1. Введение

Традиционные научные проблемы – это, во-первых, новое о самой комете, например о химическом составе ее ядра, особенностях пылевой компоненты, вспышечной активности и т. д.; во-вторых, это уникальная возможность прямого изучения химического состава поверхностных слоев Юпитера. Здесь были получены неожиданные результаты: наблюдатели зарегистрировали сильное излучение линий металлов, которых никак не предполагалось найти в поверхностных слоях Юпитера в таком количестве; также было обнаружено значительное количество серы как в виде самой молекулы S₂, так и в виде других серосодержащих молекул. Третья научная проблема – это исследование эффектов, связанных непосредственно со взрывами при падении осколков на Юпитер. К ним относятся энерговыделение самих взрывов, распространение ударных волн, а также исследование фотохимических реакций, протекающих в процессе взрыва и распространения ударной волны. Ученые зарегистрировали многократное превышение концентрации ряда веществ в местах падения осколков кометы по сравнению с тем, что ожидалось найти в поверхностных слоях Юпитера, например серы, окиси углерода СО, а также молекул CS₂ и CS. В каждом месте падения самых крупных кометных осколков ученые обнаружили 100 млн т окиси углерода, 3 млн т сульфида углерода CS₂ и 300 тысяч т моносульфида углерода CS, что во много тысяч раз больше нормального содержания этих веществ в атмосфере Юпитера.

Существует, однако, специфический аспект рассматриваемого явления, который вызывает интерес широкой общественности: защита Земли от объектов, приходящих из космоса. Наиболее вероятно столкновение с Землей таких космических тел, как астероиды и кометы, сближающиеся с Землей. Подобные столкновения могут привести как к локальным разрушениям, так и к глобальной катастрофе: разрушение атомных станций, нефтепроводов, складов боеприпасов и других объектов энерговооруженности государств.

Наиболее опасны для Земли астероиды диаметром 10-100 м, количество которых по имеющимся оценкам достигает сотен тысяч в околоземном пространстве. Астероиды диаметром 10 м падают на Землю примерно 1 раз в 4 года. Для астероидов диаметром около 100 м прогнозируется одно столкновение примерно за 9000 лет. Наконец для астероида диаметром в 1 км одно столкновение с Землей может произойти за 50 000 лет. Разумеется, такое столкновение может вызвать гибель всей цивилизации. Хотя вероятность падения астероидов на Землю мала, вероятность риска гибели отдельного человека в результате такого столкновения сравнима с вероятностью гибели в авиакатастрофе или в результате аварии на атомной электростанции. Проблема совместной защиты Земли государствами с различными политическими устройствами от астероидов и комет, сближающихся с Землей, весьма актуальна и требует долговременных совместных усилий многих стран мира в области фундаментальных астрономических, экологических, ракетно-космических и международно-правовых исследований.

Цель данной статьи – показать, что дало наблюдение столкновения кометы Шумейкеров-Леви 9 с Юпитером для астрономической науки, какие возникли в связи с этим новые идеи и новые направления в самых различных и на первый взгляд далеких друг от друга разделах астрономии.

2. Расщепление кометных ядер

Как часто происходит расщепление комет на отдельные осколки? Комета, привлекшая внимание ученых к этому явлению, была открыта 25 марта 1993 года астрономами Эжени и Каролин Шумейкерами и Давидом Леви. Они первыми установили ее необычную структуру: 21 кометный фрагмент образовали строгую линейную цепь (кометный поезд).

Ранее, в 1982 году американский ученый З. Секанина, проанализировав все кометные явления за период времени с 1846 по 1976 годы, выделил 21 случай, которые он интерпретировал как расщепление комет. Более детальный анализ современных наблюдений, представляющих ПЗС-изображения (то есть изображения, полученные с помощью панорамного фотоэлектрического приемника) 49 реальных комет, выполнен Я. Ченом и Д. Джевиттом. Они обнаружили три случая настоящего развала комет, и сделали следующие выводы:

1) вероятность кометного расщепления можно оценить как одно событие за 100 лет, причем эта вероятность слабо зависит от гелиоцентрического расстояния;

2) расщеплению подвержены как долгопериодические (с периодом обращения P > 200 лет), так и короткопериодические (P < 200 лет) кометы;

3) вероятность расщепления не зависит от положения кометы до или после перигелия (кратчайшего расстояния до Солнца);

4) хотя сам факт расщепления и кажется обусловленным сближением с Солнцем, тем не менее известны случаи расщепления и на больших гелиоцентрических расстояниях вплоть до 9 а.е., например комета Виртанена (1954 год).

На рис. 1 представлены три известных случая расщепления в виде картины распределения поверхностной яркости (ПЗС-изображение) объекта.

Рис. 1. Распределение поверхностной яркости для трех случаев расщепления комет. а – комета Черных, б – комета Сиффрео, в – комета Вильсона

3. Как часто возникает кометный поезд

Когда мы говорим о явлении расщепления или развала, то интуитивно подразумеваем распад на два или, в крайнем случае, на несколько осколков. Но комета Шумейкеров-Леви 9 предстала перед нами в виде непрерывной цепочки, состоящей из 21 осколка (некоторые ученые считают, что их было 25). Насколько часты в природе такие случаи? Сразу же после открытия кометного поезда, связанного с кометой Шумейкеров-Леви 9, американские ученые Х. Мелош из Лунно-планетной лаборатории Аризонского университета и П. Шенк из Лунно-планетного института Хьюстона обратили внимание на существование цепочек кратеров на спутниках Юпитера Ганимед и Каллисто (см. рис. 2 и 3). Все цепочки кратеров на поверхности Каллисто и Ганимеда идеально сохраняют свою линейность. Мелош и Шенк исследовали морфологию кратерных цепей и пришли к выводу, что все они могли бы образоваться в случае падения кометных цепочек типа Шумейкеров-Леви 9. Если считать, что цепочки кратеров образовались в предшествующий период времени также в результате падения комет, разрушенных гравитационным возмущением со стороны Юпитера, то можно сделать оценку масс кометных фрагментов для каждой цепочки кратеров. Рисунок 4 показывает, какие массы должны были бы иметь фрагменты предполагаемой кометы для создания цепи кратеров, наблюдаемых на Каллисто и Ганимеде. Интересен рис. 5, показывающий, какая цепочка кратеров возникла бы на Каллисто или Ганимеде, если бы на поверхности этих спутников попал кометный поезд, содержащий точно такие же осколки, как и комета Шумейкеров-Леви 9.

Рис. 2. Цепь кратеров на поверхности спутника Юпитера Каллисто. Изображение получено с космического аппарата ВОЯДЖЕР

Если такая схема происхождения линейных цепей кратеров на спутниках Юпитера справедлива, то можно оценить вероятность явления, подобного гравитационному развалу кометы Шумейкеров-Леви 9. Мелош, Шенк и их соавторы подсчитали, что события, подобные развалу кометы Шумейкеров-Леви 9, должны происходить один раз в 200-400 лет.

Рис. 3. Цепь кратеров на поверхности спутника Юпитера Ганимед. Изображение получено с космического аппарата ВОЯДЖЕР

4. Приливные разрушения небесных тел

Как происходит разрушение небесных тел при приливном воздействии со стороны массивных небесных объектов, таких, как например, планеты?

Современная теория дает следующее выражение для силы давления внутри однородного макроскопического тела в результате приливного взаимодействия со стороны массивной планеты:

Такая зависимость от размера подвергающегося разрушению тела в случае его движения по замкнутой орбите не может вызвать гравитационный развал на значительное количество осколков. Действительно, если комета распалась на два примерно равных осколка, давление за счет гравитационного воздействия уменьшится в четыре раза и дальнейшего распада ядра кометы не произойдет.

Рис. 4. Зависимость масс m фрагментов кометы от расстояния r вдоль цепочки кратеров. Кривые 1-9 относятся к различным цепям кратеров: а – Каллисто, б – Ганимед

Сценарий разрушения зависит от соотношения между скоростями механического F_м и приливного F_t разрушений. Если скорость механического разрушения F_м значительно больше, чем приливного F_t , то комета будет разрушаться непрерывно на большое количество мелких частиц. Именно такой случай легко реализуется для ядра кометы с однородным химическим составом.

Шведский ученый В. Вейбулл в 1939 году развил теорию разрушения неоднородного тела, содержащего некоторое количество активных ядер, подвергающихся наиболее быстрому разрушению. Если n – концентрация таких ядер, то число возникающих в результате разрушения фрагментов N

Рис. 5. Размеры R цепочки кратеров в зависимости от расстояния r вдоль нее в предположении падения на Каллисто точно такой же кометы, как комета Шумейкеров-Леви 9

Все эти соображения привели ученых к выводу, что, скорее всего, комета Шумейкеров-Леви 9 состояла из 21 гравитационно связанных малых объектов, называемых кометозималями, и ее распад произошел в результате приливного воздействия Юпитера, когда комета находилась в периастре. Это расстояние, которое иногда называют радиусом Роша R_R , оказывается различным для комет с разной плотностью:

5. Кометы – ключ к решению проблемы солнечных нейтрино

Одна из загадок современной астрономии связана с проблемой потока нейтрино от Солнца. Значения потоков солнечных нейтрино, зарегистрированных в различных экспериментах, оказываются в 2-4 раза ниже того значения, которое вычисляется в рамках стандартной модели Солнца. Хорошо известно, что нейтрино образуются в результате протекания термоядерных реакций в центре СолнцеСолнца, где газ высокой плотности находится при высокой температуре. Но откуда ученые знают физические свойства и химический состав солнечных недр? Стандартная модель Солнца предполагает, что химический состав солнечных недр такой же, как и состав солнечных поверхностных слоев. А последние хорошо изучены астрономами в результате наблюдений солнечного излучения и особенно его спектра.

Недавно английский астроном М. Бейли (Обсерватория Арма, Северная Ирландия) обратил внимание на то, что поверхность Солнца могла подвергаться усиленной бомбардировке астероидами и кометами, особенно на раннем этапе эволюции Солнца. Это, в свою очередь, могло привести к обогащению поверхностных слоев Солнца тяжелыми элементами по сравнению с его недрами. Известно, что даже малые примеси тяжелых элементов существенно влияют на протекание термоядерных реакций и на темп эволюционного развития Солнца. Если бы оказалось, что в центре Солнца тяжелых элементов значительно меньше, чем на его поверхности, то это сильно повлияло бы на темп протекания ядерных реакций, замедлив их, и количество генерируемых нейтрино действительно оказалось бы меньше, чем это требуется в соответствии со стандартной моделью Солнца. Таким образом, факт падения комет и астероидов на поверхность Солнца, подобно падению кометы Шумейкеров-Леви 9 на Юпитер, дает возможное решение проблемы солнечных нейтрино.

Рис. 6. Распределение в разные моменты времени траекторий испаряющихся кометных облаков внутри протопланетного диска, рассчитанные по изменениям смещений компонентов линий вследствие эффекта Доплера

6. Кометы в составе протопланетных дисков

Одна из центральных проблем современной астрономии – это поиск планет у далеких звезд типа нашего Солнца. Почти у десятка звезд (включая радиопульсары – нейтронные звезды) обнаружены невидимые спутники с массой порядка массы Юпитера. У еще большего числа звезд обнаружены протопланетные диски, состоящие из большого количества газа и пыли. Самый большой протопланетный диск принадлежит звезде β Живописца. В последнее время астрономы обнаружили еще одно замечательное свойство этих дисков, а именно наличие узких многокомпонентных линий поглощения таких элементов, как кальций, натрий и литий. Сам факт наличия линий поглощения в спектрах околозвездного вещества не является чем-то новым и необычным. Однако, как правило, такие линии довольно широкие и однокомпонентные и принадлежат широко распространенным элементам, таким, как водород и гелий. Их наличие в спектрах обусловлено поглощением в быстро движущихся в околозвездных оболочках газовых струях, состоящих из водорода и гелия. Узкие многокомпонентные линии металлов нельзя объяснить таким же образом. Наилучшее объяснение появления последних состоит в том, что протопланетный диск содержит значительное число комет, а также их зародышей-кометозималей, испарение которых приводит к появлению присущих кометам облаков элементов, таких, как Ca, Na и Li, поглощение которыми света звезды и вызывает возникновение узких многокомпонентных линий. При этом многокомпонентность обусловливается именно существованием кометных цепочек, подобных комете Шумейкеров-Леви 9. Любопытно, что само положение наблюдаемых линий не совпадает с их положением в лабораторных спектрах, а сдвинуто либо в красную, либо в голубую сторону. Этот сдвиг хорошо объясняется движением кометных фрагментов в протопланетном диске и позволяет определить скорость движения и орбитальные элементы этих комет. Результаты численных расчетов, подтверждающие эту точку зрения, представлены на рис. 6.

Рис. 7. Временное распределение числа отсчетов двух гамма-всплесков, зарегистрированных американской Гамма-Обсерваторией (GRO). Время t приведено в бинах (1 бин = 64 мс)

7. Гамма-всплески и падение комет на нейтронные звезды

В настоящее время трудно найти более загадочное астрономическое явление, чем гамма-всплески. Это явление было открыто в 1969 году американскими учеными Р. Клебесабелем, И. Стронгом и Р. Олсоном с помощью аппаратуры, установленной на спутниках системы ВЕЛА, регистрирующей излучение в диапазоне энергий 0,3-10 МэВ. Само событие происходит примерно один раз в сутки и длится от нескольких тысячных долей секунды до нескольких сотен секунд для разных всплесков. Сами всплески настолько мощные и интенсивные, что происхождение их кажется обусловленным каким-то физическим процессом, сопровождающимся сильным взрывом. Ученые до сих пор спорят, где находятся источники всплесков. Существуют три различных точки зрения: 1) они находятся сравнительно близко от нас в нашей Галактике; 2) они расположены в гало нашей Галактики на расстояниях порядка десятков килопарсек; и наконец, 3) они имеют метагалактическое происхождение. Очевидно, чем дальше они расположены, тем большей энергией должен сопровождаться процесс их возникновения. Также очевидно, что источники всплесков являются очень компактными объектами, верхний предел размеров которых легко оценивается как произведение скорости света c на длительность импульса t и оказывается порядка ct~100 км. Именно поэтому большинство ученых считают, что источниками гамма-всплесков являются нейтронные звезды, радиусы которых не превышают 10 км.

Разработано довольно много моделей, объясняющих возникновение гамма-всплесков и механизм энерговыделения в процессе этого явления. Долгое время была популярной модель, объясняющая явление гамма-всплеска падением кометы на нейтронную звезду, сопровождающимся мощным взрывом. Интерес к этой модели в последнее время упал в связи со сложной структурой временного профиля гамма-всплесков, которая отличается довольно широким разнообразием для различных явлений (см. рис. 7,а,б). Эта структура (рис. 7,б) находит естественное объяснение, если предположить, что на нейтронную звезду падает не одна комета, а целый кометный поезд, подобный комете Шумейкеров-Леви 9. Для того чтобы подобный поезд образовался, необходимо, чтобы развал родительского тела произошел в пределах радиуса захвата нейтронной звезды. Последний определяется из условия равенства кинетической и потенциальной (гравитационной) энергий захваченного тела

Литература

1. Физика космоса : Маленькая энциклопедия. М.: Сов. Энциклопедия, 1986.