8
ВСТРЕЧА С КОМЕТОЙ
ГАЛЛЕЯ СОСТОЯЛАСЬ!
Кондидат физико-mатематических наук
T. K. БРЕУС
Кометы все еще остаются наименее изученными объектами Солнечной системы, хотя открывают их по нескольку штук в год. Причина в том, что появляются они неожиданно, а само тело кометы — ее ядро — недоступно для наземных наблюданий, поскольку скрыто сиянием колоссальной, в сотни тысяч раз большей самого ядра, головы, или «комы» — газово-пыльевой атмосферы, возникшей при испарении кометного вещества, разогреваемого солнечным изучением при сближении кометы с Солнцем.
Комета Галлея зарекомендовала себя в прошливе возврашения как одна из наиболее ярких. Например, в 837 году она прошла в 6 млн км от Земли и была в 6,5 раза ярче Сириуса — самой яркой звезды земного небосвода. В 1910 году при проведении выполнении свещла комета оказылась между Землей и Солнцем. А так как хвосты комет всегда направлены от Солнца и тянутся на многое миллионы километров, Земля в течение нескольких часов летела сквозь хвост кометы.
В этот приход комету Галлея обнаружили на рекордно большом расстоянии — около 1,6 млн км от нашей планеты и Солнца. Это было 16 октября 1982 года, когда комета находится в созвездии Малого Пса и свещла в 40 млн раз слабее самых слабых звезд, которые еще может видеть человек невооруженным глазом. Объчно кометы обнаруживают на расстояниях в 2—3 раза меньше, но на сея раз была использована самая совершенная техника, позволяющая регистрации даже отдельные кванты света. Но вот из-за неблагоприятного расположения траектории кометы (в периоды траектории Солнеце оказылась между Землей и кометой) «побещаться» с ней непредставлено с Земли как следует было невозможно. Этот недостаток сlixвой комете сразу разозврался запуском к комете сразу пятки космических аппаратов — двух советских («Вета-1», «Вета-2»)*, одного западно-европейского («Джотто») и двух японских.
В предыдущее появление кометы Галлея в 1910 году на нее были нацелены, главным образом, спектроскопы, с помощью которых актромы уточняли состав головы и хвоста небесной госты. Еще раныше, в 1835—1836 годах, для исследования кометы Галлея был применен первый астрофизический прибор — изобретение выдающегося французского физика и астронома Араго — полярископ. Тогда было доказано, что хвосты комет светят, в основном, отраженным от Солнца светом, т. е. в них много пыли — распыленных каменных частей ядра, отгоняемых в виде хвоста прочь от Солнца каким-то силими. Только в 1910 году, после того как русский физик П. Н. Лебедев показал, что свет может оказать давление на частицы, образование пыльевых кометных хвостов получило свое обьясение.
В 1836 году в научной литературе появились и высказывания о физической природе тинстенного ядра кометы. Немецкий астроном Бессель выдвинул идею, согласно которой достоинством из летучих, т. е. легко возгорающейся от жара веществ. Подобную мысль высказал неогода Лапас. В третьем издании своего «Изложения системы мира» (1808 г.) он обьясил образование колоссальной головы и хвоста кометы быстро испарением «жидкости» с поверхностями ядра близ Солнца. При удалении
*) Полет соверших космических станций «Вета» осуществлялся в рамках Международной экспедиции «Венера — комета Галлея». О проекте «Вета» рассказывалось в статье Л. С. Марочника «Свидание с кометой» в «Кванте» № 5 за 1985 год.
9
леними кометы от нашего светила оставшиеся «жидкость» снова должны превращаться в лед, и так при каждом последующем возврашения.
В XX веке идея ледного ядра кометы новых возрождается американским астрофизиком Ф. Уипплом. Он предлагает модель (1950 г.), согласно которой кометное ядро представляет собой космический яйсберг — монолитное тело неправильной формы, состоящее из замерзших летучих веществ (H₂O, CH₄, NH₃, CO₂ и др.), смешанных с частичками meteorитного вещества. Когда кометное ядро приближается к Солнцу, летучие вещества с его поверхности испаряются, и возникают потоки газа, которые увлекают за собой пылевые частицы,— образуют кома и хвост.
Советский астроном Б. А. Воронцов-Вельяминов полагал, что ядро кометы состоит в основном из тугоплавких веществ (силикаты, металлы) и только на поверхности имеется слой замерзших газов. Голландский астрофизик М. Гринберг в общем был согласен с Уипплом, но считал, что в гипотетической состав ядра надо «добавить» сложные организации вещества. Он предлагал, что ядро кометы представляет собой не айсберг, а, скорее, своего рода сугроб, причем состоит он из частиц межземдного вещества, «спрессованных» в сложную структуру — цилиндрик длиной в несколько микрон, внутри силикатный, сверху слой оргики, а поверх оргики — слой льда.
Откуда же прилетит к нам космические гости? Где могли образовать эти сложные конгломераты пыли, газов и даже оргики — слой льда.
Откуда же прилетит к нам космические гости? Где могли образовать эти сложные конгломераты пыли, газов и даже оргики — слой льда.
Существовало большое число гипотез о происхождении комет. В соответствии с одной из них, впервые предложен Лагранжем (1788 г.), а затем развитой советским ученым С. К. Всесвятским (1955 г.), кометные ядра могли выбрасывать из недр планет-гигантов и их спутников во время вулканических извержений. Когда американские «Воядеры» обнаружили вулканическую дейтельность на спутнике Юптера Ио, это предположение обрело как бы «второе дыхание». Тем не менее отношение к этой гипотезе весьма скептическое — слишком много «но».
Большинство специализов полагают, что получить ответ на вопрос о происхождении комет удалось выдающему голландскому астроному Яну Оорту. Конечно, в начале правильность той или иной гипотезы не решается большинством голосов, и только экспериментальные факты дают объективные доказательства. Тем не менее гипотеза Оорта (1950 г.) практически не имеет изъянов.
Оорт предположил, что Солнечная система окружена гигантским «облаком» комет, пространщимся на расстояниях от 20 000 до 200 000 астронимических единиц (1 а. е. = 150 000 000 км) от Солнца, т. е. далеко за пределами планетной системы (орбита Плутона — последней планеты — порядка 40 а. е.).
Что заставляет кометы покидать свое «пристанище»? Несмотря на то, что в области Оорта по оценкам должны содержаться 10¹¹÷10¹² комет, их столкновения так редки*), что они не могут быть причиной, выталкивающей их из облака. Оказывается, ответственных за это близко прохождение звезды. Ониxaотизируют скорости движения комет и время от времени выбрасываются или за пределы Солнечной системы, или в сторону Солнца.
Остается, однако, неясным происхождение самого облака Оорта, или, как его называют, банка или сейфа комет. Решение этой проблемы и является одной из главных целей космической эксперимента к комете Галлея. Ученые надеались, что наблюдаемые ядра кометы с близкого расстояния, определяние его состава, исследование части кометы «руками» автоматов позволит понять, как образовался банк Оорта. Является ли он частью протопланетного вещества — газов-рылевой туманности, из которойprimерно в одну эпоху возникли Солнце, планеты и кометы? Или, может быть, банк Оорта имеет галактическое происхождение? Например, уже после завершения своего формирования Солнечная система.
*) Время между столкновениями двух кометных ядер с типичным размером 1 км на четырнадцать порядков больше времени существования Солнечной системы.
10
Автоматическая механическая станция «Веза».
Пыледарный масс-аналізатор «ПУМА».
Автоматическая стабилизированная платформа-с установленной на ней аппаратой. В состав televisионной системы входит узкoyольная камера высокого разрешения (1), широкоугольная камера-дагитик наведения (2) и электропонный блок televisионной установки (3). На платформе установлены также трехканальный спектрометр (4) и инфракрасный спектрометр (5).
11
стема могла пролететь через гигантское облака межзвездного газа и захватить содержащие в нем пыль, газ, организаские соединения, а возможно, и готовые кометные ядра.
Кстати, радиоastronomическими методами было обнаружено в газово-пыльных облаках в Галактике несколько типов организаческих соединений — формальдетиды, синильная кислота, спирты — исходные продукты для образования наиболее сложных производных углерода — аминокислот, которые являются «строительными блоками» белка. Следы организаских соединений регистрации в ходе наземных наблюдений и у комет. В meteoritах находят даже сами аминокислоты.
Возможно, meteoritы (как и кометы) являются «мусором» настроительной площадке, где создавалась Солнечная система. Однако они уже изрядно «подпорчены» Солнцем. Кометы же хранились на большом удалении от него, как бы в холодильнике, не поддержав воздействию излучений, и поэтому должны были сохранить свои первичные свойства.
Вот почему учены с таким нетерпенемем ждали свидания с кометой Галлея.
Самой важной задачей в проекте «Вета» было исследование физических характеристик ядра кометы. Использовались два подхода: во-первых, дистанционные измерения при помощи оптических приборах и, во вторых, прямые исследования вещества (газа и пыли), покидающего ядро и пересекающего траекторию, по которой движется аппарат.
Оптические приборы размешались на специальной платформе, которая поворачивалась во время проекта ядра и автоматически отследивала направление на него. Однако из главных элементов оптического комплекса была телевизионная система. В комплект входили также приборы, которые должны были обеспечивать проведение детальных спектроскопических исследований химического состава различных объектов атмосферы (комы) и хвоста кометы. Однако из важнейших направлений этих исследований был поиск первичных, или, как их еще названот, «родительских», молекул. Наземными спектроскопическими изменениями
обнаружить эти молекулы невозможно. Дело в том, что при переходе кометного льда из твердого состояния непосредственного в газообразное газ вылетает с поверхности кометы почти со скоростью звука, и в районе ядра плотность его очень велика. Поэтому молекулы интенсивно взаимодействуют друг с другом и в них происходит существование химических изменений. В ходе этих процессов образуется так называемые «дочерние», т. е. вторичные, молекулы. Они-то и «регистрируют» наземными спектроскопическими изменениями.
Оптические исследования газового состояния атмосферы кометы должны дополяться его изменениями при помощи специального пылидарного масс-анализатора (ПУМА).
Как уже отмечалось, кометная атмосфера состоит не только из газовых, но и из пыливых частиц. При относительной скорости слияния космического аппарата с кометой почти 80 км/c эта пыль представляет большую опасность. Для защиты аппаратов кометя создается скорость и была использована для определения состава частиц. Если на пути такой «пылинки» поставить мишень, то при удалении ее частица взрывообразно испрается, инизируется и превращается в облачко плазмы. Массспектрометр определяет ее состав, а следовательно, и состав ядра кометы, из которой эта частица вырвалась.
12
Такова идея эксперимента ПУМА (научные руководители Р. З. Сагдеев (СССР), У. Киссель (Общество имени Макса Планка, ФРГ), Ж. Л. Берто (Франция)).
Ряд приборов предназначался для измерения физических характеристик пылевого потока — числа части разной массы, их размеров, плотности.
На борту станций были также установлены многочисленные приборы для изучения взаимодействия кометныхонов с межпланетной средой, заполненной, как известно, плазмой, испускаемой солнечной короной, — солнечным ветром.
Что же нового узнали мы в эту встречу с кометой?
Аналіз телевизионных изображений, переданных с борта станций на Землю, показал, что ядро кометы Галлея представляет собой монолитное тело неправильной формы. Размеры его 8×8×16 км. Это намного больше, чем предполагающие учены (2—5 км). Объем ядра, по грубим прикидкам, составляет примерно 5·10¹¹ м³. Ядро врачается вокруг оси, которая расположена внутри конуса растором ±45° от нормали к плоскости орбиты. Направление врачися совпадает с направлением орбитального движения. Отражательная способность ядра очень низкая. Ядро кометы — одно из самых темных тел Солнечной системы. Выброс пыли происходит только на освещенной части ядра. На поверхности имеется несколько областей (примерно 10% площади), из которых пыль уходит сравнительно узкими потоками (струями). Пыль, однako, покидает поверхность и вне струж. Над поверхностью имеется тонкий (около 1 км) слой, внутри которого пыль разогнется потоком газа от нулевой скорости до нескольких сотен метров в секунду. На поверхности видны детали, напоминающие колыцевые кратеры.
Снимки, полученные заpadно-европейским аппаратом «Джотто», добавили к этой картине уточнение только в последнем вопросе: колыцевые кратеры, несомненно, реальны; они хорошо видны на обработанных сигмках вблизи терминатора (границы тени и света), где пыли над поверхностью мало, а условия освещения наиболее благоприятны.
Измерения теплового излучения ядра, выполненные спектрометром «Вени-1», позволили определить температуру поверхности. Из предварительных расчетов, основанных на условиях теплового баланса, следовало, что на дневной стороне кометы она должна составлять 200 К. Однако измерения для вдвое большие значения К.
Это можно объяснить, полагает советский ученый В. И. Мороз, если предположить, что поверхность ядра покрыта слоем «грузи» (анаалогичного тому, как это часто бывают в городах со снежными сугробами). Этот слой поглощает солнечную энергию, часть ее переизлучается в инфракрасном диапазоне, а часть передает за счет теплопроводности вниз, к внутренней «чистой» поверхности ядра, на которой температура около 200 К.
Какова структура этого слоя? Толщина его, скорее всего, не больше 0,1 мм, иначе он сильно ослабляет бызовый поток. В то же время он должен быть сплошным, иначе ядро не было бы таким черным. По-видимому, в нем много мелких частиц, и газ свободно проходит через поры. Поверхность слой в отдельных местах время от времени взламывается, и тогда образуется активная область с особо мощным источением вещества.
Образование такого слоя представляет вплечение естественных, если вспомнить, что кометный лед перемещан с частичками тугоплавких веществ, и при испарении после ухода газа концентрация их на поверхности увечивается.
Температура 380 К относится к самой теплой точке ядра, которая находится на дневной стороне на экваторе. Эта точка смещена от полученной примерно на один час следствие тепловой инерции поверхного слоя. На ночной стороне гораздо холоднее; по косвенным оценкам температура здесь 180—200 К.
Удалось оценить массу и среднюю плотность ядра кометы. Масса определялась по реактивному эффекту, который создается выбросом газа и пыли в стороны Солнца. Расчеты выполнены независимо шведским ученым Г. Рикманом и советскими учеными Р. З. Сагдеевым, П. Е. Эльясбергом, В. И. Морозом. Результаты
13
получились близкие — масса ядра кометы составляет (0,5—2)·10¹⁴ кг. Таким образом, средняя плотность вещества ядра (напомним, что объем его оценен в 5·10¹¹ м³) составляет 0,1—0,4 г/cm³.
Интересные результаты для измерения количественных характеристик пылевого потока. Эксперименты с пылевыми счетчиками показали, что около миллиона тонн космической пыли покидает комethое ядро ejecуточно. Весьма неожиданным оказался характер распределения пылевых частиц по размерам; было обнаружено неожиданное большое количество малых частиц размером порядка сотой доли микрона.
Измерения показали, что в потоке газа, уходящого от кометы, больше всего водяного пара. Вторым по обилию компонент является углевольный газ. Скорее всего, CO₂ и H₂O входят в состав ядра в виде клатрата — кристаллического соединения, в котором молекулы одного вещества (CO₂) «вкраплены» в кристаллическую решетку другого (лед H₂O).
Основную и совершенню новую информацию о химическом состоянии частиц, которые входили в состав ядра и покинули его под давлением газовых потоков, для эксперимента ПУМА (на «Вегах») и аналогичный эксперимент на «Джотто». Реально регистрации частицы диаметром в сотые и десятьде доли микрона, но их было очень много. В эксперименте ПУМА были получены спектры примерного 2000 таких частиц.
Из спектров следует, что по химическому составу твердые частицы комethой пыли можно разделить на три основных типа: в первом преобладают легкие элементы, во втором — углерод, в третьем — металлы. Советский физик Л. М. Мухин, анализировший эти спектры, пришел к двум важным выводам. Первая — частицы, богатые углеродом, показывают отношение элементов C/Si, существенно большие, чем в меторитах любого типа. Второй вывод — большое отношение C/Si всегда сопровождается присутствием азота, а это может быть объясено только тем, что углерод и азот входят в состав организческих молекул. Это является важным указанием на присутствие важных технологий.
В существии, каких-то непреодолимых технических трудностей для проведения таких исследований нет даже на современном уровне развития космической и ученые уже обсуждают такую возможность. Среди кометectь и такие, к ядру которых можно было бы приблизиться вплоть до прямого контакта. Возможно, такой пленет выполнен в конце этого — начале следующего столета.