Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра

Иванов Борис Федорович

Во-первых, это экспедиция Stardust, организованная НАСА. В рамках этой экспедиции исследовалась комета Вильда 2 (81P/Wild 2). Это периодическая комета c периодом обращения вокруг Солнца, равным 6,1 года. Комета была открыта относительно недавно — 6 января 1978 г. Ее открыл швейцарский астроном Пауль Вильд, работающий в Бернской университетской обсерватории. Интересна орбита этой кометы, точнее ее эволюция. 9 сентября 1974 г. комета имела очень тесное сближение с Юпитером; в этот момент комета сблизилась с Юпитером на расстояние 0,006 а.е. В результате этого сближения орбита кометы изменилась. Если до сближения с Юпитером комета двигалась по орбите с перигелийным расстоянием, равным 5 а.е., то в результате сближения комета была переброшена на орбиту с перигелийным расстоянием, равным 1,5 а.е. На рис. 4.11 приведены орбиты кометы Вильда 2 до и после сближения с Юпитером.

2 января 2004 г. КА проекта Stardust пролетел на расстоянии 236 км от ядра кометы. Ядро кометы Вильда 2 оказалось неправильной формы. На изображениях кометы имеются остроконечные

пики высотой 100 м и кратеры глубиной более 150 м. Размеры ядра равны 1,65 x 2,00 x 2,75 км (приведенные значения соответствуют осям ядра при аппроксимации его трехосным эллипсоидом). Размер самого большого кратера, получившего название «Left Foot» («Левая ступня») из-за своеобразной формы, равен 1 км, что составляет пятую часть всего диаметра ядра кометы. Немного меньший размер имеет другой кратер, названный «Right Foot» (см. рис. 4.12 на вклейке).

^{Рис. 4.11. Эволюция орбиты кометы Вильда 2 (рисунок подготовлен с помощью «Электронного каталога орбит комет» [Бондаренко, 2009])}

Кроме того, на поверхности ядра было обнаружено большое количество активных областей — источников интенсивной сублимации вещества, и джетов — струй газа, выбрасываемых их этих областей. Интенсивность и скорость истечения вещества в отдельных джетах была столь велика, что их можно было сравнить со струями воды, вытекающими из мощного брандспойта. Эти джеты были серьезным испытанием и проверкой на прочность для КА. В момент сближения аппарат подвергся бомбардировке частицами, вылетающими с поверхности ядра кометы. 12 таких частиц пробили верхний слой защитного экрана КА. Однако аппарат уцелел и получил уникальную информацию о пылинках, вылетающих с поверхности ядра. КА был снабжен устройствами, позволяющими улавливать космические и кометные пылинки. Для изготовления этого устройства было использовано специальное вещество очень низкой плотности — пористое стекло, плотность которого примерно в 1000 раз меньше плотности обычного стекла. Применение этого вещества, названного авторами аэрогелем, позволяло улавливать частицы, движущиеся с очень большой скоростью. Несмотря на сложности, миссия была успешно выполнена, и капсула с кометными и межзвездными пылинками благополучно вернулась на Землю 15 января 2005 г. После вскрытия капсулы на Земле были обнаружены сотни частиц. Анализ найденных в аэрогеле кометных частиц показал, что в них присутствуют «высокотемпературные» материалы, т. е. соединения, образовавшиеся в результате нагрева до температуры свыше тысячи градусов. Этот факт говорит о том, что ядра комет представляют собой смесь компонентов, сформировавшихся в различных областях Солнечной системы, как на ее периферии, так и вблизи центра. Космический аппарат проекта Stardust и установленные на нем приборы оказались столь надежными, что было решено продолжить эту миссию. КА был переориентирован на полет к комете Темпеля 1 (9P/Tempel 1). Предполагается, что в 2011 г. КА сблизится с ядром этой кометы и сфотографирует искусственный кратер на ее ядре, образовавшийся вследствие удара снаряда-ударника, запущенного с КА миссии Deep Impact.

Deep Impact — это первая космическая миссия для изучения внутреннего строения ядра кометы и исследования состава ее поверхности. Для реализации задач полета была выбрана комета Темпеля 1. Космический аппарат к комете Темпеля 1 был запущен 12 января 2005 г. Для достижения кометы потребовалось 174 дня, за которые было преодолено 429 млн км. 3 июля 2005 г. КА приблизился к орбите кометы, после чего от него отделился снаряд-ударник (наполовину состоящий из меди), который спустя сутки столкнулся с кометой. Снаряд имел массу 370 кг и двигался относительно кометы со скоростью 10,3 км/с, кинетическая энергия столкновения составила 1,96 10¹⁰ Дж. В результате столкновения из ядра кометы произошел

выброс вещества, а на его поверхности образовался кратер. Размеры кратера не были измерены непосредственно из-за большого количества пыли в выбросе [A’Hearn et al., 2005]. Полагают, что диаметр кратера равен 110 м, а глубина — 27 м. Снимки показывают (рис. 4.13 а), что поверхность ядра кометы покрыта несколькими десятками кольцевых структур размерами от нескольких десятков до нескольких сотен метров явно ударного характера. Их количество и общее распределение согласуются с ударными кратерами на поверхностях других тел Солнечной системы.

Период вращения ядра вокруг собственной оси равен 41 ч. Форму ядра полностью определить не удалось из-за его медленного вращения и большой относительной скорости КА. Размеры ядра оцениваются эллипсоидом вращения с полуосями 7,6 и 4,9 км. Результаты наблюдений кометы после столкновения во многом оказались неожиданными. Главная неожиданность этой миссии — большой выброс вещества после столкновения с ядром кометы (рис. 4.13 б). Нельзя исключить, что объяснением этому может служить гипотеза Э. М. Дробышевского, согласно которой в ядре кометы в результате электролиза могут накапливаться газы — молекулы кислорода и водорода. В результате внешних воздействий эта смесь может взорваться, что и наблюдалось после столкновения ударника с поверхностью ядра кометы Темпеля 1. Существуют и другие объяснения этому большому

выбросу вещества, сводящиеся к особенностям верхнего и внутреннего слоев ядра кометы.

^{Рис. 4.13. Изображение кометы Темпеля 1: а) на снимке ядро кометы за 60 с до столкновения; б) снимок сделан в момент столкновения (www.nasa.gov)}

Следующим проектом исследования кометы с близкого расстояния является проект Rosetta. КА Rosetta стартовал 2 марта 2004 г. к ядру короткопериодической кометы Чурюмова — Герасименко (67P/Churyumov — Gerasimenko). Эта комета была открыта 9 сентября 1969 г. К. И. Чурюмовым и С. И. Герасименко. Как и в случае кометы Вильда 2, эта комета за 10 лет до открытия имела тесное сближение с Юпитером, в результате чего перигелийное расстояние кометы уменьшилось более чем в два раза — с 2,8 до 1,3 а.е. Кроме того, уменьшился наклон орбиты кометы к плоскости эклиптики (рис. 4.14). Поэтому полет к этой комете оказался энергетически выгодным.

^{Рис. 4.14. Эволюция орбиты кометы Чурюмова — Герасименко (рисунок подготовлен с помощью «Электронного каталога орбит комет» [Бондаренко, 2009])}

Полет к комете представляет собой целый ряд гравитационных маневров, в результате которых КА набирает скорость в результате сближений с Землей и Марсом. Сейчас аппарат совершает свой второй оборот вокруг Солнца. В конце первого оборота КА пролетел вблизи Земли, совершив первый гравитационный маневр. 26 марта 2007 г. аппарат пролетел вблизи Марса, получив от него второй ускоряющий импульс, а затем опять вблизи Земли. В результате этой серии гравитационных маневров КА вышел на орбиту, позволившую ему достигнуть пояса астероидов. 5 сентября 2008 г. КА приблизился к астероиду (2867) Штейнс и передал на Землю его изображение. В ноябре 2009 г. КА вновь вернулся к Земле и, совершив свой четвертый гравитационный маневр, перешел на траекторию встречи с кометой Чурюмова — Герасименко. 10 июля 2010 г. КА пролетит вблизи крупного астероида (21) Лютеция и исследует его. После сближения КА с астероидом Лютеция все приборы будут переведены в ожидающий режим почти на 4 года до подлета к ядру кометы. В мае 2014 г. скорость КА относительно ядра кометы будет уменьшена до 2 м/с и КА перейдет на орбиту искусственного спутника ядра кометы со средним расстоянием от него 25 км. В ноябре 2014 г. должен произойти самый сложный этап проекта — посадка спускаемого модуля. На модуле установлен целый ряд приборов, позволяющих исследовать химический состав и физические свойства кометного ядра. В момент посадки будет выброшен специальный гарпун, который будет решать несколько задач. Во-первых, он будет служить своеобразным якорем для закрепления аппарата на поверхности ядра, во-вторых, с его помощью планируется исследовать вещество, которое находится под поверхностным слоем ядра. С посадочного модуля данные будут передаваться на основной аппарат проекта Rosetta, а затем с помощью радиотелескопа будут передаваться на Землю. Предполагается, что при проведении этих исследований будут получены уникальные данные, позволяющие существенным образом пополнить наши знания о кометах.

4.4. Орбитальные параметры комет

… Теперь известны нам Комет пути крутые, что внушали Всем ужас. Мы отныне не трепещем При появленьи бородатых звезд. Э. Галлей. «Ода Ньютону»

Если орбиты большинства астероидов имеют умеренные значения эксцентриситетов и наклонов, то большинство комет имеет вытянутые орбиты со значительными эксцентриситетами, вплоть до почти параболических с эксцентриситетом, близким к единице, и даже слабогиперболических с эксцентриситетами, немного превышающими единицу. Главным параметром, по которому обычно наблюдаемые кометы разделяют на группы, является их период обращения вокруг Солнца или большая полуось, которые связаны третьим законом Кеплера:

2a^3/2 = kP,

где a — большая полуось в а.е., P — период обращения в сутках, k = 0,01720209895 (постоянная Гаусса), масса кометы не учитывается вследствие ее чрезвычайной малости.

По этому критерию кометы подразделяются на короткопериодические (P < 200 лет) и долгопериодические (P > 200 лет). В основе такого деления лежит то обстоятельство, что за последние 200 лет, в течение которых кометы наблюдаются очень активно, короткопериодические кометы имели возможность наблюдаться в нескольких появлениях. Но и по динамическим характеристикам имеется различие между этими классами комет. Для читателя, знакомого с современной теорией динамических систем, укажем, что в движении короткопериодических комет, несмотря на возможные сближения с планетами, сохраняются регулярные свойства на определенных интервалах времени, а движение долгопериодических комет похоже на случайный процесс диффузионного типа.