Астероиды - космические лилипуты
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Астероиды и Кометы
Кометы
О кометах
Страница: История изучения, Определение кометы (Part #1, Part #2), Природа и строение, Солнечные кометы (Part #1, Part #2), Кометы Главного пояса, Разрушение комет (Part #1, Part #2), Знаменитые странницы (Part #1, Part #2), Комета у Марса, Периодичные кометы;
Малые тела Солнечной системы

Космические исследователи комет

Комета на грани распада

    Следующей «хвостатой звездой», к которой отправилась автоматическая станция, стала комета Борелли (19P/Borelly) - с ней 22 сентября 2001 г. сблизился американский аппарат Deep Space I. Характеристики поверхности ее ядра в целом были похожи на измеренные 15-ю годами ранее у кометы Галлея (само ядро оказалось почти вдвое меньшим по размеру). В 2004 г. зонд Stardust пролетел всего в 240 км от кометы Вилда-2 (81Р/ Wild 2), при этом он не только проводил ее фотографирование и дистанционные исследования, но и с помощью специальной аэрогелевой ловушки взял образцы вещества из пылевого облака, окружающего ядро. Два года спустя эти образцы были успешно доставлены на Землю.
    Две последних кометы исследовал с близкого расстояния один и тот же космический аппарат Deep Impact. В июле 2005 г. он сбросил 372-килограммовый зонд Impactor на поверхность ядра кометы Темпеля-1 (9P/Tempel 1) и наблюдал последствия столкновения на скорости 10,2 км/с. Выделившаяся энергия составила 2х1010 Дж. При ударе образовался стометровый кратер глубиной 20-30 м. Выброшенное вещество изучалось дистанционно. Было установлено, что оно включает пылинки микронных размеров, смектиты, силикаты, сульфиды металлов и аморфный углерод, а также органические соединения - в частности, ароматические полициклические углеводороды. Средняя плотность ядра оказалась необычно низкой - меньше плотности воды (различные оценки давали значения от 0,2 до 1 г/см3).
    Спустя три года Deep Impact в рамках расширенной миссии ЕР0ХI перенаправили к комете Хартли-2 (103Р/Hartley 2), с которой он сблизился 4 ноября 2010 г.13 И здесь астрономов поджидал сюрприз: объект, запечатленный на снимках, явно находится в процессе «подготовки» к разделению на части. Кометное ядро имеет форму гантели с гладкой «шейкой» длиной около 400 м.
    Неправильная форма присуща ядрам всех исследованных комет. Форма, близкая к сферической, может возникнуть только тогда, когда масса объекта достаточно велика - кометам до этой массы очень далеко. Космические аппараты застали их в разных фазах активности (на разных расстояниях от Солнца). Несмотря на различие размеров, два ядра - комет Борелли и Хартли-2 - оказались похожи друг на друга своей «вытянутостью». Почти одинаково у них и значение альбедо: их поверхности отражают менее 3% падающих на них солнечных лучей, поэтому вблизи Солнца они сильно нагреваются, и тепло проникает внутрь ядер, что усиливает выделение летучих веществ. Ядро кометы Хартли-2 - самое маленькое из всех изученных космическими аппаратами кометных тел (его максимальный размер не превышает 2,2 км).

Ядра комет, сфотографированные с близкого расстояния, в одинаковом масштабе. Внизу указано название исследовавшего их аппарата.
ГИБЕЛЬ КОМЕТ

    Поскольку вращение ядра приводит к возникновению центробежных сил, было высказано предположение, что «шейка» гантели образовалась под их действием и что происходит ее медленное, но непрерывное удлинение, ведущее в конечном итоге к разделению ядра на фрагменты. В его узкой части находится сравнительно гладкий участок, резко отличающийся мелкой структурой покрывающего материала и не несущий на своей поверхности следов столкновений, что можно рассматривать как указание на его относительную молодость. Понятие «молодости» в случае кометных ядер, конечно, условно. Но на поверхности «шейки» ударные кратеры почти не заметны, в то время как на остальных частях «гантели» они хорошо видны.
    В ноябре 2010 г. были получены свидетельства значительных потерь вещества ядром кометы Хартли-2: за единицу времени оно выбрасывает в виде водяного пара столько же воды, сколько вдесятеро большая поверхность ядра кометы Темпеля-1, и в несколько раз больше газа и пыли. На снимках с высоким разрешением видны многочисленные снежинки и льдинки, покидающие кометное ядро. Косвенно на интенсивные потери летучих компонентов указывает уже упоминавшаяся чрезвычайно низкая отражательная способность поверхности.

Что удалось рассчитать

    Интересно проследить, как связаны геометрические характеристики и форма объекта с его динамической эволюцией. Ядро кометы Хартли-2 вращается вокруг оси, проходящей через центр масс. Вращение вызывает появление центробежных сил. Логично предположить, что за счет них происходит постепенное увеличения длины «шейки», которое должно завершиться распадом. Этому препятствует притяжение (гравитация) между частями ядра, а также замедление его вращения из-за удлинения согласно закону сохранения момента импульса и потерь на трение в материале «шейки». Поскольку размеры ядра и некоторые другие характеристики известны, можно провести необходимые расчеты, подтверждающие или опровергающие эту гипотезу, и предсказать вероятное развитие дальнейших событий.
    Даже такое небольшое тело, как кометное ядро, обладает огромной кинетической энергией орбитального движения. Другое дело - его вращение вокруг оси. Запас энергии вращающегося тела определяется его моментом инерции (размером, распределением массы) и квадратом скорости вращения. Ядро кометы Хартли-2 вращается медленно - с периодом 18,1 часов. При этом его энергия оказывается невелика - 480 МДж. Столько же выделяется при сгорании 25 литров автомобильного бензина. Но именно эта энергия, как показано ниже, определяет будущую эволюцию кометы.

Изображения ядра кометы Хартли-2 в разных положениях относительно аппарата Deep Impact показывают его сравнительно симметричную форму. На левом верхнем снимке затененная часть проступает на фоне газовых выбросов. Комета Хартли-2 выбрасывает струи водяного пара и других газообразных веществ, пыль, снежинки и льдинки, образующие хвост. Вращение ядра вызывает появление центробежных сил, которые создали удлиненную «шейку» и стремятся его разорвать. Им противостоят силы трения и гравитационные силы (взаимное притяжение крупных частей ядра). Эти силы невелики, но время их действия не ограничено.
ГИБЕЛЬ КОМЕТ

    Форма ядра близка к телу вращения с осью z, направленной вдоль его большой оси. Разумеется, это геометрическая ось, а не ось вращения. Вычисления объема ядра и других его характеристик получаются более наглядными, если условно разбить его на несколько связанных частей: первая - усеченный эллипсоид вращения, вторая - часть эллипсоида, отделенная плоскостью, пересекающей центр оси вращения в точке, где находится центр масс всего ядра. Фрагмент 3 - это два сложенных усеченных конуса с переменной плотностью, фрагмент 4 - усеченная сфера. Считается, что каждый из них образован телом вращения относительно оси z, что удобно для интегрирования. Как можно видеть, такая схема неплохо ложится на изображение ядра. Сведений о распределении плотности материала нет. Сделано допущение, что во всех фрагментах она одинакова, а в «шейке» линейно уменьшается до 60% от принятого значения. Размеры определялись по снимкам и составили для эллипсоида вращения 1360x990 м, диаметр усеченной сферы - 720 м, радиус при переходе к усеченному конусу - 305 м, диаметр узкого сечения «шейки» - 450 м. Диаметр в сечении, проходящем через вычисленное положение общего центра масс, равен 880 м.
    Суммарный объем ядра, таким образом, достигает миллиарда кубометров (точнее, 0,94х109 м3); его масса оценивается величиной Зх1011 кг. Средняя плотность материала ядра получается равной всего 320 кг/м3 (0,32 г/см3), что необычно мало даже для комет.
    Разброс значений средней плотности малых тел Солнечной системы очень велик. Базой для сравнения в какой-то мере могут быть плотности астероидов, к которым относятся и «вымершие» кометы. Среди исследованных тел достаточно типичной является плотность 1,8-2 г/см3 - как у марсианского спутника Фобоса. Известны объекты как с большими, так и с меньшими плотностями (например, для ядра кометы Темпеля-1 вычислено значение 0,62 г/см3). Но величина 0,32 г/см3 все же представляется необычно низкой и первоначально вызвала сомнения в правильности ее определения (такое предположение рассмотрено ниже).

Для расчетов ядро кометы Хартли-2, имеющее достаточно симметричную форму, было разбито на фрагменты 1-4, что делает результаты более наглядными. Считается, что плотность материала плавно уменьшается к узкой части шейки, но постоянна в других фрагментах.
ГИБЕЛЬ КОМЕТ

    Расчеты производились так, чтобы их результаты минимально зависели от принятой плотности. Однако она становится определяющей, если нужно найти силы и напряжения в материале разных частей ядра. При средней плотности 320 кг/м3 суммарные центробежные силы растяжения в сечении, проходящем через центр масс, составляют 1,23х106 Н, а соответствующие напряжения - 2,0 Н/м2. В наиболее узком сечении «шейки» силы почти такие же (1,15х106 Н), но напряжения в нем намного сильнее - 7,2 Н/м2. Центробежные силы тем больше, чем выше плотность материала, и прямо пропорциональны скорости вращения (один оборот за 18 часов, или около 10-5 с-1).
    В неплотной среде даже столь малые напряжения за длительное время в состоянии вызвать постепенное удлинение «шейки» и, в итоге, ее разрыв. Материал «шейки» точно не известен, но, поскольку плотность его мала и установлено, что ядро выбрасывает много водяного пара, можно предположить, что здесь он частично конденсируется в иней или рыхлый снег.
    В декабре 2010 г. был проведен следующий эксперимент: в свежевыпавший пушистый сухой снег воткнули вертикально расположенную сетку размерами 10х10 см с крупными ячейками и прикрепленной нитью, прилагавшей горизонтально направленное усилие 0,3 Н (груз массой 30 г, привязанный к нити, перекинутой через блок) - втрое больше по сравнению с рассчитанными выше напряжениями. Через два дня на поверхности снега над сеткой едва наметилось небольшое продольное углубление. К сожалению, на третий день температура повысилась до нуля по Цельсию и снег стал влажным, непригодным для дальнейших наблюдений. Можно предположить, что в условиях сухой, рыхлой, пористой среды даже такие небольшие усилия за достаточно длительное время могут вызывать ее смещения.
    Растяжению препятствуют усилия сжатия, определяемые суммарным притяжением фрагментов. В сечении, проходящем через центр масс, они достигают 3,0х106Н, а в наиболее узком сечении «шейки» - 1,0х106Н. В первом случае усилия втрое больше из-за близкого расположения притягивающихся масс. Соответствующие напряжения сжатия в «основном» сечении равны примерно 5 Н/м2, а в узком - около 6 Н/м2. В отличие от сил растяжения, силы сжатия, возникающие под действием гравитации, пропорциональны квадрату плотности материала.

Дальнейшая эволюция ядра кометы Хартли-2

    Сравнение полученных значений приводит к парадоксальному результату: если в «шейке» преобладают напряжения растяжения, то в сечении через центр масс - наоборот, напряжения сжатия, причем в первом случае превышение составляет 1,1 раза, а во втором - 2,4. Таким образом, вытянутая форма шейки действительно возникла не случайно. Ее правая часть и фрагмент 4 удерживаются только небольшими силами трения. На удаление последнего в гравитационном поле кометы будет израсходована основная часть энергии вращения ядра. Какая-то ее часть уйдет на преодоление трения в материале «шейки». Эта величина неизвестна, но если потери на трение составят 10%, энергия вращения будет полностью израсходована, когда фрагмент «остановится» на расстоянии 760 м; при потерях 50% - на расстоянии 316 м. При отсутствии потерь он может отойти на 920 м.
    Предсказать, когда произойдет разрыв, трудно, поскольку неизвестны механические свойства «шейки» ядра. Как уже отмечалось, процесс разрушения сопровождается замедлением вращения. Поэтому точные замеры скорости этого замедления на протяжении длительного интервала позволили бы предсказать вероятные временные рамки предстоящих событий. Но эта задача невыполнима, и не только потому, что малые размеры ядра кометы Хартли-2 не позволяют проводить подобные измерения дистанционно (в 2010 г. максимальный угол, под которым ядро было видно с Земли, составил всего 0,02 секунды - это меньше предела разрешения даже телескопа Hubble). Главная проблема заключается в том, что многочисленные газовые и пылевые выбросы беспорядочно изменяют период вращения, сокращая его или удлиняя. Нельзя не упомянуть также о том, что и орбитальный период кометы Хартли-2 не остается постоянным, так как на него влияют сближения с Юпитером. В 1971 г. комета прошла на расстоянии 0,085 а.е. от планеты-гиганта, в результате чего период ее обращения уменьшился с 7,92 до 6,12 лет. Более достоверными могли бы стать предсказания распада на основе измерений удлинения кометного ядра.
    Выше отмечалось, что низкая плотность кометы Хартли-2 могла быть определена ошибочно. Однако если предположить, что плотность ядра выше (например, если она равна плотности воды - 103 кг/м3), возникают другие противоречия. Во-первых, чтобы появилась «шейка», период вращения кометы меньше 7 часов, что очень маловероятно: во-вторых, при такой плотности должны преобладать силы сжатия, а это, в свою очередь, также противоречит наблюдаемому образованию «шейки». Следовательно, средняя плотность ядра действительно близка к 300-320 кг/м3, а значит, в настоящее время оно находится в стадии разрушения и, по-видимому, удерживается в целостности только силами трения в узкой части «шейки». После возможного распада и при отсутствии внешних возмущений два образовавшихся фрагмента продолжат вращаться вокруг общего центра масс на расстоянии менее 1 км.

«Шейка» астероида Итокава

    Ядро кометы Борелли похоже своей вытянутостью на Хартли-2, только оно в 4 раза длиннее. Но ее снимки были сделаны с большего расстояния, и различить на поверхности ядра подробности, предоставляющие достаточно данных для расчетов, не удается. Зато участок, напоминающий «шейку» кометы Хартли-2, можно увидеть на снимках астероида Итокава (25143 Itokawa) - небесного тела другого класса. Следует ли ожидать разрушения этого астероида?

Астероид Итокава, исследованный в 2005 г. японским космическим аппаратом «Хаябуса». В центральной части виден гладкий «пояс», напоминающий «шейку» ядра кометы Хартли-2.
ГИБЕЛЬ КОМЕТ

    Итокава имеет неправильную форму, и подобрать для него простые геометрические подобия затруднительно. Размеры этого небесного тела - всего 535x294x209 м. По длине астероид настолько мал, что его можно было бы, например, уложить на Красную площадь (расстояние от Исторического музея до собора Василия Блаженного - 695 м). В отличие от кометы Хартли-2, средняя плотность Итокавы - почти 2х103 кг/ м3, а его поверхность на порядок светлее. В перигелии этот объект оказывается внутри земной орбиты, а в афелии уходит на 100 млн км за орбиту Марса.

На схеме показаны орбиты всех малых тел и их положение в момент пролета космических аппаратов либо на протяжении периода исследований (Эрос, Итокава, Веста).
ГИБЕЛЬ КОМЕТ

    Район «перетяжки», напоминающий «шейку» кометы Хартли-2, виден в середине астероида. Интересно было провести расчет напряжений, как в случае ядра кометы, и определить, насколько он устойчив к центробежным силам - тем более, что период его вращения в полтора раза короче (а возникающие центробежные силы - в 2,2 раза больше). Но благодаря более высокой плотности значительно большими должны быть и «сдерживающие» силы гравитации.

ГИБЕЛЬ КОМЕТ

    Упрощенную геометрию частей астероида все же удалось подобрать. Расчетная схема получилась сложной - она включает небольшую среднюю часть и два трехосных эллипсоида. Главные оси эллипсоидов образуют угол 62°.
    Несмотря на небольшой объем, полная масса астероида довольно велика - 3,51* 1010 кг (треть массы ядра кометы Хартли-2) - и распределяется между его большими частями в отношении 3:1. Результаты расчета показали, что состояние Итокавы устойчиво. Силы сжатия от суммарного гравитационного взаимодействия всех фрагментов, отнесенные к сечению XY, составляют 3,4*105 Н, соответствующее напряжение - 20 Н/м2. Центробежные силы растяжения в сечении XY равны 6xl05 Н, напряжение - 3,55 Н/м2 (в 5 раз меньше сжатия). Из-за угла, под которым наклонены оси, наибольшие напряжения растяжения в сечении XY на самом деле несколько выше, но ненамного. Иными словами, эволюция астероида Итокава к катастрофе не приведет - если, конечно, не произойдет его столкновения с каким-нибудь другим телом. Стоит упомянуть, что суммарный момент инерции этого «небесного камня» из-за его малых размеров примерно в тысячу раз меньше, чем у кометы Хартли-2. Количество энергии, «запасенной» во вращении астероида, не достигает и 10 млн Дж - меньше, чем в литре автомобильного бензина.

Сложная форма астероида Итокава затрудняет вычисления, но выполнение расчетов возможно на основе упрощенной схемы, включающей два трехосных эллипсоида (1, 2) и небольшую среднюю часть (3). Напряжения от центробежных сил в сечении XY в 5 раз меньше напряжений сжатия. Итокава не разрушается.
ГИБЕЛЬ КОМЕТ

    Кометы и астероиды представляют собой чрезвычайно интересные объекты для ученых, поскольку они сохранили вещество, оставшееся со времени формирования Солнечной системы, а затем продолжали «сбор» пыли и газа из межпланетной среды. Ядра комет хранят следы первичных процессов планетообразования, а в их составе в значительной мере присутствуют исходные материалы, вошедшие затем в состав всех планет и малых тел семейства Солнца. Как объекты непосредственных исследований, они лишь недавно стали доступны астрономам. Кометные ядра по-своему эволюционируют, причем происходит это здесь и сейчас. Что же касается устойчивости их форм и целостности - эти объекты разрушаются тем легче, чем меньше их средняя плотность, которая в данном случае важнее, чем их размеры. Вычурные формы малых тел - астероидов и ядер комет - объясняются чрезвычайно сложной историей их образования. Запутанная повесть о происхождении Солнечной системы в наши дни начинает обрастать удивительными подробностями. Таковы результаты детальных исследований небесных тел, развития теоретических представлений об их формировании и поступления все новых наблюдательных данных.


Слушать кирилл дмитриев.
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru