Проблема происхождения комет

Составные части проблемы и некоторые критерии отбора гипотез. Можно было бы указать по меньшей мере полсотни научных публикаций с заглавием "О происхождении комет". На самом деле в каждой из них рассмотрена, как правило, не более чем одна сторона затронутой проблемы или даже только один вопрос. Между тем проблема происхождения комет состоит из нескольких крупных составных частей, которые следовало бы рассматривать в их неразрывной связи и между собой. Имеются в виду следующие основные части этой проблемы (они перечислены здесь в произвольной последовательности):

1. происхождение современных орбит двух основных типов кометного населения, главные этапы предшествующей эволюции орбит короткопериодических и почти параболических;
2. происхождение кометных ядер как космических тел или систем, способных показать характерную для комет активность под влиянием внешних воздействий, главные этапы эволюции кометных ядер в течение всего времени их существования, до нашей эпохи включительно;
3. причины недавнего включения способности комет проявлять активность, отличающую ядра комет от других астрономических объектов с такой же массой.

Одним из необходимых этапов на пути к решению любой проблемы является синтез общей схемы решения, когда удается объединить в одну целую версию отборные решения всех составных частей проблемы. Рассмотрение многих вариантов и отбрасывание ненужных являются неизбежными в любой творческой работе. Нельзя терять из виду смысловое различие между логически, правильным физико-математическим обоснованием гипотезы и ее физико-математическим оформлением без логически правильного обоснования, так же как не следует поддаваться гипнозу даже от блестящей "математической упаковки" той или иной гипотезы, когда ее физическая сущность не имеет отношения к реальной природе.

Для предварительного выяснения приемлемости или неприемлемости любой гипотезы бывает достаточным, как правило, довольно скромное математическое обеспечение. После минимально необходимого, обоснования "права гипотезы на жизнь" требуется найти проверяемые следствия из гипотезы для сопоставления таких следствий с данными наблюдений. Мы полагаем, что только после этого целесообразно начинать более детальную разработку. Абстрактная разработка научных гипотез без сопоставления с реальной действительностью может увести исследователя в область беспочвенных физико-математических упражнений.

В процессе отбора одного из нескольких возможных решений каждого вопроса можно использовать следующий критерий: действительные решения всех вопросов по одной проблеме должны быть взаимодополняющими (или, по крайней мере, не противоречащими друг другу). Для каждого правильного решения обязательно найдется его собственное место в общей схеме решения всей проблемы. Однако нужно иметь эту общую схему. Когда удовлетворительной схемы нет, исследователю приходится строить ее самостоятельно. После этого можно отдать предпочтение тем гипотезам, которые соответствуют указанному критерию.

Не исключена возможность того, что более чем одна общая схема соответствует реальной природе (например, одна - для одних комет, а другая - для иных). Но в каждой из таких схем не должно быть неясности о причинных связях явлений, об основных силовых механизмах и управляющих ими "выключателях", об источниках энергии и т. п.

Такое схематическое решение проблемы происхождения комет было построено в Институте космических исследований АН СССР (В. Д. Давыдов, 1985). Схема составлялась без игнорирования каких-либо комет, которым свойственны особые типы активности. В этой же схеме нашлось свое собственное место также для менее активных комет, которые, как правило, принадлежат к числу менее выдающихся по абсолютной звездной величине. В процессе построения этой схемы потребовалось искать совершенно новые решения нескольких полностью неясных вопросов. Упомянутый выше принцип отбора гипотез по критерию их взаимосовместимости помогал в поисках пути к каждому решению. Полученные выводы хорошо вписываются в классические представления об истории кометных орбит и позволяют понять весь комплекс физического поведения самых различных комет (в том числе особо активных, которые всегда были наименее понятными).

Природный механизм, способный сформировать кометные ядра различных типов. Советские и зарубежные исследователи давно пытались найти природный силовой механизм, который мог бы сформировать типичные кометы из тел, богатых льдами, но ранее не способных к кометной активности вследствие того, что летучие вещества испарились из толстого наружного слоя. В одной из таких попыток был рассмотрен вопрос не только о "защитной корке", но также о слишком большой для кометы массе такого тела, а, следовательно, чрезмерно сильной гравитации, способной заблокировать сублимационный вынос пыли (В. Д. Давыдов, 1981). Эта попытка привела к успеху. Был найден природный механизм, который может производить кометные ядра различного типа и вкладывать в них способность к более или менее высокой кометной активности. Таким механизмом является система сил, действующих на крупное тело малой плотности во время его пролета сквозь зону, где оно подвергается приливному разрыву.

Отвлекаясь от конкретной эпохи, представим себе небесное тело размером порядка 100 км из вещества типично кометного по его элементному и минеральному составу. Пусть такое тело, двигаясь по своей гелиоцентрической орбите, пройдет через зону приливного разрушения возле одной из планет-гигантов (желательно возле Нептуна) по пролетной траектории. Тогда пролетающее тело подвергнется воздействию, последствия которого и рассмотрим подробнее.

1. Еще до входа испытуемого тела в зону приливного разрушения приливная сила начнет изменять пространственную ориентацию этого тела (если оно имеет не шарообразную форму), стремясь повернуть его вытянутую фигуру вдоль направления на центр гигантской планеты. Такая ориентация тела способствует его приливному разрыву, поскольку растягивающая нагрузка пропорциональна квадрату длины тела вдоль направления приливной силы.

2. Начиная от момента входа в зону приливного отрыва, ускорение приливной силы может поднять и удалить крупные (только крупные!) глыбы, свободно лежащие на поверхности пролетающего тела.

3. По мере нарастания приливного ускорения постепенно увеличивается растягивающая нагрузка, которая стремится разорвать пролетающее тело. Можно показать, что энергия, затрачиваемая на механический разрыв маленькой планеты "а 2 ,или 4 части, пренебрежимо мала по сравнению с той колоссальной энергией, которая требуется, чтобы преодолеть взаимное притяжение этих частей и удалить их друг от друга.

4. Разрыв тела на 2 части (сначала только на две) приводит к резкому убыванию растягивающей нагрузки в каждом из двух кусков. Они могут подвергнуться повторному разрыву вследствие дальнейшего возрастания растягивающей нагрузки. Возрастание продолжается до той точки пролетной траектории, которая называется перицентром (точка, ближайшая к гравитирующему центру).

5. После разрыва пролетающего тела приливная сила стремится увеличить скорость разлета обломков вдоль направления к центру планеты-гиганта. Это относится также к глыбам, взлетевшим несколько раньше момента первого разрыва.

6. Направление на центр планеты (а, следовательно, и направление приливной силы) поворачивается по мере того, как пролетающее тело перемещается по своей траектории. Благодаря этому система разлетающихся обломков приобретает момент вращения^*.

^* (Сформированная приливным механизмом система из двух или нескольких тел обладает моментом вращения, которым не обладало родительское тело. Не противоречит ли такой вывод законам механики? Откуда черпается момент количества движения (или момент импульса, что то же самое)? Никакого противоречия нет. Не следует упускать из виду, что "новорожденная" система была элементом более обширной системы "комета + планета", в которой суммарный момент количества движения всех элементов оставался неизменным. Полный момент в той системе тел состоял из собственных моментов планеты и кометы, а также из момента, связанного с движением кометы относительно планеты.)

7. Группа обломков бывшего тела проходит через; перицентр пролетной траектории и начинает удаляться от планеты. Воздействие приливной силы быстро уменьшается. В результате собственная гравитация разлетающейся системы обломков берет на себя управление движением этих обломков относительно их общего центра масс.

Автор попытался смоделировать это движение методом численного интегрирования с целью найти условия необратимого разлета или немедленного объединения кусков. Первые же результаты вычислений показали общую картину решения и привели к выводу настолько многообещающему (о чем будет сказано позже), что стало целесообразным отложить более детальную разработку, чтобы безотлагательно перейти к применению полученного вывода для решения главной задачи. Оказалось, что судьба обломков возможна в трех качественно различных вариантах:

I. Главные куски испытуемого тела могут разойтись на самостоятельные гелиоцентрические орбиты.

II. Быстрое прекращение приливной силы может привести к прекращению разлета главных частей, к смене их разлета на их взаимное сближение и к незамедлительному хаотическому объединению их всех или некоторых из них.

III. Если система обломков приобрела достаточно большой момент вращения, то все (или некоторые) возвратившиеся части не смогут объединиться. Падая обратно, они отклонятся в сторону и пролетят мимо, чтобы снова возвратиться и опять пролететь мимо. Таким путем может сформироваться вращающаяся система из двух или нескольких крупных частей разрушенного тела. Этот вывод является чрезвычайно важным. По-видимому, найден тот самый механизм, который может иметь отношение к происхождению кометных ядер с множественной структурой.

Если сопоставить ожидаемое поведение модельных систем с наблюдаемыми свойствами комет, можно убедиться в перспективности найденного пути. Так, третий вариант приливного разрушения на пролетной орбите использовался для получения информации о первичной (генетической) структуре множественных кометных ядер. Исход процесса зависит от многих параметров: эксцентриситета пролетной траектории и высоты перицентра, вытянутости фигуры испытуемого тела и плотности его вещества, задержки приливного разрыва от момента входа испытуемого тела в зону приливного разрушения.

Однако результаты вычислений показали, что возле Нептуна третий вариант приливного разрушения возможен без введения каких-либо экзотических предположений в условия задачи. Для этого требуется только пролет достаточно крупного тела, богатого летучими веществами, на расстоянии не более нескольких тысяч километров от поверхности облаков, окутывающих Нептун. Все операции по превращению такого тела в множественное кометное ядро (либо в группу независимых комет) выполнит приливный силовой механизм, который использует некоторую часть энергии пролета по планетоцентрической орбите. Продуктивность этого механизма можно значительно увеличить, так же как и высоту перицентра, используя тела вытянутой формы, а не шарообразные.

Гипотеза о приливном механизме формирования комет (вместе с важными следствиями из нее) оказалась той центральной деталью, отсутствие которой в комплекте ранее имевшихся деталей препятствовало объединению данных о кометах с ядром разного типа в одну общую схему происхождения и эволюции комет.

Схема общего решения проблемы происхождения комет. Такая схема была опубликована в журнале "Космические исследования" (1985, т. 23, № 5, с. 766). В ней объединено несколько взаимно совместимых гипотез, дополняющих одна другую. Среди них имеются как новые, так и хорошие старые. Синтезированные в одну концепцию, эти гипотезы позволяют теперь понять последовательность главных событий в жизни каждой кометы. Одним из важнейших элементов этой схемы является природный механизм, который, образно говоря, закладывает в кометы "генетические коды" будущего "характера" комет различных типов. Шесть главных составных частей в этой схеме таковы.

1. Используем один из вариантов решения вопросов; о том, откуда кометные тела могли попасть в облако Оорта и какие силы привели к их перемещению в облако и к задержке там. Здесь выбрана гипотеза, опубликованная в статьях Б. Ю. Левина в 1959-1963 гг. (Естественно, она была построена не на пустом месте, ее основы были подготовлены более ранними работами других авторов.) Сущность гипотезы следующая.

Более 4 млрд. лет назад на поздних стадиях аккумуляции планет-гигантов из малых тел (когда в "зонах питания" планетных "зародышей" оставалось довольно" много вещества в виде мелких, и крупных каменисто-ледяных планетезималей) гравитационные возмущения от самых массивных тел приводили к выбрасыванию множества планетезималей на гиперболические орбиты безвозвратного ухода из планетной системы. Достигнув границ зоны гравитационного влияния Солнца, некоторые тела, выброшенные любым механизмом, могли быть переведены с гиперболических орбит на замкнутые эллиптические, с перигелиями далеко за пределами орбиты Плутона.

Этот механизм захвата тел в кометное облако Оорта; был известен задолго до механизма их выброса планетами (и задолго до того, как кометное облако стали называть облаком Оорта). Причиной захвата могли быть гравитационные возмущения от некоторых звезд.

Гипотеза Б. Ю. Левина естественным образом вписывалась в рамки концепции Я. Оорта, хотя недостатком такой гипотезы является малый коэффициент полезного действия механизма захвата. Однако в других известных гипотезах содержатся более сомнительные элементы. Э. Эпик в 1966 г. и В. С. Сафронов в 1970 г. выполнили количественную разработку элементов такой гипотезы. В частности, В. С. Сафронов установил, что главным поставщиком комет в кометное облако Я. Оорта был Нептун, а не Юпитер.

2. Следующим элементом в схеме новой концепции является гипотеза о катастрофически приливной перестройке структуры некоторых планетезималей при весьма тесных пролетах возле планеты Нептун. Средняя плотность Нептуна более высока, чем у других планет-гигантов, поэтому приливная сила от воздействия гравитации Нептуна способна "развалить" планетезимали, которые "не по зубам" Сатурну. Катастрофическое воздействие приливного механизма могло приводить к выходу низкотемпературных льдов из недр разрушаемого тела на открытую поверхность независимо от дальнейшей судьбы крупных обломков (т. е. даже в случае последующего хаотического объединения этих обломков).

Такой механизм мог "изготавливать" протокометы из планетезималей или из других тел с очень толстой каменисто-пылевой оболочкой. Продуктами такого природного процесса могли быть протокометы как с одиночным ядром, так и с двойным и с множественным. Двойные и множественные ядра должны обладать моментом кометоцентрического вращения. Они могли приобрести его в процессе их формирования, вследствие поворота вектора приливной силы во время разрушительного пролета. Это сильно меняет прогноз их дальнейшей судьбы.

3. У двойных и множественных протокомет, о которых идет речь, было достаточно много времени, чтобы до нашей эпохи пройти структурную эволюцию, финалом которой не обязательно является объединение всех членов каждой системы в одно тело. Поскольку эволюция каждого множественного ядра протекала в зоне пространства, удаленной от приливных воздействий, некоторые ротокометы в процессе их "дозревания" могли приобрести бесстолкновительную систему спутников, стабильную в физических условиях облака Оорта (В. Д. Давыдов, 1985). В следующем разделе будут перечислены возможные варианты структуры "дозревших" кометных ядер.

4. Структурная модель кометного ядра с массивными спутниками представляет собой мощный природный механизм с собственным запасом энергии для будущей "расконсервации" кометного вещества (В. Д. Давыдов, 1984). Это кинетическая и потенциальная энергия обращения спутников по орбите вокруг главного тела кометы. Имеется в виду "расконсервация" от тугоплавкой корки, которая образуется на открытой поверхности льдов за весь срок "хранения" комет в облаке Оорта.

5. Один из чрезвычайно важных (и принципиально новых) элементов новой, более общей концепции - гипотеза о солнечно-приливном (Пусковом механизме, которым включается характерное физическое поведение особо активных комет (В. Д. Давыдов, 1984, 1985). При первом вхождении кометы из облака Оорта в зону видимости приливная сила от Солнца способна оказать весьма сильное воздействие на структуру двойного и множественного кометного ядра. Возможны следующие последствия:

1. потеря внешних спутников из множественного ядра (рис. 2);
   
   Рис. 2. Ядро периодической кометы Брукса 2 разделилось на части после пролета через зону действия приливной силы Юпитера. Рисунок по наблюдениям Е. Е. Барнарда в 36-дюймовый рефрактор Ликской обсерватории. Три части вытянулись вдоль направления приливной силы Солнца, а две отошли в сторону
   
   
2. деление двойной системы с расхождением ее фрагментов на почти одинаковые, "о независимые орбиты;
3. падение некоторых спутников на главное тело кометы;
4. объединение двух приблизительно одинаковых по размеру тел в случае их почти центрального соударения;
5. почти краевое соударение фрагментов в системе двух тел не сопровождается их объединением или разрушением (если масса системы двух тел заключена в диапазоне массы, типичной для комет). За первым соударением должна следовать серия других, если система не подвергнется дополнительным возмущениям от внешних источников приливного воздействия.

Все пять вариантов ожидаемой реакции составного кометного ядра на всплеск приливного воздействия имеют особые внешние проявления; всем им соответствуют реально наблюдаемые типы физического поведения комет. Особое внимание мы уделим последним трем из перечисленных вариантов. Они означают, что долго хранившаяся энергия кометоцентрического "орбитирования" массивных спутников начинает расходоваться на ударное разрушение теплоизоляционной корки на поверхности наиболее крупного тела в кометном ядре, на "расконсервацию" кометных льдов и на выбрасывание вещества, раздробленного при каждом соударении.

Еще раз подчеркнем, что ударный механизм включается под действием приливной силы Солнца, в результате пробуждается и резко возрастает способность каждой кометы с множественным ядром чрезвычайно бурно реагировать на солнечное облучение. Что же касается комет с одиночным ядром, то причины их активности были очень подробно рассмотрены в весьма многочисленных гипотезах, разработанных приверженцами концепции одиночного ядра. Впрочем, имеются основания полагать, что там еще найдутся новые идеи, которые будут более перспективными, чем прежние.

6. Наконец, последняя (по порядку, но не по важности!) составная часть общего решения проблемы. Это старая гипотеза американского астронома X. Ньютона о происхождении короткопериодических кометных орбит из почти параболических за счет сильных гравитационных возмущений от Юпитера или от других планет-гигантов (X. Ньютон, 1878, 1893). Из этой гипотезы, вставленной в новую концепцию, зарождается ответ на вопрос о происхождении множественной структуры ядра некоторых короткопериодических комет: мы видим, где и когда они могли приобрести такую структуру, прежде чем они стали короткопериодическими.

Эти 6 пунктов взаимно дополняют друг друга. Объединенные вместе, они дают специалистам новые интерпретационные возможности, открывают перспективы найти ответы, причем наименее сложные и вполне ясные, на многие загадки комет. Хотя каждый из таких ответов, конечно, нуждается в детальной разработке, которая может принести дополнительные интересные результаты, в том числе неожиданные.

Например, предложенная концепция помогла объяснить происхождение кометных пар и цепочных ассоциаций, почти параболические орбиты которых на их входной ветви практически совпадают между собой за пределами зоны возмущения от планет-гигантов, хотя члены таких групп пролетают возле Солнца на различных расстояниях от него с интервалом порядка 102-103 сут. Такие группы были обнаружены М. Гуком (обсерватория Утрехт) в 1863 г., и в течение 120 лет их происхождение оставалось загадкой.

Решение этого вопроса на основе предложенной концепции позволило сделать вывод о возможности солнечно-приливного деления двойных кометных ядер далеко за пределами планетной системы, а попытка найти моменты деления привела к выводу о необходимости поискать дополнительные источники погрешности в определениях эксцентриситета почти параболических кометных орбит.