Кометы

Среди разнообразия небесных тел Солнечной системы особняком стоят кометы. В прошлом люди испытывали трепет при виде звезд с длинными хвостами, которые неожиданно появлялись на ночном небе и так же непредсказуемо исчезали. Кометы и сегодня привлекают внимание своей завораживающей красотой, однако, в отличие от далеких эпох, их удалось достаточно хорошо изучить.

Ученые открыли множество комет, определили их структуру и особенности орбит. Однажды человечеству даже удалось посадить космический аппарат на комету, что еще больше расширило наши представления об этих загадочных объектах. В этой статье мы рассказываем о главных характеристиках и ключевых этапах изучения комет, а также приводим несколько занимательных фактов.

Общие сведения о кометах

Считается, что кометы сформировались на ранних этапах эволюции Солнечной системы. Материя, которая не стала частью планет, продолжила существовать в виде фрагментов неправильной формы. В отличие от каменных астероидов, которые находятся в относительной близости от нашей звезды, кометы формировались на самых окраинах Солнечной системы — в поясе Койпера и облаке Оорта. Эти области удалены от Солнца на расстояние от 30 до 50 и от 1 000 до 150 000 астрономических единиц соответственно. Одна астрономическая единица приблизительно равна 150 млн километров (среднее расстояние от Земли до Солнца). Естественно, что на таком отдалении от звезды небесные тела не получают достаточно тепловой энергии, поэтому в состав кометы входит большое количество замерзшего вещества.

Термин «комета» образовался еще в античные времена с помощью латинизации древнегреческого слова «кометес» («κομήτης»). На русский язык это можно перевести как «лохматый» или «длинноволосый». В древнеанглийском языке, на котором разговаривали англосаксонцы в V–XII веках, закрепилось слово «cometa», которым обозначали блуждающие звезды с длинными хвостами. У комет есть собственный астрономический символ в виде диска с тремя лучами — ☄.

До начала XX века кометам присваивали названия, соответствующие году их открытия. Однако затем традиция была изменена, и кометы стали называть в честь их первооткрывателей. Если одни и те же астрономы открывали несколько комет, их дополнительно обозначали порядковыми номерами, например, комета Темпеля 2.

Строение кометы: ядро, кома и хвост

Ядро кометы представляет собой ее центральную и основную часть, на которую приходится почти вся масса небесного тела (от нескольких до 10¹³ тонн). Размер ядер изученных комет находится в диапазоне от 16 до 200 километров. В основном они состоят из пористых минералов и космической пыли — силикатов, углеродных соединений и металлов. От 17 до 33% состава приходится на слои замерзшей воды, метана, аммиака, углекислого и угарного газов. На протяжении большей части XX века ученые предполагали, что доля содержания льда в ядре значительно выше, что привело к появлению моделей «грязного снежка» и «ледяного комка грязи». На значительном отдалении от Солнца у комет есть только каменно-ледяное ядро.

На расстоянии порядка 4–6 астрономических единиц от Солнца комета нагревается, из-за чего летучие вещества в ее ядре начинают сублимироваться (переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое). Так вокруг каменной основы формируется расплывчатая оболочка — кома, и комета становится различима для земных наблюдателей.

В основном кома состоит из воды, водорода и углерода, которые находятся в газообразном состоянии. Порядка 10% состава комы приходится на водяной лед и частицы пыли. При относительно небольшом ядре размер комы может превышать диаметр планет-гигантов и даже Солнца (от 100 тыс. до 1,5 млн километров).

Под воздействием солнечного ветра и радиационного давления некоторые вещества выбрасываются из комы, благодаря чему формируется длинный яркий шлейф — хвост кометы. В действительности у кометы формируются два хвоста, один из которых состоит из пыли, а другой — из газов. Свечение первого обусловлено светоотражающей способностью пылевых частиц, второй же сияет благодаря процессу ионизации газов, то есть обретения молекулами электрических зарядов. Размер хвоста может достигать 4 астрономических единиц или 600 млн километров. Из-за ничтожно малой плотности вещества через хвост могут свободно пролетать другие космические объекты, никак с ним не взаимодействуя.

Почему орбиты комет отличаются от орбит планет

Планеты представляют собой массивные объекты сферической формы, находящиеся в относительной близости от Солнца. Благодаря этим факторам большинство планет обращаются по эллиптическим орбитам с низким эксцентриситетом, то есть максимально приближенным к форме идеального круга. Однако, как мы уже знаем, кометы являются небольшими небесными телами, которые формировались в отдаленных областях Солнечной системы. При этом они имеют причудливые формы, которые также не способствуют выходу на стабильную орбиту.

Орбиты большинства комет имеют сильно вытянутую сигарообразную форму. Входя во внутреннюю часть Солнечной системы, они испытывают гравитационное воздействие не только Солнца, но и планет, из-за чего орбита немного смещается с каждым циклом обращения. Исходя из орбитальных характеристик, ученые выделяют два типа комет.

• Короткопериодические. Считается, что кометы этого типа сформировались в поясе Койпера. Для абсолютного большинства из них период обращения вокруг Солнца варьируется от 3 до 200 лет. Порядка 400 короткопериодических комет обращаются в пределах орбиты Юпитера. В наибольшей точке отдаления от Солнца (афелии) 11 комет этого типа выходят за пределы орбиты Нептуна — порядка 30 астрономических единиц.
• Долгопериодические. Предположительно, долгопериодические кометы были сформированы в облаке Оорта. Период обращения известных комет этого типа составляет от 200 до 1 000 лет. Эксцентриситет орбит долгопериодических комет максимально приближен к единице. Это означает, что они обращаются вокруг Солнца по почти параболической траектории. У астрономов нет возможности точно рассчитать орбиты комет, которые появлялись на небе всего один раз за всю историю наблюдений. Их орбитальный период может занимать от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет.

Помимо вышеуказанных типов, существуют также и непериодические кометы. Это своеобразные межзвездные странники, которые лишь один раз появляются в Солнечной системе. Из-за очень высокой скорости движения (порядка 600 километров в секунду) они не выходят на орбиту вокруг Солнца и навсегда покидают нашу звездную систему.

История изучения комет

Первую гипотезу, объясняющую природу комет, в IV веке до нашей эры сформулировал древнегреческий философ Аристотель. Он предположил, что они являются атмосферными земными явлениями, которые возникают в пределах сферы Луны. Примерно в то же время античный астролог Аполлоний Миндский оспаривал версию Аристотеля и заявлял, что кометы, подобно планетам, обращаются вокруг Земли.

Долгое время возможности людей в исследовании комет были сильно ограничены, поэтому концепция Аристотеля оставалась главенствующей в течение порядка 2 000 лет. Только в конце XVI века астрономы Тихо Браге и Михаэль Местлин смогли рассчитать параллакс Большой кометы 1577-го года, то есть ее видимое смещение на фоне неподвижных звезд с учетом вращения Земли. Расчеты показали, что комета находится как минимум в 4 раза дальше от Земли, чем Луна. Изобретатель телескопа Галилео Галилей скептически относился к кометам. В 1623-м году он писал, что они являются не более чем оптическими иллюзиями, возникающими в атмосфере.

Существенного прогресса в изучении комет удалось достичь в конце XVII века. Исаак Ньютон, основываясь на выведенных им же законах механики и гравитации, смог рассчитать параболическую орбиту кометы. Более того, он весьма точно описал процесс формирования хвоста кометы в виде потоков пара, исходящих от ядра вследствие нагревания Солнцем. В 1705-м году Эдмунд Галлей, именем которого названа одна из самых известных короткопериодических комет, использовал методы Ньютона для расчета орбит 23 комет. Галлей заметил, что некоторые из них отклоняются от траекторий, и объяснил этот эффект воздействием силы гравитации Юпитера и Сатурна.

В XIX веке обсерватория Падуанского университета стала мировым центром изучения комет. Обобщая наблюдения, ученым удалось составить обширный каталог, в который было включено более 50 известных на то время комет. До середины XX века главенствующими были две противоборствующие гипотезы происхождения комет. Согласно первой, они формировались в результате глобальных катаклизмов на других планетах. Сторонники второй гипотезы склонялись к тому, что кометы формировались в межзвездном пространстве, после чего их захватывало гравитационное поле Солнца.

История исследований комет в России

Хотя первые упоминания о кометах содержатся еще в Повести временных лет, в России, так же, как и в Европе, детально изучать кометы начали только в XVI веке. Первым, кто внес значительный вклад в исследование этих небесных тел, стал астроном Московского университета Федор Бредихин. В 1862-м и 1867-м годах он защитил магистерскую и докторскую диссертации, посвященные хвостам комет и их орбитальным отклонениям, не связанным с гравитационным воздействием планет. Бредихин существенно расширил предположение Иоганна Кеплера о двух исходящих от Солнца силах, одна из которых притягивает комету (гравитация), а другая действует в противоположном направлении и отвечает за формирование хвоста (давление света и солнечный ветер).

Астрофизик Сергей Орлов, работавший в Государственном астрономическом институте имени П.К. Штернберга, существенно развил научные идеи Бредихина. В 1942-м году он разработал первую научную классификацию хвостов на основании фотографий 74 комет. Проведя подробный спектральный анализ, Орлов первым обнаружил следы никеля в комах и хвостах комет. Научные труды Сергея Орлова поспособствовали открытию кафедры кометной астрономии в МГУ, которую он лично и возглавил.

Роль космических аппаратов в исследовании комет

Космические миссии к кометам сыграли ключевую роль в понимании структуры и состава этих небесных объектов. Сближение с кометой сопряжено с множеством трудностей. Траектория аппарата должна быть разработана с учетом высокой скорости движения кометы и необходимости выхода за плоскость эклиптики (обращения Земли вокруг Солнца), что требует колоссальных затрат энергии. Возможность реализации подобных запусков появилась только в 1980-х годах. Сейчас мы рассмотрим главные космические миссии по исследованию комет.

• «Армада Галлея». Такое неофициальное название получила серия космических аппаратов, сблизившихся с кометой Галлея в марте 1986-го года. В миссии было задействовано пять зондов: «Вега-1» и «Вега-2» (СССР и Франция), «Суйсэй» и «Сакигакэ» (Япония), а также «Джотто» (Европейское космическое агентство). «Джотто» удалось сблизиться с кометой на максимально близкое расстояние — всего лишь 596 километров. Зонд передал на Землю первые цветные изображения кометы. Обобщенные научные данные позволили определить форму ядра (в виде зерна арахиса) и определить его размеры (8 x 8 x 16 километров). Кроме того, детекторы помогли определить химический состав комы и хвоста кометы.

• «Дип Импакт». В 2005 году НАСА запустило космический зонд к комете Темплея 1. В отличие от предыдущих пролетных миссий его задачей было выпустить специальный модуль для столкновения с ядром. Спустя 6 месяцев полета зонд «Импактор» успешно отделился от основного аппарата и врезался в комету на скорости 10 километров в секунду. Последний из переданных на Землю снимков был сделан всего за 3 секунды до столкновения. В результате образовался ударный кратер диаметром 150 метров, а в окружающее пространство было выброшено несколько тысяч тонн вещества из ядра. «Дип Импакт» выполнил серию маневров для уклонения от обломков и смог подробно изучить состав ядра кометы.
• «Розетта». В 2004-м году был дан старт одной из самых резонансных миссий в истории космических полетов. Аппарат «Розетта», оснащенный посадочным модулем «Филы», в течение 10 лет совершил три гравитационных маневра вокруг Земли, преодолев расстояние порядка 8 млрд километров, чтобы сблизиться с кометой Чурюмова – Герасименко. На расстоянии около 2 млн километров от кометы зонд начал выполнять серию маневров, после чего вышел на стабильную орбиту всего в 29 километрах от поверхности. В ноябре 2014 года «Розетта» выпустила модуль «Филы», который впервые в истории совершил посадку на комету. Анализ ядра показал повышенное содержание оксида дейтерия (тяжелой воды), что поставило под сомнение популярную гипотезу о том, что вода была занесена на Землю кометами. В 2016 году «Розетта» исчерпала запас энергии, в последний раз сфотографировала область посадки «Филы», после чего была направлена на контролируемое столкновение с кометой.

Будущие исследования комет: ожидания и планы

На 2029-й год запланирован запуск миссии Европейского космического агентства «Комет Интерцептор» («перехватчик кометы»). Ожидается, что космический аппарат будет размещен в точке Лагранжа L2 в системе Солнце – Земля. Это означает, что гравитационное воздействие Солнца и Земли будет уравновешено, благодаря чему аппарат будет поддерживать неподвижное положение относительно двух небесных тел. Предполагается, что в течение 3–5 лет в Солнечную систему может войти одна из долгопериодических комет. После ее обнаружения «перехватчик» будет выведен из спящего режима и направлен для первого в истории сближения с кометой, орбитальный период которой превышает 200 лет. Из-за того, что конечная цель миссии неизвестна, шансы на ее успешное завершение не столь высоки, однако в случае успеха человечество ждет незаурядное событие, которое станет прорывом в исследовании комет.

Влияние комет на Землю и человечество

На ранних этапах формирования Земли ее поверхность непрерывно бомбардировали кометы. Согласно одной из гипотез, в результате этих столкновений на нашу планету было занесено достаточное количество воды, чтобы заполнить океаны. Однако космические исследования, посредством которых был подробно изучен состав ядер, показали, что даже активной бомбардировки в течение 500 млн лет было бы недостаточно. Согласно альтернативной гипотезе, большая часть воды сформировалась из вещества протопланеты.

Пролетающие в непосредственной близости от Земли кометы не оказывают существенного влияния на жизнь в целом и на человечество в частности. В 1910-м году наша планета прошла сквозь хвост кометы Галлея, но никаких последствий этого сближения отмечено не было. Однако столкновения с ядрами комет являются потенциальной угрозой для существования жизни. Считается, что подобные катастрофы неоднократно становились причиной массовых вымираний. В современную эпоху вероятность столкновения долгопериодической кометы с Землей оценивают в 1%.

Кометы в культуре

С древнейших времен кометы считались предзнаменованиями смерти или катастроф. Писатель Плиний Старший, который жил в Римской империи в I веке нашей эры, связывал появление кометы с масштабными политическими волнениями, которые заканчивались убийством правителей. Современники Юлия Цезаря писали, что незадолго до его смерти в небе появилась кроваво-красная комета, наводившая ужас на местных жителей. Во времена Древней Руси появление кометы считалось предвестником войны или мора.

Однако не во всех культурах кометы считались предвестниками плохих событий. Например, в Древнем Китае во время правления династии Хань (II – I век до нашей эры) кометы хотя и называли «злыми звездами», но все же ассоциировали с красивыми и длинными хвостами фазанов. В Индии в VI – X веках эти небесные тела отождествляли с призраками людей, которые время от времени получали возможность навестить Землю.

Кометы в книгах и фильмах

Начиная с первой половины XIX века кометы начинают появляться в художественной литературе, в том числе — научной фантастике. Например, в рассказе Эдгара Аллана По «Разговор между Эйросом и Хармионой», вышедшем в 1839 году, комета сначала сближается с Землей и притягивает к себе значительную часть атмосферы, а затем врезается в планету, что приводит к апокалипсису. В рассказе Роберта Дункана Милна «Навстречу Солнцу», опубликованном в 1882 году, комета сталкивается с Солнцем, из-за чего температура на Земле возрастает до невыносимых пределов.

Тема столкновения комет с Землей широко освещается в популярных фильмах 1990-х. Среди наиболее значимых картин можно отметить «Армагеддон» и «Столкновение с бездной», вышедшие в 1998-м году. Также внимания заслуживает фильм «Не смотрите наверх», представленный стриминговым сервисом «Нетфликс» в 2021-м году. Он совмещает в себе элементы сатиры и научной фантастики, гротескно показывая противоречие между общественным мнением и научными фактами.

Галерея известных комет

1. Комета Галлея. Проходит по внутренней части Солнечной системы каждые 75–77 лет, максимально сближаясь с Солнцем на 0,6 астрономических единиц. В следующий раз она будет доступна для наблюдений в 2061-м году.
2. Комета Чурюмова – Герасименко. Комета, получившая общемировую известность благодаря снимкам «Розетты», относится к семейству Юпитера и имеет орбитальный период 6,5 лет. Она достигнет перигелия в 2028-м году.
3. Комета Икея – Сэки. Долгопериодическая комета, независимо открытая двумя японскими учеными, в 1965-м году прошла на расстоянии всего в 450 000 километров от Солнца. Спустя год комета удалилась во внешние области Солнечной системы, время ее следующего перигелия неизвестно.

1. Комета Беннетта. Южноафриканский астроном-любитель обнаружил комету в 1969-м году на расстоянии двух астрономических единиц от Солнца. Спустя год она сблизилась с Землей примерно на 100 млн километров и стала одним из самых ярких объектов на ночном небе. Считается, что следующее сближение произойдет через 1 500 лет.
2. Комета IRAS – Араки – Олкока. В 1983-м году долгопериодическая комета подошла к Земле на расстояние 4,5 млн километров. В одно и то же время ее открыл инфракрасный космический телескоп «ИРАС», а также два школьных учителя астрономии из Великобритании и Японии. Совокупность космических и наземных наблюдений позволила вычислить орбитальный период кометы — 970,5 лет.

Топ-5 фактов о кометах

• Приближающиеся к Солнцу кометы являются источниками электромагнитного излучения. Взаимодействие солнечного ветра с веществом кометы приводит к высвобождению электронов из их атомов. Результатом этого процесса является излучение ультрафиолетовых и рентгеновских волн.
• У комет иногда формируется и третий шлейф, который называют антихвостом. При пересечении плоскости орбиты Земли на крупные частицы пыли в большей степени воздействует сила гравитации, чем солнечный ветер, поэтому антихвосты оказываются направленными к Солнцу.
• Во время поиска экзопланет, находящихся в других звездных системах, астрономам также удалось обнаружить экзокометы. При прохождении в непосредственной близости от звезды кома и хвост на короткое время снижают ее светимость. По состоянию на конец 2024-го года космические телескопы смогли зафиксировать транзит более 500 экзокомет.
• Комета Швассмана – Вахмана, открытая в 1927-м году, является исключением из правил, так как обращается вокруг Солнца почти по идеальной круговой орбите. Она вытянута в меньшей степени, чем орбиты Меркурия, Юпитера, Сатурна и Урана. Однако через какое-то время гравитация планет-гигантов приведет к увеличению эксцентриситета.

• Кометы, полностью исчерпавшие запасы летучих веществ, переходят в категорию потухших. В таких условиях кома и хвост больше не могут формироваться, благодаря чему комета становится внешне неотличима от астероида. В 2006 году, после обнаружения нескольких потухших комет, Международный астрономический союз ввел термин «малое тело солнечной системы», охватывающий и кометы, и астероиды.

Изображение на обложке: Freepik