Кометы. Странники Солнечной системы - читать онлайн

I. Странники Солнечной системы

Осенней ночью взгляните на небо. Уже прохладно и зябко, земля быстро остывает, а над головой, из-за восходящих теплых воздушных потоков, мерцают и переливаются звезды. Представьте, что там, невидимые вашему глазу, в темноте космоса, крадучись, летят по своим орбитам главные странники Солнечной системы – кометы. Наш общий дом, наша планетная система во главе с Солнцем – очень неспокойное место, хотя мы, люди, этого не замечаем. Вокруг нас крутятся миллионы и миллионы комет и астероидов, преодолевая за один миг десятки километров, и кажется, что их путешествие будет продолжаться вечно. Так почему же именно кометы являются главными странниками Солнечной системы?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассказать, откуда вообще берутся кометы, ведь многие из них, те, что мы можем наблюдать в телескопы сейчас, давным-давно отправились в свое великое странствие в глубь Солнечной системы – навстречу планетам-гигантам, Земле и пламенеющему Солнцу. Сейчас мы знаем, что место жительства комет – это окраины Солнечной системы. Эту область мы называем облаком Оорта, в честь нидерландского астронома Яна Хедрика Оорта[1], предсказавшего ее существование, и лишь немногие называют ее облаком Эпика—Оорта, отдавая дань эстонскому астроному Эрнсту Юлиусу Эпику[2], который впервые высказал гипотезу о гигантской сферической структуре, окружающей нашу планетную систему.

Эрнст Эпик родился 23 октября 1893 года на севере Эстонии, в городе Кунда. В 1912–1916 годах он учился в государственном Московском университете, позже заведовал обсерваторией в Ташкенте, после чего, в 1921 году, устроился в обсерваторию Тартуского университета, где и проработал долгие годы. В 1932 году Эрнст Эпик, в то время активно занимавшийся метеорной астрономией и проходивший стажировку в Гарварде, выдвинул предположение, что вдали от Солнца, на расстоянии от 50 до 100 тысяч астрономических единиц[3], может находиться некое облако – источник метеороидов[4] и комет. К сожалению, эта работа осталась практически незамеченной, а сам ученый не стал ее в дальнейшем развивать. Она осталась ждать другого автора – такого, который сделает ее общепризнанной и именем которого и назовут внешние области Солнечной системы.

В 1950 году уже известный астроном Ян Оорт, занимавшийся на тот момент в основном галактической астрономией, опубликовал двадцатистраничную статью «Структура кометного облака, окружающего Солнечную систему, и гипотеза о его происхождении», где и высказал предположение, основанное на систематизации и анализе известных на тот момент данных об орбитах комет. По сути, как часто бывает, великое открытие лежало у всех перед глазами, но лишь Оорт смог собрать все данные воедино, правильно их интерпретировать и, что немаловажно, довести свою задумку до логического завершения – научной публикации. Отчасти это открытие схоже с открытием атмосферы Венеры Михаилом Васильевичем Ломоносовым[5] в 1761 году. Многие ученые видели то же, что и Ломоносов, но лишь его острый ум правильно интерпретировал наблюдательные данные.

Итак, что же такого странного заметил нидерландский астроном? На самом деле парадокс, связанный с кометами, был известен и до гипотезы Оорта. Ученые, занимающиеся небесной механикой, давно пришли к выводу, что конечный итог всех орбитальных эволюций астероидов и комет таков: объект или упадет на Солнце (менее вероятный вариант – столкнется с планетой), или будет выброшен из Солнечной системы. Зная возраст нашей планетной системы и то, что кометы сформировались вместе с ней, можно предположить, что за это время все кометы должны были либо погибнуть, либо быть выброшенными в межзвездное пространство. А это утверждение идет вразрез с тем, что мы наблюдаем своими глазами.

Оорт взялся разгадать эту загадку и, стоит отдать ему должное, зная о работе Эпика, сослался в своей статье на исследования эстонского ученого. Итак, взяв выборку из тридцати долгопериодических комет с хорошо определенными орбитами, Оорт рассчитал элементы их орбит до сближения с планетами-гигантами Солнечной системы, которые своим гравитационным воздействием искажают изначальную орбиту кометы. А сделать это в те годы было намного тяжелее, чем сейчас, ведь современных компьютеров и программ еще не существовало. Получив данные, Оорт обратил внимание на то, что в большинстве своем рассмотренные кометы пришли в центральную область Солнечной системы с расстояния в десятки тысяч астрономических единиц от Солнца. Между тем эти кометы абсолютно точно принадлежали Солнечной системе, так как они были гравитационно связаны с нашей звездой. На тот же вывод указывала и научная работа норвежского астронома Эрика Синдинга «Определение первоначального облика околопараболических орбит комет», которую он написал в 1937 году, а также работы датских астрономов Бенгта Стрёмгрена (1947) и Адриана ван Веркома (1948). Как видим, эта тема уже тогда всерьез занимала умы ученых.

Основываясь на собранных данных, а также на другом свойстве комет – изотропности, то есть случайном распределении наклонений их орбит, а проще говоря, направлений, откуда они прилетают, Оорт сделал главный вывод – большинство «новых» долгопериодических комет приходят из областей, лежащих на расстояниях от 25 до 250 тысяч астрономических единиц от Солнца, из гигантского сферического облака, окружающего нашу Солнечную систему и принадлежащего ей. По его расчетам, в этом облаке должно было находиться, по крайней мере, два триллиона комет, общая масса которых составляет от одной сотой до одной десятой масс Земли. В настоящее время модель популяции тел, наполняющих облако Оорта, уточнена, и общая масса оценивается в три массы Земли, или 3×10²² тонн, а общее количество населяющих его объектов – более десяти триллионов! Немного, скажете вы? Область, объем которой равен сотням триллионов кубических астрономических единиц, вмещающая в себя триллионы комет, по массе равна всего нескольким планетам, подобным Земле? Это так, ведь и сами кометы иногда называют «видимым ничем» из-за их сверхмалой плотности, причем это утверждение ра́вно справедливо как для кометных ядер, так и для их газово-пылевых оболочек. Но об этом мы более подробно поговорим в следующих главах.

В 1951 году Ян Оорт и Мартен Шмидт в своей статье официально вводят научное понятие «динамически новой кометы» – небесной странницы, впервые посещающей внутренние области Солнечной системы. Поведение этих комет, в отличие от тех, которые уже многократно сближались с Солнцем, различно, и об этом мы тоже еще будем говорить в дальнейшем.

Спустя тридцать один год после опубликования статьи Оорта еще один американский астроном – Джек Хиллс – в своей работе «Кометные дожди и стационарное падение комет из облака Оорта» 1981 года предположил, что помимо изотропного облака Оорта существует меньшая по размеру область, простирающаяся от 200 до 20 000 астрономических единиц и имеющая форму тора. Иногда эту область называют внутренней частью облака Оорта, и это тоже верно, так как сам Хиллс не рассматривал свой тор в отрыве от классического облака Оорта, а писал, что данная область является его внутренней частью. Далее, говоря об облаке Оорта, для упрощения я буду подразумевать общую область, вмещающую в себя облака Хиллса и Оорта. У читателя может возникнуть вопрос, а почему же классическое облако Оорта является сферой, а внутренняя часть – тором, то есть более уплощенной структурой? Все дело в расстоянии от Солнца, а если говорить точнее – в более сильном гравитационном воздействии его притяжения на внутреннюю область. В пример можно привести внутреннюю, «планетную» часть Солнечной системы, где практически все объекты обращаются в одной плоскости – плоскости эклиптики – и имеют относительно малое наклонение орбит относительно нее. Для планет среднее наклонение составляет всего 2,3 градуса (самое большое наклонение имеет Меркурий – 7 градусов), для астероидов Главного пояса – 8 градусов, а для короткопериодических комет семейства Юпитера – 14,9 градуса.

Рассказав о внешних областях Солнечной системы, нельзя не упомянуть и еще один «кометный резервуар» – пояс Эджворта – Койпера. Об этом гипотетическом новом поясе в своей научной работе 1943 года «Эволюция нашей планетной системы» высказался ирландский астроном, инженер и экономист Кеннет Эджворт. Он предположил, что на периферии Солнечной системы (напомню, что тогда облака Оорта еще «не существовало») находятся малые объекты, представляющие собой первичные элементы протопланетной туманности, которые из-за их малой плотности в пространстве не смогли «уплотниться» в планеты. В 1949 году выходит еще одна его фундаментальная статья «Происхождение и эволюция Солнечной системы», в которой он продолжает развивать свои научные идеи. Помимо вопросов строения и эволюции нашей планетной системы, Эджворт предполагает, что время от времени, по каким-то пока непонятным нам причинам, описанные им объекты теряют свое орбитальное равновесие и устремляются к Солнцу – а мы наблюдаем их как кометы. Блестящее предположение!

Джерард Койпер

В начале пятидесятых годов прошлого века, во многом переломных для наших знаний о строении Солнечной системы и природе комет, американский астроном нидерландского происхождения Джерард Койпер публикует свою научную статью в специальном номере журнала Astrophysics, посвященном исследованиям, представленным на астрономическом симпозиуме. В своей работе он пишет о том, что такой диск существовал в прошлом, но, скорее всего, в результате эволюции и гравитационного воздействия таких его крупных представителей, как Плутон (а тогда считалось, что его масса сопоставима с массой Земли), подавляющее число населявших его объектов были выброшены либо в недавно открытое облако Оорта, либо и вовсе прочь из Солнечной системы. Интересен и тот факт, что Койпер не сослался на работы Эджворта, что, как мне кажется, неэтично с его стороны. Но история, как мы знаем, не имеет сослагательного наклонения и пояс за орбитой Нептуна, который сам ученый признал в своей статье «ныне не существующим», по иронии судьбы чаще всего называют именно его именем. Вот такой научный парадокс.

Впрочем, мне кажется, здесь все же не хватает третьего имени: американского астронома Фредерика Леонарда, который еще в 1930 году, сразу после открытия Клайдом Томбо Плутона, писал: «Возможно, что Плутон лишь первое из семейства тел за орбитой Нептуна, остальные члены которого все еще ожидают своего открытия, но которым в конечном итоге суждено быть обнаруженными». К сожалению, он, как и Эрнст Эпик, не стал развивать свою верную догадку в научных работах и в итоге его имя затерялось в истории.

18 октября 1977 года американский астроном Чарльз Коваль из Паломарской обсерватории с помощью 122-сантиметрового телескопа Шмидта открыл первый объект неизвестного на тот момент семейства. Его вытянутая орбита лежала вдали от Главного пояса астероидов – между орбитами Юпитера и Урана. Этот странный астероид получил номер и собственное имя – (2060) Chiron (Хирон)[6], став первым из нового класса кентавров. Справедливости ради необходимо упомянуть, что все же первым кентавром, как мы теперь знаем, стал открытый 31 октября 1920 года немецким астрономом Вальтером Бааде на Гамбургской обсерватории (Бергедорф, Германия) астероид, впоследствии получивший номер и имя (944) Hidalgo (Идальго)[7], но тогда ученые не проявили к этому открытию особого интереса. К концу XX века было обнаружено большое количество подобных объектов, и, изучая их орбитальную эволюцию, ученые пришли к выводу, что эти объекты находятся на очень нестабильных орбитах, среднее время пребывания на которых составляет всего несколько миллионов лет, а значит – их популяцию постоянно подпитывает некий неизвестный источник. На его роль отлично подходил гипотетический пояс Эджворта – Койпера. В 1988 году у Хирона была открыта кометная активность, и он получил второе, уже кометное обозначение – 95P/Chiron. Это косвенно говорило и о том, что ученые все ближе к разгадке «кометного резервуара», пока скрытого от прямых наблюдений.

В 1980 году уругвайский астроном Хулио Анхель Фернандес публикует статью в престижном научном журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), где приводит результаты своих расчетов. Исходя из наблюдательных данных о кометах, он предполагает, что должен существовать достаточно анизотропный источник (диск или пояс), лежащий в 35–50 астрономических единицах от Солнца. Это уже была какая-никакая конкретика! Оценив средний предполагаемый размер объектов, населяющих эту, пока гипотетическую, область, и их среднее альбедо, можно было оценить и возможность их обнаружения с помощью мощных оптических телескопов, тем более что именно в то время как нельзя кстати случилась революция фотоприемных устройств – переход от аналоговых фотопластинок к цифровым ПЗС-камерам.

В 1988 году группа канадских астрономов, в которую входили Мартин Дункан, Томас Куин и Скот Тремейн, провела численное моделирование движения и орбитальной эволюции роя «виртуальных» комет. Главной задачей расчетов было определение источника короткопериодических комет, которым ранее считалось только облако Оорта. По результатам их научного исследования стало ясно, что модель, основанная лишь на сверхдальнем изотропном источнике кометных тел, не совпадает с реальными наблюдениями. Но когда они добавили в модель плоский диск с параметрами, которые привел Фернандес, – пазл сложился! С большой вероятностью этот пояс действительно существовал, и, по крайней мере, самые крупные его объекты можно было попытаться открыть, что до сих пор было абсолютно невозможным для тел, населяющих далекое облако Оорта.

Годом ранее за поиск подобных объектов взялся американский астроном Дэвид Джуитт. Он и его помощница, американский астроном вьетнамского происхождения Джейн Луу, начали свою поисковую программу на телескопах обсерватории Серро-Тололо и Китт-Пик, которые еще не были оснащены цифровыми фотоприемниками. Поэтому работать приходилось по старинке, ровно так же, как в свое время это делал Клайд Томбо. Техника была «простой» – ученые получали на фотопластинках пару часовых экспозиций определенного участка неба вблизи эклиптики, тем самым убивая сразу двух зайцев – накапливали сигнал (увеличение проницания) и фильтровали обнаруживаемые объекты. Если даже еще не известный астероид Главного пояса, который их абсолютно не интересовал, за час экспонирования «вытягивался» в достаточно длинный штрих, то объекты, которые ученые искали, должны были обладать намного меньшим собственным движением по небесной сфере и оставаться звездоподобными (точечными). В своих воспоминаниях Дэвид шутил, что, видя такие неизвестные астероиды, он думал: «А ведь когда-нибудь их кто-то «откроет»…» А чтобы отличить дальние объекты Солнечной системы от звезд, как раз и использовался второй кадр, на котором можно было зафиксировать их пусть медленное, но все же движение на фоне неподвижных звезд.

Работа с фотопластинками оказалась не очень эффективной, на западных обсерваториях уже начали появляться приборы с зарядовой связью (ПЗС), изображения с которых можно было сразу обрабатывать на компьютере. Первый опыт работы с ними на 130-сантиметровом телескопе обсерватории Китт-Пик был неудачным. Разрешение фотоприемника составляло всего 276 на 242 пикселя, что давало очень узкое поле зрения площадью всего двадцать пять тысячных квадратного градуса, и это после пятиградусного поля, получаемого на фотопластинках! Конечно, такой инструмент не подходил для сколь-нибудь серьезного поиска. В 1988 году Джуитт и Луу переходят на работу в университет Гавайев (University of Hawaii), где продолжают свои обзорные наблюдения на уже переоборудованном 88-дюймовом телескопе (224 см), который все сокращенно называли «UH88» («Университет Гавайев 88»). И хотя этот телескоп уже был оснащен одной из самых современных на тот момент цифровых камер, но, чтобы сравниться с одним «аналоговым» полем телескопа Шмидта, Дэвиду и Джейн приходилось использовать двадцать шесть площадок, которые они снимали по одному разу на протяжении трех ночей. Новые ПЗС-камеры устанавливались на телескоп практически каждый год – шло их бурное развитие, и к лету 1992 года на «UH88» стоял уже четырехмегапиксельный фотоприемник.

Трудолюбие и самоотверженность, которые на протяжении пяти долгих лет сохраняла эта маленькая команда целеустремленных людей, хотя над ними уже стали посмеиваться, привели их к революционному открытию, которого они так ждали. В ночь с 30 на 31 августа 1992 года они открыли первый транснептуновый объект (блеск на момент открытия 22,8^m), который уже 2 сентября получил официальное обозначение 1992 QB1, а сейчас мы знаем его как (15760) Albion (Альбион)[8]. Дверь в мир новых открытий была распахнута!

Через полгода Джуитт и Луу открывают второй объект – (181708) 1993 FW, и с каждым годом этих открытий становится все больше и больше. Наконец-то человек наблюдает космические тела, населяющие предсказанный гипотетический пояс, страсти об именовании которого не утихают и по сей день. В 2005 году астрономы открыли три крупных – сопоставимых по размеру с Плутоном транснептуновых объекта: (136199) Eris (Эрида, диаметр 2326 км)[9], 136472 Makemake (Макемаке, диаметр 1502 км) и (136108) Haumea (Хаумеа, вытянутый объект размером 1704 на 1138 км). А в 2006 году решением Международного астрономического союза (IAU) Плутон был лишен статуса планеты, став лишь Primus inter pares[10].

Объектов транснептунового пояса становилось все больше. К лету 2008 года их было известно уже 1077, а на момент написания этих строк (октябрь 2022 года) – 4209! Исходя из анализа орбит, они были разделены на три группы, одна из которых, а именно объекты рассеянного диска (Scattered disc), как раз и является тем источником короткопериодических комет, который так искали астрономы. Внутренняя граница этого диска пересекается с классическим поясом Койпера в области 30–50 астрономических единиц, а вот внешняя лежит намного дальше. К примеру, у самого известного объекта рассеянного диска – 90377 Sedna – Седна) – афелий[11] находится на расстоянии 966 астрономических единиц, а у тела с труднопроизносимым названием (541132) Leleakuhonua[12] (Лелеакухонуа) и ранее известным в узких кругах как Гоблин – 2600 астрономических единиц! Так почему же астрономы решили, что короткопериодические кометы приходят внутрь Солнечной системы именно из рассеянного диска?

Эволюция Солнечной системы

Конечно, даже через самые мощные оптические телескопы мы не можем получить прямого изображения этих объектов и понять, какие из них являются «спящими» кометами. Здесь на помощь астрономам пришли математики. Они смоделировали гравитационную задачу N-тел и сделали вывод, что объекты классического пояса Койпера намного более стабильны на своих орбитах, и если бы источником комет был он, то мы бы наблюдали значительно меньше короткопериодических комет семейства Юпитера, чем есть на самом деле. А вот объекты рассеянного диска, напротив, находятся на нестабильных сильно наклоненных орбитах и их легко вывести из равновесия, отправив как в сторону Солнца, так и к облаку Оорта или даже прочь из Солнечной системы. Численное моделирование таких процессов хорошо согласуется с наблюдательными данными. Безусловно нельзя однозначно говорить, что если мы наблюдаем короткопериодическую комету, то ее родной дом – рассеянный диск. Теоретически переход на подобные типы орбит возможен при определенных обстоятельствах и для комет из облака Оорта. К примеру, ученые пока так и не смогли однозначно ответить на вопрос, откуда изначально прилетела самая известная из комет – Галлея. Вычисления говорят о том, что теоретически ее домом могли быть обе области, населенные ледяными телами. Эта комета, как никакая другая, внесла неоценимый вклад в понимание человеком кометной природы, и мы обязательно к ней не раз еще вернемся. Итак, за несколько десятилетий человечество поняло, откуда берутся кометы и где их дом – это и далекое облако Оорта, и рассеянный диск. Но как они там оказались изначально? На этот вопрос астрономы постарались ответить уже в начале XXI века.

Модель Ниццы – научный триптих о сценарии динамической эволюции Солнечной системы, опубликованный в 2005 году в престижнейшем журнале Nature. Его авторы – Родни Гомес, Харольд Левисон, Алессандро Морбиделли и Клеоменис Циганис – попытались математически описать сценарий развития Солнечной системы из протопланетного диска до того состояния и конфигурации, которую мы наблюдаем теперь. Да, безусловно, подобные работы проводились и в прошлом, но обычно они описывали разрозненные структуры на конечных временны́х интервалах, не пытаясь создать общую и неразрывную модель. Для этого были необходимы большие вычислительные мощности, которые лишь сравнительно недавно появились в распоряжении ученых. Работа началась в обсерватории Лазурного берега в Ницце (Франция), отсюда и такое странное название опубликованной модели. Но давайте уже перейдем к тому, о чем нам поведали результаты расчетов.

Первый и самый важный вывод: планеты-гиганты интенсивно мигрировали. Это во многом и повлияло на формирование нынешнего облика Солнечной системы. После рассеивания протопланетного диска сформировавшиеся планеты-гиганты находились на почти круговых орбитах, намного ближе к Солнцу, чем теперь, – на расстоянии от 5,5 до 17 астрономических единиц (напомню, что сейчас большие полуоси орбит гигантов лежат в пределах от 5,2 до 30,1 астрономической единицы). За орбитой крайней планеты простирался достаточно плотный диск из неиспользованного материала – каменных и ледяных планетезималей[13] общей массой до тридцати пяти масс Земли. Для сравнения можно привести текущие оценки массы современного пояса Койпера: от 1/10 до 1/25, а по некоторым оценкам даже до 1/50 массы нашей планеты. Так что тот диск был не чета нынешнему, но что же с ним произошло?

Как я уже писал, главным процессом динамической эволюции молодой Солнечной системы была миграция планет-гигантов. Конечно, мы не можем точно определить ее физические причины, но есть достаточно достоверное обоснование, которое и легло в основу модели Ниццы. Постараюсь описать этот процесс максимально просто. Помимо массивного пояса планетезималей, расположенного на периферии нашей молодой планетной системы, их достаточно крупная популяция присутствовала и в той области, где сформировались планеты-гиганты. Безусловно в таком хаосе происходили постоянные тесные сближения этих малых объектов с планетами. Хотя каменные и ледяные глыбы не знали третьего закона Ньютона, того самого, где «каждому действию всегда есть равное и противоположное противодействие», но физику не обманешь: три внешних газовых гиганта выталкивали сближающиеся с ними планетезимали внутрь Солнечной системы, а сами получали практически незаметный импульс в противоположном направлении. Подобных сближений, а по сути – гравитационных маневров, было очень много и «вода точила камень…». Сатурн, Уран и Нептун очень медленно мигрировали во внешние области нашей системы, все дальше от Солнца. Напротив, Юпитер, находившийся у внутренней границы этой области, выталкивал планетезимали вовне, в том числе и прочь из Солнечной системы, если мог передать необходимый импульс, и планетезималь, превысив третью космическую скорость[14], становилась межзвездным скитальцем. При этом, как вы уже догадались, сама планета двигалась в противоположную сторону – внутрь Солнечной системы.

Через несколько миллионов лет своего медленного движения в разных направлениях, Юпитер и Сатурн приходят к резонансу 1:2, то есть на одно обращение вокруг барицентра Солнечной системы первого гиганта приходится два обращения второго. В моменты соединения, когда обе планеты оказывались на одной линии с Солнцем (пренебрежем небольшим наклонением их орбит), оба гиганта, как два мощных борца сумо, пытались вытолкнуть друг друга, но силы были неравны, ведь Юпитер более чем втрое превосходит Сатурн в массе. Подобные резонансы – это сильные «генераторы» орбитальных нестабильностей и, безусловно, это не могло не сказаться на дальнейшей эволюции всей нашей звездной системы – она буквально пошла вразнос. Юпитер вытолкнул Сатурн на ту орбиту, где тот находится и по сей день, а тот, по известному всем принципу домино, начал выталкивать Уран и Нептун, которые, в свою очередь, перемещаясь все дальше от Солнца, начали гравитационно возмущать первичный диск планетезималей. В результате этого космического кегельбана конфигурация Солнечной системы стала похожей на ту, что мы наблюдаем в нашу эпоху, а плотный планетезимальный диск потерял около 99 % своей первоначальной массы. В ту пору трудно пришлось и планетам земной группы – часть планетезималей были выброшены не вовне, а наоборот, внутрь Солнечной системы – это была легендарная Поздняя тяжелая бомбардировка.

По модели Ниццы, в период с 4,1 до 3,8 миллиарда лет назад, Солнечная система представляла собой разворошенный улей. Повсюду летали планетезимали, непрерывно сталкиваясь со всем, что оказывалось у них на пути. В 1970-х, когда ученые пристально изучали лунный грунт, доставленный на Землю экспедициями «Аполлон»-15, -16 и -17, они обнаружили аномалию, относящуюся к тому геологическому периоду – оплавленную породу, причем произойти это столкновение должно было в достаточно узком интервале времени.

Детективный след в деле о Поздней тяжелой бомбардировке продолжал раскручиваться. В образцах метеоритов, местом происхождения которых была обратная сторона Луны, также обнаружились следы ударных расплавов. И, что интересно, пока не было найдено ни одного метеорита старше 3,9 миллиарда лет. Правда, стоит отметить и тот факт, что более молодых лунных метеоритов, не относящихся к изучаемому временно́му периоду, было найдено немало. А самые молодые из них имеют датировку в 2,5 миллиарда лет. Астероидное метеоритное вещество также подбросило интересную информацию для размышления. Выяснилось, что более старые находки, датированные 4,5 миллиарда лет, имели меньшую скорость столкновения с нашей планетой, чем те, что датированы 3,4–4,1 миллиарда лет. Причем усредненная расчетная скорость столкновения изменилась не на проценты, а вдвое: с 5 до 10 км/с! А это значимый результат, который уже сложно объяснить просто погрешностями оценок. Подобное увеличение скоростей может косвенно говорить об изменении эксцентриситетов и наклонений орбит объектов, сближавшихся в то время с Землей. То есть как раз о том, что и предсказывала гипотеза о Поздней тяжелой бомбардировке.

Если статистические данные по ударным кратерам на поверхности Луны экстраполировать на Землю, где их следы давным-давно стерты временем, то можно оценить урон, нанесенный нашей планете: более двадцати двух тысяч ударных кратеров диаметром более двадцати километров, около сорока астроблем[15] с поперечником более чем в тысячу километров и несколько циклопических ударных структур размером более пяти тысяч километров. Да, это была настоящая суровая бомбардировка.

Данные автоматической межпланетной станции «Маринер-10» подлили еще больше масла в огонь – на поверхности Меркурия были выявлены ударные структуры, поразительно похожие на обнаруженные ранее на Луне. Баллистики подтвердили – прогениторами[16] следов подобных столкновений могли быть семейства – группы объектов со схожими параметрами орбит. Космическая шрапнель, «выстрелянная» из одной и той же области Солнечной системы. В целом улик было много, и модель Ниццы смогла ответить на многие вопросы. Хотя, как это всегда бывает в науке, существует и другая точка зрения, приверженцы которой считают и саму модель, и предсказание Поздней тяжелой бомбардировки неверными.

Ряд ученых не без основания говорят о том, что данные экспедиций «Аполлон» обладают эффектом наблюдательной селекции и не репрезентативны – вывод сделан по небольшой выборке данных, полученных в достаточно локализированной области. К примеру, выбросы из самого молодого Моря Дождей (места посадки «Аполлона-15») могли рассеяться на огромной территории, где они и были повторно обнаружены другими лунными миссиями. В 2022 году вышла статья с анализом двух метеоритов, прародителями которых считается астероид (4) Vesta (Веста). Лазерный абляционный анализ не выявил никаких следов кластеризации расплава вещества в предполагаемый период Поздней тяжелой бомбардировки, а значит, поверхность самого массивного астероида, скорее всего, не испытывала никакого мощнейшего ударного воздействия, что безусловно ставит под сомнение эту гипотезу. Как мы видим, пока учеными не поставлена точка в летописи истории Солнечной системы, и эта тема ждет новых пытливых умов, сложнейших расчетов и моделирований.

Но давайте вернемся к вопросу формирования ныне существующих кометных резервуаров. Как я уже говорил, Уран и Нептун постепенно смещались все дальше от Солнца, «выметая» объекты, находящиеся перед ними. В результате этого процесса было сформировано современное транснептуновое облако, и на протяжении миллиардов лет оно служило главным источником короткопериодических комет, семейства которых, исходя из дистанции афелия, названы в честь планет-гигантов. И самым многочисленным, конечно, стало семейство Юпитера, сила гравитационного воздействия которого на порядок больше, чем у второй по массе планеты – Сатурна. Объекты пояса Койпера можно разделить на «горячие» и «холодные» (или же «красные» и «синие»), причем ядрами будущих комет могут быть и те и другие. С первой популяцией все ясно – они сформировались в окрестностях Юпитера (ближе к Солнцу, а значит, в более теплых условиях), а после были выметены на периферию, и этот процесс достаточно хорошо описан в модели Ниццы. Эти объекты имеют относительно высокие наклонения и более хаотичные орбиты. Но процесс формирования «холодного» населения пояса Койпера пока малопонятен. Спектрально это совсем другие объекты, которые, скорее всего, сформировались примерно там, где и находятся сейчас. Но есть одна загадка – их орбиты лежат в плоскости эклиптики и среди них есть большая доля гравитационно слабосвязанных двойных систем. Не похоже, что они когда-либо испытывали сильное возмущающее воздействие со стороны Нептуна; на этот вопрос может дать ответ усовершенствованная модель Ниццы.

В 2011 году чешский астроном Дэвид Несворны предположил, что в юной Солнечной системе было не четыре, а пять газовых гигантов! Примерно четыре миллиарда лет назад Юпитер вытолкнул эту гипотетическую планету из Солнечной системы. При этом обратным воздействием он быстро, «прыжком», был переброшен на свое текущее положение, не оказав катастрофического влияния на планеты земной группы. В свою очередь, безымянный гигант выбросил Нептун, который в то время мог находиться вблизи Юпитера и Сатурна, на периферию, за орбиту Урана. Такая быстрая, скачкообразная перестройка могла сохранить нетронутой «холодную» часть популяции современного транснептунового пояса. Участь самого таинственного гиганта оказалась печальной – по расчетам Несворны, он был навсегда выброшен из нашей планетной системы, став планетой-сиротой. Подобные объекты уже открыты, а их общее количество только в нашей галактике оценивается в несколько десятков миллиардов! Так что подобные сценарии не что-то исключительное, а вполне естественный процесс эволюции молодых и еще нестабильных планетных систем.

Как вы можете видеть, подобные вычисления содержат серьезные допущения. И это действительно так. Ученым известны проблемы, с которыми они могут столкнуться при таких расчетах (к примеру – проблема округления), поэтому процесс модернизации математического аппарата не стоит на месте, и я уверен, что текущая модель формирования Солнечной системы, со всеми ее дополнениями, не догма, а лишь приглашение к дальнейшему обсуждению.

Что касается облака Оорта, то с ним все проще. Здесь хорошо применимо давнее высказывание из книги Экклезиаста: «Многие знания – многие печали». В отличие от транснептунового пояса, эта область, при всех наших научных и технических достижениях, все еще остается абсолютной терра инкогнита. Да, мы знаем, что оттуда прилетают кометы, орбиты которых изотропны, а значит, скорее всего, их источник – сферическое облако. Населяющие его тела, по модели Ниццы, были выброшены из внутренних областей Солнечной системы гравитацией Урана и Нептуна. Приданный им импульс был не столь велик, как у тел, навсегда выброшенных прочь более массивными Юпитером и Сатурном, и на огромном расстоянии от Солнца, исчисляемым десятками тысяч астрономических единиц, они, как канатоходец, аккуратно ступающий по тонкой нити, все же нашли хрупкое равновесие между притяжением Солнца и окружающих нас звезд, а также влиянием галактических приливных сил.

Говоря о местах постоянного обитания комет, не стоит забывать и о Главном поясе астероидов. В конце XX века и в нем было обнаружено несколько объектов, демонстрирующих кометную активность – кому[17] и хвост. Но природа такого поведения у этих уникальных объектов различна. Первым из них стал астероид 1979 OW7, который в итоге был утерян и случайно переоткрыт лишь спустя семнадцать лет. И вот тут-то началось самое интересное! Бельгийский астроном Эрик Эльст, изучая фотопластинки, полученные его чилийским коллегой Гвидо Писарро на метровом телескопе обсерватории Ла-Силья (Чили), обнаружил ранее неизвестную комету с небольшим, но хорошо различимым хвостом. И каково же было удивление Эльста, когда он понял, что перед ним не что иное, как астероид, открытый еще в 1979 году. Несмотря на заявления об обнаруженной кометной природе, основываясь на абсолютно «астероидной» орбите странного объекта, Центр малых планет дал новому объекту «астероидное» обозначение – 1996 N2.

Возникла дилемма: новый объект демонстрировал как астероидную природу (орбита), так и кометную (активность). Но по принятой на тот момент теории эволюции Солнечной системы, в Главном поясе астероидов, так близко к Солнцу, не могло остаться объектов, сохранивших запасы замороженных летучих веществ. Исключение делалось лишь для самого крупного астероида – Цереры (и это предположение подтвердилось), но в случае 1996 N2 мы имели дело с небольшим, самым обычным астероидом Главного пояса, диаметром чуть более трех километров. Тогда ученые решили проверить, а не мог ли он быть «засланцем» из внешних областей Солнечной системы? Был выполнен огромный объем вычислений, которые показали, что переход объекта на подобную орбиту практически невозможен, а значит, «странный» астероид, с большой долей вероятности, является коренным жителем Главного пояса.

Ученые продолжали ломать голову над этой проблемой. Было выдвинуто предположение о недавнем (конечно, по астрономическим меркам) распаде крупного тела, в недрах которого могли еще оставаться запасы льда; но тогда мы наблюдали бы намного больше подобных объектов и они не были бы столь уникальными. Между тем «астероид» 1996 N2 наблюдался при прохождении им трех перигелиев и каждый раз он демонстрировал повторяемость своей кометной активности. Лишь спустя десять лет после открытия он был признан объектом двойной классификации, получив как астероидный номер и имя (7968) Elst-Pizarro, так и кометное обозначение – 133P/Elst-Pizarro. Этот объект и стал первой кометой Главного пояса астероидов.

В 2010 году в Главном поясе были открыты еще две кометы, но их внешний вид заставил ученых задуматься, а кометы ли это на самом деле? Да, и у кометы P/2010 A2 (LINEAR), и у астероида (596) Scheila наблюдался хвост и кома, но странной ассиметричной формы. Компьютерное моделирование подсказало ответ – большая часть вещества была выброшена за короткий промежуток времени, практически одномоментно, и, скорее всего, это событие стало результатом удара – космического столкновения. Причем в случае с кометой P/2010 A2 (LINEAR), которой позже был присвоен постоянный номер 354P/LINEAR, на снимках, полученных на 350-сантиметровом телескопе «WIYN», отчетливо виден точечный источник – тот самый уцелевший астероид, по которому и пришелся удар. В 2022 году схожую форму хвоста наблюдали и у астероида Диморф, искусственно «торпедированного» в ходе космической миссии DART[18]. С этим классом комет Главного пояса все понятно – внешне они схожи с ледяными странниками, но по своей истинной природе не являются ими.

Помимо редкого события – космического столкновения двух тел, «кометную» активность может вызвать и разрушение астероида из-за вращательной нестабильности, о которой мы еще обязательно поговорим, когда доберемся до рассказа о ядрах комет. Процесс полной дезинтеграции ядра ученые могли изучать, наблюдая за пылевым шлейфом «комет» P/2013 P5 (PANSTARRS), P/2012 F5 (Gibbs) и P/2013 R3 (Catalina-PANSTARRS). И это далеко не полный список подобных объектов, конечно, не являющихся кометами в общем понимании этого слова, хотя и носящих кометные обозначения; все они – лишь результат космических катаклизмов.

А что же 133P/Elst-Pizarro? По всей видимости, это настоящая комета, но пребывавшая до определенной поры в «спячке». В 2013 году были получены детальные данные с инфракрасных космических телескопов Spitzer[19] и WISE[20], показавшие, что активной областью ядра этой кометы является небольшое светлое образование, диаметром около двухсот метров. Скорее всего, это ударный кратер возрастом не более ста миллионов лет. Столкновение с небольшим телом «вскрыло» подповерхностный резервуар летучих веществ и оголило залежи поверхностного льда, ранее прикрытого слоем пыли. И эти источники кометной активности расходуются при каждом сближении кометы с Солнцем.

Настоящих комет третьего, самого крошечного обиталища, если брать их число в сравнении с количеством ледяных глыб пояса Койпера и облака Оорта – исчезающе мало. Но все же они есть, и от них уже нельзя просто отмахнуться. Возможно, именно эти тела все еще сохранили образцы первобытных летучих веществ планет земной группы, то, из чего когда-то сформировался первичный океан Земли. По последним данным, именно водяной лед подобных объектов максимально схож по своему изотопному составу с водой наших океанов, но более подробно я расскажу об этом в отдельной главе.

Эти объекты – память, естественный музей далекого прошлого четырех небольших каменных планет, на одной из которых мы живем. В 2025 году к комете 133P/Elst-Pizarro планировали отправить китайскую автоматическую межпланетную станцию «Тяньвэнь-2»[21], которая должна будет выйти на ее орбиту и изучать уникальный объект на протяжении минимум года. В начале 2023 года Китайское национальное космическое управление (CNSA) изменило первоначальные планы, и теперь космический аппарат должен будет отправиться к «комете» 311/P (PANSTARRS), которую ранее мы знали как P/2013 P5 (PANSTARRS), – тому самому разрушившемуся астероиду, который я уже упоминал. Объяснений этой замены нет, но, скорее всего, она связана с оптимизацией полета – новая цель оказалась легче достижима. В целом, как мне кажется, это неравноценная замена, так как 311P не является кометой в полном смысле этого слова, и я очень надеюсь, что комета Главного пояса 133P/Elst-Pizarro все же будет изучена в будущем.

Теперь, когда мы разобрались с внешними границами Солнечной системы, давайте поговорим о том, как же кометы из главных резервуаров – облака Оорта и транснептунового пояса, – попадают во внутреннюю область нашей планетной системы, уменьшая свои перигелии[22] в десятки миллионов раз! Кстати, теперь вы сами можете решить, покинула ли автоматическая межпланетная станция «Вояджер-1» пределы Солнечной системы, преодолев рубеж всего в 100 астрономических единиц, или все же нет?

Мы уже знаем, что в основном кометы обитают на окраине Солнечной системы, в облаке Оорта, вдали от испепеляющего жара нашей звезды, там, где температура не превышает 50 кельвинов[23]. Но что же заставляет их изменить свою орбиту и отправиться навстречу Солнцу или же, наоборот, навсегда покинуть нашу планетную систему? Когда Ян Оорт писал свою фундаментальную статью, он предположил, что из хрупкого гравитационного равновесия ледяные тела может вывести воздействие близких звезд. Но Солнце находится в достаточно разреженном пространстве Галактики[24]. В конце XX – начале XXI века, когда у астрономов появились новые, более полные и точные звездные каталоги, они смогли рассчитать, что за прошедший миллион лет Солнечная система сближалась всего с двенадцатью звездами до расстояния в один парсек[25], причем две трети из этих звезд составляли красные и коричневые карлики, обладающие массой до половины солнечной. Такие сближения не могли вызвать «кометного цунами», ими нельзя объяснить наблюдаемое число долгопериодических комет во внутренней области Солнечной системы.

На протяжении тридцати лет этот вопрос оставался без ответа, пока в 1978 году не вышла научная статья немецкого астронома Людвига Бирмана «Плотные межзвездные облака и кометы». В своей работе ученый предположил, что гигантские молекулярные облака гравитационно воздействуют на кометы, которые все еще принадлежат Солнечной системе, то есть еще испытывают пусть и очень слабое, но все же доминирующее влияние гравитации Солнца. В таком состоянии слабого равновесия нужна совсем небольшая сила, чтобы изменить орбиту объекта и его дальнейшую судьбу. И эта сила, пусть и у разреженных, но поистине исполинских образований газа и пыли, есть, ведь их масса может достигать миллиона масс Солнца! Это была новая интересная идея, ведь до семидесятых годов XX века человечество ничего не знало о подобных структурах. В последующие годы эта теория прорабатывалась многими учеными, которые пришли к выводу, что случаи тесных сближений со «сгустками» или, как их называют астрономы, – ядрами гигантских молекулярных облаков, достаточно редки, а их общее воздействие на кометы облака Оорта примерно равно тому, что оказывают ближайшие звезды. Математические модели показывали, что оба этих сценария не объясняют наблюдательных данных. Нужно было искать что-то еще…

В 1983 году американский астрофизик Джон Бил, основным научным интересом которого была галактическая астрономия, опубликовал статью «Влияние галактических возмущений на околопараболические кометные орбиты», где впервые предположил, что гравитационно слабосвязанные кометные тела во внешних областях Солнечной системы могут испытывать приливное воздействие… Галактики. Вблизи Солнца это влияние пренебрежимо мало, и мы его даже не в силах зафиксировать. Для Земли оно составляет примерно одну триллионную солнечного приливного воздействия. Если приливное воздействие Луны на Землю поднимает уровень моря на полметра, то приливное воздействие Галактики – всего на 10 пикометров[26], что меньше размера атома[27]! Но это на дистанции в одну астрономическую единицу от нашей звезды, а на расстоянии в один световой год[28] все совсем по-другому. В 1985 году Харрингтон и в 1986 году сам Бил установили, что главное возмущающее воздействие на кометы облака Оорта оказывает приливное влияние галактического диска. Все встало на свои места. Причем возмущающий импульс от галактических приливов способствует проникновению комет сквозь динамические барьеры Юпитера и Сатурна. Поэтому можно говорить, что большинство динамически новых комет, которые мы видим вблизи Солнца, посланы нам самой Галактикой!

В наибольшей степени воздействие извне влияет на внешнюю область облака Оорта. По расчетам ученых, за время существования облака оно могло потерять до 95 % своих тел. Астрономы предполагают, что существует работающий механизм, «подпитывающий» внешние области кометного облака объектами из его внутренней части. Как один из источников подобной «регенерации» рассматривался и захват межзвездных комет, но проведенные расчеты показали, что такой сценарий маловероятен.

Итак, в общих чертах я рассказал о том, как долгопериодические кометы попадают в ближайшие окрестности Солнца, а теперь предлагаю перейти к короткопериодическим кометам из транснептунового пояса.

Как мы уже знаем, в 1990-х годах начали массово открывать малые тела за орбитой Нептуна. В 1997 году американские астрономы Мартин Дункан и Гарольд Левисон предприняли попытку компьютерного моделирования орбитальной эволюции подобных объектов. Были взяты 2200 «виртуальных» тел, и смоделирована их история на протяжении миллиарда лет. Расчет показал, что большую часть времени, медленно дрейфуя во внутреннюю часть пояса Койпера, эти объекты находятся под гравитационным воздействием лишь одной планеты – Нептуна. При сближении с ним ледяные тела могут быть выброшены как вовне, так и внутрь Солнечной системы, при этом средний эксцентриситет орбиты остается умеренным и составляет 0,25. Дальше эти кометы ждет встреча с Юпитером и Сатурном, которые вновь «просеивают» их, выбрасывая часть объектов вовне. И лишь те, что минуют этот барьер, увеличивают эксцентриситет своей орбиты и получают шанс предстать перед глазами землян настоящей хвостатой кометой. На это у них уходит несколько тысяч лет. Юпитер и в меньшей степени Сатурн преобразуют их орбиты так, чтобы «контролировать» их афелии, которые лежат вблизи орбит этих гигантов. И вот около 30 % из тех объектов, которые отправились в путь из областей, расположенных далеко за орбитой Нептуна, становятся видимыми нам как короткопериодические кометы семейств Юпитера и Сатурна (часто эти семейства не разделяют, называя все эклиптические кометы семейством Юпитера). Расчеты показывают, что медианное время жизни подобных комет, – от их первого сближения с Нептуном до вылета в облако Оорта или же за пределы Солнечной системы, а порой и до столкновения с Солнцем или планетой, – составляет 45 миллионов лет.

Ученые пришли к выводу, что опубликованные модели эволюции «холодных», не наклоненных транснептуновых объектов и превращения их в короткопериодические кометы, обладают изъяном – в действительности мы наблюдаем больше подобных комет, чем может обеспечить «классический» пояс Койпера, а значит, есть и другие их источники. В 1983 году астрономы Хулио Анхель Фернандес, Винг Хуэн Ип и, в 1988 году, Майкл Торбетт предсказали существование рассеянного диска, населенного транснептуновыми объектами на сильно вытянутых орбитах, но все же гравитационно связанными со своим «пастухом» – Нептуном. Спустя год после первой статьи Дункан и Левисон публикуют ее логическое продолжение, рассматривая как источник эклиптических комет полностью гипотетический на тот момент рассеянный диск. (Первый подобный объект – 1996 TL66, откроют спустя несколько месяцев после выхода их статьи.) Астрономы предположили, что, хотя объекты рассеянного диска обладают сильно вытянутыми орбитами, но при прохождении определенных перигелиев они все еще могут испытывать достаточно сильное влияние Нептуна и быть захваченными в цикличный процесс смены орбитальных резонансов (3:13, 4:7, 3:5), который в итоге может привести их на классическую орбиту комет семейства Юпитера. Расчеты показали, что для согласования с наблюдательными данными таких объектов может быть в тысячу раз меньше, чем в модели классического пояса Койпера. Число тел диаметром более километра оценивается от 2 до 6 миллиардов – это вполне достаточный источник даже при том, что медианное время жизни подобных объектов на нестабильных орбитах значительно уступает срокам спокойной и размеренной жизни «холодных» транснептуновых объектов. В 2004 году итальянский астроном Алессандро Морбиделли и его американский коллега Майкл Браун опубликовали еще одну фундаментальную статью «Пояс Койпера и первичная эволюция Солнечной системы», в которой они также пришли к выводу, что основным источником комет семейства Юпитера и кентавров является именно рассеянный диск.

Помимо комет семейств планет-гигантов, выделяют интересное семейство Энке, названное в честь первой подобной кометы – 2P/Encke. Можно сказать, что это «сверхкороткопериодические» кометы, орбиты которых полностью лежат внутри орбиты Юпитера. Подобных тел немного: пока их известно около семи десятков. К этому же типу объектов можно отнести и некоторые астероиды, которые с большой вероятностью могут оказаться не чем иным как неактивными ядрами уже мертвых комет. Многочисленные расчеты показали, что по законам небесной механики выход на подобные орбиты невозможен под действием только лишь гравитационных сил. Для этого требуются значительные негравитационные силы, вызванные активностью самой кометы.

Пока не решен вопрос, откуда берутся кометы, подобные великой комете Галлея. Считается, что дополнительным источником таких комет может быть внутренняя область облака Оорта, но имеющиеся модели противоречивы и не дают полного объяснения этого процесса. К примеру, неясно, как эти объекты выходят на ретроградные орбиты[29], подобные той, на которой находится сама комета Галлея. Компьютерное моделирование показало, что лишь небольшая часть таких комет может приходить из транснептуновой области, а значит, где-то есть их источник, который должен быть достаточно «плоским», хотя само облако Оорта считается почти сферическим. Возможно, домом этих комет может являться то самое гипотетическое тороидальное облако Хиллса, о котором мы уже говорили. Но пока у ученых нет понимания процессов миграции населяющих его тел во внутреннюю часть Солнечной системы, которая все еще хранит огромное число загадок и тайн для будущих пытливых исследователей!