Происхождение комет: новый взгляд на старую проблему
15.03.2001 16:50 | Ф. А. Цицин/Вселенная и Мы

Концепция реликтового резервуара кометных тел как унитарного источника комет Солнечной системы

Введение

В истории проблемы происхождения комет за кажущимся хаосом постоянных изменений, борьбы и антагонистического сосуществования взаимоисключающих гипотез выявляется некая общая тенденция движения к конечному синтезу, за счет впечатляющего векового обогащения новыми идеями и результатами, и не в меньшей мере - выявления и отсечения элементов ложного знания в нашей системе представлений и в имеющемся огромном массиве информации о кометах.

Вкладом в постепенный, подчас противоречивый, но упорный прогресс в проблеме происхождения комет стали результаты И.Ньютона и Э.Галлея, Ф.Эпинуса и В.Гершеля, Ф.Бесселя и Дж.Скиапарелли. В ХХ в. особенно важную роль в этом процессе сыграли Э.Эпик и С.К.Всехсвятский, С.В.Орлов и В.Г.Фесенков, космогонисты школы О.Ю.Шмидта (кроме него Л.Э.Гуревич и А.И.Лебединский, Б.Ю.Левин и В.С.Сафронов; поразительно идейно богатый В.В.Радзиевский...); Я.Оорт и Ф.Уиппл, К.Штейнс и Е.И.Казимирчак-Полонская, Н.А.Беляев и Л.Кресак. Освещаемая ниже попытка осмыслить результаты этого процесса предпринята автором совместно с И.Л.Генкиным и В.М.Чепуровой. Они, разумеется, не в ответе за стиль изложения, неизбежный субъективизм и некоторые авторские экскурсы за пределы совместно полученных выводов.

1. Из истории вопроса

Проблема происхождения комет - одна из старейших [1] и наиболее интригующих загадок астрономии. Две тысячи лет в науке господствовало представление Аристотеля, что кометы - это чисто атмосферное явление типа радуги, молнии, болидов (!) и других огненных метеоров... Между тем еще современники Аристотеля, древневавилонские астрономы, заподозрили периодичность некоторых комет. Можно предположить, что в первую очередь это относилось к комете Галлея [2,3]. А в I в. н.э. замечательный древнеримский мыслитель Луций Сенека-младший, вопреки авторитету Аристотеля, совершенно четко высказал идею о небесной, как у планет, природе комет. Однако лишь Т.Браге, наблюдая (c ассистентами из разных мест) комету 1577 г., окончательно доказал, что кометы принадлежат надлунному, небесному миру, как и планеты.

Но результат Браге поставил перед астрономами новую проблему, какой для Аристотеля не существовало: а где и как в планетном (или звездном?) мире движутся кометы? Еще И.Кеплер допускал, что кометы проносятся через Солнечную систему по прямым (!) линиям. Неясно, где и как у него начинались (происхождение комет?!) и кончались их пути: ведь Вселенная Кеплера, как и Коперника, была... конечной. Лишь И.Дерфель в конце XVII в. предположил, что кометы движутся по параболам. Это мнение поддержал авторитетный Ян Гевелий, и оно довольно быстро, еще на рубеже XVIIЦXVIII вв., стало популярным.

Комета Хейла-Боппа, кажется, вот-вот раздавит своим хвостом маленькое пятнышко туманности Андромеды. Однако кажущиеся весовые категори слишком различны. Комета - объект Солнечной системы, туманность M31 - гигантская галактика.

Одним из важнейших открытий за всю историю астрономии стало обнаружение Э.Галлеем периодичности (движения по эллипсу) знаменитой кометы, названной затем его именем. Но подавляющее большинство комет демонстрировало параболические орбиты... Чуть ли не единственным исключением в середине ХVIII в. оказалась комета Лекселя, возмущением от Юпитера выбитая было на орбиту с периодом всего около 6 лет. Но уже на втором обороте тем же Юпитером она была вышвырнута (на сотни лет) из планетной зоны Солнечной системы. Поэтому мнение о пришлом, для Солнечной системы, характере комет продолжало преобладать.

В конце XVIII века оно, казалось, нашло подтверждение и объяснение в космогонических идеях Гершеля. Он считал кометы остатками космических масс, из которых формировались звезды (и планеты...). Это, пожалуй, было первое вполне научное, хотя и весьма гипотетическое, объяснение природы комет; в принципе правильное, хотя и слишком общее.

Между тем, в начале 20-х годов XIX в. И.Энке доказал краткость периода (P = 3,3 года, до сих пор наименьший известный) несколько раз до того открывавшейся кометы (комета Энке). Наряду с уже имевшимися прецедентами эллиптичности (кометы Галлея, Лекселя и подозрения на некоторые другие) это давало основу для утверждения (в соответствии еще с мнением Ньютона) эллиптичности орбит комет. Ведь в наблюдаемой части орбиты, вблизи Солнца, дуга очень вытянутого эллипса почти не отличается от дуги параболы!

На этой базе и укрепилась одна из первых, классических гипотез о происхождении комет. Ж.-Л.Лагранж еще в 1812 году предположил рождение комет при вулканических взрывах и извержениях (выбросах) с планет-гигантов (эруптивная гипотеза, развитая позже С.К.Всехсвятским [4]).

Почти тогда же П.С.Лаплас ([5]), опираясь тоже на достоверные данные (!) о параболическом характере орбит подавляющего большинства комет, математически разработал гипотезу о приходе комет из межзвездного пространства. Авторитет Лапласа на десятилетия закрепил его представления о несолнечной природе комет.

Однако в начале 70-х годов XIX в. серьезные критические соображения в адрес гипотезы Лапласа высказал Дж.Скиапарелли [6]. Он показал, что самая блестящая математика в приложении к Природе может скрывать за собою лишь недостаточное понимание автором физики дела. Оказалось, Лаплас не учел, что чуждые Солнечной системе кометные тела (ядра) обязаны иметь относительно Солнца звездные же движения (скорости). Поэтому межзвездные кометы должны были неизбежно иметь эксцентриситет орбит е>>1. А между тем, все гиперболические кометы, приходящие к нам ныне, имеют вдали от Солнца скорости =0,1 км/с и е<1,006. Отсюда Скиапарелли заключил, что кометы, Солнце и планеты составляют вместе семью объектов общего происхождения.

Оба типа гипотез о происхождении комет (в Солнечной системе, вне ее) содержат, увы, крупные слабости и пробелы. По мнению ныне ведущего специалиста в кометной космогонии - В.В.Радзиевского главную трудность в объяснении генезиса комет представляет разделение их на два подкласса, разительно различающихся пространственно и динамически: коротко- и долгопериодические. (К последним относят и апериодические - околопараболические и слабо гиперболические кометы). Мне лично более физичным кажется разделение комет на периодические и апериодические. Последние включают и формально периодические, эллиптические, но с афелиями так далекими от Солнца, что из-за звездных и иных возмущений такой эллипс может резко меняться на каждом витке, до превращения в параболу или слабую гиперболу с эксцентриситетом е чуть больше 1.

За полтора века после Лапласа и Лагранжа добавилось с дюжину гипотез, но происхождение комет оставалось загадкой. В преддверии середины ХХ в., ознаменованной бурным всплеском космогонии, ситуацию уже традиционно резюмировал американский астроном Флетчер Ватсон: Пожалуй, мы должны честно сказать, что не знаем, где, когда и как образовались кометы.

Новую эру в кометной космогонии открыло рождение в начале 40-х годов шмидтовской концепции планетной космогонии. Именно в ней впервые появилась логически убедительная и физико-химически конкретная картина возникающего и эволюционирующего протопланетного диска. (Теперь такие картины стали наблюдательным фактом и обнаружены у ряда молодых звезд).

Л.Э.Гуревич и А.И.Лебединский нашли в 1950 г., что в газо-пылевом диске в силу неупругости столкновений пылинок пыль должна оседать к плоскости диска. Непрозрачность его ближней к Солнцу зоны ведет к экранированию дальней зоны от солнечного излучения и как следствие - к резкому охлаждению материи в данной области. Поэтому неизбежно намерзание на пыль в этой зоне и фактически полное вымораживание из всего протопланетного диска летучих соединений и газов (Н₂О, СО₂, CO, NH₃, СН₄ и т. д.). Отсюда - деление планет на две группы по массе и химсоставу. (Позже теоретики осознали, что водород и гелий вошли в состав планет-гигантов по другому пути: гравитационной аккрецией ранее всех достигшими массы, критической для этого, Юпитером и Сатурном.)

Еще одна важная идея Гуревича и Лебединского (блестяще развитая впоследствии В.С.Сафроновым) - при оседании пыли рост плотности пылевого субдиска ведет к его гравитационной неустойчивости и распаду на огромное число небольших, быстро уплотняющихся пылевых сгустков. Космогонически быстрое превращение их в компактные планетезимали - в основном, видимо, километровых размеров - и превратило пылевой диск в планетезимальный. Из планетезималей и формировались планеты (с приведенным выше уточнением в отношении Юпитера и Сатурна). В теплой зоне вблизи Солнца планетезимали, естественно, не содержали летучих компонентов (протоастероиды). В холодной зоне планетезимали представляли собой, по составу и размерам, по существу, кометные тела (!).

Так планетная космогония выявила, что формирование потенциальных комет (кометных тел), было одним из этапов формирования планет. К началу 50-х годов решение проблемы происхождения комет стало реальным.

2. Современное положение в проблеме происхождения комет

Но мы, следуя известному авторитету, пошли другим путем. А в результате, в конце ХХ столетия, уже после подведения итогов эксперимента века в кометной астрономии (полета АМС Вега к ядру кометы Галлея), шеф нашей кометной программы акад. Р.З.Сагдеев был вынужден признать: Вопрос о происхождении комет до сих пор не решен (Природа, 1989, 1, с. 33). Правда, он предъявил обычно неотразимое в экспериментальных науках алиби: мы не виноваты, для решения этой проблемы у нас еще нехватает информации; ...для этого прежде всего нужно доставить кометное вещество на Землю (там же).

Заметим: в формулировке Сагдеева довольно откровенно звучит и такой мотив, как признание фиаско всех существующих, - и теоретических, и наблюдательных подходов к проблеме, - поскольку все надежды - лишь на доставку кометного вещества на Землю...

Однако еще до (плохо задуманного и, как можно было предвидеть, не давшего решительных результатов) полета Веги возникало подозрение, что дело не в недостатке у нас информации, а скорее, в ее избытке...

Космогонисты школы О.Ю.Шмидта - Б.Ю.Левин, В.С.Сафронов - еще на исходе 40-х годов выявили, что в процессе роста планет-гигантов гравитационные возмущения от них усиливаются настолько, что становится неизбежным массовый выброс планетезималей (кометных тел) за пределы Солнечной системы. Эта идея была быстро подхвачена и изобретателем известного кометного облака Оорта - самим Я.Оортом. Еще в 1950 г., при выдвижении им этой идеи он исходил из гипотезы о взрыве планеты Ольберса как источнике астероидов и комет. Но уже в 1951 г. он стал выбрасывать кометные тела из Солнечной системы на создание своего Облака по методу космогонистов-шмидтовцев. Облако Оорта обеспечивало, пусть предположительно, стабильный, квазистационарный (под действием звездных возмущений), удаленный (почти до звезд!) источник почти параболических комет. Оно было образовано кометными телами именно из Солнечной системы! Оорт убивал сразу несколько зайцев. Так, идея Лапласа реанимировалась в форме, напоминающей идею Скиапарелли, явно космогонически более эвристичную. Разве что у Оорта облако кометных тел оказывалось не межзвездным, как у Лапласа и Скиапарелли, а, так сказать, предзвездным. Позже это аукнется Оорту...

От Оорта удрал только один (но крупный!) заяц. Его, вместе с практически всеми лишними кометными телами зоны планет-гигантов выпустили (выбросили) навсегда в Галактику в поисках пути к закону планетных расстояний. При этом границы зон питания соседних планет необоснованно смыкались и даже частично перекрывались. А так как эти зоны неявно отождествлялись с зонами сильных гравитационных возмущений от данной планеты, то заключали, что практически все планетезимали данной зоны, не вошедшие в состав планеты, были выброшены отсюда. Так и очистили область планет-гигантов от планетезималей (кометных тел!).

3. Природа трудностей и пути их преодоления

Сначала вспомним суждения двух авторитетных исследователей, так сказать, из смежных областей науки. Во-первых, очень похоже на то, что в кометной космогонии мы имеем тот самый случай, когда ...искусство логически мыслить должно быть использовано для тщательного анализа и отбора фактов, а не для поисков новых (Шерлок Холмс).

Не следует особо верить сетованиям на нехватку данных и бросаться пополнять их за очередной миллиард долларов с помощью, скажем, Веги-3 и т. п. Еще одна Вега (или Сага?..) в лучшем случае привезет нам стакан дурно пахнущего (аммиак и проч.), а то и ядовитого (циан и т. д.) вещества кометы... Хватит ли нам этих данных? Может, по совету м-ра Холмса надо сначала хорошенько обдумать те, что есть?

Конкретизирует Холмса еще один авторитетный мыслитель, напоминая: чем больше у нас неупорядоченной информации, тем вероятнее, что в ее массиве далеко не все на 100% достоверно... Бойся незнания, но еще больше - ложного знания! - предостерегал (и нас тоже!) мудрый Будда.

Следуя этим наставлениям, мы и постарались непредубежденно проанализировать проблему. И вышли, похоже, на те элементы ложного знания, кои и завели проблему происхождения комет в глухой тупик.

Ложное знание 1 и происхождение апериодических комет.

Итак, в шмидтовой планетной космогонии выявилась неизбежность гравитационного выброса (диссипации) большого количества кометных тел (планетезималей холодной зоны - области формирования планет-гигантов и несколько далее) навсегда в Галактику возмущениями от растущих планет-гигантов. По Я.Оорту и, затем, В.С.Сафронову, небольшая доля их (порядка 1%) застряла, благодаря звездным возмущениям, на полдороге к звездам и образовала Облако Оорта. По Оорту, ныне в нем около ста миллиардов кометных тел, и это лишь часть начального населения Облака. Следовательно, в Галактику ушло не менее 10¹³ кометных тел, а то и много больше.

Общепринятое, но определенно ложное знание как раз и состоит в само собой разумеющемся (?) - навсегда в Галактику!

Но навсегда ли? Известно, что диссипанты уходят, естественно, с положительной, но малой полной энергией, Е=0. Это блестяще показано Л.Э.Гуревичем и Б.Ю.Левиным в одной из давних работ, так что позже стало общим местом в звездной и кометной динамике. Известно, что скорость уходящих гиперболических комет вдали от Солнца, в среднем, равна v=0,6 км/с, то есть действительно невелика.

Поэтому движение кометного тела в звездном (с вкраплениями гигантских молекулярных облаков) галактическом фоне является легко возмущаемым. Скорость кометного тела может эффективно изменяться как по величине, так и по направлению, вплоть до неоднократного изменения даже знака Е. (При получении Е<0 кометное тело, независимо от его расстояния от Солнца, формально оказывается на эллиптической орбите. Совокупность таких кометных тел является своеобразным аналогом Облака Оорта. Их ансамбль отличается от него только положением и формой: не сферический слой вокруг Солнца, в 100-150 тыс. а. е. от него, а распространяющееся на десятки парсеков облако кометных тел в звездном фоне, в галактической окрестности Солнца.)

Движение кометного тела в возмущающем галактическом фоне имеет характер броуновского блуждания, а всего ансамбля их - диффузии роя кометных тел от источника - Солнечной системы - сквозь фон. Средний радиус r диффузионного облака со временем t в строгой модели растет замедленно, по формуле, полученной еще Эйнштейном (и Смолуховским, 1905): r =sqrt(t). Согласно теореме Пойа из теории броуновского движения, вероятность возвращения частицы к истоку (кометного тела - к Солнцу!) - конечна. В трехмерном случае, асимптотически (при ) она, по У.Мак-Кри и Ф.Дж.Уипплу, 0,35. Можно думать, что по порядку величины это справедливо и для реального солнечного диффузионного роя кометных тел.

Существует еще один фактор (м. б. более действенный) замедления роста роя. В.В.Радзиевский [7] получил строгое решение задачи трех тел в ньютон-гуковском случае (два сферические тела внутри однородного гравитирующего сферического или в плоскости сфероидального распределения массы). Наличие гуковского тела приводит к возникновению между ньютоновскими телами эффективной силы притяжения, пропорциональной расстоянию между ними. Поле Гука отражает объект к источнику.

 

Рис. 1. Планетно-галактический резервуар реликтовых кометных тел.

Разрез перпендикулярно плоскости эклиптики.

Обозначения: - Солнце, М - Марс, Ю - Юпитер, С - Сатурн, У - Уран, Н - Нептун; А - пояс астероидов,

УК - пояс Уиппла-Койпера. I_a,b,c,d - зоны (на рисунке - сечения тороидов) неустойчивости вдоль орбит планет-гигантов. II_a,b,c - реликтовые пояса кометных тел между орбитами планет-гигантов. III - область межзвездного реликтового диффузионного роя кометных тел - диссипантов из Солнечной системы (волнистые стрелки - расширение роя в Галактике). IV - галактический звездный фон (в подсистеме диска Галактики - галактическое кометное облако Эпика).

V - не показанная на рисунке промежуточная область между подсистемами реликтового резервуара - поясами кометных тел и роем реликтовых диссипантов. VI - пылевой диск Солнечной системы, продукт столкновений и метеоритной эрозии астероидов и кометных тел в реликтовых поясах. VII - зона посещения долго- и апериодическими кометами с большими наклонениями i орбит к плоскости эклиптики.

Приложим этот результат к случаю Солнце и кометное тело-диссипант в Галактике. Зная местную галактическую плотность, найдем, что при скорости =1 км/с кометное тело может удалиться от Солнца, по порядку, не далее =10-20 пк. (Формально, ограничение даже более жестко, но оно смягчено непренебрежимой дискретностью звездного фона вблизи Солнца и длительной диффузией объектов сквозь гуковский барьер).

Оба эффекта - статистический у Пойа, как и динамический у Радзиевского, - действуют в одну сторону, ограничивая (точнее, замедляя) рост роя. Оценочно, современный эффективный радиус диффузионного роя кометных тел - реликтовых диссипантов из Солнечной системы, видимо, не превосходит максимум 20-30 пк < 100 cв. лет.

Итак, в строгой теории статистически неизбежно (эффект Пойа) и динамически обязательно (эффект Радзиевского) возвращение части кометных тел-диссипантов (даже с Е>0) в область выброса в зоне планет-гигантов и еще ближе к Солнцу.

Это, по нашему мнению, и есть апериодические кометы [8]!

В отличие от Облака Оорта, существование нашего кометного роя не связано с какими-либо трудностями обоснования его возникновения и сохранения. Он возникает и существует неизбежно, раз есть диссипанты! Сравним: а ведь для обоснования сохранения Облака Оорта, непрерывно разрушаемого возмущениями от проходящих не только поблизости, но даже и сквозь него звезд (по Всехсвятскому, 30 000 прохождений за время жизни Солнечной системы), пришлось придумать так называемое внутреннее кометное облако (Хиллса) уже поближе к Солнцу (в 20-40 тыс. а. е. от него) и на пару порядков (!) более населенное; возмущения его звездами должны квазистационарно пополнять Облако Оорта, спасая его от космогонически быстрого рассеяния и исчезновения. Как сделать пояс Хиллса, пока не придумали: ни выброс кометных тел из планетной зоны, ни захват из Галактики, ни даже рождение на месте не проходят...

С нашей точки зрения, Облако Оорта, логически - непоследовательный, робкий шаг в правильном направлении, но физически - фиктивная конструкция, возникающая в теории лишь потому, что на ее счет относят все апериодические кометы, реально приходящие к Солнцу из всего нашего протяженного межзвездного диффузионого роя реликтовых кометных тел-диссипантов.

Этот рой сходен с межзвездным кометным ансамблем Лапласа. Ведь Лаплас правильно постулировал неподвижность в целом этого ансамбля кометных тел относительно Солнца, ошибочно игнорируя лишь неизбежно значительные скорости чужих кометных тел относительно него. Еще ближе рой диссипантов к рою Скиапарелли, генетически связанному с Солнечной системой. (Скиапарелли не знал лишь механизма этого генезиса).

Итак, устранив ошибочное мнение о самоочевидной необратимости выброса кометных тел в Галактику, мы автоматом приходим к простому объяснению апериодических комет. Это - возвращающиеся из диффузионного роя реликтовые планетезимали холодной зоны протопланетного диска еще формировавшейся Солнечной системы, выброшенные в галактический фон возмущениями от быстро набиравших массу планет-гигантов.

Второй элемент ложного знания в основах кометной

космогонии и происхождение периодических комет.

Выявление и устранение второго элемента ложного знания в кометной космогонии оказывается достаточным для завершения начерно более или менее полной картины происхождения комет Солнечной системы.

Выше я отмечал, что после установления шмидтовской школой неизбежности массированного выброса кометных тел из Солнечной системы в Галактику, этот вывод был усилен до утверждения о практически полном выбросе планетезималей (кометных тел) зоны планет-гигантов (не аккрецированных ими) возмущениями от них. Это представление проникло вскоре и в космогонию комет. Оно породило новые трудности в объяснении происхождения короткопериодических или, в несколько более широкой формулировке, периодических комет вообще.

Представление о полном выбросе кометных тел из зон между планетами-гигантами, так и не получившее сколько-нибудь серьезного обоснования, противоречило пониманию необходимости каким-то образом все же иметь их там... Наиболее строгое - по существу, исчерпывающее доказательство этого было дано Е.И.Казимирчак-Полонской еще в конце 70-х годов [9]. Она показала, что короткопериодические кометы появляются, несомненно, из этих поясов. Результаты ее, доказывавшие существование поясов кометных тел в зонах между планетами-гигантами, были настолько убедительны, что другой наш виднейший специалист по динамике комет, Н.А.Беляев, предложил именовать эти кометные резервуары поясами Казимирчак-Полонской. Термин закрепился. Он использовался и мною с соавторами в ряде работ. (Хотя позже эту идею мы нашли еще у итальянского астронома начала XX в. Дж.Армеллини).

Сама Елена Ивановна далее предположила (!), в духе тогдашних представлений, что кометные тела накачиваются в пояса между планетами-гигантами из Облака Оорта возмущениями - сначала звездными, в афелиях, а затем от самих планет-гигантов, в перигелиях (ступенчатая диффузия).

В отношении отдельного объекта это принципиально мыслимо. Но на отсутствие в наблюдениях хотя бы одного такого случая настойчиво указывал один из ведущих кометологов современности Л.Кресак. А физическая статистика (и термодинамика) полностью исключают из области наблюдаемого подобные обращения движения для ансамбля частиц. Иначе выходит, что гравитационные возмущения сначала, в космогонии планет, дочиста выметают кометные тела из поясов между планетами-гигантами в Облако Оорта (а чаще - дальше). А затем, в космогонии кометной, они же закачивают кометные тела из облака Оорта обратно, в те же пояса...

Любопытно, что рассмотрение истории вопроса быстро обнаруживает, что общее представление о полном выбросе кометных тел из зон между планетами-гигантами, как отмечено выше, никогда не было доказано. Это - постулат из соседнего раздела космогонии (космогонии планет), даже там понадобившийся временно при некоем (как и прочие, не вполне убедительном) выводе закона планетных расстояний. Лишь один небольшой цикл работ претендует на такое доказательство в отношении одного из поясов - между Юпитером и Сатурном. Он принадлежит Франклину и его коллегам. Однако в сумме эти несколько работ менее убедительны, чем одна, ибо последующие из них противоречат предыдущим. Так, если время полного выброса малых тел из данного пояса оценивалось сначала в 6 тыс. лет, то затем эта оценка на порядки вырастала.

Существование поясов кометных тел между орбитами планет-гигантов (или, как обычно говорят, других астероидных поясов) допускал ряд известных специалистов по малым телам Солнечной системы (Дж.Армеллини, Б.Ю.Левин, Д.Я.Мартынов, А.Дельсемм, А.Н.Симоненко, Х.Фернандес, К.И.Чурюмов..., - вплоть до братьев Стругацких в их Попытке к бегству). А упоминавшийся выше известный знаток кометной динамики Л.Кресак в конце 70-х получил теоретическое доказательство возможности существования зон устойчивости движения малых тел между орбитами планет-гигантов, за их зоной и в других поясах Солнечной системы. В отношении пояса между Ураном и Нептуном этот вывод на основании компьютерного эксперимента недавно подтвержден М.Холмэном (Канада). По Холмэну около полупроцента от начального числа имевшихся здесь объектов могли сохраниться до сих пор [10].

Кстати, пояс астероидов - несомненно, объект реликтовый по своей природе, - в течение всей жизни Солнечной системы существует (!) рядом, в опасной близости от гиганта из гигантов - Юпитера. Ведь граница пояса астероидов находится на расстоянии немногим более 1 а. е. от его орбиты. Даже расстояние наиболее плотного ядра пояса астероидов от Юпитера составляет всего =1,5 а. е. (по Кресаку). Высокая (с рождения Солнечной системы!) стабильность пояса астероидов подтверждается тем, что в зависимости от расстояния r от Солнца разные зоны его содержат астероиды с систематически изменяющимся в зависимости от r химико-минералогическим составом. То есть астероид не только имеет возможность просуществовать с рождения Солнечной системы и до нашего времени в пределах всего пояса, но и даже, почти несомненно, большинство их не покидало куда более узкие зоны этого пояса вблизи орбиты своего рождения.

Далее, занептунный пояс малых тел Уиппла-Койпера, в течение почти полувека со своего рождения казавшийся чисто гипотетической конструкцией (возможность формирования там крупных планетезималей лишь недавно обоснована В.С.Сафроновым), с открытием в 90-х годах уже свыше семи десятков (пока наиболее крупных, от 100 до 500 км) тел здесь превратился в столь же достоверную реальность, как и сам пояс астероидов. Именно он (наблюдательно прослеженный по новооткрытым объектам этого пояса уже почти до расстояния в 200 а. е.) может быть источником, также в основном за счет работы столкновительного механизма, долгопериодических комет.

Возобладание в начале 50-х годов представления о полном выбросе неаккрецированных кометных тел из зоны планет-гигантов создало вящие трудности в проблеме происхождения короткопериодических комет. Это надолго продлило существование крайне уязвимых для критики гипотез - и типа эруптивных, и захватно-диффузионных. За отсутствием ясной картины происхождения комет рождались и очень странные гипотезы.

Наиболее серьезной теоретической разработкой, разделяемой до сих пор рядом авторитетных специалистов, остается гипотеза о происхождении короткопериодических комет диффузией при последовательной потере кометным телом из Облака Оорта энергии при прохождении им планетной зоны. (Перигелий орбиты кометного тела из Облака Оорта попадает в планетную зону благодаря звездному возмущению). Но и эта концепция имеет серьезный дефект: наличного количества долгопериодических комет, из которых и должны получаться короткопериодические, нехватает на несколько порядков...

Между тем, достаточно было устранить из основ кометной космогонии ложное знание о полном выбросе, как основные трудности в объяснении периодических комет рассеялись подобно дыму... И проступила совсем другая, простая и естественная картина их происхождения.

Итак, нужно отказаться от бездоказательного, необоснованного и, более того, судя по всему, ошибочного предположения о полном выбросе кометных тел из зоны планет-гигантов возмущениями от последних при их формировании. (Кстати, к разрежению - но не полному исчезновению! - поясов кометных тел между орбитами планет-гигантов, а также пояса астероидов и Уиппла-Койпера могло вести разрушение или выталкивание с устойчивых орбит любых здешних тел ударно-столкновительным механизмом - столкновения с кометными телами, ранее попавшими, при росте планет-гигантов, на неустойчивые орбиты).

Впрочем, наличие пояса астероидов и Уиппла-Койпера доказывает, что никакие механизмы не смогли обеспечить полного очищения окрестностей планет-гигантов от планетезималей (т. е. астероидов и, далее, кометных тел).

Конечно, пока не ясно, много ли кометных тел могло остаться, а тем более, сохраниться до нашего времени в реликтовых поясах. Примем, однако, во внимание то обстоятельство, что зоны эти - куда шире, чем область пояса астероидов. Между планетами-гигантами есть обширные зоны, где возмущения много меньше, чем на границе пояса астероидов со стороны Юпитера. Так, минимальные расстояния между сферами Хилла (зонами сильных возмущений) соседних больших планет составляют (в а. е.): Марс-Юпитер (3,2); Юпитер-Сатурн (4,0); Сатурн-Уран (9,2); Уран-Нептун (11,2). Заметим, что в самой узкой спокойной зоне между Марсом и Юпитером с удобствами разместился явно динамически устойчивый пояс астероидов шириной 2,1 а. е. на расстоянии от Юпитера всего в 1,0 а. е.

Кстати, и дисперсия скоростей объектов в поясах между планетами-гигантами заведомо меньше, чем в астероидном поясе. Эти и другие факторы говорят за то, что в поясах между планетами-гигантами может быть гораздо большее реликтовое население, чем в поясе астероидов.

Отказ от постулата о полном выбросе сразу снимает все основные трудности в проблеме происхождения периодических комет. (Кажется, еще никому не приходило в голову утверждать, что полный выброс касался и поясов астероидов и Уиппла-Койпера, как никто не пытался и объяснить их существование диффузией туда объектов из Облака Оорта или захватом из Галактики...). Все чудовищные трудности захватных, эруптивных и т. п. гипотез отпадают вместе с самими этими гипотезами. Вместе с тем выявляются рациональные зерна их, скажем, концепции Облака Оорта (см. выше). У ряда гипотез, объяснявших короткопериодические кометы, можно отметить правильную исходную идею рождения и хранения этих комет в Солнечной системе, ее планетной зоне (в области планет-гигантов и прилежащем поясе Уиппла- Койпера).

В прекрасно разработанной теории диффузии (Ван Верк, Я.Оорт, школа К.А.Штейнса, Е.И.Казимирчак-Полонская и др.) ценен детально развитый математический аппарат, видимо, применимый и в нашей картине динамики и эволюции галактического диффузионного роя реликтовых планетезималей (кометных тел), диссипантов из Солнечной системы.

Вспомним и гипотезу С.В.Орлова. Короткопериодические кометы он объяснял ударами крупных метеоритов по астероидам... Увы, в них (кроме части астероидов кометного происхождения, которые не спасают дела) практически нет летучих, необходимость чего в кометах понимали Ньютон и Галлей, Эпинус, Лаплас, Бессель, Всехсвятский, Уиппл, Левин... Но в этой гипотезе достаточно было, вместо известного астероидного пояса, представить другие астероидные пояса (см. выше), как мы сразу пришли бы... почти к развиваемым здесь представлениям! Однако в те времена о других поясах еще не очень задумывались... А ...в наше время уже почти никто не сомневается в существовании нескольких колец астероидов или Урезервуаров кометных ядерФ, - констатировал В.В.Радзиевский [11] (цитируя мою с соавторами работу еще 1990 г.).

Заметим, что и собственная гипотеза Радзиевского о происхождении долгопериодических комет именно там, где потом обнаружился пояс Уиппла-Койпера, в этом отношении вполне подтверждается.

4. Наблюдательные аспекты предлагаемой концепции кометной космогонии

1) Почему мы не видим чужие (с эксцентриситетом е>>1) кометы?

Ввиду больших, сравнительно с межзвездными расстояниями, размеров диффузионных роев, видимо, в любом таком рое количество чужих кометных тел может быть много больше, чем своих. Почему же мы не видим их?!

Ответ прост. Поскольку чужие кометные тела, вместе с их звездами, имеют относительно Солнца скорости в среднем =20 км/с, а свои, судя по энергии Е приходящих гиперболических комет, - v=0,1 км/с, то чужие - почти не испытывают гравитационной фокусировки к Солнцу. Свои же в полной мере подвержены ей. Это может очень значительно увеличить их относительную концентрацию вблизи Солнца, в зоне проявления самого кометного феномена. Согласно В.В.Радзиевскому и М.М.Дагаеву [12], рост концентрации ансамбля гиперболических объектов (со скоростью V на бесконечности), на расстоянии R от Солнца дается выражением

, (1)

где - плотность ансамбля вдали от Солнца, G - постоянная тяготения, Mc - масса Солнца. Относительный рост концентрации своих/чужих кометных тел вблизи Солнца (в кометной зоне, R от 5 а. е. до Rc):

. ( 2 )

Для значений v<0,1 км/с v(v,V) будет больше (при v0, v). Так что с учетом таких объектов своего роя относительная концентрация своих может быть и много больше, чем по формуле (2), нижней ее грани. Поэтому, вероятно, мы и не видели пока комет из чужих роев. (Оценка фактора кратности перекрытия чужих роев в окрестности Солнца потребует более рафинированного определения средних размеров роя).

2) Наблюдаемы ли объекты в поясах между планетами-гигантами?

Поскольку все известные кометы, в конечном счете, - выходцы из нашего же исходного планетезимального диска, по размерам d их ядер можно судить о величине кометных тел в реликтовых поясах. Согласно новейшей оценке К.И.Чурюмова (1996 г.), d=1-3 км.

Далее, отражательная способность (альбедо, А) кометного тела в реликтовом поясе, видимо, не выше А у комет. Примем альбедо кометного тела в поясе равным А кометы Галлея (=0,04). Тогда у искомого тела в середине пояса между Юпитером и Сатурном (в оппозиции) имеем звездную величину 23^m-24^m. При современной технике это вполне наблюдаемо!

Почти наверное объекты этого пояса уже зафиксированы в материалах наблюдений, проводившихся с другими целями. Так бывало в астрономии всегда, от непонятого Галилеем факта наблюдения им Нептуна (!) до десятилетиями принимавшихся за переменные звезды квазаров. (А что еще мы ныне принимаем совсем не за то? Гамма-всплески? Черные дыры?!.).

3) Почему парадоксально малы скорости возвращенцев в Солнечную систему из диффузионного роя реликтовых кометных тел? Хорошо известно, что дисперсия скоростей входящих в Солнечную систему гиперболических комет примерно в 6 раз меньше, чем у уходящих. Это очень странно. Ведь в Галактике (или хотя бы в Облаке Оорта) от звездных и других возмущений разброс скоростей диссипантов, да и сами эти скорости должны бы в среднем увеличиваться?!

Объяснение этого парадокса видится в самом механизме формирования диффузионного роя кометных тел как источника апериодических комет. Чем меньше полная энергия Е диссипанта, тем легче его сбить с пути гравитационными возмущениями от звезд, гигантских молекулярных облаков и т. п. Значит, тем ближе от Солнца диссипант забудет как величину, так и направление скорости его выброса. И обратно! То есть ближе к Солнцу перейдут на хаотические броуновские траектории диссипанты с меньшей энергией, скоростью, дисперсией скоростей. А именно у них выше возможность вернуться к Солнцу (в виде почти параболической кометы). Энергичные диссипанты уйдут дальше и вернуться к Солнцу им труднее.

Независимо от этого, по эффекту Радзиевского квазигуковская сила отражает диссипант из Галактики обратно к Солнцу опять-таки тем с меньшего расстояния, чем меньше его энергия. Значит, частота возвратов к Солнцу у объектов с меньшей энергией Е будет больше. И это снижает среднюю Е и дисперсию скоростей у возвращающихся диссипантов в сравнении с уходящими из Солнечной системы по гиперболическим орбитам кометами.

4) Чем обусловлены открытые спутником ИРАС две симметричные эклиптике полосы ИК-излучения пыли?

Столкновения тел в поясе астероидов и реликтовых поясах между планетами-гигантами (и за ними, в поясе Уиппла-Койпера) генерируют пылевой диск в планетной зоне Солнечной системы. Вдоль орбит планет-гигантов он пронизан практически пустыми тороидальными туннелями сильных возмущений с радиусом сечения = 1 а. е. (судя по радиусу зоны избегания орбит астероидов близ Юпитера). Наблюдалась с ИРАС, из-за падения температуры пыли с расстоянием от Солнца, только внутренняя часть пылевого диска, в основном не далее зоны Юпитера. Но здесь прилежащая к эклиптике зона пылевого диска выедена туннелем неустойчивости этой планеты. То есть в этой области в основном видна пыль над и под этим туннелем. Отсюда и две параллельные эклиптике полосы излучения пыли, открытые ИРАС (в 8-9° от эклиптики), вызвавшие массу недоумений. А эклиптика (т. е. центральная полоса ИК-излучения) обусловлена пылью ближе Юпитера. Здесь пыль и лучше видна, ибо она тут горячее, и пояс астероидов не мешает ей концентрироваться к плоскости эклиптики.

5. Итоги. Основные идеи новой гипотезы о происхождении комет

Итак, имеющейся у нас информации о кометах, вопреки существующим пессимистическим представлениям, видимо, уже достаточно для решения вопроса о происхождении комет. Решающие предпосылки для этого дала еще полвека назад шмидтовская планетная космогония. Массированный выброс объектов из зоны роста планет-гигантов гравитационными возмущениями от них, в Галактику, при очень малой энергии Е диссипантов, привел к формированию в галактической окрестности Солнца медленно (= sqrt(t), а с учетом эффекта Радзиевского еще медленней) растущего диффузионного роя реликтовых кометных тел-диссипантов. Радиус этого роя ныне заведомо существенно больше среднего межзвездного расстояния (=2 парсека), но явно меньше 100 cв. лет. Рой этот и есть источник апериодических комет. Он сходен с межзвездным кометным облаком Лапласа, а особенно - с роем Скиапарелли, как и наш, генетически связанным с Солнечной системой.

(Галактическое кометное облако Лапласа-Эпика является в каждой точке диска Галактики наложением диффузионных роев кометных тел-диссипантов из планетных систем многих соседних друг с другом звезд.)

Оставшиеся (вопреки господствующему предрассудку) в планетной зоне (в поясах между планетами-гигантами и в поясе Уиппла-Койпера) реликтовые планетезимали (кометные тела) - это другая, динамически стабильная подсистема реликтового резервуара кометных тел Солнечной системы. Из нее появляются периодические кометы. Как правило, это инициируется соударением кометных тел в реликтовом поясе, что, кстати, в той или иной мере разрушает наросшую за историю данного тела тугоплавкую и теплоизолирующую кору, омолаживая объект и реанимируя его как потенциальную комету. Перестраивается при этом и структура тела (в духе представлений В.Д.Давыдова [13], видевшего, правда, причину этого в приливном потрясении объекта близ планеты-гиганта). Соударение также может привести к возмущению ранее стабильной орбиты кометного тела, обусловив сначала пересечение новой орбитой одной из зон сильных возмущений (торов неустойчивости около орбит планет - гигантов). После этого кометное тело оказывается (необратимо, что подчеркнул еще столетие назад Л.Шульгоф) на хаотической орбите, с очевидными вариантами ее возможной дальнейшей динамической и физической эволюции (в частности, с возможностью ряда кометных фаз, в эпохи пребывания перигелия q в кометной зоне близ Солнца).

Публикации с ключевыми словами: кометы - орбита Публикации со словами: кометы - орбита
См. также: Необычные хвосты кометы Цзыцзиньшань-ATLAS Комета Цзыцзиньшань-ATLAS над Доломитовыми Альпами Комета Цзыцзиньшань-ATLAS над Калифорнией Комета Цзыцзиньшань-ATLAS улетает Почти вся комета Цзыцзиньшань-ATLAS "Клиппер" и комета Какими будут хвосты кометы Цзыцзиньшань-ATLAS? Все публикации на ту же тему >>