Почему кометы вспыхивают и гаснут

В конце апреля астрономы Северного полушария ожидали появления на вечернем небе кометы C/2021 O3 (PanSTARRS), которой предстояло выйти из-за Солнца и даже стать видимой невооруженным глазом. Многочисленные наблюдатели наводили свои телескопы в то место, где должна была находиться «хвостатая звезда»… но лишь на снимках, сделанных на сумеречном небе с помощью 4-метрового рефлектора Лоуэлловской обсерватории, удалось рассмотреть слабую туманность 9-й звездной величины — на 5 величин (в сотню раз!) слабее, чем предполагалось.

Тем временем значительно более слабая короткопериодическая комета Хонды-Мркоса-Пайдушаковой (45P/Honda-Mrkos-Pajdušáková), известная тем, что в двух своих прошлых возвращениях в 2011 и 2017 годах пролетала недалеко от Земли, тоже показалась из-за Солнца. В этот раз ее отделяло от нас вполне солидное расстояние порядка 1,5 а.е., и астрономы вполне обоснованно предполагали, что она останется слабым объектом, доступным лишь мощным инструментам. Однако в середине мая сразу несколько наблюдателей отметили резкое увеличение ее блеска почти до 7-й величины вместо предсказанной 10-й, то есть примерно в 15 раз.

Сложный нрав «хвостатых звезд»

О причинах вспышек и угасаний комет астрономы могут пока только догадываться. Космические аппараты уже сближались с восемью «хвостатыми звездами» и передали снимки ядер шести из них, но лишь вблизи одной — кометы Чурюмова-Герасименко (67P/Churyumov-Gerasimenko) — зонд Rosetta находился достаточно долго, чтобы зарегистрировать протекание нестационарных процессов в кометном ядре. К сожалению, за все время его работы никаких значимых «вспышечных» событий с этой кометой не произошло.

Первые вспышки комет начали замечать во второй половине XVIII века, когда астрономы развернули регулярные наблюдения этих объектов. В ноябре 1892 года была открыта комета Холмса (17P/Holmes), причем, как уже известно, это произошло во время одного из ее знаменитых «взрывов» — иначе сложно назвать события, при которых яркость небесного тела за несколько часов возрастает почти на 10 звездных величин, то есть в несколько тысяч раз. 24 октября 2007 года ее видимый блеск неожиданно поднялся с 14,5ᵐ до 2,8ᵐ (т.е. ее излучение усилилось в 48 тыс. раз), и комета стала видна невооруженным глазом как «лишняя» звезда в созвездии Персея. Позже выброшенное при вспышке газовое облако расширилось, превратившись в удивительную светящуюся «медузу».

На снимках с длительной экспозицией вспышка кометы Холмса 2007 года выглядела как настоящий взрыв. Источник: Ivan Eder

«Взрывы» кометы Холмса происходят нерегулярно и непредсказуемо, как и меньшие по масштабам вспышки других «хвостатых звезд», случающиеся еще реже. Лишь в последние десятилетия ученые получили в свое распоряжение достаточно мощные средства наблюдения и статистический материал, позволяющие сделать предположения о том, что же может быть причиной подобных явлений.

Причины кометных «фейерверков»

Основную часть времени кометы проводят на удаленных от Солнца участках своих орбит. Главные события в их «жизни» начинаются в процессе приближения к светилу и прохождения перигелия. Кометные ядра прогреваются, летучие вещества, входящие в их состав, начинают интенсивно испаряться. Тут-то и начинаются сюрпризы, поскольку эти вещества имеют сильно отличающуюся температуру кипения: если водяной лед в вакууме начинает испаряться (сублимироваться) при 0°C, то аммиаку с углекислым газом такого сильного «нагрева» уже не требуется, а метан, угарный газ и сероводород вообще переходят в газовую фазу в условиях глубокого холода. Если в ледяной глыбе присутствует включение, например, метана, оно может испариться и разорвать окружающий лед, вызвав быстрый массивный выброс газа.

Не стоит также забывать, что, кроме летучих веществ, в кометных ядрах присутствует еще и пыль — мелкие частицы минералов и высококипящих органических соединений. Поскольку массы комет обычно невелики, их гравитация не препятствует тому, чтобы эта пыль улетала в космическое пространство вместе с газами. Если орбита «хвостатой звезды» проходит неподалеку от земной, выброшенные пылинки могут попасть в атмосферу нашей планеты, формируя метеорный поток. Но если пыли в комете окажется слишком много, она начинает вести себя по-другому.

В условиях космического вакуума даже при небольшом нагреве пылинки легко слипаются, образуя достаточно плотную корку поверх отдельных участков или даже всего кометного ядра. С одной стороны, эта корка почти черная, благодаря чему интенсивно поглощает солнечный свет и еще сильнее нагревается. С другой стороны — ее теплопроводность довольно низкая. Однако летучие вещества под ней все равно постепенно испаряются, и в какой-то момент давление образовавшихся газов «прорывает» корку. Образовавшиеся газовые струи (джеты) неоднократно регистрировал аппарат Rosetta. Ученые предполагают, что более масштабные события такого типа могут иметь следствием резкий рост общего блеска кометы.

Похожий результат может иметь и столкновение кометного ядра с небольшим «небесным камнем». Это предположение исследователи уже проверили экспериментально. 4 июля 2005 года американский космический аппарат Deep Impact сбросил на комету Темпеля-1 (9P/Tempel) 370-килограммовый медный снаряд, врезавшийся в нее со скоростью 10,3 км/с. Через несколько часов после удара наземные наблюдатели зарегистрировали увеличение общего блеска кометы на полторы звездных величины, то есть примерно вчетверо.

Вспышка кометы Темпеля-1 после попадания в нее 370-килограммового снаряда, сфотографированная основным аппаратом Deep Impact

Однако планетологи называют и более экзотические причины кометных вспышек. Некоторые из них происходят вдали от Солнца, где слишком мало энергии для «питания» столь масштабных событий. Следовательно, вся необходимая энергия должна быть запасена в кометном ядре. Считается, что водяной лед в нем присутствует в аморфной форме, и время от времени по не совсем понятным причинам он может начать превращаться в кристаллическую модификацию — ту, к которой мы привыкли в земных условиях. Энергетика этого процесса достаточно высока, чтобы объяснить некоторые «кометные фейерверки». Но не все.

Существует также предположение, что в составе кометных ядер присутствуют обычные взрывчатые вещества. Они образуются там за миллиарды лет воздействия космических лучей и высокоэнергетического излучения, расщепляющих на атомы молекулы воды. Образующийся водород, как более легкий и летучий элемент, быстро «ускользает» в окружающее пространство, а кислород вдали от Солнца остается в замерзшем виде. Однако в кометах содержатся также органические соединения, главным компонентом которых является углерод. Смеси такой органики с жидким кислородом в технике известны как оксиликвиты и могут быть использованы в качестве простейшей взрывчатки.

Космический аппарат Rosetta сбрасывает зонд Philae на ядро кометы Чурюмова-Герасименко (компьютерная симуляция). Источник: ESA

Подтвердить или опровергнуть эту гипотезу мог посадочный аппарат Philae, сброшенный зондом Rosetta на ядро кометы Чурюмова-Герасименко. Однако он совершил посадку в незапланированном месте и не смог эффективно выполнить свою научную программу.

Когда кометы гаснут

Самая распространенная причина угасания кометы — полный распад ее ядра. Такое уже наблюдалось неоднократно, исторически первым примером стала яркая комета Биэлы (3D/Biela), начавшая распадаться в 1846 году, а к 1866-му этот процесс в основном завершился, и от «хвостатой звезды» остался на память только метеорный поток Андромедид. Очень часто кометы распадаются во время тесных сближений с Солнцем: его мощное излучение вызывает сильный нагрев и почти взрывообразное испарение летучих веществ.

Распад ядра кометы Швассмана-Вахмана-3 в апреле 2006 года. Видео составлено на основе снимков телескопа Hubble

Впрочем, возможен и другой вариант, когда ядро остается в целостности, но его летучая компонента со временем исчерпывается, и оно теряет способность формировать кому и хвост — главные признаки кометы. В отличие от распада, относящегося к необратимым процессам, здесь еще возможно дальнейшее «оживление». Например, если где-то в глубине пластов пыли остались включения водяного, углекислотного или метанового льда, они могут в определенный момент «прогреться» и начать испаряться. Также их может «извлечь на поверхность» столкновение ядра с метеоритом. В большинстве случаев это будет наблюдаться с Земли как вспышка.

Если концентрация нелетучих соединений в кометном ядре велика, его «запечатывание» пылью может произойти даже при первом «подлете» к Солнцу. Нечто подобное произошло, например, с кометой Остина весной 1990 года. Вместо того, чтобы достичь предсказанной нулевой звездной величины и стать ярким объектом вечернего неба, она едва дотянула до 4-й и наблюдалась с большим трудом. Спектры этого небесного тела указывали на сильную запыленность комы. Вероятно, основная часть пылинок осталась на поверхности ядра, образовала теплоизолирующую корку и существенно ослабила испарение летучих веществ.

Дальнейшие исследования

«Погасшие» кометы, двигающиеся по короткопериодическим орбитам, являются прекрасными целями для космических аппаратов. В 2024 году Японское агентство космических исследований JAXA собирается организовать миссию DESTINY к астероиду Фаэтон (3200 Phaethon) — родительскому телу мощного метеорного потока Геминид — для проверки его кометной природы. Это будет пролетная миссия, не предусматривающая отправки на астероид посадочного аппарата.

Еще более интересным объектом является необычная комета Швассмана-Вахмана-1 (29P/Schwassmann-Wachmann). Ее орбита близка к круговой и полностью лежит за пределами орбиты Юпитера — в области пространства, где большинство «хвостатых звезд» заметной активности не проявляют. Но эта комета умудряется вспыхивать в среднем более 7 раз в год, причем рост ее блеска может достигать 5 звездных величин. Причина такого «неспокойного» поведения пока остается загадкой для астрономов. Известно, что ядро 29P/Schwassmann-Wachmann имеет размер порядка 60 км, и вокруг своей оси оно вращается исключительно медленно, делая один оборот за 57 суток. При вспышках из ядра выбрасываются значительные количества пыли.

Развитие вспышки кометы Швассмана-Вахмана-1 с 16 июня по 28 июня 2013 года. Источник: Damian Peach

Первые предложения отправить к комете Швассмана-Вахмана-1 автоматический разведчик появились еще в 1987 году. Наконец, в 2019-м NASA приняла к рассмотрению проект Chimera с датой старта в 2025-2026 годах, предполагающий выход зонда на орбиту вокруг этой кометы. К сожалению, проект сильно затормозился из-за пандемии COVID-19 и теперь имеет довольно мало шансов на реализацию. Однако научное сообщество продолжает его продвигать ввиду потенциальной ценности полученной информации для дальнейших исследований малых тел Солнечной системы.

Конечно, существенную роль в подобных исследованиях играют любительские наблюдения. Часто именно непрофессиональные астрономы первыми замечают вспышки комет и сообщают о них, привлекая к ним всеобщее внимание. А в наше время, когда любители имеют доступ к чувствительным ПЗС-матрицам и достаточно мощным телескопам в режиме удаленного доступа, ценность получаемых ими данных многократно возрастает. Иногда они качественно дополняют информацию, передаваемую космическими аппаратами — как это было, например, в ходе миссии Deep Impact. Причем это не единственный и, очевидно, не последний пример такого сотрудничества.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!

Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine

Как обнаружить дипфейки: астрономы предлагают искать отблеск звезд в глазах
Космический корабль Starliner разглядели в телескоп во время стыковки с МКС: фото
12 световых лет от Земли: James Webb сфотографировал экзопланету у близкой звезды
Следующий удар будет последним: микрометеороид пробил корпус космического телескопа стоимостью 800 млн долларов
Китайский зонд нашел на Луне воду
Прошлое воскресенье оказалось самым жарким днем ​​в истории Земли
Как от Земли до Луны: астрофотограф запечатлел огромный протуберанец
Изображение от украинского любителя стало фото дня в NASA
«Срезать путь» до Венеры: JUICE готовится к историческому двойному пролету Луны и Земли
Опасность для астронавтов: лекарства испортятся при путешествии на Марс