Знание-сила, 2005 № 11 (941)

Тайны далеких комет

Лето 2005 года очередной День Независимости США был отмечен космическим фейерверком. Автоматический зонд «Deep Impact» обстрелял комету. Миллиарды лет Земля была мешен ью для астероидов и комет (см. «Знание — сила», 2/05,12/02).

И вот «империя землян» впервые наносит ответный удар. Эффектный «расстрел» кометы символизировал нашу готовность постоять за себя.

Этот эксперимент стал одним из главных научных событий уходящего года.

Лишь из выпусков новостей, посвященных ему, многие узнали, как мало нам известно о кометах.

С давних пор люди примечают кометы. Их легко различить на небосводе по длинному газово-пылевому хвосту. Как сказано в словаре В. И. Даля, иногда у кометы «заметно ядро, а окружная среда образует как бы хвост, бороду или космы». Этот хвост настолько разрежен, что, как пишет российский астроном С. Широков, комету можно назвать «видимым ничто». Другое дело — твердое ядро кометы. В последние десятилетия оно все больше привлекает внимание исследователей. Считается, что в ядрах кометы могут храниться реликтовые органические вещества — «молекулы жизни».

Автоматические зонды несколько раз приближались к кометам, осматривая эти глыбы пыльного льда, изредка проникающие в центральную область Солнечной системы. В 1986 году пять космических межпланетных аппаратов — «Вега-1» и «Вега-2» (СССР), «Джотто» (ЕЭС), «Суисен» и «Сакигаке» (Япония) — встретились с кометой Галлея. В 2001 году зонд «Дип Спейс-1» подлетел к комете Боррелли, а три года спустя зонд «Стардаст» — к комете Вильда-2 (завершится этот эксперимент в начале 2006 года).

Комета Вильда-2 — это небольшая комета, чей размер ядра составляет 3,3 х 4 х 5,5 километров. Комета считается новой, поскольку впервые ее наблюдали в 1974 году, когда она прошла в 900 тысячах километров от Юпитера и направилась к центру Солнечной системы.

По расхожим представлениям, ядра комет — это «грязные снежки», рыхлые глыбы из пыли и льда. При испарении льда на этих глыбах образуются ямы с размытыми краями. Фотографии комет Галлея и Боррелли хорошо вписываются в эту модель. А вот ядро кометы Вильда-2 выглядит иначе. Очевидно, оно состоит из более плотного материала. Здесь виднеются четко очерченные кратеры с гладким дном и крутыми склонами, а также столовые горы с ровной поверхностью. Как показывают эксперименты, кратеры, подобные этим, могут возникать в пористых силикатах.

Ученые пока не готовы детально объяснить, как образуется хвост кометы. Перед началом исследования кометы Вильда-2 ожидалось, что на ее поверхности отыщутся огромные рытвины, откуда и тянется хвост. Однако близ большинства подобных рытвин аппарат «Стардаст» не обнаружил никаких струй вещества, выбрасываемых в космос. В то же время, пролетая мимо ядра кометы, зонд дважды попадал под мощный поток частиц.

Первый раз зош находился в 600 километрах от кометы, причем бомбардировка несколько раз прекращалась и возобновлялась, как будто зонд двигался навстречу отдельным фонтанчикам из частиц. Диаметр каждого такого фонтана составлял несколько сотен метров. Прежде астрономы считали, что из ядра кометы непрерывной струей вырываются газ и пыль. Теперь от этой идеи придется отказаться.

Второй раз аппарат наткнулся на поток частиц в 4000 километров от ядра кометы. По мнению ученых, этот поток не напоминал обычную струю газа и пыли. Возможно, это было облако заряженных частиц, образовавшееся после распада крупного куска кометы. В разгар этого обстрела всего за одну секунду в обшивку зонда врезалось более 1100 заряженных частиц. Диаметр самой большой равнялся 0,05 миллиметра. Химический анализ показал, что среди частиц преобладают органические, содержащие молекулы углерода, азота и серы. Однако ни одной аминокислоты — этого «кирпичика жизни» — не обнаружено. Более точные сведения о составе частиц удастся получить в ближайшие месяцы, после того как в январе 2006 года на Землю будет доставлен контейнер с собранным космическим веществом. Предположительно, в нем окажется около 3000 частичек кометы диаметром более 15 микрометров каждая.

До сих пор мы наблюдали за кометами лишь со стороны, а это не дает представления о внутренней структуре кометы. Рано или поздно был неизбежен новый эксперимент. Решено было пробурить одну из «хвостатых странниц».

Третьего июля 2005 года в сторону кометы Темпеля-1 устремилась ракета (или, если хотите, снаряд) «Импэктор» длиной 99 сантиметров и массой 370 килограммов. На ее борту не было взрывчатки. Разогнавшись до скорости 10,6 километра в секунду, «Импэктор» врезался в комету и благодаря огромной кинетической энергии пробурил в ней кратер (сила соударения была эквивалентна взрыву 4,8 тонн тринитротолуола).

Комета и прежде «попадала под обстрел». Ес поверхность оказалась усеяна кратерами — следами былых естественных столкновений. Диаметр некоторых кратеров достигал 1-2 километров. Размеры самого ядра составили 14x4x4 километров. Его средний диаметр равнялся девяти километрам, а масса — почти миллиарду тонн.

Перед началом эксперимента были поставлены следующие задачи:

— изучить процесс образования кратера на поверхности кометы;

— измерить глубину кратера и его диаметр;

— исследовать процессы, которые могут начаться при обстреле кометы (например, бурное выделение газов из ее глубин);

— проанализировать вещество кометы, выброшенное в момент соударения, и исследовать состав породы в ее недрах, в том числе определить количество водяного льда, а оно может быть очень велико. По некоторым гипотезам, океаны на Земле появились после столкновения ее с одной или несколькими кометами.

Идея обстрелять комету восходит к роману Артуро Кларка «Космическая одиссея 2001 года».

Первый проект обстрела кометы был отклонен е 1996 году. Тогда в качестве мишени была выбрана комета Фаэтона.

В 1999 году начались работы над проектом «Deep Impact» («Столкновение с бездной») стоимостью в 313 миллионов долларов.

В этом проекте участвовали более 250 человек представлявших Мэрилендский университет, Jet Propulsion Laboratory Калифорнийского технологического института и фирмы «Ball Aerospace & Technologies Corp».

12 января 2005 года в 13.47 (по местному времени) с мыса Канаверал стартовал зонд «Deep Impact» (масса —1020 килограммов). 4 июля 2005 года он приблизился к комете 9P/Tempel 1 на расстояние 500 километров.

В сентябре 2005 годо руководство НАСА опубликовало обзор результатов исследования кометы Темпеля-1. Оказалось, что она испещрена многочисленными кратерами, а ее поверхность покрыта многометровым слоем пыла который удерживается благодаря гравитации. В облаке, взметнувшемся над кометой после ее обстрела, преобладали органические соединения (например, ацетилен и синильная кислота). По словам Майкла А'Херна, повышенное содержание этих соединений особенно интересно с научной точки зрения. Возможно, именно кометы могли занести на Землю органические вещества. Кроме того, в недрах кометы Темпеля-1 необычайно много полостей. Из-за этого тепло плохо проводится вглубь кометы, и лед, находящийся внутри ядра, не тает.

В сообщении пресс-службы РАН, распространенном в канун эксперимента, говорилось следующее: «В изучении эволюции Солнечной системы исследование комет занимает важное место. Предполагается, что кометы содержат первичный материал газово-пылевого протопланетного облака, из которого примерно 4,5 миллиарда лет назад образовалась наша Солнечная система. Как происходило формирование комет, то есть образование километровых космических тел — одна из ключевых, и пока еще не решенных, проблем планетной космогонии. Данный эксперимент поможет ответить на эти вопросы».

В ожидании эксперимента ученые могли лишь предполагать, каким окажется кратер. Все зависело от состава кометы. Вот три возможных сценария:

• Если бы комета Темпеля-1 состояла из той самой пыли, из которой когда-то путем аккреции (присоединения окружающего вещества) сформировались другие тела Солнечной системы, то в этом случае возник бы кратер диаметром 200 метров и глубиной 50 метров. Выброшенный материал разлетелся бы под углом 45 — 50 градусов, причем три четверти его вновь просыпалось бы на комету

• Если бы материал кометы был более дифференцированным, глубина кратера не превысила бы десятка метров. Крупицы вещества разлетались бы под углом 60 градусов, и лишь небольшая часть их вновь усеяла бы поверхность кометы. Впрочем, в этом случае из недр кометы было бы выброшено в тысячу раз меньше вещества, чем в первом случае.

• Если бы материал кометы (особенно ее поверхностных слоев) был пористым, то он поглотил бы большую часть энергии соударения. В космос попало бы не очень много вещества.

Так, по картине соударения можно определить, из чего состоит комета и какова ее плотность. Перед началом эксперимента было создано несколько моделей кометы Темпсля-1, а значит, и целого класса подобных комет. Теперь оставалось лишь ждать, какая модель верна. Некоторые ученые даже предполагали, что от удара разрушится ядро кометы Темпсля-1.

Немецкий астроном Эрнст Вильгельм Леберехт Темпель

Комета Темпля-1, сфотографированная зондом «Deep Impact» 25 апреля 2005 года

Кометы ведь — самые хрупкие объекты Солнечной системы. Большая часть их на пути из облака Оорта в центр Солнечной системы разрушается или падает на поверхность крупных планет и их спутников. За последний десяток лет мы стали свидетелями пары крушений комет.

• В июле 1994 года на Юпитер рухнули более двадцати обломков кометы Шумейкеров-Леви-9, разорванной приливными силами гигантской планеты.

• Летом 2000 года распалась недавно обнаруженная комета С/1999 S4. Зонд SOHO следил за катастрофой в течение нескольких месяцев. За это время выделилось около трех миллионов тонн воды. Комета содержала также некоторые количества синильной кислоты, формальдегида, сероводорода, моносульфида углерода и немного метилового спирта и угарного газа.

Как полагают ученые, большая часть комет регулярно разрушается. Что же ждало комету, угодившую под обстрел аккурат к красной дате американского календаря?

... В момент соударения «Импэктор» испарился. Лед и пыль взметнулись в космическое пространство. Ударная волна сотрясла комету. Происходившее можно было разделить на три стадии.

• Сжатие (длилось всего 100 микросекунд). Данную стадию нельзя было непосредственно наблюдать.

• Выброс вешества кометы. Это была основная стадия исследований. Выброшенное вещество анализировалось с помощью спектроскопа. Когда облако пыли и газа, наконец, рассеялось, открылся вид на огромный кратер, выбитый втолше кометы.

• Трансформация кратера, то есть обрушение его стенок.

Обломки кометы, взлетевшие в небо, еще долго ослепительно сверкали. Поначалу из-за этого яркого сияния не удавалось даже сделать фотографию кратера По данным американских астрономов, яркость кометы в первый момент после взрыва возросла примерно в 6 раз.

Особенно велика была интенсивность излучения в ультрафиолетовом диапазоне, а это свидетельствовало, что поверхность кометы была скорее твердой, чем рыхлой как снег. С помощью телескопа европейской рентгеновской обсерватории «Ньютон» в веществе, выброшенном из недр кометы, удалось обнаружить сложное химическое соединение — ионы гидроксильной группы.

Комета 9P/Tempel 1 — это глыба из пыли и льда диаметром около шести километров. В ее недрах,, предполагают ученые, скрывается каменное ядро. В течение 5,5 лет комета совершает оборот вокруг Солнца, перемещаясь по траектории, лежащей между орбитами Марса и Юпитера. Ближайшая к Солнцу точка этой траектории располагается в полтора раза дальше от нега, чем Земля. Открыл эту комету астроном Эрнст Вильгельм Леберехт Темпель (1821 —1889), уроженец Германии, работавший впоследствии во Франции и Италии. Третьего апреля 1867 года он обнаружил неизвестный слабосветящийся объект в созвездии Весов. Расчеты показали, что этот объект находится в 106 миллионах километров от Земли и в 245 миллионах километров от Солнца. Всего же за свою жизнь Темпель обнаружил 13 комет и 5 астероидов.

Комета Темпеля-1 испытывает сильное влияние Юпитера, с которым за последние полтора века несколько раз опасно сближалась. По этой причине менялась орбита кометы. Ее наблюдали, например, в 1867 и 1879 годах, а потом лишь в 1967 году.

«Российские ученые под руководством академика В. Е. Фортова из Института теплофизики экстремальных состояний и Института проблем химической физики РАН активно участвуют в этом эксперименте. Выполнены обширные эксперименты по генерации мощных ударных волн, по изучению физических свойств веществ при ультравысоких давлениях и температурах, моделирующих условия эксперимента «Deep Impact». Проведенное ими численное моделирование позволило оценить возможные размеры кратера, образующегося в момент удара, в зависимости от начальной плотности ядра кометы» (из сообщения пресс-службы РАН).

«После этого эксперимента мы можем исключить гипотезу о том, что ядро кометы имеет рыхлую, пористую структуру», — сообщил научный руководитель проекта Майкл А'Хирн. Это чрезвычайно важно для будущих экспедиций. В 2014 году, например, запланирована посадка европейского зонда «Розетта» на поверхность кометы Чурюмова-Герасименко.

Объем выброшенного материала оказался неожиданно велик; часть его находилась в недрах кометы со времен формирования Солнечной системы. Как пошутил Майкл А'Хирн, «надеюсь, что обрабатывать это громадное количество данных мне придется до самой пенсии».

Картина взрыва оказалась такой впечатляющей, что, например, репортаж в респектабельной немецкой «Frankfurter AJlgemeine Zeitung» был озаглавлен весьма шокирующе: «Почти как атомный взрыв». Возможно, будущим поколениям придется убедиться, насколько опасно проведение подобных экспериментов в космосе. Ведь пришлось же в свое время человечеству отказаться от проведения наземных, а потом и подземных испытаний некоторых видов оружия, убедившись, насколько тесно взаимосвязаны различные процессы, протекающие в биосфере Земли, и каким страшным эхом могут отдаваться эксперименты, проводимые на неких якобы «строго изолированных» полигонах. Может быть, и в космосе опасно устраивать подобные эксперименты, вмешиваясь в ход природных событий? «Взрыв в космосе — это вопрос научной этики, — отмечает немецкий астроном Штефан Хобе. — Иначе кто-нибудь в следующий раз запланирует оглушительный фейерверк в окрестности Земли».

С другой стороны, велико ли было вмешательство? Комета даже не разрушилась! Этих комет на небе, как песка на берегу моря. Казалось бы, какая, по большому счету, разница: камень на Марсе, сдвинутый марсоходом, или небольшое небесное тело вдали от Земли? Сейчас комета Темпеля-1 находится почти на таком же расстоянии от нас, как и Солнце, и если уж сравнивать ее обстрел, то со вспышками на Солнце, а те гораздо сильнее влияют на нашу жизнь.

Вещества, выброшенные из недр кометы, ничем не опасны нам. Да и столкновение с этой кометой в ближайшие миллионы лет нам по-прежнему не грозит. «С точки зрения международного права, — полагает немецкий астроном Кай-Уве Шрогель, — эксперимент с «Deep Impact» не заслуживает никакого осуждения. Впрочем, следует подумать о переработке и совершенствовании законов, регламентирующих деятельность человека в космосе».

Идет монтаж зонда «Deep Impact»

В выпусках новостей неизменно сообщалось, что кратер оказался размером с футбольное поле. Но, по большому счету, медный снаряд оставил на поверхности... лишь небольшую ямку, если соотнести ее с размерами кометы. Сама она, довелись ей рухнуть на Землю, произвела бы, наверное, такое же опустошение, как и Юкатанский метеорит 65 миллионов лет назад. По мнению ряда ученых, падение этого метеорита вызвало климатическую катастрофу, уничтожившую две трети земной фауны (против этой версии также выдвигаются убедительные аргументы).

Астрономы давно размышляют над тем, как защититься от «космических бомб». Нередко предлагается атаковать астероиды и кометы, угрожающие Земле — уничтожать их или менять их траекторию. Выстрел по комете Темпеля-1 был, действительно, пробным. Ученых интересовал не только химический состав кометы, — в зависимости от ее плотности можно было бы выбрать стратегию борьбы с кометами, — но и сам факт, что можно атаковать чужеродное небесное тело и выйти из схватки победителем.

До настоящей войны на небесах пока далеко. Мы не знаем ни одной кометы, ни одного астероида, которые угрожали бы сейчас Земле. Но раз в сто миллионов лет, таковы предварительные расчеты, «бомбы», подобные юкатанской, падают на нашу планету. Мелкие космические тела еще чаще долетают до Земли.

Конечно, снаряд вроде «Импэктора» не отведет беду, если та же комета Темпеля-1, изменив свой курс, устремится в нашу сторону. Такую махину не остановить выпущенной по ней метровой болванкой. После соударения скорость кометы изменилась всего на 0,0001 миллиметра в секунду.

И все же именно лобовой упреждающий удар мог бы преградить путь комете. Допустим, если бы снаряд был помощнее и скорость кометы изменилась на 7 миллиметров в секунду (цифра тоже небольшая!), то за десять лет траектория кометы отклонилась бы в сторону от расчетной на целый радиус Земли. И если бы комета летела прямо к Земле, то после подобного щелчка по ней (только одно слово: вовремя!) беда бы — прибегнем к штампу передовиц — «прошла стороной».

По большому счету, даже мощи «Импэктора» хватило бы, чтобы отвести от Земли небольшие астероиды или кометы (диаметром до 125 метров). После выстрела по такой комете та тоже всего за десятилетие отклонится от расчетной траектории на расстояние, примерно равное радиусу Земли.

В 2014 году зонд «Розетто» должен совершить посадку на поверхность кометы

Итак, эксперимент с кометой Темпеля-1 стал первым крохотным шагом на пути к созданию эффективной системы защиты от космических объектов, угрожающих Земле. Важен он и в другом отношении. Человек впервые вмешался в ход небесных тел — стал «сотворцом Солнечной системы». Конечно, это вмешательство выглядит ничтожно малым («тварно малым», сказал бы теолог) и измеряется в десятитысячных долях миллиметра в секунду. И все же это — знаменательное событие. Впервые человек превращается из геологического фактора в космический. Со временем это неминуемо приведет к тому, что сам облик Солнечной системы изменится под воздействием человека.

Еще в 1960 году британский физик Фриман Дайсон предположил, что высокоразвитые цивилизации могли бы перепланировать собственную планетную систему, окружив ее оболочкой из обломков планет и астероидов — эту гипотетическую конструкцию называют сегодня «сферой Дайсона». Благодаря ей можно было бы оптимально использовать энергию центральной звезды.

Сейчас ученые, работающие над проектом SETI (см. «Знание — сила», 11/04), в основном пытаются улавливать какие-либо радиосигналы, исходящие от далеких планет. Однако перспективен был бы и поиск «сфер Дайсона». Их можно было бы обнаружить по излучению в невидимом нами инфракрасном диапазоне.

Итак, этот эксперимент с кометой —лишь предвестие многих важных событий, которые произойдут еще не очень скоро. Они, как хвост от кометы, будут тянуться... на тысячи лет вперед. Очевидно, со временем мы вынуждены будем заняться строительной деятельностью в космосе в масштабах всей Солнечной системы. И обстрел кометы — да, первый крохотный шаг на пути к глобальным изменениям нашей космической родины.

Сергей Смирнов