была подтверждена космическими миссиями, о которых я расскажу совсем скоро, а о теории формирования кометных ядер мы поговорим уже в следующей главе. В том же переломном для наших знаний о кометах году Ян Оорт предлагает научному миру свое видение основного источника долгопериодических комет, о чем мы уже подробно говорили в первой главе. Спустя год немецкий астроном Людвиг Бирман впервые дает верное объяснение динамики плазменных кометных хвостов, изменения в которых вызваны взаимодействием с потоком заряженных частиц, исходящих от Солнца – с еще не открытым тогда солнечным ветром.
На протяжении столетий кометы наблюдали в видимой области электромагнитного спектра, а во второй половине XX века ученые наконец-то смогли изучать кометы и в других диапазонах длин волн. В 1973 году были предприняты первые попытки зафиксировать радиоизлучение комет. Для этой цели выбрали потенциальную «комету столетия» – C/1973 E1 (Kohoutek)[47 - Долгопериодическая комета, открытая чешским астрономом Лубошем Кохоутеком 7 марта 1973 г. в Гамбургской обсерватории (Германия).], которая, правда, как это часто бывает с косматыми странниками, не оправдала возложенных на нее надежд. Радионаблюдения комет в непрерывном спектре могут дать уникальную информацию о внутренней коме, а оптические и спектральные данные, наоборот, о внешней составляющей головы кометы и ее хвосте. Радиоизлучение впервые наблюдали в декабре 1973 года на волне длиной 1,4 мм и в январе 1974 года на волне 3,71 см. Источником этого излучения считается облако ледяных частичек, находящееся в непосредственной близости от кометного ядра; размер облака оценивается в 850 километров. Но никакого точечного источника зафиксировано не было. Также не удалось получить отраженный сигнал (эхо) от ядра кометы в ходе ее радиолокации с помощью 37-метрового радиотелескопа Хэйстэк (Вестфорд, Массачусетс). Негативный результат в науке тоже важен; в данном случае он позволил сделать верхнюю оценку размера ядра кометы – не более 2,1 километра.
Комета Кохоутека
С другой стороны, беспрецедентные мультиспектральные наблюдения кометы Кохоутека, самой «наблюдаемой» до возвращения кометы Галлея в 1986 году, дали ученым новые знания. Впервые в кометах были обнаружены метилцианид, цианистый водород и кремний, а также наконец-то можно было утверждать, что в их составе присутствует вода. Обобщенный анализ данных показал состоятельность модели «грязного снежка» Уиппла, а идея «песчаной отмели», которую параллельно развивал британский астроном Реймонд Литлтон, представлявший ядро кометы как рыхлые, слабосвязанные между собой скопления частиц пыли с незначительным количеством льда, ушла с научной сцены и была забыта.
Начало 1980-х годов ознаменовалось подготовкой человечества к юбилейному, тридцатому визиту кометы Галлея. И в этот раз ее появление зафиксировали уже не на фотопленку, а на сверхсовременный тип детектора – прибор с зарядовой связью (ПЗС). Переоткрыли комету 16 октября 1982 года американские астрономы Дэвид Джуитт и Эдвард Дэниелсон на цифровых снимках с 5,1-метрового телескопа «Хейл» (Маунт Паломар, Калифорния, США). Пролет 1986 года стал поистине вехой в принципиально новом направлении исследования комет – в непосредственной близости (in situ), из космоса. Да, комета Галлея не стала первым объектом, который наблюдали вне пределов земной атмосферы. Первой стала комета C/1969 T1 (Tago-Sato-Kosaka), которую наблюдала «Орбитальная астрономическая обсерватория 2» (ОАО-2): вторая из серии космических обсерваторий-спутников, позволявших проводить наблюдения в ультрафиолетовой, рентгеновской и гамма-областях электромагнитного излучения, которые не пропускает земная атмосфера. Для изучения Вселенной было необходимо вынести детекторы в космос. Первый спутник ОАО-1, запущенный 8 апреля 1966 года, проработал всего три дня, после чего связь с ним была утеряна. А вот второй аппарат, который отправился в космос 7 декабря 1968 года, помог ученым сделать новые потрясающие открытия, в том числе и о кометах.
В 1960-х годах высказывалось предположение, что головы комет могут быть окружены исполинскими облаками водорода, которые можно зафиксировать на волне 121,5 нанометра (?-линия Лаймана), но подтвердить или опровергнуть эту идею можно было лишь с использованием ультрафиолетового телескопа. Ответить на этот вопрос удалось 14 января 1970 года. Область рассеянного свечения обнаруженного водородного облака кометы C/1969 T1 простиралась на 800 тысяч километров. Но эти размеры не идут ни в какое сравнение с водородной атмосферой, обнаруженной у одной из самых ярких комет 1970-х – кометы Беннетта (C/1969 Y1), у которой облако протянулось на 20 миллионов километров, многократно превысив диаметр Солнца! Масса водорода, содержавшаяся в нем, оценивается в несколько миллионов тонн. Появились и первые оценки массы воды, теряемой кометой в ходе пролета внутренней области Солнечной системы – более двухсот миллионов тонн.
12 августа 1978 года в космос отправилась революционная миссия, история которой продлится более тридцати шести лет! International Sun-Earth Explorer-3 («Международный исследователь Солнца и Земли» или ISEE-3) стал первым космическим аппаратом, запущенным в точку Лагранжа L1 системы Солнце—Земля. На первом этапе научными задачами ISEE-3 были изучение солнечного ветра и его взаимодействия с магнитосферой Земли, а также космических лучей. В области L1 аппарат успешно проработал практически три года, что дало ученым-баллистикам бесценный опыт, который позже был использован, в том числе, для управления спутником SOHO – героем следующих глав. 10 июня 1982 года космический аппарат перевели на гомановскую переходную орбиту[48 - Го?мановская орбита – в небесной механике эллиптическая орбита, используемая для перехода между двумя другими орбитами, обычно находящимися в одной плоскости. Описана немецким инженером Вальтером Гоманом (1880–1945).]. После серии нетривиальных гравитационных маневров вблизи Земли и Луны космический аппарат был выведен на гелиоцентрическую орбиту, а сама миссия переименована в International Cometary Explorer (ICE), или «Международный кометный исследователь». 11 сентября 1985 года впервые в истории человечества космический аппарат прошел свозь ионный хвост кометы 21P/Giacobini-Zinner всего в 7800 километрах от ее ядра. К сожалению, на аппарате отсутствовала камера, так что снимков ядра кометы с близкого расстояния пришлось ждать еще полгода.
Комета Беннетта
23 марта 1983 года на высокоэллиптическую орбиту была выведена советская космическая ультрафиолетовая обсерватория «Астрон». Космический аппарат массой более трех тонн нес на борту 80-сантиметровый телескоп и комплекс рентгеновских спектрографов. Вместо запланированного года работы спутник проработал шесть лет, дождавшись очередного прилета кометы Галлея. В декабре 1985 года по данным, полученным «Астро?ном», советские ученые под руководством будущего директора Института астрономии РАН Александра Алексеевича Боярчука[49 - Александр Алексеевич Боярчук (1931–2015) – советский и российский физик и астроном. Академик РАН (с 1987 г.). Научный руководитель Института астрономии РАН. Внес весомый вклад в исследование физики звезд. Под его руководством был создан космический ультрафиолетовый телескоп «Астрон».] создали более точную и комплексную модель кометной комы. Космическая обсерватория успела пронаблюдать и вспышку сверхновой звезды 1987 года (SN 1987A) в соседней галактике-спутнике Млечного Пути – Большом Магеллановом Облаке.
Политически поляризованный научный мир готовил две независимые научные космические программы по изучению знаменитейшей кометы. В СССР это была программа «СоПроГ» («Советская программа исследований кометы Галлея»), а международная программа называлась The International Halley Watch (IHW). За несколько лет к комете направился целый флот из пяти автоматических межпланетных станций, за которыми закрепилось неофициальное название «Армада Галлея». От Советского Союза ядро кометы исследовали две космические миссии, «Вега-1» и «Вега-2», переключившиеся на комету после изучения облачной сестры Земли – Венеры. Само название аппаратов никак не было связано со знаменитой звездой, а расшифровывалось как «Венера-Галлея». Первый космический аппарат начал передавать изображения кометы 4 марта 1986 года с расстояния 14 миллионов километров, а уже 6 марта пролетел всего в 8879 километрах от ее ядра. Это были первые в истории человечества изображения сердца кометы – ее ядра, той тайны, что так долго скрывали космические странники под непроницаемым пологом своей газово-пылевой оболочки. Проходя сквозь поток кометных частиц, аппарат уцелел, но мощность его солнечных батарей упала практически вдвое. Спустя три дня, 9 марта 1986 года, «Вега-2» пролетела еще ближе – всего в 8045 километрах. Скорость сближения обоих аппаратов с ядром кометы составляла внушительные 73 километра в секунду; несмотря на это, аппараты успешно передали на Землю семьдесят детальных изображений кометного ядра, а общее число снимков кометы превысило полторы тысячи. Их анализ позволил с высокой, невиданной ранее точностью напрямую измерить размер ядра кометы: 8?8?16 километров, оценить альбедо, которое составило классические для ядер комет 4 %, зафиксировать динамику выбросов вещества и наличие небольших ударных кратеров на поверхности кометного ядра. Это был безусловный успех! СССР снова был впереди всех в космосе!
8 и 11 марта окрестности кометы посетили два небольших японских зонда-близнеца, построенных на единой платформе, но с разным набором научного оборудования. Первым в 150 тысячах километров от ядра пролетел космический аппарат «Суйсэй» («Комета»). Да, не близко, но его главной задачей были не детальные снимки ядра, а изучение водородной головы кометы с помощью ультрафиолетового детектора, а также солнечного ветра в окрестностях кометы. Второй аппарат, который на самом деле был запущен первым, что отражено в его имени – «Сакигакэ» («Пионер»), поскольку это был первый межпланетный зонд, созданный и запущенный не СССР и США, пролетел мимо головы кометы 11 марта на расстоянии около 7 миллионов километров. Его главной задачей было уточнение орбиты кометы и наведение «Суйсэй» на цель. Помимо этого, «Сакигакэ» изучал космическую плазму и магнитное поле в межпланетном пространстве. Их миссия была успешной, после чего у ученых появились новые планы по изучению кометы Джакобини – Циннера (21P/Giacobini-Zinner), но из-за нехватки топлива на обоих аппаратах от них пришлось отказаться.
Стоит отметить, что, несмотря на напряженную политическую ситуацию в мире, разделенном на два лагеря, научное сотрудничество все же имело место. К примеру, данные с «Веги-1» и «Веги-2» были использованы для уточнения баллистических расчетов и коррекции орбиты космического аппарата Европейского космического агентства «Джотто»[50 - Международная научная программа «Лоцман».], ведь ему предстоял сверхтесный пролет – всего в нескольких сотнях километров над поверхностью ядра кометы Галлея. Свое название космический аппарат получил в честь великого итальянского художника эпохи Возрождения Джотто ди Бондоне, изобразившего на фреске «Поклонение волхвов» именно эту знаменитую комету.
Когда цель была совсем близка и до нее оставалось всего 1200 километров, «Джотто», по-видимому, столкнулся с крупным фрагментом кометы – его камера и часть оборудования вышли из строя, а сам космический аппарат временно потерял управление. 14 марта он пролетел (по баллистическим расчетам) всего в шестистах километрах от ядра, но впереди его ждал визит к другому ледяному страннику. В апреле 1990 года «Джотто» был выведен из состояния гибернации и направлен к комете 26P/Grigg-Skjellerup[51 - Короткопериодическая комета семейства Юпитера, которая была открыта 23 июля 1902 г. новозеландским астрономом Джоном Григгом. Вскоре после открытия комета была потеряна и переоткрыта через 20 лет австралийский любителем астрономии Джоном Скьеллерупом.]. Их встреча состоялась 10 июля 1992 года, причем в этот раз отважный космический аппарат пролетел еще ближе к ядру кометы – всего в двухстах километрах от его поверхности! К большому сожалению, у нас нет снимков этого потрясающего события, так как камера «Джотто» была повреждена еще во время пролета ядра кометы Галлея. Но вернемся немного назад…
В конце марта 1986 года, вслед за «Армадой Галлея», наш старый знакомый – «Международный кометный исследователь» прошел сквозь хвост знаменитой кометы на расстоянии около 28 миллионов километров от ее ядра, после чего ICE занялся изучением Солнца. В последний раз связь с ним была успешно установлена в июле 2014 года. Более того, тогда же, впервые с 1987 года, удалось запустить и его двигатели. К сожалению, на эту операцию ушли последние запасы топлива, и 16 сентября того же года связь с аппаратом была окончательно потеряна.
Технический прогресс достиг того, что современные ученые могут наблюдать комету Галлея в любой точке ее орбиты – самые крупные наземные и космические телескопы дают нам такую возможность. Астрономы могут изучать динамику изменения активности кометы в широком диапазоне гелиоцентрических расстояний, по сути, от орбиты Плутона до орбиты Меркурия. Совсем скоро, в декабре 2023 года, комета Галлея пройдет афелий и снова устремится навстречу Солнцу. Свой очередной перигелий она пройдет 28 июля 2061 года. Интересно, какими техническими новинками ученые встретят ее тогда? Я думаю, что будет предпринята попытка посадки космического аппарата с забором кометного вещества, а возможно, даже организована пилотируемая миссия. Продолжится и детальное картографирование поверхности ядра кометы. Так что мы продолжим двухтысячелетнюю летопись этой космической странницы.
Девяностые годы XX века подарили нам две потрясающие кометы: Хейла – Боппа (C/1995 O1) и Хякутакэ (C/1996 B2). Про них я еще расскажу отдельно, а здесь остановлюсь лишь на новых методах исследования и их кратких результатах. Одним из основных достижений ученых стало наблюдение комет в субмиллиметровом диапазоне волн – длиной от нескольких сотен микрометров до миллиметра. Как я уже говорил, для таких наблюдений с поверхности Земли нам сильно мешает наш планетарный щит – атмосфера. На Земле есть лишь несколько мест, где возможны субмиллиметровые наблюдения. Как только человечество смогло выводить научные приборы в космос, эта проблема начала решаться. Первым космическим субмиллиметровым детектором стал «Бортовой субмиллиметровый телескоп БСТ-1М», размещенный вместе с другими научными приборами на борту советской орбитальной станции «Салют-6», запущенной в космос 29 сентября 1977 года и затопленной спустя пять лет. Ей не повезло – она так и не дождалась подходящей кометы для исследования.
В 1987 году на гавайском вулкане Мауна-Кеа «первый свет» увидел циклопический 15-метровый телескоп «Джеймс Кларк Максвелл» субмиллиметрового диапазона, конструкция которого позволяет наблюдать даже Солнце. Помимо субмиллиметровой, в 1980-х бурно развивалась и инфракрасная астрономия, закрывшая промежуток электромагнитного спектра между видимым и субмиллиметровым диапазонами длин волн. Итак, человечество было во всеоружии, и мультиспектральные наблюдения двух ярких комет в 1996 и 1997 годах позволили сразу открыть более двух десятков химических элементов, входящих в состав кометных голов и хвостов. Эти данные, к примеру, позволили по-другому взглянуть на проблему появления воды на Земле. К новому тысячелетию мы уже много знали о строении и химическом составе газово-пылевых кометных оболочек и красивейших хвостов, и все больший научный интерес вызывало прямое исследование самих кометных ядер, скрытых от посторонних глаз. А, как известно, раз гора не идет к Магомету, то Магомет идет к горе…
Первой экспериментальной миссией стала Deep Space 1 («Дальний космос 1»), которая должна была протестировать новые научные и технические решения: ионный двигатель, автономную систему навигации, комплекс программного обеспечения, позволяющий самовосстанавливаться после сбоев в работе, миниатюрные научные приборы и системы связи. Зонд был запущен 24 октября 1998 года и в целом показал хорошую работоспособность, за исключением выхода из строя системы ориентации. Когда его основная задача была выполнена, космический аппарат направили на сближение с астероидом (9969) Брайль, пересекающим орбиту Марса (так называемый марс-кроссер) и к короткопериодической комете Борелли (19P/Borrelly), открытой 28 декабря 1904 года французским астрономом Альфонсом Борелли в знаменитой Марсельской обсерватории. 22 сентября 2001 года автоматическая межпланетная станция пролетела всего в 2170 километрах от ядра кометы и, несмотря на технические неполадки, все же смогла передать на Землю ценные научные данные, включая фотоснимки кометного ядра с лучшим на тот момент разрешением. Ученые увидели гигантский гейзер, вырывающийся из-под поверхности кометы на 60 километров. На более близких и детальных снимках стало очевидно, что это не одна, а три струи, бившие из ярких «пятен» на поверхности кометы. Это был несомненный научный успех и шаг вперед.
Менее чем через полгода после запуска Deep Space 1, 7 февраля 1999 года, на встречу с кометой Вильда 2 (81P/Wild), открытой 6 января 1978 года швейцарским астрономом Паулем Вильдом на обсерватории Циммервальда Астрономического института университета Берна (Швейцария), была отправлена новая кометная миссия Stardust («Звездная пыль»). Как видно из названия, ее основной целью был сбор твердых частиц из кометной комы и хвоста. Это был компромиссный, простой и намного более дешевый вариант, давший возможность прямого изучения вещества кометного ядра без необходимости сажать на него космический аппарат, чтобы взять пробы грунта и доставить их на Землю.
«Ловушка» для кометных частичек, похожая на теннисную ракетку диаметром около 40 сантиметров, состояла из 132 сегментов, заполненных специальным веществом – аэрогелем, позволявшим эффективно затормозить частицы и предотвратить их перегрев и расплавление при достаточно низкой, конечно по космическим меркам, относительной скорости сближения и удара – около шести километров в секунду. 2 января 2004 года Stardust прошел всего в 237 километрах от ядра кометы, параллельно со сбором пыли делая и ее фотоснимки. 15 января 2006 года капсула с образцами кометного вещества благополучно вернулась на Землю, а дальше начался долгий и сложный процесс исследования содержимого «ловушки». Для этого была создана Stardust@Home – коллективная распределенная система исследования миллионов снимков микросрезов аэрогеля, полученных с помощью микроскопа. На этих снимках обычные люди искали как сами частицы, так и следы их торможения (треки). Я тоже принимал в этом участие и даже нашел несколько проплавленных треков в аэрогеле. Данные объединялись, и к ученым поступала статистическая информация, на каких снимках, скорее всего, присутствует что-то по-настоящему интересное. Результатом этой совместной работы стало обнаружение трех десятков частичек, среди которых был и образец межзвездной пыли. Классификация проводилась по длине трека торможения, а значит, по скорости частицы и по направлению ее движения. Заметил частицу межзвездной пыли Брюс Хадсон из Канады в 2010 году, и она даже получила собственное имя – «Орион». В финальном пресс-релизе, выпущенном после завершения работы Stardust@Home в 2014 году, говорилось уже об обнаружении семи подобных частиц.
Миссия Stardust была успешной, но на этом она не завершилась. На борту космического аппарата оставались значительные запасы топлива, и было решено задействовать его в новой научной программе – New Exploration of Tempel 1 («Новое исследование Темпель 1»). Но сначала мне нужно рассказать о другой космической миссии, которая продлила жизнь зонда Stardust на долгие пять лет.
Когда ученые все еще ждали прибытия на Землю капсулы с кометным веществом, с мыса Канаверал стартовала новая межпланетная космическая станция Deep Impact («Глубокое воздействие»). 12 января 2005 года ракета-носитель «Дельта-2» унесла в космос шестисоткилограммовый аппарат, большую часть массы которого составлял кинетический ударник. Это была не просто 372-килограммовая болванка, а, по сути, еще один космический аппарат. У него имелись свои маневровые двигатели, бортовая вычислительная система и оптическая система навигации с телескопом диаметром 120 мм, дающим предельное разрешение изображения в 20 сантиметров на пиксель с расстояния в 20 километров. Сама «ударная» часть – 113 килограммов медных пластин, служила для образования заметного кратера на поверхности, который в будущем надеялись зафиксировать фотографически.
3 июля 2005 года в 6 часов утра по всемирному времени кинетический ударник отделился от космического аппарата, который начал выполнять торможение и маневр уклонения, чтобы пройти мимо ядра кометы на безопасном расстоянии. А ударник двигался к цели на протяжении практически суток, совершив несколько корректирующих маневров за пару часов до столкновения. 4 июля в 5 часов 52 минуты по всемирному времени, в День независимости США, космический снаряд на скорости 10,2 километра в секунду врезался в ядро кометы, вызвав энерговыделение, сопоставимое со взрывом 4,8 тонн тротила. Ученые на Земле узнали о том, что миссия успешно завершена, лишь спустя пять долгих и мучительных минут. Интересный факт: любой желающий мог отправить свое имя, которое было записано на мини-CD-диск, прикрепленный к ударнику. Мое имя, как и 625 тысяч других имен, тоже есть на этом диске.
Конечно, за столкновением следило большое число наземных и космических телескопов, включая космическую обсерваторию Swift. Анализ полученных данных показал, что в результате удара в космос было выброшено более пяти тысяч тонн воды и от десяти до двадцати пяти тысяч тонн пыли и твердых частиц кометного ядра. Интересен и состав этого материала. Были обнаружены минералы, способные формироваться лишь при температурах свыше 1100 кельвинов (827 °C), и летучие вещества, стабильные лишь при температуре ниже 100 кельвинов (–173 °C), а значит, ядро кометы состоит из веществ, которые образовались в разных областях Солнечной системы и, возможно, даже в разные эпохи ее эволюции. Эксперимент подтвердил предположение о том, что ядра комет обладают очень пористой структурой. Исходя из анализа данных, более трех четвертей внутреннего объема кометного ядра занимают полости, содержащие летучее вещество. Можно сказать, что кометы являются «космическими цистернами» с замерзшим газом, в том числе и ядовитым. А вот сам кратер, к большому сожалению ученых, обнаружить так и не удалось. Всему виной тот выброс вещества и пыль, которая была поднята ударом. Deep Impact улетел, и нужен был новый аппарат, который позволил бы зафиксировать последствия космического столкновения.
Момент столкновения кинетического ударника КА Deep Impact с ядром кометы Темпеля
И здесь на сцену вновь выходит космический аппарат Stardust, движущийся по гелиоцентрической орбите и обладающий достаточными запасами топлива. 2 июля 2007 года миссию переименовывают в NExT (New Exploration of Tempel 1, «Новое исследование Темпеля 1») и переводят на орбиту сближения с «торпедированной» кометой. 15 февраля 2011 года зонд пролетает всего в 182 километрах от ее ядра и получает 72 снимка, которые ученые ждали на протяжении без малого шести лет. Данные принимает сеть Дальней космической связи, и астрономы берут их в обработку. В тот же день они выступают с заявлением, что кратер от удара обнаружен! Его размер оценивается в 100–150 метров при глубине порядка 30 метров. Таким образом, долгая миссия «ловца кометной пыли» успешно завершилась. 24 марта 2011 года на борт аппарата Stardust, находящегося в 312 миллионах километров от Земли, была передана команда на выполнение последнего запуска двигателя для полного сжигания того мизерного количества топлива, что еще находилось в его баках и которого не хватило бы на выполнение новых научных задач. После чего, не имея возможности поддерживать ориентацию антенны на Землю, космический аппарат замолчал навсегда.
После успешного выполнения миссии Deep Impact в очередной раз было принято решение использовать частично работоспособный аппарат для других научных задач. Вернуться к своей первой цели и отснять результаты столкновения он не мог из-за огромных затрат топлива, ведь нужно иметь в виду, что движение в космосе происходит совсем не так, как мы ездим по дорогам на автомобилях – невозможно резко развернуться и поехать назад или в сторону. В июле 2005 года команда космического аппарата выбрала новую цель – короткопериодическую комету Боэтин (85D/Boethin)[52 - Короткопериодическая комета семейства Юпитера 85P/Boethin, ныне 85D/Boethin. Была открыта 4 января 1975 г. филиппинским астрономом-любителем Лео Боэтином. Наблюдалась в двух появлениях 1975 и 1986 г, после чего была утеряна. В 2017 г. официально признана разрушившейся.], сближающуюся с Землей. Для этого зонду необходимо было совершить гравитационный маневр вблизи Земли в декабре 2007 года, чтобы уже в следующем декабре пролететь всего в 700 километрах от ядра кометы. По традиции меняется и название миссии, теперь это EPOXI (Extrasolar Planet Observation and Deep Impact Extended Investigation, или «Наблюдение экзопланет и расширенное исследование миссии Deep Impact»). Да, название может сбить с толку. На самом деле дальнейшая научная программа была симбиозом двух предложенных научных задач по наблюдению и исследованию экзопланет из космоса (EPOCh) и сближению и изучению новых комет (DIXI).
Время «Икс» приближалось, но астрономы никак не могли отыскать свою цель: комета Боэтин не была видна с марта 1986 года, хотя ученые с высокой точностью знали ее орбиту, ведь наблюдательная дуга составляла 11 лет и комета наблюдалась уже в двух появлениях. В итоге ученым-баллистикам пришлось быстро искать новую цель, и за месяц до назначенного гравитационного маневра ею становится короткопериодическая комета Хартли (103P/Hartley). Такое решение было вынужденным и предполагало увеличение времени полета к комете до двух лет, с двумя гравитационными маневрами вместо одного. В итоге 4 ноября 2010 года космический аппарат успешно достиг своей цели, пролетел на расстоянии 700 километров от ядра кометы и передал на Землю потрясающие фотографии, на которых отчетливо видны величественные плюмажи выбросов от сублимации реликтовой углекислоты (CO
), образовавшейся еще на заре формирования нашей Солнечной системы. В 2012 году на своем пути к околоземному астероиду (163249) 2002 GT, которого он должен был достичь в начале 2020 года, зонд с большого расстояния провел наблюдения долгопериодической кометы C/2009 P1 (Garradd). К сожалению, намеченным планам не суждено было сбыться из-за потери связи в середине августа 2013 года, а 20 сентября того же года миссия была официально признана потерянной.
Ученые уже получили подробные сведения о внешнем виде и строении кометных ядер, проникнув своими космическими аппаратами за занавес кометной комы – но оставалась еще одна пока не решенная задача – посадка на поверхность кометы и прямое изучение ее грунта. Опыт уже был – в 2001 году автоматическая межпланетная станция NEAR Shoemaker произвела успешную мягкую посадку на поверхность околоземного астероида Эрос, а в 2005 году японский космический аппарат Hayabusa («Сапсан») совершил несколько попыток забора частичек грунта с околоземного астероида (25143) Итокава. Миссию преследовали постоянные технические проблемы, перипетии которых выходят за рамки этой книги, но в итоге, впервые в истории человечества, спускаемая капсула доставила астероидный грунт на Землю в 2010 году. Всего было собрано менее одного грамма вещества, но и его анализ дал новые научные результаты. Причем это вещество стало одним из самых дорогих на Земле, ведь его грамм стоил более 112 миллионов долларов США (стоимость космической миссии).
Работа над новым амбициозным «кометным» проектом в Европейском космическом агентстве (ЕКА) началась после успешного изучения кометы Галлея в ходе ее пролета 1986 года. Пять космических аппаратов получили множество научных данных, но все же они не ответили на вопрос о химическом составе ядра. В 1992 году пришло понимание, что задуманную миссию с доставкой образцов грунта на Землю из-за ограниченности бюджета ЕКА в одиночку не выполнить. Решение работать вместе было логичным. СССР распался, а его преемнику – Российской Федерации было явно не до этого, так что можно было не торопиться. В итоге новая космическая миссия была разделена с NASA, которое взялось за программу Comet Rendezvous Asteroid Flyby (CRAF, «Сближение с кометой и пролет астероида»). В ходе выполнения программы, как ясно из ее названия, предполагался близкий пролет одного из астероидов и сближение с кометой с выходом на орбиту вокруг ее ядра, а ЕКА занялось посадкой, взятием грунта и доставкой его на Землю – программа Comet Nucleus Sample Return (CNSR, «Возвращение образца ядра кометы»). Но в 1993 году как гром среди ясного неба прозвучало заявление NASA о выходе из программы из-за секвестирования бюджета, и европейцы вновь остались одни…
Они принимают решение упростить план будущей миссии: сблизиться с одним астероидом, после чего, впервые в истории, выйти на орбиту вокруг ядра кометы, но не доставлять грунт на Землю, а совершить мягкую посадку спускаемого аппарата на поверхность кометного ядра для его анализа на месте. Сам космический аппарат планировалось столкнуть с кометой – некий аналог миссии Deep Impact. Новая исследовательская программа получает имя Rosetta («Розетта»), в честь Розеттского камня, позволившего Жан-Франсуа Шампольону расшифровать древнеегипетские иероглифы. Небольшой спускаемый аппарат тоже получил собственное имя – Philae («Филы»), в честь острова на Ниле, на котором был найден древний обелиск с иероглифической надписью, также сыгравший большую роль в изучении наследия Древнего Египта.
Первоначальный план миссии предполагал сближение и исследование короткопериодической кометы Виртанена (46P/Wirtanen), открытой 7 января 1948 года американским астрономом Карлом Виртаненом в Ликской обсерватории (Калифорния, США), а старт был запланирован на 12 января 2003 года. В декабре 2002 года, когда все уже было готово, при запуске другого спутника произошел отказ двигателей ракеты-носителя «Ариан-5», аналогичной той, которая через несколько недель должна была выводить «Розетту» в космос. После обсуждений было решено не рисковать дорогостоящим космическим аппаратом, на который ушло не только много денег, но и времени. Старт отложили на год, а значит, необходимо было менять план всей миссии, поскольку полет к комете Виртанена уже стал невозможен из-за ее неудобного расположения. Исходя из баллистических расчетов и оптимизации полетной программы, новый выбор пал на комету Чурюмова – Герасименко (67P/Churyumov-Gerasimenko), открытую 20 сентября 1969 года советскими астрономами Климом Ивановичем Чурюмовым и Светланой Ивановной Герасименко на обсерватории «Каменское плато» (Алма-Ата, СССР, ныне Казахстан). Я лично познакомился с Климом Ивановичем летом 2014 года на конференции «Asteroids, Comets and Meteors 2014», проходящей в Хельсинки, когда до кульминации миссии оставались считаные месяцы и, безусловно, комета Чурюмова – Герасименко стала самой обсуждаемой темой симпозиума.
На поверхности кометы Чурюмова – Герасименко
Автоматическая межпланетная станция «Розетта» отправилась в космос 2 марта 2004 года – впереди ее ждал долгий путь длиной более десяти лет: три гравитационных маневра – два вблизи Земли и один у Марса, пролет астероида (2867) Штейнс в 2008 году, встреча с астероидом (21) Лютеция в 2010 году и прибытие к самой комете в первой половине 2014 года. В 2007-м произошел курьезный случай – «Розетту», сближавшуюся во второй раз с Землей, обнаружил телескоп обзора «Каталина», и ее приняли за новый околоземной астероид. Это открытие было подтверждено, и новому объекту даже успели присвоить астероидное обозначение 2007 VN84. Спустя двое суток российский ученый и популяризатор науки Денис Денисенко первым предположил, что новый объект есть не что иное, как выполняющая гравитационный маневр «Розетта». Но вернемся в 2014 год…
В августе космический аппарат сблизился с кометой и начал выход на орбиту вокруг своей цели. К 10 сентября этот процесс был успешно завершен – «Розетта» обращалась вокруг кометного ядра на удалении около 30 километров. Ученые начали выбирать место посадки и уточнять баллистические расчеты для спускаемого аппарата. 12 ноября «Филы» отделился от «Розетты» и медленно, со скоростью порядка одного метра в секунду – медленнее пешехода, отправился к своей terra incognita. Спуск или, точнее, сближение заняло семь часов, и вот небольшой аппарат наконец-то коснулся древней тверди космического тела. В этот момент, чтобы зафиксировать спускаемый аппарат на поверхности ядра, когда первая космическая скорость для него составляла всего один метр в секунду, должен был сработать прижимной двигатель. Трем бурам, размещенным в посадочных опорах, необходимо было углубиться в тело кометы, а помимо этого, для уверенной фиксации на поверхности, предусматривался выстрел двух гарпунов на двухметровых тросах. Все было продумано до мелочей, многократно тестировалось и перепроверялось на Земле. Но в самый важный момент все пошло не так. Прижимной двигатель не сработал, гарпуны не выстрелили… «Филы» два раза отскочил от поверхности и через два часа после первого контакта замер в тени огромной отвесной скалы, а значит, его солнечные батареи не вырабатывали энергию. Запаса аккумуляторов хватило на двое суток работы всех десяти научных приборов, в том числе на получение потрясающих снимков с поверхности космического странника – настоящего реликта Солнечной системы, и передачу полученных данных на «Розетту», которая, выступая в качестве ретранслятора, отправляла их на Землю.
Летом 2015 года «Филы» снова вышел на связь – свою роль сыграло изменение ориентации ядра кометы относительно Солнца и расстояние до источника энергии (комета прошла перигелий 13 августа 2015 года), но менее чем через месяц связь вновь была потеряна и теперь уже навсегда. 2 сентября 2016 года на кадрах высокого разрешения, полученных с борта «Розетты», которая продолжала свою научную программу на орбите вокруг ядра кометы, в том числе по картографированию поверхности, был обнаружен метровый корпус «Филы». Выяснилось, что спускаемый аппарат не только попал в трещину, но и лежит на боку.
К концу сентября все поставленные перед «Розеттой» научные задачи были успешно выполнены, а комета удалялась от Солнца в темноту дальнего космоса, где космический аппарат с солнечными батареями не может выжить. У команды ученых появилась идея ввести аппарат в спящий режим и попытаться связаться с ним через шесть лет, когда комета Чурюмова – Герасименко в очередной раз приблизится к перигелию, но были большие сомнения, что «Розетта» сможет перенести экстремальные условия дальнего космоса. В итоге было принято решение следовать первоначальному плану и отправить космическую станцию в последний полет – к ядру исследуемой кометы. 30 сентября 2016 года двигатели «Розетты» выдали импульс, и космический аппарат, разогнавшись до трех метров в секунду, пошел на сближение. Вплоть до самого удара о поверхность станция передавала снимки и научные данные о кометных гейзерах, вырывающихся из ядра. «Розетта» купалась в них, а они, как сирены, манили ее к себе…
Миссия «Розетты» и «Филы» до сих пор является вершиной научной программы по изучению комет. Она собрала огромный массив данных, которые все еще анализируются и применяются в новых статьях, моделях и теориях. Впервые у кометы было открыто магнитное поле, но «Филы» не смог обнаружить его непосредственно на поверхности кометы. Из этого ученые сделали вывод, что магнитное поле генерируется не ядром, а потоками солнечного ветра, обтекающими его. Было точно установлено, что вода, содержащаяся в комете, совсем не похожа на воду земных океанов, а значит, эти данные поднимают новые вопросы о появлении воды на юной Земле. Об этом мы еще обязательно поговорим. «Розетта» и «Филы» получили наиболее детальные и, безусловно, самые потрясающие снимки кометного ядра. Теперь мы знаем о нем пусть не все, но уже многое. Человечество прошло длинный путь понимания природы комет – от небесного огня до снимков с поверхности кометы. Оно смогло дотянуться, пусть пока манипуляторами роботов, до других космических миров. И это заслуживает уважения!
III. Природа комет
Я рассказал о долгом тысячелетнем пути, который человечество прошло прежде, чем приблизилось к пониманию природы комет. Что же они такое на самом деле? Именно об этом мы более детально поговорим в этой главе. И начнем с самого загадочного и важного элемента – кометного ядра. О хвостах комет люди знают уже тысячи лет, в то время как об астероидах всего лишь чуть более двухсот[53 - Первый астероид – Церера (ныне карликовая планета), был открыт итальянским астрономом Джузеппе Пьяцци в Палермской астрономической обсерватории 1 января 1801 г.]. Но комета – это ее ядро, а все остальное – кома и хвост – лишь следствие его активности. По иронии природы человечество увидело ядро кометы лишь недавно. Это произошло в 1986 году, когда флот космических кораблей изучал Великую комету Галлея. За последние десятилетия произошел огромный скачок в изучении этих тел, и я расскажу о том, что мы знаем о них сегодня. Итак, давайте погрузимся в глубь газово-пылевой оболочки, туда, где от посторонних глаз скрыт настоящий реликт Солнечной системы – кометное ядро.
Как я уже писал в предыдущей главе, общее понимание того, чем является крохотное, по сравнению с комой и хвостом, кометное ядро, появилось в начале 1950-х годов. Да, отдельные и в целом верные идеи о том, что собой представляет «сердце» кометы, возникали и ранее. В 1927 году французский астроном Фернан Бальде и его американский коллега Эрл Слайфер[54 - Его брат Весто Слайфер впервые выполнил измерения лучевых скоростей галактик и первым связал красное смещение со скоростью.], изучая комету 7P/Pons-Winnecke, высказали предположение, что ее ядро – совсем небольшой, диаметром в две-три мили, монолитный объект. Напомню, что в то время активно продвигалась теория «песчаной горы» или «отмели», описывающей кометное ядро как облако или рой гравитационно связанных между собой мелких частиц, содержащих адсорбированные газы[55 - Адсорбция – самопроизвольный процесс поглощения твердым телом либо жидкостью различных веществ из окружающей среды.]
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=69894946?lfrom=390579938) на Литрес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
notes
Примечания
1
Ян Хендрик Оорт (нид. Jan Hendrik Oort; 1900–1992) – нидерландский астроном, основные научные работы которого посвящены исследованию строения и динамики Галактики, а также вопросам космогонии. Автор теории протяженного кометного облака, которое является источником наблюдаемых комет. В его честь назван кратер Оорт на Плутоне и астероид (1691) Oort.
2
Эрнст Юлиус Эпик (эст. Ernst Julius ?pik; 1893–1985) – эстонский астроном, одним из первых предсказавший существование облака планетезималей на периферии Солнечной системы и первым определивший расстояние до галактики Андромеды. Внес заметный вклад в исследование малых тел Солнечной системы. В честь его назван астероид (2099) Opik.
3
Астрономическая единица (а. е.) – единица измерения расстояний в астрономии, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца и составляющая около 150 млн км.
4
Метеороид – неофициальное название астероидов размером менее 10 м.
5
Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) – первый крупный русский ученый-естествоиспытатель, физик, химик, основоположник научного мореплавания и физической химии; заложил основы науки о стекле. Астроном – первооткрыватель атмосферы Венеры, приборостроитель, географ, металлург, геолог. Сыграл основополагающую роль в формировании русского литературного языка. Художник, генеалог, историограф; поборник развития отечественных наук, экономики, образования (разработал проект Московского университета, впоследствии названного в его честь). Его имя носят кратеры на Луне и Марсе, астероид (1379) Lomonosowa.
6
Назван в честь кентавра Хирона из древнегреческой мифологии.
7
Назван в честь Мигеля Идальго, мексиканского католического священника, лидера революционной борьбы за независимость Мексики.
8
В мифологии Уильяма Блейка Альбион – древний, первобытный, или изначальный человек, великан, вмещающий в себя не только Англию, символом которой он является, но и все народы, все человечество от его зарождения до конца истории. Это также Богочеловек, или Вечный Человек.
9
По данным, полученным АМС «Новые горизонты», экваториальный диаметр Плутона составляет 2377 км.
10
«Первый среди равных» (лат.)
11
Афелий – наиболее удаленная от Солнца точка орбиты планеты или иного небесного тела Солнечной системы.
12
Лелеакухонуа – форма жизни, упомянутая в гавайском песнопении о сотворении мира Кумулипо.
13
Планетезималь (англ. planet – планета и infinitesimal – бесконечно малая) – небесное тело на орбите вокруг протозвезды, образующееся в результате постепенного объединения более мелких тел, состоящих из частиц пыли протопланетного диска.
14
Третья космическая скорость – минимальная скорость, которую необходимо придать небесному телу, чтобы оно могло преодолеть гравитационное притяжение Солнца и покинуть пределы Солнечной системы. Примерно равна 16,65 км/с.
15
Астроблема, или ударный кратер, – кольцевой кратер, возникший на поверхности небесного тела при столкновении с другим космическим телом меньшего размера.
16
Прогенитор – прародитель, основатель рода, предшественник, создатель, источник.
17
Кома (от лат. coma, от др. – греч. ????/???? – «волосы») – облако из пыли и газа, окружающее ядро кометы. – Прим. ред.
18
DART (англ. Double Asteroid Redirection Test, «Испытания перенаправления двойного астероида») – первый в истории проект по изменению траектории астероидов. 26 сентября 2022 г. кинетический ударник произвел столкновение с компонентом двойной системы – астероидом Dimorphos (Диморф), естественным спутником околоземного астероида (65803) Didymos (Дидим).
19
Spitzer Space Telescope (Космический телескоп «Спитцер») – космический телескоп NASA, предназначенный для наблюдения космоса в инфракрасном диапазоне. Запущен 25 августа 2003 г, научная миссия была завершена 30 января 2020 г.
20
WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer, «Широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь») – инфракрасный космический телескоп NASA, запущенный на околоземную орбиту 14 декабря 2009 г. Расширенная научная миссия по обнаружению малых тел Солнечной системы NEOWISE продлена как минимум до июня 2023 г.
21
«Тяньвэнь-2» – перспективная космическая миссия Китая для исследования околоземного астероида (469219) Kamo?oalewa, являющегося квази-спутником нашей планеты, с доставкой на Землю образцов его грунта и исследования кометы 311/P (PANSTARRS). Запуск запланирован на 2025 г., расчетная продолжительность миссии 10 лет.
22
Перигелий – ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты или иного небесного тела Солнечной системы.
23
Кельвин – единица температуры в Международной системе единиц (СИ). 50 кельвинов равно –223 градусам Цельсия.
24
Галактика, или Млечный Путь – спиральная галактика с перемычкой (баром), которой принадлежит Солнце, содержит от 100 до 400 миллиардов звезд.
25
Парсек – внесистемная единица измерения расстояний в астрономии, равная 3,2616 светового года.
26
Пикометр – единица измерения длины в Международной системе единиц (СИ), равная одной триллионной части метра.
27
Самый маленький атом – это атом гелия, имеющий радиус 32 пикометра.
28
Световой год – единица измерения расстояния в астрономии, равная расстоянию, которое электромагнитные волны (свет) проходят в вакууме, не испытывая влияния гравитационных полей, за один юлианский год.
29
Ретроградное движение – движение в направлении, противоположном направлению прямого движения. Для Солнечной системы это обращение вокруг ее барицентра по часовой стрелке, в отличие от всех планет и большей части малых тел.
30
Гай Плиний Секунд (22–24 гг. н. э. – 24 или 25 августа 79 г. н. э.) – древнеримский писатель и ученый, автор труда «Естественная история». – Прим. ред.
31
Иды (лат. Idus, от этрусск. iduare, «делить») – в римском календаре так назывался день в середине месяца. На 15-й день месяца иды приходятся в марте, мае, июле и октябре; на 13-й – в остальных восьми месяцах.
32
Урания (др. – греч. ???????, лат. Urania, Uranie) – муза астрономии в древнегреческой мифологии. Дочь Зевса и Мнемозины, рождена в Пиерии.
33
Великая комета 1577 года (С/1577 V1) – яркая долгопериодическая комета, по некоторым данным достигшая яркости –7
, хвост которой простирался более чем на 60 градусов.
34
Тадеаш Гаек (чеш. Tadeа? Hаjek, 1525–1600) – чешский астроном, алхимик и астролог, личный врач императора Рудольфа II. Один из сторонников системы мира Коперника. Основатель меридианной астрономии.
35
Параллакс – изменение видимого положения объекта относительно бесконечно удаленного фона в зависимости от положения наблюдателя.
36
Иоганн Мюллер (нем. Johannes M?ller, 1436–1476) – выдающийся немецкий астроном, математик и астролог. Имя Региомонтан (лат. Regiomontanus) образовано от латинизированного названия родного города ученого (лат. Regiomontium = нем. K?nigsberg).
37
Николай Коперник (польск. Mikolaj Kopernik, нем. Niklas Koppernigk; 1473–1543) – польский и немецкий астроном, математик, механик. Наиболее известен как автор фундаментального научного труда «О вращении небесных сфер» и гелиоцентрической системы мира, положившей начало первой научной революции.
38
Галилео Галилей (итал. Galileo Galilei; 1564–1642) – итальянский физик, механик, астроном, философ, математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Стал первым ученым, который начал использовать зрительные трубы для изучения космических объектов. Сторонник гелиоцентрической модели мира.
39
Джордано Бруно (итал. Giordano Bruno; 1548–1600) – итальянский католический священник, монах-доминиканец, философ-пантеист и поэт, активный сторонник гелиоцентрической модели Коперника и теории бесконечности Вселенной. Признан инквизиционным трибуналом «нераскаявшимся, упорным и непреклонным еретиком» и сожжен на костре 17 февраля 1600 г.
40
Кеплерова орбита – путь движения одного тела относительно другого в виде эллипса, параболы или гиперболы, описывается шестью элементами орбиты, определяющими положение небесного тела в пространстве в задаче двух тел.
41
Людовик XIV де Бурбон, «король-солнце» (фр. Louis XIV Le Roi Soleil) – король Франции и Наварры с 1643 по 1715 гг. Один из самых влиятельных монархов Франции за всю историю, сторонник абсолютизма. – Прим. ред.
42
Иоганн Георг Палич (нем. Johann Georg Palitzsch; 1723–1788) – немецкий естествоиспытатель, астроном-любитель, первым переоткрывший комету Галлея в 1758 г. Помимо этого, занимался наблюдением переменных звезд. В его честь назван один из лунных кратеров и астероид (11970) Palitzsch.
43
Уран – седьмая планета Солнечной системы, третья по диаметру и четвертая по массе. Открыта в 1781 г. английским астрономом Уильямом Гершелем и названа в честь греческого бога неба Урана.
44
Планета Нептун открыта 23 сентября 1846 г. Восьмая и самая дальняя от Солнца планета Солнечной системы, четвертая по диаметру и третья по массе.
45
Гелиоцентрическое расстояние – расстояние от небесного тела (планеты, кометы, астероида и др.) до центра Солнца.
46
Фред Лоуренс Уиппл (англ. Fred Lawrence Whipple, 1906–2004) – американский астроном, исследователь комет, метеоров, планетарных туманностей, проблем эволюции звезд и Солнечной системы. Открыл 6 комет.
47
Долгопериодическая комета, открытая чешским астрономом Лубошем Кохоутеком 7 марта 1973 г. в Гамбургской обсерватории (Германия).
48
Го?мановская орбита – в небесной механике эллиптическая орбита, используемая для перехода между двумя другими орбитами, обычно находящимися в одной плоскости. Описана немецким инженером Вальтером Гоманом (1880–1945).
49
Александр Алексеевич Боярчук (1931–2015) – советский и российский физик и астроном. Академик РАН (с 1987 г.). Научный руководитель Института астрономии РАН. Внес весомый вклад в исследование физики звезд. Под его руководством был создан космический ультрафиолетовый телескоп «Астрон».
50
Международная научная программа «Лоцман».
51
Короткопериодическая комета семейства Юпитера, которая была открыта 23 июля 1902 г. новозеландским астрономом Джоном Григгом. Вскоре после открытия комета была потеряна и переоткрыта через 20 лет австралийский любителем астрономии Джоном Скьеллерупом.
52
Короткопериодическая комета семейства Юпитера 85P/Boethin, ныне 85D/Boethin. Была открыта 4 января 1975 г. филиппинским астрономом-любителем Лео Боэтином. Наблюдалась в двух появлениях 1975 и 1986 г, после чего была утеряна. В 2017 г. официально признана разрушившейся.
53
Первый астероид – Церера (ныне карликовая планета), был открыт итальянским астрономом Джузеппе Пьяцци в Палермской астрономической обсерватории 1 января 1801 г.
54
Его брат Весто Слайфер впервые выполнил измерения лучевых скоростей галактик и первым связал красное смещение со скоростью.
55
Адсорбция – самопроизвольный процесс поглощения твердым телом либо жидкостью различных веществ из окружающей среды.
Леонид Еленин
Тип: электронная книга
Жанр: Космос и вселенная
Язык: на русском языке
Издательство: Эксмо
Дата публикации: 28.08.2024
Отзывы: Пока нет Добавить отзыв
О книге: Книга Леонида Еленина погружает читателя в тысячелетний путь человечества в познании самых загадочных и прекрасных объектов Солнечной системы – комет. Вы станете свидетелями захватывающей истории разгадки тайны небесных странников: пройдете путь от страшных знамений богов до исследования комет космическими аппаратами, открывшими нам их истинную природу Перед вами раскроются истории самых знаменитых охотников за кометами, вы узнаете, как их открывают в наши дни, а может быть, и сами попробуете найти одну их косматых странниц! А еще мы обсудим роль комет в зарождении жизни на Земле и ответим на вопрос: могут ли они сейчас представлять угрозу для нашей планеты?