Комета Борелли

Кометы — это самые непостоянные объекты в Солнечной системе. Орбиты комет меняются другими планетами и силой их собственных хвостов, очертания изменяются с каждым килограммом испаренных газов. Оказалось, что непостоянно и само их существование — комета 19P/Борелли объяснила, почему у большинства комет форма кегля для боулинга, и как это грозит им разрушением.

Характеристики Борелли

Сделал основополагающее открытие в исследовании комет зонд «Deep Space 1» — «Глубокий Космос». Сейчас, после исследования комет Темпель 1 и Чурюмова-Герасименко, мы знаем о кометах много. Но тогда, в 2001 году, ядро кометы Борелли стало вторым в истории кометным ядром, увиденным с Земли. До этого астрономы смогли изучить только ядро кометы Галлея с помощью советских зондов Вега-1 и Вега-2, а также аппарата «Giotto».

Но зонды-первопроходцы были построены еще в 80-х годах. Мощности «Дип Спейса», сконструированного почти в XXI веке, буквально сняли пелену перед глазами ученых. Стали известны полные характеристики кометы Борелли — а именно:

• Масса Борелли — всего 2×10¹³ килограмм при поперечнике в 2,4 километра и длине в 8 километров. Это немного — для сравнения, комета Галлея в два раза больше, и от двух до десяти раз тяжелее.
• За счет большого количества промежутков между пылинками и пустых камер испарившихся при приближении к Солнцу льдов, итоговая плотность кометы Борелли составляет 0,3 г/см³ — всего лишь в два раза больше плотности пробки.
• Связано это с особенностями строения Борелли. Она, как и многие из комет, представляет собою «кучу щебня» — груду мелких скал и реголита, каменной крошки, сдерживаемых вокруг тяжелого, но небольшого монолита-центра. Роль такого центра, в случае ядра кометы, играют залегающие внутри льды. Это было доказано позже, в 2005 году, когда зонд «Deep Impact» пробился к центру кометы Темпель 1.
• Орбитальные характеристики кометы — самые первые и точные данные, полученные астрономами. Борелли принадлежит к кометному семейству Юпитера — свой разворот к Солнцу они делают в районе его влияния. Такие кометы имеют наиболее короткий период прохождения своей траектории — Борелли приближается к Солнцу раз в семь лет, принадлежа тем самым к короткопериодическим кометам.
• Как и большинство комет в семействе, Борелли там относительно недавно — всего 100 лет. Во время зарождения Солнечной системы, пойманные Юпитером кометы находились между Ураном и Нептуном. В процессе определения своих орбит, планеты разбросали в разные стороны большой кометный диск. Часть комет улетела на окраины Солнечной системы, к поясу Койпера и облаку Оорта, а часть притянулась к планетам внешней группы. Орбиты таких комет самые непостоянные — под воздействием гравитации планет-гигантов они часто сдвигают свой период на год–второй, что приравнивается смещениям на десятки миллионов километров.
• Альбедо кометы, то есть светоотражающая способность, у Борелли очень мало: всего 0,04%. Таким образом, Борелли темнее дегтя — типичная черта большинства комет. В столь низкой яркости кроется причина того, почему кометы образуют газовые хвосты — черная поверхность кометы воспринимает больше солнечной энергии, накаляя ядро и заставляя выкипать залежи льдов под поверхностью.

Специфику полученных про Борелли данных определяло то, что зонд «Дип Спейс» наблюдал его во время прохождения перигелия — наиболее близкой к Солнцу точки. Хвост и кома кометы — окутывающее ее облако пыли и газа — в этот момент достигают наибольших размеров, а льды на поверхности почти не задерживаются. Не обнаружили льдов и на внешнем слое Борелли. Кроме того, микрочастицы в хвосте кометы способны пробить даже металл — европейский зонд «Giotto», рискнувший подлететь к комете Галлея на расстояние 600 километров, был серьезно поврежден. Поэтому «Дип Спейс» не приближался к Борелли теснее, чем на 2490 километров. Но и этого было достаточно.

Открытие и исследование Борелли

Первичный этап

Открыл комету француз Альфонсо Борелли в 1904 году, во время запланированного поиска комет в Марсельской обсерватории. Борелли больше полувека посвятил астрономии — за исключением написанных научных трудов, в его достижения входит открытие 7 комет и 18 астероидов. Заслуги ученого были почтены премиями Латанда и Вальца Французской академии наук. В его честь был также назван астероид (1539) Борелли.

Современный этап

После открытия, комета Борелли продолжала регулярно наблюдаться астрономами. Были вычислены ее период, время вращения вокруг собственной оси, 25 часов, и степень активности. Космические телескопы провели анализ излучаемого спектра хвоста и комы Борелли — так ученые выяснили, что в составе пород кометы относительно мало углерода, и присутствуют органические вещества вроде аммиака.

Но состав этот был лишь приблизительным — кометный хвост массой всего в одну миллионную массы самой кометы, и не содержит большую часть настоящего состава. Без пробы кометного вещества невозможно судить о материале — или хотя бы без чистого снимка ядра. Доставить последний взялся зонд «Deep Space 1».

Зонд «Deep Space 1»

Изначальная миссия «Дип Спейса», запущенного в 1998 году, заключалась в пролете и исследовании астероида (9969) Брейль. Однако ученые считают, что больше всего ценных научных данных было собрано при пролете кометы Борелли. Да и сам пролет был своего рода инновацией в индустрии исследовательских аппаратов — команда «Дип Спейса» не только сумела справиться с непредвиденными трудностями в навигации, но и выполнила прохождение мимо кометы без малейшей защиты от кометной пыли.

Примечателен «Дип Спейс» и с точки зрения инженерии — он стал первым в истории космическим аппаратом, на котором был задействован ионный двигатель. Классические «химические» двигатели базируются на реакции окисления — то есть на обычном сгорании топлива. Кроме топлива, для горения требуется и кислород. Это делает любой химический двигатель громоздким и уменьшает количество полезного груза, вроде ячеек памяти или защиты от космических частиц.

Ионный двигатель использует только легкие инертные газы, вроде неона, и электрическое поле для разгона их частиц. Похожим образом работает лампа дневного света — только электричество не разгоняет в ней газ, а проходит сквозь него, генерируя свет. Ионный двигатель обладает меньшей мощностью, чем классический, но большим сроком работы и компактностью. Эта сыграло важную роль в миссии «Дип Спейса».

Пролет «Deep Space 1»

И несмотря на все препятствия, 22 сентября 2001 года «Дип Спейс» выполнил пролет мимо кометы на расстоянии 2490 километров. Были задействованы все научные приборы зонда — анализировалась магнитосфера Борелли вместе с ионными частица комы и хвоста кометы. Были также сделаны монохромные и спектральные снимки Борелли. Фотографий получилось не так много. Причин на то было несколько:

• Солнце находилось под прямым углом относительно аппарата и кометы. Это ограничивало возможный диапазон съемки, но позволяло получить больше данных — что было немаловажно при средней детальности снимков в 100 метров на пиксель.
• Камера могла делать только один снимок в 30 секунд — 20 секунд снимок передавался с цифровой матрицы в компьютер, и еще десять секунд сжимался и обрабатывался программой.
• «Дип Спейс» не мог развернуться в сторону Борелли после пролета, дабы фотографировать в процессе отдаления от кометы. Причиной этому была нехватка топлива в химическом двигателе. Ради экономии, он использовался только для разворота аппарата вокруг оси — в том числе для ориентации антенны «Дип Спейса» на Землю. Каждый грамм топлива стоил потерей связи с зондом — и ученые решили не рисковать.

И даже в таких ограниченных условиях зонд сумел сделать фотографии с 45 метрами поверхности кометы на одном пикселе — в два раза детальнее, чем ожидалось! Магнитометрия Борелли тоже удалась, хотя была полностью кустарной — для нее использовались приборы, первоначально установленные для калибровки ионных двигателей. «Дип Спейс» достойно справился со своей задачей — по оценкам астрономов, он перевыполнил заложенный план в три раза.

Особенности Борелли

Как уже было сказано, результаты исследований Борелли стали революцией в представлениях о кометах для своего времени. Это было всего второе кометное ядро в истории, которое удалось снять, и первое — которое так детально исследовали. Сегодня, после первой мягкой посадки зонда на комету Чурюмова-Герасименко, многие загадки кометы Борелли стали вполне обычными явлениями для астрономов. И, тем не менее, в Борелли остались свои особенности:

• Астрофизики обнаружили, что магнитное поле кометы сильно смещено в сторону, противоположную Солнцу — также как и кома Борелли. Однако, некоторые из мест выделения газов на Борелли были направлены в сторону светила, что не вписывается в существующую концепцию комет.
• На поверхности кометы Борелли находится множество борозд и горных хребтов — признаки космической эрозии, усиленной испарением льдов на комете. Но главным источником пыли для комы Борелли являются не они — ее питают гладкие области на боках кометы. На комете астрономы обнаружили также достаточно крупный кратер.
• «Шея» Борелли, из-за которой комета похожа на кегль для боулинга или отпечаток человеческой ноги, является эпицентром газовыделения. За время подлета зонда, в этом секторе было обнаружено три мощных выброса из ядра, джета в астрофизической терминологии. Также «шея» кометы покрыта глубокими скважинами. Активное выделение газов и магнитное смещение кометы рано или поздно приведут к тому, что перешеек развалится — и «голова» Борелли оторвется от ядра.
• Такой процесс типичен для многих комет — например, Хартли-2 и Галлея имеют подобную форму, говорящую о постепенном «стачивании» части ядра кометы. Но на Борелли есть еще один признак грядущего разрушения — крупные трещины. Приблизившись однажды слишком близко к Солнцу, комета Борелли может разорваться на куски под давлением изнутри.

Интересный факт напоследок — зонд «Дип Спейс» был достаточно дешевым как для космического аппарата. Вместе с запуском из космодрома и зарплатами персонала, проект обошелся в 150 миллионов долларов.