Кометные орбиты и современные представления об их происхождении

Дорогой читатель! Прежде чем мы обратимся к загадочным явлениям из физики комет, наберитесь немного терпения, чтобы бегло познакомиться с некоторыми статистическими данными о кометных орбитах. Эти данные не кажутся на первый взгляд очень интересными. Тем не менее, знакомство с ними необходимо по трем причинам. Во-первых, эти данные имеют прямое отношение к вопросу об отличительных особенностях комет от других небесных тел. Во-вторых, они бывают полезными для сравнения разных гипотез о происхождении комет. В-третьих, такая информация о реальных кометах избавит вас от широко распространенных заблуждений, которые перечислены в резюме к этой главе.

Некоторые сведения по статистике кометных орбит. Опубликованное в 1982 г. четвертое издание каталога кометных орбит Б. Марсдена содержит 1109 появлений на небе 710 комет. Из этих 710 только 121 комета (всего 17,5%) характеризуется орбитальным периодом меньшим, чем 200 лет, а 589 комет (82,5%) прошли через нашу планетную систему по орбитам почти параболическим, среди которых имеются гиперболы и долгопериодические эллипсы. Теперь перейдем к главным подробностям о всех перечисленных типах кометного населения.

Кометы с орбитальным периодом менее 30 лет (14,8%) весьма резко отличаются от остальных комет по наклонению плоскости орбит. Они движутся вокруг Солнца по направлению движения планет, сравнительно мало отклоняясь от плоскости планетной системы. Тем не менее, пока нет свидетельств в пользу каких-либо систематических различий между ядрами комет короткопериодических и почти параболических по их физическим и химическим характеристикам. Более 100 лет назад была разработана безупречно строгая теория, доказывающая возможность природного преобразования кометных орбит из почти параболических в периодические с одновременным уменьшением их наклонения.

Часто применяемое разделение периодических комет на долгопериодические и короткопериодические нельзя считать ясным и определенным. Граница между ними условна (период 200 лет) и не является общепринятой. Многие специалисты полагают, что в категорию короткопериодических комет следовало бы включить все кометы, которые появлялись в зоне видимости более одного раза.

Теперь обратимся к статистике кометных орбит, которые называют квазипараболическими или почти параболическими. Почему "почти"?

Дело в том, что математически точная парабола - это всего лишь граница между двумя типами других кривых, и на практике она неосуществима, так как ее эксцентриситет не должен отличаться от 1,00000... (0). Сколь угодно малое отклонение эксцентриситета от такого численного значения превращает параболу либо в эллипс, либо в гиперболу.

Разница между этими тремя кривыми очень существенна, но при малых различиях эксцентриситета она бывает заметна только на участках, весьма удаленных от перигелия кометной орбиты (более строго выражаясь, на удалении, в десятки или сотни раз превышающем перигелийное расстояние). Возле же перигелия гипербола и эллипс почти совпадают с параболой. И именно на этом участке сосредоточены все данные наблюдений, тогда как главная часть каждой почти параболической кометной орбиты расположена за пределами той зоны, где комета доступна для телескопических наблюдений. Во многих случаях эксцентриситет отличается от единицы значительно меньше, чем на 0,0001, и точность вычисления элементов орбиты по наблюдениям кометы не всегда достаточно высока, чтобы с уверенностью определить знак разности е-1. Тогда исследователи вынуждены полагать численное значение эксцентриситета орбиты приблизительно равным единице. Таких комет известно 316. Орбиты остальных 273 комет из числа почти параболических были рассортированы на эллипсы (169 случаев с е<1) и на гиперболы (104 случая с е>1).

Отличия гиперболических кометных орбит от параболы настолько малы, что весьма незначительно превосходят среднюю погрешность тех поправок, которые, необходимо ввести в видимые координаты кометы в процессе обработки наблюдений. Наиболее высокие значения эксцентриситета составляют всего лишь 1,006. При этом следует иметь в виду, что речь идет об эксцентриситете той кометной орбиты, какой она стала после гравитационных возмущений от больших планет.

Многие исследователи для множества кометных орбит выполняли тщательный учет этих возмущений, а в последние годы - с использованием самой современной вычислительной техники. В настоящее время можно считать твердо установленным, что все (или почти все) гиперболические кометные орбиты приобрели гиперболический избыток своего эксцентриситета именно в результате возмущений от планет. Поэтому вряд ли следует выделять гиперболические кометные орбиты в отдельную группу из числа почти параболических.

Для построения любой гипотезы о происхождении комет чрезвычайно важен вывод, который был опубликован С. В. Орловым в статьях 1939-1941 гг. Его сущность состоит в следующем. Есть основания полагать, что почти все параболические кометы (в том числе все известные гиперболические) являются членами нашей Солнечной системы, поскольку на большой удаленности от Солнца гелиоцентрическая скорость этих объектов (вычисленная по элементам орбит) в десятки раз меньше, чем скорость движения нашего Солнца среди окружающих его звезд. Такое свойство всех зарегистрированных комет говорит о том, что они движутся в межзвездном пространстве вместе с Солнечной системой, а не являются предметами из других миров, пролетающими сквозь нее.

Откуда протянулись к нам почти параболические кометные орбиты и на чем основаны современные представления по этому вопросу? Гипотеза о существовании сферического кометного облака Оорта на периферии зоны гравитационного влияния Солнца настолько широко известна, что едва ли следует здесь ее пересказывать. Можно найти превосходные обзоры работ о кометном облаке и его происхождении, там рассмотрены "и оригинальные публикации, и последующие попытки усовершенствовать модель кометного облака на основе данных более новых, чем те, которыми пользовался Я. Оорт.

Мы коснемся только одного факта, который был использован как косвенный признак реальности кометного облака (Я. Оорт, 1950). Распределение почти параболических орбит по аргументу 1/а (т. е. по обратной величине большой полуоси) показывает резкий и узкий максимум. Соответствующее этому пику численное значение 1/а свидетельствует о том, что почти параболические кометы приходят в зону видимости преимущественно с расстояния 2а≅(100-150)*10³ а. е.

Из этого же распределения исследователи комет получили еще одну чрезвычайно интересную информацию. Ширина упомянутого пика в 5-7 раз меньше по сравнению со средним изменением величины 1/а под гравитационным влиянием планет (при однократном прохождении комет через планетную систему). Это означает, что многие почти параболические кометы наблюдались именно в первом прохождении сквозь зону планетных орбит. Точнее говоря, они не пересекали эту зону после того, как стали членами кометного облака Оорта.

С. В. Орлов пришел к аналогичному распределению, проанализировал аналогичный максимум и обнаружил, что он соответствует приходу комет с расстояния приблизительно 60 тыс. а. е. Это было опубликовано на 1.0 лет раньше работ Оорта. Однако С. В. Орлов не касался идеи кометного облака, которая к тому времени была не новой, поскольку ее обсуждал Дж. Скиапарелли на рубеже XIX и XX вв.

С. В. Орлов и Я. Оорт использовали для построения своих графиков сведения об орбитах подлинных (первичных, первоначальных - в терминологии разных авторов), элементы которых были найдены из трассы кометы в зоне видимости путем внесения поправок за возмущения от планет. Тем не менее, существует значительное расхождение между результатами Орлова и особенно Оорта, с одной стороны, и новыми теоретическими оценками предельно возможных размеров облака Оорта (из соображений устойчивости по отношению к внешним гравитационным полям). По наиболее современным оценкам "вечная" часть облака Оорта могла сохраниться до нашей эпохи в пределах гелиоцентрического расстояния не более чем 30 тыс. а. е. или даже всего 10 тыс. а. е.

Можно показать, что упомянутое расхождение не является доводом против концепции Оорта. В самом деле, новые оценки относятся только к стабильной части облака Оорта, тогда как старые - только к тем кометам, которые вышли за пределы стабильной части облака и поэтому подверглись значительным возмущениям, в противном случае они не были бы переброшены в зону видимости.

Благодаря работам многих исследователей (В. Г. Фесенков, 1922; Э. Ю. Эпик, 1932; А. ван Верком, 1948) было установлено, что гравитационные возмущения от звезд способны оказывать значительное влияние на элементы гелиоцентрического движения тех комет, которые выходят за пределы гелиоцентрической сферы радиусом порядка 104-105 а. е. (В наше время учитываются также возмущения от ядра Галактики и от массивных газовых облаков.) Все эти возмущения могут изменять перигелийное расстояние кометных орбит. Резкое уменьшение перигелийного расстояния может привести к прохождению кометы из облака Оорта через зону видимости.

Принимая во внимание все перечисленные аргументы, убеждаемся в следующем. Современные данные позволяют уточнять и видоизменять версию о существовании кометного облака на периферии Солнечной системы, причем полное отрицание этой версии является, вообще говоря, логически неприемлемым, учитывая вполне надежную информацию об отсутствии гиперболических значений эксцентриситета первичных орбит реальных комет (за исключением нескольких сомнительных случаев). Главный же вывод можно сформулировать так: практически все наблюдавшиеся кометы связаны с Солнечной системой по своему движению в межзвездном пространстве. Отдельного обсуждения заслуживает вопрос о том, связаны ли они с Солнечной системой по своему происхождению.

Тот или иной механизм выбрасывания комет в межзвездное пространство может действовать, по-видимому, не только в нашей планетной системе, но и в других, если они существуют. Вопрос о существовании планет и, может быть, комет возле звезд такого класса, как наше Солнце, давно обсуждается в астрономии. Из этого следует идея о возможности прихода комет к нам из окрестностей соседних звезд. Такая идея не нова - вы можете найти ее в популярной книге Б. А. Воронцова-Вельяминова "Очерки о Вселенной", которая выдержала 8 изданий в нашей стране и была переведена на многие языки, и в некоторых научных статьях более чем столетней давности.

Однако с учетом современных данных можно утверждать, что приход комет к нам в зону видимости непосредственно из других планетных систем (то есть без промежуточного захвата в наше облако Оорта), по-видимому, не наблюдался; об этом свидетельствует численная величина больших полуосей первичных орбит практически всех известных комет, за исключением, может быть, двух-трех, оставшихся под вопросом в этом отношении. Данные о сложных особенностях распределения афелиев почти параболических кометных орбит на небесной сфере не могут содержать в себе отмену современных данных о больших полуосях кометных орбит.

История идеи о захвате комет с орбит почти параболических на короткопериодические. В кометной астрономии термин "теория захвата" означает совсем иное понятие, чем в других областях приложения небесной механики. Речь на самом деле идет не о захвате тела с пролетной орбиты на орбиту спутника, а только о преобразовании орбиты спутника Солнца. В предыдущем подразделе были даны убедительные свидетельства в пользу того, что все наблюдавшиеся кометы являются членами Солнечной системы (даже те, которые приходят в зону видимости по орбитам почти параболическим). После пересмотра множества работ об эволюции кометных орбит многие современные специалисты приходят к убеждению, что все кометные орбиты могли произойти из орбит почти параболических. Однако давайте обратимся к истории исследования этого вопроса.

В конце XIX в. американский астроном X. Ньютон разработал теорию преобразования параболических кометных орбит под действием гравитационных возмущений от движущейся планеты. Он доказал, что те кометные ядра, которые пришли в планетную систему по орбитам параболическим и случайно "перебежали дорогу" перед приближающимся Юпитером, должны были перейти на короткопериодические орбиты с прямым направлением орбитального движения и с незначительным наклонением к плоскости орбиты Юпитера. Если же параболическая комета пролетала вблизи орбиты Юпитера вслед за планетой, такая комета получала дополнительную энергию движения и должна быть выброшена из Солнечной системы^*.

^* (Если бы Юпитер был неподвижен, то возмущаемая комета перешла бы с одной параболической орбиты на другую, но тоже параболическую.)

Идея оказалась чрезвычайно плодотворной. На основе работ X. Ньютона выросла современная теория гравитационного удара (или пертурбационного маневра), которая эффективно применяется в современной космонавтике для использования гравитации движущихся планет (а движутся они все) как силового механизма при управлении движением космических аппаратов. Благодаря теории пертурбационного маневра достигнута возможность изменять энергию гелиоцентрического движения космических аппаратов без включения реактивного двигателя или с достижением значительного выигрыша в затратах топлива и окислителя. Один из последних примеров использования пертурбационного маневра - разгон КА "Вояджер" в пролете возле Сатурна для сокращения сроков перелета к Урану. Все эти подробности упоминаются здесь для того, чтобы у читателя не возникали сомнения относительно правильности идей X. Ньютона.

В теорию захвата комет внесли свой вклад многие исследователи. К. Д. Покровский в дореволюционной России писал, что короткопериодическая кометная орбита является результатом более чем однократного пролета захваченной кометы возле Юпитера. Это одна из очень важных подробностей современной теории. Вторая значительная подробность заключается в следующем. О. Калландро показал, что планета-гигант может постепенно приблизить к своей орбите такую долгопериодическую комету, которая в перигелии находится дальше от Солнца, чем эта планета. Очевидно, что после такого изменения орбиты комета может подвергнуться более сильному гравитационному возмущению, чем прежде.

Обе эти идеи (после основательного забвения) возродились в работах К. А. Штейнса в СССР и Е. Эверхарта в США. К. А. Штейнс сформулировал "законы диффузии кометных орбит". Е. Эверхарт полагает, что наблюдаемые короткопериодические кометы произошли из ненаблюдаемых долгопериодических, перигелии которых, по его мнению, сконцентрированы возле орбиты Юпитера. Советский астроном Е. И. Казимирчак-Полонская проверила возможности преобразования почти параболических орбит, моделируя движение реальных и вымышленных комет на основе использования метода: численного интегрирования. В частности, было показано, что Нептун (в отличие от Юпитера) способен переводить почти параболические кометы на орбиты с обратным направлением движения и с периодом порядка сотни лет. Именно по такой орбите движется, например, комета Галлея.

Однако на протяжении 80 лет гипотеза о преобразовании почти параболических кометных орбит в короткопериодические отвергалась со ссылками на критику, которая (как выяснилось в 60-х годах) сама не выдерживает критики. "Отцы" других идей о происхождении короткопериодических комет стремились доказать, что любая теория захвата комет не соответствует реальной действительности, и указывали на противоречия между следствиями из теории захвата и статистикой короткопериодических кометных орбит. Как показала Е. И. Казимирчак-Полонская, все известные противоречия являются плодом чрезмерного упрощения условий задачи.

Действительно, следовало бы учитывать, что современные орбиты короткопериодических комет являются результатом многоступенчатого (а не одноступенчатого) преобразования первоначальных орбит, поскольку после захвата каждой кометы ее орбита стала периодической, в результате неоднократно подвергаясь возмущениям от Юпитера. Присоединяясь к мнению Е. И. Казимирчак-Полонской и К. Д. Покровского, заметим, что едва ли можно придумать какую-либо вескую причину, которая отрицала бы захват по механизму X. Ньютона, и обсуждать вопрос о роли какого-либо другого процесса можно только в дополнение к этому.

Возможность происхождения современных короткопериодических кометных орбит из орбит почти параболических является бесспорным фактом. Эта информация, может служить основой для понимания причины химического, физического и структурного родства кометных ядер с различными типами орбит.

Негравитационные изменения кометных орбит. В движении некоторых периодических комет обнаружены особенности, которые нельзя объяснить действием гравитационного притяжения известными телами Солнечной системы. Эти особенности (вековые ускорения у одних и замедления у других комет), названные негравитационными эффектами, по-видимому, являются результатом действия реактивных сил. В модели Уиппла эти (реактивные силы приписываются истечению потоков вещества из кометных ядер при их нагревании (механизм "сублимационной ракеты"). В обобщенной модели такой механизм сохраняется, но к нему добавлен еще один, который может быть более эффективным и способным привести нас к пониманию скачкообразного характера негравитационных изменений кометных орбит. В заключение этого раздела хотелось бы обратить внимание читателя на следующие главные подробности:

1. Было бы заблуждением выделять в отдельную категорию гиперболические кометные орбиты. Реальные кометы не имеют таких орбит (хотя могут приобрести их после прохождения в окрестностях больших планет, но такие кометы "выбывают из игры").
2. Все известные кометы участвуют в движении Солнца по отношению к окружающим звездам; таким образом, кометы являются членами Солнечной системы. Нет оснований сомневаться в том, что кометное облако Оорта это реальность, а не миф, хотя имеются основания полагать, что наши представления о свойствах комет в облаке Оорта нуждаются в серьезном пересмотре.
3. Было бы неправильным отрицать возможность превращения почти параболических кометных орбит в короткопериодические, хотя такие события могут быть не очень частыми. После превращения орбиты в короткопериодическую она подвергается значительным изменениям под действием гравитационных возмущений от планет.
4. Вопрос о причинах негравитационных изменений некоторых кометных орбит не следовало бы считать имеющим только одно решение.