Что происходит в кометах

Выдающийся русский ученый Федор Александрович Бредихин большую часть своей жизни посвятил изучению кометных явлений и созданию теории образования кометных хвостов. К концу прошлого столетия он создал стройную теорию, принятую теперь всеми учеными.

Часто бывает видно, как в голове большой кометы из ядра, на стороне, обращенной к Солнцу, выделяется в виде фонтана светящееся вещество. Иногда оно имеет вид нескольких струй. Направляясь сначала к Солнцу, струи заворачивают в стороны, растекаются назад и, огибая ядро кометы, создают вокруг нее голову — оболочку, имеющую параболические очертания. Выделяясь в большом количестве, газы головы все дальше уходят от Солнца и создают кометный хвост. Вещество хвоста все время движется прочь от Солнца и рассеивается в пространстве, а на смену ему из ядра поступает все новое и новое вещество. Чем ближе комета к Солнцу и чем сильнее нагревается ядро, тем быстрее и в большем количестве выделяется из него газ, тем ярче, пышнее и длиннее хвост.

В ядре бесхвостых комет вещества выделяется слишком мало, и то же бывает у больших комет, когда они далеки от Солнца и когда они также лишены хвоста. Такие кометы почти круглы.

Иногда наблюдалось, как в ядре яркой кометы происходит нечто вроде взрыва, потому что вдруг из него выделяется светлое облачко, быстро переходящее в хвост и ускоренно двигающееся вдоль него. Иногда такое облачко вытягивается, располагаясь поперек хвоста. Бывает, что ряд облачков выбрасывается из ядра друг за другом. Некоторые из них несутся так быстро, что уже за несколько дней, а то даже и часов, проходят всю длину хвоста — десятки миллионов километров — и рассеиваются.

Бредихин обратил внимание на формы кометных хвостов, среди которых есть и почти прямые, направленные почти прямо от Солнца, и изогнутые в той или другой степени. Степень кривизны хвоста Бредихин объяснил величиной отталкивательной силы, исходящей от Солнца и действующей на частицы кометного хвоста. Чем больше отталкивательная сила по сравнению с силой тяготения к нему, тем прямее хвост. Бредихин вывел формулы, позволяющие вычислить эту силу по форме хвоста, а С.В. Орлов усовершенствовал их и дал более точные способы вычисления этих сил по движению облаков газа в хвосте кометы в тех случаях, когда они наблюдаются.

Оказалось, что в очень сильно изогнутых хвостах (III тип) тяготение преобладает над отталкиванием, в менее искривленных (II тип) — отталкивание уравновешивает тяготение, и выброшенные частицы движутся по инерции. В почти прямолинейных хвостах (I тип) отталкивание превышает тяготение в десятки, а иногда даже в сотни раз. В комете Брукса 1893 IV автор этой книги обнаружил частицы, двигавшиеся под действием отталкивательной силы, в 3000 раз превышавшей тяготение!

У немногих комет наблюдались светлые конусообразные придатки, выходящие из головы и направленные вершиной к Солнцу. На них отталкивательная сила не действует.

Зависимость кривизны хвоста от соотношения между отталкивательной и притягательной силами, действующими на него одновременно, можно до некоторой степени представить себе на следующем примере. Представьте, что паровоз мчится, извергая из трубы клубы дыма, как несется комета, извергая частички из своего ядра. Теплый воздух увлекает частички дыма вверх, а сопротивление воздуха при безветренной погоде отклоняет столб дыма назад. Сопротивление воздуха возрастает со скоростью движения паровоза. Мы его уподобим отталкивательной силе Солнца. При большой быстроте паровоза струя дыма, не кривясь, сразу отклоняется назад, стелясь ровной прямой линией.

Что же заставляет частички комет, безусловно, притягиваемые Солнцем, одновременно отталкиваться от него и часто с гораздо большей силой?

Первый ответ на этот вопрос дал другой замечательный русский ученый П.Н. Лебедев. Лебедев впервые доказал тонкими опытами, что свет давит на легкие частицы; это вытекает также и из теории световых явлений. Свет давит на всякое тело с силой, пропорциональной поверхности тела. Для обычных земных предметов эта сила ничтожна по сравнению с их массой и потому не производит никакого ощутимого действия. Так, сопротивление воздуха очень мало для бомбы, брошенной с самолета. Но сопротивление воздуха, пропорциональное лобовой поверхности или поперечному сечению тела, оказывается очень велико по сравнению с силой притяжения для парашютиста или пушинки. Они опускаются, на Землю гораздо медленнее, чем бомба, потому что поверхности парашюта и пушинки велики по отношению к их массе. Мелкая пыль оседает медленнее, чем крупная, когда хозяйка занимается уборкой комнаты. Причина та же — сила притяжения пылинок к Земле пропорциональна их массе, т. е. объему, т. е. кубу их диаметра, а сопротивление воздуха пропорционально поверхности пылинок, т. е. квадрату их диаметра, и с уменьшением диаметра сила притяжения убывает быстрее, чем уменьшается поверхность. Если диаметр шарика уменьшить в десять раз, то сила притяжения уменьшится в тысячу раз, а его поверхность — только в сто раз.

Поэтому при уменьшении размеров частиц давление света на них будет убывать медленнее, чем их масса. С уменьшением размера частички отношение силы отталкивания ее светом к силе ее притяжения Солнцем будет возрастать. Как показывает расчет, при размерах пылинки, сравнимых с длиной световой волны, т. е. при размерах, измеряемых тысячными долями миллиметра и меньше, сила отталкивания сравняется и может стать больше, чем сила тяготения к Солнцу на любом от него расстоянии.

Таким образом, хвосты комет II и III типов образуются из мельчайшей пыли, исторгаемой ядром, быть может, при столкновении глыб, из которых оно может состоять, или из пыли, освобождающейся при испарении загрязненного «ледяного» ядра. Но спектральный анализ показал, что хвосты комет I типа содержат газы, главным образом ионизованную окись углерода СО⁺.

Развитие теории атомов и молекул показало, что и на них действует давление света, хотя молекулы и нельзя рассматривать как простые маленькие шарики. Сила давления света на молекулы зависит от строения молекул. Сравнительно недавно удалось сделать подсчет для молекул окиси углерода и оказалось, что для них давление света хотя и превышает тяготение к Солнцу, но не так сильно, как требуют наблюдения. Дальнейшее развитие уже не механической, а чисто физической теории комет требует дальнейших успехов в области изучения строения молекул и их свойств. Многие приходят теперь и к той мысли, что в образовании кометных хвостов играют роль электромагнитные силы и бомбардировка кометы частичками, выбрасываемыми с поверхности Солнца.

Солнце постепенно испускает потоки корпускул, потоки плазмы, т. е. струй ионизованного газа, несущих с собой магнитное поле. Силовые линии магнитного поля ведут себя как упругие нити. Ионизованные газы головы кометы при столкновении с солнечным корпускулярным потоком «продавливают» эти силовые линии и придают им форму цепной линии. (Такова форма провисающей тяжелой нити, концы которой закреплены на одном уровне.) Такую форму имеет передний край головы больших комет. В изменениях формы хвостов I типа, в движении в них облачных образований и других, остававшихся плохо объяснимыми явлениях в кометах, также могут играть роль корпускулярные солнечные потоки и магнитные силы. При столкновении газа кометы с газом корпускулярного потока возникает ударная волна и импульс протонов потока может передаться ионам кометного хвоста через магнитное поле, несомое потоком. Через него газы хвоста проникнуть не могут и оно их увлекает. Молекулы, из которых состоит хвост, всегда ионизованы; в голове кометы такие молекулы отсутствуют. Вместе с тем молекулы хвоста из молекул головы путем химических реакций возникнуть не могут. Поэтому предполагается, что непосредственно из ядра выделяются какие-то ненаблюдаемые «родительские» молекулы. Это может быть вызвано тем, что их полосы, вероятно, лежат в невидимой с Земли ультрафиолетовой области спектра. Под действием солнечных лучей «родительские» молекулы распадаются и выделяют ионизованные молекулы СО и N₂, спектр которых мы видим. На эти молекулы воздействует «солнечный ветер» — корпускулярный поток из Солнца. Резкие усиления «солнечного ветра» должны производить скачки в сообщаемом им ускорении и могут повышать выделение «родительских» молекул, вызывать вспышки яркости комет. Что касается причины ионизации молекул в кометах, то она еще не ясна.

Рис. 86. Поразительные изменения в хвосте кометы Хамасона. Вверху — снимок 6 августа, внизу — 23 августа 1962 г.

Струйки в хвостах I типа, по мысли шведского ученого Альвена, могут возникать вследствие распространения в них волн особого типа, открытых им в лаборатории. Эти магнитогидродинамические волны подобны колебаниям упругой нити и представляют собой колебания кометной плазмы вместе с «вмороженными» в них силовыми линиями магнитного поля. «Вмороженность» состоит в том, что газ может двигаться только вдоль силовых линий, а последние перемещаются только вместе с газом.