Физическое поведение комет

Главные отличительные признаки комет и безуспешные попытки усреднить их физическое поведение. Чтобы исследовать физическую природу комет, необходимо прежде всего четко знать, чем они в том же диапазоне размеров и массы отличаются от каких-либо других небесных тел, т. е. прежде всего от астероидов. Этот вопрос не столь прост, как может показаться на первый; взгляд. Некоторые исследователи пытались втиснуть свою собственную гипотезу о физическом механизме активности кометного ядра даже в самое определение кометы. Между тем в таком определении требуется использовать только наблюдаемые факты, "очищенные" от истолкования причины этих фактов (иначе будет столько же определений, сколько истолкований).

Универсальное определение может быть таким: главное наблюдаемое отличие комет от астероидов состоит в характерной для комет способности выбрасывать облака газов и пыли. В самом деле, обсуждая вопрос о возможности или невозможности превращения комет в астероиды, астрономы имеют в виду полную утрату кометами их способности проявлять активность. Итак, будем? считать, что мы знаем главные отличительные признаки комет.

Надо сказать, что их хорошо знает каждый наблюдатель, который имел дело с поиском комет, - будь то профессионал или серьезный любитель астрономии: Для слабых далеких объектов, когда структура телескопического изображения кометы и астероида практически одинакова, различия, как правило, могут быть выявлены после вычисления орбиты. Типичные же особенности кометных орбит перечислены в предыдущей главе.

Есть еще одна характерная особенность комет, которая заслуживает пристального внимания". Самые тщательные попытки астрономов описать типичный комплекс физического поведения "средней" кометы привели к довольно неожиданному результату. Эта задача оказалась невыполнимой иначе как только в чрезвычайно грубом приближении. Теперь мы понимаем, почему: само понятие "средняя комета" представляет собой нонсенс. Выдающийся советский космогонист Б. Ю. Левин после 40 лет творческой работы по вопросам физики, динамики и происхождения комет и астероидов пришел к убеждению, что понятие типичного кометного ядра является весьма неопределенным, так как разные кометы показывают удивительное разнообразие свойств (см. статью Б. Ю. Левина в журнале "Известия АН СССР; сер. "Физика Земли", 1982, № 6).

Процитируем несколько фраз из впечатляющего своей колоссальной информативностью научного обзора, который подготовили в 1975 г. американские ученые Р. Ньюборн и С. Галкис при участии 22 других астрономов: "Любая попытка рассмотреть "среднюю комету" и предсказать ее поведение имеет только статистический смысл. Кометы - индивидуальные образования. Их поведение есть сложная функция... Общепринятой модели комет не существует. Наиболее широко распространенной является модель ледяного конгломерата Ф. Л. Уиппла. Она хорошо соответствует "средней комете".

Если вернуться к началу цитаты, можно понять, что авторы обзора констатируют недостаточно универсальное соответствие между уиппловской моделью и реальными кометами, хотя они и высказывают это в неявном виде и в крайне учтивой форме по отношению к своему прославленному соотечественнику.

Формы и спектры комет в зависимости от гелиоцентрического расстояния. На расстоянии от Солнца (гелиоцентрическом расстоянии) более 3 а. е. кометы имеют астероидоподобный вид, их блеск настолько слаб (за редкими исключениями), что наблюдать находящиеся на таком удалении от нас кометы удается, как правило, только на телескопических фотоснимках, полученных с длительной экспозицией, а в последние годы - с новыми усилителями яркости изображения.

По мере приближения кометы к Солнцу становится заметной диффузная кома вокруг кометного ядра. Принято считать, что образование комы начинается на гелиоцентрическом расстоянии около 3 а. е. Но есть основания подозревать, что появление комы вокруг приближающихся комет соответствует "порогу видимости", а не началу комообразования. Иначе говоря, не исключена возможность того, что скопление пыли вокруг ядра (как центральная часть будущей головы кометы) существовало до обнаружения этого скопления астрономическими средствами.

После появления комы ее линейные размеры увеличиваются, и это происходит вплоть до гелиоцентрического расстояния около 1,4 а. е. Последующее приближение кометного ядра к Солнцу сопровождается сжатием комы, несмотря на возрастание ее суммарного блеска. На расстоянии приблизительно 1,5 а. е. от Солнца или на несколько меньшем комета приобретает хвост из ионизованных газов и плазмы. Что же касается пылевых хвостов, то у большинства комет они становятся заметными на расстоянии примерно 1 а. е. от Солнца.

Дальнейшее физическое поведение кометного ядра резко зависит от величины перигелийного расстояния его орбиты, которое у всех комет совершенно различное. Само собой разумеется, что чем меньше это расстояние, т. е. чем ближе к Солнцу, тем выше блеск кометы га тем более эффектный вид имеет небесное зрелище. Однако в каждом конкретном случае нельзя использовать это правило для уверенного прогнозирования, так как способность комет проявлять активность подвержена непонятным капризам (хотя едва ли можно сомневаться в том, что природа никогда не нарушает своих собственных законов).

На трассе удаления кометы от Солнца ее физическое поведение проходит через те же стадии в обратной последовательности. Впрочем, так можно сказать только в весьма, грубом приближении; в нескольких хорошо исследованных случаях с полной определенностью установлены резкие отклонения от симметрии не только в сроках изменений, но и в их сущности. Такой особенностью (и не только этой) обладает, например, короткопериодическая комета Энке.

Важным источником информации для изучения природы кометных ядер являются спектральные исследования. Даже в спектрах комы и кометных хвостов содержится зашифрованная природой информация о некоторых характеристиках кометного ядра. Спектрография ядерной области (включая внутреннюю часть комы) показала, что для нее характерен континуум, т. е. непрерывный апектр. Фраунгоферовы линии поглощения в нем подтверждают, что это - солнечный свет, отраженный холодной поверхностью твердого вещества. Такой спектр является надежным свидетельством присутствия твердых частиц в наблюдаемом объекте. В спектрах внешней части комы и некоторых, кометных хвостов отчетливо видны яркие линии (эмиссии), характерные для газообразного вещества.

Таким образом, можно считать твердо установленным фактом то, что, во-первых, твердые частицы присутствуют возле ядра по крайней мере многих комет (если не всех), во-вторых, как показывают спектры, некоторые части ядра (и возможно, твердые частицы возле него) являются источниками газов. В открытом космосе газ быстро расширяется, и молекулы уже не сталкиваются между собой, а распадаются под действием излучения Солнца. Продуктами этого распада являются более простые молекулы, свободные радикалы и отдельные атомы. Почти все они довольно быстро теряют электрон и становятся ионами.

Излучении всех этих частиц является их "визитной карточкой", которую мы видим на спектрограммах. Составляя перечень наблюдаемых продуктов распада, специалисты пытаются вывести заключение о химическом составе "родительских молекул", чтобы узнать, из каких химических соединений состоит кометное ядро. Почти все данные о химическом составе "родительских молекул" являются до настоящего времени не более чем гипотетическими, несмотря на некоторые первые успехи.

Различия в изменении спектров по мере приближения комет к Солнцу свидетельствуют о резких различиях в природе ядра разных комет, причины которых недостаточно исследованы. У некоторых комет пылевая часть комы остается слабой, и свет от нее перестает быть заметным на спектрограммах с возрастанием яркости эмиссионных полос. У других комет непрерывный спектр сохраняет свое преобладание в обширной области возле ядра.

В описаниях поведения комет в зависимости от их приближения к Солнцу можно найти подробности о тех границах, при пересечении которых происходят изменения в кометном спектре. Первыми появляются признаки молекул циана CN (в фиолетовой системе спектральных полос около длины волны 388 нм)., когда до Солнца остается приблизительно 3 а. е. На гелиоцентрическом расстоянии около 2 а. е. возникают эмиссии трехатомной молекулы углерода С₃ (около длины волны 405 нм), двухатомной молекулы С₂ (около длины волны 563,6 нм) и альфа-аммония NH₂ (несколько слабых полос в ближней инфракрасной и в видимой части спектра). Свечение этих компонентов сконцентрировано в менее обширной области возле кометного ядра, чем свечение CN.

На гелиоцентрическом расстоянии 1,8 а. е. появляются принадлежащие С₂ спектральные полосы Свана (сначала около длины волны 473,7 нм, затем около 516,5 нм). Область свечения двухатомного углерода больше, чем трехатомного, но не столь велика, как область свечения CN. На расстоянии около 1,5 а. е. от Солнца появляются другие полосы С₂ и CN и могут быть видны признаки тех свободных радикалов, которые обычно присутствуют в комете (ОН, NH, СН и др.).

Эмиссии в спектрах кометных хвостов состоят из полос ионизованных молекул СО⁺, N₂⁺ и СО₂⁺ с несколько меньшим вкладом от СН⁺ и ОН⁺. Когда до Солнца остается 0,7 а. е., в эмиссии может появиться D-линия натрия (589-589,6 нм). В редких случаях комета проходит возле Солнца на расстоянии меньше чем 0,2 а. е.; тогда облучаемая поверхность подвергается нагреву до температуры настолько высокой, что в спектрах кометы видны эмиссионные линии многих металлов и других химических элементов.

В этом разделе речь идет о среднестатистическом поведении комет. Так что ни одна конкретная комета (а тем более ни один конкретный теоретик) не несет никакой ответственности за поведение всех других комет. Ведь кометы выбирают себе правила поведения, совершенно не считаясь с общим мнением о том, какая из теорий заслуживает большего внимания. Ясно только одно: из всех комет лишь немногие обладали хорошо заметными признаками ионного хвоста на расстоянии от Солнца более чем 1,5-2 а. е. Одним из выдающихся исключений второй половины XX в. была комета Хьюмасона (1962 VIII). Ее бурная активность имела особенности, спектр тоже. В спектре хвоста кометы Хьюмасона была видна сильная эмиссия СО⁺, когда ядро находилось на гелиоцентрическом расстоянии 5 а. е., а на расстоянии 2,5 а. е. преобладающие эмиссии принадлежали СО⁺ и N₂⁺.

Парадоксальные типы проявления кометной активности. Рассматривая особенности физического поведения комет, можно найти большую коллекцию фактов об их активности, которым слишком тесно в рамках уиппловской модели кометного ядра. Нельзя сказать, что неблагополучное положение дел с объяснением этих фактов не было известно ранее; и тем не менее в течение многих лет это оставалось за пределами серьезного внимания научной общественности. Чтобы показать далеко не полное соответствие между представлениями модели Уиппла и наблюдательными данными, перечислим несколько особых форм кометной активности (этот перечень мы сопровождаем только самыми необходимыми пояснениями).

1. Дискретный (а не монотонный) характер активности кометных ядер, который выражен в различной мере у очень многих комет, хотя, может быть, не у всех. Убедительным свидетельством дискретности выбросов твердого мелкодисперсного вещества являются "синхроны" в пылевых кометных хвостах. Это узкие полосы, геометрическая форма которых говорит об одновременности выброса каждой пачки твердых частиц, различных по размерам. Дискретные выбросы газообразного вещества сопровождаются образованием светящихся "галосов", которые расширяются вокруг ядерной области, подобно надуваемому мыльному пузырю.

Комета Маркоса (1957 V), у которой, кроме узкого и прямого плазменного: хвоста, виден широкий пылевой хвост с полосами 'синхрон', соответствующими дискретному выбросу пыли из кометного ядра

На малых расстояниях от Солнца любая активность кометного ядра не озадачивала многих современных специалистов, которые старались сгладить впечатление дискретности, "размазать" явления по шкале времени по крайней мере до нескольких часов. Однако бурная активность некоторых комет в холодной зоне Солнечной системы, например, комета Хьюмасона 1962 VIII, (рис. 1), комета Боуэлла 1980 b и, бесспорно, дискретный характер их активности - все это наводило на серьезные размышления.

Рис. 1. Гигантская комета Хьюмасона (а) в 1962 г. продемонстрировала удивительное поведение, несмотря на большое перигелийное расстояние (2,13 а. е.). На рисунках по фотографиям, полученным Элизабет Ремер, рядом с ядерной областью кометы виден выброс (б) светящегося облака, которое отсутствовало предыдущей ночью

Почти в чистом виде дискретная активность наблюдается у короткопериодической кометы Швассмана-Вахмана 1. Это небесное тело внезапно выбрасывает дисперсное вещество, окружая себя облаком пыли. Облако рассеивается через несколько недель. Выбросы случаются от двух до пяти раз в год. Такая активность не прекращается с момента открытия кометы в 1927 г. Никак не укладываясь в гипотезу, объясняющую дискретность выбросов периодическими пульсациями температуры в связи с вращением ядра, наблюдаемые явления свидетельствуют о существовании другого механизма. Такова информация по одному только первому пункту нашего перечня. Перейдем теперь ко второму.

Рис. 1. Гигантская комета Хьюмасона (а) в 1962 г. продемонстрировала удивительное поведение, несмотря на большое перигелийное расстояние (2,13 а. е.). На рисунках по фотографиям, полученным Элизабет Ремер, рядом с ядерной областью кометы виден выброс (б) светящегося облака, которое отсутствовало предыдущей ночью

2. Преобладание твердых частиц (а не газов) в выделениях из ядра некоторых комет требует пересмотреть или дополнить глубоко укоренившиеся представления о том, что пыль выделяется с поверхности кометного ядра вследствие бурной сублимации загрязненных льдов (например, Большая комета Вискара (1901 I) и уже упоминавшаяся комета Швассмана-Вахмана 1). Непрерывный спектр без признаков эмиссионных линий показали и выбросы из короткопериодической кометы Холмса в ее первом появлении (1892 III).

3. Деление кометного ядра. Этот феномен (см. рисунок на первой странице обложки) часто называют весьма неудачно "распадом" ядра. За термином "распад" скрывается предположение о превращении кометы в метеорную пыль. На самом же деле нет веских оснований говорить о полном разрушении разделившихся комет, так как потоки метеорных тел существуют даже на орбитах "ныне здравствующих" комет. Речь идет именно о делении кометного ядра на две или на несколько частей, которые разлетаются с начальной скоростью порядка 1 м/с. Эти вторичные ядра, по-видимому, являются относительно крупными частями, судя по тому факту, что их первоначальный блеск мало уступает блеску исходного ядра.

Примеры таких комет известны с глубокой древности. Яркая комета, наблюдавшаяся в 372 г. до н. э., разделилась на две части. Другие случаи деления комет перечислены в таблице. В нее включены только те кометы, сведения о вторичных ядрах в которых астрономы считают бесспорно подтвержденными. Этот список дает возможность интересующимся лицам найти подробности о наблюдавшихся явлениях в оригинальных публикациях.

Уиппловская модель кометного ядра не помогает объяснить такое явление, но и игнорировать его нельзя. Одни случаи деления комет сопровождались временным всплеском отражательной способности главного ядра (точнее говоря, ядерной области кометы), другие - нет. Все вторичные ядра обладают свойствами активных комет в течение некоторого времени. Однако их блеск пульсирует и активность быстро угасает.

Кроме образования долгоживущих вторичных ядер, случаются выбросы ложного ядра, т. е. компактного облачка, в котором ядро, по-видимому, отсутствует. Скорость выброса ложного ядра несколько сотен метров в секунду, а срок его жизни порядка несколько десятков часов. Такой выброс наблюдался возле ядра кометы Галлея, он был зарегистрирован на многих южных обсерваториях с 31 мая по 4 июня 1910 г. Это явление не уникальное, оно типично для многих комет; тем не менее, относится к числу явлений совершенно недостаточно исследованных.

4. Непредсказуемые "вспышки" блеска ядерной области некоторых комет, хотя термин "вспышка" здесь не очень удачен, так как всплеск яркости продолжается не менее чем несколько суток. Например, у кометы Энке возрастание блеска длится от 4 до 6 сут, затем следует спад блеска вдвое более продолжительный. Во время таких "вспышек" блеск ядерной области различных комет возрастает в разной мере. Иногда в несколько раз, а иногда с весьма высокой амплитудой, которая достигает 9-10 звездных величин (т. е. в 4-10 тыс. раз). Во время некоторых "вспышек" наблюдателям удавалось различить появление вокруг ядра светлой оптически плотной оболочки, которая быстро расширялась. Это хорошо заметно было на примере короткопериодической кометы Швассмана-Вахмана 1. По-видимому, мы имеем дело с временным всплеском той характеристики кометы, в которую входит произведение отражательной способности твердого вещества на его суммарную поверхность (конечно, с учетом дополнительных факторов).

Такие явления были замечены астрономами, начиная, по крайней мере, с первой половины XIX в. Обратимся теперь к наблюдениям. Комета 1818 II - одна из многих комет, открытых Ж. Д. Понсом; значительные колебания ее блеска отметили Г. Ольберс и И. Энке. Один из свежих примеров - короткопериодическая комета Туттля-Джакобини-Кресака (1973 VI); она наблюдалась в 6 появлениях начиная с 1858 г. В мае и июле 1973 г. комета дала две "вспышки"; амплитуда возрастания блеска достигла 9-й звездной величины. Довольно большой каталог "вспышек" блеска комет с 1847 по 1975 г. читатель может найти в книге Д. А. Андриенко и В. Н. Ващенко "Кометы и корпускулярное излучение Солнца" (М.: Наука, 1981).

"Вспышки" блеска некоторых комет сопровождались делением ядра. К настоящему времени известно 7 таких комет: Савертал (1888 I), Свифт (1899 I), Южная комета (1947 XII), Хонда (1955 V), Виртанен (1957 VI), Икейя-Секи (1965 VIII), Когоутек (1970 III). Все они не периодические.

5. В активности некоторых ярких комет наблюдались внезапные перерывы продолжительностью в несколько десятков часов. Например, комета Галлея в 1453 г. на некоторое время осталась "бесхвостой", после чего хвост у нее "вырос" снова. Такие же случаи встречаются в старинных описаниях некоторых других ярких комет.

6. Зарегистрированы многочисленные случаи, когда ядро кометы содержало в себе несколько ярких точек или имело вид "звездной кучи", например комета 1661 г. по наблюдениям Яна Гевелия в оптическую трубу, короткопериодическая комета Туттля 1 (1790 II), короткопериодическая комета Борелли (1932 IV). Несколько центральных конденсаций имела комета Кахо-Козик-Лис (1936 III). Мы не видим оснований, чтобы относиться к таким наблюдениям с недоверием.

7. Наблюдалась веретенообразная форма "фотометрического ядра" у некоторых комет. В короткопериодической комете Швассмана-Вахмана 3 (1930 VI) центральная конденсация яркости имела вид галактики в ракурсе "с ребра". В Великой сентябрьской комете 1882 г. наблюдатели отмечали веретенообразную форму ядра, а в нем можно было различить несколько сгустков вещества; через некоторое время после этого комета разделилась на несколько частей.

Все перечисленные здесь "аномалии" в поведении комет было бы ошибкой считать уникальными. Каждая разновидность "аномалии" встречается, по крайней мере, у нескольких разных комет. Очевидно, мы имеем дело с разновидностями физического поведения, типичными для целой группы объектов. Различные комплексы кометной активности могут быть связаны с типовыми отличиями в строении ядра разных комет. Каждая особенность не является уникальной, но весь набор особенностей индивидуален.

Те кометы, в физическом поведении которых выявляется хотя бы один из вышеперечисленных феноменов, можно характеризовать как особо активные в отличие от комет, которые не имеют заметных особенностей и, как правило, обладают значительно более слабым блеском. Наблюдаемые свойства особо активных комет весьма трудно втиснуть в рамки современных представлений о кометном ядре как об одиночной глыбе, которая состоит из замороженных летучих веществ с прослойками пыли из каменистых минералов. Трудно, согласиться, что перечисленные особые проявления кометной активности могут быть связаны только с перегревом ядра (тем более, если комета находится на расстоянии 4 а. е. или еще дальше от Солнца).

В течение многих лет, пытаясь объяснить такие явления, специалисты построили огромное количество умозрительных гипотез, из которых многие скорее загромождают путь к истине, чем способствуют продвижению к ней. В рамках господствующей ныне концепции эти явления остаются парадоксами. Заметим, что парадоксы существуют только тогда, когда мы обвиняем в противоречивости систему наблюдаемых фактов, а их истолкование считаем непогрешимым.

Чтобы найти путь к устранению логических парадоксов, требуется переставить противоречие в схеме рассуждений на другое место, а именно на его законное место между данными наблюдений, с одной стороны, и между той теорией, которая привела к парадоксам,- с другой. По-видимому, такая теория содержит в себе неправильное истолкование причин хотя бы одного из важнейших наблюдаемых фактов или она опирается на ошибочное предположение из числа тех, которые в явном или в неявном виде были использованы в логической схеме, ведущей к парадоксам.

Наблюдаемое поведение некоторых комет давно наводило специалистов на мысль о существовании внутренних источников собственной энергии кометного ядра. Вопрос о физической природе источников этой энергии привел к появлению множества различных гипотез на основе самых экзотических предположений. Этот вопрос остается предметом дискуссий в рамках традиционных представлений, следующих из модели Уиппла.