Хвостатые странницы: От суеверия до астрофизики

В Средние века интерес к кометам в основном проявляли астрологи. Появление хвостатых странниц на небосводе не раз фиксировалось в летописях (в «Нюрнбергских хрониках» 684 года не только описана, но и нарисована знаменитая комета, которая через тысячу с лишним лет получила имя Галлея).

Китайские сведения были намного обширней. За полторы тысячи лет начиная с 1400 года до н.э. хронисты Поднебесной отметили 338 появлений комет. Примерно в 300 году до н.э. был составлен первый в своем роде богато иллюстрированный трактат о кометах, написанный на шелковой ткани.

В Европе XVI века труды Аристотеля уже перестали воспринимать как непререкаемую истину, и астрономы заново заинтересовались кометами. Первыми были итальянец Джиролами Фракасторо (не только наблюдатель небес, но и крупный врач-инфекционист, описавший симптомы заболевания, которое он назвал сифилисом) и немец Петер Апиан. В 1530—1540-х годах они отследили несколько комет и независимо друг от друга отметили, что их хвосты повернуты от Солнца (сейчас мы знаем, что бывают и исключения).

Однако подлинный момент рождения кометной астрономии пришелся на 70-е годы того же XVI столетия. В 1572 году в созвездии Кассиопеи зажглась сверхновая, сразу же замеченная великим астрономом-наблюдателем Тихо Браге. Внезапная вспышка этого светила убедила его, что от небес можно ожидать и не таких сюрпризов. Пятью годами позже он два с половиной месяца с великим тщанием отслеживал появившуюся на небосводе комету и даже вычислил, что дистанция до нее по крайней мере вчетверо превышает расстояние до Луны. Тем самым он первым доказал, что кометы следует считать настоящими космическими телами, отдаленными от Земли на огромные расстояния (хотя утверждение, что хвостатая гостья обращается вокруг Солнца по кругу, было неверным и фактически противоречило его собственным наблюдениям).

В XVII веке кометы изучали многие крупные астрономы. Гениальный Иоганн Кеплер посвятил им специальный труд, итальянец Джованни Борелли и поляк Ян Гевелий (по совместительству бургомистр Гданьска и знаменитый пивовар, которого не позабыли и поныне) поняли, что кометы могут двигаться не только по замкнутым орбитам, но и по разомкнутым траекториям. Ученик Гевелия Георг Дорффел сделал следующий шаг, поместив Солнце в фокусе параболической орбиты кометы 1680 года. А двумя годами позднее 26-летний британец Эдмонд Галлей просчитал траекторию движения открытой им же кометы назад во времени и заявил, что именно ее-то в 1531 году наблюдал Апиан, а в 1607 году — Кеплер. Из этого следовало, что период кометы составляет 75−76 лет, и Галлей «с полной уверенностью» (его собственные слова) предсказал, что в конце 1758 года она вновь появится на земном небосводе.

Предсказание Галлея полностью подтвердилось. В рождественскую ночь 1758 года обещанную комету узрел проживавший неподалеку от Дрездена астроном-любитель Иоганн Георг Палич, который первым и оповестил мир о великом событии. Незадолго до этого французский астроном и математик Алексис Клеро заново вычислил орбиту этой кометы, приняв в расчет гравитационные возмущения со стороны Юпитера и Сатурна (с этими трудоемкими расчетами ему помогли известный астроном Жозеф Жером де Лаланд и, что удивительно для того времени, женщина-математик Николь де ла Бриер Лепот). У них получилось, что комета Галлея приблизится к Солнцу на минимальную дистанцию (перигелий) 15 апреля 1759 года с возможной ошибкой приблизительно в один месяц. «Волосатая звезда» не подвела ученых и прошла перигелий 13 марта. Современники восприняли это совпадение как подлинный триумф ньютоновской небесной механики. Последний раз комету Галлея видели в 1986 году, а в следующий раз она объявится спустя 55 лет.

Прогноз Галлея занимает в истории астрономии особое место еще и потому, что без малого полтора столетия он оставался единственным. Только в 1819 году Иоганн Энке предсказал, что промелькнувшая годом ранее комета вернется в 1822 году, — и попал в яблочко. С тех пор комету Энке наблюдают особенно часто, что и немудрено, поскольку ее период составляет всего 3,3 года (у всех прочих известных комет он длиннее).

С этой кометой связано еще одно открытие. Энке заметил, что с каждым оборотом ее период уменьшается на пару часов. Это означает, что комета тормозится какими-то силами не гравитационной природы. Сам Энке полагал, что ее замедляет сопротивление неизвестной науке среды; другие астрономы ссылались на столкновения с мелкими частицами, предположительно обращающимися вблизи Солнца. Но позднее выяснилось, что некоторые кометы, напротив, увеличивают свой период и, следовательно, ускоряются. В 1835 году Фридрих Бессель предположил, что скорость изменяется под воздействием реактивной тяги газов, которые выбрасываются в пространство, когда солнечный свет нагревает и испаряет вещество кометного ядра. Эта гипотеза оказалась справедливой, однако подтвердить ее удалось лишь через сто с лишним лет.

В середине 1860-х кометы стали изучать с помощью спектроскопических методов, что дало немало информации об их составе. Ученые выяснили, что в состав кометного вещества входят водород и кислород (в том числе в виде молекул воды и гидроксильных групп), углерод и его окислы, азот, силикаты и целый ряд металлов. Астрономы составили классификацию кометных хвостов — впрочем, сначала лишь по внешнему виду. Со временем было доказано, что вытянутые по прямой от Солнца хвосты первого типа состоят из газовой плазмы, а скошенные в сторону хвосты второго типа содержат много пылевых частиц. Как правило, каждая комета обладает двумя хвостами — и ионным, и пылевым. Хвосты обоих типов могут вытягиваться на гигантские расстояния — вплоть до одной астрономической единицы.

В 1950 году гарвардский астроном Фред Лоуренс Виппл выступил с теорией кометных ядер, получившей со временем полное признание. Ее называют моделью «грязного снежка». Кометное ядро в ней предстает как огромный ком смерзшихся ледяных частиц, заключенный в тонкую пылевую оболочку. В состав кометных льдинок величиной от микрона до дециметра входит вода, окись и двуокись углерода, циан, аммиак, метан и еще некоторые вещества, которые при повышении температуры быстро переходят в газообразное состояние.

Когда комета приближается к Солнцу, ядро прогревается и начинает испаряться (вернее, сублимироваться — из твердого, а не жидкого состояния). Постепенно оно окутывается газопылевым облаком поперечником от ста тысяч до миллиона километров, так называемой комой. Иногда это случается между орбитами Сатурна и Юпитера, но чаще в районе главного пояса астероидов, между Юпитером и Марсом. Кометный хвост формируется в силу того, что под давлением света и солнечного ветра вещество комы отбрасывается прочь от Солнца. Десять лет назад ученые обнаружили, что кометы испускают рентгеновские лучи; считается, что это происходит благодаря столкновениям частиц комы с быстрыми солнечными ионами.

Кометы юпитерианского семейства встречаются с Солнцем чаще, чем остальные, и быстрее худеют. В конце концов любая истинно периодическая комета разрушается и исчезает.

«Снежковая» модель не раз модифицировалась в деталях, но в основном сохранила силу до наших дней. Она хорошо объясняет возникновение комы и формирование хвостов, поскольку при полной сублимации одного грамма кометного льда высвобождается 1022−1023 молекул газа. Эта же модель позволила обосновать старую гипотезу Бесселя. Кометный лед плохо проводит тепло, и поэтому при нагревании солнечными лучами испарение происходит лишь с поверхности ядра. При вращении ядра зона сублимации успевает уйти из-под прямого освещения, так что газы покидают ядро под углом к Солнцу. Возникающая реактивная тяга также оказывается «скошенной». Она может и разгонять, и тормозить ядро — все зависит от характера его вращения.

Теория Виппла получила убедительное подтверждение в 1986 году, когда на свидание с кометой Галлея отправились пять автоматических космических станций. В составе «галлеевской армады» (так их тогда называли) были европейский зонд Giotto, советско-французская пара «Вега-1» и «Вега-2» и японцы Suisei и Sakigake. Giotto прошел всего в 600 км от ядра и отправил на Землю больше 2000 снимков, сделанных в различных участках спектра. На этих фотографиях ядро выглядит чернее сажи, так что пыли в нем, судя по всему, много больше, нежели льда. Впервые были достоверно определены и линейные размеры ядра, которые оказались равны 7,5х8,2х16 км.

Вот уже почти 37 лет кометы изучают не только с Земли, но и из космоса. 14 января 1970 года американская орбитальная обсерватория OAO-2 сделала ультрафиолетовые снимки только что открытой кометы Таго-Сато-Косаки. Вскоре и эта станция, и другие космические аппараты приступили к наблюдению за кометами Беннета, Энке и Когоутека. С той поры исследования комет производят с многих космических платформ, в частности — с запущенного в 1990 году орбитального телескопа «Хаббл».

Первые экспедиции к кометам стартовали почти четверть века назад. В 1982 году автоматический зонд International Sun-Earth Explorer 3 выполнил свою первоначальную миссию, однако не выработал ни ресурса, ни топлива. Его переименовали в International Cometary Explorer и отправили к комете Джикобини-Циннера. В сентябре 1985-го он приблизился к цели и произвел замеры плотности хвоста и комы. Затем последовал полет «галлеевской армады». В 1992 году завершивший свою основную миссию Giotto прошел в 200 км от ядра кометы Григга-Скьеллерупа, но из-за неисправности фотокамеры никакой информации не прислал.

22 сентября 2001 года американский аппарат Deep Space 1 пролетел неподалеку от восьмикилометрового ядра кометы Борелли. В январе 2004 года автоматический зонд Stardust приблизился к голове кометы Вильда-2 и набрал частицы комы в аэрогельную ловушку, которую 15 января 2006-го отправил на Землю. И наконец, 4 июля 2005 года еще один посланец NASA Deep Impact стукнул по ядру юпитерианской кометы Темпель-1 372-килограммовым пробником, который выбил с поверхности фонтан вещества общим весом в 10 000 т, где оказалось немало сложных органических соединений. Таким образом, к настоящему времени автоматические зонды подходили уже к шести кометам.

2 марта 2004 года Европейское космическое агентство отправило к комете Чурюмова-Герасименко станцию Rosetta. Если все пойдет по плану, то в ноябре 2014-го она отстрелит на поверхность кометы спускаемый модуль с оборудованием для химического анализа, а сама превратится в ее спутник.

В 1950 году имел место еще один теоретический прорыв, который разрешил проблему происхождения комет. Его совершил профессор Лейденского университета Ян Хендрик Оорт, который еще в конце 1920-х доказал, что наша Галактика вращается, а после Второй мировой войны стал одним из основателей радиоастрономии. К тому времени было точно известно, что большинство комет приходят к Солнцу с очень больших дистанций. Поэтому Оорт счел непериодические и длиннопериодические кометы бывшими обитателями исполинского сферического облака, внутренняя граница которого отдалена от Солнца на 20 000 а.е., а внешняя — на 150 000 а.е. (около 2,5 световых лет). Он подсчитал, что в этом космическом рое примерно 100 млрд. кометных ядер и их суммарная масса составляет 1−10% от массы Земли. Позднее это скопление получило название облака Оорта.

В принципе, эта мысль была отнюдь не нова. Во второй половине XIX века нечто подобное предположил американский астроном и математик Бенджамен Пирс, а в 1932 году — профессор Тартуского университета Эрнст Юлиус Эпик, который работал тогда в Гарвардском университете. Почему-то статья Эпика не произвела особого впечатления, хотя он имел репутацию чрезвычайно сильного астрофизика. А вот работу Оорта «Структура кометного облака, окружающего Солнечную систему, и гипотеза его происхождения» коллеги сразу оценили.

Облако Оорта и сейчас остается чисто теоретическим объектом (кометы, входящие в его состав, не видны ни в один телескоп), однако в его существовании никто не сомневается. Астрономы считают, что оно содержит порядка 10 трлн. тел (в сто раз больше, чем предполагал Оорт), а его масса оставляет 40−45 земных масс.

Облако Оорта является реликтом первичной газопылевой туманности, которая 5 млрд. лет назад претерпела гравитационный коллапс, положивший начало процессу образования Солнца и планет. Первым шагом к этому стала конденсация планетезималей, относительно небольших комков вещества, которые впоследствии объединялись и слипались в протопланеты. «Уже после образования внешних планет некоторые планетезимали разогнались в их гравитационном поле и были отброшены далеко от Солнца. Там они образовали исполинский диск, прилегающий к плоскости эклиптики, — объяснил "ПМ" астрофизик Майкл Мумма из Годдардовского центра изучения космических полетов. — Постепенно гравитационные возмущения перевели тела этого пояса на еще более далекие околосолнечные орбиты и разбросали их по всем направлениям. Именно так диск превратился в сферическое облако».

Откуда берутся кометы? Замерзшие глыбы из облака Оорта притягиваются к Солнцу столь слабо, что могут изменять свои орбиты под действием весьма малых возмущений. Каждые миллион лет 10−12 звезд сближаются с Солнцем на 200 000 а.е., так что облако Оорта оказывается в зоне их влияния. Помимо этого на него влияют приливные силы, порожденные как притяжением центральной плоскости нашей галактики, так и (хотя в меньшей степени) галактического ядра.

И наконец, Солнце раз в несколько сотен миллионов лет встречается с исполинскими водородными облаками, притяжение которых тоже ощутимо для Облака. В результате таких воздействий некоторые обитатели Облака покидают свою орбиту и устремляются к Солнцу.

На выходе из облака Оорта ядро будущей кометы движется по гиперболической или параболической траектории, которую тяготение планет трансформирует в сильно вытянутый эллипс. Так появляются непериодические и длиннопериодические кометы.

А кометы с периодами менее 200 лет? «Все или почти все юпитерианские кометы вытягиваются из пояса Койпера притяжением четырех гигантских планет, — говорит доктор Мумма. — Происхождение галлеевских комет до сих пор остается предметом дискуссий. Новейшие модели облака Оорта позволяют предполагать, что оно состоит из двух частей: внешней, сферической, и внутренней, сжатой к плоскости эклиптики и расположенной ближе к Солнцу. Не исключено, что немногочисленные галлеевские кометы родом именно оттуда».