1. Вид, строение и открытие комет. Кроме больших и малых планет, вокруг Солнца движутся кометы (рис. 62). Яркие кометы ( хвостатые звезды ) своим необычным видом издавна привлекали внимание людей, внушая многим из них суеверный ужас. От других тел Солнечной системы кометы резко отличаются не только своим видом, но и формой орбит, большими размерами, а также сравнительно быстрым, иногда бурным развитием. Вид комет меняется по мере приближения к Солнцу. Вдали от Солнца комета видна как слабое туманное пятнышко, которое перемещается на фоне звездного неба. Постепенно у кометы развивается хвост, почти всегда направленный от Солнца.
Рис. 62. Комета (одна из многочисленных фотографий).
Ежегоднообнаруживают в среднем 6—8 комет. Некоторые из них — это периодические кометы , которые в очередной раз возвратились к Солнцу. Только самые яркие кометы можно наблюдать невооруженным глазом. Часто кометы открывают любители астрономии, регулярно обозревающие звездное небо в небольшие телескопы.
Основные части кометы: голова, ядро (центральное сгущение) и хвост . Ядра комет по размерам близки небольшим астероидам. Диаметр головы кометы иногда достигает сотен тысяч километров, а хвосты простираются на десятки и сотни миллионов километров. После прохождения перигелия комета начинает постепенно «угасать» и перестает быть видимой даже в самые большие телескопы.
2. Орбиты комет. Чтобы рассчитать по формулам небесной механики орбиту кометы, достаточно определить из наблюдений ее экваториальные координаты, по крайней мере для трех моментов времени. Первоначально вычисленную орбиту, по которой комета приближается к Солнцу, в дальнейшем уточняют на основе новых наблюдений, так как притяжение планет изменяет орбиту. В настоящее время для вычисления орбит комет применяют быстродействующие ЭВМ.
Орбиты большинства комет — сильно вытянутые эллипсы, плоскости которых под разными углами наклонены к плоскости эклиптики. Двигаясь по таким орбитам, кометы в перигелии близко подходят к Солнцу (и к Земле), а в афелии удаляются от него на сотни тысяч астрономических единиц, уходя далеко за пределы орбиты Плутона — последней из известных пока планет.
Рис. 63. Комета Галлея.
Рис. 64. Ядро кометы Галлея.
Кометы, эксцентриситеты орбит которых не очень велики, имеют сравнительно небольшие периоды обращения вокруг Солнца. Самый короткий период — у кометы Энке (3,3 года), наблюдающейся уже на протяжении полутора веков. Неоднократно приближалась к Солнцу и комета Галлея (рис. 63), период обращения которой около 76 лет. Последнее прохождение этой кометы через перигелий (на расстоянии менее 0,6 а. е. от Солнца) было 9 февраля 1986 г . Комету Галлея удалось хорошо исследовать не только с Земли, но и с помощью нескольких специально запущенных космических аппаратов. На снимках, переданных с борта АМС «Вега-1», хорошо видно ядро кометы (рис. 64). Оно имеет неправильную форму (с размерами осей 14 и 7 км ). От шарообразных небесных тел отличаются и другие малые тела Солнечной системы (некоторые спутники планет-гигантов, небольшие астероиды).
3. Природа комет. Массу кометы можно оценить, наблюдая за возмущениями, которые появляются в ее движении при сближении с планетами. Например, при сближении кометы с Юпитером период ее обращения может резко измениться, а период обращения Юпитера практически остается прежним. Значит, масса кометы во много раз меньше массы Юпитера. Сближения комет с Землей позволили уточнить верхний предел массы комет ( 10 -4 массы Земли).
Вещество кометы сосредоточено в основном в ее ядре, которое, по-видимому, состоит из смеси замерзших газов (среди которых есть аммиак, метан, углекислый газ, азот, циан и др.) и пылинок, металлических и каменных частиц разных размеров. Основные сведения о химическом составе ядер получены из анализа спектров газов, окружающих ядра комет, а также при сближении космических аппаратов с кометами.
Когда комета приближается к Солнцу, ядро постепенно прогревается, из него выделяются газы и пыль, которые окутывают ядро и образуют голову и хвост кометы. Хвост кометы состоит из очень разреженного вещества, сквозь которое даже просвечивают звезды.
Ядро кометы и пыль, входящая в состав головы и хвоста, светят отраженным и рассеянным солнечным светом. Холодное свечение газа (флуоресценция) происходит под воздействием солнечного излучения. При сближении космических аппаратов с ядром кометы Галлея удалось определить по инфракрасному излучению его температуру (100 °С). Ученые сравнивают ядро этой кометы с «мартовским сугробом» (лед с примесью тугоплавких частиц). Ежесуточно из ядра кометы Галлея выбрасывается много пыли, водяного пара, диоксида углерода, атомарного водорода и кислорода. Поверхностный слой обновляется примерно за сутки.
Чем ближе комета подходит к Солнцу, тем больше прогревается ее ядро, а следовательно, возрастает выделение газов и пыли, но одновременно усиливается и световое давление на нее. Поэтому хвост кометы увеличивается и становится все более заметным.
Кроме давления света, на хвосты комет действуют потоки заряженных частиц, испускаемых Солнцем (солнечный ветер). Магнитные поля этих потоков могут сообщать большие ускорения ионам, входящим в состав кометных хвостов и возникающим в них под действием солнечного излучения. От соотношения сил тяготения (притяжение к Солнцу) и отталкивания зависит траектория движения частиц, а значит, и форма кометных хвостов. У массивных частиц силы притяжения преобладают над силами отталкивания. Если силы отталкивания в сотни раз больше сил притяжения, то хвост будет почти точно направлен от Солнца ( I тип, по классификации выдающегося русского астрофизика Ф. А. Бредихина, 1831—1904). Небольшая изогнутость кометного хвоста указывает на то, что силы отталкивания лишь в десятки раз превосходят силы притяжения ( II тип). Очень изогнутые хвосты ( III тип) образуются, когда силы отталкивания примерно равны силам притяжения. Когда силы притяжения больше сил отталкивания (очень крупные пылевые частицы), появляются аномальные хвосты, направленные к Солнцу. Схематически различные типы кометных хвостов изображены на рисунке 65.
Рис. 65. Основные типы кометных хвостов.
Внастоящее время кометы играют роль своеобразных «зондов» межпланетного пространства, они позволяют получить ценные сведения о свойствах космического пространства на различных расстояниях от Солнца.
Столкновение Земли с ядром кометы, а тем более прохождение Земли через хвост кометы, как это было в 1910 г ., не может привести нашу планету к гибели. Согласно одной из гипотез, Тунгусский метеорит как раз и был ядром небольшой кометы, столкнувшейся с Землей, а в июле 1994 г . произошло столкновение одной из комет с Юпитером (комета Шумейкеров — Леви 9). Поэтому астероидно-кометную опасность игнорировать недопустимо, и ученые сейчас разрабатывают программы предупреждения опасных сближений и защиты от них.
4. Метеоры и болиды. «Падающие звезды», или метеоры , часто привлекают наше внимание в ясные безлунные ночи. Природа метеоров веками оставалась неразгаданной, хотя уже давно было ясно, что метеоры ничего общего со звездами не имеют.
Если из двух пунктов, разделенных десятками километров, одновременно сфотографировать метеор или при визуальных наблюдениях нанести его путь на звездную карту, то окажется, что вследствие параллактического смещения наблюдатели зафиксируют метеор на фоне разных звезд. Зная параллактическое смещение и расстояние между пунктами наблюдения, легко найти высоту метеора. Установив перед фотоаппаратом равномерно вращающийся сектор, периодически закрывающий объектив, получают на фотографии прерывистый след, по которому можно определить скорость движущегося тела. Метеор — это явление вспышки небольшого (размером с горошину) космического тела, называемого метеорным телом , вторгшегося со скоростью от 11 до 73 км/с в земную атмосферу. Высота возгорания (от 120 до 80 км ) зависит от массы и скорости метеорного тела. Чем больше масса и скорость метеорного тела, тем ярче метеор.
Вторжение массивных метеорных тел вызывает очень яркие метеоры ( болиды ), нередко имеющие вид огненных шаров со светящимися хвостами. Некоторые болиды можно видеть даже днем.
Что же происходит при движении метеорного тела в атмосфере Земли? Взаимодействуя с молекулами воздуха, метеорное тело теряет свою скорость, нагревается, начинает испаряться, иногда дробится. Вокруг него образуется облачко из раскаленных газов. В результате этих процессов масса метеорного тела непрерывно уменьшается; почти все метеорные частицы распыляются, не долетев до Земли. Пролетая в земной атмосфере, метеорное тело ионизует молекулы воздуха, оставляя за собой светящийся след. От ионизованных метеорных следов хорошо отражаются радиоволны. Благодаря этому метеоры можно наблюдать не только визуальным и фотографическим, но и радиолокационным методом.
5. Метеорные потоки. Ежегодно в одни и те же ночи (например, 12 августа) можно наблюдать особенно много метеоров. Если в это время нанести видимые пути метеоров на звездную карту, то легко найти небольшой участок неба — радиант , из которого как бы вылетают метеоры. Так, радиант августовских метеоров находится в созвездии Персея (метеорный поток Персеиды). С давних времен известны метеорные дожди Леониды (радиант метеорного потока в созвездии Льва). Леониды повторяются через каждые 33 года. Особенно интенсивный был дождь в 1833 г . Очевидцы сравнивали его со «снежной метелью». Обильный дождь Леонид в соответствии с предсказаниями астрономов наблюдался, например, в ноябре 1966 г . и возможен в будущем.
Метеоритные потоки (а их известно сейчас более 30) наблюдаются в тех случаях, когда Земля встречается с роем метеорных тел, которые движутся приблизительно по одной орбите. Наблюдения показывают, что метеорные рои движутся по орбитам старых, уже разрушившихся комет. Следовательно, кометы, разрушаясь, порождают метеорные рои. Так, например, метеорный поток Ориониды, наблюдающийся с 16 по 26 октября, порожден кометой Галлея.
Кометы связаны не только с метеорами, но и с астероидами. В последнее время удалось доказать, что некоторые астероиды представляют собой ядра бывших короткопериодических комет.
Наблюдениями метеоров успешно занимаются юные любители астрономии. Члены школьных астрономических кружков и обществ наносят пути метеоров на звездные карты, фотографируют метеоры, определяют их высоты и скорости, производят подсчет метеоров в потоках, фотографируют спектры метеоров, исследуют их физические свойства. Решением этих и некоторых других задач любители астрономии помогают ученым исследовать распределение метеорной материи в пространстве и движение воздуха в атмосфере Земли.
Источник
Откуда берутся кометы и почему их орбиты не такие, как у планет
Вместо почти круговых, как у планет, орбиты комет чрезвычайно вытянуты. Почему это так?
Если вы посмотрите на движение планет в нашей Солнечной системе, то увидите почти круговые орбиты, а точнее — эллиптические с очень малым эксцентриситетом. Это было открыто еще 400 лет назад Иоганом Кеплером, который на основе анализа астрономических наблюдений Тихо Браге вывел три своих эмпирических закона, описывающих движение планет вокруг Солнца. Позднее Исаак Ньютон, при помощи открытого им закона всеобщего тяготения обосновал, почему орбиты планет имеют такую форму.
Но кометы, посещающие Солнечную систему, двигаются по очень вытянутым орбитам, похожим на параболу. Почему это так? Попробуем разобраться.
Но, вначале мы рассмотрим строение солнечной системы и ответим на вопрос: почему все объекты в ней движутся именно так — совершая обороты вокруг Солнца по почти круговым орбитам?
В нашей Солнечной системе имеется четыре внутренних, каменистых планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс, за пределами которых находится пояс астероидов, далее располагаются газовые планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун со множеством своих спутников и колец, далее идет пояс Койпера. За поясом Койпера следует большой рассеянный диск, который переходит в сферическое облако Оорта, простирающееся на огромное расстояние: возможно, один или два световых года, почти на полпути к следующей звезде.
Чтобы быть на устойчивой орбите на определенном расстоянии от Солнца, согласно законам тяготения, каждый объект должен двигаться с определенной скоростью. В терминах физики это означает, что должен быть баланс между потенциальной энергией системы (в виде гравитационной потенциальной энергии) и энергией движения тела (кинетическая энергия). Чем ближе планета к Солнцу — тем больше сила гравитации и поэтому необходимо двигаться быстрее, чтобы иметь стабильную орбиту.
Вот почему, если посмотреть на средние скорости планет на их орбитах, то они такие:
Из-за большой массы Солнца в сравнении с массами вращающихся вокруг него планет их орбиты близки к круговой, поскольку сами планеты находятся относительно далеко друг от друга и мало гравитационно взаимодействуют между собой.
Но есть и другие гравитационные взаимодействия, которые происходят в солнечной системе. Если астероид или объект из пояса Койпера проходят близко к большой массе, например Юпитеру или Нептуну, гравитационное взаимодействие с ними придает импульс движения. Они могут изменить свою скорость на значительную величину, вплоть до нескольких километров в секунду, практически в любом направлении. Подробнее об этом читайте в статье «Как при помощи гравитации «Вояджеры» покинули Солнечную систему» .
Для астероида или кометы это может привести к тому, что его орбита переходит от примерно круговой к вытянутой эллиптической. Хорошим примером этого является орбита кометы Энке, которая, возможно, имеет свое происхождение из пояса астероидов.
С другой стороны, если объект (астероид или комета) находится очень далеко от Солнца, например, в поясе Койпера или облаке Оорта, он может двигаться со скоростью от 4 км/с (для внутреннего пояса Койпера) до нескольких сотен метров в секунду (для облака Оорта). Гравитационное взаимодействие с крупной планетой, подобной Нептуну, может изменить его орбиту в одном из двух направлений. Если Нептун забирает кинетическую энергию, то он направит тело во внутреннюю Солнечную систему, создав длиннопериодический эллипс, похожий на орбиту кометы Свифта–Таттла, которая вызывает метеорный дождь Персеиды. Это будет эллипс, который едва ли гравитационно связан с Солнцем, но тем не менее это эллипс.
Но если Нептун или любое другое массивное небесное тело (мы все еще не знаем, что там есть во внешней Солнечной системе) дает дополнительную кинетическую энергию, то это может изменить орбиту кометы со связанной эллиптической на несвязанную гиперболическую (параболическая, между прочим, является несвязанной орбитой, которая находится между эллиптической и гиперболической). Например, комета ISON, которая в 2013 году распалась, приблизившись к Солнцу, была на гиперболической орбите.
Как правило, все кометы, происходящие из внешней Солнечной системы, имеют скорости, отличающиеся между связанными и несвязанными орбитами, в пределах нескольких км/с.
Поэтому им не нужно много энергии, чтобы войти во внутреннюю Солнечную систему. При очень малых скоростях они бы просто падали на Солнце под воздействием его гравитации. В принципе, все они рано или поздно так и сделают, как комета ISON.
Для очень отдаленных масс в нашей солнечной системе даже самое небольшое изменение их скорости может подтолкнуть к изменению орбиты с почти круговой до вытянутой к Солнцу параболической. Хотя эти гравитационные подталкивания от соседних объектов происходят в более или менее случайных направлениях, мы видим только те кометы, которые приближаются к Солнцу, при этом испуская хвосты и становясь достаточно яркими, чтобы их можно было заметить. Вот откуда берутся кометы.
