Кометы, их происхождение и состав

 

3. КОМЕТНЫЕ ОРБИТЫ

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

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

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

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

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

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

 

4. ПРИЧИНА СВЕЧЕНИЯ КОМЕТ И ИХ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

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

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

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

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

    Спектр головы кометы показывает, что она состоит из молекул, т. е. химических соединений, излучающих широкие полосы. Химический состав этих газов удалось выяснить подробнее лишь в течение последних лет. Оказалось, что голова кометы состоит из молекул углерода (С), циана (С2N2), углеводорода (СН). Недавно были обнаружены гидрид азота, гидроксил (ОН).

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

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

 

5. СТРОЕНИЕ И СОСТАВ КОМЕТЫ

    Маленькое ядро кометы является единственной её твёрдой частью, в нём сосредоточена почти вся её масса. Поэтому ядро - первопричина всего остального комплекса кометных явлений. Ядра комет до сих пор всё ещё недоступны телескопическим наблюдениям, так как они вуалируются окружающей их светящейся материей, непрерывно истекающей из ядер. Применяя большие увеличения, можно заглянуть в более глубокие слои светящейся газопылевой оболочки, но и то, что останется, будет по своим размерам всё ещё значительно превышать истинные размеры ядра. Центральное сгущение, видимое в атмосфере кометы визуально и на фотографиях, называется фотометрическим ядром. Считается, что в центре его находится собственно ядро кометы, то есть располагается центр масс. Однако, как показал советский астроном Д. О. Мохнач, центр масс может не совпадать с наиболее яркой областью фотометрического ядра. Это явление носит название эффекта Мохнача.

     Туманная атмосфера, окружающая фотометрическое ядро, называется комой. Кома вместе с ядром составляют голову кометы - газовую оболочку, которая образуется в результате прогревания ядра при приближении к Солнцу. Вдали от Солнца голова выглядит симметричной, но с приближением к нему она постепенно становится овальной, затем удлиняется ещё сильнее и в противоположной от Солнца стороне из неё развивается хвост, состоящий из газа и пыли, входящих в состав головы.

    Ядро - самая главная часть кометы (Рис.2). Однако до сих пор нет единодушного мнения, что оно представляет собой на самом деле. Ещё во времена Лапласа существовало мнение, что ядро кометы - твёрдое тело, состоящее из легко испаряющихся веществ типа льда или снега, быстро превращающихся в газ под воздействием солнечного тепла. Эта классическая ледяная модель кометного ядра была существенно дополнена в последнее время. Наибольшим признанием пользуется разработанная Уиплом модель ядра - конгломерата из тугоплавких каменистых частиц и замороженной летучей компоненты (метана, углекислого газа, воды и др.). В таком ядре ледяные слои из замороженных газов чередуются с пылевыми слоями. По мере прогревания газы, испаряясь, увлекают за собой облака пыли. Это позволяет объяснить образование газовых и пылевых хвостов у комет, а также способность небольших ядер к газовыделению.

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

     Модель Уипла объясняет многие кометные явления: обильное газовыделение из маленьких ядер, причину негравитационных сил, отклоняющих комету от расчётного пути. Потоки, истекающие из ядра, создают реактивные силы, которые и приводят к вековым ускорениям или замедлениям в движении короткопериодических комет.

   Существуют также другие модели, отрицающие наличие монолитного ядра: одна представляет ядро как рой снежинок, другая - как скопление каменно-ледяных глыб, третья говорит о том, что ядро периодически конденсируется из частиц метеорного роя под действием гравитации планет. Всё же наиболее правдоподобной считается модель Уипла.

    Массы ядер комет в настоящее время определяются крайне неуверенно, поэтому можно говорить о вероятном диапазоне масс. Масса ядра кометы  достигает 1010 – 1011 тонн. Кома кометы окружает ядро в виде туманной атмосферы. У большинства комет кома состоит из трёх основных частей, заметно отличающихся своими физическими параметрами:

 ● Наиболее близкая, прилегающая к ядру область - внутренняя, молекулярная, химическая и фотохимическая кома;

● Видимая кома, или кома радикалов;

 ● Ультрафиолетовая, или атомная кома.

   На расстоянии в 1 а.е. от Солнца средний диаметр внутренней комы D1= 104 км, видимой D2 = 105 – 106 км и ультрафиолетовой D3= 107 км. Во внутренней коме происходят наиболее интенсивные физико-химические процессы: химические реакции, диссоциация и ионизация нейтральных молекул. В видимой коме, состоящей в основном из радикалов (химически активных молекул) (CN, OH, NH и др.), процесс диссоциации и возбуждения этих молекул под действием солнечной радиации продолжается, но уже менее интенсивно, чем во внутренней коме.

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

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

   2) Околоядерную область (область газодинамического движения вещества),

   3) Переходную  область;

   4) Область свободно-молекулярного разлёта кометных частиц в межпланетное пространство.

   Но не для всякой кометы должно быть обязательным наличие всех перечисленных атмосферных областей. По мере приближения кометы к Солнцу диаметр видимой головы день ото дня растёт, после прохождения перигелия её орбиты голова снова увеличивается и достигает максимальных размеров между орбитами Земли и Марса. В целом для всей совокупности комет диаметры голов заключены в широких пределах: от 6000 км до 1 млн. км. Головы комет при движении кометы по орбите принимают разнообразные формы. Вдали от Солнца они круглые, но по мере приближения к Солнцу, под воздействием солнечного давления, голова принимает вид параболы или цепной линии.

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

   Тип E - наблюдается у комет с яркими комами, обрамлёнными со стороны Солнца светящимися параболическими оболочками, фокус которых лежит в ядре кометы.

    Тип  C - наблюдается у комет, головы которых в четыре раза слабее голов типа E и по внешнему виду напоминают луковицу.

    Тип  N - наблюдается у комет, у которых отсутствует и кома и оболочки.

    Тип  Q - наблюдается у комет, имеющих слабый выступ в сторону Солнца, то есть аномальный хвост.

    Тип  H - наблюдается у комет, в голове которых генерируются равномерно расширяющиеся кольца - галосы с центром в ядре.

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

    Ф. Бессель, исследуя форму хвоста  кометы Галлея, впервые объяснил  её действием отталкивающих сил, исходящих из Солнца. Впоследствии  Ф. А. Бредихин разработал более  совершенную механическую теорию  кометных хвостов и предложил  разбить их на три обособленные  группы, в зависимости от величины  отталкивающего ускорения. Анализ  спектра головы и хвоста показал  наличие следующих атомов, молекул  и пылевых частиц:

   Органические: C, C, C CH, CN, CO, CS, HCN, CH CN.

    Неорганические: H, NH, NH, O, OH, H O.

    Металлы: - Na, Ca, Cr, Co, Mn, Fe, Ni, Cu, V, Si.

    Ионы - CO, CH, N, OH, H O.

    Пыль - силикаты (в инфракрасной области).

   Механизм свечения кометных молекул был расшифрован в 1911 году К. Шварцшильдом и Е. Кроном, которые пришли к выводу, что это механизм флуоресценции, то есть переизлучения солнечного света.

   Иногда в кометах наблюдаются достаточно необычные структуры: лучи, выходящие под различными углами из ядра и образующие в совокупности лучистый хвост; галосы - системы расширяющихся концентрических колец; сжимающиеся оболочки - появление нескольких оболочек, постоянно двигающихся к ядру; облачные образования; омегообразные изгибы хвостов, появляющиеся при неоднородностях солнечного ветра. (Рис.3) Также существуют и нестационарные процессы в головах комет: вспышки яркости, связанные с усилением коротковолновой радиации и корпускулярных потоков; разделение ядер на вторичные фрагменты.