Кометы и малые планеты

     Состав Солнечной системы входит не только Солнце и 8 больших планет. Огромное число различных более мелких объектов тоже вращается по различным орбитам вокруг Солнца. Все они также заслуживают своего изучения.

     Среди малых тел можно выделить: 
- "карликовые планеты" (этот термин был введён после отмены для Плутона статуса планеты для него и всех подобных ему объектов); 
- астероиды, или "малые планеты"; 
- кометы; 
- метеоритные тела или метеориды (т. е. просто небольшие камни); 
- пыль и газ.

     1. Малые планеты

     1.1. Сущность

     МАЛЫЕ ПЛАНЕТЫ (астероиды), тела Солнечной  системы с диаметром от 1 до 1000 км. Суммарная масса всех малых  планет менее 1/700 массы Земли. Орбиты большинства малых планет находятся  между орбитами Марса и Юпитера (т. н. пояс астероидов). Самые известные  из малых планет: Церера (N 1), Паллада (N 2), Юнона (N 3), Веста (N 4), Эрот, Амур, Гидальго, Икар.

     1.2. Происхождение и строение

     Между Марсом (четвертая от Солнца планета) и Юпитером (пятая от Солнца планета), очень далеко в космосе, вокруг Солнца вращается огромное кольцо. Оно состоит  из миллионов тел, которые называют астероидами. 
 
О том, что в Солнечной системе между орбитами Марса и Юпитера движутся многочисленные сравнительно мелкие тела, узнали менее двухсот лет назад. Впрочем, подозревали что-то подобное довольно давно. В 1766 году профессор физики Иоганн Даниэль Тициус фон Виттенберг сформулировал "закон планетных расстояний"… 
 
"Обратите внимание на расстояния между соседними планетами, - писал он, - и вы увидите, что почти все они возрастают пропорционально радиусам самих орбит. Примите расстояние от Солнца до Сатурна за 100 единиц, тогда Меркурий окажется удаленным от Солнца на 4 таких единицы; Венера - на 4+3=7 тех же единиц, Земля - на 4+6=10; Марс - на 4+12=16. Но смотрите, между Марсом и Юпитером происходит отклонение от этой, такой точной прогрессии. После Марса должно идти расстояние 4+24=28 единиц, на котором сейчас мы не видим ни большой планеты, ни спутника…" 
 
Тициус твердо верил, что там что-то должно быть, но предположил, что "…это расстояние, без сомнения, принадлежит пока еще не открытым спутникам Марса… После этого неизвестного нам расстояния получается орбита Юпитера на расстоянии 4+48=52 единицы, а дальше расстояние самого Сатурна 4+96=100 таких единиц. Какое удивительное соотношение!" 
 
Почему "закон планетных расстояний" в отечественной литературе называют законом Тициуса-Боде. Согласно первоисточников: астроном Иоганн-Элерт Боде вставил этот закон в свою книгу "Руководство по изучению звездного неба", даже не удосужившись сослаться на Тициуса, и долгое время незаслуженно считался его автором… 
 
Английский астроном В. Гершель в 1781 году открыл планету Уран, причем расстояние планеты от Солнца очень мало отличалось от величины, которую предсказывала формула Тициуса. Это обстоятельство повысило доверие ученых XVIII века к правилу Тициуса, и в 1796 году на конгрессе в Готе было решено начать поиск недостающей планеты. Однако случилось так, что никому из тех астрономов, которым поручили наблюдения, не повезло. Планету обнаружил в первую новогоднюю ночь 1801 года Дж. Пиацци, директор обсерватории в Палермо (Сицилия). Надо сказать, что у Пиацци была совсем другая задача, он хотел составить точную карту звездного неба в области созвездия Тельца. Сверяясь со звездным каталогом Волластoна (как выяснилось позже, в каталоге была допущена опечатка), астроном никак не мог обнаружить одну из звезд. Неожиданно он заметил звездоподобный объект, который медленно перемещался по небу. Когда вычислили орбиту космического тела, оказалось, что оно движется поразительно точно на том расстоянии от Солнца, какое предсказано формулой Тициуса. Астрономы торжествовали: найдена недостающая планета. Ее назвали Церерой, в честь богини - покровительницы Сицилии. 
 
“Правило планетных расстояний” Тициуса, как мы видим, сыграло выдающуюся роль в истории открытия малых планет. Однако само это правило до сих пор не получило своего теоретического истолкования. 
 
Вскоре были открыты другие астероиды: Паллада, Юнона, Веста, Астрея, Геба, Ирида…1860 году было известно уже 62 астероида, к 1870 - 109, к 1880 - 211, к 1923 - 1000… По данным Института теоретической астрономии РАН, к марту 1998 года в астрономических каталогах значилось уже 8443 астероида с хорошо рассчитанной орбитой, получивших имя. Как предположили астрономы Робин Эванс и Карл Стапелфельдт из Лаборатории реактивного движения после изучения снимков сверхтелескопа "Хаббл", всего в поясе астероидов находится примерно 300000 тел диаметром 1-3 километра и огромное количество прочей мелочи. 
 
Гершель предложил назвать маленькие планеты астероидами. Астероид по-гречески означает «звездообразный». 
 
Начиная с конца XIX века для поисков астероидов стали применять фотографию. При длительных экспозициях изображения астероидов из-за их быстрого движения получаются в виде черточек. Сначала их называли именами божеств, потом – именами знаменитых людей. До недавнего времени соблюдалось правило: называть астероиды женскими именами, делая исключение для астероидов с необычными орбитами. Теперь от этого правила отказались. 
 
В настоящее время астероиду сразу после открытия присваивается предварительное обозначение, содержащее год открытия (например, 1937 DA), а потом, если орбита астероида будет определена надежно, – постоянный номер и название. Все астероиды имеют размеры меньше 1000 км, у них нет атмосферы и гидросферы. Форма астероидов самая разнообразная: от шаровой до сигарообразной. У астероидов большие различия в составе поверхности, что подтверждается их способностью отражать свет: у одних астероидов коэффициент отражения лишь 3 %, что делает структуру их поверхности похожей на свежевспаханный чернозем или новую автомобильную покрышку, тогда как у других он приближается к 50 %, как если бы она была покрыта меловыми отложениями. Так, поверхность астероида 52 Европа имеет альбедо всего 0,03, а Веста имеет альбедо 0,28. Периоды осевого вращения астероидов различаются в десятки раз: у некоторых малых планет это часы, у других – сутки. 
 
Ныне принято считать астероидами все тела, размеры которых не менее 1 км. Тела меньших размеров получили название метеороидов. 
 
Плотность астероидов обычно лежит в пределах от 2 до 8 г/cм3. 
 
Гипотезы о происхождении малых планет можно распределить на две большие группы. Первую группу образует гипотеза, которую в 1804 году предложил астроном Генрих Вильгельм Ольберс и ее различные модификации, предполагающие происхождение астероидов (и комет) как результат взрыва гипотетической планеты. От чудовищного удара извне или от внутреннего удара планета взорвалась(!), оставив после себя наследие в виде астероидов. Эту гипотетическую планету, в последствии назвали ФАЭТОН, в честь сына бога Солнца Гелиоса. Согласно греческой мифологии Фаэтон, похитил у отца (Гелиоса) его огненную колесницу и поехал кататься по небу, но погиб, разбившись вместе с колесницей. Это были первые признаки АСТЕРОИДНОЙ ОПАСНОСТИ для Земли. Раз Фаэтон погиб от взрыва упавшего тела, то и Землю может постичь такая же участь? К этой гипотезе обратился российский астроном Б. А. Воронцов-Вельяминов, который считает, что планету - прародительницу астероидов и комет было бы правильнее назвать не Фаэтон, а Астерон. 
 
Другая группа гипотез рассматривает происхождение астероидов (и комет) в единой эволюционной схеме образования Солнечной системы. Среди этих гипотез наиболее подробно разработана гипотеза советского ученого О. Ю. Шмидта. Астероиды - остатки промежуточных тел, из которых создавались планеты, сохранились до нашего времени. Они так и не сумели сформироваться в планету из-за близости массивного Юпитера. Планета-гигант своим воздействием увеличивала относительные скорости астероидов и довела этот процесс до такого состояния, что кинетическая энергия астероидов превысила гравитационную, а в таких условиях они уже не могли соединяться и формироваться в единое тело при встрече. Скорее наоборот, столкновение приводило к взаимному дроблению, а не объединению Гипотеза О. Ю. Шмидта является спорной в научных кругах. 
 
В 50-х годах 20 века против гипотезы Ольберса о Фаэтоне появились первые, но убедительные возражения, основанные на данных о метеоритах. Метеоритами называются железные, каменные или железокаменные массы, время от времени внезапно падающие из космического пространства на поверхность планет солнечной системы, в том числе и Земли. Вся совокупность известных науке фактических данных позволяет сделать вывод о том, что метеориты представляют собой обломки небесных тел нашей солнечной системы, небольшого размера (астероидов) и более крупных тел (планет). Из анализов состава метеоритов следовало, что они неоднородны по химическому составу и никак не могут быть продуктами разрушения большой планеты (одной - прим. автора). 
 
К сороковым годам XX века каталоги астероидов с указанием их орбит содержали около полутора тысяч объектов. Используя методы небесной механики, теоретически можно повернуть события вспять, “собрать" астероиды вместе и определить приблизительную орбиту родительской планеты. Такую работу проделал московский астроном А. Н, Чибисов. Его вывод однозначен: исходя из современных данных о движении астероидов, невозможно определить ни область, где разорвалась планета, ни орбиту, по которой она двигалась до взрыва (речь идет об одной планете – прим. автора). Азербайджанский ученый Г. Ф. Султанов подошел к этому вопросу с другой стороны. Он рассчитал, как должны распределиться в пространстве осколки при разрыве планеты. Полученные данные сравнил с существующим распределением астероидов. И вновь результат оказался не в пользу гипотезы Ольберса. Различия в распределении столь велики, что говорить, о взрыве небесного тела нет никаких оснований (одного небесного тела – прим. автора). 
 
Данные исследований метеоритов опровергают и вторую гипотезу, предложенную Шмидтом. Астрономы давно предполагали, что столкновения играют большую роль в формировании планет. Ранняя Солнечная система могла быть переполнена пылью, которая становилась камнями, которые, в свою очередь, становились планетами. В результате столкновений планеты могут терять свою атмосферу, кору, и даже мантию, или могут быть раздроблены на группу меньших объектов. Столкновения могут также дать объяснения различному составу астероидов, включая падающие на Землю метеориты. Каменистые астероиды похожи на осколки коры планет, а богатые железом осколки могут происходить из ядра планет. 
 
Если от какого-либо астероида откалывается обломок и продолжает свое независимое движение в космическом пространстве, то космический возраст этого обломка будет определяться возрастом его наиболее "свежей" грани или стороны. После выполнения ряда измерений оказалось, что космические возрасты получаются различными для метеоритов разных классов. В частности, для энстатитовых хондритов удалось измерить два достаточно молодых возраста - 7 и 20 млн. лет. В то же время, железоникелевые по "космическим" часам намного старше - им около 700 млн. лет. Если же говорить об абсолютном возрасте метеоритов, то он оказывается в пределах 4,5-4,7 млрд. лет, как и у земных пород. 
 
На основании исследований метеоритов следуют два вывода: Первый - формирование родительских тел метеоритов произошло 4,5 – 4,7 млрд. лет, а процесс дробления начался порядка 700 млн. лет назад, что входит в противоречие с гипотезой О. Ю. Шмидта, согласно которой процесс дробления в поясе астероидов должен был начаться порядка 4,5 млрд. лет назад. Второй - астероиды порой похожи на осколки коры планет – каменистые астероиды, а богатые железом осколки могут происходить из ядра планет. Согласно второй гипотезы в районе пояса астероидов формирование планеты (и ее спутников – прим. автора) не произошло. 
 
Первая и вторая гипотезы, происхождения пояса астероидов, опровергаются полученными результатами исследований метеоритов. Логично предложить третью гипотезу (сценарий) происхождения пояса астероидов предполагающую существование ПЛАНЕТЫ ФАЭТОН, КОТОРАЯ ИМЕЛА СПУТНИКИ в количестве предположительно 6 – 8. Примерно 700 млн. лет назад ( космический возраст железных метеоритов ) произошло столкновение планеты Фаэтон с крупным объектом, что привело к разрушению планеты и образованию крупных и мелких обломков. Затем, на протяжении миллионов лет и вплоть до наших дней, обломки сталкивались между собой – шел процесс дробления. Происходили столкновения со спутниками планеты Фаэтон. При столкновении с крупными обломками спутники разрушались, пополняя пояс астероидов новыми обломками. Допустимо предположить, что Церера – самый крупный астероид имеющий диаметр 930 км. и шарообразную форму, один из уцелевших спутников Фаэтона. Столкновения приводили к отклонению траектории многочисленных крупных и мелких обломков, которые, покинув пояс астероидов, подвергли «бомбардировке» планеты и спутники Солнечной системы. 
 
В третью гипотезу логично вписываются результаты исследований химического состава метеоритов, которые свидетельствуют о том, что метеориты не являются продуктом деления одного родительского тела. 
 
Третья гипотеза (сценарий) происхождения пояса астероидов проливает свет на невозможность, по орбитам астероидов, определить орбиту (одной) родительской планеты и область ее взрыва. 
 
Истинность данной гипотезы смогут подтвердить или опровергнуть дальнейшие исследования пояса астероидов и метеоритов.

     2. Кометы

     2.1. Сущность, происхождение и строение комет.

     А) Сущность

     Комета  ( kometes (aster) «хвостатая» (звезда)). От других тел Солнечной системы кометы резко отличаются не только своим видом, но и формой орбит, большими размерами, а также сравнительно быстрыми, иногда бурным развитием. Вид комет меняется по мере приближения к Солнцу. Вдали от солнца комета видна как слабое туманное пятнышко. Движение комет не имеет четкой траектории, подверженная влиянию силы притяжения более больших небесных тел, однако, в общем орбита имеется.

     В) Происхождение 

     Раньше  предполагалось, что таинственные небесные странницы приходят к нам из далеких  безвестных глубин межзвездного пространства и не принадлежат Солнечной Системе. Большинство астрономов предполагали, что каждая комета приходит к Солнцу лишь один раз и затем навсегда покидает его окрестности.

     Гениальный  естествоиспытатель, великий физик  и математик Исаак Ньютон завершил выдающийся научный труд, связанный  с анализом движения планет вокруг Солнца, и сформулировал закон  всемирного тяготения: сила взаимного  притяжения между двумя телами прямо  пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату между ними. Согласно этому закону природы все планеты движутся вокруг Солнца не произвольным образом, а строго по определенным орбитам. Орбиты эти представляют собой замкнутые  линии. Галлей обратился к Ньютону  с предложением рассмотреть, как  должны двигаться кометы в соответствии с законами всемирного тяготения. Даже сейчас обработка данных, полученных в результате наблюдений, продолжается.

     Гипотеза  Яна Оорта 

     Основана  на теории существовании Фелтона (о ней позднее) Есть предположение, что кометные ядра образовались в одно время со всей Солнечной системой и поэтому могут являть собой образцы того первичного вещества, из которого впоследствии образовались планеты и их спутники. Свои первозданные свойства ядра могли сохранить благодаря своему "постоянному месту" вдали от Солнца и больших планет, оказывающих огромное влияние на ближайшее окружение. В доказательство, в 1950 году голландский астроном Ян Оорт, исследуя ряд долгопериодических комет, обнаружил, что их афелии (наиболее удаленные от Солнца точки орбит) концентрируются вблизи границы Солнечной системы. Он возродил к жизни идею Эпика о хранилище кометных ядер на "задворках" Солнечной системы, в поясе от 30 до 100 тыс. а. е. от Солнца. Само же облако Оорта образовалось в результате отталкивающей силы планет-гигантов в эпоху гравитационного "склеивания" планет из газопылевого облака. Планеты гиганты отталкивали все, что не могли поглотить, в свою очередь солнце не упускало ни одного небесного тела из своих тисков. 

     С) Строение комет 

     "Основа" любой кометы - ее ядро - огромный  ком космической пыли, камней, замерзших  газов и сложных химических  соединений, накрепко спаянных космическим  холодом. Его размеры по космическим  масштабам просто ничтожны - километры  или десятки километров. Массы  комет невелики: они не превышают  одной миллионной доли массы  Земли, диаметром в диапазоне от 0,5 до 25 км. Предполагается, что на больших расстояниях от Солнца, кометы представляют собой голые ядра, т.е. глыбы твердого вещества, состоящего из обыкновенного водяного льда и льда из метана и аммиака. В лед вморожены каменные и металлические пылинки и песчинки. При приближении к Солнцу этот очень грязный лед начинает испаряться, создавая вокруг ядра огромную газопылевую оболочку. Под действием давления солнечного света часть газов оболочки отталкивается в сторону, противоположную Солнцу, образуя хвост. У некоторых комет эти процессы протекают настолько интенсивно, что оболочка и хвост достигают чудовищных размеров. Так, например, диаметр оболочки сверх гигантской кометы Холмса в 1882 году был равен 1,5 миллиона километров, а длина ее хвоста достигала 300 миллионов километров!  Голова и хвост кометы светятся: пылевые частицы просто отражают свет Солнца, а атомы молекул и газов переизлучают поглощенные ими кванты солнечного света. Кометное ядро "превращается" в доступную для наблюдений комету.      

     Сублимация. Переход вещества из твердого состояния в газообразное важен для физики комет. Измерения яркости и спектров излучения комет показали, что плавление основных льдов начинается на расстоянии 2,5—3,0 а.е., как должно быть, если лед в основном водяной. Это подтвердилось при изучении комет Галлея и Джакобини-Циннера. Газы, наблюдающиеся первыми при сближении кометы с Солнцем (CN, C₂), вероятно, растворены в водяном льде и образуют газовые гидраты (клатраты). Каким образом этот «составной» лед будет сублимироваться, в значительной степени зависит от термодинамических свойств водяного льда. Сублимация пыле-ледяной смеси происходит в несколько этапов. Потоки газа и подхваченные ими мелкие и пушистые пылинки покидают ядро, поскольку притяжение у его поверхности крайне слабое. Но плотные или скрепленные между собой тяжелые пылинки газовый поток не уносит, и формируется пылевая кора. Затем солнечные лучи нагревают пылевой слой, тепло проходит внутрь, лед сублимируется, и газовые потоки прорываются, ломая пылевую кору.  
     Кома. Пылинки и газ из нейтральных молекул (табл. «Основные газовые составляющие комет») образуют почти сферическую кому кометы. Обычно кома тянется от 100 тыс. до 1 млн. км от ядра. Давление света может деформировать кому, вытянув ее в антисолнечном направлении.

     Гибель  кометы

     Комета LINEAR (C/1999 s4), которая обещала стать последней яркой кометой столетия, так и не смогла оправдать надежды, которые возлагались на нее, достигнув максимум блеска всего лишь 6,5 звездной величины. Однако, комета все-таки смогла сделать небольшую сенсацию, потерпев практически полное разрушение буквально на глазах у астрономов. Во время наблюдений, проведенных 3-5 июля с помощью Космического телескопа им. Габбла, комета продемонстрировала вспышку блеска приблизительно на 50%, продолжительностью несколько часов. Повышенная активность завершилась выбросом значительного ледяного фрагмента из ядра кометы. Три изображения кометы , полученные 5-7 июля с помощью Космического телескопа им.Хаббла, показывают кратковременную вспышку блеска кометы, за которой последовал мощный выброс вещества из ее ядра.

     Однако  на этом раздробление кометы не закончилось. Вечером 25 июля комета начала демонстрировать  быстрые драматические изменения. Сначала круглое ядро кометы стало  более вытянутым в направлении  движения “хвостатой путешественницы”, а общий блеск кометы немного  снизился. Следующей ночью ядро стало  еще более вытянутым, а уменьшение блеска продолжилось. И уже 27 июля комета предстала в виде необычно слабой туманной тучки без каких-либо признаков  псевдоядра. Все свидетельствовало о том, что ядро кометы полностью разрушилось.

     Это предположение полностью подтвердили  наблюдения, которые проводились  с помощью Космического телескопа  им.Хаббла: удалось даже разглядеть остатки кометы – многочисленные фрагменты, которые когда-то составляли ядро кометы LINEAR.

     Астрономы предполагают, что причиной разрушения стало полное испарение льда из ядра кометы под действием солнечного излучения. Как известно, ядро кометы представляет собой конгломерат твердых фрагментов разнообразного размера, “сцементированных” между собой прослойками льда. Вероятно, количество льда в ядре кометы LINEAR было небольшим и, когда комета приблизилась к Солнцу, он полностью испарился. Отдельные фрагменты ядра кометы больше ничего не связывало, и оно разрушилось.

     2.2. Классификация комет

     Классификацию кометных хвостов предложил в XIX в. замечательный русский астроном Ф.А. Бредихин. Хвосты I типа - прямые, направленные от Солнца. По современным представлениям они образованы ионизированными  молекулами кометной атмосферы, которые  солнечным ветром уносятся прочь  от ядра. Хвосты II типа изогнуты и по отношению к орбите кометы отклоняются  назад. Образуются они непрерывно истекающими  из ядра частичками пыли. Хвосты III типа - короткие, почти прямые, заметно  отклоняющиеся от линии "Солнце - ядро кометы". Такие хвосты образуются при единовременных "извержениях" из ядра целого облака пылинок различных  размеров, растягивающихся поэтому в полоску под действием светового давления. Иногда в хвостах I типа наблюдаются "образования" голубого цвета, покидающие ядро кометы со скоростью 200 км/с.  
    Бывают "аномальные хвосты ", направленные в сторону Солнца. Особенно любопытна в этом отношении непериодическая комета Аренда - Ролана 1957 года: после прохождения через перигелий у нее появился узкий и длинный "аномальный хвост" диаметром около 13 тыс. км. и длиной в миллионы километров. Из него исходило радиоизлучение на волне около 11 м., центр которого находился в нескольких миллионах километров от ядра кометы. Когда по удалении от Солнца хвосты стали уменьшаться, источник радиоизлучения "сошел" с кометной орбиты и стал двигаться радиально от Солнца. Этот вызвавший большие споры "антихвост" или "выброс к Солнцу", кометы Аренда - Ролана был объяснен как видимый с ребра широкий веер пылевых частиц, истекающих из головы кометы. 

     Классификация кометных орбит. Орбиты у большинства  комет эллиптические, поэтому они  принадлежат Солнечной системе. Правда, у многих комет это очень  вытянутые эллипсы, близкие к  параболе; по ним кометы уходят от Солнца очень далеко и надолго. Принято  делить эллиптические орбиты комет  на два основных типа: короткопериодические и долгопериодические (почти параболические). Пограничным считается орбитальный  период в 200 лет.

     Кометы, задевающие Солнце. Особую группу короткопериодических комет составляют кометы, «задевающие» Солнце. Вероятно, они образовались тысячелетия назад в результате приливного разрушения крупного, не менее 100 км в диаметре, ядра. После первого  катастрофического сближения с  Солнцем фрагменты ядра совершили  ок. 150 оборотов, продолжая распадаться на части.

     Комета  Галлея. Это самая знаменитая из всех комет. Она наблюдалась 30 раз с 239 до н.э. Названа в честь Э.Галлея, который после появления кометы в 1682 рассчитал ее орбиту и предсказал ее возвращение в 1758. Орбитальный период кометы Галлея — 76 лет; последний раз она появилась в 1986 и в следующий раз будет наблюдаться в 2061. В 1986 ее изучали с близкого расстояния 5 межпланетных зондов — два японских («Сакигаке» и «Суйсей»), два советских («Вега-1» и «Вега-2») и один европейский («Джотто»). Оказалось, что ядро кометы имеет картофелеобразную форму длиной около 15 км и шириной около 8 км, а его поверхность «чернее угля».Возможно, оно покрыто слоем органических соединений, например полимеризованного формальдегида. Количество пыли вблизи ядра оказалось значительно выше ожидаемого. 
     Комета Энке. Эта тусклая комета была первой включена в семейство комет Юпитера. Ее период 3,29 года — наиболее короткий среди комет. Комета Энке ответственна за метеорный поток Тауриды, наблюдающийся ежегодно в октябре и ноябре. 
     Комета Джакобини-Циннера. Эту комету открыл М.Джакобини в 1900 и переоткрыл Э.Циннер в 1913. Ее период 6,59 лет. Именно с ней 11 сентября 1985 впервые сблизился космический зонд «International Cometary Explorer», который прошел через хвост кометы на расстоянии 7800 км от ядра, благодаря чему были получены данные о плазменной компоненте хвоста. С этой кометой связан метеорный поток Джакобиниды (Дракониды).