II. Как изучают кометы
Я уже рассказал о том, где живут кометы и откуда прилетают, а в следующей главе мы поговорили об их природе – что они представляют собой на самом деле. А сейчас самое время рассказать о длинном и тернистом пути их познания и изучения. Человечество на всем протяжении задокументированной истории уделяло кометам особое внимание и приписывало им важную роль. Тысячелетиями люди ассоциировали эти небесные тела с грядущими войнами и смертями, и во многом благодаря подобной дурной славе мы знаем так много исторических, а не чисто астрономических записей наблюдения комет. Я начну свой рассказ с древних времен, когда над египетской пустыней возвышались еще белоснежные пирамиды…
В Древнем Египте астрономии придавали огромное значение. Египетские жрецы были одними из первых астрономов-наблюдателей. Они не знали «почему», они знали лишь, что так должно происходить. Когда на небе впервые замечали яркий Сириус – приходило время разлива Нила, земного отражения небесной реки Млечного Пути. С созвездиями, звездами и планетами самым тесным образом был связан как религиозный, так и сельскохозяйственный календарь. Египтяне уже знали пять планет, и именно эти знания об их движении в Древнюю Грецию привез Евдокс Книдский. И конечно же они видели странные звезды, иногда появляющиеся на небе. Одним из документальных подтверждений этому являются иероглифические надписи внутри пирамиды фараона VI династии Древнего Царства Пепи (Пиопи) II. В загробный мир его ведет именно «длинноволосая звезда». Примечательно, что сейчас мы знаем имя его проводника – с большой долей вероятности это была знаменитая комета Хейла – Боппа, открытая в 1995 году. Вот такая завораживающая связь времен! Многие из нас видели эту космическую странницу на весеннем небе в 1997 году, а в прошлое появление ее наблюдали древние египтяне, жизнь которых давно превратилась для нас в мифы и легенды. Это, кстати, один из первых документально подтвержденных примеров наблюдения комет в истории человечества.
Отдельный вопрос, на который пока нет точного ответа, какие из документально подтвержденных наблюдений считать самыми первыми. В конце XVIII века Александр Гуа Пингре писал, что первое подобное наблюдение состоялось в 2349 году до нашей эры. Клим Иванович Чурюмов в своей книге «Кометы и их наблюдение» приводит данные Уильяма Уистона, опубликованные в том же веке, о том, что одно из первых документально подтвержденных наблюдений комет датируется 2296 годом до нашей эры. Более современные исследования середины прошлого века, проведенные Балдетом, говорят, что первой может быть комета 2315 года до нашей эры. В целом все эти кометы можно считать в большей степени мифическими. Возможно, первые документально подтвержденные наблюдения косматых странников записаны на древневавилонских каменных табличках, хранящихся сейчас в Британском музее, и рассказывающих о комете 674 года до нашей эры. Как раз в этом веке, хотя и немного позже, начинается регулярная регистрация новых комет древнекитайскими астрономами, которые внесли неоценимый, я бы сказал недооцененный, вклад в изучение этих объектов. Итак, достоверно известно, что до нас дошли записи об исторических наблюдениях с VII века до нашей эры из Вавилона и Китая. Записи китайских астрономов поражают своей обширностью: на регулярной основе они велись до XVII века нашей эры и содержат данные о более чем трехстах кометах! Древние китайцы называли кометы «звездами-метлами» (хуэй син) и, как и прочие народы, считали их плохим предзнаменованием. Кстати, именно китайские наблюдатели комет одними из первых подметили, что хвост-метла всегда направлен в противоположную от Солнца сторону, хотя дальнейшего развития эта идея не получила. В одном из ранних документов, относящемся к 612 году до нашей эры, возможно, описана самая известная из всех косматых странниц – комета Галлея. Хотя, скорее всего, это неверная привязка, так как комета должна была пройти свой перигелий несколькими годами ранее. Зато мы знаем точно, что древнекитайские астрономы фиксировали все появления этой кометы с 240 года до нашей эры вплоть до 1607 года, на закате эпохи Мин – более 1300 лет! Их европейские коллеги впервые увидят эту комету или, что более вероятно, задокументируют свои наблюдения, значительно позже – лишь в 66 году нашей эры. Первые упоминания о кометах в русских летописях датируются 912 годом (Лаврентьевская летопись), и это была та же самая комета Галлея. Безусловно она заслуживает отдельного рассказа, ведь именно она перевернула многие наши представления о подобных космических странниках.
А пока на дворе IV век до нашей эры и в науке о кометах доминирует непререкаемое мнение великого Аристотеля, учителя самого Александра Македонского, о том, что кометы не более чем атмосферные испарения, поднимающиеся в область небесного огня и горящие там гигантскими факелами, видимыми по всей Земле. То есть он не причислял кометы к объектам космоса, равным планетам и звездам. Непререкаемый авторитет ученого пагубно повлиял на процесс изучения комет, который стагнировал. Даже создатель великого астрономического научного труда – «Альмагеста» – Клавдий Птолемей не уделил кометам никакого внимания, полагаясь на то, что эта тема уже полностью раскрыта. Кометы все также оставались «сигнальными кострами», зажигаемыми богами. И люди, хотевшие в это верить, трактовали эти знаки так, как им было нужно. Комета 371 года до нашей эры, нависшая над спящими военными лагерями Фив и Спарты, ознаменовала победу первых в битве при Левктрах и забвение вторых. Кстати, эта комета могла относиться к семейству околосолнечных комет, о которых мы поговорим в отдельной главе.
Кометы не только «предвещали» войны, смерть и вселенский мор, они являлись знаками для властителей судеб. По их цвету и форме ученые мужи, жрецы и неравнодушные граждане строили свои предсказания будущего. Особо в этом деле преуспел Плиний Старший[30], который классифицировал все кометы по двенадцати типам, где они представлялись в виде сабель, дротиков и копий, бородатыми, косматыми и даже в виде лошадиной гривы. Некоторые ученые считали, что кометы – это рой близких звезд, огонь которых соединен воедино. Весной 44 года нашей эры, сразу после мартовских ид[31], на которых был жестоко убит Гай Юлий Цезарь, на небе в течение недели горела комета, которую посчитали чудесным явлением убитого императора, истинно взошедшего на небеса, к звездам и богам. Это событие спешно увековечили в статуе. Спустя шестнадцать лет, в 60 году, над Землей снова вспыхнул хвост кометы, и римляне решили, что это нехороший знак для ненавистного многим императора Нерона. Тот, услышав подобную молву, решил по-своему обмануть судьбу – просто уничтожить всех тех, кто, по его мнению, мог быть причастным к его свержению и убийству. Комета летела высоко в небесах, а на Земле лилась кровь. И так в истории человечества будет происходить не единожды.
На изломе тысячелетий начали появляться светлые умы, которые не хотели слепо верить тому, что, казалось бы, давно объяснено. Древнеримский философ, поэт и государственный деятель Луций Анней Сенека, помимо всего прочего, устремил свой ищущий взгляд и на кометы. В своей седьмой книге «О природе» он поднимает вопросы, которые на столетия опередят свое время. Сенека вполне резонно замечает, что кометы не «висят» на одном и том же месте над головой, а, как и ночные светила, восходят и заходят. Он революционно заявляет, что для разгадки тайны этих объектов необходимо собрать все сведения о прежних их появлениях: быть может, часть из них мы уже видели ранее, а тогда их природа более подобна планетам, обращающимся по своим орбитам вокруг неподвижной земной тверди. Он не признает идею Аристотеля, умело аргументируя свои возражения признанному столпу науки. К примеру, в 146 году до нашей эры, незадолго до Ахейской войны, которая поставила точку в независимости Греции, и та была полностью подчинена великому Риму, на небе вновь пылала комета, «не уступавшая в размерах Солнцу». Но сколько же нужно соединить звезд, чтобы превзойти само Солнце? – резонно вопрошал Сенека. Теория и наблюдательная практика явно не согласовывались между собой и, конечно, это видел не он один. Артемидор из Эфеса и Аполлоний из Минда также считали, что каждая из комет есть планета, но видимая только небольшую часть времени, так как в остальное время «свет их темен», либо же мы можем видеть эти объекты лишь в определенных крайних точках их орбит. Человеческая мысль шла вперед, но понадобится еще полторы тысячи лет, чтобы люди наконец-то раскрыли тайну комет.
А мы, пропустив Темные века, переносимся в эпоху Возрождения. 1577 год. Известный астроном и астролог Тихо Браге приступает к возведению своей обсерватории «Ураниборг» («Замок Урании[32]») на пожалованном ему королем Фредериком II в вечное пользование острове Вен, что лежит в двадцати километрах от Копенгагена. Осень украшена потрясающим зрелищем – Великой кометой 1577 года[33], и Браге начинает наблюдения этой небесной гостьи. В немецком Граце комету наблюдает и шестилетний Иоганн Кеплер, держа за руку свою маму. Они еще поработают вместе, полностью и окончательно перевернув знания человечества о Солнечной системе, но это будет нескоро. А пока Браге педантично записывает данные о положении кометы на протяжении семидесяти четырех дней. Собрав все записи воедино, как свои, так и астронома Тадеаша Гаека[34] из Праги, и убедившись в отсутствии значимого параллакса[35] наблюдений, который присутствовал даже при наблюдениях Луны, Тихо Браге делает вывод – кометы не могут являться образованиями в атмосфере Земли, они находятся далеко, много дальше Луны, там, где обращаются планеты.
Да, говоря об открытии Браге, стоит упомянуть и другого астронома – Иоганна Мюллера[36], более известного как Региомонтан. За сто лет до описываемых событий он следил за движением Великой кометы 1472 года, аккуратно зарисовывая ее положение относительно звезд и отмечая изменения направления ее хвоста. К сожалению, он так и не понял причин изменения его ориентации, всегда направленной против Солнца, и не довел свои исследования движения комет до конца, скончавшись в возрасте сорока лет. Открытие космической природы комет откладывалось еще на сто лет.
Но вернемся к Тихо Браге, который до конца отстаивал геоцентрическую модель мира, отрицая гелиоцентрическую систему Николая Коперника[37], хотя, казалось бы, у него на руках были неопровержимые наблюдательные данные. При этом он твердо стоял за право комет быть космическими жителями нашей планетной системы. В научном мире все еще главенствовал постулат великого Аристотеля, казавшийся незыблемым на протяжении стольких веков! Даже Галилео Галилей[38] не смог принять революционного открытия датского астронома, объяснив отсутствие параллакса тем, что кометы есть оптический эффект, иллюзия, а у подобных «нефизических» объектов не может быть и параллакса. Да, печальный пример Джордано Бруно[39], взошедшего на костер на площади Цветов в Риме, хорошо отрезвлял. И все же авторитета Тихо Браге хватило, чтобы постепенно сломать прежнее, уже окаменелое, представление о кометах как огнях в небесах. Их признали полноправными жителями космического пространства, и уже совсем скоро люди научатся определять и их кеплеровы орбиты[40].
На протяжении десяти лет, с 1609 по 1619 год, преемник великого Тихо Браге – Иоганн Кеплер – публикует эмпирически выведенные им на основе наблюдений Тихо законы, но на гелиоцентрическую систему мира пока наложено табу. В 1664 году была открыта первая Великая комета эпохи Просвещения – C/1664 W1, или Великая комета 1665 года. Только представьте себе список ученых, которые наблюдали ее: Исаак Ньютон, Эдмунд Галлей, Роберт Гук, Ян Гевелий, Джованни Кассини. Ее яркость и внешний вид будоражат всех – от простого горожанина до «короля-солнца»[41]. Кстати, именно эта комета побудила будущего отца классической механики, который наблюдал ее будучи студентом Кембриджа, увлечься астрономией. Конечно, и эта «хвостатая» была уличена в появлении Великой эпидемии чумы в Лондоне и, чтобы два раза не ходить, – еще и в Великом пожаре следующего года. Король Португалии Афонсу VI, посчитавший, что комета грозит лично ему, даже пытался стрелять в нее из пистолета. Интерес к кометам был, и был он огромным. Дошло до того, что король Франции Людовик XIV созывает в Париже первое в истории собрание ученых, посвященное кометам, чтобы те наконец-то объяснили, что же это за объекты. До понимания их физической природы было еще далеко, но астрономы уже склонялись к тому, что, скорее всего, это тела, пересекающие Солнечную систему по незамкнутым параболическим траекториям.
Великая комета 1664 года
В 1665 году маленькому мальчику Эдмунду Галлею еще девять лет, но именно он внесет неоценимый и революционный вклад в исследования комет. Спустя двенадцать лет, будучи студентом третьего курса Оксфорда, Галлей публикует научную работу «Об орбитах планет» и отправляется на остров Святой Елены для изучения южного неба. Результатом этой работы станет публикация «Каталога южного неба» в 1679 году, после чего Галлей переключится на новую задачу – исследование силы, которая управляет движением планет. В 1680 году германский астроном Готфрид Кирх впервые открывает комету с помощью нового научного инструмента – телескопа. Именно на этой комете Ньютон будет оттачивать свои расчеты. В 1682 году на небе загорается новая яркая странница, и Галлей берется за определение ее орбиты, но сталкивается с трудностями и обращается к Ньютону, зная, что тот уже долгое время работает над этой задачей, но не рассказывает о своих научных результатах. Именно по просьбе Галлея в ноябре 1684 года Ньютон публикует научный трактат «О движении», который станет предтечей его революционной работы «Математические начала натуральной философии» 1687 года. В этой работе Исаак Ньютон постулирует свой закон Всемирного тяготения – фундаментальный закон классической механики, который провозглашает приход нового, гелиоцентрического миропорядка. Но давайте вернемся к Галлею…
Эдмунд Галлей
Вооружившись новейшим математическим аппаратом Ньютона и архивными наблюдательными данными с 1337 по 1698 год, в том числе и наблюдениями Тихо Браге, Эдмунд садится за определение орбит двадцати четырех комет, по которым собраны длинные ряды измерений. После долгой работы, в 1705 году, он публикует фундаментальный труд «Краткий обзор астрономии комет», главной целью которого считает подтверждение закона всемирного тяготения, а также проверку гипотезы Ньютона, что кометы совершают обращение вокруг Солнца по чрезвычайно вытянутым, но все же замкнутым эллиптическим орбитам. Именно в этой работе он впервые отмечает, что орбиты комет 1531, 1607 и 1682 годов очень схожи между собой и все их измерения можно объединить в одну общую орбиту со средним периодом обращения вокруг Солнца равным 75,5 года! А зная период обращения, опять же по закону Ньютона можно легко определить большую полуось орбиты и ее эксцентриситет. И эти параметры с большой точностью совпадают с современными расчетами на эпоху 1682 года. Вот так кометы из бездомных странников превратились в жителей Солнечной системы. Выполнив расчеты с учетом простейшего возмущения кометной орбиты гравитацией Юпитера и Сатурна, Галлей предположил, что в следующий раз небесная странница 1682 года должна прилететь в 1758 году.
Сам Эдмунд Галлей, хотя и прожил долгую и насыщенную жизнь, так и не увидел триумфального возвращения кометы, которая пока еще не носила его имени – он скончался в 1742 году, в возрасте восьмидесяти пяти лет. Шли годы – и вот время настало! Астрономы внимательно следили за небом в ожидании возвращения уже знаменитой кометы. Этим занимался и молодой Шарль Мессье, о котором я еще обязательно расскажу отдельно. Прошло лето, а за ним осень – кометы не было. Неужели ошибка и крушение такой стройной и элегантной теории? За расчеты садятся французские математики и астрономы: Алексис Клод Клеро, Жозеф Жером Лефрансуа де Лаланд и первая французская женщина-математик – Николь-Рейн Лепот. Плодом их титанических усилий станет уточнение орбиты кометы и расчетов даты прохождения перигелия – при более точном учете гравитационных возмущений дата сдвигалась на 13 апреля 1759 года. Комета должна была прилететь, но немного «запаздывала» относительно расчетов самого Галлея. Но все же она будет открыта в 1758 году, точно в канун католического Рождества. И сделает это немецкий астроном-любитель Иоганн Георг Палич[42]. Комета пройдет перигелий 13 марта 1759 года – французские ученые ошибутся всего на месяц. И в том же году французский астроном Никола-Луи де Лакайль впервые назовет эту комету именем Галлея. А годом позже Алекси Клеро опишет свои методы расчета движения комет (эфемериды) и приближенного решения задачи трех тел в научном труде «Теория комет».
В следующий раз комету ожидали в 1835 году. Более точные расчеты немецкого астронома Отто Августа Розенбергера, учитывающие гравитационные возмущения от открытой к тому времени планеты Уран[43], дали ошибку определения даты прохождения перигелия всего в четверо суток. А первое прохождение перигелия в XX веке, намеченное на 20 апреля 1910 года, было с высокой точностью предсказано в 1907 году английскими астрономами Филипом Гербертом Коуэллсом и Эндрю Клодом де ля Шеруа Кроммелином с помощью новейшего математического аппарата – численных методов интегрирования движения небесных тел, основные принципы которого современные астрономы используют и по сей день. В этих расчетах, разумеется, учитывались все восемь[44] планет Солнечной системы, о которых мы знаем. По иронии судьбы, планета Нептун также была открыта благодаря математическим расчетам. В начале XX века ученым наконец-то удалось «связать» воедино все разрозненные наблюдения кометы Галлея начиная с 240 года до нашей эры, тем самым ее наблюдательная дуга превысила 2200 лет! Последний перигелий комета Галлея прошла 8 февраля 1986 года. Именно тогда, впервые в истории человечества, комету изучали несколько космических аппаратов, выводя исследования космических странников Солнечной системы на абсолютно новый уровень. Об этом мы поговорим в конце главы, а пока давайте вернемся на Землю.
На протяжении тысячелетий люди наблюдали кометы визуально, сначала используя лишь зрение, а позже применяя оптические инструменты, которые расширили наши возможности. В 1680 году впервые была открыта комета с помощью телескопа – комета Кирха или, как ее еще называли, комета Ньютона. А спустя 178 лет, в сентябре 1858 года, комету впервые запечатлели на фотографии. Это стало началом новой эры изучения хвостатых странниц – фотографического наблюдения и исследования. Первой в истории космической фотомоделью стала комета Донати (C/1858 L1), открытая итальянским астрономом Джованни Баттиста Донати 2 июня 1858 года. Ее семисекундный снимок был получен 27 сентября в Уолтоне-на-Холме английским фотографом-портретистом Уильямом Ашервудом с помощью объектива диаметром 82 мм и фокусным расстоянием 305 мм. К сожалению, эта историческая фотография не сохранилась. А первую фотографию, полученную через телескоп, сделал на следующую ночь американский астроном Джордж Филлипс Бонд в обсерватории Гарвардского колледжа. Это был тот самый ученый, который получил первую фотографию звезды – ею стала Вега – и первый фотоснимок двойной звезды – известного всем Мицара из ручки Ковша Большой Медведицы. С этого момента все яркие кометы, появлявшиеся на земном небе, активно фотографировали, и ученые уже могли скрупулезно изучать морфологию как головы кометы, так и ее хвостов.
Как раз в 1858 году выдающийся российский астроном Федор Александрович Бредихин занялся исследованием строения хвостов комет. Немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель первым сделал вывод о том, что динамика частиц кометного хвоста вызвана отталкивающими силами, исходящими от Солнца и изменяющимися обратно пропорционально квадрату гелиоцентрического расстояния[45]. Опираясь на его труды по исследованию хвоста кометы Галлея при ее появлении в 1835 году, Бредихин создал максимально точную на то время «механическую теорию кометных форм». Его математическая модель позволила описать поведение вещества – малых пылевых частичек – как в голове кометы, так и внутри ее хвоста. Пыль, выброшенная из ядра кометы, начинает двигаться не только под действием притяжения к Солнцу, но и отталкиваясь от него вследствие давления солнечного света. Что же касается газового или, как его еще называют, ионного хвоста кометы, который «развевается» в потоке солнечного ветра, то до открытия этого плазменного эффекта и даже появления самого термина «солнечный ветер», введенного американским астрофизиком Юджином Паркером, оставалось еще сто лет. В 1877 году в свет вышла классификация кометных хвостов, в которой Бредихин изначально разделил их на три типа: прямолинейные, в виде изогнутого конуса и короткие прямые хвосты. В 1884 году он добавил и четвертый тип – аномальный хвост, направленный к Солнцу. Но более подробно об украшениях комет – их хвостах, а также структуре их ядер, газово-пылевой оболочке и физических свойствах мы поговорим в следующей главе, а здесь продолжим повествование о развитии наших знаний о кометах.
Итак, первые фотоснимки комет были получены; следующим этапом стали спектроскопические исследования. Ими занялся все тот же астроном, в честь которого была названа первая сфотографированная комета – Джованни Донати. Идея одновременной регистрации всей ширины электромагнитного спектра была реализована немецким ученым Йозефом Фраунгофером еще в начале XIX века. В его первом приборе – спектроскопе – луч света, прошедший через специальные щели и линзы, превращался в узкий пучок параллельных лучей, которые, падая на призму, расщеплялись, и волны разной длины отклонялись на разные углы. Изображение наблюдали через специальную трубку с нанесенной на нее шкалой для измерений. Изобретение фотографии многое поменяло не только в повседневной жизни, но и в различных областях науки. Вместо трубки стали использовать фотокамеру, и спектры стали проецировать на фотопластинку для их дальнейшего анализа.
В 1862 году Донати опубликовал работу о возможности определения физических свойств звезд по их спектрам. А в 1864 году ученый, уже имевший опыт получения спектров Солнца и ярких звезд, впервые провел спектроскопические наблюдения яркой кометы C/1864 N1 (Tempel), или 1864 II по старой номенклатуре. Заметим, что спектроскопические измерения голов комет отличаются от исследования звезд. В большей степени газово-пылевые оболочки комет «светят» отраженным солнечным светом, то есть их спектр ничего не говорит нам о химических элементах в составе головы кометы. Чем активнее комета, тем выше вероятность зафиксировать эмиссионные линии – линии излучения веществ, входящих в состав окружающей ядро газово-пылевой оболочки. Но состав самого ядра все равно от нас скрыт.
Донати повезло: на фоне отраженного солнечного спектра он увидел несколько эмиссионных линий, хотя и не смог их идентифицировать. Спустя четыре года ему помог с этим английский астроном-любитель Уильям Хаггинс, первым установивший, что это свечение принадлежит молекулам двухатомного углерода (C2). В 1881 году уже сам Хаггинс, который построил частную обсерваторию и всерьез занялся новым направлением в астрономии, с помощью щелевого спектрографа обнаружил эмиссионные линии активного радикала циана CN, а также молекулы трехатомного углерода (C3) в газово-пылевой оболочке кометы Теббатта (C/1881 K1), или Великой кометы 1881 года. Независимо ее спектр изучал и другой гениальный самоучка – американский врач и астроном-любитель Генри Дрейпер (Дрэпер). Кстати, именно он получил первый широкоугольный снимок кометного хвоста. Спектроскопия комет стала научной обыденностью, но продолжила совершенствоваться.
Наступил XX век. В 1909 году мир ждал нового пролета кометы Галлея. Во-первых, это было ее первым появлением с момента изобретения фотографии, а во-вторых, ученые уже были вооружены и другим научным новшеством – спектроскопией. Комета была обнаружена, или, как говорят астрономы, переоткрыта, 11 сентября 1909 года немецким астрономом Максимилианом Вольфом в Гейдельбергской обсерватории с помощью 72-сантиметрового телескопа-рефлектора как объект 16–17 звездной величины. 20 апреля 1910 года она прошла перигелий, а 18 мая ее ядро оказалось точно на фоне диска Солнца. В этот момент Земля погрузилась в ее протяженный хвост, из-за чего, конечно же, началась паника, но об этом я более подробно расскажу в другой главе. За этим историческим транзитом следили многие обсерватории по всему миру, в том числе и в Москве. Наблюдения проводили Витольд Карлович Цераский и Павел Карлович Штернберг. Они не смогли, как и их зарубежные коллеги, зафиксировать ядро кометы и на основании этого дали верхнюю оценку диаметра ядра – не более двадцати километров, что подтвердилось при следующем пролете кометы в 1986 году.
Комета Донати
В ходе сближения кометы Галлея с Землей в 1910 году было получено свыше полутысячи фотоснимков и около сотни спектрограмм. В ее хвосте были обнаружены смертельно опасные для человека циан (C2N2) и угарный газ (CO). Конечно, вещество в хвосте кометы настолько разрежено, что оно не могло нанести вреда нашей планете и ее населению. Накопленные научные данные позволили немецкому астроному и физику Карлу Шварцшильду и химику Ричарду Крону в 1911 году понять механизм свечения кометных молекул, а советскому астроному Сергею Владимировичу Орлову, внесшему большой вклад в исследования комет, создать теорию формирования и эволюции кометных голов.
В 1930-х годах советский астроном и известный исследователь комет Сергей Константинович Всехсвятский, автор фундаментального научного труда «Физические характеристики комет», пытается развить гипотезу французского математика и астронома Жозефа-Луи Лагранжа, предложенную им еще в 1812 году, говорящую о том, что кометы – это выбросы вещества с поверхности планет и спутников. Но это был ошибочный путь. В начале 1940-х годов советский ученый Отто Юльевич Шмидт предлагает новую концепцию формирования планетных систем – из протопланетного диска путем аккумуляции (объединения) малых тел. Эта теория впервые объяснила деление планет Солнечной системы по массе и химическому составу, а позже была дополнена теорией гравитационной аккреции вещества.
Комета Галлея в 1910 году
Начало 1950-х годов выдалось революционным в области изучения комет. В 1950 году американский астроном Фред Лоуренс Уиппл[46] в серии статей предлагает общепринятую теперь концепцию строения кометных ядер: они состоят из смеси льдов (замороженных летучих веществ) и тугоплавкого каменистого метеоритного вещества. Данная теория «грязного снежка» была подтверждена космическими миссиями, о которых я расскажу совсем скоро, а о теории формирования кометных ядер мы поговорим уже в следующей главе. В том же переломном для наших знаний о кометах году Ян Оорт предлагает научному миру свое видение основного источника долгопериодических комет, о чем мы уже подробно говорили в первой главе. Спустя год немецкий астроном Людвиг Бирман впервые дает верное объяснение динамики плазменных кометных хвостов, изменения в которых вызваны взаимодействием с потоком заряженных частиц, исходящих от Солнца – с еще не открытым тогда солнечным ветром.
На протяжении столетий кометы наблюдали в видимой области электромагнитного спектра, а во второй половине XX века ученые наконец-то смогли изучать кометы и в других диапазонах длин волн. В 1973 году были предприняты первые попытки зафиксировать радиоизлучение комет. Для этой цели выбрали потенциальную «комету столетия» – C/1973 E1 (Kohoutek)[47], которая, правда, как это часто бывает с косматыми странниками, не оправдала возложенных на нее надежд. Радионаблюдения комет в непрерывном спектре могут дать уникальную информацию о внутренней коме, а оптические и спектральные данные, наоборот, о внешней составляющей головы кометы и ее хвосте. Радиоизлучение впервые наблюдали в декабре 1973 года на волне длиной 1,4 мм и в январе 1974 года на волне 3,71 см. Источником этого излучения считается облако ледяных частичек, находящееся в непосредственной близости от кометного ядра; размер облака оценивается в 850 километров. Но никакого точечного источника зафиксировано не было. Также не удалось получить отраженный сигнал (эхо) от ядра кометы в ходе ее радиолокации с помощью 37-метрового радиотелескопа Хэйстэк (Вестфорд, Массачусетс). Негативный результат в науке тоже важен; в данном случае он позволил сделать верхнюю оценку размера ядра кометы – не более 2,1 километра.
Комета Кохоутека
С другой стороны, беспрецедентные мультиспектральные наблюдения кометы Кохоутека, самой «наблюдаемой» до возвращения кометы Галлея в 1986 году, дали ученым новые знания. Впервые в кометах были обнаружены метилцианид, цианистый водород и кремний, а также наконец-то можно было утверждать, что в их составе присутствует вода. Обобщенный анализ данных показал состоятельность модели «грязного снежка» Уиппла, а идея «песчаной отмели», которую параллельно развивал британский астроном Реймонд Литлтон, представлявший ядро кометы как рыхлые, слабосвязанные между собой скопления частиц пыли с незначительным количеством льда, ушла с научной сцены и была забыта.
Начало 1980-х годов ознаменовалось подготовкой человечества к юбилейному, тридцатому визиту кометы Галлея. И в этот раз ее появление зафиксировали уже не на фотопленку, а на сверхсовременный тип детектора – прибор с зарядовой связью (ПЗС). Переоткрыли комету 16 октября 1982 года американские астрономы Дэвид Джуитт и Эдвард Дэниелсон на цифровых снимках с 5,1-метрового телескопа «Хейл» (Маунт Паломар, Калифорния, США). Пролет 1986 года стал поистине вехой в принципиально новом направлении исследования комет – в непосредственной близости (in situ), из космоса. Да, комета Галлея не стала первым объектом, который наблюдали вне пределов земной атмосферы. Первой стала комета C/1969 T1 (Tago-Sato-Kosaka), которую наблюдала «Орбитальная астрономическая обсерватория 2» (ОАО-2): вторая из серии космических обсерваторий-спутников, позволявших проводить наблюдения в ультрафиолетовой, рентгеновской и гамма-областях электромагнитного излучения, которые не пропускает земная атмосфера. Для изучения Вселенной было необходимо вынести детекторы в космос. Первый спутник ОАО-1, запущенный 8 апреля 1966 года, проработал всего три дня, после чего связь с ним была утеряна. А вот второй аппарат, который отправился в космос 7 декабря 1968 года, помог ученым сделать новые потрясающие открытия, в том числе и о кометах.
В 1960-х годах высказывалось предположение, что головы комет могут быть окружены исполинскими облаками водорода, которые можно зафиксировать на волне 121,5 нанометра (α-линия Лаймана), но подтвердить или опровергнуть эту идею можно было лишь с использованием ультрафиолетового телескопа. Ответить на этот вопрос удалось 14 января 1970 года. Область рассеянного свечения обнаруженного водородного облака кометы C/1969 T1 простиралась на 800 тысяч километров. Но эти размеры не идут ни в какое сравнение с водородной атмосферой, обнаруженной у одной из самых ярких комет 1970-х – кометы Беннетта (C/1969 Y1), у которой облако протянулось на 20 миллионов километров, многократно превысив диаметр Солнца! Масса водорода, содержавшаяся в нем, оценивается в несколько миллионов тонн. Появились и первые оценки массы воды, теряемой кометой в ходе пролета внутренней области Солнечной системы – более двухсот миллионов тонн.
12 августа 1978 года в космос отправилась революционная миссия, история которой продлится более тридцати шести лет! International Sun-Earth Explorer-3 («Международный исследователь Солнца и Земли» или ISEE-3) стал первым космическим аппаратом, запущенным в точку Лагранжа L1 системы Солнце—Земля. На первом этапе научными задачами ISEE-3 были изучение солнечного ветра и его взаимодействия с магнитосферой Земли, а также космических лучей. В области L1 аппарат успешно проработал практически три года, что дало ученым-баллистикам бесценный опыт, который позже был использован, в том числе, для управления спутником SOHO – героем следующих глав. 10 июня 1982 года космический аппарат перевели на гомановскую переходную орбиту[48]. После серии нетривиальных гравитационных маневров вблизи Земли и Луны космический аппарат был выведен на гелиоцентрическую орбиту, а сама миссия переименована в International Cometary Explorer (ICE), или «Международный кометный исследователь». 11 сентября 1985 года впервые в истории человечества космический аппарат прошел свозь ионный хвост кометы 21P/Giacobini-Zinner всего в 7800 километрах от ее ядра. К сожалению, на аппарате отсутствовала камера, так что снимков ядра кометы с близкого расстояния пришлось ждать еще полгода.
Комета Беннетта
23 марта 1983 года на высокоэллиптическую орбиту была выведена советская космическая ультрафиолетовая обсерватория «Астрон». Космический аппарат массой более трех тонн нес на борту 80-сантиметровый телескоп и комплекс рентгеновских спектрографов. Вместо запланированного года работы спутник проработал шесть лет, дождавшись очередного прилета кометы Галлея. В декабре 1985 года по данным, полученным «Астро́ном», советские ученые под руководством будущего директора Института астрономии РАН Александра Алексеевича Боярчука[49] создали более точную и комплексную модель кометной комы. Космическая обсерватория успела пронаблюдать и вспышку сверхновой звезды 1987 года (SN 1987A) в соседней галактике-спутнике Млечного Пути – Большом Магеллановом Облаке.
Политически поляризованный научный мир готовил две независимые научные космические программы по изучению знаменитейшей кометы. В СССР это была программа «СоПроГ» («Советская программа исследований кометы Галлея»), а международная программа называлась The International Halley Watch (IHW). За несколько лет к комете направился целый флот из пяти автоматических межпланетных станций, за которыми закрепилось неофициальное название «Армада Галлея». От Советского Союза ядро кометы исследовали две космические миссии, «Вега-1» и «Вега-2», переключившиеся на комету после изучения облачной сестры Земли – Венеры. Само название аппаратов никак не было связано со знаменитой звездой, а расшифровывалось как «Венера-Галлея». Первый космический аппарат начал передавать изображения кометы 4 марта 1986 года с расстояния 14 миллионов километров, а уже 6 марта пролетел всего в 8879 километрах от ее ядра. Это были первые в истории человечества изображения сердца кометы – ее ядра, той тайны, что так долго скрывали космические странники под непроницаемым пологом своей газово-пылевой оболочки. Проходя сквозь поток кометных частиц, аппарат уцелел, но мощность его солнечных батарей упала практически вдвое. Спустя три дня, 9 марта 1986 года, «Вега-2» пролетела еще ближе – всего в 8045 километрах. Скорость сближения обоих аппаратов с ядром кометы составляла внушительные 73 километра в секунду; несмотря на это, аппараты успешно передали на Землю семьдесят детальных изображений кометного ядра, а общее число снимков кометы превысило полторы тысячи. Их анализ позволил с высокой, невиданной ранее точностью напрямую измерить размер ядра кометы: 8×8×16 километров, оценить альбедо, которое составило классические для ядер комет 4 %, зафиксировать динамику выбросов вещества и наличие небольших ударных кратеров на поверхности кометного ядра. Это был безусловный успех! СССР снова был впереди всех в космосе!
8 и 11 марта окрестности кометы посетили два небольших японских зонда-близнеца, построенных на единой платформе, но с разным набором научного оборудования. Первым в 150 тысячах километров от ядра пролетел космический аппарат «Суйсэй» («Комета»). Да, не близко, но его главной задачей были не детальные снимки ядра, а изучение водородной головы кометы с помощью ультрафиолетового детектора, а также солнечного ветра в окрестностях кометы. Второй аппарат, который на самом деле был запущен первым, что отражено в его имени – «Сакигакэ» («Пионер»), поскольку это был первый межпланетный зонд, созданный и запущенный не СССР и США, пролетел мимо головы кометы 11 марта на расстоянии около 7 миллионов километров. Его главной задачей было уточнение орбиты кометы и наведение «Суйсэй» на цель. Помимо этого, «Сакигакэ» изучал космическую плазму и магнитное поле в межпланетном пространстве. Их миссия была успешной, после чего у ученых появились новые планы по изучению кометы Джакобини – Циннера (21P/Giacobini-Zinner), но из-за нехватки топлива на обоих аппаратах от них пришлось отказаться.
Стоит отметить, что, несмотря на напряженную политическую ситуацию в мире, разделенном на два лагеря, научное сотрудничество все же имело место. К примеру, данные с «Веги-1» и «Веги-2» были использованы для уточнения баллистических расчетов и коррекции орбиты космического аппарата Европейского космического агентства «Джотто»[50], ведь ему предстоял сверхтесный пролет – всего в нескольких сотнях километров над поверхностью ядра кометы Галлея. Свое название космический аппарат получил в честь великого итальянского художника эпохи Возрождения Джотто ди Бондоне, изобразившего на фреске «Поклонение волхвов» именно эту знаменитую комету.
Когда цель была совсем близка и до нее оставалось всего 1200 километров, «Джотто», по-видимому, столкнулся с крупным фрагментом кометы – его камера и часть оборудования вышли из строя, а сам космический аппарат временно потерял управление. 14 марта он пролетел (по баллистическим расчетам) всего в шестистах километрах от ядра, но впереди его ждал визит к другому ледяному страннику. В апреле 1990 года «Джотто» был выведен из состояния гибернации и направлен к комете 26P/Grigg-Skjellerup[51]. Их встреча состоялась 10 июля 1992 года, причем в этот раз отважный космический аппарат пролетел еще ближе к ядру кометы – всего в двухстах километрах от его поверхности! К большому сожалению, у нас нет снимков этого потрясающего события, так как камера «Джотто» была повреждена еще во время пролета ядра кометы Галлея. Но вернемся немного назад…
В конце марта 1986 года, вслед за «Армадой Галлея», наш старый знакомый – «Международный кометный исследователь» прошел сквозь хвост знаменитой кометы на расстоянии около 28 миллионов километров от ее ядра, после чего ICE занялся изучением Солнца. В последний раз связь с ним была успешно установлена в июле 2014 года. Более того, тогда же, впервые с 1987 года, удалось запустить и его двигатели. К сожалению, на эту операцию ушли последние запасы топлива, и 16 сентября того же года связь с аппаратом была окончательно потеряна.
Технический прогресс достиг того, что современные ученые могут наблюдать комету Галлея в любой точке ее орбиты – самые крупные наземные и космические телескопы дают нам такую возможность. Астрономы могут изучать динамику изменения активности кометы в широком диапазоне гелиоцентрических расстояний, по сути, от орбиты Плутона до орбиты Меркурия. Совсем скоро, в декабре 2023 года, комета Галлея пройдет афелий и снова устремится навстречу Солнцу. Свой очередной перигелий она пройдет 28 июля 2061 года. Интересно, какими техническими новинками ученые встретят ее тогда? Я думаю, что будет предпринята попытка посадки космического аппарата с забором кометного вещества, а возможно, даже организована пилотируемая миссия. Продолжится и детальное картографирование поверхности ядра кометы. Так что мы продолжим двухтысячелетнюю летопись этой космической странницы.
Девяностые годы XX века подарили нам две потрясающие кометы: Хейла – Боппа (C/1995 O1) и Хякутакэ (C/1996 B2). Про них я еще расскажу отдельно, а здесь остановлюсь лишь на новых методах исследования и их кратких результатах. Одним из основных достижений ученых стало наблюдение комет в субмиллиметровом диапазоне волн – длиной от нескольких сотен микрометров до миллиметра. Как я уже говорил, для таких наблюдений с поверхности Земли нам сильно мешает наш планетарный щит – атмосфера. На Земле есть лишь несколько мест, где возможны субмиллиметровые наблюдения. Как только человечество смогло выводить научные приборы в космос, эта проблема начала решаться. Первым космическим субмиллиметровым детектором стал «Бортовой субмиллиметровый телескоп БСТ-1М», размещенный вместе с другими научными приборами на борту советской орбитальной станции «Салют-6», запущенной в космос 29 сентября 1977 года и затопленной спустя пять лет. Ей не повезло – она так и не дождалась подходящей кометы для исследования.
В 1987 году на гавайском вулкане Мауна-Кеа «первый свет» увидел циклопический 15-метровый телескоп «Джеймс Кларк Максвелл» субмиллиметрового диапазона, конструкция которого позволяет наблюдать даже Солнце. Помимо субмиллиметровой, в 1980-х бурно развивалась и инфракрасная астрономия, закрывшая промежуток электромагнитного спектра между видимым и субмиллиметровым диапазонами длин волн. Итак, человечество было во всеоружии, и мультиспектральные наблюдения двух ярких комет в 1996 и 1997 годах позволили сразу открыть более двух десятков химических элементов, входящих в состав кометных голов и хвостов. Эти данные, к примеру, позволили по-другому взглянуть на проблему появления воды на Земле. К новому тысячелетию мы уже много знали о строении и химическом составе газово-пылевых кометных оболочек и красивейших хвостов, и все больший научный интерес вызывало прямое исследование самих кометных ядер, скрытых от посторонних глаз. А, как известно, раз гора не идет к Магомету, то Магомет идет к горе…
Первой экспериментальной миссией стала Deep Space 1 («Дальний космос 1»), которая должна была протестировать новые научные и технические решения: ионный двигатель, автономную систему навигации, комплекс программного обеспечения, позволяющий самовосстанавливаться после сбоев в работе, миниатюрные научные приборы и системы связи. Зонд был запущен 24 октября 1998 года и в целом показал хорошую работоспособность, за исключением выхода из строя системы ориентации. Когда его основная задача была выполнена, космический аппарат направили на сближение с астероидом (9969) Брайль, пересекающим орбиту Марса (так называемый марс-кроссер) и к короткопериодической комете Борелли (19P/Borrelly), открытой 28 декабря 1904 года французским астрономом Альфонсом Борелли в знаменитой Марсельской обсерватории. 22 сентября 2001 года автоматическая межпланетная станция пролетела всего в 2170 километрах от ядра кометы и, несмотря на технические неполадки, все же смогла передать на Землю ценные научные данные, включая фотоснимки кометного ядра с лучшим на тот момент разрешением. Ученые увидели гигантский гейзер, вырывающийся из-под поверхности кометы на 60 километров. На более близких и детальных снимках стало очевидно, что это не одна, а три струи, бившие из ярких «пятен» на поверхности кометы. Это был несомненный научный успех и шаг вперед.
Менее чем через полгода после запуска Deep Space 1, 7 февраля 1999 года, на встречу с кометой Вильда 2 (81P/Wild), открытой 6 января 1978 года швейцарским астрономом Паулем Вильдом на обсерватории Циммервальда Астрономического института университета Берна (Швейцария), была отправлена новая кометная миссия Stardust («Звездная пыль»). Как видно из названия, ее основной целью был сбор твердых частиц из кометной комы и хвоста. Это был компромиссный, простой и намного более дешевый вариант, давший возможность прямого изучения вещества кометного ядра без необходимости сажать на него космический аппарат, чтобы взять пробы грунта и доставить их на Землю.
«Ловушка» для кометных частичек, похожая на теннисную ракетку диаметром около 40 сантиметров, состояла из 132 сегментов, заполненных специальным веществом – аэрогелем, позволявшим эффективно затормозить частицы и предотвратить их перегрев и расплавление при достаточно низкой, конечно по космическим меркам, относительной скорости сближения и удара – около шести километров в секунду. 2 января 2004 года Stardust прошел всего в 237 километрах от ядра кометы, параллельно со сбором пыли делая и ее фотоснимки. 15 января 2006 года капсула с образцами кометного вещества благополучно вернулась на Землю, а дальше начался долгий и сложный процесс исследования содержимого «ловушки». Для этого была создана Stardust@Home – коллективная распределенная система исследования миллионов снимков микросрезов аэрогеля, полученных с помощью микроскопа. На этих снимках обычные люди искали как сами частицы, так и следы их торможения (треки). Я тоже принимал в этом участие и даже нашел несколько проплавленных треков в аэрогеле. Данные объединялись, и к ученым поступала статистическая информация, на каких снимках, скорее всего, присутствует что-то по-настоящему интересное. Результатом этой совместной работы стало обнаружение трех десятков частичек, среди которых был и образец межзвездной пыли. Классификация проводилась по длине трека торможения, а значит, по скорости частицы и по направлению ее движения. Заметил частицу межзвездной пыли Брюс Хадсон из Канады в 2010 году, и она даже получила собственное имя – «Орион». В финальном пресс-релизе, выпущенном после завершения работы Stardust@Home в 2014 году, говорилось уже об обнаружении семи подобных частиц.
Миссия Stardust была успешной, но на этом она не завершилась. На борту космического аппарата оставались значительные запасы топлива, и было решено задействовать его в новой научной программе – New Exploration of Tempel 1 («Новое исследование Темпель 1»). Но сначала мне нужно рассказать о другой космической миссии, которая продлила жизнь зонда Stardust на долгие пять лет.
Когда ученые все еще ждали прибытия на Землю капсулы с кометным веществом, с мыса Канаверал стартовала новая межпланетная космическая станция Deep Impact («Глубокое воздействие»). 12 января 2005 года ракета-носитель «Дельта-2» унесла в космос шестисоткилограммовый аппарат, большую часть массы которого составлял кинетический ударник. Это была не просто 372-килограммовая болванка, а, по сути, еще один космический аппарат. У него имелись свои маневровые двигатели, бортовая вычислительная система и оптическая система навигации с телескопом диаметром 120 мм, дающим предельное разрешение изображения в 20 сантиметров на пиксель с расстояния в 20 километров. Сама «ударная» часть – 113 килограммов медных пластин, служила для образования заметного кратера на поверхности, который в будущем надеялись зафиксировать фотографически.
3 июля 2005 года в 6 часов утра по всемирному времени кинетический ударник отделился от космического аппарата, который начал выполнять торможение и маневр уклонения, чтобы пройти мимо ядра кометы на безопасном расстоянии. А ударник двигался к цели на протяжении практически суток, совершив несколько корректирующих маневров за пару часов до столкновения. 4 июля в 5 часов 52 минуты по всемирному времени, в День независимости США, космический снаряд на скорости 10,2 километра в секунду врезался в ядро кометы, вызвав энерговыделение, сопоставимое со взрывом 4,8 тонн тротила. Ученые на Земле узнали о том, что миссия успешно завершена, лишь спустя пять долгих и мучительных минут. Интересный факт: любой желающий мог отправить свое имя, которое было записано на мини-CD-диск, прикрепленный к ударнику. Мое имя, как и 625 тысяч других имен, тоже есть на этом диске.
Конечно, за столкновением следило большое число наземных и космических телескопов, включая космическую обсерваторию Swift. Анализ полученных данных показал, что в результате удара в космос было выброшено более пяти тысяч тонн воды и от десяти до двадцати пяти тысяч тонн пыли и твердых частиц кометного ядра. Интересен и состав этого материала. Были обнаружены минералы, способные формироваться лишь при температурах свыше 1100 кельвинов (827 °C), и летучие вещества, стабильные лишь при температуре ниже 100 кельвинов (–173 °C), а значит, ядро кометы состоит из веществ, которые образовались в разных областях Солнечной системы и, возможно, даже в разные эпохи ее эволюции. Эксперимент подтвердил предположение о том, что ядра комет обладают очень пористой структурой. Исходя из анализа данных, более трех четвертей внутреннего объема кометного ядра занимают полости, содержащие летучее вещество. Можно сказать, что кометы являются «космическими цистернами» с замерзшим газом, в том числе и ядовитым. А вот сам кратер, к большому сожалению ученых, обнаружить так и не удалось. Всему виной тот выброс вещества и пыль, которая была поднята ударом. Deep Impact улетел, и нужен был новый аппарат, который позволил бы зафиксировать последствия космического столкновения.
Момент столкновения кинетического ударника КА Deep Impact с ядром кометы Темпеля
И здесь на сцену вновь выходит космический аппарат Stardust, движущийся по гелиоцентрической орбите и обладающий достаточными запасами топлива. 2 июля 2007 года миссию переименовывают в NExT (New Exploration of Tempel 1, «Новое исследование Темпеля 1») и переводят на орбиту сближения с «торпедированной» кометой. 15 февраля 2011 года зонд пролетает всего в 182 километрах от ее ядра и получает 72 снимка, которые ученые ждали на протяжении без малого шести лет. Данные принимает сеть Дальней космической связи, и астрономы берут их в обработку. В тот же день они выступают с заявлением, что кратер от удара обнаружен! Его размер оценивается в 100–150 метров при глубине порядка 30 метров. Таким образом, долгая миссия «ловца кометной пыли» успешно завершилась. 24 марта 2011 года на борт аппарата Stardust, находящегося в 312 миллионах километров от Земли, была передана команда на выполнение последнего запуска двигателя для полного сжигания того мизерного количества топлива, что еще находилось в его баках и которого не хватило бы на выполнение новых научных задач. После чего, не имея возможности поддерживать ориентацию антенны на Землю, космический аппарат замолчал навсегда.
После успешного выполнения миссии Deep Impact в очередной раз было принято решение использовать частично работоспособный аппарат для других научных задач. Вернуться к своей первой цели и отснять результаты столкновения он не мог из-за огромных затрат топлива, ведь нужно иметь в виду, что движение в космосе происходит совсем не так, как мы ездим по дорогам на автомобилях – невозможно резко развернуться и поехать назад или в сторону. В июле 2005 года команда космического аппарата выбрала новую цель – короткопериодическую комету Боэтин (85D/Boethin)[52], сближающуюся с Землей. Для этого зонду необходимо было совершить гравитационный маневр вблизи Земли в декабре 2007 года, чтобы уже в следующем декабре пролететь всего в 700 километрах от ядра кометы. По традиции меняется и название миссии, теперь это EPOXI (Extrasolar Planet Observation and Deep Impact Extended Investigation, или «Наблюдение экзопланет и расширенное исследование миссии Deep Impact»). Да, название может сбить с толку. На самом деле дальнейшая научная программа была симбиозом двух предложенных научных задач по наблюдению и исследованию экзопланет из космоса (EPOCh) и сближению и изучению новых комет (DIXI).
Время «Икс» приближалось, но астрономы никак не могли отыскать свою цель: комета Боэтин не была видна с марта 1986 года, хотя ученые с высокой точностью знали ее орбиту, ведь наблюдательная дуга составляла 11 лет и комета наблюдалась уже в двух появлениях. В итоге ученым-баллистикам пришлось быстро искать новую цель, и за месяц до назначенного гравитационного маневра ею становится короткопериодическая комета Хартли (103P/Hartley). Такое решение было вынужденным и предполагало увеличение времени полета к комете до двух лет, с двумя гравитационными маневрами вместо одного. В итоге 4 ноября 2010 года космический аппарат успешно достиг своей цели, пролетел на расстоянии 700 километров от ядра кометы и передал на Землю потрясающие фотографии, на которых отчетливо видны величественные плюмажи выбросов от сублимации реликтовой углекислоты (CO2), образовавшейся еще на заре формирования нашей Солнечной системы. В 2012 году на своем пути к околоземному астероиду (163249) 2002 GT, которого он должен был достичь в начале 2020 года, зонд с большого расстояния провел наблюдения долгопериодической кометы C/2009 P1 (Garradd). К сожалению, намеченным планам не суждено было сбыться из-за потери связи в середине августа 2013 года, а 20 сентября того же года миссия была официально признана потерянной.
Ученые уже получили подробные сведения о внешнем виде и строении кометных ядер, проникнув своими космическими аппаратами за занавес кометной комы – но оставалась еще одна пока не решенная задача – посадка на поверхность кометы и прямое изучение ее грунта. Опыт уже был – в 2001 году автоматическая межпланетная станция NEAR Shoemaker произвела успешную мягкую посадку на поверхность околоземного астероида Эрос, а в 2005 году японский космический аппарат Hayabusa («Сапсан») совершил несколько попыток забора частичек грунта с околоземного астероида (25143) Итокава. Миссию преследовали постоянные технические проблемы, перипетии которых выходят за рамки этой книги, но в итоге, впервые в истории человечества, спускаемая капсула доставила астероидный грунт на Землю в 2010 году. Всего было собрано менее одного грамма вещества, но и его анализ дал новые научные результаты. Причем это вещество стало одним из самых дорогих на Земле, ведь его грамм стоил более 112 миллионов долларов США (стоимость космической миссии).
Работа над новым амбициозным «кометным» проектом в Европейском космическом агентстве (ЕКА) началась после успешного изучения кометы Галлея в ходе ее пролета 1986 года. Пять космических аппаратов получили множество научных данных, но все же они не ответили на вопрос о химическом составе ядра. В 1992 году пришло понимание, что задуманную миссию с доставкой образцов грунта на Землю из-за ограниченности бюджета ЕКА в одиночку не выполнить. Решение работать вместе было логичным. СССР распался, а его преемнику – Российской Федерации было явно не до этого, так что можно было не торопиться. В итоге новая космическая миссия была разделена с NASA, которое взялось за программу Comet Rendezvous Asteroid Flyby (CRAF, «Сближение с кометой и пролет астероида»). В ходе выполнения программы, как ясно из ее названия, предполагался близкий пролет одного из астероидов и сближение с кометой с выходом на орбиту вокруг ее ядра, а ЕКА занялось посадкой, взятием грунта и доставкой его на Землю – программа Comet Nucleus Sample Return (CNSR, «Возвращение образца ядра кометы»). Но в 1993 году как гром среди ясного неба прозвучало заявление NASA о выходе из программы из-за секвестирования бюджета, и европейцы вновь остались одни…
Они принимают решение упростить план будущей миссии: сблизиться с одним астероидом, после чего, впервые в истории, выйти на орбиту вокруг ядра кометы, но не доставлять грунт на Землю, а совершить мягкую посадку спускаемого аппарата на поверхность кометного ядра для его анализа на месте. Сам космический аппарат планировалось столкнуть с кометой – некий аналог миссии Deep Impact. Новая исследовательская программа получает имя Rosetta («Розетта»), в честь Розеттского камня, позволившего Жан-Франсуа Шампольону расшифровать древнеегипетские иероглифы. Небольшой спускаемый аппарат тоже получил собственное имя – Philae («Филы»), в честь острова на Ниле, на котором был найден древний обелиск с иероглифической надписью, также сыгравший большую роль в изучении наследия Древнего Египта.
Первоначальный план миссии предполагал сближение и исследование короткопериодической кометы Виртанена (46P/Wirtanen), открытой 7 января 1948 года американским астрономом Карлом Виртаненом в Ликской обсерватории (Калифорния, США), а старт был запланирован на 12 января 2003 года. В декабре 2002 года, когда все уже было готово, при запуске другого спутника произошел отказ двигателей ракеты-носителя «Ариан-5», аналогичной той, которая через несколько недель должна была выводить «Розетту» в космос. После обсуждений было решено не рисковать дорогостоящим космическим аппаратом, на который ушло не только много денег, но и времени. Старт отложили на год, а значит, необходимо было менять план всей миссии, поскольку полет к комете Виртанена уже стал невозможен из-за ее неудобного расположения. Исходя из баллистических расчетов и оптимизации полетной программы, новый выбор пал на комету Чурюмова – Герасименко (67P/Churyumov-Gerasimenko), открытую 20 сентября 1969 года советскими астрономами Климом Ивановичем Чурюмовым и Светланой Ивановной Герасименко на обсерватории «Каменское плато» (Алма-Ата, СССР, ныне Казахстан). Я лично познакомился с Климом Ивановичем летом 2014 года на конференции «Asteroids, Comets and Meteors 2014», проходящей в Хельсинки, когда до кульминации миссии оставались считаные месяцы и, безусловно, комета Чурюмова – Герасименко стала самой обсуждаемой темой симпозиума.
На поверхности кометы Чурюмова – Герасименко
Автоматическая межпланетная станция «Розетта» отправилась в космос 2 марта 2004 года – впереди ее ждал долгий путь длиной более десяти лет: три гравитационных маневра – два вблизи Земли и один у Марса, пролет астероида (2867) Штейнс в 2008 году, встреча с астероидом (21) Лютеция в 2010 году и прибытие к самой комете в первой половине 2014 года. В 2007-м произошел курьезный случай – «Розетту», сближавшуюся во второй раз с Землей, обнаружил телескоп обзора «Каталина», и ее приняли за новый околоземной астероид. Это открытие было подтверждено, и новому объекту даже успели присвоить астероидное обозначение 2007 VN84. Спустя двое суток российский ученый и популяризатор науки Денис Денисенко первым предположил, что новый объект есть не что иное, как выполняющая гравитационный маневр «Розетта». Но вернемся в 2014 год…
В августе космический аппарат сблизился с кометой и начал выход на орбиту вокруг своей цели. К 10 сентября этот процесс был успешно завершен – «Розетта» обращалась вокруг кометного ядра на удалении около 30 километров. Ученые начали выбирать место посадки и уточнять баллистические расчеты для спускаемого аппарата. 12 ноября «Филы» отделился от «Розетты» и медленно, со скоростью порядка одного метра в секунду – медленнее пешехода, отправился к своей terra incognita. Спуск или, точнее, сближение заняло семь часов, и вот небольшой аппарат наконец-то коснулся древней тверди космического тела. В этот момент, чтобы зафиксировать спускаемый аппарат на поверхности ядра, когда первая космическая скорость для него составляла всего один метр в секунду, должен был сработать прижимной двигатель. Трем бурам, размещенным в посадочных опорах, необходимо было углубиться в тело кометы, а помимо этого, для уверенной фиксации на поверхности, предусматривался выстрел двух гарпунов на двухметровых тросах. Все было продумано до мелочей, многократно тестировалось и перепроверялось на Земле. Но в самый важный момент все пошло не так. Прижимной двигатель не сработал, гарпуны не выстрелили… «Филы» два раза отскочил от поверхности и через два часа после первого контакта замер в тени огромной отвесной скалы, а значит, его солнечные батареи не вырабатывали энергию. Запаса аккумуляторов хватило на двое суток работы всех десяти научных приборов, в том числе на получение потрясающих снимков с поверхности космического странника – настоящего реликта Солнечной системы, и передачу полученных данных на «Розетту», которая, выступая в качестве ретранслятора, отправляла их на Землю.
Летом 2015 года «Филы» снова вышел на связь – свою роль сыграло изменение ориентации ядра кометы относительно Солнца и расстояние до источника энергии (комета прошла перигелий 13 августа 2015 года), но менее чем через месяц связь вновь была потеряна и теперь уже навсегда. 2 сентября 2016 года на кадрах высокого разрешения, полученных с борта «Розетты», которая продолжала свою научную программу на орбите вокруг ядра кометы, в том числе по картографированию поверхности, был обнаружен метровый корпус «Филы». Выяснилось, что спускаемый аппарат не только попал в трещину, но и лежит на боку.
К концу сентября все поставленные перед «Розеттой» научные задачи были успешно выполнены, а комета удалялась от Солнца в темноту дальнего космоса, где космический аппарат с солнечными батареями не может выжить. У команды ученых появилась идея ввести аппарат в спящий режим и попытаться связаться с ним через шесть лет, когда комета Чурюмова – Герасименко в очередной раз приблизится к перигелию, но были большие сомнения, что «Розетта» сможет перенести экстремальные условия дальнего космоса. В итоге было принято решение следовать первоначальному плану и отправить космическую станцию в последний полет – к ядру исследуемой кометы. 30 сентября 2016 года двигатели «Розетты» выдали импульс, и космический аппарат, разогнавшись до трех метров в секунду, пошел на сближение. Вплоть до самого удара о поверхность станция передавала снимки и научные данные о кометных гейзерах, вырывающихся из ядра. «Розетта» купалась в них, а они, как сирены, манили ее к себе…
Миссия «Розетты» и «Филы» до сих пор является вершиной научной программы по изучению комет. Она собрала огромный массив данных, которые все еще анализируются и применяются в новых статьях, моделях и теориях. Впервые у кометы было открыто магнитное поле, но «Филы» не смог обнаружить его непосредственно на поверхности кометы. Из этого ученые сделали вывод, что магнитное поле генерируется не ядром, а потоками солнечного ветра, обтекающими его. Было точно установлено, что вода, содержащаяся в комете, совсем не похожа на воду земных океанов, а значит, эти данные поднимают новые вопросы о появлении воды на юной Земле. Об этом мы еще обязательно поговорим. «Розетта» и «Филы» получили наиболее детальные и, безусловно, самые потрясающие снимки кометного ядра. Теперь мы знаем о нем пусть не все, но уже многое. Человечество прошло длинный путь понимания природы комет – от небесного огня до снимков с поверхности кометы. Оно смогло дотянуться, пусть пока манипуляторами роботов, до других космических миров. И это заслуживает уважения!