Откуда прилетают кометы?

Отрывок из книги Иэна Стюарта «Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную»

Как математические модели объясняют космос? Иэн Стюарт, лауреат нескольких премий за популяризацию науки, представляет захватывающее руководство по механике космоса в пределах от нашей Солнечной системы и до всей Вселенной.

Долгопериодические кометы не могут бесконечно болтаться на своих нынешних орбитах. Проходя сквозь Солнечную систему, они всегда рискуют испытать столкновение или тесное сближение, которое забросит их далеко в пространство — туда, откуда не возвращаются. Возможно, вероятность столкновения и невелика, но за миллионы оборотов шансы на то, что избежать подобных катастроф не удастся, накапливаются. Более того, кометы деградируют, теряя часть массы всякий раз, когда они огибают Солнце, и выбрасывают в пространство струи сублимированного льда. А стоит комете пробыть у Солнца чуть дольше, и она попросту растает.

В 1932 году Эрнст Эпик предложил выход: где-то далеко, в окраинных областях Солнечной системы , должен существовать громадный резервуар ледяных планетезималей, из которого запас комет постоянно пополняется. Ян Оорт независимо высказал ту же идею в 1950 году. Время от времени одно из этих ледяных тел срывается с места — возможно, в результате сближения с другим телом или просто из-за хаотических гравитационных пертурбаций. После этого тело меняет орбиту и проваливается внутрь системы по направлению к Солнцу, нагревается и приобретает характерный вид хвостатой запятой. Оорт исследовал этот механизм в мельчайших математических деталях, и теперь в его честь мы называем этот источник облаком Оорта (название не следует принимать буквально. Это очень разреженное облако).

Нидерландский астроном Ян Оорт

Leiden Observatory

Считается, что облако Оорта занимает обширную область вокруг Солнца на расстояниях между приблизительно 5000 а.е. и 50 000 а.е. (от 0,08 до 0,79 световых года). Внутренняя его часть, до 20 000 а.е., представляет собой тор, ориентированный примерно вдоль эклиптики; внешнее гало — это сферическая оболочка. Во внешнем гало обитают триллионы тел от километра и больше в поперечнике; внутреннее облако содержит их в сотню раз больше. Полная масса облака Оорта примерно в пять раз превышает массу Земли. Эту структуру пока никто не наблюдал: ее существование выведено из теоретических расчетов.

Моделирование и другие данные позволяют предположить, что облако Оорта возникло в тот период, когда местный протопланетный диск начал коллапсировать в Солнечную систему. Мы уже обсуждали данные, свидетельствующие о том, что возникшие тогда планетезимали первоначально располагались ближе к Солнцу, и лишь затем влияние планет-гигантов выбросило их во внешние области системы. Облако Оорта могло остаться со времен ранней Солнечной системы, сформировавшись из тех остатков, которые никуда не попали. Или, в альтернативном варианте, оно могло возникнуть в результате конкуренции Солнца и близлежащих звезд, пытавшихся притянуть к себе вещество, которое всегда находилось очень далеко от них, вблизи границ, где тяготение двух звезд уравновешивается.

Или, как предположили в 2010 году Гарольд Левисон с сотрудниками, Солнце утащило «плохо летавшие» обломки из протопланетных дисков скопления, включавшего 200 или около того близлежащих звезд.

Облако Оорта в представлении художника

JLP/NASA

Если верна теория выталкивания, первоначальные орбиты тел облака Оорта представляли собой очень вытянутые, тонкие эллипсы. Однако, поскольку тела эти в основном и сейчас остаются в облаке, их орбиты должны были стать гораздо более округлыми, почти круговыми. Считается, что причиной скругления орбит было взаимодействие с соседними звездами и галактические приливные силы — суммарное гравитационное действие Галактики.

Короткопериодические кометы отличаются от долгопериодических; считается, что и происхождение у них иное — пояс Койпера и рассеянный диск. После открытия Плутона, когда выяснилось, что он очень мал, многие астрономы задались вопросом: не есть ли это новая Церера, то есть первое обнаруженное тело огромного нового пояса, в котором их тысячи? Одним из таких астрономов — не первым — был Кеннет Эджуорт, предположивший в 1943 году, что в момент формирования внешней части Солнечной системы за Нептуном из первичного газового облака плотность вещества там оказалась недостаточной для образования крупных планет. Кроме того, он видел в этих телах потенциальный источник комет.

В 1951 году Джерард Койпер предположил, что в этой области еще на ранних стадиях формирования Солнечной системы мог собраться диск из небольших тел; но он считал (как многие тогда), что Плутон по размеру примерно равен Земле и потому должен был взбаламутить этот диск и разбросать его содержимое в разные стороны. Когда же выяснилось, что такой диск все же существует, Койпер удостоился сомнительной чести: астрономическую область назвали его именем потому, что он не предсказал ее существования.

Пояс Койпера

WillyD/Wikimedia Commons

В этой области было обнаружено множество отдельных тел, мы уже встречались с ними и называли занептунными объектами. Фактором, окончательно решившим вопрос о существовании пояса Койпера, стали опять же кометы.

В 1980 году Хулио Фернандес провел статистическое исследование короткопериодических комет. Их слишком много, чтобы все они могли приходить из облака Оорта. Из каждых 600 комет, вылетающих из облака Оорта, 599 остались бы долгопериодическими кометами, и только одна, захваченная какой-нибудь планетой-гигантом, перешла бы на короткопериодическую орбиту. Возможно, предположил Фернандес, где-то между 35 и 50 а.е. от Солнца существует иной резервуар ледяных тел. Серия моделей, реализованная Мартином Дунканом, Томом Куинном и Скоттом Тремейном в 1988 году, решительно подтвердила его идеи; эти ученые также отметили, что короткопериодические кометы держатся возле эклиптики, в то время как долгопериодические приходят практически с любого направления. В общем, это предположение было принято вместе с именем «пояс Койпера». Некоторые астрономы предпочитают называть его «пояс Эджуорта — Койпера», а некоторые не считают возможным приписать честь открытия ни одному ни другому.

Происхождение пояса Койпера не слишком понятно. Моделирование раннего периода существования Солнечной системы указывает на уже упоминавшийся сценарий, по которому четыре планеты-гиганта первоначально сформировались в другом порядке (считая от Солнца) и не там, где они находятся в настоящее время, а затем мигрировали, раскидывая планетезимали на все четыре стороны. Большую часть первичного пояса Койпера унесло прочь, но примерно одно тело из сотни осталось на месте. Подобно внутренней области облака Оорта, пояс Койпера представляет собой размытый тор.

Вещество распределено в поясе Койпера неравномерно; как и в поясе астероидов, на его распределение серьезно влияют резонансы, на этот раз с Нептуном. Где-то около 50 а.е. проходит так называемый барьер Койпера, где число тел внезапно и резко падает. Это явление пока не получило объяснения, хотя Патрик Лякава предполагает, что оно может быть результатом действия не обнаруженного пока крупного тела — настоящей планеты X.

Рассеянный диск — еще более загадочный и плохо изученный объект. Он слегка заходит в область пояса Койпера, но простирается дальше, примерно до 100 а.е., и сильно наклонен по отношению к эклиптике. Тела рассеянного диска имеют сильно вытянутые орбиты и часто отклоняются во внутреннюю часть Солнечной системы. Там они обитают какое-то время в роли кентавров, пока их орбита вновь не переменится и они не превратятся в короткопериодические кометы. Кентавры — это тела, орбиты которых пересекают эклиптику в промежутке между орбитами Юпитера и Нептуна; они остаются на таких орбитах всего по несколько миллионов лет. Всего существует, вероятно, около 45 000 таких тел больше километра в поперечнике. Большинство короткопериодических комет, вероятно, происходит из рассеянного диска, а не из пояса Койпера.

Indicator