bhagovan_narcom (bhagovan_narcom) wrote in astronomy_ru,
bhagovan_narcom
bhagovan_narcom
astronomy_ru

Category:

Происхождение комет (часть вторая)

Оригинал взят у bhagovan_narcom в Происхождение комет (часть вторая)

Первая часть статьи

Как достигнуть облака Оорта?

Мы познакомились в общих чертах с гравитационным манёвром, и можем вернуться к теме происхождения комет.
Согласно общепринятому среди планетологов мнению, существует так называемое облако Оорта – гипотетическая сферическая область на самой окраине Солнечной системы. Она расположена на расстоянии 50-100 тысяч астрономических единиц (примерно 1 световой год) от Солнца и содержит более триллиона кометных ядер (см. фото 1). Естественно, НИКАКИХ наблюдательных данных, подтверждающих его существование НЕТ. Слишком малы кометы, чтобы их можно было как-нибудь обнаружить на таком огромном расстоянии. То есть, облако Оорта – гипотетический объект. Для чего придуман такой объект?


Дело в том, что в современной космогонии принята следующая парадигма. ВСЕ объекты Солнечной системы образовались 4,5 миллиарда лет назад. То есть, много лет назад было почти одновременное рождение ВСЕЙ Солнечной системы, а потом – всё, тишина. Никакой активности. До начала космической эры почти все планетологи были уверены: на небесных телах лунных размеров и меньше НИКАКОЙ геологической активности быть не может. Но первый же полёт Вояджера-2 во внешние области Солнечной системы показал, что учёные ЗАБЛУЖДАЮТСЯ. На спутнике Юпитера Ио (она размером с Луну, см. фото 2)
был обнаружен мощнейший вулканизм, на спутнике Нептуна Тритоне (в 3 раза легче Луны) били гейзеры из жидкого азота. Сейчас обнаружена геологическая активность даже на объекте размером всего 500 км (почти в тысячу раз легче Луны) – это спутник Сатурна Энцелад . Но учёные не пересмотрели свои взгляды. Они до сих пор уверены, что в современной Солнечной системе НИЧЕГО образоваться не может, а всё было «сотворено» 4,5 миллиарда лет назад.

Каждый год астрономы открывают новые кометы. А время их жизни по астрономическим меркам очень мало. Откуда же они образуются? Версию, что кометы, возможно, РОЖДАЮТСЯ в настоящее время, учёные даже не рассматривают. Они уверены, что ВСЕ кометы родились 4,5 миллиарда лет назад. Почему же они сохранились до настоящего времени? А вот для этого и придумано облако Оорта – своеобразная морозильная камера для хранения комет. Раз кометы не могут иметь возраст меньше 4,5 миллиардов лет, то, следовательно, после своего рождения они сразу НАПРАВЛЯЮТСЯ в облако Оорта для хранения. А как они туда попадают? После гравитационного манёвра вблизи Юпитера.

Предположим, что это действительно так. То есть, Юпитер (и в меньшей степени другие большие планеты) смог выбросить значительное количество ледяных тел на окраину Солнечной системы. Разберём внимательно этот процесс.
Комета совершает гравитационный манёвр вблизи Юпитера, и он закидывает её на окраину Солнечной системы. В результате манёвра скорость кометы может измениться на несколько километров в секунду. Эта скорость может стать гиперболической (то есть больше, чем скорость вылета из Солнечной системы), и тогда комета навсегда покинет Солнечную систему. Уже после первого пролёта вблизи Юпитера скорость «Вояджера-2» стала гиперболической, и он уже не вернётся домой.
То есть, Юпитер должен «бросить» комету сильно, чтобы она смогла долететь до облака Оорта, но не слишком сильно, чтобы она не вылетела за пределы Солнечной системы. Рассчитаем диапазон скоростей кометы, необходимый для достижения облака Оорта.
Параболическая скорость (равна минимальной скорости вылета из Солнечной системы) в районе орбиты Юпитера приблизительно равна 18 км/сек. Эта скорость изменяется вдоль орбиты Юпитера просто потому, что эта орбита немного вытянута (эксцентриситет около 5 процентов). Предположим, что в том месте, где происходит гравитационный манёвр, эта скорость точно равна 18 км/сек. Это означает, что если Юпитер изменит скорость кометы, скажем, с 12 до 18 км/сек, то комета вылетит за пределы Солнечной системы. Чтобы комета осталась в облаке Оорта, её скорость должна быть меньше 18 км/сек. На сколько меньше?

НЕВЕРОЯТНАЯ ТОЧНОСТЬ БРОСКА!

Итак, если Юпитер разгонит комету до 18 км/сек, она едва-едва вылетит за пределы Солнечной системы. До какой скорости он должен её разогнать, чтобы комета осталась в облаке Оорта – на расстоянии 100 тысяч астрономических единиц?
Эта задача решается просто, БЕЗ привлечения сложных формул.

Напомню, что скорость движения по орбите обратно пропорциональна корню квадратному из радиуса орбиты. Извлекаем корень квадратный из 100 тысяч, получаем примерно 300. Во столько раз орбитальная скорость в облаке меньше, чем у Земли. Делим скорость Земли 30 км/сек на 300, получаем 100 м/сек. Это средняя орбитальная скорость в облаке Оорта. А минимальная скорость вылета из него (умножаем на корень из двух) будет примерно 140 м/сек.
Обозначим кинетическую энергию кометы, скорость которой 1 км/сек, за 1 единицу. Тогда при скорости 0,14 км/сек, энергия равна 0,02 единицы. Если комета после Юпитера имеет энергию 18х18 = 324 единицы, то она вылетит из Солнечной системы с НУЛЕВОЙ энергией. А чтобы остаться в облаке Оорта, её энергия должна быть меньше на 0,02 единицы, то есть 324 – 0,02 = 323,98 единицы. Берём корень (на калькуляторе) и получаем: 17,9995 км/сек. С такой скоростью Юпитер должен выбросить комету, чтобы она осталась в облаке Оорта. Эта скорость меньше чем гиперболическая всего на пол метра в секунду! 50 см/сек – такая должна быть точность броска! Чуть больше, и комета улетит навсегда.

Посчитаем теперь скорость, которую должна иметь комета, чтобы достичь нижней границы облака Оорта – примерно 4 тысяч а.е.
Расчёты делаем по той же схеме.
100 тыс. делим на 4 тыс., получаем 25. Берём корень, получаем 5. 140 м/сек умножаем на 5, получаем 700 м/сек – скорость вылета из Солнечной системы из самой нижней части облака Оорта. 0,7х0,7 = 0,49 или примерно 0,5. От 324 отнимаем 0,5, получаем 323,5. Берём корень квадратный, получаем 17,986 км/сек. Всего на 14 м/сек меньше, чем 18 км/сек.

Мы видим, что диапазон скоростей, в которые должен уложиться Юпитер, выбрасывая комету в облако Оорта, очень мал. Примерно на три порядка меньше, чем изменение скорости, которое Юпитер способен сообщить комете, пролетающей вблизи него. И это означает, что примерно одна комета из тысячи попадёт в облако Оорта, а остальные либо не долетят до него, либо будут выброшены в межзвёздное пространство. Связано это с тем, что энергия пропорциональна КВАДРАТУ скорости. Даже небольшое изменение скорости у кометы вблизи Юпитера приводит к достаточно большому изменению её энергии. В результате комета либо НЕ ДОСТИГАЕТ облака Оорта, либо ВЫЛЕТАЕТ за пределы Солнечной системы.

КАК СПАСТИ ОБЛАКО ООРТА?

Мы выяснили, что Юпитер, забрасывая кометы в облако Оорта, будет очень часто промахиваться. Половина комет улетит из Солнечной системы, половина не долетит до цели, и только одна из тысячи попадёт в облако Оорта.
Что касается комет, попавших в облако Оорта, то только 3 процента из них будут находиться на расстояниях 100 тыс. а.е. (точность броска 50 см/сек), а остальные гораздо ближе: в основном на расстояниях 4-5 тыс. а.е. (точность броска 14 м/сек) При этом перигелий у всех комет будет находиться внутри орбиты Юпитера. Давайте посмотрим, какая судьба у этих комет.

Период обращения (вспоминаем Третий закон Кеплера) пропорционален большой полуоси в степени 3/2. Для 20 тысяч а.е. это 10 тысяч умножить на корень из этого числа (100), равно 1 миллион лет. Каждый миллион лет комета будет возвращаться к Солнцу и пересекать орбиту Юпитера два раза. Длина орбиты Юпитера примерно 30,5 а.е. То есть каждый 7-й или 8-й раз комета будет проходить на расстоянии 1 а.е. от Юпитера. Много это или мало? Сейчас узнаем.

Возьмём наш старый чертёж, сделанный для гравитационного манёвра Вояджера-2 (см. фото).

Он нам поможет лучше понять происходящее. Комета, совершившая гравитационный манёвр близи Юпитера и оказавшаяся в облаке Оорта, будет иметь примерно такой же чертёж для своего манёвра. Единственное отличие: вместо 20 км/сек нужно поставить 18 км/сек, потому что именно такая (примерно) скорость требуется для достижения облака Оорта. Когда комета вернётся обратно, она будет иметь скорость около 18 км/сек. Эта скорость одинакова для ВСЕХ комет, а угол, под которым она приблизится к орбите Юпитера, будет тот же, под каким она вылетела. В отличие от скорости 18 км/сек, эти углы для разных комет могут быть разными.

Итак, комета возвращается к Юпитеру со скоростью около 18 км/сек и пересекает его орбиту под некоторым углом: вектор АС. Напомню, что АО – это орбитальная скорость Юпитера, равная 13 км/сек. ОС – это скорость кометы в системе отсчёта Юпитера. Она несколько больше, чем 5 км/сек (примерно 7 км/сек). После встречи с Юпитером вектор скорости ОС поворачивает на некоторый угол. Найдём его.

Вот известная формула для поворота вектора скорости в гравитационном поле массы М (см. фото 2).

Здесь М – масса Юпитера, G – гравитационная постоянная, V – скорость кометы относительно массы М (около 7 км/сек), «ро» – прицельный параметр (делаем расчёт для 1-й астрономической единицы), угол «фи» – угол поворота вектора скорости после манёвра.
 Подставив числа и проделав расчёты, получил угол «фи» около 2 градусов (желательно, чтобы кто-нибудь проверил). Это 1/30 радиана.

Для радиуса 7 км/сек, длина дуги будет около 230 м/сек. Это изменение скорости в системе Юпитера. Проекция этой длины дуги на скорость кометы АС будет около 100 м/сек. Таким образом, после пролёта на расстоянии 1 а.е. от Юпитера, скорость кометы изменится на 100 м/сек. Либо возрастёт, либо уменьшится. В зависимости от того, «перед» Юпитером или «после» него пролетит комета. В любом случае комета ПОКИНЕТ облако Оорта. Если скорость возрастёт на 100 м/сек, комета вылетит из Солнечной системы. Мы помним, что для вылета достаточно увеличить скорость всего на 14 м/сек. Если уменьшится, то афелий кометы заметно уменьшится. На сколько? До 500 а.е. Это уже не гипотетическое облако Оорта, а реальный пояс Койпера. Период вращения у кометы будет 4 тысячи лет или меньше. Она будет гораздо чаще пролетать рядом с Юпитером и достаточно быстро ПОКИНЕТ Солнечную систему. Как же нам «спасти» облако Оорта?

ЧТО ОСТАНЕТСЯ ОТ КОМЕТНОГО ОБЛАКА?

Современные космогонисты предлагают такой план по спасению облака Оорта. Когда комета выбрасывается на расстояние 100 тыс. а.е., то она несколько миллионов лет движется на гигантском расстоянии ото Солнца. Есть вероятность, что за это время какая-нибудь близко расположенная звезда чуть-чуть изменит её скорость – даст небольшой импульс. Этот небольшой импульс придаст комете немаленький момент импульса относительно Солнца, который уже не позволит ей приблизиться к планетам Солнечной системы.
То есть, ближайшие звёзды своим воздействием переведут кометы с сильно вытянутых орбит на не сильно вытянутые и, таким образом, отделят облако Оорта от планет. Кометы «подтянут» свои перигелии ЗА орбиту Плутона.

Теперь понятно, почему для облака Оорта взят размер 100 тысяч а.е.: примерно полтора светового года. На бОльших расстояниях влияние ближайших звёзд будет слишком велико, и они своими гравитационными полями разрушат облако Оорта. А на меньших расстояниях, скажем. 10 тыс. а.е., влияние ближайших звёзд будет слишком мало (по сравнению с Солнцем) и «спасти» их от выброса из Солнечной системы после очередного прохождения вблизи Юпитера (или другой большой планеты) будет трудно.

Сделав такие предположения, учёные надеются сохранить хотя бы малую часть комет в облаке Оорта (бОльшая их часть выброшена из Солнечной системы). Эти кометы находятся в облаке Оорта на «сохранении» в течение миллиардов лет. Каким же образом они попадают во внутреннюю часть Солнечной системы и становятся видимыми?
Космогонисты опять призывают на помощь ближайшие звёзды. Предполагается, что одна из них проходит близко от Солнца и изменяет скорость комет. При этом у некоторых комет орбитальная скорость уменьшается таким образом, что они снова проникают глубоко внутрь Солнечной системы и становятся видимыми (см. фото). Эта фотография страницы научно-популярной книги о кометах, посвящённой падению кометы на Юпитер в 1994 году. Её авторы – известные учёные специалисты в этой области. А сама иллюстрация, как следует из подписи внизу, взята из Кембриджского атласа по астрономии. На левой части рисунка проходящая звезда возмущает кометы, и одна них проникает глубоко в Солнечную систему – внутрь орбиты Юпитера. Так по современной версии образуются долгопериодические кометы. На правой части рисунка комета, прошедшая рядом с Юпитером, изменяет свою траекторию, и её афелий оказывается между планет. Так по современной версии из долгопериодических комет образуются короткопериодические кометы.

Что тут сказать? Если скорости комет в облаке Оорта будут каждый раз изменяться на некую случайную величину, то в среднем они будут расти с каждым новым сближением с очередной звездой. Так что рано или поздно, но эти скорости вырастут до второй космической (а она в облаке Оорта около 150-300 м/сек), и кометы покинут Солнечную систему. Вероятность того, что суммы случайных скоростей полностью скомпенсируют друг друга и орбитальную скорость кометы, очень мала. А если орбитальная скорость кометы не уменьшится почти до нуля, она не сможет проникнуть глубоко внутрь Солнечной системы. Ей помешает орбитальный момент импульса. Опять мы приходим к выводу, что облако Оорта должно разрушиться. Теперь уже под воздействием ближайших звёзд.
Кроме того, есть вероятность, что какая-нибудь звезда пройдёт ПРЯМО по облаку Оорта. Скажем, на расстоянии 10 тысяч а.е. от Солнца. Разве в таком случае что-нибудь останется от кометного облака? Насколько велика такая опасность?

Звёзды отделены друг от друга огромными расстояниями, поэтому вероятность их столкновения между собой ничтожно мала. И это хорошо. Но могут ли звёзды сближаться друг с другом на МАЛЫЕ расстояния, и какова вероятность такого события?
Скажем, как часто ближайшие звёзды будут проходить на расстоянии 10 тысяч а.е. от Солнца?
Относительная скорость Солнца среди звёзд равна 19 км/сек. А какая плотность звёзд вблизи Солнца? В интернете приводятся разные оценки. Я выбрал самую низкую: 1 звезда на 10 кубических парсек. Если плотность выше, то сближения будут чаще.

Рассмотрим цилиндр, в основании которого лежит круг радиусом 10 тысяч а.е. В центре этого круга находится Солнце. Высота цилиндра Н совпадает с направлением вектора скорости V Солнца и равна H = V t, где t – время. То есть наш цилиндр всё время растёт. Когда его объём вырастет до 10 кубических парсек, то внутри него должна оказаться одна звезда.
Получаем простое уравнение:
10 кубических парсек = 3,28 x 10 тысяч а.е. в квадрате x V t
Переводим всё в метры и решаем. Получаем, что один раз в 100 миллионов лет какая-нибудь звезда будет проходит на расстоянии 10 тысяч а.е. от Солнца. То есть по нижней границе облака Оорта. Своим воздействием она возмутит движение комет в той области облака, через которую она пройдёт, и выбросит все кометы из Солнечной системы. За время существования облака Оорта через его нижнюю границу пройдёт примерно полсотни звёзд, а через верхнюю в СТО раз больше – пять тысяч звёзд!

После такого числа сближений со звёздами, а среди них могут оказаться как карлики, так и гиганты, что-нибудь останется от облака Оорта?





Счетчик посещений Counter.CO.KZ - бесплатный счетчик на любой вкус!
Tags: кометы, облако Оорта
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 4 comments