В.В.Бусарев

Кометы - это наиболее необычные по своему виду небесные объекты, которые иногда доступны для наблюдений невооруженным глазом. Они привлекали внимание человека с глубокой древности. Вместе с астероидами и метеорными телами их относят к малым телам Солнечной системы. Характерной особенностью комет является то, что при сближении с Солнцем у них появляется и увеличивается хвост, направленный всегда в сторону от Солнца. Однако подробнее об этом ниже, а пока дадим небольшую историческую справку о том, как развивались представления о кометах.

1. Немного об истории изучения комет

В то время, как абсолютное большинство видимых небесных светил были точечными объектами и почти никогда не изменяли своего расположения на ночном небе (звезды), а если и двигались, то по заданному пути и за определенное время ("блуждающие звезды" или планеты), неожиданное появление "хвостатых светил" вызывало у людей чувство страха. В период отсутствия научных знаний любые непонятные явления природы чаще всего истолковывалось как магические или божественные знаки - предвестники грядущих событий. "Хвостатые светила" или кометы на эту роль вполне подходили. Слово "комета" в переводе с греческого языка означает "волосатая звезда". В древней Греции, а затем и в средние века кометы обычно изображали как отрубленные головы с развевающимися волосами. Человеческая история в древности была весьма насыщена разными трагическими событиями, такими как войны, эпидемии, дворцовые перевороты, убийства правителей или других вельмож. Каким-то из этих событий сопутствовали появления ярких комет. А придворные астрономы-астрологи, а затем и церковь в предсказаниях будущего основывались на небесных явлениях, "увязывая" дела земные и небесные. Например, из трудов римских историков известно, что смерть Юлия Цезаря в 44 г. до н. э. совпала с возникновением на небе яркой кометы, поэтому до средних веков и даже позднее при королевских дворах в Европе было распространено мнение, что появление кометы может предвещать смерть королей или их наследников. Приведем пример средневековой эмоциональной "интерпретации" природы комет и их влияния на судьбы людей. Известный французский хирург Амбруаз Паре так описывал комету 1528 г.: "Эта комета была столь ужасна и страшна и порождала в народе столь великое смятение, что некоторые умирали от одного лишь страха, а другие заболевали. Она представляла собой светило громадной длины и кровавого цвета; в вершине ее была видна сжатая рука, держащая длинный меч, как бы готовый разить. У конца его клинка были видны три звезды. По обе стороны лучей, выходящих из хвоста этой кометы, виднелось множество топоров, ножей, мечей, обагренных кровью, а среди них были видны ужасные человеческие лица с всклоченными бородами и дыбом стоящими волосами". Описания появлений разных комет на протяжении всей истории человечества до XVII в. изобиловали самыми страшными предсказаниями и прогнозами, вплоть конца света. Самое первое зафиксированное в исторических летописях появление кометы относится 2296 г. до н. э. Тогда комета наблюдалась китайскими астрономами, которые старательно следили за ее движением по созвездиям. В представлении древних китайцев небо было огромной страной, состоящей из многочисленных областей и провинций, в которых яркие планеты были их правителями. Для передачи императорских указов во все провинции были необходимы курьеры. Роль курьеров отводилась как раз "хвостатым светилам", поскольку они быстро перемещались через многие созвездия и якобы передавали императорскую волю. Подтверждением этого китайские астрономы считали перемещение по воле императора "планет-правителей" из одного созвездия в другое после исчезновения кометы. Интересно отметить, что такую положительную роль кометам приписывали только в Китае. Может быть потому, что на заре цивилизации люди еще не были "обременены" знанием всех перипетий человеческой истории.

Достаточно объективные суждения о природе комет высказывали еще некоторые древнегреческие и римские мыслители, которые считали их независимыми от человека и его деятельности природными явлениями. Однако ближе всего к их истинной природе подошел в своих рассуждениях римский философ Сенека, живший в I веке н. э., который в споре с Аристотелем (считавшего кометы исключительно атмосферными явлениями) писал: "Я не могу согласиться, что комета - это только зажженный огонь, это, скорее, одно из вечных творений природы... Комета имеет собственное место между небесными телами..., она описывает свой путь и не гаснет, а только удаляется. Не будем удивляться, что законы движения комет еще не разгаданы; придет время, когда упорный труд откроет нам скрытую сейчас правду..." Это время пришло только через пятнадцать столетий. Сначала Тихо Браге и его ученики при наблюдении из разных точек земной поверхности кометы 1577 г. доказали, что она находилась не в атмосфере Земли, а далеко за ее пределами, то есть была самостоятельным небесным телом. Затем Галилео Галилей в 1610 г. впервые воспользовался построенным им телескопом для наблюдений небесных тел и совершил при этом множество астрономических открытий. Несколько раньше вышел труд "Шесть книг о круговых движениях небесных светил Николая Коперника из Торуна" (в 1543 г.), нанесший сокрушительный удар по геоцентрической системе мира Аристотеля-Птолемея. Таким образом была подготовлена "почва" для поиска общих законов движения небесных тел. Эти законы были установлены в период 1609-1618 гг. опытным путем (на основе подбора математических соотношений, а не их вывода) талантливым учеником Тихо Браге Иоганном Кеплером, воспользовавшегося многочисленными наблюдательными данными своего учителя о движениях планет. В результате формулировки Кеплером его трех законов было установлено, что каждая планета движется не по окружности с постоянной скоростью, а с переменной скоростью по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Но общая причина движений планет была еще непонятна. И только с открытием Иссаком Ньютоном закона всемирного тяготения этому было найдено научное объяснение: если сила, действующая на небесное тело со стороны Солнца обратно пропорциональна квадрату расстояния до него, то такое тело должно двигаться по эллиптической орбите. Именно расчеты, произведенные Ньютоном по такой формуле (еще до формулировки закона всемирного тяготения) по просьбе английского астронома Эдмунда Галлея доказали, что яркая комета 1682 г. движется по эллиптической орбите. На основе собственных наблюдений этой кометы и анализа достоверных исторических летописей о наблюдениях ярких комет за последние 300 лет Галлей составил первый каталог о 24 таких телах, включавший рассчитанные им элементы кометных орбит (основные параметры, по которым можно определить положение каждой кометы в любой момент времени). В своем каталоге Галлею удалось обнаружить очень близкое совпадение орбитальных элементов трех комет, появлявшихся в 1531, 1607 и 1682 гг., откуда он сразу сделал вывод о том, что это должна быть одна и та же комета. Ее период обращения вокруг Солнца оказался равным 75,5 годам и, как предположил ученый, следующее появление кометы должно было произойти в 1758 г. Это предсказание Эдмунда Галлея подтвердилось в начале 1759 г. Вместе с появлением кометы подтвердился и закон всемирного тяготения, на основе которого выполнялись расчеты ее траектории. К сожалению сам астроном не дожил до этого момента. Однако открытую им периодическую комету стали называть кометой Галлея. Так начинались научные исследования комет.

2. Кометные орбиты и орбитальная классификация комет

Согласно теории Ньютона, движения небесных тел, подчиняющихся закону всемирного тяготения, совершаются не только по эллипсам (это лишь один из частных случаев), а по так называемым коническим сечениям, к которым принадлежат окружность, эллипс, парабола и гипербола. Поясним это на следующем упрощенном примере. Если считать комету материальной точкой с малой массой (m) по сравнению с массой Солнца (M) и не учитывать влияние планет на ее траекторию движения, то уравнение движения такой точечной массы в поле тяготения Солнца получается из следующих законов: всемирного тяготения, сохранения общей механической энергии (E) и сохранения момента количества движения (M). Это задача "двух тел", имеющая достаточно простое аналитическое решение в отличие от задачи трех и более гравитационно связанных тел, когда такое решение найти не удается. В случае двух тел решение получается как уравнение траектории движения точечной массы. В полярной системе координат (r и j ) оно имеет следующий вид:

r = p/(1 + e* cosj ), (1)

где r - радиус-вектор, соединяющий точечную массу с центром Солнца,

p = M²/ G* m^2* M² - параметр орбиты, (2)

e = К²(1 + 2E* M²/G^2* m* M²) - эксцентриситет орбиты. (3)

Из формулы (1) вытекают все три закона Кеплера. Но, как уже говорилось, законы Кеплера характеризуют движение небесного тела по эллипсу в поле тяготения центрального тела, находящегося в одном из фокусов этого эллипса. Формула (1) описывает кроме эллиптической траектории еще три типа траекторий. Как видно из формулы (3), все они получаются при разных значениях величины E, определяющей значение эсцентриситета:

если E = 0, то e = 1 и формула (1) превращается в уравнение параболы;

если E < 0, то 0 < e < 1 и (1) превращается в уравнение эллипса;

если E > 0, то е > 1 и (1) становится уравнением гиперболы;

если E = - G^2* m^3* M²/2* M², то e = 0

и (1) становится уравнением окружности.

Эти типы траекторий называются коническими сечениями по следующей простой причине Возможны только четыре варианта сечения кругового конуса плоскостью: перпендикулярно его оси, под некоторым углом к ней, параллельно образующей линии конуса и. параллельно оси конуса (Рис. 1). При этом в сечении, соответственно, получаются окружность, эллипс, парабола и гипербола, что было известно еще геометрам Древней Греции. Не случайно слова "эллипс", "парабола" и "гипербола" имеют греческое происхождение.

Рис. 1. Типы конических сечений как примеры форм кометных орбит. Обозначения:
1 - окружность (сечение плоскостью, перпендикулярной оси конуса);
2 - эллипс (сечение плоскостью под некоторым углом к оси конуса);
3 - гипербола (сечение плоскостью, параллельной оси конуса);
4 - парабола (сечение плоскостью, параллельной образующей конуса).

Таблица 1. Характеристики орбит некоторых комет

В отличие от планет и абсолютного большинства астероидов, движущихся по стабильным эллиптическим траекториям и поэтому вполне предсказуемых при своих появлениях (для надежного расчета орбиты каждого из этих тел достаточно измерить его координаты всего в трех точках траектории движения), с кометами дело обстоит намного сложнее. На основе накопленных наблюдательных данных установлено, что абсолютное большинство комет также обращается вокруг Солнца по вытянутым эллиптическим орбитам. Но на самом деле, ни одна комета, пересекающая планетные орбиты, не может двигаться по идеальным коническим сечениям, поскольку гравитационные воздействия планет постоянно искажают ее "правильную" траекторию (по которой она бы двигалась в поле тяготения одного Солнца. Реальный путь кометы в межпланетном пространстве извилист и методы небесной механики (науки о движении небесных тел) позволяют вычислить только среднюю орбиту, которая совпадает с истинной не во всех точках. Кометы делят на два основных класса в зависимости от периода их обращения вокруг Солнца. Короткопериодическими называют кометы с периодами обращения менее 200 лет, а долгопериодическими - с периодами более 200 лет. Совсем недавно можно было наблюдать яркую долгопериодическую (с периодом около 4000 лет) комету Хейла-Боппа, которая впервые появилась в ближних окрестностях Солнца. Название кометы состоит из фамилий ученых, обнаруживших ее в июле 1995 г. (см. табл. 1 и рис. 3). Сейчас уже обнаружено около 700 долгопериодических комет, из которых примерно 30 имеют маленькие перигелийные расстояния и называются "царапающими" Солнце кометами. Примерно шестая часть всех известных долгопериодических комет - "новые", то есть они наблюдались только в течение одного сближения с Солнцем. Очевидно, что их расчетная орбита получается незамкнутой (параболической), поэтому их еще называют параболическими. "Старые" долгопериодические кометы раньше наблюдались в зоне планет земной группы и о них уже кое-что известно. Наклоны орбит долгопериодических комет по отношению к плоскости эклиптики распределены случайным образом. Короткопериодических комет сейчас известно более 200. Как правило, их орбиты расположены очень близко к плоскости эклиптики. Все короткопериодические кометы являются членами разных кометно-планетных семейств. Самое большое такое семейство принадлежит Юпитеру, - это кометы (их известно около 150), у которых афелийные расстояния (от Солнца до точки наибольшего удаления) близки к большой полуоси орбиты Юпитера равной 5,2 а.е. Периоды обращения вокруг Солнца комет семейства Юпитера заключены в пределах 3,3 - 20 лет (из них наиболее часто наблюдаемые - Энке, Темпеля-2, Понса - Виннеке, Фая и др.). У других крупных планет семейства комет существенно меньше: сейчас известно около 20 комет семейства Сатурна (Тутля, Неуймина-1, Ван Бисбрука, Гейла и др. с периодами обращения вокруг Солнца в 10-20 лет), всего несколько комет семейства Урана (Кроммелина, Темпеля-Тутля и др. с периодами обращения 28-40 лет) и около 10 - семейства Нептуна (Галлея, Ольберса, Понса-Брукса и др. с периодами обращения 58-120 лет). Считается, что все эти короткопериодические кометы вначале были долгопериодическими, но в результате длительного гравитационного влияния на них больших планет они постепенно перешли на орбиты, связанные с соответствующими планетами и стали членами их кометных семейств. Было показано, что преобладание по численности комет семейства Юпитера является следствием его значительно большего гравитационного влияния на эти тела по сравнению с другими планетами (в 10 раз превышающего влияние Сатурна и в 100 и более раз - гравитационное воздействие любой другой планеты). Из всех известных короткопериодических комет самый маленький период обращения вокруг Солнца у кометы Энке, входящей в семейство Юпитера, - 3,3 земных года. Эта комета наблюдалась максимальное количество раз при сближениях с Солнцем: 57 раз в течение примерно 190 лет. Но все же наиболее известной в истории человечества является комета Галлея, входящая в семейство Нептуна. Имеются записи о ее наблюдениях начиная с 467 г. до н. э. За это время она проходила вблизи Солнца 32 раза, учитывая, что период ее обращения вокруг Солнца равен 76,08 годам.

В разделе "Астероиды" говорилось о том, что уже обнаружено достаточно большое количество малых планет, сближающихся с Землей (около 750). По некоторым оценкам общее количество таких тел с размером более 1 км может достигать 1500-2000, а более 100 м - около 135000. Более мелких тел может быть еще больше. Подобно астероидам, сближающимся с Землей, в последнее время обнаружены так называемые мини-кометы, которые, вероятно, также принадлежат к этому семейству тел. По каким именно траекториям они могут двигаться, пока неизвестно, но их орбиты, вероятно, должны быть похожими на орбиты метеорных и болидных потоков (Леонид, Персеид, Акварид, Драконид и других, известных как потоки "падающих звезд") пересекающихся с земной орбитой в разное время года. Ведь абсолютное большинство метеорных потоков, как уже установлено, образовалось при распаде кометных ядер. Пока что с помощью наземных телескопических наблюдений и снимков с космического аппарата "Полар" в земной атмосфере на выс