«Хвостаті гості» комети: звідки вони та як їх досліджують
Після нашумілого фільму «Не дивись вгору» у декого можуть з’явитися питання: де комети беруться і як їх досліджують. Про це й поговоримо в цій статті.
Усім добре відомо, що в нашій Сонячній системі, окрім Сонця і планет, є ще велика група малих тіл, до яких входять астероїди та комети. І ті й інші є своєрідним «будівельним сміттям», яке залишилося після утворення планетної системи.
Комети в основному знаходяться у двох великих областях: хмарі Оорта та поясі Койпера, які є основними постачальниками комет в Сонячну систему. Короткоперіодичні комети (з періодами обертання до 200 років) походять з поясу Койпера або розсіяного диска, що починаються в районі орбіти Плутона на відстані близько 38 астрономічних одиниць і сягають до 100 а.о. від Сонця.
Своєю чергою, ті, що вважаються довгоперіодичними кометами, типу комети Хейла-Боппа або комети Неовайз із періодами від 200 до тисяч років, народжуються у хмарі Оорта на відстанях від кількох тисяч до кількох десятків чи сотень тисяч астрономічних одиниць. За сучасними оцінками, хмара містить близько трильйона комет. Загальна маса хмари складає від 1 до 50 мас Сонця.
Щорічно астрономи відкривають 5-7 нових комет і один раз на 5-7, а то і 10 років спостерігається проходження яскравої «хвостатої» комети в Сонячній системі. Згадаймо хоча б знамениту комету Хейла-Боппа 1997 р. або комету Неовайз у 2020 р.
Історія свідчить, що перші спостереження комет датуються 2296 р. до н. е. Часто комети навіть впливали на хід історичних подій. Так, поява комети Галлея в 451 р. н. е. деморалізувала гуннів і спричинила їх розгром римлянами, а знаменита поява тієї ж комети в 1066 р. перед битвою при Гастінгсі посіяла страх серед англосаксонських військ і спричинила їх поразку. Боязнь комет зберігалася аж до 20 століття. Так, ще в 1910 р. в царській Росії по всіх церквах служили молебні, «щоб відвернути божий гнів в образі комети».
Сьогодні комети як небесні тіла цікавлять не тільки астрономів, а й фізиків, хіміків, біологів, істориків. Такий інтерес до цих тіл зумовлений недостатньою їхньою вивченістю. Для їх дослідження потрібне вельми дороге обладнання. Але така висока ціна виправдана, бо комети дають нам ключ до розуміння історії Сонячної системи та еволюції планетних систем навколо інших зірок.
Дослідження структури ядер комет дає нам змогу чіткіше уявити процес злипання пилинок на ранніх етапах формування протопланетного диска. Хімічний склад кометних ядер допомагає зрозуміти умови, що панували на Землі, у тому числі можливий склад її атмосфери та багато інших параметрів. Виявлення значних кількостей різноманітних органічних молекул у складі комет дає нам ключ до розуміння зародження життя, що наблизило нас до відповіді на питання, які умови необхідні для цього і наскільки явище життя може бути поширеним у Всесвіті.
На сьогодні астрономам відомо біля 500 короткоперіодичних комет. З них близько половини спостерігалося в більш ніж одному проходженні перигелію. Велика кількість комет входить до так званих сімейств. Так, приблизно 50 найбільш короткоперіодичних комет належать до сімейства Юпітера. Інші комети утворюють менші сімейства — Сатурна, Урана і Нептуна (до останнього, зокрема, належить і комета Галлея).
Яскравість комет дуже сильно залежить від їхньої відстані до Сонця. Лише незначна частина з усіх наявних комет наближається до Сонця і Землі настільки, щоб бути видимими неозброєним оком. Унікальність комет у тому, що вони сформувалися водночас з планетами Сонячної системи. Їхні ядра, що складаються з льоду з домішками космічного пилу і заморожених летких сполук: монооксиду та діоксиду вуглецю, метану, аміаку, ціану, формальдегіду та ін., при підльоті до Сонця розігріваються і внаслідок сублімації формують значну за розмірами, але дуже розріджену атмосферу – кому. Під тиском сонячного вітру вона починає рухатися приблизно в протилежному від Сонця напрямі, утворюючи хвіст. Завдяки цьому комети можна досліджувати за допомогою наземних телескопів.
Згадаймо хоча б «шоу», яке нам минулого року «влаштувала» комета «Неовайз» з яскравою комою та хвостом.
Комета Неовайз в липні 2020 р. (фото автора)
У більшості комет кома з’являється приблизно в 3-4 астрономічних одиницях від Сонця. Астрономи пояснюють відмінність форм кометних хвостів тим, що матеріал, з якого складаються комети, має неоднаковий склад та властивості. В кожній кометі може бути різна кількість пилу і темних частинок, тому вона й по-різному реагує на сонячне випромінювання.
Таким чином, хвости космічних мандрівниць набувають різної форми. Хвости комет різняться за довжиною та формою. У деяких комет вони тягнуться через усе небо. Вторинний, або плазмовий хвіст – найдовший і спрямований майже навпростець від Сонця. Іноді його довжина сягає кількох сотень млн км. Так, комета Хіакутаке 1996 р. мала хвіст задовжки 56 848 000 км, а Комета Хюмасона 1962 р. – 897 600 000 км. Також частими є випадки відриву хвоста від комети.
Як же відкривають комети? На сьогодні епоха візуальних відкриттів давно минула, хоча поодинокі випадки ще трапляються. Так, візуально було відкрито комету Хейла-Боппа в 1995 р. На сьогодні діє ціла мережа обсерваторій (ATLAS, LINEAR, NEAT, LONEOS, PANSTARRS та ін.), які щоночі проскановують небо в рамках пошуку потенційно небезпечних космічних тіл. Так, більшість комет відкрито саме завдяки їм.
Зазвичай відкриття відбуваються в околицях планет-гігантів, де візуально відрізнити кометне ядро від астероїда найчастіше неможливо. Тіла, що рухаються за орбітою Нептуна — у поясі Койпера і далі, на окраїнах Сонячної системи у хмарі Оорта – можуть і взагалі бути повністю крижаними. При цьому їх атмосфера складається з найбільш летких газів (азоту, метану, монооксиду вуглецю). Але, як правило, вона настільки розріджена, що виявити її із Землі дуже важко. В такому випадку при близькому підльоті комета і взагалі може випаруватися і розсипатися на частинки.
В Україні ж до 2013 р. не було відкрито жодної комети, і лише 8 липня того року астроном Геннадій Борисов з Кримської астрофізичної обсерваторії відкрив першу комету незалежної України. Сьогодні на його рахунку 9 комет, у тому числі й одна міжзоряна. Взагалі ж за останні 50 років з 1969 по 1989 рр. українськими астрономами було загалом відкрито 5 комет. Знамениту комету Чурюмова-Герасименко було взагалі відкрито випадково, коли астрономи досліджували іншу комету.
Сьогодні в Украіні є кілька центрів дослідження комет, зокрема наукова школа, створена Леонідом Шульманом та Валентиною Конопльовою в Головній астрономічній обсерваторії НАНУ та наукова школа, сформована Климом Чурюмовим в Астрономічній обсерваторії КНУ.
Комети досліджують не лише з поверхні Землі. Нове уявлення про них астрономи отримали завдяки місіям до комети Галлея радянських космічних апаратів «Вега-1», «Вега-2» та європейського «Джотто» в 1986. Прилади, встановлені на цих апаратах, передали на Землю зображення ядра комети й різноманітних відомостей про її оболонку. Двадцятьма роками пізніше, у 2005 р., космічний апарат НАСА Deep Impact підлетів до комети Темпеля І, і за допомогою апарату Impactor на швидкості 10,3 км/с протаранив комету та передав зображення її поверхні. В результаті зіткнення виявилося, що ядро комети складається з дуже пухкого матеріалу, що нагадує навіть не купу каменів, а величезну льодяну брилу пилу.
Справжнім тріумфом у дослідженні комет стала подія, яка увійшла в десятку найвидатніших досягнень людства за останню сотню років. Це місія «Rosetta» з дослідження комети Чурюмова-Герасименко і посадки спускового апарату «Philae» у 2014-2016 роках.
Клим Чурюмов з моделлю своєї комети в Київському планетарії 11 квітня 2016 року (фото автора)
Вид з поверхні комети Чурюмова-Герасименко (Wiki)
Так, завдяки зонду на поверхні комети було виявлено 16 органічних сполук, з яких чотири були помічені на кометах уперше. Це ацетамід, ацетон, метилізоцианат і пропіональдегід. Наявність гліцину, фосфору й багатьох органічних молекул, зокрема сірководню і ціанистого водню, які спостерігалися в комі Чурюмова-Герасименко, підтверджує ідею про те, що комети були постачальниками ключових молекул для пребіотичної хімії у всій Сонячній системі й, зокрема, до ранньої Землі, що відіграло важливу роль у зародженні життя на нашій планеті. Однак комети досліджують не тільки з космосу. Не до всіх комет можна запустити космічні місії, а тому астрономи активно продовжують вивчати їх і з Землі. Це спостереження за допомогою ПЗЗ камер, спектрометрії, фотометрії, колориметрії, поляриметрії та ін.
Річ у тім, що складові кометних атмосфер мають своє характерне випромінювання під дією сонячного світла. Воно є основним джерелом інформації про можливі фізичні процеси, що проходять в атмосферах комет. Спектроскопія комет надає цінну інформацію про фізичні умови в комi, та хвості комети.
Проте найбільшу інформацію про газову та пилову складові дає фотометрія. Вона дає можливість отримати дані про пило- та газопродуктивність з кометної поверхні, порівняльний хімічний склад комет, періоди обертання їх ядер, розміри та багато іншої інформації. Аналіз даних дає змогу оцінити колір пилу, швидкість руху його фрагментів.
Також не менш важливими є і поляриметричні дослідження, що грунтуються на вимірюванні ступеня поляризації світла в кометній речовині. Важливим джерелом інформації про пилові складові кометних атмосфер є випромінення, розсіяне цими об’єктами. Спільне застосування всіх перелічених методів дуже ефективне, оскільки воно дозволяє визначити всі фізичні характеристики розсіяного випромінення — його інтенсивність, розподіл за довжинами хвиль та стан поляризації. Так можна судити про властивості частинок і їхню зміну зі зміною відстані від кометного ядра.
Сьогодні вчені, маючи зразки речовини з близьких комет, хочуть отримати їх і з міжзоряних об’єктів, які пролітають повз нас із хмари Оорта (згадаймо міжзоряні комети Оумуамуа та комету Борисова). Сучасні астрономи ретельно збирають факти й підказки про будову і структуру таємничих космічних гостей. Визріває ідея космічної місії на одну з довгоперіодичних комет, щоб зблизька оглянути та глибше зрозуміти саму хмару Оорта.