Кристаллическая пыль, которая входит в состав комет, образуется при вспышках молодых звёзд. Такое случалось и с Солнцем в его ранней молодости. А к месту образования комет пыль прилетает как корабль на воздушной подушке, только «поднимает» её давление не воздуха, а излучения самой пыли.

Кометы, большинство из которых прилетают к нам с далёких окраин Солнечной системы, в чём-то похожи на жареное мороженое, только наоборот. Во льдах, которые никогда не подвергались нагреву выше, примерно, 100 градусов Кельвина (–173 градуса по шкале Цельсия) в огромном количестве присутствуют пылевые частицы, требующие для своего образования очень высоких температур, например, кристаллические силикаты, в первую очередь оливины

Чужой прокрался к Солнцу

В межзвёздном веществе, из которого образовалось Солнце и вся Солнечная система включая кометы, те же оливины присутствуют в некристаллической (аморфной) форме, где порядок молекул нарушен и они нагромождены в самых разных взаимных конфигурациях. Более того, считается, что мелкие кристаллики, даже образовавшись, не могут долго прожить в газо-пылевых облаках: кристаллическую структуру быстро разрушают высокоэнергичные кванты света и беспорядочно снующие по Галактике заряженные частицы – космические лучи. В кометах-то их защищают слои твёрдого вещества, в которые они сами, вместе с газом, смерзаются.

Отсюда кажется очевидным вывод, что кристаллические силикаты должны каким-то образом появляться уже в момент образования Солнечной системы и планетных систем вокруг других звёзд.

Образуются они благодаря своего рода прокаливанию, отжигу, аморфных частичек, при котором молекулы разрушают беспорядочные связи друг с другом, а потом при образовании новых связей выстраиваются в «правильном» кристаллическом порядке.

Такое прокаливание могло бы происходить, к примеру, при вспышках на молодых звёздах, которые вообще подвержены вспышечной активности. Когда звезда только образуются, она до поры до времени растёт медленной аккрецией – выпадением вещества из газопылевого диска, в который превращается исходное облако, на звёздный зародыш. При этом высвобождается энергия, и, когда в результате какой-нибудь неустойчивости темп аккреции резко увеличивается, звезда вспыхивает, диск прогревается – и может происходить отжиг оливинов. Потом каким-то образом кристаллики должны выноситься в далёкие, холодные области аккреционного диска, где впоследствии образуются кометы.

Однако до сих пор все эти рассуждения были лишь умозрительной моделью. Авторам письма, опубликованного в сегодняшнем номере Nature, удалось показать, что это происходит в действительности.

Учёные под руководством Атиллы Юхаса из Института астрономии общества имени Макса Планка в немецком Гейдельберге изучили последствия вспышки, произошедшей на молодой звезде EX Волка (EX Lupi) в январе 2008 года, когда блеск звезды поднялся более чем в 100 раз. Астрономы полагают, что причиной такого события как раз стала какая-то неустойчивость в диске, вылившаяся в резкое увеличение темпов выпадения вещества на поверхность звезды.

Инфракрасный спектр звезды, полученный после вспышки, сильно отличался от такового, полученного в ходе программы изучения молодых звёзд телескопом имени Спитцера тремя годами ранее.

В частности, в спектре появились линии кристаллической формы форстерита – магниевой соли ортокремниевой кислоты, Mg₂SiO₄.

Точно такие же линии прежде находили в спектрах многих комет. И судя по спектру, до вспышки этот минерал присутствовал здесь лишь в аморфной фазе.

Лабораторные эксперименты показывают, что для такой трансформации требуется совсем немного времени, от нескольких секунд до часов, при условиях, характерных для внутренних слоёв аккреционного диска. Поскольку диск постоянно перемешивается, его вещество постепенно обогащается оливинами в кристаллической форме. Считается, что это вещество способствует, в том числе, образованию твёрдых планет, которые появляются как раз там, где происходит кристаллизация.

Однако кометы конденсируются в ещё более удалённых областях аккреционного диска. Как кристаллики добираются туда?

На этот счёт существует несколько теорий, но все они на поверку сталкиваются с определёнными трудностями: реализуются ли условия, при которых эти механизмы становятся эффективными, не ясно.

Дежан Винкович из хорватского Университета Сплита, автор второй публикации в том же номере Nature, показал, что учёные до сих пор не замечали один простой и эффективный механизм, который должен работать в любом случае.

Чем-то механизм Винковича напоминает катер на воздушной подушке. Только вместо давления воздуха работает давление света.

«Разгонный двигатель», который перемещает частицы во внешние области аккреционного диска – свет самой формирующейся звезды. А над аккреционным диском, который экранирует свет звезды и не даёт ему ускорять пылинки, их поднимает инфракрасное излучение диска. В итоге частичка постоянно разгоняется вдоль верхней (или нижней) границы диска.

Перенос заканчивается тогда, когда кристаллики забираются в достаточно холодные области диска, которые большую часть энергии излучают в электромагнитных волнах с длиной большей, чем размер частицы. При этом кристаллик теряет способность эффективно перехватывать их энергию и импульс (волны будто «огибают» его, не замечая препятствия) и падает обратно в диск.

Правда, как показывают расчёты, теория Винковича может объяснить лишь перенос достаточно крупных кристалликов, размером не менее 1 микрона. Кроме того, из логики следует, что должна наблюдаться некоторая радиальная сегрегация частиц: мелкие кристаллики будут выпадать из процесса переноса ближе к звезде, чем крупные, которые в итоге доберутся дальше. Проверить эти предсказания смогут лишь дополнительные наблюдения.

Чужой прокрался к Солнцу

Комета, которая сейчас оказывается рядом с Землёй каждые пять лет, могла появиться в другой системе, у другой звезды. На это указывает уникальный химический состав кометы Мачхольца-1, говорит американский астроном. Проверить гипотезу можно будет уже в 2012 году, когда комета вновь приблизится к Солнцу. Правда, сначала придётся поискать свидетельства внесолнечного происхождения, которые проверка могла бы подтвердить или опровергнуть.

Астрономы, которые изучают происхождение Солнца и его планет, своими лучшими помощниками считают многочисленные кометы, курсирующие по всей Солнечной системе. Эти глыбы льда и пыли слишком малы и рыхлы, чтобы расплавить свои недра и перемешать в них то реликтовое вещество, из которого сформировалась наша планетная семья. В самих планетах, расплавившись, оно давно разделилось на отдельные слои и оболочки.

Когда кометы приближаются к Солнцу, внешние слои кометных ядер начинают испаряться, формируя так называемые комы – гигантские облака пыли и газа, из которых выходят классические кометные хвосты. Этот момент как нельзя хорошо подходит, чтобы направить на комету телескоп и с помощью спектрального анализа отражённого ей света выяснить, из чего состояло то газопылевое облако, из которого вышли Солнце, Земля и каждый из нас.

Однако комета Мачхольца-1, которой посвящена статья в последнем номере Astronomical Journal, может стать другом тех учёных, кого прошлое других звёзд интересует больше, чем происхождение собственной.

комета Мачхольца-1 – первый пример «чужой» кометы, зародившейся рядом с другой звездой, потерянной ею и в дальнейшем захваченной Солнечной системой.

На это указывает совершенно необычный химический состав уникальной кометы.

Изучение химического состава позволило учёным разделить кометы на два класса. В хвостах большинства комет на каждую молекулу двухатомного углерода C₂ приходятся несколько сотен гидроксильных групп OH, по которым измеряется общее количество испарившегося водяного льда. Примесей циана – молекул CN – в кометном льду примерно столько же, сколько и C₂, трёхатомных молекул C₃ – в несколько раз меньше. И такой состав держится с приличной по меркам астрономии точностью – вероятно, вещество, из которого 4,5 миллиарда лет назад образовалось большинство комет, было неплохо перемешано.

Однако ещё в середине 1920-х годов русский астроном и белый эмигрант Николай Фёдорович Бобровников, работая в американской Йеркской обсерватории, обнаружил, что комета Джакобини – Циннера резко отличается от всех остальных – C₂ в ней было в несколько раз меньше, чем циана. Позднее были обнаружены и другие кометы подобного состава, содержание многоатомного углерода в которых в несколько раз (а то и десятков раз) ниже нормы

Как планеты кометы местами поменяли

По современным представлениям, кометы облака Оорта, которые сейчас большую часть времени проводят на далёких окраинах Солнечной системы, на деле зародились ближе комет пояса Койпера. Их родина – между орбитами планет-гигантов, от Юпитера до Нептуна. И эти же гигантские тела, согласно результатам компьютерного моделирования, уже в первые миллионы лет вытолкнули все местные кометы на вытянутые орбиты за счёт так называемого «эффекта пращи», подобного гравитационным манёврам в поле тяготения планет, которыми сейчас разгоняют межпланетные аппараты.

По вытянутым траекториям большинство комет облака Оорта движутся до сих пор, за десятки и сотни тысяч лет своего орбитального периода лишь на какие-то десятилетия заглядывая во внутренние области Солнечной системы; увидеть их – большая удача. И лишь некоторые из ледяных глыб, попав в резонанс с Юпитером, вернулись к Солнцу и сели на короткопериодические орбиты, с которых также легко могут слететь под притяжением той же планеты.

Судьба комет в поясе Койпера, где нет крупных планет, не так драматична. По большей части они остались там же, где и зародились, за теми же редкими исключениями, что попали в резонанс с Юпитером. И хотя его гравитация может без проблем переключить комету из одной категории в другую (сначала призвав во внутренние области, а затем отправив во внешние), большинство жителей двух кометных резервуаров сохранили память о своей родине – в том числе и в химическом составе.

Анализ орбит бедных углеродными молекулами небесных тел показал, что все они когда-то были «извлечены» притяжением Юпитера из так называемого пояса Койпера – «бублика» из орбит комет, карликовых планет и мелких астероидов, в дырку от которого как раз помещаются орбиты восьми больших планет Солнечной системы. А вот большинство комет с «типичным» химическим составом, судя по всему, происходят из куда более обширного резервуара, так называемого облака Оорта – почти сфероидального роя комет, орбиты которых простираются на тысячи и десятки тысяч астрономических единиц (средних расстояний от Земли до Солнца). Судя по всему, отличия химического состава – память о разных условиях образования комет в двух резервуарах (см. врез).

Объект, открытый 12 мая 1986 года калифорнийским астрономом-любителем Дональдом Мачхольцем, не похож ни на «типичные» кометы, ни на их бедных углеродными молекулами далёких родственниц.

Как планеты кометы местами поменяли

Комета Мачхольца-1 (96P) – довольно яркое небесное тело, которое, тем не менее, долго ждало своего открытия, поскольку в перигелии очень близко (втрое ближе Меркурия) подходит к Солнцу и в максимуме блеска теряется на фоне светила. Кроме того, далеко не всегда условия наблюдения с Земли в этот момент оказываются благоприятными.

Удачным оказалось лишь четвёртое после открытия возвращение кометы к перигелию. 12 мая 2007 года, ровно через 21 год после открытия, астроном Дэвид Шлейхер получил спектр объекта с помощью 1,1-метрового телескопа имени Джона Холла Ловелловской обсерватории. По словам Шлейхера, спектр тут же привлёк его внимание. Присутствие циана в нём было практически незаметным, и лишь специальный анализ позволил уловить его следы и измерить концентрацию молекул CN в голове и хвосте кометы.

«Ядовитой» молекулы (её прекурсором является синильная кислота) в Мачхольце-1 оказалось в 70 раз ниже нормы! В 8 и 20 раз меньше, чем положено, оказалось молекул C₂ и C₃. При этом никакого недостатка азота в этом веществе не наблюдалось – например, примесей молекул NH в кометном льде оказалось даже чуть больше среднего. В результате на астрономических диаграммах она оказалась в стороне от всех остальных небесных тел своего класса. А ощущения астрономов, когда они видят такие диаграммы, сродни тем, что испытывает географ, обнаружив вдруг на карте родной Воронеж где-нибудь в южном полушарии.

До сих пор была известна лишь одна комета с подобными свойства – комета Янаки, открытая японцем Тэцуо Янакой в 1988 году. В её спектре вовсе не удалось обнаружить следов ни циана CN, ни двухатомного углерода C₂. Однако комета Янаки пролетела и ушла обратно на окраину Солнечной системы. А комета Мачхольца-1 возвращается каждые 5 лет и 3 месяца, и изучать её совершенно необходимо, уверен Шлейхер.

По словам учёного, могут быть лишь три объяснения необычному составу, которые можно условно назвать «из пламени», «из льда» и «издалека».

Самое тривиальное – «пламенное» – объяснение состоит в том, что синильная кислота, из которой получается циан, просто-напросто преимущественно испарилась с поверхности – именно из-за частых и очень тесных сближений с Солнцем. Вместе с тем Шлейхер считает это объяснение маловероятным. Компьютерные расчёты в наши дни позволяют достаточно уверенно говорить, сколько времени та или иная комета провела на короткопериодической орбите. И никакой зависимости между этим временем и содержанием углерода и циана найти не удалось. Даже почти разрушенные объекты вроде кометы д'Арреста по химическому составу никак не отличаются от всех остальных. Кроме того, без объяснения остаётся и несоответствие между аномалиями содержания различных молекул.

Не проходит и объяснение, условно названное «из льда», – имеется в виду чем-то особенного льда, образовывавшегося в одном из регионов молодой Солнечной системы. Во-первых, никаких свидетельств столь грандиозной сегрегации элементов в реликтовом газопылевом облаке нет – даже объекты пояса Койпера отличаются от объектов облака Оорта не так уж сильно, а по содержанию циана – вовсе ничем не выделяются.

Поэтому учёный склоняется к самому волнующему объяснению: комета Мачхольца-1 (как, вероятно, и комета Янаки) – пришелица из других миров, от какой-то другой звезды.

Если планетные системы, подобные Солнечной, штука в Галактике распространённая, то и многие другие звёзды должны окружать аналоги нашего облака Оорта. Как показывают расчёты, сближения звёзд друг с другом дестабилизируют орбиты комет, и часть из них оказываются бродягами, которые потом свободно путешествуют от звезды к звезде. Когда-то такая комета пролетела недалеко от Солнца и, что очень важно, Юпитера, который «завернул» гастролёршу на орбиту вокруг нашей звезды, теоретизирует Шлейхер.

Такой экзотический вариант разом объясняет и необычную орбиту объекта, и его удивительный химический состав. Комета Мачхольца-1 – одна из наиболее близко подходящих к звезде «нормальных» комет, а многие «кометы SOHO», которые умудряются забраться ещё ближе, на деле могут быть фрагментами Мачхольца-1, отколовшимися за долгие годы её движения по орбите. При захвате свободного объекта Юпитером такие траектории вполне возможны, хотя Шлейхер отдельно и не считал, насколько они вероятны.

Что же касается химического состава, то здесь объяснение ещё проще. «У другой звезды – другой состав», – говорит учёный. Смущает, правда, то обстоятельство, что таким образом можно объяснить любую химию. А это уже не очень похоже на науку.

«Рассвет» улетел в прошлое

Космический аппарат Dawn («Рассвет») отправился в небывалый полёт сразу к двум малым планетам. Данные, собранные за те полгода, что он пробудет спутником каждой из них, позволят переписать учебники по астрономии, считают планетологи из NASA.

В четверг на рассвете с космодрома на мысе Канаверал во Флориде стартовал космический аппарат Dawn, с помощью которого учёные надеются понять, как 4,5 миллиарда лет назад сформировалась Солнечная система такой, какой мы её знаем. Но если астрономам только предстоит узнать много нового, то инженеры NASA уже получили немало удовольствия в ходе проектирования и постройки аппарата. Dawn – первый космический корабль, который будет подробно изучать сразу два астероида, по полгода поработав спутником каждого из них.

Цели аппарата – Веста и Церера – две малых планеты из пояса астероидов, расположенного между орбитами Юпитера и Марса. Они тоже в некотором роде рекордсмены и очень непохожи друг на друга. Если Веста – самый яркий на земном небе астероид – чем-то похожа на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс), то Церера – самое крупное тело пояса астероидов – скорее напоминает большие спутники планет-гигантов. Учёные уверены, что сравнение двух астероидов поможет понять детали происхождения обоих классов небесных тел.

Ракета-носитель Delta II оторвалась от земли в 07:34 по времени восточного побережья США (15:34 мск), и к 08:31 (16:31 мск) разгонный блок аппарата вывел Dawn на траекторию, которая через полтора года – в марте 2009 года – приведёт его к Марсу. Цель этого сближения – использовать притяжение планеты, чтобы отправить космический корабль ещё дальше, сэкономив при этом топливо, которое пригодится для перелёта от Весты к Церере. Ещё через полтора года – в сентябре 2011 года – Dawn окажется рядом со своей первой целью, Вестой, и выйдет на орбиту вокруг астероида, на которой пробудет ещё полгода. Это будет первый в истории освоения космоса пример «околоастероидной» орбиты.

Ионный двигатель аппарата Dawn

Чтобы совершить все необходимые манёвры и поставить все запланированные рекорды аппарату потребуется надёжный и экономичный двигатель, способный чётко отработать в космосе восемь лет, ведь большую часть полёта аппарат проведёт с включённым двигателем. Инженеры NASA решили поставить на Dawn три ионных двигателя. Они не будут работать одновременно, однако три двигателя необходимы, чтобы обеспечивать правильное ориентирование корабля и регулировать направление полёта.

Каждый двигатель развивает тягу всего в десять граммов, однако за 2100 дней работы они передадут космическому аппарату такой же импульс, что и все двигатели ракеты-носителя Delta II и разгоные блоки вместе взятые. При том что на это уйдёт всего около 400 кг топлива – точнее, расходного материала, в качестве которого выступает ксенон – инертный газ, ионы которого ускоряются вырабатываемым солнечными батареями электричеством до скоростей в десятки раз больших тех, что достижимы для химических ракет.

В апреле космический аппарат покинет Весту и начнёт трёхлетнее путешествие на другой конец пояса астероидов, где в феврале 2015 года встретится с Церерой и так же выйдет на орбиту вокруг крупнейшего из известных малых тел Солнечной системы. Здесь он и доработает до конца своей миссии, запланированного на июль того же года.

Веста и Церера были выбраны в качестве цели путешествия совсем не случайно. Обе они – самые массивные объекты пояса астероидов, обе были открыты одними из первых и обе станут первыми малыми планетами с искусственным спутником, однако на этом сходство заканчивается.

Веста – каменный астероид неправильной формы размерами примерно 578x560x458 километров. На поверхности заметны следы выхода лавы из недр, и учёные полагают, что поверхность Весты представляет собой «кору» из застывших миллиарды лет назад базальтов. На этой поверхности находится гигантский кратер диаметром почти во всю планету (460 км) и глубиной около 13 км.

Представьте себе Тихий океан, который стал вдесятеро глубже, – примерно таковы относительные масштабы образования.

Столкновение с неизвестным телом в далёком прошлом Солнечной системы выбило с поверхности сотую часть полной массы астероида, и астрономы всерьёз полагают, что каждый двадцатый метеорит, который мы находим на Земле, – это один из осколков древнего катаклизма

Молодость Цереры прошла куда менее буйно, как и полагается по статусу почти полноценной планете. Это крупнейшее тело пояса астероидов круглой, чуть сплюснутой формы (975 км на 909 км), характеристики которого даже позволили отнести его к созданной в прошлом году категории карликовых планет. Единственный, кстати, объект из внутренних областей Солнечной системы, попавший в компанию к разжалованному из планет Плутону.

Предполагается, что устройство Цереры больше похоже на устройство полноценных планет и крупных спутников планет-гигантов – в далёком прошлом, когда астероид был ещё разбавлен, более плотное вещество опустилось к ядру, а наружные слои составляют более лёгкие материалы. Судя по плотности Цереры, которая была измерена ранее, среди этих лёгких материалов должна быть и вода (точнее, лёд), из которого Церера состоит на четверть. Это также сближает карликовую планету со спутниками планет-гигантов – например, спутник Юпитера Европа состоит изо льда почти целиком. Возможно также, что на полюсах Цереры находятся массивные полярные шапки из водяного льда.

Научные инструменты аппарата Dawn

Для подробного исследования Весты, Цереры и всего, что попадётся по пути, на борту аппарата Dawn находятся три научных инструмента, разработанных в Европе и США.

Основная фотографическая камера (FC) была сделана в Германии специалистами из Института исследований Солнечной системы общества имени Макса Планка, Института исследования планет Германского аэрокосмического центра и Брауншвейгского университета. Две одинаковые камеры, страхующие друг друга, работают в семи фильтрах оптического и ближнего инфракрасного диапазона и имеют фокусное расстояние в 150 мм при относительном отверстии 1:7.9. Именно эта камера возвратит на Землю подробные снимки астероидов в 2011-2015 годах, а её основным научным назначением станет исследование минерального состава поверхности Весты.

Для той же цели предназначен и также разработанный в Европе панорамный спектрограф оптического и инфракрасного диапазона (VIMS). Этот прибор является модификацией инструментов, которые ESA установило на свои запущенные в космос ранее аппараты Rosetta и Venus Express. Каждый «фотоснимок», получаемый камерой, на самом деле содержит информацию о спектральном составе излучения в каждом пикселе, для чего используются более 400 узких спектральных полос. Аппарат предоставлен Итальянским космическим агентством (ASI) и был сделан специалистами Национального института астрофизики Италии и фирмой Galileo Avionica.

Наконец, инструмент, который заглянет под поверхность обоих астероидов – это детектор гамма-излучения и нейтронов. Разработанный Лос-Аламосской национальной лабораторией США, прибор использует 21 детектор с очень широким полем зрения. Широкое поле зрения делает вряд ли возможным создание хоть сколько-нибудь приличных изображений, однако эти детекторы способны улавливать нейтроны и гамма-лучи – как отражённые от поверхности планеты, так и пришедшие из её недр. По энергетическому спектру обоих видов излучения учёные смогут установить, какие вещества находятся в недрах планеты и в каком количестве – например, они позволят понять, сколько водяного льда находится под поверхностью Цереры.

Учёные надеются, что исследование таких непохожих друг на друга малых планет позволит лучше понять происхождение нормальных планет Солнечной системы, в том числе Земли. По современным представлениям, планеты образовались около 4,5 миллиардов лет назад, когда небольшие каменные и ледяные глыбы, плотным роем обращавшиеся вокруг Солнца, начали постепенно слипаться во всё более и более крупные тела.

В конечном итоге из них образовались нормальные планеты, каждая из которых доминирует на своей орбите. Однако объектам, составлявшим пояс астероидов, не повезло: притяжение крупнейшей планеты Солнечной системы, Юпитера, помешало кому-либо из них собрать достаточную массу, чтобы стать единственным центром силы в своих окрестностях. С тех пор эти неудавшиеся планеты летают по близким орбитам, иногда сталкиваясь друг с другом и то дробясь, то вновь слипаясь.

По словам руководителей проекта, данные, собранные аппаратом Dawn, позволят переписать учебники по планетологии и монографии по образованию Земли и других планет. Так что написанное абзацем выше может оказаться чушью. Подождём до 2015 года.

Артем Тунцов: Пыль на световой подушке

Чужой прокрался к Солнцу

Как планеты кометы местами поменяли

«Рассвет» улетел в прошлое

Ионный двигатель аппарата Dawn

Научные инструменты аппарата Dawn