1. Vvedenie

Tradicionnye nauchnye problemy – eto, vo-pervyh, novoe o samoi komete, naprimer o himicheskom sostave ee yadra, osobennostyah pylevoi komponenty, vspyshechnoi aktivnosti i t. d.; vo-vtoryh, eto unikal'naya vozmozhnost' pryamogo izucheniya himicheskogo sostava poverhnostnyh sloev Yupitera. Zdes' byli polucheny neozhidannye rezul'taty: nablyudateli zaregistrirovali sil'noe izluchenie linii metallov, kotoryh nikak ne predpolagalos' naiti v poverhnostnyh sloyah Yupitera v takom kolichestve; takzhe bylo obnaruzheno znachitel'noe kolichestvo sery kak v vide samoi molekuly S₂, tak i v vide drugih serosoderzhashih molekul. Tret'ya nauchnaya problema – eto issledovanie effektov, svyazannyh neposredstvenno so vzryvami pri padenii oskolkov na Yupiter. K nim otnosyatsya energovydelenie samih vzryvov, rasprostranenie udarnyh voln, a takzhe issledovanie fotohimicheskih reakcii, protekayushih v processe vzryva i rasprostraneniya udarnoi volny. Uchenye zaregistrirovali mnogokratnoe prevyshenie koncentracii ryada veshestv v mestah padeniya oskolkov komety po sravneniyu s tem, chto ozhidalos' naiti v poverhnostnyh sloyah Yupitera, naprimer sery, okisi ugleroda SO, a takzhe molekul CS₂ i CS. V kazhdom meste padeniya samyh krupnyh kometnyh oskolkov uchenye obnaruzhili 100 mln t okisi ugleroda, 3 mln t sul'fida ugleroda CS₂ i 300 tysyach t monosul'fida ugleroda CS, chto vo mnogo tysyach raz bol'she normal'nogo soderzhaniya etih veshestv v atmosfere Yupitera.

Sushestvuet, odnako, specificheskii aspekt rassmatrivaemogo yavleniya, kotoryi vyzyvaet interes shirokoi obshestvennosti: zashita Zemli ot ob'ektov, prihodyashih iz kosmosa. Naibolee veroyatno stolknovenie s Zemlei takih kosmicheskih tel, kak asteroidy i komety, sblizhayushiesya s Zemlei. Podobnye stolknoveniya mogut privesti kak k lokal'nym razrusheniyam, tak i k global'noi katastrofe: razrushenie atomnyh stancii, nefteprovodov, skladov boepripasov i drugih ob'ektov energovooruzhennosti gosudarstv.

Naibolee opasny dlya Zemli asteroidy diametrom 10-100 m, kolichestvo kotoryh po imeyushimsya ocenkam dostigaet soten tysyach v okolozemnom prostranstve. Asteroidy diametrom 10 m padayut na Zemlyu primerno 1 raz v 4 goda. Dlya asteroidov diametrom okolo 100 m prognoziruetsya odno stolknovenie primerno za 9000 let. Nakonec dlya asteroida diametrom v 1 km odno stolknovenie s Zemlei mozhet proizoiti za 50 000 let. Razumeetsya, takoe stolknovenie mozhet vyzvat' gibel' vsei civilizacii. Hotya veroyatnost' padeniya asteroidov na Zemlyu mala, veroyatnost' riska gibeli otdel'nogo cheloveka v rezul'tate takogo stolknoveniya sravnima s veroyatnost'yu gibeli v aviakatastrofe ili v rezul'tate avarii na atomnoi elektrostancii. Problema sovmestnoi zashity Zemli gosudarstvami s razlichnymi politicheskimi ustroistvami ot asteroidov i komet, sblizhayushihsya s Zemlei, ves'ma aktual'na i trebuet dolgovremennyh sovmestnyh usilii mnogih stran mira v oblasti fundamental'nyh astronomicheskih, ekologicheskih, raketno-kosmicheskih i mezhdunarodno-pravovyh issledovanii.

Cel' dannoi stat'i – pokazat', chto dalo nablyudenie stolknoveniya komety Shumeikerov-Levi 9 s Yupiterom dlya astronomicheskoi nauki, kakie voznikli v svyazi s etim novye idei i novye napravleniya v samyh razlichnyh i na pervyi vzglyad dalekih drug ot druga razdelah astronomii.

2. Rassheplenie kometnyh yader

Kak chasto proishodit rassheplenie komet na otdel'nye oskolki? Kometa, privlekshaya vnimanie uchenyh k etomu yavleniyu, byla otkryta 25 marta 1993 goda astronomami Ezheni i Karolin Shumeikerami i Davidom Levi. Oni pervymi ustanovili ee neobychnuyu strukturu: 21 kometnyi fragment obrazovali stroguyu lineinuyu cep' (kometnyi poezd).

Ranee, v 1982 godu amerikanskii uchenyi Z. Sekanina, proanalizirovav vse kometnye yavleniya za period vremeni s 1846 po 1976 gody, vydelil 21 sluchai, kotorye on interpretiroval kak rassheplenie komet. Bolee detal'nyi analiz sovremennyh nablyudenii, predstavlyayushih PZS-izobrazheniya (to est' izobrazheniya, poluchennye s pomosh'yu panoramnogo fotoelektricheskogo priemnika) 49 real'nyh komet, vypolnen Ya. Chenom i D. Dzhevittom. Oni obnaruzhili tri sluchaya nastoyashego razvala komet, i sdelali sleduyushie vyvody:

1) veroyatnost' kometnogo rasshepleniya mozhno ocenit' kak odno sobytie za 100 let, prichem eta veroyatnost' slabo zavisit ot geliocentricheskogo rasstoyaniya;

2) rasshepleniyu podverzheny kak dolgoperiodicheskie (s periodom obrasheniya P > 200 let), tak i korotkoperiodicheskie (P < 200 let) komety;

3) veroyatnost' rasshepleniya ne zavisit ot polozheniya komety do ili posle perigeliya (kratchaishego rasstoyaniya do Solnca);

4) hotya sam fakt rasshepleniya i kazhetsya obuslovlennym sblizheniem s Solncem, tem ne menee izvestny sluchai rasshepleniya i na bol'shih geliocentricheskih rasstoyaniyah vplot' do 9 a.e., naprimer kometa Virtanena (1954 god).

Na ris. 1 predstavleny tri izvestnyh sluchaya rasshepleniya v vide kartiny raspredeleniya poverhnostnoi yarkosti (PZS-izobrazhenie) ob'ekta.

Ris. 1. Raspredelenie poverhnostnoi yarkosti dlya treh sluchaev rasshepleniya komet. a – kometa Chernyh, b – kometa Siffreo, v – kometa Vil'sona

3. Kak chasto voznikaet kometnyi poezd

Kogda my govorim o yavlenii rasshepleniya ili razvala, to intuitivno podrazumevaem raspad na dva ili, v krainem sluchae, na neskol'ko oskolkov. No kometa Shumeikerov-Levi 9 predstala pered nami v vide nepreryvnoi cepochki, sostoyashei iz 21 oskolka (nekotorye uchenye schitayut, chto ih bylo 25). Naskol'ko chasty v prirode takie sluchai? Srazu zhe posle otkrytiya kometnogo poezda, svyazannogo s kometoi Shumeikerov-Levi 9, amerikanskie uchenye H. Melosh iz Lunno-planetnoi laboratorii Arizonskogo universiteta i P. Shenk iz Lunno-planetnogo instituta H'yustona obratili vnimanie na sushestvovanie cepochek kraterov na sputnikah Yupitera Ganimed i Kallisto (sm. ris. 2 i 3). Vse cepochki kraterov na poverhnosti Kallisto i Ganimeda ideal'no sohranyayut svoyu lineinost'. Melosh i Shenk issledovali morfologiyu kraternyh cepei i prishli k vyvodu, chto vse oni mogli by obrazovat'sya v sluchae padeniya kometnyh cepochek tipa Shumeikerov-Levi 9. Esli schitat', chto cepochki kraterov obrazovalis' v predshestvuyushii period vremeni takzhe v rezul'tate padeniya komet, razrushennyh gravitacionnym vozmusheniem so storony Yupitera, to mozhno sdelat' ocenku mass kometnyh fragmentov dlya kazhdoi cepochki kraterov. Risunok 4 pokazyvaet, kakie massy dolzhny byli by imet' fragmenty predpolagaemoi komety dlya sozdaniya cepi kraterov, nablyudaemyh na Kallisto i Ganimede. Interesen ris. 5, pokazyvayushii, kakaya cepochka kraterov voznikla by na Kallisto ili Ganimede, esli by na poverhnosti etih sputnikov popal kometnyi poezd, soderzhashii tochno takie zhe oskolki, kak i kometa Shumeikerov-Levi 9.

Ris. 2. Cep' kraterov na poverhnosti sputnika Yupitera Kallisto. Izobrazhenie polucheno s kosmicheskogo apparata VOYaDZhER

Esli takaya shema proishozhdeniya lineinyh cepei kraterov na sputnikah Yupitera spravedliva, to mozhno ocenit' veroyatnost' yavleniya, podobnogo gravitacionnomu razvalu komety Shumeikerov-Levi 9. Melosh, Shenk i ih soavtory podschitali, chto sobytiya, podobnye razvalu komety Shumeikerov-Levi 9, dolzhny proishodit' odin raz v 200-400 let.

Ris. 3. Cep' kraterov na poverhnosti sputnika Yupitera Ganimed. Izobrazhenie polucheno s kosmicheskogo apparata VOYaDZhER

4. Prilivnye razrusheniya nebesnyh tel

Kak proishodit razrushenie nebesnyh tel pri prilivnom vozdeistvii so storony massivnyh nebesnyh ob'ektov, takih, kak naprimer, planety?

Sovremennaya teoriya daet sleduyushee vyrazhenie dlya sily davleniya vnutri odnorodnogo makroskopicheskogo tela v rezul'tate prilivnogo vzaimodeistviya so storony massivnoi planety:

Takaya zavisimost' ot razmera podvergayushegosya razrusheniyu tela v sluchae ego dvizheniya po zamknutoi orbite ne mozhet vyzvat' gravitacionnyi razval na znachitel'noe kolichestvo oskolkov. Deistvitel'no, esli kometa raspalas' na dva primerno ravnyh oskolka, davlenie za schet gravitacionnogo vozdeistviya umen'shitsya v chetyre raza i dal'neishego raspada yadra komety ne proizoidet.

Ris. 4. Zavisimost' mass m fragmentov komety ot rasstoyaniya r vdol' cepochki kraterov. Krivye 1-9 otnosyatsya k razlichnym cepyam kraterov: a – Kallisto, b – Ganimed

Scenarii razrusheniya zavisit ot sootnosheniya mezhdu skorostyami mehanicheskogo F_m i prilivnogo F_t razrushenii. Esli skorost' mehanicheskogo razrusheniya F_m znachitel'no bol'she, chem prilivnogo F_t , to kometa budet razrushat'sya nepreryvno na bol'shoe kolichestvo melkih chastic. Imenno takoi sluchai legko realizuetsya dlya yadra komety s odnorodnym himicheskim sostavom.

Shvedskii uchenyi V. Veibull v 1939 godu razvil teoriyu razrusheniya neodnorodnogo tela, soderzhashego nekotoroe kolichestvo aktivnyh yader, podvergayushihsya naibolee bystromu razrusheniyu. Esli n – koncentraciya takih yader, to chislo voznikayushih v rezul'tate razrusheniya fragmentov N

Ris. 5. Razmery R cepochki kraterov v zavisimosti ot rasstoyaniya r vdol' nee v predpolozhenii padeniya na Kallisto tochno takoi zhe komety, kak kometa Shumeikerov-Levi 9

Vse eti soobrazheniya priveli uchenyh k vyvodu, chto, skoree vsego, kometa Shumeikerov-Levi 9 sostoyala iz 21 gravitacionno svyazannyh malyh ob'ektov, nazyvaemyh kometozimalyami, i ee raspad proizoshel v rezul'tate prilivnogo vozdeistviya Yupitera, kogda kometa nahodilas' v periastre. Eto rasstoyanie, kotoroe inogda nazyvayut radiusom Rosha R_R , okazyvaetsya razlichnym dlya komet s raznoi plotnost'yu:

5. Komety – klyuch k resheniyu problemy solnechnyh neitrino

Odna iz zagadok sovremennoi astronomii svyazana s problemoi potoka neitrino ot Solnca. Znacheniya potokov solnechnyh neitrino, zaregistrirovannyh v razlichnyh eksperimentah, okazyvayutsya v 2-4 raza nizhe togo znacheniya, kotoroe vychislyaetsya v ramkah standartnoi modeli Solnca. Horosho izvestno, chto neitrino obrazuyutsya v rezul'tate protekaniya termoyadernyh reakcii v centre SolnceSolnca, gde gaz vysokoi plotnosti nahoditsya pri vysokoi temperature. No otkuda uchenye znayut fizicheskie svoistva i himicheskii sostav solnechnyh nedr? Standartnaya model' Solnca predpolagaet, chto himicheskii sostav solnechnyh nedr takoi zhe, kak i sostav solnechnyh poverhnostnyh sloev. A poslednie horosho izucheny astronomami v rezul'tate nablyudenii solnechnogo izlucheniya i osobenno ego spektra.

Nedavno angliiskii astronom M. Beili (Observatoriya Arma, Severnaya Irlandiya) obratil vnimanie na to, chto poverhnost' Solnca mogla podvergat'sya usilennoi bombardirovke asteroidami i kometami, osobenno na rannem etape evolyucii Solnca. Eto, v svoyu ochered', moglo privesti k obogasheniyu poverhnostnyh sloev Solnca tyazhelymi elementami po sravneniyu s ego nedrami. Izvestno, chto dazhe malye primesi tyazhelyh elementov sushestvenno vliyayut na protekanie termoyadernyh reakcii i na temp evolyucionnogo razvitiya Solnca. Esli by okazalos', chto v centre Solnca tyazhelyh elementov znachitel'no men'she, chem na ego poverhnosti, to eto sil'no povliyalo by na temp protekaniya yadernyh reakcii, zamedliv ih, i kolichestvo generiruemyh neitrino deistvitel'no okazalos' by men'she, chem eto trebuetsya v sootvetstvii so standartnoi model'yu Solnca. Takim obrazom, fakt padeniya komet i asteroidov na poverhnost' Solnca, podobno padeniyu komety Shumeikerov-Levi 9 na Yupiter, daet vozmozhnoe reshenie problemy solnechnyh neitrino.

Ris. 6. Raspredelenie v raznye momenty vremeni traektorii isparyayushihsya kometnyh oblakov vnutri protoplanetnogo diska, rasschitannye po izmeneniyam smeshenii komponentov linii vsledstvie effekta Doplera

6. Komety v sostave protoplanetnyh diskov

Odna iz central'nyh problem sovremennoi astronomii – eto poisk planet u dalekih zvezd tipa nashego Solnca. Pochti u desyatka zvezd (vklyuchaya radiopul'sary – neitronnye zvezdy) obnaruzheny nevidimye sputniki s massoi poryadka massy Yupitera. U eshe bol'shego chisla zvezd obnaruzheny protoplanetnye diski, sostoyashie iz bol'shogo kolichestva gaza i pyli. Samyi bol'shoi protoplanetnyi disk prinadlezhit zvezde β Zhivopisca. V poslednee vremya astronomy obnaruzhili eshe odno zamechatel'noe svoistvo etih diskov, a imenno nalichie uzkih mnogokomponentnyh linii poglosheniya takih elementov, kak kal'cii, natrii i litii. Sam fakt nalichiya linii poglosheniya v spektrah okolozvezdnogo veshestva ne yavlyaetsya chem-to novym i neobychnym. Odnako, kak pravilo, takie linii dovol'no shirokie i odnokomponentnye i prinadlezhat shiroko rasprostranennym elementam, takim, kak vodorod i gelii. Ih nalichie v spektrah obuslovleno poglosheniem v bystro dvizhushihsya v okolozvezdnyh obolochkah gazovyh struyah, sostoyashih iz vodoroda i geliya. Uzkie mnogokomponentnye linii metallov nel'zya ob'yasnit' takim zhe obrazom. Nailuchshee ob'yasnenie poyavleniya poslednih sostoit v tom, chto protoplanetnyi disk soderzhit znachitel'noe chislo komet, a takzhe ih zarodyshei-kometozimalei, isparenie kotoryh privodit k poyavleniyu prisushih kometam oblakov elementov, takih, kak Ca, Na i Li, pogloshenie kotorymi sveta zvezdy i vyzyvaet vozniknovenie uzkih mnogokomponentnyh linii. Pri etom mnogokomponentnost' obuslovlivaetsya imenno sushestvovaniem kometnyh cepochek, podobnyh komete Shumeikerov-Levi 9. Lyubopytno, chto samo polozhenie nablyudaemyh linii ne sovpadaet s ih polozheniem v laboratornyh spektrah, a sdvinuto libo v krasnuyu, libo v golubuyu storonu. Etot sdvig horosho ob'yasnyaetsya dvizheniem kometnyh fragmentov v protoplanetnom diske i pozvolyaet opredelit' skorost' dvizheniya i orbital'nye elementy etih komet. Rezul'taty chislennyh raschetov, podtverzhdayushie etu tochku zreniya, predstavleny na ris. 6.

Ris. 7. Vremennoe raspredelenie chisla otschetov dvuh gamma-vspleskov, zaregistrirovannyh amerikanskoi Gamma-Observatoriei (GRO). Vremya t privedeno v binah (1 bin = 64 ms)

7. Gamma-vspleski i padenie komet na neitronnye zvezdy

V nastoyashee vremya trudno naiti bolee zagadochnoe astronomicheskoe yavlenie, chem gamma-vspleski. Eto yavlenie bylo otkryto v 1969 godu amerikanskimi uchenymi R. Klebesabelem, I. Strongom i R. Olsonom s pomosh'yu apparatury, ustanovlennoi na sputnikah sistemy VELA, registriruyushei izluchenie v diapazone energii 0,3-10 MeV. Samo sobytie proishodit primerno odin raz v sutki i dlitsya ot neskol'kih tysyachnyh dolei sekundy do neskol'kih soten sekund dlya raznyh vspleskov. Sami vspleski nastol'ko moshnye i intensivnye, chto proishozhdenie ih kazhetsya obuslovlennym kakim-to fizicheskim processom, soprovozhdayushimsya sil'nym vzryvom. Uchenye do sih por sporyat, gde nahodyatsya istochniki vspleskov. Sushestvuyut tri razlichnyh tochki zreniya: 1) oni nahodyatsya sravnitel'no blizko ot nas v nashei Galaktike; 2) oni raspolozheny v galo nashei Galaktiki na rasstoyaniyah poryadka desyatkov kiloparsek; i nakonec, 3) oni imeyut metagalakticheskoe proishozhdenie. Ochevidno, chem dal'she oni raspolozheny, tem bol'shei energiei dolzhen soprovozhdat'sya process ih vozniknoveniya. Takzhe ochevidno, chto istochniki vspleskov yavlyayutsya ochen' kompaktnymi ob'ektami, verhnii predel razmerov kotoryh legko ocenivaetsya kak proizvedenie skorosti sveta c na dlitel'nost' impul'sa t i okazyvaetsya poryadka ct~100 km. Imenno poetomu bol'shinstvo uchenyh schitayut, chto istochnikami gamma-vspleskov yavlyayutsya neitronnye zvezdy, radiusy kotoryh ne prevyshayut 10 km.

Razrabotano dovol'no mnogo modelei, ob'yasnyayushih vozniknovenie gamma-vspleskov i mehanizm energovydeleniya v processe etogo yavleniya. Dolgoe vremya byla populyarnoi model', ob'yasnyayushaya yavlenie gamma-vspleska padeniem komety na neitronnuyu zvezdu, soprovozhdayushimsya moshnym vzryvom. Interes k etoi modeli v poslednee vremya upal v svyazi so slozhnoi strukturoi vremennogo profilya gamma-vspleskov, kotoraya otlichaetsya dovol'no shirokim raznoobraziem dlya razlichnyh yavlenii (sm. ris. 7,a,b). Eta struktura (ris. 7,b) nahodit estestvennoe ob'yasnenie, esli predpolozhit', chto na neitronnuyu zvezdu padaet ne odna kometa, a celyi kometnyi poezd, podobnyi komete Shumeikerov-Levi 9. Dlya togo chtoby podobnyi poezd obrazovalsya, neobhodimo, chtoby razval roditel'skogo tela proizoshel v predelah radiusa zahvata neitronnoi zvezdy. Poslednii opredelyaetsya iz usloviya ravenstva kineticheskoi i potencial'noi (gravitacionnoi) energii zahvachennogo tela

Literatura

1. Fizika kosmosa : Malen'kaya enciklopediya. M.: Sov. Enciklopediya, 1986.