В последнее время все только и говорят о кометах. Действительно ли к Солнцу приближается самая крупная комета, когда-либо зафиксированная? И представляет ли она опасность для Земли? В фильме «Не смотрите вверх» показана угроза… Naked Science расскажет, из чего состоит комета: где ее голова, где хвост, и где заканчиваются голливудские фантазии.
Прямо сейчас к Солнцу направляется огромная комета Бернардинелли—Бернштейна, также известная как C/2014 UN 271. Астрономы уже давно предполагали, что эта хвостатая комета, открытая в 2014 году, имеет необычайно большие размеры. Теперь же они измерили диаметр ее ядра с помощью радиотелескопа ALMA и получили ни много ни мало 137 ± 17 километров. Это огромная цифра: типичные кометные ядра измеряются единицами или первыми десятками километров. Таких больших комет человечество еще не видело, если не считать объекта Хирон из группы кентавров, обнаружена ледяной мир, находящийся на орбите между Юпитером и Нептуном. Однако, классифицировать этот объект как комету или астероид — задача непростая, вероятно, речь идет о чем-то промежуточном. Ранее самым крупным из известных был кометный объект Хейла—Боппа, имевший ядро диаметром приблизительно 74 километра.
Любители астрономических явлений, которым исполнилось больше тридцати лет, наверняка помнят, насколько впечатляюще выглядела комета Хейла—Боппа в 1997 году. Этот огромный объект с хвостом затмил всех ночных светил, за исключением Венеры и Луны. Для тех, кто не успел увидеть это зрелище, не стоит расстраиваться: у них есть шанс стать свидетелями ближайшего появления на небе кометы Галлея в 2061 году.
Комета Бернардинелли—Бернштейна, к сожалению, не порадует нас зрелищным проявлением неземной красоты. В 2031 году она удалится от Солнца на расстояние 11 астрономических единиц (а. е.), не достигнув даже орбиты Сатурна. Для справки, одна астрономическая единица соответствует расстоянию от Земли до Солнца, которое составляет 150 миллионов километров).
Это также говорит о том, что гость из космоса не представляет опасности для Земли. Это весьма обнадеживает, поскольку объект диаметром 140 километров мог бы уничтожить всю жизнь на планете, за исключением, возможно, бактерий, живущих в глубоких слоях земной коры. К счастью, столкновения с такими крупными объектами происходили лишь в эпоху формирования Земли, когда Солнечная система была переполнена обломками. Таким образом, по-настоящему удивительно не то, что мы избежали столкновения на этот раз, а то, что столь огромная комета вообще приблизилась к нашей планете.
Из чего они сделаны
Комета – это ледяной объект, который время от времени приближается к Солнцу, начинает испаряться и формирует хвост.
Комета, удаляясь от Солнца, представляет собой «ледяной астероид» — плотный объект диаметром несколько километров (иногда до десятков километров), лишенный атмосферы и, соответственно, хвоста. Ее нередко называют комком грязного снега, поскольку она состоит преимущественно изо льда, причем не только водяного. Помимо замерзшей воды, в ее состав входят не менее замерзшие аммиак, метан и углекислый газ.
Вода, тем не менее, является основным компонентом. Существует предположение, что даже аммиачный и другие «неводные» льды в кометах могут находиться в форме гидратов — соединений, содержащих воду. Данная гипотеза более убедительно объясняет спектральные характеристики комет по сравнению с простой моделью, где экзотические льды присутствуют в чистом виде.
Никакой загадочности в большом количестве воды не наблюдается, поскольку H 2Кислород — самое распространенное многоэлементное соединение во Вселенной. Это связано с тем, что он образуется из водорода, составляющего 77% космоса, и кислорода, занимающего третье место по распространенности (на втором месте находится гелий, который не склонен к образованию химических связей). К слову, ученые-планетологи продолжают дискутировать о роли комет, падавших на молодую Землю, в формировании океанов. Согласно некоторым данным, мы можем быть благодарны этим небесным телам как минимум за треть воды на нашей планете.
Помимо ледяных компонентов, в кометах присутствуют силикатные породы в разнообразных формах: от дисперсной пыли до крупных каменных обломков. Занимательным элементом кометного состава является органическое вещество. Преимущественно это простые соединения, такие как уже названный метан или циановодород (HCN). Однако встречаются и более сложные вещества. Так, целых 45 процентов твердых частиц, отловленных зондом «Розетта» в атмосфере кометы Чурюмова—Герасименко, представляли собой органику, и в основном сложную. Кометы могли сыграть свою роль в поставках на древнюю Землю органического субстрата, из которого зародилась жизнь.
Металлы также входят в состав комет, хотя и в незначительных объемах. В современном фильме «Не смотрите вверх» (который ошибочно перевели как «Не смотрите наверх»), хвостатое небесное тело предстает как источник редких металлов, необходимых для электронной промышленности. Техномиллиардер стремится завладеть этим ресурсом, и эта затея не приводит ни к чему хорошему для Земли. В действительности, магнатам, заинтересованным в добыче металлов, не стоит возлагать надежды на кометы, гораздо продуктивнее будет обратить внимание на некоторые астероиды. А еще лучше — освоить эффективную переработку отходов, но это уже совсем другая тема.
Как вырастить хвост
Когда комета приближается к Солнцу, лед, составляющий её структуру, начинает испаряться под воздействием солнечного света. Мощный поток газов увлекает за собой и пыль. «Ледяной астероид» превращается в ядро кометы, окутанное атмосферой — комой. Ядро и кома — это голова кометы, а вот хвоста у нее пока еще нет.
Обычно кометы начинают проявлять активность на расстоянии примерно в 10 астрономических единиц от Солнца. Комета Бернардинелли—Бернштейна стала исключением: первые признаки выброса газов были зафиксированы уже на расстоянии 24 а. е. Это связано с тем, что она обладает очень большими размерами. Кроме того, вероятно, это ее первое приближение к Солнцу, и запасы льда только начинают иссякать.
На удалении 3–4 астрономических единиц от Солнца начинается формирование хвоста кометы. Это вещество комы, которое под воздействием солнечного света вытягивается в направленный от Солнца поток. Длина хвоста кометы может достигать десятков и даже сотен миллионов километров. Несмотря на свою видимость, он настолько разрежен, что с точки зрения земного инженера напоминает глубокий вакуум, поэтому астрономы называют кометные хвосты «видимым ничто». В такой разреженной среде каждый атом существует независимо. Поглощая фотон солнечного света, он не взаимодействует с другими атомами, а излучает фотон, идентичный по своим характеристикам. Именно таким образом свет возникает из пустоты. Существуют, однако, и более сложные, пока еще не до конца понятые процессы, приводящие к свечению.
Облачное хранилище
В базе данных В каталоге Лаборатории реактивного движения NASA насчитывается более 3600 комет. Данные регулярно обновляются, поскольку новые кометы могут быть обнаружены даже с помощью любительских телескопов, а профессиональные системы наблюдения за небом открывают их в большом количестве.
Из более чем 2800 обнаруженных комет почти 80% являются долгопериодическими, что означает, что они совершают полный оборот вокруг Солнца за период, превышающий 200 лет. Часто этот период составляет десятки и сотни тысяч лет. Эти кометы прибывают из малоизученных областей Солнечной системы.
Около 800 других комет имеют короткий период обращения. Наиболее быстрая из них – комета Энке, совершающая оборот вокруг Солнца чуть более чем за три года. В то время как, например, комета Галлея, двигающаяся более медленно, тратит на один оборот 76 лет. Предполагается, что все кометы с коротким периодом обращения когда-то были долгопериодическими, однако их траектории были изменены гравитационным воздействием планет-гигантов, что привело к их удержанию вблизи Солнца. Эти кометы разделены на группы, названные в честь планет, которые их «захватили»: семейство Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.
Множество небольших ледяных тел располагаются на границах системы Солнца. Однако, практически ни одно из них не приближается даже к орбите Нептуна. Что вызывает изменение направления движения ядра будущей кометы и отправляет его в стремительное путешествие к звезде?
Изначально полагалось, что причиной этого явления является столкновение ядер комет. Однако подобное взаимодействие может лишь сократить большую полуось орбиты, которая также является средним расстоянием до Солнца, но не способно её увеличить. Орбиты комет с длительным периодом обращения характеризуются чрезвычайно вытянутой и протяженной формой. Таким образом, место происхождения комет находится на огромном расстоянии от нашей звезды.
Так в построениях теоретиков родилось облако Оорта, области, простирающиеся от тысяч до сотен тысяч астрономических единиц от звезды, содержат кометные ядра, которые лишь слабо взаимодействуют с ней. Их орбиты могут быть нарушены не только из-за столкновений между собой, но и, например, из-за гравитационного воздействия проходящей мимо звезды.
Облако Оорта остаётся невидимым для наблюдений. Ни один телескоп не способен различить эти небольшие и холодные объекты, находящиеся на таком огромном удалении. Его существование — это предположение, которое призвано объяснить появление комет с очень длинными периодами обращения. И в последние годы эта гипотеза подвергается сомнению.
Пояс Койпера, расположенный значительно ближе к Солнцу (в пределах десятков астрономических единиц), следует за рассеянным диском. Эти области содержат не только небольшие объекты, потенциальные ядра комет, но и крупные тела, способные гравитационно влиять на будущие кометы. Это воздействие может существенно изменить орбиту, и объект, изначально находящийся на расстоянии 50 астрономических единиц, может казаться прилетевшим из гипотетического облака Оорта. В свете этого, некоторые ученые предлагают использовать принцип Оккама и отказаться от существования этого облака. Однако, большинство специалистов пока не готовы к столь смелому решению.
Как умирают кометы
Всё преходяще, как под Луной, так и над ней. Даже кометы не вечны: они возникают, но и со временем исчезают.
Процесс старения комет понятен: кома и хвост формируются из вещества ядра, которое испаряется. Этот процесс неизбежен, поскольку все испаряющееся вещество со временем полностью исчезает.
В 1986 году к комете Галлея приблизились советские аппараты «Вега-1» и «Вега-2», а также европейский «Джотто». Было установлено, что ядро кометы имеет черный цвет, подобный свежему асфальту, отражая лишь 4 процента падающего света. Эта ледяная глыба впечатляет! Всего за время наблюдений комета 32 раза обращалась вокруг Солнца (первые записи о ней датируются 467 годом до нашей эры). По мере испарения льда, смешанная с ним пыль оседала на поверхности, в конечном итоге формируя плотную корку. Она могла бы защищать лед от дальнейшего испарения, если бы была цельной, без дефектов (что, конечно, не так). События происходили в момент максимального сближения с Солнцем, поэтому поверхность ядра была нагрета почти до 90 градусов Цельсия. Ежесекундно небесное тело теряло 45 тонн газа и 5–8 тонн пыли. При такой скорости потери самая известная комета продержится еще примерно 1300 оборотов. Если до этого она не разрушится, превратившись в метеорный поток, как это часто случается с рыхлыми «комьями снега». В случае сохранения целостности тугоплавкого остатка ядра, он перейдет в категорию вымерших комет, которые отличаются от астероидов лишь своей богатой историей.
Угроза с неба
Гораздо менее вероятный, но более эффектный способ гибели кометы — столкновение с планетой. Прямые наблюдения такого события астрономам доводилось совершать лишь однажды: в 1994 году фрагменты кометы Шумейкера—Леви упали на Юпитер. В 2009 году наблюдатели также зафиксировали в атмосфере планеты-гиганта нечто, напоминающее след от недавнего удара, однако сам момент столкновения на этот раз не был зафиксирован.
Падение комет на Землю происходило, и, вероятно, имело место в исторический период. Существует предположение, что Тунгусское тело представляло собой часть кометного ядра. Несмотря на мощный взрыв, эквивалентный 10 мегатоннам, который повалил лес на значительное расстояние, кратер и обломки метеорита так и не были найдены. Это объяснимо падением «комы грязного снега», но сложно представить, чтобы это был каменный астероид. Более того, направление прилетевшего метеорита совпадает с радиантом метеорного потока Таурид, который связан с кометой Энке.
В фильме «Не смотрите вверх» к Земле надвигается комета с ядром диаметром 9 километров. Процесс ее обнаружения и вычисление орбиты представлены с большим количеством неточностей, но это можно простить. Авторы с пафосом называют эту комету «убийцей планет» и предупреждают, что она приведет к уничтожению «всего живого». Ученые пытаются убедить общество в необходимости хотя бы попытаться уничтожить ее, но общество… оно таково. Из хаоса управленческих решений появляется проект техномиллиардера. Он планирует отправить к комете роботов, которые разрушат ее ядро на 30 фрагментов. После этого каждый робот (значительно превосходящий человека по размеру) захватит свой фрагмент кометы и аккуратно сбросит его на Землю. Там уже можно будет извлечь неизвестные металлы, взятые из кометы. Роботов, к слову, разрабатывают и создают всего за несколько месяцев (в этот момент у тех, кто знаком с реальными сроками подготовки космических миссий, начинается нервная реакция).
Предпринятая попытка заканчивается неудачей: комета не поддается дроблению. Бесполезны и вымышленные «квантовые взрыватели», и «ядерные реакции, исследованные в CERN» (какие именно реакции? На борту частных дронов были установлены ядерные бомбы, или в CERN обнаружили ядерные реакции в ледяной структуре?). Когда неразрушенная комета достигает Земли, это приводит к землетрясениям и извержениям вулканов по всему миру.
Падение объекта длиной девять километров спровоцирует мощные цунами и, вероятно, масштабные пожары. В дальнейшем возможно наступление условий, схожих с ядерной зимой. Это, в общих чертах, сценарий вымирания динозавров, согласно астероидной гипотезе. Последствия покажутся значительными, однако речь не идет о полном уничтожении жизни на Земле. Землетрясение произойдет лишь одно и будет ограничено зоной удара. Вулканическая активность не будет затронута.
Ключевым моментом является то, что тридцатая часть девятикилометрового ядра кометы, при условии его сферической формы, будет обладать диаметром почти три километра. При расчетах необходимо делить на 30 именно объем, а не диаметр, хотя, очевидно, в Голливуде не всегда учитываются школьные знания геометрии. Такой массивный объект будет перемещаться со скоростью, достигающей десятков километров в секунду. И как робот, размеры которого составляют несколько метров, мог бы «удержать и посадить» это? Возможно, настолько креативным разработчикам не следует поручать создание не только летающих роботов, но и обычных кухонных табуретов. В целом, Вселенная гораздо сложнее и увлекательнее, чем плод фантазии. Оторвите взгляд от экрана и посмотрите на небо. Там, вдалеке, есть кометы.