Кометы. Странники Солнечной системы

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.