В свойствах комет много загадочного. Комета становится хорошо видимой, когда она приближается к Солнцу на расстояние, примерно втрое большее, чем радиус земной орбиты. Она вначале выглядит как круглое светлое пятнышко (голова или кома), потом в сторону от Солнца вытягивается хвост. В самом центре головы находится невидимое тело, которое называется ядром. В ядре сосредоточена почти вся масса кометы. Главной особенностью ядра является то, что оно содержит много "летучего", то есть легкоиспаряющегося вещества. Это обычно водный лед с вкраплением других молекул. Летучий материал перемешан с тугоплавкими частицами - силикатными, углистыми, металлическими. По мере приближения к Солнцу испарение льда идет все сильнее и сильнее, потоки газа покидают ядро, увлекая за собой пыль. Как будто бы многое ясно, но до сих пор не было ответа на главный вопрос какова физическая структура ядра кометы, единое ли это тело, рой из многих тел, связанных тяготением или просто летящих рядом. Ученые отдавали предпочтение первой модели, но не было оснований решительно отвергать и другие.
Поэтому самой важной задачей в проекте "Вега" было исследование физических характеристик ядра кометы.
"сметные ядра наблюдались ранее с Земли, но только как звездообразные объекты (далеко за орбитой Юпитера, когда активность отсутствует), да и таких наблюдений очень мало. В проекте "Вега" впервые ядро кометы исследовалось как пространственно разрешенный объект, определены его строение, размеры, инфракрасная температура, получены оценки его состава и характеристик поверхностного слоя.
Мы не имели и долго еще не будем иметь технической возможности совершить посадку аппарата, на ядро кометы.
Слишком велики скорости встречи - в случае кометы Галлея это 78 километров в секунду. Опасно и пролетать на слишком близком расстоянии, так как кометная "пыль" очень опасна для космического аппарата. Расстояние пролета (чуть меньше десяти тысяч километров) было выбрано с учетом существовавших ранее представлений о количественных характеристиках кометной пыли. Как же исследовать ядро с такого расстояния? Использовалось два подхода: во-первых, дистанционные измерения при помощи оптических приборов и, во-вторых, прямые измерения вещества (газа и пыли), покидающего ядро и пересекающего траекторию, по которой движется аппарат.
Оптические приборы были размещены на специальной платформе, которая поворачивалась во время полета и автоматически отслеживала направление на ядро. Эта платформа была разработана совместно с чехословацкими и советскими специалистами и изготовлена в ЧССР. Три научных эксперимента выполнялись при помощи приборов, установленных на платформе. Один из них это телевизионная съемка ядра. Специальный сложный телевизионный комплекс ТВС разработан для этого советскими, венгерскими и французскими специалистами. Различные его узлы изготовлены в СССР, ВНР и Франции.
Другой прибор - это инфракрасный спектрометр ИКС, при помощи которого одновременно проводилось два разных эксперимента - измерялись поток инфракрасного излучения от ядра (тем самым определялась температура его поверхности) и спектр инфракрасного излучения внутренних "околоядерных" частей комы на длинах волн от 2,5 до 12 микрометров с целью определения ее состава. Научное руководство этими исследованиями осуществляли советские и французские специалисты, прибор был изготовлен во Франции.
Третий инструмент на платформе - трехканальный спектрометр ТКС, который получал спектр излучения внутренней ко.лы на длинах волн от 2800 до 18 тысяч ангстрем-был разработан и изготовлен совместно специалистами СССР, Болгарии и Франции.
Итоги исследований ядра кометы Галлея, проведенных при помощи оптических приборов, можно сформулировать следующим образом. Это монолитное тело, вытянутое, форма неправильная, размеры 14 километров большой оси, около 7 километров в поперечнике. Каждые сутки его покидает несколько миллионов тонн водяного пара. Вычисления показывают, что такая "производительность" требует, чтобы испарение шло по всей поверхности. Этим свойством могла бы обладать Поверхность ледяного тела. Но вместе с тем приборы "Веги" установили, что она черная (отражательная способность менее 5 процентов) и горячая (примерно 100 тысяч градусов Цельсия). Эта, казалось бы, невероятная, противоречивая картина укладывается в простую модель, которую можно сравнить с мартовским сугробом: конгломератом льда и тугоплавких частиц, отдаленным от внешнего пространства слоем черного пористого вещества с низкой теплопроводностью.
Этот слой принимает солнечное излучение, часть его переизлучает в инфракрасном диапазоне, часть передает ледяному конгломерату. Молекулы водяного пара, образующиеся в результате испарения, диффундируют сквозь поры вверх и покидают комету. При этом они увлекают отдельные более мелкие частицы пыли. Поверхностный слой в отдельных местах поверхности время от времени взламывается (если слой становится слишком толстым и поры закупориваются), тогда образуется активная область с особо мощным истечением вещества. Толщина пористого слоя невелика - от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.
Слой этот обновляется очень быстро, за время порядка суток. Верхние его частицы отрываются и уносятся газом, а внизу прилипают новые.
Важные данные о составе ядра получены при помощи прямых измерений химического состава пыли, газа и плазмы в коме вдоль траектории полета.
Химический состав и концентрация ионов плазмы измерялись спектрометром кометной плазмы ПЛАЗМАГ. Эти измерения показали, что по относительному содержанию в потоке газа, уходящего от кометы, больше всего водяного пара, но есть также много других компонентов - атомных (водород, кислород, углерод) и молекулярных (моноокись и двуокись углерода, гидроксил, циан и др.). Полосы излучения примерно десятка молекулярных компонентов - этих же и других - зарегистрированы во внутренней коме при помощи инфракрасного и трехканального спектрометров. Особый интерес представляет вопрос о том, какие молекулы принадлежат к числу "родительских", то есть входящих непосредственно в состав ядра.
По-видимому, среди них главные - вода и углекислота, но многое указывает и на присутствие в ядре других молекул, в том числе и органических.
Вещество ядра скорее всего представляет собой так называемый "клатрат", то есть обычный водный лед, в кристаллическую решетку которого, как уже говорилось, "вкраплены" другие молекулы. С клатратом перемешаны частицы метеоритного состава, каменистые и металлические. Химический состав таких твердых частиц, которые входили в состав ядра, но покинули его под давлением газовых потоков, измерялся на траектории полета "Веги-1 " и "Веги-2" при помощи пылеударного масс-спектрометра ПУМА. В этом хитроумном устройстве химическому анализу подвергается облачко плазмы, возникающее при ударе пылинок со скоростью около 80 километров в секунду. Всего был измерен химический состав около 2000 индивидуальных частиц. Он оказался очень сложным и неоднородным. Есть частицы с преобладанием металлов, таких, как натрий, магний, кальций, железо и других, с примесью силикатов. На спектрах масс чисто видны пики кислорода и водорода, указывающие на присутствие молекул воды. Наконец, есть пылинки, в которых наряду с металлами присутствует значительное количество углерода.
Наличие разнородных пылинок указывает на сложную тепловую историю первичного материала Солнечной системы.
В результате экспедиции "Вега" ученые впервые увидели кометное ядро, получили большой объем данных о его составе и физических характеристиках, сделали выбор в пользу одной из теоретических моделей и существенно уточнили ее. Грубая схема заменена картиной реального природного объекта, ранее никогда не наблюдавшегося. Внешне он несколько напоминает спутники Марса - Фобос и Деймос, но еще более близким аналогом могут оказаться некоторые малые спутники Сатурна и Урана. Это укладывается в рамки гипотезы, предполагающей, что кометные ядра образовались сравнительно недалеко от Солнца, примерно там, где находятся планеты-гиганты от Юпитера до Нептуна, и были отброшены на большие расстояния при формировании этих планет.
Помимо исследований химического состава пылинок, измерялись количественные характеристики пылевого потока - специальные счетчики определяли количество ударов частиц разной массы (один из счетчиков был создан совместно с учеными из Чикагского университета). Эксперименты с пылевыми счетчиками показали, что около миллиона тонн космической пыли покидает кометное ядро ежесуточно. Поток ее неоднороден - он больше над активными областями ядра, кроме того, имеются эффекты, связанные с различным влиянием светового давления на движение частиц разных масс и размеров. Весьма неожиданным оказался характер распределения частиц по размерам: было обнаружено аномально большое количество малых частиц размером порядка сотой доли микрометра.
Газ, испаряющийся с ядра кометы и распространяющийся в межпланетную среду со скоростью около одного километра в секунду, в конечном счете полностью ионизируется солнечным излучением. В результате возникает гигантское плазменное образование размером около одного миллиона километров, создающее препятствие на пути сверхзвукового потока солнечного ветра - плазмы из нагретой солнечной короны. Даже магнитосфера Земли, взаимодействие которой с солнечным ветром изучается уже более четверти века с начала космической эры, имеет в 10-15 раз меньшие размеры.
Перед кометой в сверхзвуковом потоке солнечной плазмы образуется своеобразная ударная волна, не похожая по своей структуре на хорошо изученные ударные волны перед Землей и другими планетами. Она была обнаружена
и изучена приборами плазменного комплекса аппаратов "Вега", в состав которого входят энергоспектрометр плазмы, магнитометр, анализаторы низкочастотных заряженных частиц.
Прямые измерения плазмы и плазменных волн во внутренней части комы с аппаратов "Вега" могут понять особенности образования плазмы и излучения газа не только в кометах, но и в ряде других астрофизических объектов, в которых взаимодействие плазм играет большую роль.
Смерть звезды порождает... звезды!
((Сверхновые" или "сверхстарые")
Заметить какие-либо изменения в мире звезд удается крайне редко.
"Звездой-гостьей" назвали китайские летописцы яркое светило, появившееся на небосводе в 1054 году и вновь погасшее через несколько месяцев: в наше время за такими событиями утвердилось довольно нелепое название "сверхновые" звезды. Дело в том, что "сверхновые" в действительности являются умирающими объектами, вспыхивающими в предсмертных конвульсиях. Поэтому точнее было бы назвать их "сверхстарыми" звездами.
В отличие от бурных предсмертных мгновений, когда слабенькая звездочка вдруг становится ярчайшей звездой небосвода, процесс рождения звезд выглядит совсем не ярко. Только в последние годы, используя радио- и ин-, фракрасные телескопы, астрономы смогли частично понять процессы, происходящие в толще непрозрачных для света облаков межзвездного газа и пыли. Закрытый от излучения горячих; звезд пеленой межзвездной пыли, газ остывает почти до абсолютного нуля (-273°С), сжимается, уплотняется и разбивается силами гравитации на части - протозвезды. Долгое время температура протозвезды остается очень низкой, и состоит она в основном из молекул водорода и других химических элементов, способных излучать радиоволны. На этом этапе их уже могут изучать радиоастрономы.
Когда центральная часть протозвезды сжимается и достаточно сильно разогревается, молекулы разрушаются, их радиоизлучение пропадает, но горячая газопылевая оболочка протозвезды становится источником теплового излучения - на этом этапе основную информацию астрономы получают с помощью инфракрасных телескопов.
Впрочем, проследить все этапы эволюции какой-либо конкретной протозвезды никогда не удается, процесс формирования длится миллионы лет. Поэтому астрономы изучают в одних областях Галактики холодные газовые облака, в других областях - фрагментацию этих облаков на отдельные сгусткипротозвезды, в третьих - различные этапы сжатия протозвезд и их превращение в нормальные звезды. И лишь затем на основе собранных данных воссоздается полная картина рождения звезды.
Эпидемия в созвездии Ориона
Один из ближайших к нам очагов недавнего звездообразования находится в направлении созвездия Орион.
Туманность Ориона удалена от нас на расстояние в 1500 световых лет. Область, заполненная молодыми яркими звездами и нагретым их излучением горячим газом, расположилась на краю гигантского холодного облака, занимающего почти все созвездие. В глубине холодного облака не заметно признаков звездообразования, но, чем ближе к яркой Туманности Ориона, тем яснее они проявляются. Сначала становятся заметными небольшие газовые конденсации, о которых еще нельзя сказать наверняка, что они станут звездами:
в них идет борьба сил гравитации и газового давления - если победит гравитация, эти конденсации станут протозвездами, а затем и звездами. Но вблизи границы между холодным облаком и Туманностью Ориона ситуация уже более ясная: здесь, без сомнения, рождаются звезды. Об этом говорят обнаруженные там группы инфракрасных источников - молодые группировки звезд, не успевшие сбросить с себя пылевые оболочки, а также найденные радиоастрономами необычайно мощные источники излучения - мазеры.
Это небольшие газовые конденсации в окрестности молодых звезд, где радиоволны усиливаются примерно так же, как свет в наших лазерах.
В холодном газовом облаке процесс звездообразования развивается не хаотически, а как эпидемия: возникает на краю облака, а затем постепенно захватывает внутренние его части. Волна звездообразования как бы прокатывается по облаку, и там, где она прошла, начинают рождаться звезды.
Но какая причина вызывает эту волну?
Ускоритель звездообразования
Причин может быть несколько. Это и взаимные столкновения облаков, и встреча их со спиральными рукавами Галактики, и некоторые другие события, приводящие к уплотнению газа в облаках. Но, пожалуй, нам более интересен случай, когда волну звездообразования "запускает" внутрь облака взорвавшаяся рядом с ним умирающая звезда-сверхновая. Наблюдения показывают, что группировки молодых звезд часто бывают связаны с остатками вспышек сверхновых. Например, группа горячих звезд в созвездии Большого Пса находится на краю гигантской газовой оболочки - остатка сверхновой, вспыхнувшей около 500 тысяч лет назад.
Аналогичная ситуация наблюдается в созвездии Единорога-здесь сверхновая разрушила массивное облако и "заставила" часть его газа превратиться в звезды. Впрочем, вовсе не обязательно, чтобы рядом со сверхновой заранее существовало газовое облако.
Разлетаясь с большой скоростью, оболочка сверхновой, как бульдозер, сгребает впереди себя межзвездный газ, уплотняет его и превращает в облака, в которых тут же может начаться процесс звездообразования. Таким образом, смерть одних звезд стимулирует рождение других.
Конечно, и без сверхновых звезды в Галактике рождались бы. Но вспышка сверхновой как бы ускоряет все события: разреженный газ она нагревает и заставляет расширяться и становиться еще более разреженным, а плотные газовые облака уплотняет, делает непрозрачными, заставляет охлаждаться и быстро превращаться в звезды или целые звездные скопления.
Происхождение Солнечной системы
Итак, с одной стороны, эти вспышки "подстегивают" волну звездообразования и заставляют ее двигаться дальше, в глубь облака. Однако с другой - они становятся одной из главных причин разрушения звездных скоплений.
Дело в том, что процесс звездообразования, подгоняемый вспышками сверхновых, приводит к тому, что молодые звезды в момент своего рождения имеют немалые скорости: ведь оболочка сверхновой не только сжимает, но и расталкивает в разные стороны облака газа. Звезды при этом рождаются на больших расстояниях друг от друга и не могут удержаться вместе силами взаимного притяжения. Но даже если в рождении звезд сверхновые и не участвовали и облако сжалось само, все равно наиболее массивные из образовавшихся звезд быстро пройдут свой жизненный путь и начнут взрываться, как сверхновые. Эти взрывы нагреют остатки газа, который быстро расширится и покинет область звездообразования.
Лишившись газа, молодой звездный агрегат существенно "потеряет в весе", притяжение его ослабнет, и значительная доля молодых звезд сразу же убежит из скопления. Образуется расширяющаяся звездная ассоциация. Именно в таких ассоциациях содержится солидная доля молодых звезд.
Разгадка основных закономерностей в судьбах умирающих и рождающихся звезд, взаимосвязь этих судеб имеет чрезвычайно важное значение для познания жизни Вселенной. Полученные представления позволяют, в частности, искать здесь ответ на один из фундаментальных вопросов естествознания происхождение нашей Солнечной системы. Так, изучение химического состава метеоритов показало, что незадолго до ее возникновения ее вещество было обогащено некоторыми радиоактивными изотопами из числа тех, что образуются при взрывах массивных звезд. Поэтому вполне вероятно, что причиной рождения Солнца и всей нашей планетной системы был близкий взрыв сверхновой.
Вихри рождают излучение
В последние годы приборы, установленные на искусственных спутниках Земли, обнаруживают новые источники гамма-излучения, которые до сих пор не удавалось "привязать" к уже известным астрономическим объектам.
Были предположения, что большинство этих источников гамма-излучения не что иное, как гигантские молекулярные облака. Такие облака известны астрономам довольно давно, это огромные скопления газа, в основном молекулярного водорода. Протяженность их - несколько десятков парсек, а масса водорода в одном облаке равна сотне масс Солнца. Сейчас в нашей Галактике известны несколько тысяч молекулярных облаков.