Книга: Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра

4.2. Физические характеристики, строение ядра

4.2. Физические характеристики, строение ядра

В последнее десятилетие наши знания о кометах и о процессах, происходящих на них, значительно расширились. Резкому повышению интереса к кометам способствовали подготовка и проведение международного космического эксперимента — полета космических аппаратов к комете Галлея. Целая флотилия космических станций — советские «Вега-1» и «Вега-2», западноевропейская «Джотто», японская «Суисей» (Планета-А) — исследовала комету Галлея. В ходе этих исследований были получены уникальные данные о составе и физических процессах, происходящих на поверхности ядра кометы, впервые с близкого расстояния было сфотографировано ядро кометы. Данные, полученные с космических станций, в основном подтвердили ледяную модель кометного ядра, разрабатываемую Ф. Уипплом с 1950 г. В книге [Comets II, 2005] обсуждаются четыре модели кометного ядра (рис. 4.6).

^{Рис. 4.6. Модели кометных ядер [Comets II, 2005]: а) — «конгломерат льдов» [Weissman and Kieffer, 1981]; б) — «агрегат фракталов» [Donn and Hughes, 1986]; в) — «изначально смерзшийся щебень» [Weissman, 1986]; г) — «склеенные льды» [Gombosi and Houpis, 1986]}

Низкие оценки плотности кометного ядра, полученные из анализа движения кометы Галлея, можно объяснить кластерным механизмом образования кометного ядра, разработанным Донном (рис. 4.6, модель б) и в дальнейшем развитым Гринбергом. Согласно этому механизму, ядро кометы образуется в результате налипания друг на друга отдельных гранул (зерен), представляющих собой частицы, по составу близкие к углистым хондритам. Промежутки между зернами заполнены легкосублимирующим веществом. По этой модели ядро кометы представляет собой очень рыхлое образование, подобное гигантскому снежному кому, и по структуре близко к частицам межпланетной пыли. В модели в, названной Вейссманом «изначально смерзшийся щебень», предполагается наличие некоторого количества крупных ледяных фрагментов, смерзшихся в единое тело. В момент сближения такого ядра с Солнцем в результате нагрева часть осколков может терять механический контакт и образовывать компактный метеорный рой. Эта модель представляет собой развитие идей Фесенкова о существовании кратных кометных ядер и позволяет объяснить распад ядра кометы Шумейкеров — Леви 9 на несколько десятков фрагментов в окрестности Юпитера в 1992 г. Нельзя исключить, что для части ледяных тел верна модель а, когда ядро представляет собой ледяной монолит. Модель г — «склеенные льды» — была разработана по результатам пролетов космических аппаратов около ядра кометы Галлея.

Альтернативными моделями являются модель каменистого монолита, разработанная Б. Ю. Левиным, и модель кометного ядра в виде облака частиц, которую в разное время и в различных модификациях отстаивали Дубяго [Дубяго, 1942], Воронцов-Вельяминов [Воронцов-Вельяминов, 1945], Рихтер [Richter, 1963] и Литтлтон [Lyttleton, 1977]. Интересна модель Литтлтона, которая дает механизм образования таких роев. Согласно его исследованиям, местом образования подобных роев может быть область антиапекса, где в результате гравитационного действия Солнца должна наблюдаться повышенная концентрация межзвездного вещества. Солнце, двигаясь сквозь межзвездное газопылевое облако, действует подобно гигантской линзе, фокусируя частицы в антиапексной области. Частицы огибают Солнце по гиперболам, пересекающимся в области антиапекса. Столкнувшись в этой области, они частично гасят свои скорости, и если полная скорость будет меньше параболической, то столкнувшаяся материя оказывается захваченной Солнцем.

Однако надо отметить, что и модель каменистого монолита, и модель кометного ядра в виде облака частиц наталкиваются на определенные трудности.

Приведем основные доводы в пользу ледяной модели:

1) негравитационные эффекты в движении комет лучше объясняются ледяной моделью;

2) газопроизводительность ядра должна обеспечивать поток вещества на уровне 10²⁸–10³⁰ молекул в секунду со всей поверхности при гелиоцентрическом расстоянии 1 а.е. и должна оставаться примерно постоянной на интервале нескольких десятков оборотов кометы вокруг Солнца;

3) наблюдения комет, «царапающих Солнце» (имеющих очень небольшое перигелийное расстояние), до и после перигелия дают нижнюю границу размера ядра в несколько метров;

4) приливные силы и световое давление резко ограничивают время существования плотного роя частиц на кометных орбитах.

Итак, общепринятой моделью ядра кометы в настоящее время является ледяная модель. При приближении ядра кометы к Солнцу ледяное ядро нагревается и начинается испарение газов. Процесс сублимации вещества играет большую роль в определении как физических, так и динамических характеристик ядра. В результате сублимации вещества, как уже отмечалось, возникает достаточно плотная газовая и пылевая атмосфера (кома) кометы. Наличие у комет газовой оболочки позволяет изучать химический состав ядер комет спектроскопическим способом. Уже первые спектроскопические наблюдения показали, что спектры комет состоят из непрерывного фона и эмиссионных молекулярных полос. Непрерывный спектр наблюдается, главным образом, в центральной части головы кометы и в пылевых хвостах. Непрерывный спектр обусловлен рассеянием солнечного света частицами пыли на поверхности ядра и в кометной атмосфере.

По эмиссионным молекулярным полосам в спектре головы кометы различными наблюдателями были отождествлены C₂, CH, CN, NH, NH₂ и OH⁺, в хвосте — CO⁺, CO⁺₂, N⁺₂. Отмечены многочисленные случаи отождествления молекулярных полос с NO, O₂, O⁺₂ и др. Кроме того, предполагается наличие в голове кометы большого количества атомарного водорода. Все молекулы кометных атмосфер, как правило, принадлежат к свободным радикалам и появляются в результате диссоциации и ионизации некоторых первичных, или «материнских», молекул. Всесторонний анализ спектральных данных, выполненный Фаулером, Бальде, Аделем, Свингсом, Арпиньи и многими другими, постепенно сформировал список родительских молекул:

В дальнейшем этот список постоянно дополнялся. Так, в качестве источников амина и имина Дельземме предлагает гидроксиламин NH₂OH, формамид HCONH₂, глицин NH₂CH₂COOH. В спектрах комет Остина, Леви и Свифта — Туттля обнаружены такие углеродсодержащие вещества, как метанол CH₃OH и формальдегид CH₂O.

В моменты сближений комет с Солнцем в спектрах комет отождествлены некоторые металлы: железо Fe, хром Cr, марганец Mn, никель Ni, кобальт Co и ряд других. В работе Дельземме [Delsemme and Miller, 1971] указан примерный процентный химический состав ядра кометы, который воспроизведен в табл. 4.2.